計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的自頂向下教學(xué)

王興芳，張金區(qū)，曹 陽(yáng)，李 慧，沈映珊

（華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的自頂向下教學(xué)

王興芳，張金區(qū)，曹 陽(yáng)，李 慧，沈映珊

（華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631）

為了更加符合人們的自然思維習(xí)慣，打破傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)順序，提出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程不再按照體系結(jié)構(gòu)由下而上進(jìn)行教學(xué)，而是采用自頂向下的教學(xué)方式，并從概述到每一層的教學(xué)設(shè)計(jì)都進(jìn)行具體闡述和說(shuō)明。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；教材組織順序；自頂向下；任務(wù)式驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式

0 引 言

對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)期過(guò)半到網(wǎng)絡(luò)層的學(xué)習(xí)時(shí)，有個(gè)很明顯的分水嶺，學(xué)習(xí)認(rèn)真、領(lǐng)悟力好的學(xué)生能進(jìn)入良好狀態(tài)；而大約1/3的學(xué)生仍然不得要領(lǐng)，覺(jué)得理論性太強(qiáng)，課程內(nèi)容太枯燥，而產(chǎn)生得過(guò)且過(guò)的思想。

經(jīng)過(guò)學(xué)生的大量反饋及長(zhǎng)時(shí)間的反思，筆者意識(shí)到“為什么不能按照計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由上而下展開呢”，對(duì)于最上層的應(yīng)用層，如上網(wǎng)、電子郵件、上傳下載、多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等常見應(yīng)用，絕大部分學(xué)生已有基本的應(yīng)用體驗(yàn)，這樣從熟知的應(yīng)用開始，而后逐漸縱深進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)理論的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以知道如何應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)象背后的原理與技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這樣學(xué)生就會(huì)懷著極大的興趣，自覺(jué)地探究網(wǎng)絡(luò)上的各種功能實(shí)現(xiàn)原理，能很快入門，并保持良好的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

1 概述的教學(xué)設(shè)計(jì)

在第1章概述中，要透徹分析分層的理念，分層的目的是“將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”。當(dāng)人們?cè)谔幚怼⒃O(shè)計(jì)和討論一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，總是將復(fù)雜系統(tǒng)劃分為多個(gè)小的、功能相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)或模塊，這樣可以將注意力集中在這個(gè)大而復(fù)雜系統(tǒng)的某個(gè)特定部分，并有能力把握它，這本是“分而治之、逐步求精”的模塊化思想。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，人們發(fā)現(xiàn)層次式模塊劃分方法特別適合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此目前所有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都采用分層的體系結(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用的是TCP/IP4層核心體系結(jié)構(gòu)，為了能既簡(jiǎn)潔、又能將概念闡述清楚，教學(xué)常常采用5層協(xié)議的原理體系結(jié)構(gòu)[1]。表1為第1章概述的教學(xué)設(shè)計(jì)。

表1 第1章概述的教學(xué)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)第1章的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史、一些性能指標(biāo)及最為重要的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。為更加有效地展開各層的具體學(xué)習(xí)，可在第1部分概述后，對(duì)一些常用的基本概念如IP地址、分組交換、路由等作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，為后面課程的開展作適當(dāng)?shù)匿亯|[2]。

2 體系結(jié)構(gòu)中每一層教學(xué)的邏輯思路

第1章將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做了分層處理，每一層（每一模塊）都要承擔(dān)一部分任務(wù)并且層與層間協(xié)調(diào)工作，共同完成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體運(yùn)作。后面的學(xué)習(xí)中，將打破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)順序，不再按照體系結(jié)構(gòu)由下而上，而是顛倒過(guò)來(lái)，由上而下展開教學(xué)，并且在任務(wù)分層的大思路下，每層的學(xué)習(xí)采用任務(wù)式驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式。在此教學(xué)模式中，每一層的教學(xué)都可以采用如下思路：

（1）該層分到的任務(wù)是什么？

（2）如何利用相關(guān)的硬件、軟件（協(xié)議）及相應(yīng)的技術(shù)協(xié)調(diào)地解決這些任務(wù)？

（3）各層是如何協(xié)調(diào)運(yùn)作的（為方便系統(tǒng)學(xué)習(xí)，在此給出關(guān)系圖，如圖1所示）？

圖1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中各層協(xié)議間的關(guān)系

（4）每一層的作用范圍？

3 應(yīng)用層的教學(xué)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層有很多個(gè)應(yīng)用，每個(gè)應(yīng)用層協(xié)議都是為了解決某一類應(yīng)用問(wèn)題，而問(wèn)題的解決又往往是通過(guò)位于不同主機(jī)中多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程之間的通信和協(xié)同工作完成的。應(yīng)用層的具體內(nèi)容就是規(guī)定應(yīng)用進(jìn)程在通信時(shí)所遵循的協(xié)議[3]235。由于應(yīng)用層純屬終端用戶所用，因此在本章中沒(méi)有涉及硬件，只是一些常用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。表2為應(yīng)用層的教學(xué)設(shè)計(jì)。

4 運(yùn)輸層的教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)生了解了應(yīng)用層的一些常用應(yīng)用，知道一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以同時(shí)運(yùn)行很多個(gè)應(yīng)用，那么進(jìn)一步思考兩個(gè)問(wèn)題：

（1）甲乙兩臺(tái)主機(jī)如何從很多個(gè)應(yīng)用中識(shí)別對(duì)等方哪個(gè)應(yīng)用在通信呢？

（2）由于應(yīng)用需求不同，如萬(wàn)維網(wǎng)、電子郵件、電子銀行、文件傳輸?shù)龋瑪?shù)據(jù)丟失會(huì)造成災(zāi)難性的后果，這類需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；而實(shí)時(shí)的多媒體應(yīng)用如實(shí)時(shí)音/視頻，可以承受一定程度的數(shù)據(jù)丟失，那么能夠根據(jù)具體需求，提供不同的傳輸服務(wù)嗎？

這些問(wèn)題將在運(yùn)輸層解決，該層的任務(wù)就是為運(yùn)行在不同主機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)程提供直接的通信服務(wù)，那么如何完成該任務(wù)呢？主要依賴于端口（port）與運(yùn)輸層的兩個(gè)協(xié)議。端口是用來(lái)識(shí)別應(yīng)用進(jìn)程的，端口號(hào)稱為應(yīng)用進(jìn)程的運(yùn)輸層地址，如圖1中第一行各協(xié)議后的數(shù)字為其端口號(hào)。TCP協(xié)議是提供可靠傳輸服務(wù)，而UDP提供更及時(shí)的傳輸服務(wù)，由圖1可見為應(yīng)用層協(xié)議采用的不同傳輸服務(wù)。表3為運(yùn)輸層的教學(xué)設(shè)計(jì)。

5 網(wǎng)絡(luò)層的教學(xué)設(shè)計(jì)

上面兩層主要是終端用戶功能，只有主機(jī)的協(xié)議棧才有應(yīng)用層與運(yùn)輸層，那么用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)根據(jù)不同需求封裝在TCP或UDP協(xié)議中，接下來(lái)如何使數(shù)據(jù)傳出去呢？即數(shù)據(jù)如何在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行路由選擇及分組轉(zhuǎn)發(fā)呢？

網(wǎng)絡(luò)層研究的就是經(jīng)過(guò)多種不同網(wǎng)絡(luò)（電話網(wǎng)、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)），分組怎樣從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)（經(jīng)過(guò)路由器），這屬于網(wǎng)絡(luò)層的范圍。網(wǎng)絡(luò)層將要學(xué)到的重要概念有虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、IP地址及其分配方法；將要用到的硬件是路由器；需要配備的主要協(xié)議有IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、ARP協(xié)議、IGMP協(xié)議及路由協(xié)議（BGP、RIP和OSPF）。圖2 所示為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)。表4為網(wǎng)絡(luò)層的教學(xué)設(shè)計(jì)。

表2 第2章應(yīng)用層的教學(xué)設(shè)計(jì)

表3 第3章運(yùn)輸層的教學(xué)設(shè)計(jì)

圖2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)

6 數(shù)據(jù)鏈路層的教學(xué)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)鏈路層研究的是在同一個(gè)局域網(wǎng)中，分組怎樣從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)（不經(jīng)過(guò)路由器），這屬于數(shù)據(jù)鏈路層的范圍[3]65。數(shù)據(jù)鏈路層在兩種信道（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道和廣播信道）上要解決的3個(gè)共同的基本問(wèn)題：封裝成幀、透明傳輸、差錯(cuò)檢測(cè)。重點(diǎn)理解的概念是以太網(wǎng)的硬件地址。表5為數(shù)據(jù)鏈路層的教學(xué)設(shè)計(jì)。按每一層教學(xué)的邏輯思路，數(shù)據(jù)鏈路層4個(gè)問(wèn)題列舉如下。

（1）任務(wù)：封裝成幀、透明傳輸、差錯(cuò)檢測(cè)。

（2）利用以下硬件及軟件完成任務(wù)：①硬件：適配器、轉(zhuǎn)發(fā)器、網(wǎng)橋、以太網(wǎng)交換機(jī)；②兩種信道：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道——PPP協(xié)議；廣播信道——分為有線和無(wú)線，有線包括802.3的MAC幀、CSMA/CD協(xié)議，無(wú)線包括802.11的MAC幀、CSMA/CA協(xié)議。

表4 第4章網(wǎng)絡(luò)層的教學(xué)設(shè)計(jì)

表5 第5章數(shù)據(jù)鏈路層的教學(xué)設(shè)計(jì)

（3）作用范圍：同一網(wǎng)絡(luò)，主要是局域網(wǎng)。

（4）上下層關(guān)系：如圖1所示，IP報(bào)文封裝在PPP/MAC中，通過(guò)物理地址進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。

以上列舉問(wèn)題可以模仿網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，繪制成任務(wù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)鏈路層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

7 物理層的教學(xué)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備和傳輸媒體種類繁多，并且通信手段也有很多不同方式，物理層的作用就是要盡可能屏蔽這些傳輸媒體和通信手段的差異，使物理層上面的數(shù)據(jù)鏈路層感覺(jué)不到這些差異。表6為物理層的教學(xué)設(shè)計(jì)。按每一層教學(xué)的邏輯思路，物理層4個(gè)問(wèn)題列舉如下。

表6 第6章物理層的教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）任務(wù)：怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，以及如何應(yīng)用一些技術(shù)使數(shù)據(jù)比特流傳輸?shù)酶臁?/p>

（2）利用以下技術(shù)完成任務(wù)：①傳輸媒體；②通信手段：數(shù)字傳輸系統(tǒng)、信道復(fù)用技術(shù)；③寬帶接入技術(shù)。

（3）作用范圍：整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)。

（4）上下層關(guān)系：如圖1所示，通過(guò)傳輸媒體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

以上列舉問(wèn)題可以模仿網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，繪制成任務(wù)驅(qū)動(dòng)的物理層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

8 結(jié) 語(yǔ)

我們打破計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)順序，按照體系結(jié)構(gòu)自頂向下展開各層教學(xué)，從熟知的應(yīng)用出發(fā)，并且每一層的學(xué)習(xí)都采用任務(wù)式驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式。經(jīng)過(guò)近3年的教學(xué)探索，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生樂(lè)于在應(yīng)用實(shí)踐中結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)，并采用小組方式選擇完成不同任務(wù)，討論分享匯報(bào)，由易到難，將日常的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與其實(shí)現(xiàn)的理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在很大程度上拓寬了視野與知識(shí)面，從而提升了綜合素養(yǎng)，也獲得良好的教學(xué)效果。

[1] 謝鈞, 謝希仁. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程[M]. 4版. 北京: 人民郵電出版社, 2014: 21.

[2] 庫(kù)羅斯（美）. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自頂向下方法[M]. 陳鳴, 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009: 34.

[3] 謝希仁. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M]. 6版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

1672-5913(2017)11-0087-04

G642

廣東省教育廳教學(xué)改革項(xiàng)目（GDJG20142157）。

王興芳，女，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育技術(shù)、遙感圖像處理，505676535@qq.com。

（編輯：宋文婷）