計算機網(wǎng)絡實驗設(shè)計探討

陶駿 葉靜 張云玲 伍岳

摘要：針對計算機網(wǎng)絡實驗的教學實際情況，分析計算機網(wǎng)絡實驗設(shè)計目前存在的不足，提出了計算機網(wǎng)絡實驗的設(shè)計需要同實際聯(lián)系、要易理解和同其他學科相關(guān)的觀點，描述了三個相關(guān)實驗的設(shè)計。計算機網(wǎng)絡實驗設(shè)計的革新收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：OSPF；時延；抖動；路由；IP

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0028-03

Discussion on Computer Network Experiment Design

TAO Jun， YE Jing， ZHANG Yun-ling， WU Yue

（Department of Computer Science and Software Engineering， Anhui Institute of Information Technology， Wuhu 241000， China）

Abstract： In view of the actual teaching situation of computer network experiment， this paper analyses the shortcomings of computer network experiment design at present. On this basis， it puts forward the viewpoint that the design of computer network experiment needs to be connected with reality， easy to understand and related to other disciplines， and describes the design of three related experiments. The innovation of computer network experiment design has achieved good results.

Key words： OSPF； delay； jitter； route； IP

計算機網(wǎng)絡指一組自治互聯(lián)的計算機組合，計算機網(wǎng)絡從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)上可以分成網(wǎng)絡拓撲和網(wǎng)絡協(xié)議，網(wǎng)絡拓撲是指網(wǎng)絡的具體結(jié)構(gòu)圖，即各種網(wǎng)絡設(shè)備是如何構(gòu)建成一個計算機網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲可以看成是計算機網(wǎng)絡的“骨骼”。網(wǎng)絡協(xié)議是計算機網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合，網(wǎng)絡協(xié)議可以看成是計算機網(wǎng)絡的“神經(jīng)系統(tǒng)”。

計算機網(wǎng)絡是計算機科學與技術(shù)本科專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其主要內(nèi)容就是講授網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡拓撲，對于學生的培養(yǎng)具有重要的意義，是學習網(wǎng)絡編程和網(wǎng)絡安全相關(guān)課程的基礎(chǔ)。但是在實際教學中，同學們學習這門課程有很多的困惑，第一，計算機網(wǎng)絡課程中專業(yè)名詞過多，比如數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)報、CDMA和AP等等，老師在教授課程后，同學們往往不能理解這些名詞具體的含義。第二，計算機網(wǎng)絡課程和實際脫離嚴重，同學們無法接觸到課本中講述的比如組播、VPN和MPLS等技術(shù)。第三，計算機網(wǎng)絡課程和其他的相關(guān)課程缺乏必要的聯(lián)系，同學們無法把學習到的比如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫等課程知識和計算機網(wǎng)絡知識融會貫通。

計算機網(wǎng)絡實驗是學習計算機網(wǎng)絡的重要輔助手段，通過合理的計算機網(wǎng)絡實驗的設(shè)計，可以消除同學們在學習這門課程時的困惑，在總結(jié)了以往的教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，本文提出了一些有建設(shè)意義的計算機網(wǎng)絡實驗。

1 設(shè)計易于理解的實驗

計算機網(wǎng)絡中專有名詞繁多，同學們很難一時理解，合理的計算機實驗設(shè)計對同學的理解會有很大的幫助。

1.1 靜態(tài)路由設(shè)計實驗

靜態(tài)路由實驗是驗證數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)的一個重要實驗，以往的此實驗只要求對路由器和終端PC進行網(wǎng)絡設(shè)置，然后再進行網(wǎng)絡測試，如果測試合理正確，整個實驗就結(jié)束了。在以往的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計了靜態(tài)路由設(shè)計實驗。

1.1.1 靜態(tài)路由設(shè)計實驗目的

驗證路由器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并對轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行分析。

1.1.2 靜態(tài)路由設(shè)計實驗步驟

第一，用網(wǎng)絡設(shè)備按照以下網(wǎng)絡拓撲在實驗室搭建以下網(wǎng)絡，具體網(wǎng)絡拓撲如圖1所示：

第二，按照表1對路由器和終端進行IP地址設(shè)置，具體如表1所示：

第五，對每臺設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行截獲，其目的是為了實驗的分析，截獲的步驟如下，在PC上安裝sniffer抓包軟件，截獲收發(fā)數(shù)據(jù)；對路由器端口鏡像后再用PC機進行數(shù)據(jù)截獲[1]。

1.1.3 靜態(tài)路由設(shè)計實驗分析

數(shù)據(jù)發(fā)送是通過TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議進行的，通過數(shù)據(jù)截獲并對數(shù)據(jù)進行分析，可以清楚知曉數(shù)據(jù)幀中的MAC地址和數(shù)據(jù)包中的IP地址變化情況，在PC1對PC2發(fā)出一個ICMP檢測數(shù)據(jù)后，此數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)包的消息如表2所示：

從上表分析可以看出，在局域網(wǎng)之內(nèi)是通過數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的，離開一個局域網(wǎng)后，數(shù)據(jù)的目的和源MAC地址都會發(fā)生變化；而局域網(wǎng)之間是通過數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的，離開一個局域網(wǎng)后，數(shù)據(jù)的目的和源IP地址是不會發(fā)生變化的，通過此實驗，同學們可形象的掌握數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)包的概念[2]。

2 設(shè)計同實際聯(lián)系緊密的實驗

同學們在進行計算機實驗時，往往只會進行機械的操作，而不會把學到的知識同實際聯(lián)系起來，設(shè)計同實際聯(lián)系緊密的實驗有助于同學們加強理解，學以致用。

2.1 網(wǎng)絡測試命令實驗

網(wǎng)絡測試命令實驗是網(wǎng)絡是否正常的一個重要實驗，以往的此實驗只要求掌握命令的具體格式，然后進行網(wǎng)絡測試，測試正常后，實驗就完成了，而缺乏對實驗結(jié)果的分析，在以往的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計了網(wǎng)絡測試命令實驗。

2.1.1 網(wǎng)絡測試命令實驗目的

掌握ping和tracert命令的使用，并對測試數(shù)據(jù)進行分析，掌握延遲、抖動和丟包的概念[3]。

2.1.2 網(wǎng)絡測試命令實驗步驟

第一，在不同時刻對百度網(wǎng)站和英國衛(wèi)報網(wǎng)站進行ping測，ping的命令格式如下：

Ping www.baidu.com /*測試百度，也可以使用百度網(wǎng)站的IP地址*/

得到的實驗結(jié)果如表3所示：

第二，對百度網(wǎng)站和英國隊報網(wǎng)站進行tracert測試，到達百度需要經(jīng)過6跳，到達衛(wèi)報需要15跳。具體的命令格式如下：

Tracert www.guardian.co.uk /*測試衛(wèi)報，也可以使用衛(wèi)報網(wǎng)站的IP地址*/

2.1.3 網(wǎng)絡測試命令實驗分析

ping和tracert都是通過發(fā)送ICMP數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡探測的，從上述實驗結(jié)果可以看出，對百度網(wǎng)站訪問正常，但三個時刻的時延不同，這是因為三個時刻網(wǎng)絡的負載不同導致，網(wǎng)絡負載越大，時延就越大。到達衛(wèi)報的時延明顯大于去百度的時延，這是因為到達衛(wèi)報的跳數(shù)為15，明顯大于去百度的跳數(shù)6，而且訪問衛(wèi)報存在抖動和丟包現(xiàn)象，這就說明去衛(wèi)報的網(wǎng)絡性能不是很好，存在網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象。

進行過此實驗后，同學們可以用這兩個命令測試自己喜歡訪問的網(wǎng)站，加深對這兩個命令使用和相關(guān)網(wǎng)絡現(xiàn)象的了解。

3 設(shè)計與其他課程相關(guān)的實驗

計算機專業(yè)課繁多，同學們需要一一掌握，設(shè)計跨學科的計算機實驗設(shè)計對同學的知識掌握有很大的幫助。

3.1 OSPF路由實驗

OSPF路由實驗是驗證數(shù)據(jù)動態(tài)路由轉(zhuǎn)發(fā)的一個重要實驗，以往的此實驗只要求對路由器和終端PC進行網(wǎng)絡設(shè)置，然后再進行網(wǎng)絡測試，如果測試合理正確，整個實驗就結(jié)束了，而缺乏對動態(tài)路由消息、鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)進程的分析。在以往的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計了OSPF路由實驗[4，5]。

3.1.1 OSPF路由實驗目的

驗證路由器動態(tài)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并對動態(tài)路由消息、鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)進程進行分析。

3.1.2 OSPF路由實驗步驟

第一，在實驗室利用網(wǎng)絡設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲，具體如圖2：

3.1.3 OSPF路由實驗分析

OSPF是一種動態(tài)路由協(xié)議，其協(xié)議類型是鏈路狀態(tài)型，每個路由器會通過各自的鄰居交換鏈路狀態(tài)信息，形成一個鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫是一個分布式數(shù)據(jù)庫，每臺路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫是相同的，然后路由器利用此數(shù)據(jù)庫根據(jù)迪杰斯特拉算法計算出去每臺路由器的最短距離，然后把這個最短距離信息加入路由表，最后路由器根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，例如R1就會生成一棵具有到各個路由器的最小距離的樹，如圖3所示。

通過這個實驗，同學們不但掌握了OSPF的路由知識，也在實驗中運用了操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識，達到了相關(guān)知識的融合應用[6]。

4 教學效果

安徽信息工程學院自2016年以來一直都在致力于計算機網(wǎng)絡教學的改革，通過對計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)實驗的改良設(shè)計，教學取得了良好的效果，無論是教學滿意度、課程期末考試通過率，還是學生學科競賽的得獎率都獲得顯著的提高，具體如表5：

5 結(jié)語

計算機網(wǎng)絡是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，計算機網(wǎng)絡實驗是計算機網(wǎng)絡教學的重要輔助手段，以往的計算機網(wǎng)絡實驗設(shè)計存在一些弊端，造成同學掌握這門知識具有一些困惑，本文從易于理解、聯(lián)系實際以及跨學科等三個方面提出了三個計算機網(wǎng)絡實驗，分別做了詳細的闡述，歸納了它們的意義。

計算機網(wǎng)絡實驗進行設(shè)計革新后取得了良好的效果，教學滿意度、課程期末考試通過率等指標得到了顯著的提高，下一步的工作重點是把計算機網(wǎng)絡實驗同大數(shù)據(jù)以及人工智能聯(lián)系起來，以達到更好地提高學生的知識結(jié)構(gòu)。

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【通聯(lián)編輯：王力】