《基本交換技術(shù)》教學(xué)設(shè)計

魏鵬

[摘 要] 交換技術(shù)是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中將通信雙方終端連接起來的關(guān)鍵技術(shù)。本文以“交換技術(shù)”一節(jié)的內(nèi)容為例，探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法在《現(xiàn)代通信網(wǎng)》課程中的應(yīng)用。在方法論述中，以發(fā)現(xiàn)和解決問題為主線，提疑導(dǎo)思，引導(dǎo)學(xué)生理解基本交換技術(shù)的主要原理，提高學(xué)生利用現(xiàn)代通信網(wǎng)技術(shù)解決實際問題能力。

[關(guān)鍵詞] 交換技術(shù);教學(xué)設(shè)計;學(xué)習(xí)興趣

[基金項目] 天津市高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目“基于N連續(xù)的旁瓣抑制技術(shù)在多載波系統(tǒng)中的研究”（2018KJ211）

[作者簡介] 魏 鵬（1986—），男，山東人，博士，天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院講師，研究方向為多載波傳輸技術(shù)。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0329-02? ? [收稿日期] 2019-10-16

一、課程簡介

《現(xiàn)代通信網(wǎng)》是電子信息科學(xué)與技術(shù)和電子科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)必修課。通過對現(xiàn)代通信網(wǎng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的基本原理、基本構(gòu)成、相應(yīng)的實現(xiàn)算法和技術(shù)，了解現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r和未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。了解并掌握通信協(xié)議和路由選擇協(xié)議，熟悉網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部業(yè)務(wù)分析的方法。熟悉和掌握電話通信網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)這兩個典型現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本原理及有關(guān)知識，并以此為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加對當(dāng)前新技術(shù)的介紹，使得學(xué)生能夠為未來更深入的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

二、教學(xué)目的

（一）知識目標(biāo)：掌握電路交換、報文交換和分組交換這三種交換技術(shù)的基本原理;區(qū)分三種交換技術(shù);理解交換技術(shù)的應(yīng)用場景;掌握分組交換中虛電路和數(shù)據(jù)報兩種方式的基本思想。

（二）能力目標(biāo)：能夠運用交換技術(shù)解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決網(wǎng)絡(luò)交換問題的能力。

（三）情感目標(biāo)：體會交換技術(shù)用于網(wǎng)絡(luò)連接的技巧，提高學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)解決實際問題的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

三、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計

（一）創(chuàng)設(shè)場景，提出問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣。交換技術(shù)在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起到了橋梁性的作用，有著廣泛的應(yīng)用場景。下面以一個經(jīng)典實例來引入交換技術(shù)。在沒有引入交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中，為了保證網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點直接通信，需要每對節(jié)點間都有直連的鏈路，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)狀網(wǎng)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中一共有N個節(jié)點，那么網(wǎng)狀網(wǎng)所需線路數(shù)量為N（N-1）/2。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)增加時，所需鋪設(shè)線路的數(shù)量按照N2急劇增加，增加了網(wǎng)絡(luò)成本，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源浪費嚴(yán)重，而且會使得網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜。如何降低網(wǎng)絡(luò)線路鋪設(shè)的成本？同時保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量？提出問題，以提疑導(dǎo)思，啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為了解決這個問題，首先從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，將網(wǎng)狀網(wǎng)的形式變換成星型網(wǎng)，將網(wǎng)絡(luò)所需鋪設(shè)的線路數(shù)量降為N，那么在這種情況下，交換設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中處于什么位置？起到的作用又是什么？進(jìn)一步提出問題，激發(fā)學(xué)生的思考。交換設(shè)備處于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中間位置，與所有節(jié)點相連，主要作用是連接所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時保證了節(jié)點間能夠相互通信。那么交換設(shè)備采用了什么技術(shù)來保證高效通信呢？由此，引出三種基本交換技術(shù)的概念。

（二）由易到難，分類探究交換技術(shù)的概念。交換的含義可從兩方面來理解：1.從物理連接的角度看，交換也稱為“轉(zhuǎn)接”，即把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使兩條線路聯(lián)通起來。2.從通信資源的分配角度看，交換就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。按處理信號的方式交換技術(shù)分為電路交換、報文交換和分組交換三種方式：電路交換是在通信網(wǎng)中在任意兩個或多個用戶終端之間建立電路臨時連接的交換方式，臨時連接獨占一條電話通路并保持到連接釋放為止;報文交換也稱電文交換或文電交換，報文就是用戶擬發(fā)送的完整數(shù)據(jù)，在報文交換中，信息以報文為單位進(jìn)行“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”式的交換;分組交換在形式上仍采用報文交換的“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”技術(shù)，但信息傳輸不以整個報文為交換單位，而是將一份長報文分解成若干等長的“段”，每一段報文加上一個首部，該首部包含交換時所需要的呼叫信息、尋址信息等控制信息，形成一個規(guī)定格式的交換單元。這個規(guī)定格式的交換單元通常稱為“報文分組”，簡稱“分組”或數(shù)據(jù)包。

（三）深入探索，分類探究交換技術(shù)的工作原理。為了便于學(xué)生理解工作原理，依據(jù)電路交換、報文交換和分組交換間依次改進(jìn)的關(guān)系，結(jié)合點對點連接的示意圖，首先闡明電路交換的原理。

電路交換經(jīng)歷三個階段：建立連接、通信和釋放鏈接。因為電路交換需要首先建立連接，所以其屬于電路資源預(yù)分配系統(tǒng)。在建立連接后，電路資源預(yù)分配給一對用戶使用，不管電路是否空閑，電路一直被占用著，直到通信雙方有一方要求釋放連接為止。然而，在電路交換中電路的接續(xù)時間較長，電路利用率低，不適用于電報、資料、文獻(xiàn)檢索等數(shù)據(jù)信息的傳輸。為了克服電路交換在這一應(yīng)用場景下的缺點，引出報文交換。

報文交換的工作原理基于“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”。報文到達(dá)某一節(jié)點先把信息存儲下來，然后根據(jù)報文中的目的地址，在網(wǎng)絡(luò)中尋找下一跳的端口，將要發(fā)送的報文送到輸出電路隊列中去排隊等候，依次將信息發(fā)送給另一個節(jié)點，重復(fù)上述過程直至到達(dá)目的地，從而形成源節(jié)點到目的節(jié)點的信息通路。但是，長的報文交換容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延變長，時延變化的情況更加復(fù)雜，不利于交互型實時業(yè)務(wù)，另外，增加了對設(shè)備的要求，尤其是對長報文的存儲提出了更高的指標(biāo)。

分組交換技術(shù)綜合利用了電路交換和報文交換的優(yōu)點，保證了高效快速的通信需求，解決了報文交換的痛點。在分組交換中，根據(jù)控制和管理通過交換網(wǎng)的“分組”流不同，分組交換分為：數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式。1.數(shù)據(jù)報方式：每個分組作為一個獨立的信息實體，自帶尋址信息，在節(jié)點交換機(jī)中以盡快傳送出去為目的，通過尋址傳給下一個節(jié)點，不需要接收端的響應(yīng)。2.虛電路方式：首先，在源與目的主機(jī)間建立一條邏輯連接，即虛電路（不是一條物理電路，而是表明兩個通信主機(jī)之間雙向透明的完整的數(shù)據(jù)流路徑）。然后，分組沿已建立的虛電路交換源與目的主機(jī)間的數(shù)據(jù)。最后，信息交互完成，通信結(jié)束斷開連接。從現(xiàn)象上看，虛電路方式于電路交換相同，都經(jīng)過了建立連接、通信和釋放鏈接三個階段，但本質(zhì)上，虛電路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在經(jīng)過所有節(jié)點交換機(jī)時仍然需要進(jìn)行“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”的操作，它只是邏輯上與電路交換相同，物理上是不同的。

（四）三種交換技術(shù)比較。為了更直觀的比較電路交換、報文交換和分組交換的優(yōu)缺點，便于學(xué)生在實際場景分析時能夠快速獲得關(guān)鍵信息，本文從信道占用、通路使用、通路維持、數(shù)據(jù)傳輸基本單元、初始建立過程、存儲、節(jié)點時延、數(shù)據(jù)速率適用性、對過載的反應(yīng)、線路利用率、帶寬分配辦法、額外開銷、計費方式等方面綜合比較各交換技術(shù)的特性。因報文交換與分組交換原理類似，下面綜合比較電路和分組交換。

電路交換：提供一次無間斷信道，物理占用信道;獨占通路;要求通路維持占據(jù)從建立到釋放的整個通信過程;數(shù)據(jù)傳輸基本單元是報文;有初始建立過程;不需要存儲報文;無節(jié)點時延;具有單一、恒定、就低的數(shù)據(jù)速率適用性;對過載的反應(yīng)表現(xiàn)為呼損（當(dāng)一方用戶忙碌或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重時，呼叫用戶的電話機(jī)出現(xiàn)呼叫不通的現(xiàn)象）;線路利用率低;采用靜態(tài)的帶寬分配辦法;網(wǎng)絡(luò)沒有額外開銷;計費方式按時長。

分組交換：不獨占物理信道，而是占用邏輯信道;共享物理通路;在整個通信過程中不需要維持通路;數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧欠纸M;數(shù)據(jù)通信前，不需要初始建立過程;節(jié)點交換機(jī)需要存儲;具有處理時延;不同路徑具有不同的數(shù)據(jù)速率;對過載的反應(yīng)表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)時延增加;線路利用率高;動態(tài)的帶寬分配方法;網(wǎng)絡(luò)需要額外開銷;按流量方式進(jìn)行計費。

綜合來看，電路交換因其低時延和透明傳輸?shù)奶匦?，使得其在封閉的網(wǎng)絡(luò)場景中仍然具有廣泛的應(yīng)用。而在開放共享的網(wǎng)絡(luò)中，需要高效的分組交換技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

四、小結(jié)

本文以“交換技術(shù)”一節(jié)內(nèi)容為例，探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法、類比學(xué)習(xí)法在《現(xiàn)代通信網(wǎng)》課程中的應(yīng)用。利用問題互動環(huán)節(jié)，提高學(xué)生分析網(wǎng)絡(luò)場景的能力，以提疑導(dǎo)思激發(fā)學(xué)生的探索欲望，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的知識進(jìn)行分析，經(jīng)過課堂討論，得到有效的結(jié)論，從而提高學(xué)生利用現(xiàn)代通信網(wǎng)技術(shù)解決實際網(wǎng)絡(luò)問題的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃淑華.“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程考試改革與實踐[J].考試周刊，2016（99）：1-2.

[2]李雅麗，王靜燕，李永江.《現(xiàn)代交換技術(shù)》課程教學(xué)研究與實踐[J].數(shù)碼世界，2015（12）：66-67.