2023年计算机网络精品课程知识结构教学探讨.doc

“计算机网络〞精品课程知识结构教学探讨基金项目：湖南省教育科学“十一五〞规划2023年课题〔编号：XJK08CXJ010〕、湖南省重点建设学科“计算机应用技术〞、湖南人文科技学院校级精品课程立项资助。 作者简介：陈代武〔1964-〕，男，汉族，湖南新化县人，副教授，硕士。研究方向：多媒体网络教学，流媒体技术及应用。 陈代武 郭广军 杨盛 〔湖南人文科技学院计算机科学技术系 湖南 娄底 417000〕 摘 要：“计算机网络〞课涉及到许多概念、协议、技术和原理，大家公认这门课程比拟难教和难学。文章对该课程的知识结构进行了提炼，从5个层面提出了“一个结构、二个模型、三种地址、四种控制、五类协议〞的知识架构，并从教学的角度分别对其进行了分析阐述。 关键词：知识结构；体系结构；分层模型；协议；地址 中图分类号：G642 文献标识码：A 1 引言 计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物，它是计算机和通信两个领域的交叉学科。计算机网络课是一门重要的专业根底课，其内容极为复杂，涉及到彼此交织的许多概念、协议和技术，是一门公认的难教和难学的课程。我校“计算机网络〞课程2023年被立项为学校精品课程，我们积极开展计算机网络课程建设和教学研究，通过多年的计算机网络课程教学实践，我们将计算机网络课程的知识结构提炼为“一个结构、二个模型、三种地址、四种控制、五类协议〞。“一种结构〞是指网络体系结构；“二个模型〞是指OSI/RM模型和TCP/IP模型；“三种地址〞是指MAC地址、IP地址和域名；“四种控制〞是指介质访问控制、过失控制、流量控制、拥塞控制；“五类协议〞是指物理层协议、数据链路层协议、网络层协议、传输层协议、应用层协议。尽管计算机网络课程内容很多，上述这种知识结构从5个层面体现了该课程的主要内容，有利于对计算机网络课知识结构的总体把握。 2 一个结构 “一个结构〞是指“计算机网络体系结构〞〔以下简称“体系结构〞〕。计算机网络经过50多年的飞速开展，经历了4个阶段：以单计算机为中心的联机系统阶段、计算机-计算机网络阶段、体系结构标准化网络阶段和高速智能计算机网络阶段。其中计算机网络体系结构的提出是其开展过程中的一个重要的里程碑，对于网络体系结构主要讲清楚模型建构思想。 〔1〕体系结构的建构思想。由于计算机网络系统是一个十分复杂的系统，对其进行处理采用“大事化小，分而治之〞的方法，采用的是“分层模型〞。 〔2〕体系结构的分层模型。在网络中，对等层之间的约定称为协议，它是平行对等关系。相邻层之间的约定称为接口，它是垂直调用关系，如图1所示。在同一系统中，第N层向第N +1层通过接口提供效劳。 图1 分层协议与接口工作示意图 在教学中，重点应讲清楚“为什么要分层以及怎样分层〞。由于分层模型中包含很多抽象的概念，如实体、协议、接口、效劳用户、效劳提供者、效劳原语等。学生对于“分层〞是很难理解的。网络中的“层〞是不能用眼睛去观察，只能发挥学生的想象力。所以为了让学生能够理解常用邮政系统的信件发送与接收过程来进行比照，以帮助学生获得一些感性认识。 3 二个模型 “二个模型〞是指“OSI/RM模型〞和“TCP/IP模型〞。这两个模型均是按照体系结构中的分层思想建构的。 〔1〕TCP/IP与OSI/IP的相似之处。 TCP/IP和OSI/RM均采用层次结构，层的功能大体相似，在传输层以上都是以应用为主导的。两者都是一种基于协议数据单元的包交换网络，而且分别作为事实上的标准和法律上的标准，具有同等的重要性。 〔2〕TCP/IP与OSI/IP的不同之处。出发点不同，OSI/RM是作为国际标准而制定的，大而全，协议的数量和复杂性都远高于TCP/IP，影响了市场占有率和开展。而TCP/IP开始是为军用网设计的，一开始就考虑了一些特殊要求，如可用性、顽存性、安全性、网络互联性，它来自实践，顺应社会需求，在实践中不断改良与完善，具有强大的市场，成了事实上的标准；还有对层次间关系的处理不同；对异构网互联、无连接效劳、可靠性、网络管理的考虑也不同。 在教学中要讲清这两个模型产生的过程，各自的特点，它们之间的异同，为什么TCP/IP成为了事实上的标准而OSI/RM没有最终占领市场。 4 三种地址 “三种地址〞是指“MAC地址〞、“IP地址〞和“域名〞。 〔1〕MAC地址。也叫物理地址、硬件地址或链路地址，由网络设备制造商生产时写在硬件〔如网卡〕内部的全球唯一的序列号，通常用48位二进制数或12位16进制数表示。MAC地址是在数据链路层对网卡或网络接口的标识。 〔2〕IP地址。就是给因特网上的每一个主机〔或路由器〕的每一个接口分配一个全球唯一的标识符，IPv4版本的IP地址用32位二进制数表示，IPv6版本的IP地址用128位二进制数表示。它是在网络层对主机〔或路由器〕接口的标识。 〔3〕域名〔Domain Name〕。域名是Internet网络上的一个效劳器或一个网络系统的名字，也具有全球唯一性。它是在应用层对效劳器或一个网络系统的标识，是一种更加人性化的标识符。 为了方便通信，三种地址可以通过专用的协议ARP、RARP和DNS来完成地址映射，这些工作对人来说是“透明〞的，如图2所示。 MAC地址 IP地址 域名 RARP ARP DNS 图2 地址之间的映射 在教学中，应重点讲清计算机网络中的“地址的本质是什么〞、“为什么要设置三种地址以及三种地址之间的关系〞。计算机网络中的“地址〞与生活中的“地址〞其含义是不同的。生活中的“地址〞通常指的是一个地理位置，而网络中的“地址〞指的是一个网络设备或接口的“名字〞或“标识符〔identification〕〞，它与地理位置并没有直接联系。正如用“名字〞来标识人一样，计算机网络中为了通信的需要，要为网络中的结点取一个名字，以便传输数据时能区分不同的结点，找到目的结点。在不同的层面对网络结点取名有不同的标识方法，因而也就出现了三种“网络地址〞。 不管怎样，这三种地址其实是在三个不同层面对网络结点的标识。由于体系结构的建构是分层的，因而就出现了在不同层面〔数据链路层、网络层和应用层〕对网络结点的标识问题，同一个结点在不同的层面就有不同的名字是不难理解的。正如同一个人在不同的时期〔或不同的场合〕有不同名字：“乳名〞、“正式名字〞和“身份证号〞。读书时还有“学号〞，参加高考时有“考生号〞，工作时有“工号〞等等，所以在计算机网络中出现多种标识符也是很顺理成章的事。 5 四种控制 “四种控制〞是指“介质访问控制〞、“过失控制〞、“流量控制〞和“拥塞控制〞。计算机网络是一个非常复杂的“系统〞，根据系统论和控制论的相关原理，要利用计算机网络系统来为人类进行信息效劳就必须对这个系统进行有效地控制，在计算机网络技术的开展过程中，已成功实施上述四种根本的控制。 〔1〕介质访问控制。在计算机网络中使用的传输介质是一种珍贵的资源，对传输介质的使用有很多方法，大体上可分为“受控接入〞和“随机接入〞。 〔2〕过失控制。是指在数据通信过程中能发现或纠正过失，把过失限制在尽可能小的范围内的技术和方法。常用的检错方法有循环冗余检验法、校验和法，纠错方法有海明码法等。 〔3〕流量控制。就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丧失。在数据链路层使用“停止等待协议〞、“连续ARQ协议〞和“滑动窗口〞技术以“数据帧〞为单位进行流量控制，在传输层〔TCP〕利用滑动窗口技术以“字节流〞为单位进行流量控制。 〔4〕拥塞控制。就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。网络中出现拥塞条件是：对资源的需求大于可用资源。常用的拥塞控制方法有：慢开始、拥塞防止、快重传和快恢复等策略。 通过采取上述控制措施，解决了介质使用问题、过失问题、信息流量问题和信息传输拥塞问题，为网络系统的正常运转提供了保障。 在教学中要重点讲阐述计算机网络“为什么需要进行控制以及怎样实施控制〞。介质访问控制方法有很多，假设按需分配信道那么有“空分〞、“频分〞、“时分〞、“波分〞等方法，假设是随机接入，常用的是CSMA/CD。对于过失控制常用CRC检测和较验和方法。在讲解“拥塞控制〞方法时学生是比拟难懂的，可以用交通运输网做类比。要强调“拥塞控制〞与“流量控制〞的区别。 6 五类协议 “五类协议〞是指“物理层协议〞、“数据链路层协议〞、“网络层协议〞、“传输层协议〞和“应用层协议〞。计算机网络中的“协议〞是指“为进行网络中的数据交换而建立的规那么、标准或约定〞，语法、语义和时序是协议的三要素。由于OSI/RM和TCP/IP两个模型的层次不等，各模型中每层均有相应的协议，现在的教材一般将层次模型折中为5层进行知识描述，所以这里就相应的将协议分为5类，当然有的协议可能兼有多层功能，见表1。 表1：5类网络协议 层次 协议 应用层 HTTP、DNS、FTP、SMTP、Telnet、SNMP、WWW 传输层 TCP、UDP 网络层 IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP、RIP、OSPF 数据链路层 HDLC、PPP、FR、ATM、ISDN、VLAN、MAC 物理层 RS-232-C、RS-366-A、RS-449、X.21、IEEE802系列 在教学中，学生感觉难学的就是那些复杂的“网络协议〞，我上课时曾经对学生说：“网络协议〞从某种意义上来说就是“法律条文〞，它是一种“约定〞，它是一些“规那么〞。玩游戏时要遵守“游戏规那么〞，开车时必须遵守“交通规那么〞，公民要遵守国家法律法规，在计算机网络通信中设置一些“通信规那么〞也是理所当然的。教学中应让学生明白计算机网络中设置“协议〞的必要性和重要性。 网络协议的构成也是很有规律的，每一个网络协议都设置假设干“字段〞，而每个字段又由假设干个二进制“位〞的构成，各个“位〞、“字段〞的不同取值来实现不同的功能。一般来说，网络协议的功能越复杂，需要设置的字段就越多，计算机处理所消耗的时间就越多。比方说TCP协议与UDP协议功能多，所以处理使用TCP协议的数据的时间比处理使用UDP协议的数据的时间要多。为了减少协议处理的时间，协议当然越简单越好。但有时还得考虑功能的需要和可靠性的需要，也只能折中考虑。 7 结束语 计算机网络课涉及的知识面广，概念多、协议多、原理抽象，讲授这门课程有难度，学生学习有困难。文章从5个层面对该课的知识结构进行了提炼，只能算作一点教学体会。基于该课程内容的复杂性，用几句话很难对其进行全面的概括和总结，期盼与大家一起探讨。 参考文献： [1]陈代武.计算机网络技术[M], 北京：北京大学出版社.2023. [2]蔡开裕，朱培栋，姚丹霖等.“计算机网络〞课程教学研究与实践[J].计算机教育，2023,(24):7-8 [3]谢希仁.计算机网络(第5版)[M], 北京：电子工业出版社.2023. The discussion of knowledge structure Teaching of Computer Network Top Quality Courses CHEN Dai-wu GUO Guang-jun YANG Sheng ( Department of Computer Science and Technology, Hunan Institute of Humanities Science and Technology, Loudi,Hunan, 417000,China) Abstract:The course of "Computer Network" involves many conceptio