摘 要：本文從“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程知識(shí)體系和教學(xué)實(shí)踐兩個(gè)層面，對(duì)目前世界范圍內(nèi)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程的自底向上法和自頂向下法進(jìn)行了重新研究和論證，發(fā)現(xiàn)了該兩種方法都存在未能突顯或引導(dǎo)該課程核心內(nèi)容學(xué)習(xí)的缺陷。在此基礎(chǔ)上提出了“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)的中間輻射法，以提高學(xué)生持久的自主學(xué)習(xí)能力，并從課程知識(shí)點(diǎn)及權(quán)重分布角度論證了該方法的科學(xué)性和合理性，并提供了一套完整的教學(xué)參考方案。

關(guān)鍵詞：“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)；中間輻射法；網(wǎng)絡(luò)層；協(xié)議棧

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 20-0047-03

1引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門理論性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，其內(nèi)容涉及許多錯(cuò)綜復(fù)雜且彼此交織的概念、協(xié)議和技術(shù)，為處理這種大跨度和復(fù)雜性，該課程的教學(xué)都圍繞其體系結(jié)構(gòu)的“層次”來組織教學(xué)內(nèi)容。借助于這種分層的組織結(jié)構(gòu)，學(xué)生們能夠透過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性看到其內(nèi)部，在學(xué)習(xí)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)某個(gè)部分中獨(dú)特概念和協(xié)議的同時(shí)，也可看清所有這些部分(如何)整合在一起的全貌。從教學(xué)法的角度講，這種分層的教學(xué)方法的確是非常必要和有效。

自底向上法(Bottom-up Approach)[1]和自頂向下法(Top-down Approach)[2]是目前國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中普遍采用的方法，但兩者存在著一個(gè)共同的缺陷，即未能突顯或引導(dǎo)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系核心知識(shí)的學(xué)習(xí)；尋求一種新的方法來彌補(bǔ)這一缺陷，更好的把握知識(shí)點(diǎn)的權(quán)重分布，以核心知識(shí)帶動(dòng)周邊內(nèi)容是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)研究的重要課題。令人遺憾的是教師們視[1][2]方法為天經(jīng)地義，致使該兩種方法的問題一直被掩。本課題組在對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)反復(fù)深入研究及大量教學(xué)實(shí)踐總結(jié)的基礎(chǔ)上提出了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的中間輻射法，以求計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程更趨科學(xué)合理的教學(xué)方法。

2相關(guān)工作

多年來，世界各國(guó)高校的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)一直采用自底向上法。該方法曾為廣大學(xué)生和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)愛好者了解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)與技能發(fā)揮了重要的作用。近年來，美國(guó)的兩位著名計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專家和教育家James F. Kurose和Keith W. Ross提出了一種全新的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法，即自頂向下法，該方法和自底向上法的學(xué)習(xí)路線完全相反，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)的自底向上法的重大改革，該方法一經(jīng)推出，各國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育界紛紛采納。該教學(xué)方法改革的技術(shù)背景和動(dòng)機(jī)是網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中最大的“增長(zhǎng)領(lǐng)域”網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序。Web的出現(xiàn)、電子郵件的廣泛使用、音頻和視頻流、因特網(wǎng)電話、即時(shí)消息、對(duì)等應(yīng)用程序和在線商務(wù)都證明了這一點(diǎn)。國(guó)內(nèi)東北大學(xué)的學(xué)者們也曾就計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)提出了一系列的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)[3~5］，但都未形成與自底向上法和自頂向下法相當(dāng)并相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)方法，本文提出的中間輻射法經(jīng)幾年教學(xué)實(shí)踐證明實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

3自底向上法和自頂向下法的局限性

自底向上法和自頂向下法都有其特定的社會(huì)和技術(shù)背景，這導(dǎo)致兩種方法存在固有的局限性，即都未能突顯計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)核心知識(shí)的學(xué)習(xí)。

3.1自底向上法的局限性

自底向上法是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的傳統(tǒng)方法，該方法的特點(diǎn)是從協(xié)議棧的底部即物理層開始教學(xué)，逐層向上直到協(xié)議棧頂部的應(yīng)用層，該方法產(chǎn)生的技術(shù)背景是各種通信技術(shù)的突起與迅猛發(fā)展。

眾所周知，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要功能主要是實(shí)現(xiàn)資源尤其是數(shù)據(jù)共享，早期的數(shù)據(jù)類型主要是文本，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也僅限定為FTP、TELNET和E-mail。因當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所依賴的底層通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量較差即誤碼率較高、帶寬小且延遲大，故改善底層通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量成為提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能的焦點(diǎn)，F(xiàn)DDI、X.25、ISDN、B-ISDN、CATV和ATM等各種數(shù)字通信技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，各種新通信技術(shù)成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)一定程度順應(yīng)了當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，因這些技術(shù)都?xì)w屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的底兩層即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，故自底向上法對(duì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)起到了積極的作用，但另一方面卻一定程度地偏離了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容即網(wǎng)絡(luò)層。

3.2自頂向下法的局限性

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的自頂向下法是與自底向上法學(xué)習(xí)路線完全相反的一種新型教學(xué)方法，該方法的特點(diǎn)是從協(xié)議棧的頂部即應(yīng)用層開始教學(xué)，逐層向下直到底部的物理層，該方法產(chǎn)生的技術(shù)背景是各種新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的大量涌現(xiàn)。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)底層通信技術(shù)的成熟，即誤碼率的大幅度降低、網(wǎng)絡(luò)帶寬的大幅度提高和傳輸延遲的降低，使大規(guī)模數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸如實(shí)時(shí)流媒體傳輸成為可能，各種新型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)如音頻和視頻流、因特網(wǎng)電話、即時(shí)消息、對(duì)等應(yīng)用程序和在線商務(wù)等得到應(yīng)用，這些新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是原有的應(yīng)用層協(xié)議的改造或增加的結(jié)果。與同自底向上法類似，自頂向下法也滿足了人們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的熱點(diǎn)，對(duì)從完全相反角度認(rèn)識(shí)或?qū)W習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)起到了一定的積極作用，但同樣也一定程度地偏離了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容即網(wǎng)絡(luò)層。

經(jīng)以上分析可知，兩種方法表面大相徑庭，實(shí)質(zhì)上卻同出一轍，即都未擺正計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)核心知識(shí)的地位。

4中間輻射法

中間輻射法的初衷是彌補(bǔ)自底向上法和自頂向下法固有的缺陷，強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)核心知識(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)以核心帶動(dòng)非核心，在相對(duì)穩(wěn)定的核心知識(shí)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，自發(fā)且自然地疊加新的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，從而進(jìn)一步提高學(xué)生在未來計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐和科學(xué)研究中所應(yīng)具有的持久學(xué)習(xí)新的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)、分析解決各種新的網(wǎng)絡(luò)問題之能力。

4.1中間輻射法的特性

中間輻射法指從協(xié)議棧的中間層即網(wǎng)絡(luò)層(及其各種協(xié)議尤其是IP協(xié)議和路由協(xié)議)的教學(xué)啟動(dòng)整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)，以網(wǎng)絡(luò)層為核心逐層向上和向下輻射整個(gè)協(xié)議棧，即直到頂部的應(yīng)用層和底部的物理層，該方法相當(dāng)程度地強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議學(xué)習(xí)以帶動(dòng)其它各層協(xié)議學(xué)習(xí)，使學(xué)生抓住計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)核心，以核心主動(dòng)并自發(fā)地帶動(dòng)現(xiàn)有及未來的非核心知識(shí)的學(xué)習(xí)。

4.2中間輻射法的理論依據(jù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要剖析對(duì)象是Internet，而Internet的核心或關(guān)鍵技術(shù)是解決IP數(shù)據(jù)報(bào)如何從用戶發(fā)送端到接受端，IP數(shù)據(jù)報(bào)的尋址范圍是Internet范圍內(nèi)的任何一用戶，為實(shí)現(xiàn)Internet的這一核心目的，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議尤其是IP協(xié)議和路由協(xié)議是其重要的保障技術(shù)。

圖1是Internet的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)清楚地顯示了網(wǎng)絡(luò)層在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中所處的核心地位。即對(duì)下層，網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議屏蔽了底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(如現(xiàn)有或未來的各種局域網(wǎng)和廣域網(wǎng))的差異，在全球范圍內(nèi)造就了同一的數(shù)據(jù)交互通信平臺(tái)即IP平臺(tái)；對(duì)上層，網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議以統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)報(bào)承載了任何種類高層協(xié)議的數(shù)據(jù)，IP數(shù)據(jù)報(bào)通過網(wǎng)絡(luò)層的(域內(nèi)或域間)路由協(xié)議(如OSPF、BGP)在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一的IP平臺(tái)上完成IP數(shù)據(jù)報(bào)高效(即最佳尋徑)、合理(即流量合理分布)的轉(zhuǎn)發(fā)和(直接或間接)交付，實(shí)現(xiàn)用戶間的通信。所以網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(即Internet)知識(shí)體系中的核心內(nèi)容，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)層并非孤立存在，以對(duì)下“調(diào)用”，對(duì)上“服務(wù)”的方式和其上下層協(xié)議有機(jī)的構(gòu)成協(xié)議棧功能的全部。

經(jīng)上述分析網(wǎng)絡(luò)層在協(xié)議棧中的核心地位昭然，網(wǎng)絡(luò)層為知識(shí)核心是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系的自然屬性。

4.3中間輻射法的教學(xué)路線

圖2是中間輻射法的教學(xué)路線，由三個(gè)教學(xué)階段組成。

階段1：網(wǎng)絡(luò)層的學(xué)習(xí)

首先，用類比建立IP協(xié)議和路由協(xié)議的初步認(rèn)識(shí)。

用熟知的公路橋運(yùn)輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行類比。

如圖3所示， 是網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層的關(guān)系， 是橋面和橋墩的關(guān)系，LRA1 是 和 的類比。 是網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層和應(yīng)用層的關(guān)系， 是橋面和貨車與貨物的關(guān)系，LRA2是 和 的類比。

通過圖3所示類比可使學(xué)生認(rèn)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)層和其它層的依賴關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系中的核心知識(shí)。

其次，用IP數(shù)據(jù)報(bào)的組成結(jié)構(gòu)與上下層協(xié)議PDU的依賴關(guān)系從知識(shí)本身確立網(wǎng)絡(luò)層的核心地位。

如圖4所示IP數(shù)據(jù)報(bào)以“分用”的方式輻射同層和上層各種協(xié)議PDU，以底層各種幀數(shù)據(jù)的形式輻射底層各種幀。

階段2：網(wǎng)絡(luò)接口層即數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的學(xué)習(xí)

以網(wǎng)絡(luò)層為核心可向下自然輻射數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的學(xué)習(xí)。

限于篇幅，這里僅強(qiáng)調(diào)本階段學(xué)習(xí)要把握網(wǎng)絡(luò)層“屏蔽”底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的要旨。

階段3：傳輸層和應(yīng)用層的學(xué)習(xí)

以網(wǎng)絡(luò)層為核心亦可向上自然輻射傳輸層和應(yīng)用層的教學(xué)。

同樣因篇幅所限，這里僅強(qiáng)調(diào)本階段學(xué)習(xí)要把握網(wǎng)絡(luò)層“統(tǒng)一”服務(wù)于高層協(xié)議的特點(diǎn)。

5結(jié)束語

開展對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方法研究和教學(xué)應(yīng)用的主要目的是尋找一種能幫助學(xué)生抓住計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)結(jié)構(gòu)中核心知識(shí)的教學(xué)方法，以求以穩(wěn)定(即成熟)的核心知識(shí)主動(dòng)或自然帶動(dòng)變化的周邊知識(shí)，使學(xué)生在未來的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐和研究中能夠?qū)崿F(xiàn)自主學(xué)習(xí)，自然的吸收和進(jìn)行創(chuàng)新。在對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的自底向上法和自頂向下法理論分析和教學(xué)實(shí)踐總結(jié)的基礎(chǔ)上，本文提出的中間輻射法能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介: 劉杰民(1964-)，河北昌黎人，東北大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)博士，教授，長(zhǎng)期從事Internet協(xié)議研究和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)，曾參與完成國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，現(xiàn)主持省自然科學(xué)基金和博士基金各一項(xiàng)，現(xiàn)參與國(guó)家“985”和“十一五”課題各一項(xiàng)。

基金項(xiàng)目：中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)“十一五”教育科學(xué)研究規(guī)劃課題(06AIJ0240070)