唐鳳仙,湯鵬杰,阮 忠

(河池學(xué)院 計信系,廣西 宜州 546300)

模擬仿真技術(shù)在《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

唐鳳仙,湯鵬杰,阮 忠

(河池學(xué)院 計信系,廣西 宜州 546300)

《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程理論性,實踐和應(yīng)用性都很強,課程教學(xué)及實驗難度大,學(xué)生學(xué)習(xí)沒有積極性,筆者根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗,將模擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實踐當(dāng)中,并將模擬仿真技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)和分類,以適應(yīng)不同層次教學(xué)實驗的要求。

模擬仿真技術(shù);計算機網(wǎng)絡(luò);協(xié)議仿真;教學(xué)應(yīng)用

《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程是計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程和其他相近專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課。它是一門理論性、實踐性和應(yīng)用性都很強的課程,教學(xué)難度較大。如何上好計算機網(wǎng)絡(luò)課,一直是困擾任課教師的一個難題。

目前,對于如何上好《計算機網(wǎng)絡(luò)》這門課程,很多一線教師都提出了自己的見解,如提出在教學(xué)中突出系統(tǒng)的觀點,注重理論與實踐相結(jié)合,在實踐中回歸理論等。也有些人認(rèn)為應(yīng)該更改計算機網(wǎng)絡(luò)教材,使新教材能夠跟上技術(shù)的發(fā)展,多講原理和概念,忽略細(xì)節(jié)等。根據(jù)我們的教學(xué)經(jīng)驗,提高該課程的教學(xué)質(zhì)量,更重要的是應(yīng)根據(jù)其特點,改革教學(xué)思路和模式,大膽創(chuàng)新。在實踐中使用仿真技術(shù),通過開發(fā)具有針對性的仿真軟件來實施教學(xué),如專門開發(fā) TCP/IP協(xié)議的仿真器,教師可以進(jìn)行演示,通過發(fā)包和對包進(jìn)行捕捉分析等實驗,讓學(xué)生理解整個協(xié)議的工作過程和狀況。

一、《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)的困難和問題

(一)課程屬于交叉學(xué)科,知識點眾多

計算機網(wǎng)絡(luò)涉及計算機科學(xué)、電子技術(shù),通信技術(shù)、人工智能、密碼學(xué)等學(xué)科,而其特有的知識點也都比較抽象,如網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),在學(xué)生剛接觸該課程的時候,很難理解為什么計算機網(wǎng)絡(luò)一定要分層次,很難想通每個層次上的各種通信協(xié)議,對于很多網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也無法深入理解其中的含義。教師要在有限的時間內(nèi)將大量的知識點向?qū)W生解釋清楚,并且結(jié)合實際,提高學(xué)生的實踐能力和分析問題的能力,并非易事。

在以往的教學(xué)中,教師一般都是直接講授協(xié)議的原理及過程,對于一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并不是通過分析其實際意義讓學(xué)生體會其用途,而是記一些定義及相應(yīng)公式等。在這種情況下,教師所講知識內(nèi)容空洞,學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性很難被調(diào)動起來,甚至導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生逆反心理,覺得網(wǎng)絡(luò)就是一些概念,毫無用處。

(二)理論知識很難和實驗對應(yīng)起來

計算機網(wǎng)絡(luò)是一門實踐性非常強的學(xué)科,課程需要做大量的實驗,所需實驗器材繁多,且都比較昂貴,一般院校很難建立起設(shè)備比較齊全的實驗室。如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一節(jié),如果在實際環(huán)境中將幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一一實驗,將會需要大量的設(shè)備,其實驗準(zhǔn)備及配置也是一項極為復(fù)雜的工作,在一般實驗室中是不可能實現(xiàn)的。

在以往的實驗教學(xué)中,教師一般都是設(shè)置一些配置服務(wù)器或路由器的實驗。這些實驗對學(xué)生提高動手能力有一定幫助,但從根本上來說,這種方式對學(xué)生深入理解知識點,進(jìn)一步思考可能更好的方式所產(chǎn)生的效果卻并不理想,因為學(xué)生在實驗時只顧根據(jù)教師所教或?qū)嶒炛改狭谐龅拿罨虿襟E進(jìn)行操作,而對其中的原理和指導(dǎo)思想毫不關(guān)心,對個中參數(shù)的含義也是一知半解。如在路由協(xié)議一節(jié),不管是 Rip還是 OSPF協(xié)議,學(xué)生在實驗時,只需配置一些簡單的命令即可,一旦能夠?qū)⑺B接的主機 Ping通,就覺得是大功告成,而這些路由協(xié)議的原理及運行過程,他們根本就不關(guān)心,更談不上理解。這就造成了本末倒置,和所學(xué)知識失去了聯(lián)系,也失去了實驗的意義,既浪費了時間又浪費了設(shè)備與器材,對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)極為不利。

(三)難以提高學(xué)生的思考及自主動手能力

學(xué)生在課堂上被動地接受知識,在實驗中做和所學(xué)知識關(guān)系不是很大的實驗,造成了對網(wǎng)絡(luò)思想理解不夠深刻,對知識點記憶不夠清晰。如某個協(xié)議的產(chǎn)生背景、狀態(tài)流程及具體實現(xiàn)等,大部分學(xué)生都是聽過就忘,做與協(xié)議相關(guān)實驗時,感覺無從下手。對知識點的模糊,造成了學(xué)生創(chuàng)新意識的喪失,為提高其創(chuàng)新能力造成了障礙。

二、模擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

以上所述問題直接導(dǎo)致了學(xué)生對計算機網(wǎng)絡(luò)課程的不信任甚至反感,也為教師如何上好該門課程設(shè)置了難題。這對提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)及綜合能力都是一大挑戰(zhàn),因此,研究如何上好計算機網(wǎng)絡(luò)課程,如何提高學(xué)生對本門課程的興趣,是一個亟待研究解決的問題。

(一)模擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

使用模擬仿真技術(shù),能夠使學(xué)生對所學(xué)網(wǎng)絡(luò)知識有直觀的認(rèn)識,對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和協(xié)議的理解更為深刻,利于知識的消化與吸收,提高動手能力,增強創(chuàng)新意識。如網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一節(jié),可以在仿真軟件中建立一個節(jié)點模型,在進(jìn)程模型中添加協(xié)議狀態(tài)及流程,為狀態(tài)添加實現(xiàn)代碼等。這一方面可以使學(xué)生對知識進(jìn)行從整體到細(xì)節(jié)的把握,既理解了分層的意義,也掌握了協(xié)議內(nèi)部實現(xiàn)的細(xì)節(jié),為其創(chuàng)新意識及能力的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ);另一方面,教師在教授時,也能將知識點當(dāng)做一個整體來看待,順著一條主線進(jìn)行細(xì)節(jié)知識的講解,不會感到支離破碎,無從講起。

模擬仿真技術(shù)在為學(xué)生講解某個網(wǎng)絡(luò)功能時也極為方便。一個功能通?？赡軙卸鄠€網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來支持,特別是路由協(xié)議,如在無線網(wǎng)中為實現(xiàn)數(shù)據(jù)路由,可以有 DSR協(xié)議、TORA協(xié)議等。在比較協(xié)議性能的好壞時,就可以通過建立一個網(wǎng)絡(luò)模型來進(jìn)行仿真。教師可以結(jié)合所講的協(xié)議原理,并配以得出的具體仿真數(shù)據(jù)向?qū)W生展示各種方法的不同用途及在不同場合中的優(yōu)劣性。這樣,學(xué)生就可以更加深入地理解為什么在實現(xiàn)該功能時必須使用相應(yīng)的協(xié)議和規(guī)程。

學(xué)生在了解了現(xiàn)有的最好的技術(shù)方法后,教師便可以進(jìn)一步引導(dǎo)他們思考實現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)功能是不是還有更好的思路和方法,并通過動手建立模型來仿真所提出的新思路、新方法,通過對比參數(shù)數(shù)據(jù),使他們發(fā)現(xiàn)其中的不足之處并鼓勵其繼續(xù)加以努力改進(jìn)。

總之,在計算機網(wǎng)絡(luò)的課程教學(xué)中,使用模擬仿真技術(shù)能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性,使學(xué)生對其中的概念和原理有更好的把握,對網(wǎng)絡(luò)中所運用的思想有更深刻的理解,也能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,提高其動手能力和創(chuàng)新能力。

(二)模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

模擬仿真技術(shù)及其相關(guān)軟件其實早已出現(xiàn),但這些技術(shù)和軟件都有側(cè)重點,并不能完整地反映整個計算機網(wǎng)絡(luò)的知識脈絡(luò)。因此,需要對其進(jìn)行整理,甚至要根據(jù)具體需求進(jìn)行二次開發(fā)。

1.設(shè)備配置教學(xué)與實驗仿真

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置是計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中必不可少的一部分,這部分內(nèi)容實踐性最強,也是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中最感興趣的。在很多條件好的高校,這部分實踐內(nèi)容并不難以實現(xiàn),只要擁有幾臺服務(wù)器、交換機、路由器等一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可。直接的實物實踐可以讓學(xué)生身臨其境,對其動手能力的培養(yǎng)極為重要。但實物實踐也有缺點。首先,耗費較大,每次實驗都要耗費不少的耗材;其次,不能做到每個學(xué)生都能動手操作,由于設(shè)備數(shù)量的限制,學(xué)生在實驗時必須要多人一組,這就造成了組內(nèi)的每個學(xué)生不能完整地進(jìn)行設(shè)備的配置;再次,實物實驗不夠靈活,實驗時間較長。

因此,在實物實驗的基礎(chǔ)上,我們還需要進(jìn)行一些仿真軟件對設(shè)備的配置進(jìn)行模擬仿真。這樣就保證了在不消耗耗材的基礎(chǔ)上,每個學(xué)生都能夠?qū)⒄麄€實驗過程及步驟獨立完成,也省去了很多不必要的操作,節(jié)省了時間。目前,設(shè)備仿真軟件有很多,如思科公司為思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院學(xué)員所開發(fā)的 Packet Tracer,該軟件將思科公司的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都做成了模型,其設(shè)置步驟和功能與現(xiàn)實中的思科設(shè)備幾乎沒有差別。在一些網(wǎng)絡(luò)實驗中,如子網(wǎng)劃分,Vlan的設(shè)置等,使用該軟件將取得事半功倍的效果。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 OpnetModule,對于網(wǎng)絡(luò)性能的分析更是其他軟件所不能代替的,在學(xué)生做網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)分析的時候,極為直觀,對加深學(xué)生對各參數(shù)的理解有很大幫助。

2.協(xié)議教學(xué)中的分析與仿真

設(shè)備仿真軟件對學(xué)生動手能力及工程實踐能力的提高有很大幫助,但只做到這一點遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。《計算機網(wǎng)絡(luò)》不但要求學(xué)生能夠進(jìn)行簡單的網(wǎng)絡(luò)配置,還要求學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)過程有一個清晰的認(rèn)識,能夠深刻理解網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的運行機制。這就需要協(xié)議分析工具的支持。

協(xié)議分析工具目前有很多,比較常用的是 Ethereal、Sniffer等。這些軟件都是通過在局域網(wǎng)中抓取數(shù)據(jù)包,然后根據(jù)軟件內(nèi)部的分析機制,將數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類,并對每個數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析,將數(shù)據(jù)包中每層的數(shù)據(jù)都列出來,形成一個可見的協(xié)議棧。同時,還可以對數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)計分析,將整個協(xié)議的交互過程完整的呈現(xiàn)出來。

協(xié)議分析對學(xué)生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來說是極為重要的,在一些實驗中,如 TCP的三次握手,FTP的兩條連接,滑動窗口機制等,是設(shè)備配置無法實現(xiàn)的,而通過這些協(xié)議分析軟件的使用,就可以使學(xué)生對各種協(xié)議的協(xié)議棧及協(xié)議運行過程進(jìn)行觀察和研究,加深了他們對整個協(xié)議的理解。

3.協(xié)議的實現(xiàn)仿真

一般情況下,學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)的時候能夠做到協(xié)議分析就可以了。但如果要進(jìn)一步提高他們的分析及設(shè)計能力,培養(yǎng)其研究及創(chuàng)新思維,還需要將協(xié)議內(nèi)部的一些實現(xiàn)細(xì)節(jié)讓學(xué)生們來理解。協(xié)議的實現(xiàn)非常復(fù)雜,需要考慮各個方面的情況,如果讓學(xué)生自己編程來實現(xiàn),難度極大。我們可以借助于一些已經(jīng)實現(xiàn)好了的協(xié)議棧來進(jìn)行這方面的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

仿真軟件 NS2以及 OpnetModule是當(dāng)前研究計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要工具。如 OpnetModule,該軟件里面封裝了現(xiàn)在絕大部分已為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,形成了很多節(jié)點模型和網(wǎng)絡(luò)模型。在節(jié)點模型中,我們可以看到實現(xiàn)該節(jié)點的協(xié)議棧,并在協(xié)議棧的每一層上實現(xiàn)了狀態(tài)機模型,將協(xié)議的每一狀態(tài)都完整地呈現(xiàn)出來,學(xué)生可以打開每一個狀態(tài),里面是具體的實現(xiàn)代碼 (一般用 C語言編寫)。狀態(tài)機的存在使得學(xué)生可以對整個協(xié)議有一個更加深刻的認(rèn)識。通過分析狀態(tài)機,學(xué)生能夠明白協(xié)議為何要如此設(shè)計,并進(jìn)一步思考。這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是否必要,有沒有漏洞的存在等。這對培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力以及創(chuàng)新能力是極為有利的。

三、小結(jié)

在《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程實踐過程中,大量使用模擬仿真技術(shù),能使學(xué)生對所學(xué)網(wǎng)絡(luò)知識有直觀的認(rèn)識,對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和協(xié)議的理解更為深刻,利于知識的消化與吸收,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)自覺性和主動性,提高學(xué)生分析問題和解決問題能力,從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

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G642.4

A

1672-9021(2010)S-0112-03

唐鳳仙 (1977-),女 (壯族),廣西都安人,河池學(xué)院計信系講師,主要研究方向:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法,機器學(xué)習(xí)。

河池學(xué)院 2009年教改項目 (項目編號:2009E015)

2010-06-20

[責(zé)任編輯 賀衛(wèi)國 ]