丁思淼，韓 哲，龔 蕾

（洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023）

0 引 言

應(yīng)用型本科是近年來出現(xiàn)的一種新型教學(xué)模式，中華人民共和國教育部發(fā)展規(guī)劃司于2019年發(fā)布的《支持應(yīng)用型本科高校發(fā)展有關(guān)工作情況》再次明確了普通本科高等學(xué)校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的發(fā)展目標(biāo)[1]。對于地方應(yīng)用型本科高校而言，需要在新工科的時(shí)代需求下，改革教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)過程，為地方社會培養(yǎng)應(yīng)用型和技能型人才[2]。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為典型的工科專業(yè)，工程實(shí)踐性強(qiáng)，其專業(yè)特色決定了在新工科背景下提升應(yīng)用型人才網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐技能水平對學(xué)生就業(yè)和地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展都有著重要意義[3]。

華為交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備目前已占據(jù)中國市場第一的份額，每年人才市場都需要大量掌握華為設(shè)備交換路由技術(shù)的人才。若采用真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程組網(wǎng)實(shí)踐成本較高，學(xué)生需要進(jìn)行分組實(shí)踐，不能獨(dú)立對設(shè)備進(jìn)行配置測試，同時(shí)場地大小也限制了多層跨子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱ㄒ?guī)模[4-5]。eNSP模擬器可以實(shí)現(xiàn)對真實(shí)華為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的仿真，在不增加較多成本條件下可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行多層跨子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M網(wǎng)過程，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作和配置過程與真實(shí)華為設(shè)備一致，進(jìn)而幫助學(xué)生掌握華為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置技能，提升應(yīng)用型本科院校學(xué)生在就業(yè)市場的競爭力[6]。本文擬對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中采用eNSP模擬器輔助教學(xué)展開探究。

1 應(yīng)用型高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，由傳統(tǒng)為人機(jī)交互提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向人與物和物與物交互拓展，其本質(zhì)和核心仍然是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程不僅是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程，還是無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信等專業(yè)課程的基礎(chǔ)[7-8]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程知識點(diǎn)繁雜，各層均涉及多種協(xié)議，傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中往往利用各類抓包軟件和數(shù)據(jù)分析工具分析各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元信息來加深學(xué)生對各層協(xié)議的掌握[9-10]，但整體內(nèi)容偏理論教學(xué)，缺乏對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)配置和整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的邏輯梳理。應(yīng)用型本科院校立足應(yīng)用型人才培育，更傾向于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和技能水平，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與社會所需應(yīng)用人才的網(wǎng)絡(luò)技能有較大的脫節(jié)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及各體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)協(xié)議和設(shè)備原理，課程涉及知識點(diǎn)內(nèi)容量大、邏輯性強(qiáng)，理論教學(xué)過程中針對各類協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)講解時(shí)容易碰到學(xué)生對授課內(nèi)容接受困難，不能很好地將理論知識與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合梳理出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信邏輯。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸分層示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸分層示意圖

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)對應(yīng)的五層體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用層和運(yùn)輸層運(yùn)行在終端設(shè)備上，為用戶實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備應(yīng)用進(jìn)程到應(yīng)用進(jìn)程之間的通信過程和與終端用戶的交互過程。網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)作完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從發(fā)送主機(jī)到接收主機(jī)的通信過程，其中物理層位于整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)底層，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制比特流在物理介質(zhì)上的傳輸過程，并不牽涉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置。社會對網(wǎng)絡(luò)方面的人才技能的需求主要集中于網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、配置和故障檢測處理等方面。對于應(yīng)用型本科院校而言，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程內(nèi)容中的重難點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及兩層之間的銜接配合。

1.1 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信過程中相鄰節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，該層協(xié)議主要涉及點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、廣播傳輸和以太網(wǎng)交換傳輸?shù)认嚓P(guān)內(nèi)容。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，選取不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝、傳輸和校驗(yàn)。在工程應(yīng)用中，以太網(wǎng)由于簡單廉價(jià)等特點(diǎn)壟斷了局域網(wǎng)市場，社會中組建園區(qū)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)等應(yīng)用場景中，最常用的是以太網(wǎng)虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)，VLAN技術(shù)原理簡單，在理論教學(xué)中并不作為重難點(diǎn)介紹，但這容易使學(xué)生忽視對虛擬VLAN配置技能的掌握。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層在數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信過程中發(fā)送端到接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸，該層協(xié)議主要涉及數(shù)據(jù)網(wǎng)際傳輸、控制數(shù)據(jù)傳輸和路由選擇等相關(guān)內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論課程中的核心章節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)組網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用所需技術(shù)中與理論知識結(jié)合較為緊密，但各知識點(diǎn)實(shí)現(xiàn)原理較為獨(dú)立，邏輯性較強(qiáng)，不便于學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)層知識的系統(tǒng)掌握。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的銜接

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信設(shè)備分別在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元存儲轉(zhuǎn)發(fā)，在功能上相互配合完成數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收端的整體過程，各層為實(shí)現(xiàn)自己的傳輸任務(wù)分別依托多種相關(guān)協(xié)議，在進(jìn)行理論知識的教學(xué)過程中需要分別對各層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行詳細(xì)講授，在傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中通常分別對各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行抓包分析，或者對各層組網(wǎng)過程進(jìn)行分層實(shí)踐，并沒有對實(shí)際傳輸邏輯進(jìn)行系統(tǒng)梳理。實(shí)際傳輸過程中數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層是相互配合完成傳輸任務(wù)，學(xué)生缺乏真實(shí)組網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置試錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)，容易在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生邏輯理解偏差。

2 ENSP模擬器輔助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用教學(xué)

數(shù)通網(wǎng)絡(luò)工程師崗位職責(zé)中局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的規(guī)劃和實(shí)施占據(jù)著重要地位，各類別對應(yīng)理論層次和相關(guān)協(xié)議見表1所列。

表1 數(shù)通網(wǎng)絡(luò)工程師主要崗位職責(zé)類別對應(yīng)的技術(shù)和相關(guān)理論

在理論教學(xué)過程中會對子網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行較為詳細(xì)的講解，實(shí)踐教學(xué)過程需要輔助路由器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，學(xué)生可以通過eNSP模擬器對華為系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行仿真配置實(shí)踐，通過實(shí)踐過程進(jìn)一步加強(qiáng)對理論知識的理解，同時(shí)提升自身的組網(wǎng)規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)能力。

2.1 eNSP模擬器輔助數(shù)據(jù)鏈路層教學(xué)

數(shù)據(jù)鏈路層處于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的底層，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過處理該層協(xié)議數(shù)據(jù)單元獲取MAC地址和端口號等信息實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信過程，理論知識教學(xué)過程中側(cè)重于對基本功能、點(diǎn)對點(diǎn)信道傳輸協(xié)議、廣播信道傳輸協(xié)議、以太網(wǎng)沖突避免協(xié)議和交換機(jī)的工作原理等內(nèi)容的教授，實(shí)際組網(wǎng)中則注重在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)中跨交換機(jī)VLAN的配置和應(yīng)用。

理論教學(xué)過程中對數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)的主要功能和相關(guān)協(xié)議的發(fā)展過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對數(shù)據(jù)鏈路層的多種組網(wǎng)方式都進(jìn)行了相應(yīng)的講解。在實(shí)踐教學(xué)過程中，需要向?qū)W生說明實(shí)際互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過程中局域網(wǎng)通信被以太網(wǎng)占據(jù)了市場，以太網(wǎng)分為共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，現(xiàn)在市場上最常用的是以交換機(jī)為通信設(shè)備的交換式以太網(wǎng)，幫助學(xué)生梳理清楚數(shù)據(jù)鏈路層的理論知識和實(shí)踐技能的共同點(diǎn)和差異點(diǎn)，使學(xué)生在實(shí)踐過程中心中有數(shù)。

采用eNSP模擬器輔助數(shù)據(jù)鏈路層教學(xué)的過程中，以圖2所示二層VLAN跨交換機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行交換機(jī)和終端設(shè)備的配置實(shí)踐，學(xué)生通過對模擬器中的交換機(jī)進(jìn)行二層配置，并結(jié)合終端相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)跨交換機(jī)的VLAN通信過程。

圖2 二層VLAN跨交換機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在配置過程中，在模擬器中通過對交換機(jī)互聯(lián)trunk端口和access端口的配置，結(jié)合虛擬終端命令行，利用ping命令測試網(wǎng)絡(luò)各終端的連通性，幫助學(xué)生形象體驗(yàn)VLAN對于廣播域的隔離效果。通過在模擬器中對各連接端口數(shù)據(jù)流進(jìn)行抓包分析，幫助學(xué)生加深對廣播信道傳輸協(xié)議、以太網(wǎng)沖突避免協(xié)議的掌握。通過對模擬器中交換機(jī)MAC表的查看，幫助學(xué)生加深對交換機(jī)工作原理的理解。

2.2 eNSP模擬器輔助網(wǎng)絡(luò)層教學(xué)

網(wǎng)絡(luò)層位于數(shù)據(jù)鏈路層之上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過處理該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元獲取IP地址和下一跳等信息，利用數(shù)據(jù)鏈路層提供的相鄰節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩说耐ㄐ胚^程。理論知識教學(xué)過程中側(cè)重對IP編址方式、子網(wǎng)規(guī)劃、地址解析協(xié)議、數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)流程、路由選擇協(xié)議、虛擬專用網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等內(nèi)容的講授，實(shí)際組網(wǎng)中側(cè)重于子網(wǎng)規(guī)劃、跨子網(wǎng)通信的配置和應(yīng)用、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)路由配置、網(wǎng)絡(luò)故障排查與解決等。網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論和實(shí)踐教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，理論課程中所涉及內(nèi)容均在實(shí)踐過程中有所體現(xiàn)，差異在于理論課程中主要對各協(xié)議原理和運(yùn)行流程進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)踐課程中主要對各協(xié)議進(jìn)行配置應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。采用eNSP模擬器輔助網(wǎng)絡(luò)層教學(xué)過程中，以圖3所示三層跨子網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例進(jìn)行路由器、交換機(jī)和終端設(shè)備的配置實(shí)踐。

圖3 三層跨子網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在實(shí)踐過程中，通過在模擬器上搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生實(shí)踐子網(wǎng)地址規(guī)劃，學(xué)會將子網(wǎng)劃分的理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐技能應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程。通過單個(gè)三層交換機(jī)跨子網(wǎng)通信配置，加深學(xué)生對子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和直連路由的理解。通過多個(gè)三層交換機(jī)跨子網(wǎng)通信配置，幫助學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由的差別。通過查看配置后的路由器表項(xiàng)并使用tracert路由跟蹤命令查看數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端所經(jīng)路徑，幫助學(xué)生梳理網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)層的傳輸流程和路由器的工作原理，并學(xué)會分析網(wǎng)絡(luò)故障原因。通過配置聚合路由、缺省路由和動(dòng)態(tài)路由，幫助學(xué)生了解聚合路由和缺省路由的存在意義和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化思路。通過配置網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，加深學(xué)生對公網(wǎng)地址和內(nèi)網(wǎng)地址概念的掌握，幫助學(xué)生掌握互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)配置的技能。

2.3 eNSP模擬器輔助數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層銜接教學(xué)

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)過程中，所要求的主要技能為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)踐，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備牽涉到的理論內(nèi)容集中在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。通過網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的銜接傳輸，即網(wǎng)絡(luò)層依據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層提供的點(diǎn)到點(diǎn)通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送端到接收端通信服務(wù)的過程。端到端數(shù)據(jù)通信流程如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)層IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層MAC地址相互配合完成數(shù)據(jù)從發(fā)送端主機(jī)到接收端主機(jī)的傳輸過程。各層之間相互依存，而不是相互替代，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層作為整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的重點(diǎn)，包含知識點(diǎn)內(nèi)容量大、邏輯性強(qiáng)，每層都有各自相對獨(dú)立運(yùn)行的協(xié)議，各層協(xié)議如何相互配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信過程是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)過程中的難點(diǎn)。

圖4 端到端數(shù)據(jù)通信流程

在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)抓包、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議銜接配合過程時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)通信情況復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，學(xué)生較難從復(fù)雜數(shù)據(jù)中查找到相關(guān)協(xié)議數(shù)據(jù)。在eNSP模擬器中搭建如圖3所示的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各接口處抓包通信數(shù)據(jù)，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，通過接口的數(shù)據(jù)量較單一，學(xué)生可以清晰地找到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過對地址解析協(xié)議數(shù)據(jù)的分析，幫助學(xué)生掌握地址解析協(xié)議的實(shí)際運(yùn)行過程。通過在各節(jié)點(diǎn)查看路由表、MAC表和ARP高速緩存表并分析各表項(xiàng)內(nèi)容意義，幫助學(xué)生梳理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流程，掌握網(wǎng)絡(luò)層如何利用數(shù)據(jù)鏈路層提供點(diǎn)到點(diǎn)傳輸服務(wù)、實(shí)現(xiàn)端到端傳輸服務(wù)。

3 結(jié) 語

應(yīng)用型本科院校注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合應(yīng)用能力。鑒于此，本文依據(jù)應(yīng)用型本科院校辦學(xué)定位，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了基于華為eNSP模擬器輔助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層教學(xué)的過程，在數(shù)據(jù)鏈路層教學(xué)過程中采用二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒咐诰W(wǎng)絡(luò)層教學(xué)過程中采用三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒咐?，通過對三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣涌谕ㄐ艛?shù)據(jù)抓包，加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸邏輯的梳理和掌握。實(shí)踐結(jié)果表明，該教學(xué)方式可以有效提升學(xué)生對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)熱情，實(shí)現(xiàn)通過理論知識來輔助學(xué)生實(shí)踐，通過實(shí)踐過程反向輔助學(xué)生加深對理論知識的理解，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。