楊 樂，丁芝俠，李 賽

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430205）

信息化高速發(fā)展的今天，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在人們的生活中扮演了非常重要的角色。作為本科生的專業(yè)必修課程，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)交換、通信協(xié)議等內(nèi)容的認(rèn)知與領(lǐng)悟能力。自動化專業(yè)分配到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)時有限，高效、合理地將實驗學(xué)時應(yīng)用起來，能夠讓學(xué)生系統(tǒng)地理解、掌握知識。設(shè)置一個綜合的實際操作實驗，能夠讓學(xué)生將理論知識與實際生活中的應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)、不斷探索的興趣。

以文獻(xiàn)[1]為例，書中包含9 章內(nèi)容，課堂教學(xué)在刪減與側(cè)重的情況下，才能勉強完成前五章教學(xué)。與文獻(xiàn)[1]配套的課程實驗教材—《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗指導(dǎo)書》，主要集中于網(wǎng)絡(luò)配置，互聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備運行的模擬[2]，不適合自動化專業(yè)這種學(xué)時少，內(nèi)容受限的教學(xué)。通過單一的課程實驗，只能對單個知識點進(jìn)行強化，無法形成整體性的認(rèn)識，也無法與生活中的應(yīng)用產(chǎn)生聯(lián)系[3]。

本文使用一個綜合的課程實驗，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)知識融合到一起。本實驗對自動化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求中的相應(yīng)指標(biāo)點，以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的課程目標(biāo)具有一定的支撐與促進(jìn)作用。此實驗的創(chuàng)新點如下。

1）設(shè)計了一個綜合課程實驗，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課堂已學(xué)習(xí)的相關(guān)知識融合到一起，使學(xué)生通過實驗過程形成對這些知識的整體認(rèn)知，強化對課堂講授理論知識的掌握程度。讓學(xué)生自學(xué)未講解的相應(yīng)知識，通過實驗強化自學(xué)效果。

2）采用具有趣味性，學(xué)生樂于參與的樹莓派智能小車作為實驗載體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，樹莓派小車的運行過程，融合了模擬電子技術(shù)、微機(jī)原理等課程的內(nèi)容，使學(xué)生理解自動化專業(yè)課程的結(jié)合及應(yīng)用。

3）樹莓派智能小車可以使用Python 語言編程控制，相關(guān)的技術(shù)知識拓寬了學(xué)生的知識領(lǐng)域，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)新知識，形成持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。此實驗由學(xué)生分小組協(xié)作完成，可以培養(yǎng)學(xué)生的溝通、合作能力。

1 實驗?zāi)康呐c實驗功能

1.1 實驗?zāi)康暮蛯嶒灉?zhǔn)備

通過本實驗將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)中已經(jīng)學(xué)習(xí)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層中相應(yīng)的內(nèi)容綜合起來，使學(xué)生立體化地理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)過程。其次，借助本實驗，讓學(xué)生自學(xué)未講解的教材第六章應(yīng)用層中的文本傳送協(xié)議FTP、超文本傳輸協(xié)議HTTP、遠(yuǎn)程控制教材，教材第九章無線局域網(wǎng)絡(luò)中的CSMA/CA 協(xié)議等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。通過實驗的操作過程和結(jié)果展示，將理論與實際結(jié)合起來，增強學(xué)生自學(xué)知識的掌握度。通過實驗中使用的樹莓派小車硬件、Python 編程語言等內(nèi)容，拓展學(xué)生的知識領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣，形成持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

在實驗開始之前，學(xué)生需要重點回顧物理層中導(dǎo)引型傳輸媒體與非導(dǎo)引型傳輸媒體、數(shù)據(jù)鏈路層中CSMA/CD 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層中IP 地址與ARP協(xié)議、傳輸層中端口復(fù)用的相關(guān)內(nèi)容。自學(xué)應(yīng)用層FTP、HTTP、遠(yuǎn)程控制、無線局域網(wǎng)絡(luò)及CSMA/CA 協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容。

1.2 實驗功能

本實驗使用三個筆記本電腦和一個樹莓派小車組成Wi-Fi 無線局域網(wǎng)，經(jīng)過對應(yīng)的實驗步驟設(shè)置之后，每個筆記本電腦都可以單獨控制樹莓派小車的運動與停止，并且每個筆記本電腦都可以顯示樹莓派小車攝像頭實時采集的視頻信息，本實驗的架構(gòu)圖如圖1 所示。在無線局域網(wǎng)中，3 個筆記本電腦作為3 個站點，樹莓派小車作為接入點。樹莓派小車沒有實體下載線。筆記本電腦中編寫好的程序，無線傳輸?shù)叫≤囍?，進(jìn)行編譯后，才能執(zhí)行對應(yīng)的功能。在實驗中將筆記本電腦1 用于小車的程序傳輸與編譯控制，筆記本電腦2、3 不用執(zhí)行這些操作。因此，在圖1 中將筆記本電腦1 標(biāo)記為圓角矩形，筆記本電腦2、3 標(biāo)記為正方形。筆記本電腦1、2、3 使用Windows操作系統(tǒng)，樹莓派小車中運行的是Linux 操作系統(tǒng)。筆記本電腦1、2、3 與樹莓派小車之間通過無線信號傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)通信，它們以全雙工的方式通信，每個設(shè)備既可以發(fā)送數(shù)據(jù)同時也可以接收數(shù)據(jù)，因此圖1 將它們之間的通信表示成虛線雙箭頭。

1.3 實驗使用的硬件平臺

樹莓派可以看作一款微縮版的電腦，具有體積小、資源豐富等優(yōu)點，擁有強大的控制功能[4]。樹莓派智能小車使用TB6612FNG 芯片作為驅(qū)動芯片，使用脈沖寬度調(diào)制-PWM 技術(shù)控制電機(jī)運轉(zhuǎn)[5]。樹莓派作為主控單元，通過對應(yīng)的時序，控制攝像頭模組實時采集視頻數(shù)據(jù)。同時，經(jīng)過TB6612FNG 芯片驅(qū)動電動機(jī)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)小車的運動控制。這些內(nèi)容與模擬電子技術(shù)、微機(jī)原理等課程相關(guān)。實驗使用的樹莓派智能小車如圖2所示。

圖2 實驗使用的樹莓派智能小車

2 實驗原理

筆記本電腦、樹莓派智能小車組成的無線局域網(wǎng)，借助計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信，它們遵守同樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這里以筆記本電腦端的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為例，說明數(shù)據(jù)在各層間的傳遞方式。由于筆記本電腦1 用于樹莓派小車的程序傳輸與編譯控制，同時還要實現(xiàn)小車的運動控制與視頻查看，而筆記本電腦2 和3 只用實現(xiàn)小車的運動控制與視頻查看，所以筆記本電腦1使用的應(yīng)用軟件更多。筆記本電腦1 中計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 筆記本電腦1 中計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的五層體系結(jié)構(gòu)分別是應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。應(yīng)用層包含智能小車操作平臺軟件、FileZilla 軟件、VNC Viewer 軟件。智能小車操作平臺軟件使用超文本傳輸協(xié)議-HTTP，通過8080 端口訪問樹莓派小車采集到的視頻信息。HTTP 是一種用于分布式、協(xié)作式和超媒體信息系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議，它是目前互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，是實現(xiàn)萬維網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。另外，智能小車操作平臺軟件，通過2001 端口將前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的指令傳送給樹莓派小車。

要實現(xiàn)樹莓派小車的運動控制及視頻采集，小車中必須有對應(yīng)的程序。借助FileZilla 軟件可以將筆記本電腦1 中編寫好的程序，無線傳輸?shù)綐漭尚≤囍小ileZilla 軟件使用文件傳送協(xié)議-FTP 實現(xiàn)文件傳輸，F(xiàn)ileZilla 軟件是一款免費開源的FTP 軟件，具有方便、高效、可靠的優(yōu)點。FTP 是應(yīng)用最廣泛的傳輸協(xié)議之一，用于傳輸文件信息。

傳輸?shù)綐漭尚≤囍械南鄳?yīng)程序，必須經(jīng)過編譯，才能完成設(shè)定的功能。筆記本電腦1 使用VNC Viewer 軟件遠(yuǎn)程控制小車，調(diào)用小車中的資源，完成相應(yīng)程序的編譯及攝像頭開啟等操作。

筆記本電腦2 和3 中只安裝了智能小車操作平臺軟件，用于小車的運動控制和視頻查看。如圖3 所示，一款應(yīng)用軟件可以有多個端口，實現(xiàn)不同的功能。不同的應(yīng)用層軟件借助端口，將產(chǎn)生的報文都向下傳送給運輸層，這就是運輸層的復(fù)用。相應(yīng)地，運輸層收到發(fā)給某一應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)，借助對應(yīng)的端口向上傳輸給此軟件，這是運輸層的分用。

如圖3 所示，運輸層使用傳輸控制協(xié)議-TCP 實現(xiàn)可靠傳輸。面向連接是TCP 的基本特性，是實現(xiàn)可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)。TCP 通過三報文握手建立連接，四報文握手釋放連接。TCP 依靠滑動窗口機(jī)制，完成可靠傳輸與流量控制。TCP 將應(yīng)用層軟件傳送到運輸層的報文作為TCP 的數(shù)據(jù)部分，并添加上TCP 的首部，共同組成TCP 報文段。TCP 報文段向下傳送給網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層將TCP 報文段作為網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)部分，根據(jù)網(wǎng)際協(xié)議-IP，添加IP 首部，組成IP 數(shù)據(jù)報。IP 數(shù)據(jù)報向下傳送給數(shù)據(jù)鏈路層。在互聯(lián)網(wǎng)中，每個主機(jī)以及路由器的每個接口，都具有唯一的IP 地址。實驗中樹莓派小車的IP 地址為192.168.1.1。網(wǎng)絡(luò)層使用ARP 協(xié)議將IP 地址解析為MAC 地址。無線局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備，使用MAC 地址發(fā)送分組。

數(shù)據(jù)鏈路層的3 個基本問題是封裝成幀、透明傳輸、差錯檢測。數(shù)據(jù)鏈路層把IP 數(shù)據(jù)報作為數(shù)據(jù)部分，然后根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議添加幀首部，幀尾部組成幀。幀向下傳輸?shù)轿锢韺?。?shù)據(jù)鏈路層使用循環(huán)冗余校驗-CRC 進(jìn)行差錯檢測。

本實驗使用3 臺筆記本電腦和樹莓派小車組成Wi-Fi 無線局域網(wǎng)，在無線局域網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層，使用載波監(jiān)聽多點接入/碰撞避免協(xié)議-CSMA/CA 協(xié)議實現(xiàn)通信。在課堂教學(xué)過程中，第三章講解了有線局域網(wǎng)，它的數(shù)據(jù)鏈路層使用載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測協(xié)議-CSMA/CD 協(xié)議通信。CSMA/CD 協(xié)議與CSMA/CA 協(xié)議的工作過程與協(xié)議要點總結(jié)如圖4 所示。

圖4 CSMA/CD 協(xié)議與CSMA/CA 協(xié)議的工作過程與協(xié)議要點

由圖4 可知，CSMA/CD 協(xié)議根據(jù)有線信道上的電壓變化，檢測信道的空閑、占用。如果有線信道上的電壓超過一定閾值，則表示數(shù)據(jù)發(fā)生了碰撞。在無線局域網(wǎng)中，無線信號傳輸?shù)膭討B(tài)變化范圍非常大，發(fā)送端的信號強度可能比接收端高出百萬倍。因此，無法完成碰撞檢測。從而無線局域網(wǎng)使用載波監(jiān)聽多點接入/碰撞避免協(xié)議-CSMA/CA 協(xié)議。

在無線局域網(wǎng)中，多個位置可以變動的站點與中心接入點通信。CSMA/CA 協(xié)議使用軟件和硬件兩種方式共同檢測信道的空閑、占用。由于無法進(jìn)行碰撞檢測，所以一個站點發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，必須得到接收站的確認(rèn)，才表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功。為了避免無線信道被一個站點長期占用，CSMA/CA 協(xié)議在相應(yīng)的情況下，站點之間需要執(zhí)行統(tǒng)一的退避算法公平地爭用信道。另外，CSMA/CA 協(xié)議能夠讓相應(yīng)的站點使用信道預(yù)約機(jī)制減少隱蔽站造成的碰撞。可以看到，CSMA/CA 協(xié)議比CSMA/CD 協(xié)議復(fù)雜得多。學(xué)生可以根據(jù)圖4，對兩種協(xié)議工作過程中的要點建立整體的概念，加深對課本知識的理解。同時，學(xué)生可以結(jié)合圖4，使用對比的學(xué)習(xí)方法，抓住兩種協(xié)議間的異同點，增強兩種協(xié)議的掌握程度。

如圖3 所示，物理層解決如何在傳輸媒體上傳輸比特流。Wi-Fi 使用的頻段為2.4 GHz 或5 GHz。無線局域網(wǎng)物理層的相關(guān)知識，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教材沒有具體的介紹?？梢灾笇?dǎo)學(xué)生通過搜索引擎、圖書館文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、視頻課程等自學(xué)對應(yīng)的知識。

3 實驗內(nèi)容

3.1 實驗步驟

實驗開始之前，需要準(zhǔn)備3 臺筆記本電腦，將對應(yīng)的系統(tǒng)軟件鏡像及對應(yīng)的軟件程序，燒寫到樹莓派智能小車的存儲卡中[6-7]。

實驗操作流程如下，首先樹莓派小車與3 臺筆記本電腦建立Wi-Fi 無線局域網(wǎng)。然后將筆記本電腦1 中編寫好的程序傳輸?shù)叫≤囍?，接著遠(yuǎn)程控制小車對程序進(jìn)行編譯。最后使用智能小車操作平臺軟件控制小車的運動，并顯示小車攝像頭實時采集的視頻信息。具體的實驗操作步驟如下。

1）打開樹莓派智能小車的電源，等待小車的電壓檢測模塊顯示穩(wěn)定。在筆記本電腦中搜索樹莓派智能小車的 Wi-Fi 熱點，并進(jìn)行無線連接。

2）打開筆記本電腦1 中的 FileZilla 軟件，輸入小車的IP 地址：192.168.1.1，以及對應(yīng)的用戶名、密碼，F(xiàn)ileZilla 軟件與運輸層連接的端口號為22。然后，點擊快速連接，在筆記本電腦1 和小車之間建立連接，操作界面如圖5 所示。借助FileZilla 軟件，將筆記本電腦1 中編寫好的程序，傳輸?shù)綐漭尚≤囍小?/p>

圖5 FileZilla 軟件的操作界面

3）在筆記本電腦1 上，打開虛擬控制臺應(yīng)用程序VNC Viewer，進(jìn)入主界面對VNC Viewer 進(jìn)行配置。搜索樹莓派智能小車的IP 地址：192.168.1.1,進(jìn)行連接。連接完成之后，根據(jù)設(shè)定的賬號、密碼，登錄到樹莓派智能小車的 VNC Server 端，進(jìn)入小車的VNC 主頁[8]，登錄后的小車的VNC 主頁如圖6 所示。

圖6 小車的VNC 主頁

4）首先，通過樹莓派智能小車的VNC 主頁，打開一個LX 終端，在此終端中輸入對應(yīng)的操作命令，打開小車的攝像頭模組。小車打開攝像頭模組的操作界面如圖7 所示，小車內(nèi)運行的是Linux操作系統(tǒng)，LX 終端可以實現(xiàn)Linux 操作系統(tǒng)的所有操作。mjpg-streamer 是Linux 操作系統(tǒng)下的開源軟件，它可以通過HTTP 協(xié)議訪問與Linux 系統(tǒng)兼容的攝像頭[9]。使用cd mjpg-streamer/mjpgstreamer-experimental/命令進(jìn)入對應(yīng)的目錄，使用mjpg-streamer/mjpg-streamer-experimental/ $ sudo ./start.sh 命令打開攝像頭。Linux 操作系統(tǒng)是一款開源免費的操作系統(tǒng)，具有高度的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用[10]。

圖7 打開小車攝像頭模組

接著，打開另一個LX 終端，輸入對應(yīng)的操作命令，編譯傳輸?shù)綐漭芍悄苄≤囍械南鄳?yīng)程序，完成攝像頭視頻采集、小車運動控制等功能。

5）在3 臺筆記本電腦上分別打開智能小車操作平臺軟件，單擊視頻連接，3 臺筆記本電腦可以同時顯示樹莓派智能小車攝像頭實時采集到的視頻畫面。在設(shè)置中可以查看視頻采集地址，樹莓派小車的IP 地址，以及對應(yīng)的控制端口號。此實驗通過HTTP 訪問小車采集到的視頻信息，HTTP使用8080 端口與運輸層交互。借助筆記本電腦中的智能小車操作平臺軟件，每一臺筆記本電腦都可以單獨發(fā)送控制指令，控制樹莓派小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)與停止。智能小車操作平臺軟件，使用端口2001 傳送控制指令，與運輸層交互。樹莓派智能小車的視頻查看地址與控制端口設(shè)置如圖8 所示。完成以上實驗步驟后，實驗結(jié)果如圖9 所示。

圖8 樹莓派智能小車的視頻查看地址與控制端口設(shè)置

圖9 實驗結(jié)果展示

對于本實驗，3 臺筆記本電腦使用Windows操作系統(tǒng)，樹莓派小車使用Linux 操作系統(tǒng)，正是由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層的體系結(jié)構(gòu)，屏蔽了不同操作系統(tǒng)及不同硬件間的差異，使樹莓派小車與筆記本電腦可以通信。學(xué)生可以通過自學(xué)，了解更多Linux 操作系統(tǒng)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

3.2 附加實驗

樹莓派小車中包含Python 開發(fā)的集成環(huán)境，為使用樹莓派小車完成深度學(xué)習(xí)方面的應(yīng)用提供了支撐。Python 語言是一種應(yīng)用非常廣泛的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言[11]。

附加實驗的操作流程如下：筆記本電腦1 使用FileZilla 軟件，將編寫好的Python 程序傳輸?shù)綐漭尚≤囍小９P記本電腦1 使用VNC Viewer 軟件，遠(yuǎn)程控制Python 程序在集成開發(fā)環(huán)境中完成編譯。完成以上操作流程后，小車根據(jù)程序的設(shè)定，間隔相應(yīng)時間，循環(huán)依次執(zhí)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止操作。

學(xué)生可以選做附加實驗，使對相關(guān)技術(shù)知識感興趣的學(xué)生，拓展知識領(lǐng)域。引導(dǎo)學(xué)生了解人工智能、深度學(xué)習(xí)等方面的知識，培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

4 實驗考核

通過以下4 種方式，考查學(xué)生對實驗原理的理解程度，以及對實驗所用到的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識的掌握程度。

1）在學(xué)生以小組為單位，完成此實驗的過程中，根據(jù)對應(yīng)的界面或操作命令，提問小組成員，此步驟的作用和目的。

2）在小組成員通過相互協(xié)作完成實驗各步驟之后，讓小組成員通過相互補充的方式，簡述本實驗的實驗原理。

3）在小組成員完成實驗之后，向每個小組成員提問與本實驗相關(guān)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識點。

4）根據(jù)實驗報告，檢驗學(xué)生對實驗相關(guān)知識的掌握程度。

5 結(jié)束語

針對自動化專業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)時有限的特點，本文設(shè)計了一個綜合性的課程實驗。通過此綜合實驗，將課堂理論教學(xué)中已經(jīng)學(xué)習(xí)的相關(guān)知識，與未學(xué)習(xí)的部分知識，有機(jī)地融合在一起，使學(xué)生形成一個整體性的概念，理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在生活的實用案例，更加牢固地掌握計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識。本文的實驗原理部分，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳送數(shù)據(jù)的過程，立體化地展示出來，使學(xué)生形成整體性的概念。并且，著重介紹了無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的CSMA/CA 協(xié)議，列舉了此協(xié)議的工作原理與協(xié)議要點，并通過對比的方式提升學(xué)生的知識掌握度。實驗內(nèi)容中介紹了完成此實驗的各個步驟，以及每個步驟涉及的技術(shù)知識。同時，通過一個附加實驗，拓展學(xué)生的知識領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。最后，給出了考查學(xué)生知識掌握程度的4 種方式。在后續(xù)的綜合課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計中，可以對此實驗進(jìn)行擴(kuò)展，讓學(xué)生完成一些更復(fù)雜的任務(wù)。