計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)精品課程知識(shí)結(jié)構(gòu)教學(xué)探討

1、“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”精品課程知識(shí)結(jié)構(gòu)教學(xué)探討基金項(xiàng)目：湖南省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃2008年課題（編號(hào)：XJK08CXJ010）、湖南省重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)”、湖南人文科技學(xué)院校級(jí)精品課程立項(xiàng)資助。作者簡(jiǎn)介：陳代武（1964-），男，漢族，湖南新化縣人，副教授，碩士。研究方向：多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，流媒體技術(shù)及應(yīng)用。陳代武 郭廣軍 楊盛（湖南人文科技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系 湖南 婁底 417000）摘 要：“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課涉及到許多概念、協(xié)議、技術(shù)和原理，大家公認(rèn)這門課程比較難教和難學(xué)。文章對(duì)該課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了提煉，從5個(gè)層面提出了“一個(gè)結(jié)構(gòu)、二個(gè)模型、三種地址、四種控制、五類協(xié)議”的知識(shí)架構(gòu)，

2、并從教學(xué)的角度分別對(duì)其進(jìn)行了分析闡述。關(guān)鍵詞：知識(shí)結(jié)構(gòu)；體系結(jié)構(gòu)；分層模型；協(xié)議；地址中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1 引言計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，它是計(jì)算機(jī)和通信兩個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容極為復(fù)雜，涉及到彼此交織的許多概念、協(xié)議和技術(shù)，是一門公認(rèn)的難教和難學(xué)的課程。我?！坝?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程2007年被立項(xiàng)為學(xué)校精品課程，我們積極開展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)和教學(xué)研究，通過多年的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)實(shí)踐，我們將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)提煉為“一個(gè)結(jié)構(gòu)、二個(gè)模型、三種地址、四種控制、五類協(xié)議”?！耙环N結(jié)構(gòu)”是指網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；“二個(gè)模型”是指

3、OSI/RM模型和TCP/IP模型；“三種地址”是指MAC地址、IP地址和域名；“四種控制”是指介質(zhì)訪問控制、差錯(cuò)控制、流量控制、擁塞控制；“五類協(xié)議”是指物理層協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、傳輸層協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議。盡管計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容很多，上述這種知識(shí)結(jié)構(gòu)從5個(gè)層面體現(xiàn)了該課程的主要內(nèi)容，有利于對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課知識(shí)結(jié)構(gòu)的總體把握。2 一個(gè)結(jié)構(gòu) “一個(gè)結(jié)構(gòu)”是指“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”（以下簡(jiǎn)稱“體系結(jié)構(gòu)”）。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過50多年的飛速發(fā)展，經(jīng)歷了4個(gè)階段：以單計(jì)算機(jī)為中心的聯(lián)機(jī)系統(tǒng)階段、計(jì)算機(jī)-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)階段、體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)階段和高速智能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)階段。其中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的提出是

4、其發(fā)展過程中的一個(gè)重要的里程碑，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要講清楚模型建構(gòu)思想。（1）體系結(jié)構(gòu)的建構(gòu)思想。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行處理采用“大事化小，分而治之”的方法，采用的是“分層模型”。（2）體系結(jié)構(gòu)的分層模型。在網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)等層之間的約定稱為協(xié)議，它是平行對(duì)等關(guān)系。相鄰層之間的約定稱為接口，它是垂直調(diào)用關(guān)系，如圖1所示。在同一系統(tǒng)中，第N層向第N +1層通過接口提供服務(wù)。圖1 分層協(xié)議與接口工作示意圖在教學(xué)中，重點(diǎn)應(yīng)講清楚“為什么要分層以及怎樣分層”。由于分層模型中包含很多抽象的概念，如實(shí)體、協(xié)議、接口、服務(wù)用戶、服務(wù)提供者、服務(wù)原語等。學(xué)生對(duì)于“分層”是很難理解

5、的。網(wǎng)絡(luò)中的“層”是不能用眼睛去觀察，只能發(fā)揮學(xué)生的想象力。所以為了讓學(xué)生能夠理解常用郵政系統(tǒng)的信件發(fā)送與接收過程來進(jìn)行對(duì)比，以幫助學(xué)生獲得一些感性認(rèn)識(shí)。3 二個(gè)模型 “二個(gè)模型”是指“OSI/RM模型”和“TCP/IP模型”。這兩個(gè)模型均是按照體系結(jié)構(gòu)中的分層思想建構(gòu)的。（1）TCP/IP與OSI/IP的相似之處。 TCP/IP和OSI/RM均采用層次結(jié)構(gòu)，層的功能大體相似，在傳輸層以上都是以應(yīng)用為主導(dǎo)的。兩者都是一種基于協(xié)議數(shù)據(jù)單元的包交換網(wǎng)絡(luò)，而且分別作為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)和法律上的標(biāo)準(zhǔn)，具有同等的重要性。（2）TCP/IP與OSI/IP的不同之處。出發(fā)點(diǎn)不同，OSI/RM是作為國(guó)際

6、標(biāo)準(zhǔn)而制定的，大而全，協(xié)議的數(shù)量和復(fù)雜性都遠(yuǎn)高于TCP/IP，影響了市場(chǎng)占有率和發(fā)展。而TCP/IP開始是為軍用網(wǎng)設(shè)計(jì)的，一開始就考慮了一些特殊要求，如可用性、頑存性、安全性、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)性，它來自實(shí)踐，順應(yīng)社會(huì)需求，在實(shí)踐中不斷改進(jìn)與完善，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)，成了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)；還有對(duì)層次間關(guān)系的處理不同；對(duì)異構(gòu)網(wǎng)互聯(lián)、無連接服務(wù)、可靠性、網(wǎng)絡(luò)管理的考慮也不同。在教學(xué)中要講清這兩個(gè)模型產(chǎn)生的過程，各自的特點(diǎn)，它們之間的異同，為什么TCP/IP成為了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)而OSI/RM沒有最終占領(lǐng)市場(chǎng)。4 三種地址 “三種地址”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

7、鏈路地址，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商生產(chǎn)時(shí)寫在硬件（如網(wǎng)卡）內(nèi)部的全球唯一的序列號(hào)，通常用48位二進(jìn)制數(shù)或12位16進(jìn)制數(shù)表示。MAC地址是在數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò)接口的標(biāo)識(shí)。 （2）IP地址。就是給因特網(wǎng)上的每一個(gè)主機(jī)（或路由器）的每一個(gè)接口分配一個(gè)全球唯一的標(biāo)識(shí)符，IPv4版本的IP地址用32位二進(jìn)制數(shù)表示，IPv6版本的IP地址用128位二進(jìn)制數(shù)表示。它是在網(wǎng)絡(luò)層對(duì)主機(jī)（或路由器）接口的標(biāo)識(shí)。（3）域名（Domain Name）。域名是Internet網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)服務(wù)器或一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的名字，也具有全球唯一性。它是在應(yīng)用層對(duì)服務(wù)器或一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)，是一種更加人性化的標(biāo)識(shí)符。為了方便通信，三種地址

8、可以通過專用的協(xié)議ARP、RARP和DNS來完成地址映射，這些工作對(duì)人來說是“透明”的，如圖2所示。MAC地址IP地址域名RARPARPDNS圖2 地址之間的映射在教學(xué)中，應(yīng)重點(diǎn)講清計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的“地址的本質(zhì)是什么”、“為什么要設(shè)置三種地址以及三種地址之間的關(guān)系”。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的“地址”與生活中的“地址”其含義是不同的。生活中的“地址”通常指的是一個(gè)地理位置，而網(wǎng)絡(luò)中的“地址”指的是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或接口的“名字”或“標(biāo)識(shí)符（identification）”，它與地理位置并沒有直接聯(lián)系。正如用“名字”來標(biāo)識(shí)人一樣，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中為了通信的需要，要為網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)取一個(gè)名字，以便傳輸數(shù)據(jù)時(shí)能區(qū)分不同的結(jié)

9、點(diǎn)，找到目的結(jié)點(diǎn)。在不同的層面對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)取名有不同的標(biāo)識(shí)方法，因而也就出現(xiàn)了三種“網(wǎng)絡(luò)地址”。不管怎樣，這三種地址其實(shí)是在三個(gè)不同層面對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。由于體系結(jié)構(gòu)的建構(gòu)是分層的，因而就出現(xiàn)了在不同層面（數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層）對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)問題，同一個(gè)結(jié)點(diǎn)在不同的層面就有不同的名字是不難理解的。正如同一個(gè)人在不同的時(shí)期（或不同的場(chǎng)合）有不同名字：“乳名”、“正式名字”和“身份證號(hào)”。讀書時(shí)還有“學(xué)號(hào)”，參加高考時(shí)有“考生號(hào)”，工作時(shí)有“工號(hào)”等等，所以在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多種標(biāo)識(shí)符也是很順理成章的事。5 四種控制“四種控制”是指“介質(zhì)訪問控制”、“差錯(cuò)控制”、“流量控制”和“擁塞控制”。

10、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常復(fù)雜的“系統(tǒng)”，根據(jù)系統(tǒng)論和控制論的相關(guān)原理，要利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來為人類進(jìn)行信息服務(wù)就必須對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程中，已成功實(shí)施上述四種基本的控制。（1）介質(zhì)訪問控制。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用的傳輸介質(zhì)是一種寶貴的資源，對(duì)傳輸介質(zhì)的使用有很多方法，大體上可分為“受控接入”和“隨機(jī)接入”。（2）差錯(cuò)控制。是指在數(shù)據(jù)通信過程中能發(fā)現(xiàn)或糾正差錯(cuò)，把差錯(cuò)限制在盡可能小的范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。常用的檢錯(cuò)方法有循環(huán)冗余檢驗(yàn)法、校驗(yàn)和法，糾錯(cuò)方法有海明碼法等。（3）流量控制。就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來得及接收。如果發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送得過快，接收方就可

11、能來不及接收，這就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。在數(shù)據(jù)鏈路層使用“停止等待協(xié)議”、“連續(xù)ARQ協(xié)議”和“滑動(dòng)窗口”技術(shù)以“數(shù)據(jù)幀”為單位進(jìn)行流量控制，在傳輸層（TCP）利用滑動(dòng)窗口技術(shù)以“字節(jié)流”為單位進(jìn)行流量控制。（4）擁塞控制。就是防止過多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)中的路由器或鏈路不致過載。網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞條件是：對(duì)資源的需求大于可用資源。常用的擁塞控制方法有：慢開始、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)等策略。通過采取上述控制措施，解決了介質(zhì)使用問題、差錯(cuò)問題、信息流量問題和信息傳輸擁塞問題，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了保障。在教學(xué)中要重點(diǎn)講闡述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)“為什么需要進(jìn)行控制以及怎樣實(shí)施控制”。介質(zhì)訪問控制

12、方法有很多，若按需分配信道則有“空分”、“頻分”、“時(shí)分”、“波分”等方法，若是隨機(jī)接入，常用的是CSMA/CD。對(duì)于差錯(cuò)控制常用CRC檢測(cè)和較驗(yàn)和方法。在講解“擁塞控制”方法時(shí)學(xué)生是比較難懂的，可以用交通運(yùn)輸網(wǎng)做類比。要強(qiáng)調(diào)“擁塞控制”與“流量控制”的區(qū)別。6 五類協(xié)議“五類協(xié)議”是指“物理層協(xié)議”、“數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議”、“網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議”、“傳輸層協(xié)議”和“應(yīng)用層協(xié)議”。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的“協(xié)議”是指“為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定”，語法、語義和時(shí)序是協(xié)議的三要素。由于OSI/RM和TCP/IP兩個(gè)模型的層次不等，各模型中每層均有相應(yīng)的協(xié)議，現(xiàn)在的教材一般將層次模型折中為5層進(jìn)行知

13、識(shí)描述，所以這里就相應(yīng)的將協(xié)議分為5類，當(dāng)然有的協(xié)議可能兼有多層功能，見表1。表1：5類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次協(xié)議應(yīng)用層HTTP、DNS、FTP、SMTP、Telnet、SNMP、WWW傳輸層TCP、UDP網(wǎng)絡(luò)層IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP、RIP、OSPF數(shù)據(jù)鏈路層HDLC、PPP、FR、ATM、ISDN、VLAN、MAC物理層RS-232-C、RS-366-A、RS-449、X.21、IEEE802系列在教學(xué)中，學(xué)生感覺難學(xué)的就是那些復(fù)雜的“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議”，我上課時(shí)曾經(jīng)對(duì)學(xué)生說：“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議”從某種意義上來說就是“法律條文”，它是一種“約定”，它是一些“規(guī)則”。玩游戲時(shí)要遵守“游戲規(guī)則”，開

14、車時(shí)必須遵守“交通規(guī)則”，公民要遵守國(guó)家法律法規(guī)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中設(shè)置一些“通信規(guī)則”也是理所當(dāng)然的。教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生明白計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置“協(xié)議”的必要性和重要性。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的構(gòu)成也是很有規(guī)律的，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都設(shè)置若干“字段”，而每個(gè)字段又由若干個(gè)二進(jìn)制“位”的構(gòu)成，各個(gè)“位”、“字段”的不同取值來實(shí)現(xiàn)不同的功能。一般來說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功能越復(fù)雜，需要設(shè)置的字段就越多，計(jì)算機(jī)處理所耗費(fèi)的時(shí)間就越多。比如說TCP協(xié)議與UDP協(xié)議功能多，所以處理使用TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)的時(shí)間比處理使用UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)的時(shí)間要多。為了減少協(xié)議處理的時(shí)間，協(xié)議當(dāng)然越簡(jiǎn)單越好。但有時(shí)還得考慮功能的需要和可靠性的需要，也只能折

15、中考慮。7 結(jié)束語計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課涉及的知識(shí)面廣，概念多、協(xié)議多、原理抽象，講授這門課程有難度，學(xué)生學(xué)習(xí)有困難。文章從5個(gè)層面對(duì)該課的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了提煉，只能算作一點(diǎn)教學(xué)體會(huì)。基于該課程內(nèi)容的復(fù)雜性，用幾句話很難對(duì)其進(jìn)行全面的概括和總結(jié)，期盼與大家一起探討。參考文獻(xiàn)：1陳代武.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)M, 北京：北京大學(xué)出版社.2009.2蔡開裕，朱培棟，姚丹霖等.“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)研究與實(shí)踐J.計(jì)算機(jī)教育，2008,(24):7-83謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第5版)M, 北京：電子工業(yè)出版社.2008.The discussion of knowledge structure Teaching of Co

16、mputer Network Top Quality CoursesCHEN 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 conception, protocols, technologie

17、s and principles, we recognized it is difficult to teach and learn. The article extracted the knowledge structure of the course ,brought forward the knowledge construction of "one structure, two models, three types of address, four types of control, five categories of protocol" from five l