模擬仿真技術在《計算機網絡》課程教學中的應用

唐鳳仙,湯鵬杰,阮 忠

(河池學院 計信系,廣西 宜州 546300)

模擬仿真技術在《計算機網絡》課程教學中的應用

唐鳳仙,湯鵬杰,阮 忠

(河池學院 計信系,廣西 宜州 546300)

《計算機網絡》課程理論性,實踐和應用性都很強,課程教學及實驗難度大,學生學習沒有積極性,筆者根據教學經驗,將模擬仿真技術應用到教學實踐當中,并將模擬仿真技術進行二次開發和分類,以適應不同層次教學實驗的要求。

模擬仿真技術;計算機網絡;協議仿真;教學應用

《計算機網絡》課程是計算機科學與技術、網絡工程和其他相近專業學生的一門專業必修課。它是一門理論性、實踐性和應用性都很強的課程,教學難度較大。如何上好計算機網絡課,一直是困擾任課教師的一個難題。

目前,對于如何上好《計算機網絡》這門課程,很多一線教師都提出了自己的見解,如提出在教學中突出系統的觀點,注重理論與實踐相結合,在實踐中回歸理論等。也有些人認為應該更改計算機網絡教材,使新教材能夠跟上技術的發展,多講原理和概念,忽略細節等。根據我們的教學經驗,提高該課程的教學質量,更重要的是應根據其特點,改革教學思路和模式,大膽創新。在實踐中使用仿真技術,通過開發具有針對性的仿真軟件來實施教學,如專門開發 TCP/IP協議的仿真器,教師可以進行演示,通過發包和對包進行捕捉分析等實驗,讓學生理解整個協議的工作過程和狀況。

一、《計算機網絡》課程教學的困難和問題

(一)課程屬于交叉學科,知識點眾多

計算機網絡涉及計算機科學、電子技術,通信技術、人工智能、密碼學等學科,而其特有的知識點也都比較抽象,如網絡體系結構,在學生剛接觸該課程的時候,很難理解為什么計算機網絡一定要分層次,很難想通每個層次上的各種通信協議,對于很多網絡參數也無法深入理解其中的含義。教師要在有限的時間內將大量的知識點向學生解釋清楚,并且結合實際,提高學生的實踐能力和分析問題的能力,并非易事。

在以往的教學中,教師一般都是直接講授協議的原理及過程,對于一些網絡參數并不是通過分析其實際意義讓學生體會其用途,而是記一些定義及相應公式等。在這種情況下,教師所講知識內容空洞,學生學習課程的積極性很難被調動起來,甚至導致學生產生逆反心理,覺得網絡就是一些概念,毫無用處。

(二)理論知識很難和實驗對應起來

計算機網絡是一門實踐性非常強的學科,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備比較齊全的實驗室。如網絡拓撲結構一節,如果在實際環境中將幾種拓撲結構一一實驗,將會需要大量的設備,其實驗準備及配置也是一項極為復雜的工作,在一般實驗室中是不可能實現的。

在以往的實驗教學中,教師一般都是設置一些配置服務器或路由器的實驗。這些實驗對學生提高動手能力有一定幫助,但從根本上來說,這種方式對學生深入理解知識點,進一步思考可能更好的方式所產生的效果卻并不理想,因為學生在實驗時只顧根據教師所教或實驗指南列出的命令或步驟進行操作,而對其中的原理和指導思想毫不關心,對個中參數的含義也是一知半解。如在路由協議一節,不管是 Rip還是 OSPF協議,學生在實驗時,只需配置一些簡單的命令即可,一旦能夠將所連接的主機 Ping通,就覺得是大功告成,而這些路由協議的原理及運行過程,他們根本就不關心,更談不上理解。這就造成了本末倒置,和所學知識失去了聯系,也失去了實驗的意義,既浪費了時間又浪費了設備與器材,對學生綜合素質的培養極為不利。

(三)難以提高學生的思考及自主動手能力

學生在課堂上被動地接受知識,在實驗中做和所學知識關系不是很大的實驗,造成了對網絡思想理解不夠深刻,對知識點記憶不夠清晰。如某個協議的產生背景、狀態流程及具體實現等,大部分學生都是聽過就忘,做與協議相關實驗時,感覺無從下手。對知識點的模糊,造成了學生創新意識的喪失,為提高其創新能力造成了障礙。

二、模擬仿真技術在課程教學中的應用

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

(一)模擬仿真技術的優勢

使用模擬仿真技術,能夠使學生對所學網絡知識有直觀的認識,對網絡的結構和協議的理解更為深刻,利于知識的消化與吸收,提高動手能力,增強創新意識。如網絡體系結構一節,可以在仿真軟件中建立一個節點模型,在進程模型中添加協議狀態及流程,為狀態添加實現代碼等。這一方面可以使學生對知識進行從整體到細節的把握,既理解了分層的意義,也掌握了協議內部實現的細節,為其創新意識及能力的培養奠定了基礎;另一方面,教師在教授時,也能將知識點當做一個整體來看待,順著一條主線進行細節知識的講解,不會感到支離破碎,無從講起。

模擬仿真技術在為學生講解某個網絡功能時也極為方便。一個功能通常可能會有多個網絡協議來支持,特別是路由協議,如在無線網中為實現數據路由,可以有 DSR協議、TORA協議等。在比較協議性能的好壞時,就可以通過建立一個網絡模型來進行仿真。教師可以結合所講的協議原理,并配以得出的具體仿真數據向學生展示各種方法的不同用途及在不同場合中的優劣性。這樣,學生就可以更加深入地理解為什么在實現該功能時必須使用相應的協議和規程。

學生在了解了現有的最好的技術方法后,教師便可以進一步引導他們思考實現該網絡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,通過對比參數數據,使他們發現其中的不足之處并鼓勵其繼續加以努力改進。

總之,在計算機網絡的課程教學中,使用模擬仿真技術能夠充分調動學生的積極性,使學生對其中的概念和原理有更好的把握,對網絡中所運用的思想有更深刻的理解,也能夠充分發揮學生的主觀能動性,提高其動手能力和創新能力。

(二)模擬仿真技術的應用

模擬仿真技術及其相關軟件其實早已出現,但這些技術和軟件都有側重點,并不能完整地反映整個計算機網絡的知識脈絡。因此,需要對其進行整理,甚至要根據具體需求進行二次開發。

1.設備配置教學與實驗仿真

網絡設備的配置是計算機網絡教學中必不可少的一部分,這部分內容實踐性最強,也是學生在學習過程中最感興趣的。在很多條件好的高校,這部分實踐內容并不難以實現,只要擁有幾臺服務器、交換機、路由器等一些網絡設備即可。直接的實物實踐可以讓學生身臨其境,對其動手能力的培養極為重要。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,不能做到每個學生都能動手操作,由于設備數量的限制,學生在實驗時必須要多人一組,這就造成了組內的每個學生不能完整地進行設備的配置;再次,實物實驗不夠靈活,實驗時間較長。

因此,在實物實驗的基礎上,我們還需要進行一些仿真軟件對設備的配置進行模擬仿真。這樣就保證了在不消耗耗材的基礎上,每個學生都能夠將整個實驗過程及步驟獨立完成,也省去了很多不必要的操作,節省了時間。目前,設備仿真軟件有很多,如思科公司為思科網絡技術學院學員所開發的 Packet Tracer,該軟件將思科公司的網絡設備都做成了模型,其設置步驟和功能與現實中的思科設備幾乎沒有差別。在一些網絡實驗中,如子網劃分,Vlan的設置等,使用該軟件將取得事半功倍的效果。網絡仿真軟件 OpnetModule,對于網絡性能的分析更是其他軟件所不能代替的,在學生做網絡性能參數分析的時候,極為直觀,對加深學生對各參數的理解有很大幫助。

2.協議教學中的分析與仿真

設備仿真軟件對學生動手能力及工程實踐能力的提高有很大幫助,但只做到這一點遠遠不夠。《計算機網絡》不但要求學生能夠進行簡單的網絡配置,還要求學生對網絡過程有一個清晰的認識,能夠深刻理解網絡內部的運行機制。這就需要協議分析工具的支持。

協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中抓取數據包,然后根據軟件內部的分析機制,將數據包進行分類,并對每個數據包進行解析,將數據包中每層的數據都列出來,形成一個可見的協議棧。同時,還可以對數據流進行統計分析,將整個協議的交互過程完整的呈現出來。

協議分析對學生學習網絡來說是極為重要的,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,是設備配置無法實現的,而通過這些協議分析軟件的使用,就可以使學生對各種協議的協議棧及協議運行過程進行觀察和研究,加深了他們對整個協議的理解。

3.協議的實現仿真

一般情況下,學生在學習計算機網絡的時候能夠做到協議分析就可以了。但如果要進一步提高他們的分析及設計能力,培養其研究及創新思維,還需要將協議內部的一些實現細節讓學生們來理解。協議的實現非常復雜,需要考慮各個方面的情況,如果讓學生自己編程來實現,難度極大。我們可以借助于一些已經實現好了的協議棧來進行這方面的學習和訓練。

仿真軟件 NS2以及 OpnetModule是當前研究計算機網絡協議的重要工具。如 OpnetModule,該軟件里面封裝了現在絕大部分已為標準的網絡協議,形成了很多節點模型和網絡模型。在節點模型中,我們可以看到實現該節點的協議棧,并在協議棧的每一層上實現了狀態機模型,將協議的每一狀態都完整地呈現出來,學生可以打開每一個狀態,里面是具體的實現代碼 (一般用 C語言編寫)。狀態機的存在使得學生可以對整個協議有一個更加深刻的認識。通過分析狀態機,學生能夠明白協議為何要如此設計,并進一步思考。這種狀態的轉換是否必要,有沒有漏洞的存在等。這對培養學生的獨立思考能力以及創新能力是極為有利的。

三、小結

在《計算機網絡》課程實踐過程中,大量使用模擬仿真技術,能使學生對所學網絡知識有直觀的認識,對網絡的結構和協議的理解更為深刻,利于知識的消化與吸收,激發學生學習自覺性和主動性,提高學生分析問題和解決問題能力,從而達到提高教學質量的目的。

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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,河池學院計信系講師,主要研究方向:數據結構與算法,機器學習。

河池學院 2009年教改項目 (項目編號:2009E015)

2010-06-20

[責任編輯 賀衛國 ]