基于動畫演示的網絡協議教學實踐

　　摘要：網絡協議是高校計算機網絡及其相關課程的靈魂和主線，是教學的重點和難點。本文分析目前高校網絡協議教學的現狀及存在的不足，在此基礎上，提出基于動畫演示的網絡協議教學新模式，并給出教學實例。
　　關鍵詞：網絡體系結構；網絡協議；TCP/IP協議；動畫演示；ARP協議
　　
　　進入21世紀，Internet在我國迅速普及，截止2010年6月，我們的網民總數達到4.2億，互聯網普及率達到31.8%[1]。與此同時，互聯網的應用發展也極為迅速，從提供最基本的E-mail、FTP、BBS，發展到支持網絡視頻、搜索引擎、博客、播客、即時通信、網絡游戲、網絡存儲等各種層出不窮的應用[2]。
　　在這種背景下，高校的“計算機網絡”課程作為計算機科學與技術、網絡工程、通信工程和軟件工程等專業的主干課程，是學生學習網絡的開始，也是網絡工程、網絡安全、網絡編程等后續課程的基礎[3]。學習計算機網絡，最重要的是掌握其基本的工作原理及體系結構，為將來的應用和研究打下基礎。但是計算機網絡的理論抽象、復雜，概念繁多，特別是網絡協議對于初學者是非常難以理解的，作者所在的課程組在教學實踐和調查中發現，學好計算機網絡，關鍵是要真正理解計算機網絡體系結構(OSI/RM參考模型和TCP/IP協議簇)以及每層的網絡協議。但是從以往的教學實際情況來看，網絡協議部分的教學效果非常差，主要原因是網絡協議本身非常抽象難懂，而教學手段相對落后，學生不易理解。針對這樣的教學現狀，我們在實踐中把動畫演示引進網絡協議的教學，取得了比較好的效果。
　　1國內高校計算機網絡協議教學現狀
　　1.1網絡協議的定義和三要素
　　1) 網絡協議是指為網絡同層實體之間數據交換而制定的規則、約定與標準，亦稱同層協議或通信協議。
　　2) 網絡協議的三要素。
　　(1) 語義：用于解釋比特流的每一部分的意義；
　　(2) 語法：語法是用戶數據與控制信息的結構與格式，以及數據出現的順序的意義；
　　(3) 時序：事件實現順序的詳細說明[2]。
　　1.2國內高校計算機網絡協議教學現狀
　　每個高校，甚至每個老師都有自己的網絡協議教學方法，通過調查，我們發現目前國內高校網絡協議教學主要有4種常用方法。
　　1) 傳統的課堂書本的教學模式。這種教學模式以文字敘述的方法來講解網絡協議，理論與實際脫離的現象非常嚴重，理論內容太抽象，學生不易理解，學習興趣不高，掌握網絡協議知識的深度和廣度有欠缺，很難把網絡協議的相關原理和網絡實踐有機結合起來。
　　2) 舉例法。這種模式是指在講授網絡協議時，教師用生活實例說明網絡協議，把抽象的理論知識與日常生活相聯系。但是網絡協議眾多，很多協議很難在生活中找到相對應的例子，因此，這種方法只適合少部分協議的教學。
　　3) 幻燈片輔助教學。隨著多媒體教學的廣泛應用，大部分老師開始制作PPT來進行輔助教學，這樣做能比較直觀地表達網絡協議的語法和語義，但是PPT很難表現網絡協議中的狀態變遷和交互。
　　4) 協議抓包。隨著一些開源協議分析軟件的出現，一些老師在網絡協議教學中開始應用這些抓包工具來進行網絡協議的教學。抓包的含義是運用這些協議分析軟件捕獲所有通過計算機網卡的網絡數據包，并通過分析數據包里的內容來獲得協議的工作原理。但是這里有個悖論，分析數據包的內容需要對協議有很深入的理解，剛接觸計算機網絡的學生理解起來比較困難。
　　綜上所述，由于網絡協議本身比較抽象，現有的教學方法和手段很難直觀、形象地展現一個協議語法、語義和時序這三個要素。在網絡協議教學實踐中，我們利用動畫演示的方式來展示一個協議，使網絡協議的教學顯得生動，學生的學習積極性很高，學習效果明顯提高。
　　2基于動畫演示的網絡協議教學實例——以ARP協議為例
　　2.1網絡協議教學實例的實驗環境
　　網絡協議的教學一定要結合實際的應用場合，在講授ARP協議時，設計的實驗環境如圖1所示。4臺主機通過一臺交換機互聯，其IP地址和MAC地址如表1所示。
　　主機D通過FTP協議訪問主機A上的文件，但是主機D只知道主機A的IP地址，不知道主機A的
　　MAC地址，ARP協議通過已知的主機A的IP的地址，來找到主機A的MAC地址。
　　2.2ARP協議的工作原理
　　ARP協議是“Address Resolution Protocol”(地址解析協議)的縮寫[4]。在局域網中，網絡中實際傳輸的是“幀”，幀里面有目標主機的MAC地址。在以太網中，一個主機要和另一個主機進行直接通信，必須要知道目標主機的MAC地址。但這個目標MAC地址是如何獲得的呢？它就是通過地址解析協議獲得的。所謂“地址解析”就是主機在發送幀前將目標IP地址轉換成目標MAC地址的過程。ARP協議的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MAC地址，以保證通信的順利進行。
　　2.3ARP協議的工作過程
　　1)ARP協議的報文格式。
　　ARP協議的報文格式如圖2所示[5]。
　　圖2ARP報文格式
　　2)ARP請求報文的處理過程。
　　ARP請求報文是廣播報文，當主機D發送含有主機A的IP地址的ARP請求報文時，網絡中的其他主機A、B、C都會收到ARP請求，每臺主機都會檢查ARP請求報文中的目標IP地址是否為本機，如果是，則讀取源MAC地址和IP地址加到本機的ARP緩存表中。在這個實例中，主機A把主機D的MAC地址和IP地址對添加到本機的ARP緩存中。
　　每個節點也會檢查源IP地址，如果源IP地址在本機的ARP緩存表中，則會更新源MAC地址。如果源IP地址不在本機的緩存表中，則丟棄ARP請求報文。在這個實例中，主機B和主機C的ARP緩存表中都沒有主機D的IP地址，則丟棄這個ARP請求報文，如圖3所示。
　　3)ARP應答報文的處理過程。
　　主機A處理完ARP請求后，則發送ARP應答報文，這是單播報文，其目標MAC地址就是發送ARP請求的主機的MAC地址(即主機D的MAC地址)。在ARP應答報文中，包含源IP地址和MAC地址(即主機A的IP地址和MAC地址)以及目標IP地
　　址(即主機D的IP地址)。如圖5所示。
　　當主機D收到主機A的ARP應答報文后，就把主機A的MAC地址和IP地址加到本機的ARP緩存表中，如圖4所示。
　　4)ARP協議完成。
　　至此，ARP請求完成，主機D可以執行原始的FTP命令。另外需要說明的是，在利用動畫演示過程中，可以根據需要設置PLAY鍵和PAUSE鍵進行播放和暫停。
　　圖3ARP請求報文示意圖
　　圖4ARP應答報文示意圖
　　3網絡協議動畫資源的積累
　　3.1網絡協議的動畫制作
　　采用Macromedia Flash 8.0網絡協議的制作。由于網絡協議眾多，一般需要一個團隊分工合作，目前課程組已完成的動畫有32個，如表2所示。在教學
　　實踐中，也可以把一些協議當做課程設計和作業讓學生來完成，這樣既鍛煉學生的動畫制作能力，也增強了學生學習的動力和興趣。
　　3.2同一協議的擴展
　　由于許多協議的應用場合不同，其處理過程也不同。以ARP協議為例，在同一局域網中的處理過程在第2節作了詳細介紹，但如果應用到如圖5的網絡拓撲結構中去，其處理過程又會發生變化，這樣就需要制作不同的動畫來配合教學。
　　
　　 圖5網絡拓撲結構
　　4結語
　　網絡協議的教學是計算機網絡及其相關課程教學中的重點和難點，基于動畫演示的網絡協議教學和資源建設在我校還在持續進行中。就實際的教學情況來看，學生的學習興趣明顯提高，效果顯著。
　　參考文獻：
　　[1]中國互聯網絡信息中心. 中國互聯網絡發展狀況統計報告[EB/OL]. [2010-07-15].http://www.cnnic.cn/research/bgxz/ tjbg/201007/t20100715_18393.html.
　　[2]吳功宜. 計算機網絡[M]. 北京:清華大學