非網絡工程專業計算機網絡實驗教學探討

李俊，金瑜，李波（武漢科技大學計算機科學與技術學院，湖北武漢，430065）

非網絡工程專業計算機網絡實驗教學探討

李俊，金瑜，李波
（武漢科技大學計算機科學與技術學院，湖北武漢，430065）

0　引言

計算機網絡實驗是《計算機網絡》的重要教學環節［1］。通過實驗，學生了解和掌握計算機網絡的基本概念、原理、組成、協議和設計方法。武漢科技大學計算機學院現在有網絡工程、計算機科學與技術、軟件工程和信息安全等專業。對于網絡工程專業的學生而言，有比較成熟的網絡教學和實驗體系。但對于非網絡工程專業的學生而言，網絡實驗是《計算機網絡》這門課程的配套實驗，缺乏單獨的計算機網絡實驗課程。另外，實驗內容比較陳舊：如雙絞線線纜的制作等操作型實驗，用Packet Tracer等仿真工具來設置靜態路由等驗證型實驗，網絡Web服務器的建立、管理和使用等簡單應用型實驗。這些實驗內容對計算機網絡重要的概念、原理、協議都很少涉及，因此對學生掌握相關知識幫助并不大。

為了更好地幫助學生掌握相關知識，計算機學院在2011年與銳捷網絡公司合作重新組建了網絡實驗室。除了硬件得到大規模提升外，實驗室還增加了很多協議仿真設備。通過這些仿真設備，學生可以初步了解協議的工作過程。如何把這些實驗設備與組網聯合起來、如何更好地讓學生通過實驗了解網絡協議、如何讓學生在編程中更好了解協議，這些都是本文重點闡述的內容。

1　實驗教學內容

針對上述問題，筆者精心設計了實驗內容。以以太網幀格式實驗為例。整個以太網幀格式實驗分為兩個小實驗：①幀格式分析；②編程實現以太網幀格式封裝。

1.1以太網幀格式分析

（1）基礎知識

按802.3標準的以太網幀結構如表1所示（802.3標準的Ethernet幀結構由7部分組成）。其中，幀數據字段的最小長度為46B。如果幀的LLC數據少于46B，則應將數據字段填充至46B。填充字符是任意的，不計入長度字段值中。

表1　802.3標準的幀結構

本實驗環境如圖1所示。其中使用了交換機1臺，PC兩臺。

圖1　以太網幀格式分析實驗環境圖

實驗步驟［2］：

·按圖1所示連接好設備，正確配置PC1和PC2 的IP地址。

·在PC1和PC2的命令行窗口上運行net start messenger命令。

·在PC2上運行Sniffer Pro軟件截獲報文，然后進入PC1的Windows命令行窗口，執行如下命令：net send 172.16.1.102 hello world。

·對截獲的報文進行分析，體會802.3MAC幀的結構。

通過這個實驗，學生對網絡拓撲結構（組網）、簡單網絡命令有個基本了解，對以太網幀結構有明確的認識。分析以太網幀結構只是掌握了基本知識，下一步讓學生編程實現IEEE 802.3以太網幀封裝。

幀的結構如表1所示。在校驗字段中，使用的是CRC校驗。校驗的范圍包括目的地址字段、源地址字段、長度字段、LLC數據字段。

實驗基本要求包括：①要求畫出界面，以太網幀的數據部分、源MAC地址和目的MAC地址均從界面輸入；②計算后的校驗和字段和封裝后的結果可以從界面上輸出；③生成多項式G（X）=X32+X26+X23+X22+X16+ X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+1；④使用的操作系統、語言和編譯環境不限。

考慮到學生編程能力的差異性，教師在布置實驗任務的時候可以詳細講述程序的幾個關鍵模塊：以太網幀數據結構的定義、幀各字段的填充及CRC校驗算法的實現［3］。另外對少數編程能力強的學生可以提一些擴展要求：能夠實現CRC計算過程的可視化；能夠從界面上控制程序的運行等。

學生兩個小實驗完整做完，可以很好掌握幀封裝的理論知識，并且能編程實現。類似的實驗安排包括ARP地址解析協議、UDP用戶數據報協議等。尤其是ARP地址解析協議，拓撲較復雜，學生可以通過網絡設備配置命令，掌握相關操作知識。

2　實驗教學組織方式

實驗內容的實施依賴于有序規范的教學組織［4］。

（1）帶著少數學生先做

現在的實驗教學都是小班教學，即一個教學班的上課人數不多于45人。但是若45人同時做實驗，特別是做拓撲連接實驗，提前不采取有效預習等措施，往往教師在實驗室講多遍，學生大部分也聽不明白，最終也做不出來。因此，教師進行實驗教學時，可以采用帶著少數學生先做的方法。

網絡實驗室的設備連接比較復雜。尤其是配置網絡經常出錯。教師提前選出幾個學生，讓這些學生跟著教師先做一遍。在全班學生一起做實驗時，相當于實驗室里有幾位“小老師”。這些“小老師”會手把手教會周圍幾個學生。這樣實驗完成率會大大提升。

（2）實驗內容分層次、獨立完成并嚴格驗收

學生們對實驗的重視程度或者動手能力有些差異。這種差異是客觀存在的。但往往學生會造成“一個組一個人完成”的現象。針對這種現象，教師不能視而不見。可以在內容設置上分為基本要求和擴展要求，并且要求每位學生至少完成基本要求。并且在考核時嚴格驗收：首先考慮的因素是獨立完成，其次是完成的質量。

3　教學效果反饋

通過以上的教學內容和組織方式，教學效果提升明顯。具體表現在：

（1）學生上課積極性高，實驗獨立完成率大大提升。之前學生覺得實驗內容與教材脫節，實驗中草草應付。現在實驗的內容與理論教學密切相關，做完分析實驗后學生的成就感非常強烈。

（2）教師增進了對學生的了解。通過編程，少數學生的潛力被進一步挖掘。教師也可以把這部分學生進一步充實到科研團隊中。這對教師和學生都是一個雙贏的結果。

4　結語

網絡實驗教學從2012年年初開始實施。對比之前沒有采用這種教學方法的學生，近三年的學生對所學內容更感興趣，計算機網絡理論知識掌握得更好。下一步，將重點培養學生對網絡協議的綜合開發能力。

［1］李曉卉.電子信息類專業計算機網絡實驗教學研究［J］.計算機教育，2014（14）

［2］金瑜，王建勇，楊湘.計算機網絡實驗教程［M］.科學出版社，2013

［3］吳英.計算機網絡應用軟件編程技術［M］.機械工業出版社，2010

［4］李沛，郭滕達.非計算機專業計算機網絡課程實驗環節設計［J］.計算機教育，2014，（19）.

Computer Network；Experiment Teaching；Teaching Content

Discussion on Computer Network Experiment Teaching for Non-Network Major

LI Jun，JIN Yu，LI Bo
（College of Computer Science and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065）

1007-1423（2015）10-0043-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.10.012

李俊（1978-），男，湖北黃石人，博士，副教授，研究方向為網絡管理

金瑜（1973-），女，湖北應城人，博士，副教授，研究方向為網絡分布式計算

李波（1975-），男，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向為計算機網絡、模式識別

2015-02-03

2015-03-06

結合武漢科技大學《計算機網絡》實驗教學的實際經驗，對實驗教學現狀進行分析，從教學內容、教學組織方式和教學效果等三個方面進行探討。以以太網幀結構實驗為例對教學內容進行詳細說明。幀結構實驗包括組網、簡單網絡命令、幀結構分析以及編程等方面內容。三年實踐教學表明實驗效果良好。

計算機網絡；實驗教學；教學內容

武漢科技大學教學研究項目（No.Yjg201422）

Based on the practical experiment teaching experience of the Computer Network course，tries to analyze the present teaching situation，and discusses the experiment teaching from three perspectives：teaching content，organization way，and teaching effect.Takes Ethernet frame structure experiment as an example，describes experiment content in details.Ethernet frame structure experiment includes networking，network command，frame structure analysis and programming.Three years of teaching practice shows good results.