《網絡信息系統工作原理》教學案例

焦學仕

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》將“信息系統與社會”作為必修模塊設置，突出了信息系統的重要地位，要求學生能了解人、信息系統與社會的關系，認識信息系統在社會中的作用，合理使用信息系統解決生活、學習中的問題。基于此，提出了兩項學習要求：（1）理解計算機、移動終端在信息系統中的作用，描述計算機和移動終端的基本工原理；（2）通過組建小型無線網絡，了解常見網絡設備的功能，知道接入方式、帶寬等因素對信息系統的影響。

對比2013版課標選修三《網絡技術應用》中“網絡技術基礎”主題的內容標準可以看出，網絡系統工作原理屬于學生應當深入理解的關鍵內容。新課標降低了對本部分記憶性內容的要求，但對學生應達到的理解程度做了提升，要求學生不能僅僅停留在解釋、了解的層面，還要能在釋義的基礎上領悟原理，甚至能應用于組網實踐。

基于以上理解，在“三新一舊”的教學背景下，“網絡信息系統工作原理”內容的教學必然要做出相應的調整，以下是筆者根據近幾年的教學實踐所做的一點嘗試。

● 環節一：情境導入，提出問題（5分鐘）

師：假設我們進入一所新的學校，周圍同學來自天南海北，互不相識，現在想要相互認識一下，該如何進行？

學生活動：四位同學為代表，做一個自我介紹，介紹完畢，四個人相互握手，任意兩人之間建立了聯系。

設計意圖：引出廣播概念。

師：剛才做自我介紹的同學實際上進行了一個“廣播”活動。任一同學“廣播”后，所有同學都能聽到他發出的信息。局域網中廣播是多點投遞的最普遍的形式，它向每一個目的站投遞一個分組的拷貝。它可以通過多個單次分組的投遞完成，也可以通過單獨的連接傳遞分組的拷貝，直到每個接收方均收到一個拷貝為止。

學生活動：①雙擊桌面上的“網絡”（Win7系統），觀察通過廣播的形式收集到該局域網中所有在線的計算機名稱，并將服務器“Serve”上的共享文件文件“測試”拷貝到桌面。②查看本機的計算機名稱，將其寫在學習卡片上。（方法：右擊桌面上的“計算機”圖標，選擇“屬性”）

設計意圖：學生間相互自我介紹與局域網中的“廣播”極為相似，自我介紹完成后，每個學生都會得到其他同學的信息，隨時可以發起對話。局域網中電腦廣播后同樣建立了一個握手信號，相互間可以通信。

● 環節二：新知學習，重點鋪墊（10分鐘）

1.了解計算機的身份證：MAC地址（5分鐘）

師：計算機在局域網中是怎樣標識自己的身份的？世界上每個人都有獨一無二的特征，局域網中的計算機會不會也有呢？答案是肯定的。局域網中標識計算機身份的是網卡的物理地址，也就是MAC地址（Media Access control）。訪問目標主機時，無論是通過IP地址還是通過計算機名，系統都要先查詢該地址或名稱對應的MAC地址，才能找到。在底層的物理傳輸過程中，就是通過物理地址來識別主機的。

學生活動：①單擊開始菜單，輸入cmd進入命令提示符，輸入“ipconfg/all”查看本機的物理地址（MAC地址）、IP地址，并將它們寫在學習卡片上。②隨機找幾位同學念出自己計算機的MAC地址，查看是否有重復。

設計意圖：學生自己動手查看本機MAC地址并與相鄰計算機進行比較，觀察是否有重復。

2.MAC地址（3分鐘）

教師活動：明確MAC地址采用16進制表示，共六個字節（48個二進制位），其中，前三個字節是由IEEE的注冊管理機構RA負責給不同廠家分配的代碼（高位24位），后三個字節（低位24位）由各廠家自行指派給生產的適配器接口。每塊網卡MAC地址都不同，具有全球唯一性。

學生活動：①打開計算器，計算總地址數：2^48；②假設每年消耗網卡10億塊，看看多少年能用完？

設計意圖：通過計算，看看網卡的物理地址是否緊缺，引導學生思考計算機名、IP地址和MAC地址的區別與聯系。

3.MAC地址和計算機名稱以及IP地址的對應（2分鐘）

師：以太網中的主機通過廣播將自己的身份告訴其他主機，每臺主機緩存里就會存有其他主機的MAC地址和計算機名稱以及IP地址的對應表。用戶在訪問目標主機時也可以通過計算機名稱或者IP地址來訪問。（為方便操作，后面各環節使用計算機名來標識各節點機器）

學生活動：教師請A1同學念出卡片上的“廣播語”。

設計意圖：采用對應方法，明確概念。MAC地址：每個人與生俱來的獨一無二的特征。IP地址：根據地域人為指定的身份證號；計算機名：父母為我們取的名字。

● 環節三：活動模擬，落實重點（15分鐘）

師：本節課所講局域網是基于IEEE802.3協議的以太網，以太網采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）機制。以太網中所有節點都可以監測到在網絡中發送的信息，所以它是一種廣播網絡。廣播網絡中如何傳遞信息呢？接下來通過游戲的方式體驗局域網中信息的發送。（CSMA/CD的工作原理：任意節點發送數據前先偵聽信道是否為空，若空，則立即發送數據。若信道忙碌，則等待信道中的數據傳輸結束再請求發送數據；若同時有兩個或兩個以上的節點要發送數據，則停止發送，等待一段隨機時間，再重新嘗試）

學生活動：A5、B5、C5、D5四位同學模擬四臺計算機，將手中的data“數據包”送達各自的目的地，教室中的通道即為通信線路，每次只能有一位同學使用。請一名同學作為評委判斷誰最快舉卡、是否有沖突。規則如下：①游戲開始，當通道中沒有正在傳遞信息的同學時看作“信道”為空，此時需要傳遞信息的同學迅速舉起手中的卡片。②第一個舉起卡片的同學如A5起立并讀出目標地址，傳送“數據包”到目標機器。此時“信道”被占用，其他同學要放下卡片。③傳送者將數據送達后，“信道”重置為空，其他同學可再次舉卡。④如果有兩位或兩位以上同時舉起卡片（傳遞沖突），則全部放下卡片，等待隨機一段時間（一秒左右）后，再重新舉起，若還有沖突，則重復此步驟。⑤重復以上步驟，直到所有“數據”傳送完畢。

師：數據接收過程中，網上每臺計算機都在監聽，如果有信息傳輸，則收集該信息，并分析接收地址，如果接收地址為本節點地址，則復制接收該數據包，否則，不予理會，簡單丟棄該數據包。

學生活動：以A5同學傳遞數據為例，其目標地址為C3。①A5傳遞數據過程中讀出廣播語，并說出數據包的目的地址。數據包送達C3過程中，所有同學均能聽到廣播。②目標地址C3將A5數據包內容抄寫至自己的卡片，完成數據接收，其他同學不做處理，本次數據通信結束。

設計意圖：類比一——廣播。四臺計算機要將數據傳送到各自的目的地，教室內通道只有一條，因此是共享一條“信道”。通過該游戲可以體驗“載波偵聽多路訪問沖突檢測”（CSMA/CD）機制的工作原理。

教師總結：網絡通信系統的工作原理——先聽后發，邊發邊聽，沖突停發，隨機延遲后重發。

● 環節四：問題引領，突破難點（10分鐘）

1.什么是廣播風暴（5分鐘）

師：以太交換機對廣播包的處理，是不管從哪個端口收到廣播包，都完整地復制一份轉發到其他端口。當局域網中電腦數量增多時，數據量變大，同時請求線路的數據包大大增加，沖突的概率進而增大。同一數據包往往需要多次重傳才能請求到線路（當重傳達16次仍不能成功時即丟棄該包），大大降低了網絡的傳輸速度，這就是廣播風暴。

學生活動：體驗當數據量增大時，處理信息會變難、變慢。①所有同學同時舉起卡片，申請傳遞數據，此時評委同學很難判斷舉手的先后順序。②教師在交換機上人為設置環路，模擬計算機數量增多情況，再請學生打開“網絡”，將服務器“Server”上的共享文件“測試”拷貝到D盤，并與“環節一”中的傳輸速度進行比較。

設計意圖：類比二——廣播風暴。在一個房間里，多人同時爭搶使用同一個話筒，獲得發言權利，容易造成擁堵。隨著人數的增多，同時要處理、發送的信息就越多，有序交流就會越發困難，一條信息可能需要重復發送多次才能到達對方，甚至會丟失。

2.避免廣播風暴的方法——劃分虛擬局域網（VLAN）（5分鐘）

師：虛擬局域網的主要思想是，將所有計算機設備按照地域或需求劃分為若干組，每個小組都是1個虛擬局域網（VLAN），一個傳統局域網可劃分為多個VLAN，一個VLAN中的廣播信息只能被該VLAN中的站點接收，VLAN之間的相互通信必通過網絡層協議實現，不能直接相互通信。

學生活動：假設A、B、C、D是四個不同的VLAN，現在A1、B1、C1、D1四位同學將自己的數據包送到目的地，分別是A8、B8、C8、D8。方法：四位1號同學拿著自己的“數據包”，從本組通道中走，并念出目標地址。同組其他同學認真聽所念出的目標地址，若目標地址與自己的號卡相同，則亮出自己的號卡，并抄寫數據，接收“數據包”。

設計意圖：類比三——VLAN。因VLAN分割了廣播域，A、B、C、D各組成員的廣播只能被本組聽到，因此本模擬過程中四位同學可以同時傳輸數據。VLAN之間的通信要用到第三層協議，即IP協議，IP地址將是VLAN中的主角，也是下次課的重點，本環節重在為下節課“IP地址”做鋪墊。

● 課堂小結（2分鐘）

（1）MAC地址是計算機的身份標識。（2）當網絡中有數據傳輸時，所有機器都能檢測到，這種機制稱為廣播。（3）網絡通信的工作原理：先聽后發，邊發邊聽，沖突停發，隨機延遲后重發。

● 總結反思

本節課通過大量的學生活動，將學生從枯燥的理論知識中解脫出來，取而代之的是貼近生活的實例，將學生帶入到網絡環境中，使其化身為局域網中的一臺“電腦”，在實踐中理解網絡通信的基本原理。循序漸進的知識引導，使整堂課的知識點散而不亂，順利完成教學目標。

為了達到更好的教學效果，除了在課中使用學習卡片之外，還在最后提供了一些練習題，以便進行學習效果評價。

（本案例由山東省濟南市教研室周燕提供指導）