《基本交換技術》教學設計

魏鵬

[摘 要] 交換技術是現代通信網絡中將通信雙方終端連接起來的關鍵技術。本文以“交換技術”一節的內容為例，探究發現式教學法在《現代通信網》課程中的應用。在方法論述中，以發現和解決問題為主線，提疑導思，引導學生理解基本交換技術的主要原理，提高學生利用現代通信網技術解決實際問題能力。

[關鍵詞] 交換技術;教學設計;學習興趣

[基金項目] 天津市高等學校基本科研業務費資助項目“基于N連續的旁瓣抑制技術在多載波系統中的研究”（2018KJ211）

[作者簡介] 魏 鵬（1986—），男，山東人，博士，天津工業大學電子與信息工程學院講師，研究方向為多載波傳輸技術。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0329-02? ? [收稿日期] 2019-10-16

一、課程簡介

《現代通信網》是電子信息科學與技術和電子科學與技術的專業必修課。通過對現代通信網的學習，使學生能夠掌握現代通信網絡的基本原理、基本構成、相應的實現算法和技術，了解現代通信網絡的發展狀況和未來通信網絡發展的趨勢。了解并掌握通信協議和路由選擇協議，熟悉網絡內部業務分析的方法。熟悉和掌握電話通信網和數據通信網這兩個典型現代通信網絡系統的基本原理及有關知識，并以此為基礎，適當增加對當前新技術的介紹，使得學生能夠為未來更深入的網絡學習打下基礎。

二、教學目的

（一）知識目標：掌握電路交換、報文交換和分組交換這三種交換技術的基本原理;區分三種交換技術;理解交換技術的應用場景;掌握分組交換中虛電路和數據報兩種方式的基本思想。

（二）能力目標：能夠運用交換技術解決實際問題，培養學生分析和解決網絡交換問題的能力。

（三）情感目標：體會交換技術用于網絡連接的技巧，提高學生利用網絡交換技術解決實際問題的興趣，激發學生的求知欲。

三、教學內容與教學設計

（一）創設場景，提出問題，激發學生學習新知識的興趣。交換技術在現代通信網中起到了橋梁性的作用，有著廣泛的應用場景。下面以一個經典實例來引入交換技術。在沒有引入交換技術的網絡中，為了保證網絡中的所有節點直接通信，需要每對節點間都有直連的鏈路，這種網絡結構稱為網狀網。假設網絡中一共有N個節點，那么網狀網所需線路數量為N（N-1）/2。當網絡中節點數增加時，所需鋪設線路的數量按照N2急劇增加，增加了網絡成本，導致網絡資源浪費嚴重，而且會使得網絡變得更加復雜。如何降低網絡線路鋪設的成本？同時保證網絡的服務質量？提出問題，以提疑導思，啟發學生思考，激發學生的學習興趣。為了解決這個問題，首先從網絡的拓撲結構入手，將網狀網的形式變換成星型網，將網絡所需鋪設的線路數量降為N，那么在這種情況下，交換設備在網絡拓撲結構中處于什么位置？起到的作用又是什么？進一步提出問題，激發學生的思考。交換設備處于網絡拓撲結構的中間位置，與所有節點相連，主要作用是連接所有網絡節點同時保證了節點間能夠相互通信。那么交換設備采用了什么技術來保證高效通信呢？由此，引出三種基本交換技術的概念。

（二）由易到難，分類探究交換技術的概念。交換的含義可從兩方面來理解：1.從物理連接的角度看，交換也稱為“轉接”，即把一條電話線轉接到另一條電話線，使兩條線路聯通起來。2.從通信資源的分配角度看，交換就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。按處理信號的方式交換技術分為電路交換、報文交換和分組交換三種方式：電路交換是在通信網中在任意兩個或多個用戶終端之間建立電路臨時連接的交換方式，臨時連接獨占一條電話通路并保持到連接釋放為止;報文交換也稱電文交換或文電交換，報文就是用戶擬發送的完整數據，在報文交換中，信息以報文為單位進行“存儲—轉發”式的交換;分組交換在形式上仍采用報文交換的“存儲—轉發”技術，但信息傳輸不以整個報文為交換單位，而是將一份長報文分解成若干等長的“段”，每一段報文加上一個首部，該首部包含交換時所需要的呼叫信息、尋址信息等控制信息，形成一個規定格式的交換單元。這個規定格式的交換單元通常稱為“報文分組”，簡稱“分組”或數據包。

（三）深入探索，分類探究交換技術的工作原理。為了便于學生理解工作原理，依據電路交換、報文交換和分組交換間依次改進的關系，結合點對點連接的示意圖，首先闡明電路交換的原理。

電路交換經歷三個階段：建立連接、通信和釋放鏈接。因為電路交換需要首先建立連接，所以其屬于電路資源預分配系統。在建立連接后，電路資源預分配給一對用戶使用，不管電路是否空閑，電路一直被占用著，直到通信雙方有一方要求釋放連接為止。然而，在電路交換中電路的接續時間較長，電路利用率低，不適用于電報、資料、文獻檢索等數據信息的傳輸。為了克服電路交換在這一應用場景下的缺點，引出報文交換。

報文交換的工作原理基于“存儲—轉發”。報文到達某一節點先把信息存儲下來，然后根據報文中的目的地址，在網絡中尋找下一跳的端口，將要發送的報文送到輸出電路隊列中去排隊等候，依次將信息發送給另一個節點，重復上述過程直至到達目的地，從而形成源節點到目的節點的信息通路。但是，長的報文交換容易導致網絡時延變長，時延變化的情況更加復雜，不利于交互型實時業務，另外，增加了對設備的要求，尤其是對長報文的存儲提出了更高的指標。

分組交換技術綜合利用了電路交換和報文交換的優點，保證了高效快速的通信需求，解決了報文交換的痛點。在分組交換中，根據控制和管理通過交換網的“分組”流不同，分組交換分為：數據報方式和虛電路方式。1.數據報方式：每個分組作為一個獨立的信息實體，自帶尋址信息，在節點交換機中以盡快傳送出去為目的，通過尋址傳給下一個節點，不需要接收端的響應。2.虛電路方式：首先，在源與目的主機間建立一條邏輯連接，即虛電路（不是一條物理電路，而是表明兩個通信主機之間雙向透明的完整的數據流路徑）。然后，分組沿已建立的虛電路交換源與目的主機間的數據。最后，信息交互完成，通信結束斷開連接。從現象上看，虛電路方式于電路交換相同，都經過了建立連接、通信和釋放鏈接三個階段，但本質上，虛電路上傳輸的數據在經過所有節點交換機時仍然需要進行“存儲—轉發”的操作，它只是邏輯上與電路交換相同，物理上是不同的。

（四）三種交換技術比較。為了更直觀的比較電路交換、報文交換和分組交換的優缺點，便于學生在實際場景分析時能夠快速獲得關鍵信息，本文從信道占用、通路使用、通路維持、數據傳輸基本單元、初始建立過程、存儲、節點時延、數據速率適用性、對過載的反應、線路利用率、帶寬分配辦法、額外開銷、計費方式等方面綜合比較各交換技術的特性。因報文交換與分組交換原理類似，下面綜合比較電路和分組交換。

電路交換：提供一次無間斷信道，物理占用信道;獨占通路;要求通路維持占據從建立到釋放的整個通信過程;數據傳輸基本單元是報文;有初始建立過程;不需要存儲報文;無節點時延;具有單一、恒定、就低的數據速率適用性;對過載的反應表現為呼損（當一方用戶忙碌或網絡負載過重時，呼叫用戶的電話機出現呼叫不通的現象）;線路利用率低;采用靜態的帶寬分配辦法;網絡沒有額外開銷;計費方式按時長。

分組交換：不獨占物理信道，而是占用邏輯信道;共享物理通路;在整個通信過程中不需要維持通路;數據傳輸的基本單元是分組;數據通信前，不需要初始建立過程;節點交換機需要存儲;具有處理時延;不同路徑具有不同的數據速率;對過載的反應表現為網絡時延增加;線路利用率高;動態的帶寬分配方法;網絡需要額外開銷;按流量方式進行計費。

綜合來看，電路交換因其低時延和透明傳輸的特性，使得其在封閉的網絡場景中仍然具有廣泛的應用。而在開放共享的網絡中，需要高效的分組交換技術來實現數據通信。

四、小結

本文以“交換技術”一節內容為例，探究發現式教學法、類比學習法在《現代通信網》課程中的應用。利用問題互動環節，提高學生分析網絡場景的能力，以提疑導思激發學生的探索欲望，引導學生用所學的知識進行分析，經過課堂討論，得到有效的結論，從而提高學生利用現代通信網技術解決實際網絡問題的綜合素質。

參考文獻

[1]黃淑華.“計算機網絡”課程考試改革與實踐[J].考試周刊，2016（99）：1-2.

[2]李雅麗，王靜燕，李永江.《現代交換技術》課程教學研究與實踐[J].數碼世界，2015（12）：66-67.