高職計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)研究論文(2)
高職計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)研究論文
高職計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)研究論文篇二
《計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中網(wǎng)絡(luò)仿真輔助教學(xué)方法的探討》
摘要：針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容枯燥乏味，抽象難懂，實驗受限等特點，文章探討使用NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具進(jìn)行輔助教學(xué)的方法，根據(jù)教學(xué)過程中的不同階段，面向不同能力、不同興趣的學(xué)生實施階梯式教學(xué)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深他們對課程內(nèi)容的理解，增強他們的創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)仿真;NS-2
隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已經(jīng)成為計算機應(yīng)用中的一個重要領(lǐng)域。為了培養(yǎng)計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用人才，各大高校都開設(shè)了計算機網(wǎng)絡(luò)課程，針對不同層次的學(xué)生，介紹計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和計算機網(wǎng)絡(luò)各個層次的協(xié)議及其工作原理，以及一些專題內(nèi)容，如網(wǎng)絡(luò)安全，計算機網(wǎng)絡(luò)的最新進(jìn)展等。然而，由于計算機網(wǎng)絡(luò)課程的理論性、抽象性、實踐性和應(yīng)用性都比較強，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，課堂教學(xué)仍以教師講授理論為主，在實驗環(huán)節(jié)只安排少量的簡單的配置和驗證性實驗，因此大多數(shù)學(xué)生感覺該課程比較抽象空洞，難以理解和掌握，很難在日后工作中學(xué)以致用[1]。本文結(jié)合多年網(wǎng)絡(luò)研究的經(jīng)驗，探討了如何在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中使用加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2(Network Simulator,Version 2)，構(gòu)建虛擬的仿真教學(xué)環(huán)境進(jìn)行輔助教學(xué)，從而增進(jìn)學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)體系和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解、提高他們的實踐能力、設(shè)計能力和研究能力。
1NS-2仿真器的特點和功能
計算機網(wǎng)絡(luò)是一個大型復(fù)雜系統(tǒng)，如果采用建立實驗床的方法對其進(jìn)行演示、分析和研究的成本比較高，主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模難以做大，靈活性受限，較難進(jìn)行重新組網(wǎng)以及實驗資源的共享，網(wǎng)絡(luò)中多種通信流量以及多種拓?fù)涞娜诤虾茈y實現(xiàn)。另外，在教學(xué)過程中，實驗的準(zhǔn)備工作比較復(fù)雜，時間花費比較多。目前，在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究過程中，通常采用網(wǎng)絡(luò)仿
真的手段來進(jìn)行新協(xié)議的設(shè)計與驗證。NS-2是一個面向?qū)ο蟮幕陔x散事件驅(qū)動的開源網(wǎng)絡(luò)仿真工具，功能強大、配置方便、擴(kuò)展性好，既可以利用已有的模塊對各類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行模擬分析，也可以利用它所提供的用戶接口，將自己開發(fā)的模塊集成進(jìn)去，從而實現(xiàn)對已有協(xié)議的改進(jìn)與新協(xié)議的開發(fā)測試，因而它成為了目前通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最流行的網(wǎng)絡(luò)仿真工具之一[2]。
NS-2具備豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組件和強大的功能模塊，可以模擬大部分的網(wǎng)絡(luò)場景，能夠仿真有線網(wǎng)和無線網(wǎng)(包括衛(wèi)星網(wǎng)、AD hoc網(wǎng)絡(luò))、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，可以模擬各個層次的協(xié)議。它的主要功能如下：
1) 網(wǎng)絡(luò)場景的快速生成?？梢岳酶鞣N開源工具(如nsBench、NSG、setdest、cbrgen)自動產(chǎn)生仿真腳本，實現(xiàn)不同類型及規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)場景的快速生成。
2) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和鏈路的配置?？梢允謩泳帉懛抡婺_本文件配置各種類型的網(wǎng)絡(luò)。比如對各節(jié)點的能量、節(jié)點上的協(xié)議代理、業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器和接收器的設(shè)置;對各鏈路上的帶寬、延遲的設(shè)置，對隊列管理機制的選擇和設(shè)置，如：Droptail，RED，CBQ，以及各種公平隊列(FQ、SFQ、DRR)等。
3) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇與配置。NS-2中通過代理實現(xiàn)了鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如鏈路層的802.1、802.3協(xié)議;網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議，其中包括分層路由、廣播路由、多播路由、靜態(tài)路由、動態(tài)路由等協(xié)議;傳輸層的TCP和UDP協(xié)議等。
4) 各種類型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的模擬?？梢酝ㄟ^控制分組的大小和發(fā)送速率來模擬真實網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，如鏈路層的802.1、802.3協(xié)議，F(xiàn)TP、Telnet等。
5) 仿真過程的動態(tài)顯示。使用NS-2提供的動畫演示程序NAM，可以動態(tài)地演示各種網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議的行為過程。
6) 可以根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行協(xié)議的性能分析。在仿真程序運行過程中，每個分組的到達(dá)、離開鏈路或隊列，甚至分組被丟棄等信息，都會被詳細(xì)地記錄在Trace文件中，可以利用gawk提取、分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以使用NS-2提供的Xgraph軟件、或者交互式畫圖軟件gnuplot等形象地展現(xiàn)出來。
2使用NS-2輔助完成階梯式教學(xué)
雖然NS-2所提供的強大功能可以滿足計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)需求，但是在教學(xué)應(yīng)用的過程中還存在一些問題。首先，由于NS-2是開源軟件，版本不斷更新，導(dǎo)致它的安裝過程比較復(fù)雜，有時不容易安裝成功，這很容易引發(fā)學(xué)生的畏難情緒。其次，NS-2提供了龐大的源代碼，包含龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系，學(xué)生很難在短時間內(nèi)理解透徹。第三，NS-2采用C++語言和OTcl語言(MIT開發(fā)的面向?qū)ο蟮腡cl腳本語言)共同編寫，仿真過程的設(shè)計雖然只需用OTcl語言編寫腳本，但學(xué)生也很難熟練掌握。鑒于以上問題，我們針對學(xué)生學(xué)習(xí)的不同階段和不同的學(xué)習(xí)能力，設(shè)計了階梯式的NS-2輔助教學(xué)方法，在教學(xué)的過程中，因材施教，層層遞進(jìn)[3]。在課堂教學(xué)中，利用仿真運行過程的動畫演示，幫助學(xué)生掌握知識難點，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實驗教學(xué)中，事先設(shè)計好仿真腳本程序，并在實驗指導(dǎo)手冊中詳細(xì)給出實驗步驟，盡量減少學(xué)生編寫代碼的負(fù)擔(dān)，降低他們的畏難情緒，從而使他們能夠?qū)⒕性诜抡娼Y(jié)果的分析和網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)上來。在課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計階段，可以對學(xué)習(xí)能力強、對網(wǎng)絡(luò)研究比較感興趣的同學(xué)布置協(xié)議分析與設(shè)計類型的題目，為進(jìn)一步從事網(wǎng)絡(luò)方向的學(xué)習(xí)、研究與工作打好基礎(chǔ)。
2.1課堂教學(xué)
計算機網(wǎng)絡(luò)課程中概念很多，網(wǎng)絡(luò)體系機構(gòu)與各層的協(xié)議的工作原理是學(xué)生普遍反映不容易掌握的難點。對于這些原理性問題，有時即使通過豐富的多媒體課件演示，學(xué)生依然覺得空洞，只知其然不知其所以然。比如在講授以太網(wǎng)的載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測(CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)技術(shù)時，雖然通過講解和多媒體演示，學(xué)生能夠理解沖突檢測和退避策略，但是這種技術(shù)的采用究竟對整個局域網(wǎng)的性能(如：數(shù)據(jù)延遲、吞吐量)有何影響，他們很難有體會。此時，如果能夠使用NS做一下實際網(wǎng)絡(luò)的模擬，既形象生動，又可以進(jìn)一步加深學(xué)生對知識的理解，提高他們的分析能力。圖1展示了以太網(wǎng)上的資源共享和競爭機制。演示完后，教師還可以通過分析仿真過程生成的Trace文件使學(xué)生進(jìn)一步理解數(shù)據(jù)發(fā)送時的信道監(jiān)聽與等待，如圖2所示，當(dāng)數(shù)據(jù)包當(dāng)前狀態(tài)被標(biāo)記成“h”時，表示該節(jié)點在等待信道空閑以便發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)多個數(shù)據(jù)源同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，可能會造成數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，此時需要采用避讓策略，可以利用Trace文件中記錄的信息對某一時期網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行計算，當(dāng)數(shù)據(jù)源增多時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并非線性增長，這就說明了信道競爭會對以太網(wǎng)的吞吐量造成一定的影響。
再比如，NS中提供了的各種改進(jìn)的TCP版本的協(xié)議，囊括了TCP的慢啟動、擁塞避免以及快速重傳和快速恢復(fù)機制。在課堂上，可以通過NAM觀看數(shù)據(jù)報文和ACK報文的發(fā)送過程，如圖3所示，學(xué)生可以觀察動畫窗口，同時也可以通過監(jiān)視窗口了解當(dāng)前數(shù)據(jù)報文和ACK報文的序號，窗口的大小以及隊列的長度等信息。教師還可以分析仿真結(jié)果，以圖表的方式對不同版本的協(xié)議進(jìn)行比較，加強學(xué)生對協(xié)議工作原理的理解。如圖4所示，當(dāng)TCP采用慢啟動機制時，滑動窗口的大小是指數(shù)增加的，而如果沒有采用慢啟動機制，窗口則是固定大小，這樣很快就會發(fā)生擁塞，使滑動窗口大小重置，數(shù)據(jù)包被丟棄。
2.2實驗教學(xué)
實驗教學(xué)是課堂教學(xué)的有力補充，計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗內(nèi)容可以分為以下幾類，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)操作的基本認(rèn)知，網(wǎng)線制作、局域網(wǎng)的組建，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的配置，路由協(xié)議的配置以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計等[4]，這些實驗都受實驗室條件的限制，因此在實驗安排上可以適當(dāng)設(shè)計一些仿真實驗，既可以解決實驗室資源等問題，也使學(xué)生對課堂教學(xué)中的理論知識有更真切的感受。
實驗教學(xué)可以從以下幾個方面展開：實驗的準(zhǔn)備，實驗內(nèi)容安排，實驗過程，實驗結(jié)果分析與實驗報告?？紤]到NS的復(fù)雜性以及學(xué)生個體的差異，教師需要對每個實驗進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，將本次實驗所涉及到的NS模塊、相關(guān)協(xié)議的參數(shù)以及實驗內(nèi)容和操作步驟都寫入實驗指導(dǎo)書，根據(jù)學(xué)生的情況，還可以指導(dǎo)他們在自己的機器中安裝NS，這樣便可以進(jìn)行課外實驗。在實驗內(nèi)容的安排上，可以指導(dǎo)學(xué)生通過NS搭建網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，直觀地了解各協(xié)議的行為，掌握它們的工作原理，還可以指導(dǎo)學(xué)生修改協(xié)議參數(shù)了解各種因素對網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。比如，在講完網(wǎng)絡(luò)互連這一章時，可以安排學(xué)生在NS 環(huán)境中搭建一個網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)了解各種路由協(xié)議的工作原理，還可以指導(dǎo)學(xué)生對不同路由協(xié)議的各項性能指標(biāo)進(jìn)行對比。再比如：設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)，請同學(xué)對比一下FTP流和CBR流的傳輸特性，深入理解面向連接的應(yīng)用和無連接應(yīng)用的區(qū)別。另外，也可以把課堂演示的實驗請同學(xué)重做一遍。在實驗課上，可以進(jìn)行分組實驗，任命接受能力強的同學(xué)為組長，參考實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容，帶領(lǐng)本組同學(xué)順利完成實驗。對有條件的同學(xué)，還可以組織他們進(jìn)行課外實驗。每次實驗結(jié)束后，要求學(xué)生分組進(jìn)行實驗結(jié)果的分析和討論，并完成實驗報告。
總之，NS仿真實驗作為其他類型實驗的補充，可以鞏固學(xué)生對課堂知識原理的理解，激發(fā)他們探索網(wǎng)絡(luò)世界的興趣。
2.3課程設(shè)計
計算機網(wǎng)絡(luò)課程的課程設(shè)計內(nèi)容大都側(cè)重于計算機網(wǎng)絡(luò)的工程應(yīng)用，通常安排學(xué)生進(jìn)行某校園網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，然而，對學(xué)生完成的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，很難做出客觀全面的評價。我們認(rèn)為，對于一些基礎(chǔ)比較好，熱衷于網(wǎng)絡(luò)研究的同學(xué)，可以建議他們利用NS來規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)。
課程設(shè)計的時間一般安排為1～2周，分為以下幾個階段進(jìn)行：選題、方案設(shè)計、方案實施、總結(jié)與答辯。課程設(shè)計題目可以分為兩大類，一類題目由教師設(shè)計好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，請同學(xué)們修改參數(shù)，并學(xué)會分析仿真結(jié)果，做出網(wǎng)絡(luò)或協(xié)議特性或性能的總結(jié)，另一類可以請同學(xué)們自己設(shè)計網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并在此環(huán)境之上做些探索性的實驗，比如，要求學(xué)生設(shè)計一個規(guī)模比較大的廣域網(wǎng)，采用分層路由，并為不同的網(wǎng)絡(luò)域設(shè)置不同的路由算法，考察一下網(wǎng)絡(luò)中各協(xié)議的行為與性能。學(xué)生可根據(jù)自己的能力與興趣選取合適的題目。在方案設(shè)計階段，要求學(xué)生繪制好網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，設(shè)計好實驗網(wǎng)絡(luò)場景，配置好合理的實驗參數(shù)，并提出預(yù)想的實驗結(jié)果。教師須對學(xué)生的設(shè)計方案進(jìn)行審核，提出修改建議。在實施階段，學(xué)生需要充分運用隨機過程和統(tǒng)計學(xué)原理，每類實驗都需要進(jìn)行多次，以保證實驗結(jié)果的可信度。在實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果上，要求同學(xué)以圖表的形式進(jìn)行對比分析，并參加課程設(shè)計的答辯。
課程設(shè)計環(huán)節(jié)在實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強化了學(xué)生的分析問題、解決問題以及動手實踐的能力。
2.4畢業(yè)設(shè)計
到了畢業(yè)設(shè)計階段，可以設(shè)計一些研究性的題目，引導(dǎo)準(zhǔn)備從事計算機網(wǎng)絡(luò)研究的同學(xué)參加教師的科研項目，拓展他們的網(wǎng)絡(luò)視野，提高他們的操作能力和創(chuàng)新能力。畢業(yè)設(shè)計的時間通常有2～3月，可以分為以下幾個部分進(jìn)行：選題、文獻(xiàn)閱讀、NS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建、協(xié)議的設(shè)計、協(xié)議的分析與比較，論文撰寫與答辯。在畢業(yè)設(shè)計論文的選題階段，教師一定要根據(jù)學(xué)生的實際能力與興趣點來推薦題目，可以請學(xué)生就NS的某一模塊深入了解，或者對某個不熟悉的網(wǎng)絡(luò)深入了解研究，協(xié)同老師完成協(xié)議或算法的改進(jìn)。題目定好后，教師要向?qū)W生下達(dá)明確詳細(xì)的任務(wù)書，并幫助學(xué)生制定好進(jìn)度表。然后，通過文獻(xiàn)閱讀使學(xué)生熟悉網(wǎng)絡(luò)特點或協(xié)議以及相應(yīng)的NS模塊，并完成NS平臺的搭建，熟練掌握NS2的組網(wǎng)方法。接下來，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新協(xié)議的設(shè)計或仿真場景的設(shè)計，并通過統(tǒng)計方法對仿真結(jié)果進(jìn)行性能分析，完成
畢業(yè)論文的撰寫和答辯任務(wù)。
通過畢業(yè)設(shè)計，不僅訓(xùn)練了學(xué)生掌握了大型應(yīng)用程序的架構(gòu)，培養(yǎng)了團(tuán)隊合作的開發(fā)精神，同時也提高了他們研究能力以及面向?qū)ο缶幊痰哪芰ΑＮ覀冊?jīng)指導(dǎo)畢業(yè)生完成“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中以數(shù)據(jù)為中心的路由算法”以及“ad hoc網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的分析與比較”等論文，都取得了良好的成績，這也證實，部分畢業(yè)班學(xué)生確實有能力完成一些研究性的工作。
3結(jié)語
如何快捷真實的重現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)場景，形象生動的展示網(wǎng)絡(luò)行為，使課堂教學(xué)活躍、實驗任務(wù)多樣，課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計能調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，是計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中值得大家探討的問題。NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器以其開放的接口、強大的功能深受網(wǎng)絡(luò)科研人員的喜愛，同時，它也提供了很多的教學(xué)案例以及教學(xué)演示工具，因此也可以作為一個輔助工具，與其他教學(xué)方法相結(jié)合，很方便得應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)課程不同階段的教學(xué)中，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式下產(chǎn)生的以上問題。使用NS輔助教學(xué)雖然優(yōu)化了教學(xué)過程、提高了學(xué)習(xí)效率，但是也給教師提出了新的挑戰(zhàn)，要求教師不僅要熟悉NS的開發(fā)體系，同時要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇制定合適的教學(xué)案例，只要教師要能夠揚長避短、循序漸進(jìn)、因材施教，就能使NS在教學(xué)中發(fā)揮最大的作用。
注：南京師范大學(xué)計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)團(tuán)隊資助項目。
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