“計算機網絡”課程教學的中間輻射法

摘 要：本文從“計算機網絡”課程知識體系和教學實踐兩個層面，對目前世界范圍內“計算機網絡”課程的自底向上法和自頂向下法進行了重新研究和論證，發現了該兩種方法都存在未能突顯或引導該課程核心內容學習的缺陷。在此基礎上提出了“計算機網絡”課程教學的中間輻射法，以提高學生持久的自主學習能力，并從課程知識點及權重分布角度論證了該方法的科學性和合理性，并提供了一套完整的教學參考方案。

關鍵詞：“計算機網絡”課程教學；中間輻射法；網絡層；協議棧

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 20-0047-03

1引言

計算機網絡是一門理論性和應用性很強的課程，其內容涉及許多錯綜復雜且彼此交織的概念、協議和技術，為處理這種大跨度和復雜性，該課程的教學都圍繞其體系結構的“層次”來組織教學內容。借助于這種分層的組織結構，學生們能夠透過計算機網絡的復雜性看到其內部，在學習整個體系結構某個部分中獨特概念和協議的同時，也可看清所有這些部分(如何)整合在一起的全貌。從教學法的角度講，這種分層的教學方法的確是非常必要和有效。

自底向上法(Bottom-up Approach)[1]和自頂向下法(Top-down Approach)[2]是目前國內外計算機網絡課程教學中普遍采用的方法，但兩者存在著一個共同的缺陷，即未能突顯或引導計算機網絡知識體系核心知識的學習；尋求一種新的方法來彌補這一缺陷，更好的把握知識點的權重分布，以核心知識帶動周邊內容是計算機網絡課程教學研究的重要課題。令人遺憾的是教師們視[1][2]方法為天經地義，致使該兩種方法的問題一直被掩。本課題組在對計算機網絡知識體系結構反復深入研究及大量教學實踐總結的基礎上提出了計算機網絡課程的中間輻射法，以求計算機網絡課程更趨科學合理的教學方法。

2相關工作

多年來，世界各國高校的計算機網絡課程教學一直采用自底向上法。該方法曾為廣大學生和計算機網絡愛好者了解和掌握計算機網絡知識與技能發揮了重要的作用。近年來，美國的兩位著名計算機網絡專家和教育家James F. Kurose和Keith W. Ross提出了一種全新的計算機網絡教學方法，即自頂向下法，該方法和自底向上法的學習路線完全相反，實現了對傳統的自底向上法的重大改革，該方法一經推出，各國計算機網絡教育界紛紛采納。該教學方法改革的技術背景和動機是網絡領域中最大的“增長領域”網絡服務和應用程序。Web的出現、電子郵件的廣泛使用、音頻和視頻流、因特網電話、即時消息、對等應用程序和在線商務都證明了這一點。國內東北大學的學者們也曾就計算機網絡課程教學提出了一系列的學術觀點[3~5］，但都未形成與自底向上法和自頂向下法相當并相對獨立的教學方法，本文提出的中間輻射法經幾年教學實踐證明實現了這一目標。

3自底向上法和自頂向下法的局限性

自底向上法和自頂向下法都有其特定的社會和技術背景，這導致兩種方法存在固有的局限性，即都未能突顯計算機網絡核心知識的學習。

3.1自底向上法的局限性

自底向上法是計算機網絡教學的傳統方法，該方法的特點是從協議棧的底部即物理層開始教學，逐層向上直到協議棧頂部的應用層，該方法產生的技術背景是各種通信技術的突起與迅猛發展。

眾所周知，計算機網絡的主要功能主要是實現資源尤其是數據共享，早期的數據類型主要是文本，計算機網絡的應用也僅限定為FTP、TELNET和E-mail。因當時計算機網絡所依賴的底層通信網絡的傳輸質量較差即誤碼率較高、帶寬小且延遲大，故改善底層通信網絡的傳輸質量成為提高計算機網絡性能的焦點，FDDI、X.25、ISDN、B-ISDN、CATV和ATM等各種數字通信技術便應運而生，各種新通信技術成為計算機網絡知識的學習重點一定程度順應了當時的技術發展進程，因這些技術都歸屬于計算機網絡體系結構的底兩層即物理層和數據鏈路層，故自底向上法對學習計算機網絡知識起到了積極的作用，但另一方面卻一定程度地偏離了計算機網絡的核心內容即網絡層。

3.2自頂向下法的局限性

計算機網絡教學的自頂向下法是與自底向上法學習路線完全相反的一種新型教學方法，該方法的特點是從協議棧的頂部即應用層開始教學，逐層向下直到底部的物理層，該方法產生的技術背景是各種新型網絡應用的大量涌現。

隨著計算機網絡底層通信技術的成熟，即誤碼率的大幅度降低、網絡帶寬的大幅度提高和傳輸延遲的降低，使大規模數據的實時傳輸如實時流媒體傳輸成為可能，各種新型的網絡服務如音頻和視頻流、因特網電話、即時消息、對等應用程序和在線商務等得到應用，這些新的網絡應用是原有的應用層協議的改造或增加的結果。與同自底向上法類似，自頂向下法也滿足了人們對計算機網絡關注的熱點，對從完全相反角度認識或學習計算機網絡起到了一定的積極作用，但同樣也一定程度地偏離了計算機網絡的核心內容即網絡層。

經以上分析可知，兩種方法表面大相徑庭，實質上卻同出一轍，即都未擺正計算機網絡核心知識的地位。

4中間輻射法

中間輻射法的初衷是彌補自底向上法和自頂向下法固有的缺陷，強調計算機網絡核心知識的學習，實現以核心帶動非核心，在相對穩定的核心知識基礎上，實現自主學習，自發且自然地疊加新的網絡知識，從而進一步提高學生在未來計算機網絡工程實踐和科學研究中所應具有的持久學習新的網絡知識、分析解決各種新的網絡問題之能力。

4.1中間輻射法的特性

中間輻射法指從協議棧的中間層即網絡層(及其各種協議尤其是IP協議和路由協議)的教學啟動整個計算機網絡的教學，以網絡層為核心逐層向上和向下輻射整個協議棧，即直到頂部的應用層和底部的物理層，該方法相當程度地強調網絡層協議學習以帶動其它各層協議學習，使學生抓住計算機網絡的知識核心，以核心主動并自發地帶動現有及未來的非核心知識的學習。

4.2中間輻射法的理論依據

計算機網絡的主要剖析對象是Internet，而Internet的核心或關鍵技術是解決IP數據報如何從用戶發送端到接受端，IP數據報的尋址范圍是Internet范圍內的任何一用戶，為實現Internet的這一核心目的，網絡層協議尤其是IP協議和路由協議是其重要的保障技術。

圖1是Internet的體系結構，該體系結構清楚地顯示了網絡層在計算機網絡體系結構中所處的核心地位。即對下層，網絡層的IP協議屏蔽了底層異構網絡(如現有或未來的各種局域網和廣域網)的差異，在全球范圍內造就了同一的數據交互通信平臺即IP平臺；對上層，網絡層的IP協議以統一的IP數據報承載了任何種類高層協議的數據，IP數據報通過網絡層的(域內或域間)路由協議(如OSPF、BGP)在全球范圍內統一的IP平臺上完成IP數據報高效(即最佳尋徑)、合理(即流量合理分布)的轉發和(直接或間接)交付，實現用戶間的通信。所以網絡層是計算機網絡(即Internet)知識體系中的核心內容，同時網絡層并非孤立存在，以對下“調用”，對上“服務”的方式和其上下層協議有機的構成協議棧功能的全部。

經上述分析網絡層在協議棧中的核心地位昭然，網絡層為知識核心是計算機網絡知識體系的自然屬性。

4.3中間輻射法的教學路線

圖2是中間輻射法的教學路線，由三個教學階段組成。

階段1：網絡層的學習

首先，用類比建立IP協議和路由協議的初步認識。

用熟知的公路橋運輸系統和計算機網絡系統進行類比。

如圖3所示， 是網絡層和網絡接口層的關系， 是橋面和橋墩的關系，LRA1 是 和 的類比。 是網絡層與傳輸層和應用層的關系， 是橋面和貨車與貨物的關系，LRA2是 和 的類比。

通過圖3所示類比可使學生認識到網絡層和其它層的依賴關系，網絡層是計算機網絡知識體系中的核心知識。

其次，用IP數據報的組成結構與上下層協議PDU的依賴關系從知識本身確立網絡層的核心地位。

如圖4所示IP數據報以“分用”的方式輻射同層和上層各種協議PDU，以底層各種幀數據的形式輻射底層各種幀。

階段2：網絡接口層即數據鏈路層和物理層的學習

以網絡層為核心可向下自然輻射數據鏈路層和物理層的學習。

限于篇幅，這里僅強調本階段學習要把握網絡層“屏蔽”底層異構網絡的要旨。

階段3：傳輸層和應用層的學習

以網絡層為核心亦可向上自然輻射傳輸層和應用層的教學。

同樣因篇幅所限，這里僅強調本階段學習要把握網絡層“統一”服務于高層協議的特點。

5結束語

開展對計算機網絡課程教學方法研究和教學應用的主要目的是尋找一種能幫助學生抓住計算機網絡知識結構中核心知識的教學方法，以求以穩定(即成熟)的核心知識主動或自然帶動變化的周邊知識，使學生在未來的計算機網絡工程實踐和研究中能夠實現自主學習，自然的吸收和進行創新。在對計算機網絡的自底向上法和自頂向下法理論分析和教學實踐總結的基礎上，本文提出的中間輻射法能夠實現這一目的。

參考文獻

[1] AndrewS.Tanenbaum，Vrije niversiteit，Amsterdam，The Netherlands. 計算機網絡(第3版)[M]．Pearson Education Press，2000.

[2] James F. Kurose， and Keith W. Ross.計算機網絡:自頂向下法與Internet特色[M]. 北京:機械工業出版社，2005.

[3] 劉杰民. 基于路由機制的“計算機網絡”課程教學模式研究[J]. 計算機教育，2005(增刊):132-136.

[4] 劉杰民. 計算機專業“計算機網絡”課程的彈性教學模式[J]. 計算機教育，2006，(10): 97-100.

[5] 劉杰民. 非計算機專業“計算機網絡”課程教學模式改革與研究[J]. 全國高等院校計算機基礎教育研究會2006年學術會議論文集，2006:378-382.

作者簡介: 劉杰民(1964-)，河北昌黎人，東北大學計算機應用專業博士，教授，長期從事Internet協議研究和計算機網絡課程教學，曾參與完成國家自然科學基金2項，現主持省自然科學基金和博士基金各一項，現參與國家“985”和“十一五”課題各一項。

基金項目：中國高等教育學會“十一五”教育科學研究規劃課題(06AIJ0240070)