物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)TGP/IP協(xié)議分析教學模式改革

毛文濤　王川

摘要：針對近年來物聯(lián)網(wǎng)工程新專業(yè)的教育建設問題，分析核心專業(yè)基礎課程TCP/IP協(xié)議分析的教學現(xiàn)狀，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程的技術特點和需求，從應用驅(qū)動型的啟發(fā)式教學模式、理論與工程產(chǎn)品相結合的教學方法、仿真軟件與編程實踐相結合的教學手段3個方面進行闡述，提出對TCP/IP協(xié)議分析課程進行教學模式改革的觀點。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；TCP/IP協(xié)議；教學模式；應用驅(qū)動

近年來，物聯(lián)網(wǎng)（Intemet of Things）受到國內(nèi)外工業(yè)界和教育界的重點關注。物聯(lián)網(wǎng)的概念由美國麻省理工學院于1999年提出，主要通過射頻識別（RFID）技術、無線傳感器、激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)等信息傳輸設備，按照無線傳輸協(xié)議，將物品連接到互聯(lián)網(wǎng)進行信息傳輸，從而實現(xiàn)“物物相連”的應用目標。與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同，物聯(lián)網(wǎng)更強調(diào)全面感知，即通過RFID、無線傳感器等感知體采集信息，同時通過無線網(wǎng)絡進行可靠傳輸，智能處理捕獲的信息，真正實現(xiàn)物與物的溝通。物聯(lián)網(wǎng)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信之后的新一代信息產(chǎn)業(yè)化浪潮，深刻影響著人們的生活、工作方式，目前已在智能家居、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)監(jiān)控等領域成功應用。

在教育部首批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關本科新專業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)工程相關專業(yè)建設是信息技術與社會需求發(fā)展的必然要求，同時為計算機教育和計算機應用型人才培養(yǎng)提供了新的方向。該專業(yè)旨在培養(yǎng)能系統(tǒng)掌握物聯(lián)網(wǎng)相關理論和技能，具備通信、網(wǎng)絡、傳感技術等專業(yè)知識的高級工程技術人才。截止到2012年秋，全國經(jīng)教育部批準開設物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的本科院校有135所。目前，物聯(lián)網(wǎng)工程相關專業(yè)的課程設置、培養(yǎng)模式、實驗配置、教材建設等內(nèi)容尚處于探索和完善階段，同時，物聯(lián)網(wǎng)技術領域需要的從業(yè)人員數(shù)量急劇上升。

由于在技術特點方面，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡、嵌入式軟件、傳感器技術的集成和整合，重點涉及高頻技術和通信協(xié)議棧等核心技術，對從業(yè)人員的知識儲備和實踐能力要求較高。但目前，國內(nèi)相關專業(yè)多專注于單項技術的培育，對上述多種技術的聚合存在較大欠缺，需要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術的特點，對其課程內(nèi)容進行升級和擴容。

TCP/IP協(xié)議分析是計算機網(wǎng)絡、通信相關專業(yè)的專業(yè)課，也是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程之一。作為計算機網(wǎng)絡原理的后續(xù)課程，該課程側重于講述TCP/IP協(xié)議族的基本原理和核心技術，使學生對網(wǎng)絡互連的原理有更深刻的認識。對于物聯(lián)網(wǎng)，核心技術已由傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)轉向無線網(wǎng)絡和無線通信，如zigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議和IPv6協(xié)議。因此，對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，TCP/IP協(xié)議分析不僅要講述經(jīng)典TCP/IP協(xié)議，更要側重物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的無線網(wǎng)絡協(xié)議。顯然，要對TCP/IP協(xié)議分析的教學模式進行改革，使其滿足物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)需要。

1、教學現(xiàn)狀分析

TCPflP協(xié)議分析的主體是對TCP/IP協(xié)議族中各層協(xié)議的詳細介紹，增強學生對TCP/IP協(xié)議復雜機理的直觀理解。根據(jù)作者實踐教學總結，目前該課程存在如下問題。

1.1 授課內(nèi)容偏重理論，與先期課程重疊過多

TCP/IP協(xié)議分析的核心是TCP/IP 4層模型及相關通信方式、時序等規(guī)則，一定程度上與計算機網(wǎng)絡原理課程重復，單純的理論闡述會導致學生失去興趣。此外，抽象講解各種協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)容易重復，如每個協(xié)議的組成部分幾乎一致，簡單重復很容易使學生感覺枯燥。

1.2 教學內(nèi)容單一，缺少源代碼分析

通過分析TCP/IP的源代碼，有助于觀察協(xié)議實現(xiàn)細節(jié)，深化對協(xié)議的理解，提高網(wǎng)絡編程與內(nèi)核開發(fā)技能，使學生具備根據(jù)需求修改協(xié)議棧的基本能力。然而，在實踐教學中我們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)TCP/IP協(xié)議分析教材集中于對協(xié)議的抽象分解，如采用示意圖的方式描述幀的封裝過程，在實驗教學中多采用數(shù)據(jù)包捕獲軟件分析協(xié)議的運行機理。這樣無法使學生真正理解網(wǎng)絡協(xié)議，將實際網(wǎng)絡協(xié)議的修改和應用與源碼的實現(xiàn)細節(jié)進行有效結合，造成理論與實踐應用脫節(jié)。以幀的封裝為例，Linux下數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結構為“struct sk_buff”，所謂的封裝和解封是該結構體中頭尾2個指針的移動，這個機制簡單，但充滿了技巧，如果不閱讀源代碼，理論和應用之間始終存在隔閡。對于已經(jīng)引入Linux TCP/IP協(xié)議棧源代碼的教師來說，如何有效組織上萬行的協(xié)議棧源代碼是重要問題。在教學中抽取出具有代表性的代碼段，需要根據(jù)不同學生的基礎條件反復凝練，還要兼顧學生的學習熱情，激發(fā)自主學習意識。

1.3 幾乎不涉及無線網(wǎng)絡理論的講授

現(xiàn)行教材幾乎全部以經(jīng)典IPv4為授課內(nèi)容，部分教材擴展到IPv6，對網(wǎng)絡層以下涉及甚少，基本默認以IEEE 802，3標準（以太網(wǎng)）為例闡述。而在近些年的實際應用中，無線網(wǎng)越來越成為業(yè)界的技術亮點，各種成熟的網(wǎng)絡產(chǎn)品紛紛延伸至無線網(wǎng)平臺。無線網(wǎng)標準主要以IEEE 802.11和802.15為代表，在實現(xiàn)細節(jié)以及協(xié)議規(guī)則方面與以太網(wǎng)有較大差別，為提高傳輸效率，在網(wǎng)絡層和傳輸層需要有相應的改變。通用的IP和TCP協(xié)議顯得過于冗余且針對性不強，無法應對無線網(wǎng)高容量、短延時、低速率的應用需求。這就決定了現(xiàn)有教學內(nèi)容無法直接應用于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。同時，現(xiàn)有的絕大多數(shù)實驗組網(wǎng)設備不適宜無線網(wǎng)絡架構，因此，無法提供這方面的實驗平臺。此外，無論是經(jīng)典的LinuxTCP/IP代碼分析，還是無線網(wǎng)絡協(xié)議的理論學習，均缺乏相應的操作性強的實驗指導教材，這也不利于學生的學習和理解。

2、教學模式改革

依照物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，TCP/IP協(xié)議分析課程改革遵循“應用為先導、工程為特色、實踐能力為培養(yǎng)重點”的教學理念，按照如下思路進行實踐。

2，1 應用驅(qū)動型的啟發(fā)式教學模式

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的應用特點，明確“TCP/IP協(xié)議分析”課程以應用為驅(qū)動，促進學生從應用的角度學習。教師有意識地根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)不同的技術需求，引導學生對經(jīng)典的TCP/IP協(xié)議知識進行重構，從而培養(yǎng)富有探索精神的思維模式和創(chuàng)新精神。

在具體教學中，以Linux協(xié)議棧代碼分析為主，TCP/IP協(xié)議的大多數(shù)原理在先導課程“計算機網(wǎng)絡原理”中已經(jīng)教過，所以課堂教學一半時間講述理論細節(jié)，其余時間輔以代碼分析。例如，Linux平臺下“struct sk buff”作為數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一結構體，涵蓋了經(jīng)典協(xié)議棧里的諸多選項，此時，我們除了引導學生對代碼進行分析外，還應啟發(fā)學生思考如何刪減和添加哪些選項，才能保證實現(xiàn)無線網(wǎng)絡高容量、短延時等應用要求。然后以ZigBee協(xié)議為代表，抽選出該協(xié)議下的幀結構以及相應的實現(xiàn)代碼，并以此展開ZigBee協(xié)議的若干細節(jié)，比如NPDU中載荷選項的構成、序列信息的作用以及半徑域選項的意義。通過對比學習，學生們可以輕松地過渡到物聯(lián)網(wǎng)技術氛圍。又如，Linux平臺下傳輸層的主要實現(xiàn)函數(shù)為“tcp v4 do rcv（ ）”，主要工作是遍歷后備隊列鏈表，將合適的數(shù)據(jù)包添加至完成隊列，并作校驗。教師除了帶領學生對此函數(shù)進行詳細分析外，還要指出zigBee協(xié)議中傳輸層功能很小，甚至已經(jīng)合并到網(wǎng)絡層，引導學生思考原因，以及哪些功能可以保留，哪些是冗余，并對比經(jīng)典TCP協(xié)議的滑動窗口機制，分析物聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境下應如何實現(xiàn)擁塞控制。再如，在經(jīng)典TCP/IP協(xié)議中，路由是IP層的核心功能，常用的路由協(xié)議如OSPF、RIP等多考慮廣域網(wǎng)的情況，但在物聯(lián)網(wǎng)應用中，這些協(xié)議顯然都不適合。此時我們引導學生思考，如何通過在路由選擇格式、地址轉換計算、算法的實時性、安全性等方面的調(diào)整，以指定適宜短距離無線通信的路由選擇協(xié)議。盡管一兩節(jié)課的時間不足以將改進的細節(jié)討論完善，但通過這樣的學習，使學生既達到了掌握經(jīng)典TCP/IP協(xié)議理論的目的，也明白了物聯(lián)網(wǎng)與常用網(wǎng)絡協(xié)議的異同，為課下自學以及后續(xù)課程的學習打下良好的基礎。

2.2 理論與工程產(chǎn)品相結合的教學方法

TCP/IP協(xié)議內(nèi)容龐雜，涵蓋面廣，協(xié)議細節(jié)繁瑣，根據(jù)教學實踐，如果直接照本宣科，學生容易厭倦，教學效果不好。對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學生，我們在授課時加入了大量的無線網(wǎng)絡理論，加大IPv6講授部分，這些內(nèi)容在“計算機網(wǎng)絡原理”課程中一筆帶過，實踐中學生的反響非常強烈，聽課興趣明顯增加。例如在網(wǎng)絡層的授課內(nèi)容中，我們加入了配置無線網(wǎng)網(wǎng)關的內(nèi)容，首先從實際無線路由的網(wǎng)關配置演示，擴展到zigBee無線網(wǎng)關協(xié)議轉換的實現(xiàn)，并給出了無線網(wǎng)關射頻部分（物理層）接收到數(shù)據(jù)報文后進行有效載荷等選項的格式轉換細節(jié)，直到最終交由802.3以太網(wǎng)網(wǎng)卡處理。數(shù)據(jù)最終還是返回到熟悉的以太網(wǎng)，但學生對無線網(wǎng)關的數(shù)據(jù)傳輸原理有了更深入的理解。

此外，我們在教學中增加了物聯(lián)網(wǎng)相關工具箱的應用。目前主要使用ZigBee工具箱做教學對象。由于現(xiàn)在主流ZigBee工具箱體積小、便于攜帶，且都具備在線調(diào)試功能，因此很容易在課堂進行變量觀察，對上述新添加的無線網(wǎng)的理論進行實時驗證。同時，工具箱大多配備圖形、漢字LCD顯示器和各類語音接口，便于學生直觀感受。此外，zigBee工具箱大多開放源代碼，理論授課完全可以伴隨代碼分析。理論講授、工具箱驗證、代碼分析構成了我們教學方法的“三重奏”。

2.3 仿真軟件與編程實踐相結合的教學手段

由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要配備多個傳感器、無線網(wǎng)關和終端，設備成本較高，因此可采用以仿真軟件為主的教學手段。目前我們主要采用NS2軟件，可以方便地設定各類通信環(huán)境和不同的區(qū)域網(wǎng)絡類型，構建虛擬的無線與有線耦合的通信網(wǎng)絡模型，可以觀察不同協(xié)議的運作流程。例如，我們采用NS2仿真zigBee協(xié)議體系中樹形路由的分布式地址分配方式，構造了不同類型的無線網(wǎng)絡節(jié)點接入方式，并可以得到直觀的性能分析定量數(shù)據(jù)。基礎實驗以數(shù)據(jù)包捕獲軟件為主，這類軟件有助于學生直觀地了解協(xié)議實現(xiàn)細節(jié)，不用在開始就糾纏具體的代碼。目前我們實驗主要采用的是銳捷公司的協(xié)議分析器，界面簡單直觀，所支持的協(xié)議類型全面。此外，我們推薦學生在課余學習中使用Sniffer軟件，這也是一款輕量級的捕獲軟件，便于安裝在學生電腦中。

顯然，單純的捕獲并分析數(shù)據(jù)包只能從宏觀角度理解網(wǎng)絡協(xié)議的原理，如想與物聯(lián)網(wǎng)的應用性接軌，則應在實驗教學中適當引入網(wǎng)絡編程。這里的網(wǎng)絡編程并不是指內(nèi)核（協(xié)議棧）開發(fā)，而是指從應用層編程人手模擬部分協(xié)議。由于Linux內(nèi)核編程的基礎知識要求較多，而LinuxSocket編程易學易用，因此我們在教學中引入后者作為實驗技術。例如，講完ICMP協(xié)議后，我們會在課堂上講授基于Linux c的ping程序的主干代碼，然后在實驗中根據(jù)無線網(wǎng)關和無線地址分配的機理，要求學生進行相應的修改。又如，講完TCP的ACK、RST、SYN等報文格式后，我們利用Linux c編寫端口掃描程序，并指導學生進行調(diào)試。引入Linux c網(wǎng)絡編程的直接好處是，學生不再認為TCP8P協(xié)議分析是純理論，產(chǎn)生了濃厚的學習興趣，同時Linux c編程能力也得到了很好的鍛煉。

3、結語

目前，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程建設尚處于起步和摸索階段。對于該專業(yè)的每門課程都要以物聯(lián)網(wǎng)本身的技術特點和應用需求作為導向，進行教學模式調(diào)整，這樣才有助于實現(xiàn)該專業(yè)的培養(yǎng)目標。作為該專業(yè)的核心課程，TCPhP協(xié)議分析在今后的教學中不僅要完成經(jīng)典網(wǎng)絡協(xié)議原理的講授，更要考慮無線網(wǎng)絡的特殊需求以及對學生實踐能力的培養(yǎng)。

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（編輯：趙廓）