分析计算机网络课程实验教学的现状

　　计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，网络技术对信息产业的发展产生了深远的影响。计算机网络是一门理论性和实践性都很强的课程，它的基本概念、技术设计以及大量的理论知识和网络协议，都让初学者感到生涩难懂。作为理论教学的重要补充，实验教学是知识内化的有效途径，有助于学生逐步深化对理论知识的理解和掌握，使认知结构不断优化，从而能够熟练地应用所学知识进行创造性活动。因此，为了更好地理解并掌握计算机网络知识，做好计算机网络课程的实验教学环节是非常重要的。

　　1计算机网络课程实验教学现状

　　1.1实验内容过于简单、陈旧

　　当前大部分高校的计算机网络实验课中存在着大量简单、陈旧的实验内容，如Windows2000操作系统的安装和配置、Internet的访问、FTP站点的访问、下载工具、文件压缩工具、电子邮箱的使用等。现在，一般计算机、通信或电子等专业的同学在大一就已经能够很熟练地使用因特网上的各种工具来查找资料或做其他应用。因而，这些实验对他们来说显得过于简单，没有创造性，也造成了大部分人认为网络的实验教学没有什么实际意义。这种实验教学最大的缺点是，缺少协议分析实验，不能很好地配合计算机网络原理课程的教学重点，学生难以理解网络协议工作过程。这样，实验教学就起不到应有的作用，理论教学结束后，学生不能真正明白所学内容，更难以与实际应用建立联系。

　　1.2理论课与实验课缺少关联性

　　现在的计算机网络课程教学活动中，改进了以往多以OSI参考模型为基础，讲述网络层次结构、协议和计算机网络原理的架构，引入了目前广泛应用的TCP/IP网络协议，但即便如此，学生在学习过程中仍然很难将学到的抽象理论知识与实际网络应用联系起来。虽然层次结构模型和协议的内容是非常枯燥且不易理解的，但如果能在理论课中穿插相关的实验，使学生知道实际使用的网络是如何工作的，学生就能更好地理解网络的工作原理，提高其解决实际网络问题的能力。

　　1.3专业网络实验室硬件要求高，实验指导难度大

　　专业的网络实验室硬件要求比较高，需要配置的设备价格都比较高，比如服务器、交换机、路由器、中继器、网桥等，并且设备的更新要求也很高，以至于有的学校不能承受。有的实验要求学生更改实验所用PC机或服务器的操作系统设置，这给实验室的管理以及后续实验带来了不便[2]。有些实验要求使用交换机、路由器、PC机搭建网络并进行配置管理，在实际教学中却难以做到每个人都亲自配置一次，以至于达不到实验的预期目标。并且，由于实验设备复杂，使得实验环境的准备工作难度加大，对于不太熟练的学生来说实验中出现的问题会比较多，成功率低，造成学生的学习积极性不高。

　　1.4操作性强的实验指导教材比较少

　　当前的计算机网络实验指导教材中，要么内容中包含了大量的编程实验，如网页程序设计、网络通信程序设计、异步串行通信编程实验、网络协议编程实验等；要么内容与计算机公共课教材实验重复，实际上无需再将其列入专门的网络实验内容。总的说来，操作性强的实验指导教材比较少。

　　2实验教学的改进

　　在计算机网络精品课程建设过程中，我们针对上述问题对计算机网络的实验教学做了一些改进。

　　2.1将网络仿真软件应用于实验教学

　　大多数的网络实验需要很多硬件设备的支持，而学校现有的条件难以配合课堂理论教学。由于网络实验本身涉及到系统底层实现，在真实环境中进行模拟实验具有很大困难。例如学生在TCP协议实验中所写的测试程序发送的数据包经常会被操作系统处理或者丢弃，因为现有的操作系统内核已经实现了TCP协议栈。再者主机和路由器等网络节点的协议栈实现有所不同，各个协议的原理、功能和实现也不相同。还有在实际应用中，都有上百台的路由器互联组成网络，这些是实验室的硬件无法实现的。因此我们需要网络仿真软件配置出与实际网络工程类似的实验环境，帮助学生深入理解网络协议的原理。

　　目前使用比较多的网络仿真实验软件有NetRiver实验系统、NS2仿真软件和OPNET网络仿真软件。

　　NetRiver实验系统是辅助清华大学计算机网络课程教学实验开发的一套网络实验平台系统，由一台或多台测试服务器、一套客户端软件和一套实验管理软件构成。经过两年的测试使用，受到了好评。

　　NS2((NetworkSimulator))是UNIX/linux环境下以IP网络为主的仿真软件，是面向对象的、离散事件驱动的网络环境模拟器。它能够执行多种网络协议和路由算法，对固定、无线和混合等多种网络进行仿真，是一个应用广泛的网络层仿真工具，主要用于解决网络研究方面的问题。NS2使用了一套整C++类库，实现了绝大多数常见的网络协议以及链路层的模型。利用这些类的实例，我们可以很轻松地搭建实验网络模型，而且包括详尽的细节设计。NS2是一个免费的、开源的多协议网络仿真软件，学生完全可以在单机环境中模拟整个网络的各个元素。

　　OPNET也是通信协议建模和仿真工具，可以进行网络结构、设备和应用的设计、分析和建设、管理。OPNET提供三层建模机制，全面反映网络的相关特性，最底层是Process模型，以状态机来描述协议，其次为Node模型，主要是对应的协议模型，反映设备的特性，最上层是网络模型；提供了一个包含路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备等比较齐全的基本模型库；采用离散事件驱动的模拟机制，计算效率与时间驱动相比得到了很大的提高；采用混合建模机制，仿真中各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息；具有丰富的统计量收集和分析功能，可以直接收集各网络层次的性能统计参数。

　　2.2理论课上合理利用协议分析实验帮助学生理解分层理论

　　网络协议分析十分抽象，是计算机网络课程的重点和难点，现有的教材一般都是针对每个层次比如物理层、网络层、传输层等独立成章，可见协议在网络中的重要性。传统的教学方法是通过类比实际的事例和配合使用多媒体的动画演示帮助学生理解，如分析信件邮递的过程等，但实际效果不是很理想。协议分析类实验主要是使用协议分析工具(如Etherea1、Sniffer、Natxray、Iris等)，或专门的协议分析仪(如Optiview)，对TCP/IP层次结构中应用层、传输层、网络层、链路层的重要网络协议进行分析，如HTTP协议、DNS协议、IP协议、RIP协议。在学习完协议栈的每个层次之后，进行相应的协议分析实验，对截获的数据报进行分析，加深学生对各层主要协议基本原理和实现过程的理解。

　　在实验预习时教师可以给出明确的实验目标，要求具体分析协议的哪些方面，学生通过协议分析理解和掌握什么内容等。例如针对TCP协议的实验，通过对捕获到数据包中TCP分组的分析，学生可以逐一清楚看到TCP协议的三次握手过程和报文分段的工作原理，可以和应用程的HTTP协议相比较，还可以通过观察重传时TCP连接的跟踪记录，加深学生对TCP的可靠数据传输特性的理解。有了类似的指导，学生就能够做到条理清晰、全面地分析各个协议，进一步掌握网络分层和协议族的原理。

　　2.3合理应用现有设备

　　工程类实验有制作网线实验、组建局域网实验、VLAN实验、路由器的使用实验等。这类实验使学生了解计算机网络是怎样搭建的，需要使用到哪些设备和技术，各种网络设备有什么功能，是如何配置的。工程类实验需要相关的硬件和设备支持，需要充分利用实验室的具体条件，突出工程化的特点，使学生能真正以网络管理者的身份介入网络，理解协议的实际运用，积累一定的实际工程经验，提高理论应用于实际的能力，缩短所学与所用的距离。由于学院设备数量的限制，建议在这种工程类实验教学当中，分小组进行实验，力求让每个同学都有动手实践的机会，改变过去那种教师演示，学生参观的实验现象。

　　2.4开展创新型课程实验

　　目前提倡的创新型实验一般是综合性实验，需要在充分掌握计算机网络原理的基础上对知识进行综合运用，一个实验往往是多个知识点的融合，要求学生对于网络的相关协议有较深入的理解，无法在短短几个课时内完成，因此可以将创新型实验作为计算机网络课程的配套课程设计。

　　在具体操作上，可由教师给出多个不同的课题，由学生根据自己的兴趣爱好选择相关课题。这类实验包括网卡的驱动程序、网络流量的分析、RIP协议的仿真、简单的端口扫描、电子邮件用户代理的编程实现、滑动窗口协议的模拟等。以设计RIP协议仿真

　　实验为例，以往的路由仿真实验大部分是事先设定简单的网络拓扑图(如1〜2台路由器连接2〜3个网络)，在单机环境中模拟实现路由表的更新。在设计RIP协议的仿真综合实验时，教师可以要求每4〜5名同学为一组，每台计算机模拟一个路由器，RIP协议仿真程序需要根据加入网络的路由器数量实时调整网络拓扑结构图，并且根据虚拟设定线路时延来自动更新各个仿真路由器的路由表。实验小组的主机同时运行，通过每台主机的运行验证各自的路由表更新和路由选择功能。最后根据实验小组的方案设计、编程调试和实验结果得出结论，形成小组的实验报告。由于这些课题具有一定的难度和较大的工作量，对学生的动手能力和自学能力是一个考验，可培养学生综合运用知识解决问题的能力，让他们把网络知识融会贯通到实验中。通过实践，学生就对网络传输中的任何一个环节都知道如何着手，并且能顺利编程实现，为后继的网络程序设计课程打下坚实的基础。作为鼓励，学生完成这些实验后可修得相应的学分。

      3结语

　　计算机网络类课程实验教学的研究和设计涉及面比较广、发展速度快，必须根据学生的状况、学校实验条件和教材的实际情况，进行系统的、一系列的改革。我们要不断学习新方法，采用新思路，以适应计算机网络的快速发展；更要紧密地结合实际，及时跟新实验教学内容，提高学生的学习兴趣，不断进步。

　　作者：彭雅莉，于芳(湘南学院计算机科学系，湖南郴州423000)