计算机网络精品课程知识结构教学探讨
摘要:“计算机网络”课涉及到许多概念、协议、技术和原理,是公认的难教和难学的课程。文章对该课程的知识结构进行提炼,提出“一个结构、二个模型、三种地址、四种控制、五类协议”的知识架构,并从教学角度分别对其进行阐述。
关键词:知识结构;体系结构;分层模型;协议;地址
计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物,是计算机和通信两个领域的交叉学科。计算机网络课程是一门重要的专业基础课,内容复杂,涉及到彼此交织的许多概念、协议和技术,是一门公认的难教和难学的课程[1]。我校计算机网络课程2007年被立项为学校精品课程,为此,教师积极开展计算机网络课程建设和教学研究。通过多年的计算机网络课程教学实践,我们将计算机网络课程的知识结构提炼为“一个结构、二个模型、三种地址、四种控制、五类协议”。尽管计算机网络课程内容很多,但上述这种知识结构从5个层面体现了该课程的主要内容,有利于对计算机网络知识结构的总体把握。
1一个结构
“一个结构”是指“计算机网络体系结构”(以下简称“体系结构”)。计算机网络经过50多年的飞速发展,经历了4个阶段:以单计算机为中心的联机系统阶段、计算机-计算机网络阶段、体系结构标准化网络阶段和高速智能计算机网络阶段。其中计算机网络体系结构的提出是其发展过程中的一个重要里程碑,对于网络体系结构主要讲清楚模型建构思想。
1) 体系结构的建构思想。
由于计算机网络系统是一个十分复杂的系统,对其进行处理采用“大事化小,分而治之”的方法,采用的是“分层模型”。
2) 体系结构的分层模型。
在网络中,对等层之间的约定称为协议,它是平行对等关系。相邻层之间的约定称为接口,它是垂直调用关系,如图1所示[2]。在同一系统中,第N层向第N+1层通过接口提供服务。
在教学中,重点应讲清楚“为什么要分层以及怎样分层”。由于分层模型中包含很多抽象的概念,如实体、协议、接口、服务用户、服务提供者、服务原语等。学生对于“分层”是很难理解的。网络中的“层”是不能用眼睛去观察,只能发挥学生的想象力。教师为了让学生能够理解,常用邮政系统的信件发送与接收过程来进行对比,以帮助学生获得一些感性认识。
2两个模型
“两个模型”是指“OSI/RM模型”和“TCP/IP模型”。这两个模型均是按照体系结构中的分层思想建构的。
1)TCP/IP与OSI/IP的相似之处。
TCP/IP和OSI/RM均采用层次结构,层的功能大体相似,在传输层以上都是以应用为主导的。两者都是一种基于协议数据单元的包交换网络,而且分别作为事实上的标准和法律上的标准,具有同等的重要性。
2)TCP/IP与OSI/IP的不同之处。
首先,出发点不同,OSI/RM是作为国际标准而制定的,大而全,协议的数量和复杂性都远高于TCP/IP,影响了市场占有率和发展。而TCP/IP开始是为军用网设计的,一开始就考虑了一些特殊要求,如可用性、顽存性、安全性、网络互联性,它来自实践,顺应社会需求,在实践中不断改进与完善,具有强大的市场,成了事实上的标准。其次,二者对层次间关系的处理不同。最后,二者对异构网互联、无连接服务、可靠性、网络管理的考虑也不同。
在教学中要讲清这两个模型产生的过程,各自的特点,它们之间的异同,为什么TCP/IP成为了事实上的标准而OSI/RM最终没有占领市场。
3三种地址
“三种地址”是指“MAC地址”、“IP地址”和”域名”。
1)MAC地址。
MAC地址也叫物理地址、硬件地址或链路地址,由网络设备制造商生产时写在硬件(如网卡)内部的全球唯一的序列号,通常用48位二进制数或12位16进制数表示。MAC地址是在数据链路层对网卡或网络接口的标识。
2)IP地址。
IP地址是网络系统给因特网上的每一个主机(或路由器)的每一个接口分配一个标识符,IPv4版本的IP地址用32位二进制数表示,IPv6版本的IP地址用128位二进制数表示。它是在网络层对主机(或路由器)接口的标识。
3) 域名(Domain Name)。
域名是Internet网络上的一个服务器或一个网络系统的名字,也具有全球唯一性。它是在应用层对服务器或一个网络系统的标识,是一种更加人性化的标识符。
为了方便通信,三种地址可以通过专用的协议ARP、RARP和DNS来完成地址映射,这些工作对人来说是“透明”的,如图2所示。
在教学中,应重点讲清计算机网络中的“地址的本质是什么”、“为什么要设置三种地址以及三种地址之间的关系”。计算机网络中的“地址”与生活中的“地址”其含义是不同的。生活中的“地址”通常指的是一个地理位置,而网络中的“地址”指的是一个网络设备或接口的“名字”或“标识符(Identification)”,它与地理位置并没有直接联系。正如用“名字”来标识人一样,计算机网络中为了通信的需要,要为网络中的结点取一个名字,以便传输数据时能区分不同的结点,找到目的结点。在不同的层面对网络结点取名有不同的标识方法,因而也就出现了三种“网络地址”。
不管怎样,这三种地址其实是在三个不同层面对网络结点的标识。由于体系结构的建构是分层的,因而就出现了在不同层面(数据链路层、网络层和应用层)对网络结点的标识问题,同一个结点在不同的层面就有不同的名字是不难理解的。正如同一个人在不同的时期(或不同的场合)有不同名字:“乳名”、“正式名字”和“身份证号”;读书时还有“学号”,参加高考时有“考生号”,工作时有“工号”等,所以在计算机网络中出现多种标识符也是顺理成章的事。
4四种控制
“四种控制”是指“介质访问控制”、“差错控制”、“流量控制”和“拥塞控制”。计算机网络是一个非常复杂的“系统”,根据系统论和控制论的相关原理,要利用计算机网络系统来为人类进行信息服务就必须对这个系统进行有效地控制,在计算机网络技术的发展过程中,已成功实施上述四种基本的控制。
1) 介质访问控制。
在计算机网络中使用的传输介质是一种宝贵的资源,对传输介质的使用有很多方法,大体上可分为“受控接入”和“随机接入”。
2) 差错控制。
差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错,把差错限制在尽可能小的范围内的技术和方法。常用的检错方法有循环冗余检验法、校验和法,纠错方法有海明码法等。
3) 流量控制。
流量控制是让发送方的发送速率不要太快,要让接收方来得及接收。如果发送方把数据发送得过快,接收方就可能来不及接收,这就会造成数据的丢失。在数据链路层使用“停止—等待协议”、“连续ARQ协议”和“滑动窗口”技术以“数据帧”为单位进行流量控制,在传输层(TCP)利用滑动窗口技术以“字节流”为单位进行流量控制。
