新時代計算機網絡課程教改研究

程遠　柳亞男　邱碩

關鍵詞：計算機網絡；理論教學；實踐教學；應用型人才

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0127-03

0 引言

近年來，大數據、云計算、物聯網、軟件定義網絡（Software Defined Network ，SDN）和人工智能等新技術不斷崛起。政府、企業對網絡規劃建設、網絡管理、網絡安全防護、網絡產品研發等各類人才的需求日益顯著，對該領域人才知識結構和能力的要求也越來越高。多年來，計算機網絡課程教學以培養專業基礎扎實、知識面寬、實踐能力強的應用型、創新型人才為目標，為學生今后從事網絡相關的產品研發、理論研究等工作打下了堅實基礎[1]。

計算機網絡作為計算機、信息通信、網絡安全方向的本科生專業基礎課程之一，在計算機專業課中有著舉足輕重的作用[2]。另外，計算機網絡與信息通信、軟件工程、網絡安全、人工智能、大數據分析等前沿學科又有著交叉融合，為許多新領域、新概念、新技術提供了技術基礎和知識體系支撐。然而，傳統計算機網絡課程教學存在內容陳舊，與云時代的新變化、新技術脫節，重理論輕實踐等突出問題。通過多年來計算機網絡課題組的課程建設和實踐研究，逐步摸索出了一套先進的、科學的教學體系和教學方法。通過深入研究應用型、創新型人才培養目標，對理論教學環節和實驗環節的大膽改革，努力使學生建立起全面的、嶄新的網絡知識體系，不斷提升學生的自主創新能力和實踐操作能力，從而適應未來可能遇到的各種新挑戰。

1 傳統網絡課程教學存在的問題

1.1 知識體系陳舊，與新技術脫節

目前，大部分高校計算機網絡課程使用的教材是謝希仁編寫的《計算機網絡》以及在此基礎上演進出來的不同版本，內容總體上沒有太大變化。這里面部分內容和技術在目前實際應用中已經被新技術淘汰，比如幀中繼、X.25、ATM、PPP協議等。除此以外，傳統的教材編寫模式和課程講授方法以介紹網絡基本協議為主。由于協議本身比較枯燥和抽象，本科生在初次接觸時難以深刻理解，更不容易產生興趣。從多年教學反饋情況看，很多學生學完課程后僅僅是對網絡某一層的若干技術有一定了解，缺乏對整個網絡體系以及網絡各層之間聯系的深刻認識，知識點之間沒有形成融會貫通，難以為新興邊緣學科的學習提供理論支撐。

從企業對計算機網絡人才需求角度看，僅僅了解協議的基本內容和基本原理是遠遠不夠的。一方面，計算機網絡的基礎知識和關鍵技術離不開網絡實體設備的操作。許多學生僅僅知道網絡設備的名稱，連實物都沒有見過，更談不上實驗操作和進行相應的網絡配置。另一方面，傳統教材里缺少最新的網絡技術知識，導致學生只知道自己每天使用云，但不了解云的本質是什么、云網絡和云計算有什么關系、公有云和私有云的概念、SDN和虛擬擴展局域網（Virtual Ex?tensible Local Area Network，VXLAN）技術是用來解決什么問題的等。作為一門不斷發展的學科，課程教學必須讓學生了解業界的發展方向，掌握最新的網絡技術動態及其發展過程，充分激發學生的好奇心和探索欲。

1.2 重理論，輕實踐

長期以來，計算機網絡的教學普遍存在重理論、輕實踐的現象，或者是實踐課程的內容過于老舊，與實際應用嚴重脫節[3]。造成這一問題的原因主要有兩方面：1）實驗室建設經費投入不足，無法為學生提供良好的實驗環境。隨著網絡仿真軟件的不斷發展，許多網絡教學實驗已經可以通過軟件平臺來模擬實現，例如局域網的配置，虛擬局域網（Virtual Local AreaNetwork，VLAN）的規劃設計，VPN配置管理，路由器ACL配置等等。然而，絕大部分企業提供的仿真應用軟件都是收費的。2）實驗課程的內容設計沒有與時俱進。隨著大規模云數據中心的出現，傳統的網絡結構發生了巨大變化。虛擬機、容器技術的廣泛應用對網絡產生了重要影響。在復雜網絡環境下，往往需要同時應用多種網絡技術，需要學生具備綜合運用各種先進網絡知識和技術的能力，如負載均衡、流量工程、地址轉換、隧道技術等。這些技術的理解和運用都離不開實踐操作。因此，傳統的以講授協議為主的教學方式已經無法滿足企業對應屆生提出的新要求。

1.3難以支撐交叉學科研究

新興互聯網技術的快速發展使得計算機網絡涵蓋的內容更加豐富，與其他學科和新技術形成了緊耦合。因而，在講授計算機網絡基礎知識的同時，還應當適當補充一些交叉學科領域的相關知識技術，開拓學生的思維領域。例如，傳統計算機網絡與移動通信網絡融合，形成了移動互聯網，并逐步成為人們日常生活不可或缺的一部分。移動互聯網技術的發展對傳統計算機網絡提出了許多新的挑戰。隨著計算機網絡規模的不斷發展，傳輸數據的安全性、接入網絡用戶的身份合法性等一系列安全問題變得日益突出。習近平總書記指出，沒有網絡安全就沒有國家安全。網絡安全的重要性已經提上了歷史性的高度。因此，在教授網絡協議、網絡結構內容的基礎上，很有必要讓學生了解網絡安全的概念和內涵，如何實現網絡安全，基本的安全協議和信息安全技術有哪些等。

隨著企業業務的數字化轉型和業務云化，以云計算和大數據為特征的云時代已經到來。傳統計算機網絡課程教學很少對云的概念、數據中心網絡的基本知識、云數據中心網絡和傳統局域網的區別聯系等內容進行介紹。除此以外，作為下一代網絡重要技術發展方向之一的SDN已經得到了業界的普遍認可和關注。對于SDN技術的演進發展歷程、技術原理及特點等信息也亟待補充到計算機網絡課程中。只有與時俱進、密切聯系實際才能讓學生體會到科技發展的巨大魅力和前人不斷探索的科學精神。

2 計算機網絡課程理論教學改革

為了使學生深刻理解并掌握計算機網絡的體系結構和協議機制，提高自主學習興趣，需要對教學模式和教學內容進行改革創新。通過豐富的多媒體手段、案例分析講解等方式，將抽象的概念定義以及枯燥的協議原理生動化、具體化、直觀化，培養學生學以致用的本領。因此，在計算機網絡課程理論教學方面采取了以下改革措施。

1）創新教學理念和教學方法

積極開展自主學習活動，培養學生獨立思考和創新能力。在課堂教學過程中，為學生提供充足時間自主互動，鼓勵學生從提出問題、發現問題入手，學會解決問題的基本思路。在網絡編程的教學過程中，鼓勵學生利用現有的網絡資源自學網絡編程的基本概念、基本語法以及SOCKET編程的基本架構，充分發揮學生的主觀能動性，在此基礎上向學生講解網絡編程應用的難點。

除了基本網絡理論和技術原理外，課堂授課還可以引入實踐案例，通過對典型案例的分析，加深學生對基本理論和技術的理解。例如在講授局域網基本原理和設計要點時，可以通過一個校園網為例，從需求分析開始，全面介紹局域網的設計步驟、設備選擇、IP地址分配方案、VLAN劃分以及網絡管理等內容，最終形成圖1所示的整個校園網絡拓撲。其中，校園一級骨干網是整個網絡的核心，它為二級接入網提供高速的互聯互通平臺并提供校內主要服務器的訪問通道。一級骨干網由8個節點和高速路由交換設備構成；二級接入網包括各院系的局域網，由多個分支接入節點和中低速的局域網構成。通過對學生實際生活中使用的局域網絡的介紹，不僅可以使學生知道相關技術如何在實際網絡中具體運用，而且能夠對相關知識點形成完整的體系，便于理解記憶。

2）將協議的實現與具體的網絡設備相結合

各種協議和技術歸根結底還是要落實到具體的網絡實體即各種網絡設備。例如，將以太網的工作原理與以太網卡功能、以太網交換機配置方式相結合；將IP編址技術、路由算法與路由器中路由表的配置聯系起來，從而理解基于端口轉發和基于IP地址轉發的區別。通過抓取以太網幀和IP數據包并對報文進行分析，深入了解數據鏈路層和網絡層對數據的不同封裝形式，掌握鏈路層對IP報文進行分片的實現過程。教會學生看懂簡單的設備技術說明書、了解設備主要參數性能指標和功能特點，適用場景等。

3）引入新技術、新趨勢以及交叉學科的內容介紹

適當精簡已經淘汰和脫節的相關技術內容，引入業界最新的計算機網絡應用技術，如VXLAN、SDN、IPv6、虛擬化等。重點讓學生了解各種新技術的發展背景、與傳統網絡技術之間的區別和聯系、技術的應用場景和基本原理等。目標是開闊學生視野，激發學生探索新知識、新技術的興趣。

以數據中心網絡和SDN技術為例，云數據中心網絡是連接數據中心大規模服務器的橋梁，也是實現網絡虛擬化計算和存儲的基礎。云計算往往伴隨著服務器之間的海量數據交互，數據中心網絡數據轉發性能和可靠性的高低直接決定了云計算的服務質量。軟件定義網絡則是近年來涌現的新興網絡技術，其核心思想是把傳統網絡設備的控制功能與轉發功能相分離。通過集中的網絡控制器來控制每個網絡節點的數據包轉發策略，提高整個網絡的資源利用率和管理效率。隨著SDN技術的不斷成熟發展，將會對現有計算機網絡乃至整個Internet的網絡架構、通信協議、網絡管理方式、設備功能形態等各方面帶來顛覆性的變革。如圖2，SDN引入課堂，作為相關網絡知識的拓展延伸。

除此以外，計算機網絡課程教學過程中還需要增加交叉學科相關知識背景的介紹，例如，與網絡安全相關的隧道傳輸技術、VPN技術、身份認證與訪問控制技術等，為今后學生在其他邊緣交叉學科進一步深造發展奠定堅實的基礎。

4）引入“1+X”證書，提高就業競爭力

“1+X”證書即在獲得學歷證書的基礎上，鼓勵學生在學習期間額外獲取若干個與本領域職業技能相關的認證資質?！?+X”證書的引入，指明了學生的培養方向和培養目標，也為全面評價人才質量提供了重要依據?！?+X”證書將課堂講授的計算機網絡基礎知識與該學科的實際應用融合在一起，有助于讓學生提前接觸到網絡工程實踐，了解常見設備的基本配置方法及設備特性，增強學生的就業競爭力[6]。目前，網絡職業技能認證主要包括兩類：①華為網絡工程師職業認證。華為網絡工程師的培養目標是ICT領域新型融合型人才，華為網絡工程師認證的具體形式包括HCIA、HCIP、HCIE等級職業證書。通過認證表明學生對當前最新的通信網絡技術和華為通信設備有了全面的了解和掌握，具有中小型企業的網絡設計和部署能力。②思科網絡工程師職業認證。該認證以思科系統公司為依托，包含最新的網絡通信技術和思科的主流網絡產品使用方法。思科認證考試采用全英文命題，也對學生今后參與外企的網絡項目有較大幫助。目前該證書得到計算機和通信企業的高度認可。

3 計算機網絡課程實驗教學改革

計算機課程實驗教學改革的基本目標包括：1）通過不同類型實驗加深對理論知識的理解與運用，熟悉常見網絡設備的配置和操作方式；2）熟練掌握常用分析仿真軟件的使用方法，為今后學習深造積累經驗。

學生通過動手實踐可以掌握各種網絡設備的配置和使用方法，驗證各種組網方案的特點。借助實驗不僅能夠增加學生對網絡設備的感性認識，而且能夠培養學生的思維能力和動手實踐能力[4]。對于實驗室建設經費受限的問題，也可以在服務器上搭建虛擬網絡環境開展網絡實踐環節的教學。例如，模擬環境下的局域網規劃設計實驗可以讓學生掌握如何利用二層交換機構建本地局域網絡并創建多個VLAN；模擬環境下廣域網規劃設計實驗可以讓學生掌握路由器的基本配置、IP地址規劃、NAT技術的應用場景、配置ACL規則實現動態包過濾、創建VPN實現業務邏輯隔離等。通過優化實驗教學內容，促使學生把所學的網絡知識和現實中遇到的實際問題相聯系，通過實驗操作培養學生獨立分析問題和解決問題的能力。

NS2（Network Simulator，version 2）是一個廣泛應用的面向對象的網絡仿真器。NS2可以仿真各種不同類型的IP網絡，實現現有各種網絡傳輸協議，模擬產生不同類型的業務源流量，如FTP、Telnet、WebCBR 和VBR；支持路由隊列管理機制，如Droptail、RED和CBQ。利用網絡仿真器設計不同的實驗，并與理論教學相結合，提高了學生動手操作的能力。學生可以借助工具軟件分析網絡性能對各類業務產生的影響，獨立完成難點問題的實驗驗證，還可以發現自己在理論學習過程中存在的漏洞或者誤區，大大突破了傳統教學模式和實驗環境帶來的限制。

除新的實驗教學內容外，新的網絡教學模式和教學工具也層出不窮。特別是在疫情下，涌現出一大批優秀的線上教學資源和多樣化的線上授課方式供學生使用。結合MOOC、騰訊會議、ZooM、QQ課堂等各種即時線上交流工具，線上授課已經成為當下的教學常態[5]。

4 結語

為適應當前經濟社會對計算機網絡人才的要求，推動計算機網絡課程建設，課題組在教學內容和教學方法上做了一些大膽改革創新。網絡形態和網絡技術的日新月異給計算機網絡課程的教學不斷提出新的需求和挑戰。只有將課程教學內容更加緊密地結合實際，不斷地優化教學方法，提高實驗環節產出，才能滿足企業對高層次實用性網絡人才的新要求。