计算机网络数据链路层教学研究.docx
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1、 计算机网络数据链路层教学研究 毕坤+殷俊+刘广钟+韩德志摘要:针对学生普遍反映的计算机专业课程偏重理论、内容抽象、难以理解和运用的问题,以计算机网络数据链路层3个基本问题的解决方案为例,讨论、分析和扩展相关理论的内涵与外延,以聊天软件消息传输和软件数字签名的程序设计为典型案例,分析上述基础理论与实际软件开发之间的共同点和内在联系,运用基础理论解决实际软件开发问题,交流计算机教学中理论与实践结合教学法的优点、体会和教学案例。关键词:计算机网络;数据链路层;帧定界;透明传输;差错检测;案例教学计算机网络课程配套实验通常都是实战型实验。通过实验,一方面,能够帮助学生掌握一些具体的网络配置和维护技能
2、,比如,制作网线,配置交换机,配置路由器,配置应用层Web、FTP、DHCP服务等;另一方面,也能够帮助学生更好地理解课本上相关的网络原理和知识点。因此,计算机网络课程受到学生的普遍欢迎。学生在学习过程中,很容易将计算机网络课程与网络管理和维护联系起来,对计算机网络课程的认识,还存在以下几个误区:(1)认为学习计算机网络课程只是为今后从事网络管理和网络维护工作打下基础;(2)对计算机网络课理论内容兴趣不大,只对直观的、实战性强的内容有兴趣;(3)认为计算机网络技术已经比较成熟,无须再去认真学习,只要使用当前已有的网络设备和网络技术即可。在计算机网络教学中,对于直观上实战性较强的内容,学生普遍表
3、现出较高的学习兴趣,但对于比较抽象化或理论化的内容,学生通常会质疑学习这些内容的意义和价值,该现象在高校教学中普遍存在。解决该问题的一种有效方法就是将理论与实际应用相结合,通过分析和举例,讲解抽象理论背后的思想与实际工程项目之间的内在联系并加以扩展,给学生较大的启发,并引起学生的注意和兴趣。笔者所在的网络教研小组使用的计算机网络教材是谢希仁教授编著的计算机网络(第6版),本文以该教材中数据链路层要解决的3个基本问题(封装成帧、透明传输和差错检测)为例,介绍相关知识点的内涵和外延,对知识点内容进行扩展,并举例说明相关理论如何与具体应用相结合,解决实际问题。1.帧定界的原理与实践对于封装成帧的原理
4、,教材已经给出了清晰的论述。封装成帧的主要功能包括帧定界、定义和填充数据链路层使用的各控制字段等,本节主要论述帧定界的相关原理与具体应用。1.1帧定界的原理对于帧定界的功能,主要从以下两个方面进行理解。一方面是自顶向下分析,来自网络层的、独立的IP数据报,在数据链路层需要封装成帧,从而形成各自独立的传输单元通过物理层发送出去;另一方面是自底向上分析,数据链路层需要处理来自物理层的比特流,需要从比特流中区分出每一帧的开始比特和结束比特,因此也需要有一种封装成帧的机制,能够从比特流中提取出各个数据帧。如果数据帧之间的发送存在时间间隔(如以太网),帧定界则能够自然实现;但如果数据帧的发送是连续的,则
5、需要帧定界机制。帧定界的主要思想是使用帧定界符标识数据帧的起始和结束,帧定界符添加在数据帧的首部和尾部。帧定界符的本质是一串事先定义的0-1比特序列。1.2帧定界原理的具体实践帧定界原理解决了数据链路层的数据帧定界和数据帧提取问题,其实现思路并不难理解。为了让学生对该原理进行更深入的思考、理解和灵活运用,在讲解TCP协议面向流的传输机制时,可以将TCP流的特点与帧定界原理相结合,讨论如何解决基于TCP协议的聊天消息发送和接收问题。TCP协议面向流的传输特点比较抽象,含义丰富,对于初学者,难以理解这些机制背后的含义。与面向报文的UDP协议不同,TCP传输是面向流的,提示学生去思考“若基于TCP协
6、议实现聊天消息发送和接收,该方案是否可行,是否存在待解决的问题”。根据笔者的教学经验,对于初学者,很难想到直接使用TCP传输聊天消息存在接收者无法从TCP数据流中自动提取出每个消息的问题。因为TCP是面向流的,消息和消息之间在TCP流中无间隔。当给学生提示该问题时,很多学生表露出恍然大悟的表情,对于TCP面向流的重要特性也自然能够理解(本文对TCP面向流的其他含义不做介绍)。然后,引导学生再次回顾数据链路层帧定界要解决的问题和解决原理,分析该问题与帧定界问题的共同点,引导学生去思考如何利用帧定界原理去解决基于TCP协议的聊天消息发送和接收问题。学生平日使用OO等通信工具比较多,对如何实现聊天消
7、息传输比较有兴趣,通过分析该实际软件的需求与解决方案,让学生既理解了TCP面向流的重要含义,同时也对帧定界问题的内涵有更多的理解,借鉴帧定界的解决思路,解决TCP数据流中用户消息间的定界问题。笔者讲授相关内容时,与学生讨论如何实现基于TCP协议的聊天消息的发送和接收问题,调动了学生的兴趣和积极性,加深了对知识点的理解,同时也启发学生去思考如何灵活运用相关知识点解决实际问题,取得了较好的教学效果。2.透明传输的原理与实践2.1透明传输的原理透明传输问题是从帧定界问题引入的,解决数据帧的数据部分若出现帧定界符则会破坏帧边界的问题。透明传输的实现原理包括字符填充法和零比特填充法等。其本质都是对数据部
8、分出现的帧定界符进行转义或修改,也包括对转义字符的转义等,实现机理不难理解。2.2透明传输原理的具体实践对于透明传输原理的具体实践,仍以“如何实现基于TCP协议的聊天消息的发送和接收”为例,同样,需要在学习了TCP传输的特点后进行讨论。在1.2小节论述内容的基础上,继续探讨“若将帧定界机制引入基于TCP协议的消息传输中,是否同样会存在消息透明传输的问题和需求”,即在消息的内容部分是否会出现消息定界符比特序列的问题。若存在该问题,如何在消息传输时解决。然后,提示学生思考,若直接借鉴数据链路层帧的透明传输方案,该如何解决消息透明传输的问题;接着讨论若不采用透明传输的方案,是否存在其他解决途径。 笔
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