计算机网络教学实验设计研究

摘要:计算机网络作为计算机和网络等专业的基础必修课程之一，对网络安全、信息技术、软件开发等课程教学有辅助作用。网络协议的抽象性特征使其成为计算机网络教学的重点内容，传统课堂教学对加强学生的感性认知效果不佳。因此，基于加强学生对知识理论掌握的目标，许多学校都开设了计算机网络实验课程。为了让学生了解网络模型和协议之间的联系，以及理解网络协议的具体功能，本文基于对计算机网络模型和网络协议的介绍，从TCP/IP模型着手，从应用层、传输层、网络层、接入层四层展开了对教学实验设计的研究，以期加强计算机网络教学的质量和效率。

关键词:计算机网络;网络协议;网络模型;教学实验

前言

在计算机和网络等有关专业教学中，计算机网络是基础必修课程之一，对网络安全、信息技术、软件开发等课程有辅助作用。关于计算机网络的实践教学，互联网协议始终是教学的难点问题，传统课堂教学不能加强学生的感性认知，导致教学效果不佳。因此，基于加强学生对知识理论掌握的目标，许多学校都设置了计算机网络实验课程。然而在这种实验教学模式下，由于采取的是专业性网络分析应用系统，其功能繁琐，教学效果不明显［4］。关于专业性网络分析应用系统，尽管其被广泛运用于计算机网络教学实验，然而该系统设计的目标并非是教学实验，而是用于互联网检测与分析，采集的数据相对复杂，需相对专业的分析方能被利用，提高了教学实验开展的困难程度［1－3］。而计算机网络教学实验的目标是借助实验让学生了解互联网通讯过程，比如开始和结束会话、通讯协议、会话窗口管理、流量监控等，都是计算机网络教学实验的主要内容。结合计算机网络教学实验的目的，在TCP/IP协议基础上，对应每层开发一组实验项目，关于实验时所需的数据信息，可借助专用性网络分析应用系统和教学实验系统来捕获。再以Web形式显示，向学生展示完整的互联网通讯过程。上述这种方式对捕获数据的实时性要求不高，便于简化计算机网络教学实验，加强教学效果。并且以Web形式展示的教学成果受环境影响较小，学生可自主学习。

1计算机网络模型和网络协议

通常来讲，计算机网络模型是实现互联网通讯的基本条件之一，其分层架构划分出互联网通讯过程中的各项功能，任何计算机网络教学都是在网络模型的分层架构基础上开展的［5］。计算机网络模型一般可分为开放性互联参照模型与TCP/IP模型两种。1.1OSI模型和网络协议关于OSI参照模型，主要是由数据物理层、数据层、网络层、传输层、会话层、显示层和应用层七层，并且定义了每层的功能，而网络模型中每层功能是通过网络协议实现的。在OSI参照模型公布时，随之也了有关的网络协议，但这些协议的整体发展并不理想。正是由于上述原因，OSI参照模型目前只能用于计算机网络教学实践之中，市场上应用较多的是TCP/IP模型［6］。2.2TCP/IP模型和网络协议尽管OSI参照模型对网络不同层的功能进行了定义，然而由于没有有效网络协议的支撑，导致其应用难以实现。目前，在计算机网络之中，采用的TCP/IP协议群又被称为TCP/IP网络模型。TCP/IP网络模型及相应的协议如图1所示。在TCP/IP模型中，每一层TCP/IP协议族都被赋予了固定的协议，从而来实现该层被指定的功能，使得TCP/IP成为互联网通讯的标准。

2基于TCP/IP模型的计算机网络教学典型实验设计

关于网络通信的发展，TCP/IP的应用较为广泛，因此对网络通信的认识即对TCP/IP网络模型各协议的认识［7－8］。网络协议抽象性的特征使其讲授比较困难，是计算机网络课程教学的难点问题。对此，本文就实际运用比如网页浏览器等，通过分析网页浏览器服务器连接、网页跳转、网页下载等内容，来了解两个系统间的通讯过程，从而对基于TCP/IP网络模型的计算机网络教学实验设计进行研究。网页浏览器是学生常用的应用程序，对其感性认知较强，可通过对该应用程序的通讯来让学生全面了解互联网通讯。

2.1HTTP应用协议和应用程序通信

一般而言，计算机通讯的实质是两个系统间的通讯。就应用程序而言，可按照是否具有通讯功能来划分应用程序。比如:Excel表格只能在本地工作，不具备互联网通讯功能;IE浏览器、微信、Skype等都具备互联网通讯功能，属于互联网通信应用程序［9］。不管是哪一种网络模型，HTTP应用协议都作用于用户程序之中，生成传递方的用户信息。按照网络通讯原理，网络架构中每层都是由对应协议来定义相关功能的。结合应用程序的不同功能，应用层会采用对应网络协议，来进行数据封装。由此可见，就应用程序而言，可从应用层协议功能及其创建来加强学生对HTTP应用协议的理解。

2.2TCP传输协议和传输监控实验

关于TCP/IP网络模型，TCP协议是用于创建、断开连接和流量监控，是针对连接的传输协议。在某个程序要进行互联网通讯时，会向TCP申请建立连接来传递数据，直至连接断开为止。在TCP接收程序连接申请时，将通过三次握手来创建连接。在连接创建之后，TCP协议将分段封装协议数据，获得用于传递的TCP段，再传递给下一层，也就是IP协议［10］。对TCP协议的理解，可从三次握手和协议分段封装两方面来理解，结合数据形式可深入理解窗口、接口等抽象定义。

2.3IP网络协议和网络寻址

在互联网通讯之中，TCP协议负责双向通讯，要确保两方都能理解传递数据，接收一方能解封装和监控流量，不管是三次握手亦或数据发送，都要确保路由的准确性，还要将TCP段封装为IP包，而IP包是通过IP协议实现的。TCP段通过调用IP协议来封装IP包，要含有源主机与目的主机的IP地址，其是网络寻址的重要条件。在IP包通过路由时，路由会按照IP包中的目的主机IP地址，将数据包通过不同网络传递到目的主机［11－12］。

2.4接入层协议和信息传递

在对数据进行IP包封装之后，可确保数据包能从源主机传递至目的主机，在局域网中，数据接收和发送是根据互联网连接的MAC地址来确定的。由此可见，在传输数据包之前要将其封装为数据帧格式，而帧封装通常是在网卡中运行的。按照互联网类型的不同，数据也会被封装为各类数据帧。关于将数据包封装为数据帧，也就是在数据包上添加源主机MAC地址和目标主机MAC地址，一般情况下，每个计算机系统中都存储了一个MAC地址表，含有本机MAC地址和有通讯联系的其他主机MAC地址［13］。对于需通讯的主机MAC地址不在系统MAC地址表中的情况，计算机会广播ARP来取得目标主机的MAC地址［14］。关于目标主机的MAC地址取得，有以下两种情况:第一，双方在同一网络之中，目标主机在接受源主机ARP广播之后，会反馈给其MAC地址;第二，双方在不同网络之中，目标主机会接收不到源主机的ARP广播，此时对应网关会反馈其MAC地址，实现链路层封装，源主机将数据传递给网关，再根据IP地址传递至目的网络。

3结语

总而言之，计算机网络是计算机和网络等专业的基础必修课程，伴随信息技术的不断发展，尤其是计算机和互联网的普及，人们对计算机网络技术人才的需求日益提高。网络协议是计算机网络的主要内容，然而由于其抽象性的特征，使其成为计算机网络教学的重点。本文从怎样改善上述问题出发，基于提高网络协议教学具象化、清晰性的目标，总结出专业性网络分析应用系统和教学实验系统的优势，根据教学实验的具体要求，设计出一套基于TCP/IP网络模型的计算机网络教学实验，且以Web形式显示，有效加强了实验教学效果。

作者：刘绍刚 单位：滇西科技师范学院