基础性网络实验教学设计与创新

    边胜琴　王洪泊　崔晓龙　张磊

    

    

    

    摘 ?要 针对计算机网络实验课时有限、内容较多、覆盖面较大的实际情况，实验室总结几年的实际经验，重新设计实验内容，将组网设计与网络协议分析有机结合起来，在基础性实验中穿插计算机网络的综合性知识，既有助于提高教学质量，又为学生提供了往更深层次发展的空间。

    关键词 计算机网络;网络协议分析;实验教学;实验室;校园

    网;FTP实验

    中图分类号：G642.423 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）06-0118-03

    Design and Innovation of Basic Experimental Teaching on Com-puter Network//BIAN Shengqin， WANG Hongbo， CUI Xiaolong， ZHANG Lei

    Abstract Given the limited hours and various content and wide coverage of experimental teaching on computer network， the labora-tory summarizes the practical experience of last some years， brings forward a fresh plan of experiments which integrated design and rea-

    lize of network environment with analysis of network protocol， and

    adds comprehensive knowledge of computer network to basic experi-

    ments. This change not only help to advance the quality of teaching， but also provide a deep-rooted developmental space for students.

    Key words computer network; analysis of network protocol; experi-mental teaching; laboratory; campus network; FTP experiment

    1 引言

    计算机科学和通信技术的快速发展，给人们的生活带来巨大的变化，动动手指即可读书破万卷，博采众长，成就胸中韬略;足不出户就可以行万里路，通晓世界，指点无限江山。计算机网络是本科教学的必修课，其内容很抽象，涉及的概念、名词也很多，特别是一些新协议、新知识点的不断涌现，更增加了课程教学的难度;而单独理论教学，学生缺乏感性认识，不利于理论的理解和掌握，这在很大程度上影响了教学效果，不利于学科的发展。

    由于计算机网络实验课程的学时有限，增加实验内容有困难，实验室设计出一套新的方案，将网络协议分析的内容穿插在网络环境搭建实验中，将网络编程的内容与路由协议的学习结合起来，将基础性或验证性实验与综合性、设计性实验进行有机结合，在实践中思考，在学习中创新，由浅入深，先易后难，充分调动学生学习的积极性和主动性，对于提升理论教学质量具有积极的推动作用。

    2 實验环境介绍

    北京科技大学计算机网络实验室成立于2006年，2015年进行了扩建，一共有12套实验台，能满足72人同时上课。每套实验台由一台设备控制服务器（简称RCMS）、4～6台路由器、两台二层交换机和两台三层交换机组成;功能型实验台添加了无线、安全、语音等模块，可以完成相应的扩充实验;校园网环境下有设备管理服务器、文件服务器和Web服务器提供相关的应用。设备控制服务器通过特殊线缆连接八台网络设备的配置端口，能实现实验室设备集中管理以及设备的初始化操作。学生在校园网的任何终端可远程登录实验室的管理平台，进行实验的预习、设备配置、作业的提交等操作，其结构如图1所示。

    实验区有72台电脑，每台电脑配有两块网卡：网卡1连接校园网，同时能连接实验室的管理服务器、文件服务器和Web服务器，它的主要功能通过Web方式访问路由器或交换机的Console端口，对设备进行配置;网卡2用于搭建实验环境，需要学生动手接线到设备的端口，完成实验的验证，对网络协议进行实时抓包分析时也在这个端口上进行。

    3 实验教学内容设计

    在FTP实验中，将文件服务器的搭建与FTP协议安全性分析结合起来学习，一方面让学生分析FTP协议的交互机制;另一方面让学生学会搭建文件服务器。

    首先，介绍实验原理。文件传输协议（FTP）位于TCP/IP协议栈的应用层，是最早应用的一种文件传输协议。它基于客户/服务器（C/S）模式，其可靠通信主要由传输控制协议（TCP）提供。因此，FTP客户端和FTP服务器端在传输文件之前，先进行TCP连接。与其他应用层协议不同的是，FTP建立两个连接，分别是控制连接和数据连接。服务器使用21端口和客户建立控制连接;服务器主动传输数据给客户端时，使用20端口和客户建立数据连接，这种方式称为主动模式（port）。如果客户端主动和服务器建立数据连接，服务器发送六元组（n1，n2，n3，n4，n5，n6）给客户端，其中（n1，n2，n3，n4）是服务器的IP地址，n5*256+n6是服务器端进行数据连接的端口号，这种方式称为被动模式（pasv）。

    其次，合理设置实验步骤。

    第一步，要求学生打开抓包软件，访问校文件服务器，从学校文件服务器上任意下载一个文件;停止抓包，分析抓取的报文，熟悉FTP协议的工作原理。通过报文分析，学生会发现学校文件服务器的IP地址是202.204.60.11;然后设置过滤器ip.addr==202.204.60.11，只分析与文件服务器相关的报文。重点是区分控制连接和数据连接，找到数据连接之前的六元组报文，并对报文进行分析。

    第二步，要求学生搭建FTP服务器，相邻两名学生组成一个小组，连接到一台交换机上，组建局域网;然后添加FTP站点，设置访问规则，通过命令行方式互相访问。

    FTP服务器搭建：右键点击“我的电脑”→“管理”，在“Internet信息服务”下面找到“添加FTP站点”;在IP地址栏设置服务器IP，安全连接SSL，选择“无”，身份验证选择“匿名”，授权访问选择“所有用户”。搭建页面如图2所示。

    FTP服务器的访问：在PC机上点击 “开始”→“运行”，输入“cmd”打开命令行窗口，登录FTP服务器，下载aaa.txt文件并退出。详细操作指令见图3。

    最后，进行报文分析，讨论FTP协议的安全性。Wire-shark如果采用混杂模式，能抓取局域网内的所有报文，设置过滤器ip.addr==222.28.78.73 && ip.addr==222.28.

    78.74，筛选出服务器和指定的客户端。从图4可以发现，第二行报文出现客户端的名称ftptest，第三行报文的意思是服务器要求输入ftptest的密码，第五行报文中用户的密码为123ftp，第六行报文的意思是用户登录成功。FTP协议采用明文传输，最早应用在局域网内部，文件共享的成员默认都是安全可靠的，因此，它的安全性很低，用户名和密码在局域网内都是透明的。

    4 教学组织与管理

    基础性实验、综合性实验课程的教学目的是对学生进行基本技能的训练，为后续设计性实验和自主创新性实验打好基础。每个实验项目都是一个相对完整的实验内容，但是实验项目之间有着层层递进、由易到难的关系。计算机网络涵盖物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等各层的知识，实验内容设计了网络协议分析、交换机配置、路由协议分析与配置、服务器配置、网站制作与发布等环节。将各个知识点进行有序、有机结合，每一个实验项目都包含验证性、设计性、研究探索性、自主创新性实验内容，在实验教学过程中注重学生自主学习能力的培养，培养学生的知识构建能力和运用所学知识解决实际问题的能力。

    考虑到实验设备匮乏、场地有限、实验项目单一等因素，实验室开发了Web服务器，并提供相关课件和软件的下载。学生在校园网终端可随时访问，并可以登录实验设备的管理平台，完成实验的预习、配置和作业提交;除了完成教学大纲要求的内容之外，还可以自主学习，完成交换机、路由器、防火墙、VPN等设备扩展内容，或者自己设计网络，利用实验室的设备，完成科技创新的一些实验。

    在完成基本实验，学生对网络设备的操作和命令熟悉的基础上，為学生提供思科模拟软件的Packet Tracer和GN3。不同企业安全性需求不同，其解决的方案也不同，反映到网络拓扑结构图中，设备的选型和线路的配置也不同。学生分成不同的兴趣小组，针对具体安全的需求，在模拟软件上可以实现复杂网络拓扑结构的设计。在实验教学中，利用具体的生动的网络解决方案，激发学生的学习兴趣，增强教师与学生的互动，加强学生之间的交流合作，培养学生的创新意识和综合运用知识的能力。

    5 结语

    以FTP实验为例，在基础性实验中添加协议分析，对现有的实验项目进行调整，为后续综合性、设计性实验做好铺垫。计算机专业是个软、硬件结合非常紧密的专业，其技术发展非常快，在学生掌握基础理论和最新知识的基础上，还要重视学生的工程实践训练，使学生毕业后具有很强的扩展空间，能够胜任计算机相关领域的科学研究、应用开发、教学与管理等工作，同时具备在其他领域继续发展的潜力和能力。

    在教学中不断改进教学方法和教学手段，将协议分析与工程实践相结合，在真实的、熟悉的网络环境下对协议进行实时分析，能够更有效地发挥学生学习的积极性和主动性，发挥学生的学习潜能，对培养具有创新意识和能力的高素质综合型人才具有积极作用，也为今后学科的发展提供坚实的实验基础。

    参考文献

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