小議計算機網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)式教學

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在網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)搭建方面，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展了幾十年的時間，盡管應(yīng)用范圍和物理環(huán)境等與設(shè)計之初已是天壤之別，但計算機網(wǎng)絡(luò)一直都在使用，且擴展性極強，這與網(wǎng)絡(luò)最初的設(shè)計目標息息相關(guān)。設(shè)計的其次目標中最重要的一點就是“當部分網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)關(guān)損壞時，Internet連接必須能夠繼續(xù)”[3]。當前的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀是包的可靠傳輸、排序、資源分配等很多復(fù)雜的功能都由終端實現(xiàn)，而中間層的功能則比較簡單，也只有這樣設(shè)計才能確保當初設(shè)計目標的實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)的分組方式為什么選擇分組交換而非電話網(wǎng)的電路交換方式？原因之一就是計算機網(wǎng)絡(luò)為魯棒性而設(shè)計，通信雙方是否成功僅取決于雙方的狀況，至于中間的鏈路則可以選擇不同的路徑，這正是分組交換方式的特性，電路交換則要求采用固定的一條物理鏈路。另外，教師還可以啟發(fā)學生從應(yīng)用層的業(yè)務(wù)特性回答這個問題。電話中的業(yè)務(wù)——語音占用的帶寬是穩(wěn)定的，事先建立好的物理鏈路比較合適，而人們在上網(wǎng)時傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)——數(shù)據(jù)是突發(fā)的，帶寬波動較大，有時需要占有某一條鏈路。在網(wǎng)絡(luò)的連通層面，網(wǎng)絡(luò)層的尋址方式中有哪些方法可供選擇？而Internet最終選擇了哪種尋址方式？我們可以提示學生根據(jù)生活中尋找某個地址的思路設(shè)計Internet，將十字路口想象成路由器，而馬路就是網(wǎng)絡(luò)中的鏈路，并且馬路偶爾會發(fā)生修路封閉的狀況。依據(jù)我們的生活經(jīng)驗，人們可以有以下幾種方式：通過尋找地圖的方式，自己全部掌握從出發(fā)到目的地的路線（源路由方式）；只知道大概方向，到了一個地方就向別人打聽接下來的部分路線，直至最后找到目的地（全局IP地址方式）；“打的”只需要告訴出租車司機最終的目的地，司機要掌握整條路線的狀況（虛電路方式）。教師給學生提供基于身邊的生活事例，讓學生有了感性認識后，再讓學生將感性認識上升到理性高度，講解每種找路方式的具體情況，既便于學生理解，又拓寬了他們的思路。然后再從路由表頭部的大小、路由表的大小、轉(zhuǎn)發(fā)的開銷、建立連接的開銷、錯誤恢復(fù)的開銷等多個角度啟發(fā)學生，讓學生比較各種路由方式的優(yōu)缺點，從而明確選擇全局IP地址方式的主要原因就是中間的路由器應(yīng)該是無狀態(tài)的，這樣才能在差錯恢復(fù)時進行相對簡單的處理，保證網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

經(jīng)過幾次類似的啟發(fā)訓練，學生了解了學術(shù)科研的基本過程并確定最終解決方案的思路。接下來的2個設(shè)計目標是網(wǎng)絡(luò)向上提供多種類型的服務(wù)，向下互連多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)，形成漏斗形狀，網(wǎng)絡(luò)的沙漏模型如圖1所示。那么，這在Internet中是如何實現(xiàn)的呢？采用的方法是將IP層做得“很薄”，在相對低的IP層提供功能盡可能簡單的服務(wù)，才能使得高層方便根據(jù)需要訂制各種不同目標和不同類型的服務(wù)。如果用“小蠻腰”進行比喻，那么學生就很容易記住和掌握網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的這2個目的。當前的網(wǎng)絡(luò)有哪些不足呢？最大的問題莫過于計費和安全。由于網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計之初就是為了魯棒性，把計費的優(yōu)先級排在最后，而對于安全問題則根本沒有考慮。最合理的計費方式是根據(jù)流量計費，因為實際的流量在某種程度上反映對網(wǎng)絡(luò)資源的占用量，但目前的技術(shù)條件很難把某個用戶所用的實際流量計算出來，因為目前的流量還包括廣播重傳等多項流量。Internet的開放性和可擴展性也導(dǎo)致諸多安全隱患，如為了方便主機接入網(wǎng)絡(luò)，IP頭部信息不需確認、IP源地址可以偽造等。對于某些安全隱患問題，我們則需要將Internet多個設(shè)計目標相結(jié)合才能回答。例如，有了以太網(wǎng)的MAC地址，為什么還需要設(shè)置IP地址？我們可以先了解當時網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的首要目標，即要把不同的底層網(wǎng)絡(luò)互連，特別是在以前，以太網(wǎng)沒有今天這么普及，還有ATM和幀中繼網(wǎng)絡(luò)等，即便是現(xiàn)在，也還有FDDI、無線局域網(wǎng)等多種局域網(wǎng)技術(shù)，僅有以太網(wǎng)的MAC地址無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。另外，Internet設(shè)計還要求連網(wǎng)簡單，用附加的IP地址更易于設(shè)備的移動和維修，如一臺主機從一個網(wǎng)絡(luò)移動到另一個網(wǎng)絡(luò)無需更換網(wǎng)卡，只需重新設(shè)定IP地址。最后，IP地址與實際網(wǎng)絡(luò)拓撲相關(guān)，是有層次的，可以高效路由，而MAC地址則是廠家在出廠時設(shè)定，與實際網(wǎng)絡(luò)拓撲無關(guān)，在查找路由時擴展性較差。還有一些內(nèi)容，教師在講述時不僅要關(guān)注知識點本身，還應(yīng)該通過啟發(fā)的方式把知識點蘊含的本質(zhì)展現(xiàn)給學生。例如，講完局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)后，學生一般都會記住以太網(wǎng)是總線型結(jié)構(gòu)，可是學生發(fā)現(xiàn)多臺主機通過網(wǎng)線接入集線器/交換機，從物理外觀上看是星型結(jié)構(gòu)。這里教師就要讓學生明白總線型網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)幀可以在總線上廣播，總線上的所有終端都可以接收到數(shù)據(jù)幀，而星型網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)幀需要通過中心設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，因此通過集線器互連的多臺機器與傳統(tǒng)的同軸電纜以太網(wǎng)都是總線型結(jié)構(gòu)，而通過具有自動尋址功能（轉(zhuǎn)發(fā)到指定端口）的交換機互連的雙絞線以太網(wǎng)則是星型結(jié)構(gòu)。學生容易區(qū)分TCP與UDP，前者是可靠面向連接的，而后者不可靠無連接的。然而，同是不可靠無連接的協(xié)議，還有必要在IP層之上構(gòu)建UDP協(xié)議么？二者的本質(zhì)區(qū)別在哪里呢？教師可以通過學生的日常計算機應(yīng)用解釋這個問題：相同的收發(fā)端，它們的IP相同，但可能運行多個進程，不同的進程需要不同的端口號，因此需要在IP之上構(gòu)造UDP以表示不同的進程，這是網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層的本質(zhì)區(qū)別。

計算機網(wǎng)絡(luò)本身也在時刻發(fā)生變化，教師在講課時必須融入一些新的研究成果和方向，才能激發(fā)學生的學習興趣，使學生對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展有更清楚的了解。例如，教師在講述TCP的擁塞控制算法時，往往會提到慢啟動、擁塞避免、快速重傳與快速恢復(fù)4個步驟，并指出其中的慢啟動并非真正意義的慢啟動，在RTT時間內(nèi)，擁塞窗口是以指數(shù)規(guī)模增加的。然而，擁塞算法是在80年代提出的，那時網(wǎng)絡(luò)帶寬都很窄，即便是指數(shù)級的擁塞窗口快速增長，在今天網(wǎng)絡(luò)帶寬很大的情況下也并不適合。教師可以通過計算讓學生認識到這一點，對于1Mbps的帶寬，假設(shè)RTT=200ms，慢啟動方式下，每個分組1KB字節(jié)，需要多少時間才能達到1Mbps的帶寬？結(jié)果是慢啟動方式要花費2秒才能使實際流量接近網(wǎng)絡(luò)提供的帶寬。學生通過計算結(jié)果明確在延遲帶寬積較大的情況下，慢啟動算法導(dǎo)致帶寬的利用率很低，從而意識到不必“神化”已有的算法，任何問題的解決方案都不是完美的，都有一定的時代背景與前提，而研究的切入點也往往在此。教師在講課時可以穿插一些對流行軟件的分析，以提高學生的學習興趣。例如，學生或多或少都會用到QQ或MSN等即時通信軟件，傳文件時普遍感覺MSN要慢于QQ，那么這是什么原因呢？教師在提示學生QQ大多數(shù)采用UDP傳輸文件，而MSN采用TCP傳輸文件后，有的學生提出TCP實現(xiàn)可靠傳輸需有3次握手以建立連接，導(dǎo)致MSN速度較慢。在學生給出并非準確的答案之后，教師不能立即否定學生的答案，否則會打消學生的積極性，而是要在鼓勵學生和肯定答案正確的一面后，再指出答案的不足之處：商業(yè)化的產(chǎn)品不可能不考慮文件傳輸?shù)目煽啃裕@種可靠性在應(yīng)用層實現(xiàn)，這樣可以減小完全用TCP帶來的傳輸開銷，3次握手只是開始建立連接時需要，并非貫穿整個傳輸過程，所以不是主要原因。根本原因是一方面UDP容易穿越NAT，收發(fā)雙方直接傳送文件，不像MSN需要服務(wù)器的中轉(zhuǎn)；另一方面，網(wǎng)絡(luò)擁塞時TCP會減小擁塞窗口，而UDP則不會，這就引出擁塞控制的公平性問題。又例如，在應(yīng)用層如何實現(xiàn)高速下載？有多個TCP流的方法，如以前的網(wǎng)絡(luò)螞蟻，也有P2P的方式，如BT與電驢。另外，還可以就P2P的傳輸原理、P2P與ISP之間的矛盾設(shè)置等問題繼續(xù)啟發(fā)學生。這樣，在一問一答中不僅拓展學生的發(fā)散性思維，而且鍛煉學生分析問題的能力。

從科研角度看，一般研究問題都分為提出問題、選擇解決問題的方法、給出最終的解決思路這幾部分內(nèi)容，而目前計算機網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)教科書幾乎都只涉及最后一部分內(nèi)容，即計算機網(wǎng)絡(luò)研究的最終成果，對于形成原因及發(fā)展過程并沒有涉及。掌握計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的歷史，可以令我們更深層次地了解如今網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀產(chǎn)生的原因，還能幫助我們推測未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，對當前的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議優(yōu)化也有一定指導(dǎo)作用。我們把課程的重點放在“為什么這樣設(shè)計網(wǎng)絡(luò)”，將網(wǎng)絡(luò)看成是交互式的復(fù)雜系統(tǒng)，在每個話題開始前都向?qū)W生提出一些啟發(fā)式問題，引導(dǎo)學生用學到的知識解決實際問題，最后再由因及果地講述當今網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的現(xiàn)狀；啟發(fā)學生自主思考，同時生動地再現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程，使學生不僅知其然還知其所以然。這樣，學生才不會因為時間流逝而忘掉學到的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)知識，同時也提高了實際應(yīng)用能力和獨立解決問題的能力。（本文作者：劉新、葉德建、姜秀艷 單位：復(fù)旦大學軟件學院）