鲁晔

摘要：在工程教育专业认证的大趋势下，分析了本科阶段计算机网络实验课程教与学中存在的问题，探讨了计算机网络课程应满足的三大专业实践能力：协议分析能力、组网设计能力、网络编程能力，并针对性地面向工程应用提出对应的实践课程创新性设计方案，从而加强学生的工程实践能力，对相关计算机课程的实验教学具有借鉴意义。

关键词：计算机网络;创新实验;专业认证;协议分析;组网设计;网络编程

中图分类号：TP311       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）33-0197-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1研究背景

我国于2016年成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员。据中国工程教育专业认证协会统计，截至2020年底，全国共有257所普通高等学校1600个专业通过了工程教育认证，涉及电子信息、计算机等22个工科专业类。工程教育认证已成为国内本科教育行业的广泛共识。通过工程认证，能够增强我国工科学生的国际竞争力，在持续改善的建设理念下，能够促使高等教育向好向强转变。

计算机网络作为计算机大类专业的核心必修课程，在毕业生后续工程实践和专业深造中都具有举足轻重的地位[1]，计算机网络实验课程在理论基础上针对性提高学生实践操作能力，课程的设置符合建立与工程师制度相衔接的工程教育认证体系要求，能够促进工程教育与工业界的联系，增强工程教育人才培养对产业发展的适应性[2]。然而目前的计算机网络实验课程由于学时、实验方式、侧重点的不同，往往不能全面开发学生的网络设计能力，且在执行过程中没有切实地将工程认证与行业认证进行有效整合，导致学生的工程能力与行业的需求存在一定的偏差。因此，有必要梳理工程认证与行业认证的切合点，在计算机网络的实验教学大纲中完善并落实。

2工程认证与行业认证的融合

工程教育专业认证的主要目的有三点[3]：一是构建工程教育质量监控体系，提高工程教育质量;二是建立与工程师制度相衔接的工程教育认证体系，促进工程教育与工业界的联系;三是促进中国工程教育的国际互认，提升我国工程技术人才的国际竞争力。其中第二点应该与行业认证相对标。目前计算机网络行业中，主要的行业认证包括：思科认证、华为认证等。思科认证是由网络领域著名的厂商——Cisco公司推出的。是互联网领域的国际权威认证。思科认证有CCNA、CCDA、CCNP、CCDP、CCSP、CCIP、CCVP、CCIE（又分为针对路由和交换;语音;存储网络;安全;电信运营商）等多种不同级别、不同内容、不同方向的各种认证。华为认证网络工程师是由华为公司凭借多年信息通信技术人才培养经验，以层次化的职业技术认证为指引，推出的覆盖IP、IT、CT以及ICT融合技术领域的认证体系，是ICT全技术领域认证体系，其中的HCNA和CCNA应是本科阶段工程認证与之匹配的行业认证。在本科阶段教学中，应当以HCNA认证为目标，设计合理的课程实践方案，促使学生具备考取HCNA的能力。

无论思科认证还是华为认证其涉及的知识点主要为网络规划与组网实施，而协议分析与设计能力、网络编程能力也是计算机网络教学中的两大重要实践能力，因此有必要创新性地研究这三方面的实践能力建设路线即实践教学方案。从而将工程认证落到实处。

3面向工程实践能力的案例设计

协议分析能力、组网设计能力、网络编程能力作为计算机网络实验课程的主要三个技术实践方向，应该在本科教学阶段全面兼顾。

3.1面向协议分析能力的案例设计

网络协议的体系结构是计算机网络课程的主线和重点，通过理论课程的学习，学生应该掌握协议设计中的各种原理与设计思想，如可靠传输的TCP协议，信道争用的CSMA/CD协议、IP地址自动分配的DHCP协议，域名解析的DNS协议，互联互通的IP协议等等。在理解协议原理的前提下，能够分析协议数据，进行协议逆向是工程教育认证与行业认证对毕业生共同的需求。目前主要的协议分析工具有Wireshark、Microsoft Network Monitor、Capsa Packet Sniffer等，因此有必要引导学生掌握现代工具进行协议分析。本节以WLAN协议测试及分析为例说明实验的设计。

实验题目：802.11协议测试与分析

实验工具：无线路由器、笔记本电脑、Wireshark软件、wirelessmon软件。

实验目的：加强对802.11协议的物理特性、链路特性的掌握，从而提高协议分析与设计能力，促使学生具备分析问题解决问题的工程实践能力。

实验环境：某一家庭网络中由一台无线主机、Linksys 802.11g AP，两台有线PC及路由器等组成，无线主机和AP工作在6信道上。在某台计算机上采用AirPcap和Wireshark采集数据并保存在文件Wireshark_802_11.pcap中。由于该网络附近还有其他的AP，因此在本实验中可以看到其他的帧，例如邻居AP在信道6上发送的信标帧。

主要考察点：802.11协议的帧格式、信标帧、探测帧、数据传输过程、关联与去关联、信号能量分析。

实验问题举例：

1）信标帧的两个接入点的ssid;

2）linksys_sesAP发送的信标帧时间间隔;

3）信标帧的源、目的MAC地址;

4）信标帧可以支持4种数据速率和8个可扩展的支持速率;

5）第一个TCP会话的无线主机的IP地址、目标IP地址，此目标IP地址与主机、AP;

6）认证消息的数量;

7）主机与AP期望的传输速率;

8）探测帧中发送方、接收方和BSS ID MAC地址，及探测帧作用分析

9）信号强度和距离的关系;

10）Wi-Fi信号和障碍物的关系。

实验结果示例：信号强度的展示。可以从图1中的 RSSI 项之中看到dbm的值。dbm的值越大越好，所以-31dbm 的Wi-Fi是较强的信号。

3.2面向组网能力的案例设计

根据企事业单位的网络需求，进行通信网络的基本设计、IP地址的规划、网络的部署是本科阶段学生应该掌握的第二方面实践技能，该项技能更加面向行业应用，行业资格对应于华为的HCNA职业认证证书。经过该类实验训练，学生能够根据所学的IP地址编址规则，灵活选择编址方案，能够熟练进行VLAN、VTP、NAPT、VPN、HSRP、MSTP、ACL、DHCP、DNS、HTTP、OSPF、路由重分布等协议的配置，构建可靠，高性价比的网络服务。目前主要的网络设计虚拟仿真软件主要有Packet tracer、GNS3、eNSP等，本节以具备两大园区的校园网络规划为例说明实验方案的设计。

实验题目：复杂校园网络规划与设计

实验工具：Packet tracer、GNS3、eNSP等。

实验目的：加强对网络层和链路层协议的原理掌握，提高网络规划设计的工程实践能力。

实验项目需求：复杂校园网络由新、老校区构成。

1）老校区网络需求为：接入层由七台2950交换机构成，并划分为VLAN 10（pc0-pc1），20（pc2-pc3），30（pc4-pc5），40（pc6-pc7），50（pc8-pc9），60（pc10-pc11），100（WWW、DHCP、DNS、FTP四个服务器），汇聚层由三台3560三层交换机构成，核心层由两台3560交换机构成。所有交换机通过VTP协议自动学习VLAN配置，各三层交换机运行热备份路由协议（HSRP）和生成树协议（MSTP），为网络提供冗余性，各主机通过DHCP协议自动获取IP地址。

2）新校区网络需求为：由两台2560交换机和一台3560交换机，若干PC组成，划分VLAN10（172.16.10.0）、20（172.16.20.0），各子网、主机、接口IP如图所示。各路由器可采用OSPF、静态路由等技术实现互联。

3）网络总体目标为：老校区只有VLAN 10的主机可以上外网;老校区和新校区所有主机服务器可通过VPN互通;新校区主机可通过VPN上外网服务器;新、老校区所有主机均可访问老校区所有服务器资源;老校区主机的IP地址可实现自动分配，老校区提供冗余性网络支持。

实验拓撲如图2所示，红色框内为老校区网络，紫色框内为新校区网络，绿色框内为经过公网架设的GREVPN网络，黑色框为模拟的外部网络。

3.3面向网络编程能力的案例设计

网络编程能力，即Socket编程是本科阶段的第三大重要网络实践能力，该项技能融合了经典的网络编程原理，可以采用多种编程语言实现，同时可以结合较新的IT技术进行深度网络应用开发，如结合人工智能、区块链、云计算等方向。通过典型的网络应用实例，帮助学生将计算机网络课程的知识点应用到实际的项目开发中，加深学生对于网络协议的理解并熟悉其应用，包括HTTP协议、SMTP协议、TCP协议、UDP协议、RPC协议等。同时，通过对私有和标准应用层协议的设计和实现，加深对协议设计原则的理解，增强对操作系统网络内核函数的掌握。本节以百度云服务结合http协议为例说明实验案例的设计，可采用Python、Java、C++等语言开发，可选的实验题目如表1所示。

实验工具：笔记本电脑、pycharm、相关库函数

实验目的：加强对HTTP协议的原理掌握，提高网络编程的工程实践能力。

实验项目需求：利用百度智能云服务对http协议提交的数据进行解析，输出解析结果。

系统开发的主要流程如图3所示：

4结束语

工程教育专业认证的初衷是持续提高学生的专业能力，使学生具备较强的工程实践能力，即工程师能力。作为与计算机网络理论课程配套的实验课程，则是切实提高毕业生工程实践能力的主要工程训练环节，通过将工程认证与网络行业职业认证对标分析，提出了三个方向的计算机网络实践能力，并给出对应方向的实验设计案例。计算机网络是一门随时代发展快速更迭的专业课程，在实践课程的设计上应该紧跟时代步伐，充分融入最新的IT技术，提高学生的学习兴趣，加强老师的业务能力，持续地对教学案例进行改进，才能真正地实现工程教育专业认证与行业职业能力认证的一致。

参考文献：

[1] 钟辉，董洁.工程教育认证下计算机网络课程创新实验设计[J].电脑知识与技术，2020，16（10）：175-176.

[2] 张凯，李红娇，王亮亮，等.工程教育专业认证的计算机网络课程探索与实践——基于课程思政背景下的讨论[J].教育教学论坛，2020（29）：34-36.

[3] 王永星，周雅倩，王田虎，等.基于工程教育认证的《计算机网络与通信》课程教学评价与分析[J].科学与信息化，2021（9）：190-191.

【通联编辑：朱宝贵】