計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層教學(xué)研究

畢坤+殷俊+劉廣鐘+韓德志

摘要：針對學(xué)生普遍反映的計算機(jī)專業(yè)課程偏重理論、內(nèi)容抽象、難以理解和運(yùn)用的問題，以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層3個基本問題的解決方案為例，討論、分析和擴(kuò)展相關(guān)理論的內(nèi)涵與外延，以聊天軟件消息傳輸和軟件數(shù)字簽名的程序設(shè)計為典型案例，分析上述基礎(chǔ)理論與實際軟件開發(fā)之間的共同點(diǎn)和內(nèi)在聯(lián)系，運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決實際軟件開發(fā)問題，交流計算機(jī)教學(xué)中理論與實踐結(jié)合教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)、體會和教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)鏈路層；幀定界；透明傳輸；差錯檢測；案例教學(xué)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程配套實驗通常都是實戰(zhàn)型實驗。通過實驗，一方面，能夠幫助學(xué)生掌握一些具體的網(wǎng)絡(luò)配置和維護(hù)技能，比如，制作網(wǎng)線，配置交換機(jī)，配置路由器，配置應(yīng)用層Web、FTP、DHCP服務(wù)等；另一方面，也能夠幫助學(xué)生更好地理解課本上相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)原理和知識點(diǎn)。因此，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程受到學(xué)生的普遍歡迎。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，很容易將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程與網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)聯(lián)系起來，對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的認(rèn)識，還存在以下幾個誤區(qū)：

（1）認(rèn)為學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程只是為今后從事網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作打下基礎(chǔ)；

（2）對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課理論內(nèi)容興趣不大，只對直觀的、實戰(zhàn)性強(qiáng)的內(nèi)容有興趣；

（3）認(rèn)為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，無須再去認(rèn)真學(xué)習(xí)，只要使用當(dāng)前已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即可。

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，對于直觀上實戰(zhàn)性較強(qiáng)的內(nèi)容，學(xué)生普遍表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)興趣，但對于比較抽象化或理論化的內(nèi)容，學(xué)生通常會質(zhì)疑學(xué)習(xí)這些內(nèi)容的意義和價值，該現(xiàn)象在高校教學(xué)中普遍存在。解決該問題的一種有效方法就是將理論與實際應(yīng)用相結(jié)合，通過分析和舉例，講解抽象理論背后的思想與實際工程項目之間的內(nèi)在聯(lián)系并加以擴(kuò)展，給學(xué)生較大的啟發(fā)，并引起學(xué)生的注意和興趣。

筆者所在的網(wǎng)絡(luò)教研小組使用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教材是謝希仁教授編著的《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第6版）》，本文以該教材中數(shù)據(jù)鏈路層要解決的3個基本問題（封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測）為例，介紹相關(guān)知識點(diǎn)的內(nèi)涵和外延，對知識點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，并舉例說明相關(guān)理論如何與具體應(yīng)用相結(jié)合，解決實際問題。

1.幀定界的原理與實踐

對于封裝成幀的原理，教材已經(jīng)給出了清晰的論述。封裝成幀的主要功能包括幀定界、定義和填充數(shù)據(jù)鏈路層使用的各控制字段等，本節(jié)主要論述幀定界的相關(guān)原理與具體應(yīng)用。

1.1幀定界的原理

對于幀定界的功能，主要從以下兩個方面進(jìn)行理解。一方面是自頂向下分析，來自網(wǎng)絡(luò)層的、獨(dú)立的IP數(shù)據(jù)報，在數(shù)據(jù)鏈路層需要封裝成幀，從而形成各自獨(dú)立的傳輸單元通過物理層發(fā)送出去；另一方面是自底向上分析，數(shù)據(jù)鏈路層需要處理來自物理層的比特流，需要從比特流中區(qū)分出每一幀的開始比特和結(jié)束比特，因此也需要有一種封裝成幀的機(jī)制，能夠從比特流中提取出各個數(shù)據(jù)幀。

如果數(shù)據(jù)幀之間的發(fā)送存在時間間隔（如以太網(wǎng)），幀定界則能夠自然實現(xiàn)；但如果數(shù)據(jù)幀的發(fā)送是連續(xù)的，則需要幀定界機(jī)制。幀定界的主要思想是使用幀定界符標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束，幀定界符添加在數(shù)據(jù)幀的首部和尾部。幀定界符的本質(zhì)是一串事先定義的0-1比特序列。

1.2幀定界原理的具體實踐

幀定界原理解決了數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀定界和數(shù)據(jù)幀提取問題，其實現(xiàn)思路并不難理解。為了讓學(xué)生對該原理進(jìn)行更深入的思考、理解和靈活運(yùn)用，在講解TCP協(xié)議面向流的傳輸機(jī)制時，可以將TCP流的特點(diǎn)與幀定界原理相結(jié)合，討論如何解決基于TCP協(xié)議的聊天消息發(fā)送和接收問題。

TCP協(xié)議面向流的傳輸特點(diǎn)比較抽象，含義豐富，對于初學(xué)者，難以理解這些機(jī)制背后的含義。與面向報文的UDP協(xié)議不同，TCP傳輸是面向流的，提示學(xué)生去思考“若基于TCP協(xié)議實現(xiàn)聊天消息發(fā)送和接收，該方案是否可行，是否存在待解決的問題”。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗，對于初學(xué)者，很難想到直接使用TCP傳輸聊天消息存在接收者無法從TCP數(shù)據(jù)流中自動提取出每個消息的問題。因為TCP是面向流的，消息和消息之間在TCP流中無間隔。當(dāng)給學(xué)生提示該問題時，很多學(xué)生表露出恍然大悟的表情，對于TCP面向流的重要特性也自然能夠理解（本文對TCP面向流的其他含義不做介紹）。然后，引導(dǎo)學(xué)生再次回顧數(shù)據(jù)鏈路層幀定界要解決的問題和解決原理，分析該問題與幀定界問題的共同點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生去思考如何利用幀定界原理去解決基于TCP協(xié)議的聊天消息發(fā)送和接收問題。學(xué)生平日使用OO等通信工具比較多，對如何實現(xiàn)聊天消息傳輸比較有興趣，通過分析該實際軟件的需求與解決方案，讓學(xué)生既理解了TCP面向流的重要含義，同時也對幀定界問題的內(nèi)涵有更多的理解，借鑒幀定界的解決思路，解決TCP數(shù)據(jù)流中用戶消息間的定界問題。

筆者講授相關(guān)內(nèi)容時，與學(xué)生討論如何實現(xiàn)基于TCP協(xié)議的聊天消息的發(fā)送和接收問題，調(diào)動了學(xué)生的興趣和積極性，加深了對知識點(diǎn)的理解，同時也啟發(fā)學(xué)生去思考如何靈活運(yùn)用相關(guān)知識點(diǎn)解決實際問題，取得了較好的教學(xué)效果。

2.透明傳輸?shù)脑砼c實踐

2.1透明傳輸?shù)脑?/p>

透明傳輸問題是從幀定界問題引入的，解決數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分若出現(xiàn)幀定界符則會破壞幀邊界的問題。透明傳輸?shù)膶崿F(xiàn)原理包括字符填充法和零比特填充法等。其本質(zhì)都是對數(shù)據(jù)部分出現(xiàn)的幀定界符進(jìn)行轉(zhuǎn)義或修改，也包括對轉(zhuǎn)義字符的轉(zhuǎn)義等，實現(xiàn)機(jī)理不難理解。

2.2透明傳輸原理的具體實踐

對于透明傳輸原理的具體實踐，仍以“如何實現(xiàn)基于TCP協(xié)議的聊天消息的發(fā)送和接收”為例，同樣，需要在學(xué)習(xí)了TCP傳輸?shù)奶攸c(diǎn)后進(jìn)行討論。在1.2小節(jié)論述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探討“若將幀定界機(jī)制引入基于TCP協(xié)議的消息傳輸中，是否同樣會存在消息透明傳輸?shù)膯栴}和需求”，即在消息的內(nèi)容部分是否會出現(xiàn)消息定界符比特序列的問題。若存在該問題，如何在消息傳輸時解決。然后，提示學(xué)生思考，若直接借鑒數(shù)據(jù)鏈路層幀的透明傳輸方案，該如何解決消息透明傳輸?shù)膯栴}；接著討論若不采用透明傳輸?shù)姆桨?，是否存在其他解決途徑。

筆者講授相關(guān)內(nèi)容時，與學(xué)生討論該問題，啟發(fā)學(xué)生從多角度思考解決問題的方法，以透明傳輸為例，思考提出的解決方案是否會引入新的問題，并將透明傳輸?shù)脑砼c基于TCP的消息傳輸解決方案相結(jié)合，將多個知識點(diǎn)綜合運(yùn)用，解決聊天消息傳輸?shù)木唧w軟件開發(fā)問題，提高了學(xué)生分析和解決問題的能力，學(xué)生表現(xiàn)出較大的興趣和參與度，教學(xué)效果良好。

3.差錯檢測的原理與實踐

3.1差錯檢測的原理

差錯檢測用于判斷接收的數(shù)據(jù)幀是否存在傳輸錯誤，在講解具體實現(xiàn)機(jī)制之前，首先向?qū)W生介紹該問題的難點(diǎn)在于接收者事前并不知道發(fā)送者要發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，在該情況下去判斷接收的內(nèi)容是否正確，看起來像是一個悖論；接下來留給學(xué)生一定的時間去思考該問題，然后介紹差錯檢測的原理。

用于數(shù)據(jù)鏈路層的典型差錯檢測方法是以CRC算法為代表的檢錯方法，該方法在教材上有詳細(xì)描述。以CRC算法為代表的檢錯方法的核心思想是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，生成校驗碼，然后把數(shù)據(jù)與校驗碼同時傳輸給接收者，接收者對收到的數(shù)據(jù)和校驗碼再次進(jìn)行相同的校驗計算，判斷在傳輸過程中是否存在傳輸錯誤。

3.2差錯檢測方法的擴(kuò)展

在介紹完CRC算法的原理與計算細(xì)節(jié)之后，對差錯檢測章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行如下擴(kuò)展。用于數(shù)據(jù)鏈路層的校驗方法都屬于檢錯方法類別，除CRC算法外，典型的檢錯算法還包括消息摘要算法（如MD5算法）、安全散列算法（如SHA算法族）等。除檢錯技術(shù)外，糾錯技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛。在糾錯技術(shù)方面，存在奇偶校驗、海明校驗等典型的糾錯算法，CRC算法本身也具有一定的糾錯能力，但對CRC生成多項式和校驗數(shù)據(jù)的長度有要求。檢錯和糾錯的能力與碼距有關(guān)。除了上述典型的糾錯算法外，還存在多種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的糾刪碼（erasure code）技術(shù)。由于課時量有限.上述技術(shù)只能給學(xué)生簡要的介紹，讓學(xué)生對差錯的檢測和糾正有更加全面的認(rèn)識，拓展學(xué)生的知識面，感興趣的學(xué)生可以課后自行學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。

學(xué)生通常會產(chǎn)生兩個疑問：第一個是為什么數(shù)據(jù)鏈路層的檢錯方法選擇了CRC算法，而不是其他的檢錯算法；第二個是為什么數(shù)據(jù)鏈路層選擇了檢錯機(jī)制而不采用糾錯機(jī)制。第一個問題可以從以下方面分析：①CRC-32算法的檢錯能力本身已經(jīng)比較強(qiáng)大，檢錯率很高，達(dá)到了數(shù)據(jù)鏈路層差錯檢測的要求；②CRC算法能夠?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行流式計算，網(wǎng)絡(luò)適配器接收比特流的同時可以通過硬件即時完成CRC校驗。第二個問題可以從以下方面分析：一方面物理通信鏈路比特流傳輸錯誤通常是受某種影響而產(chǎn)生的突發(fā)性錯誤，出錯的位置可能包含多個連續(xù)或非連續(xù)比特，若選用糾錯碼，需要使用糾錯能力非常強(qiáng)的糾錯算法，這些算法計算量比較大，而且在出錯比特數(shù)量比較多的情況下，甚至無法糾正全部錯誤；另一方面，當(dāng)前物理鏈路的可靠性非常高，誤碼率很低，使用檢錯算法既能檢測比特錯誤，又因為其計算量相對較小，因此對數(shù)據(jù)流的處理速度影響較小，若檢測到錯誤，可以采用重傳或者交給高層協(xié)議處理等方式解決。

3.3差錯檢測的具體應(yīng)用

差錯檢測技術(shù)的本質(zhì)是檢測給定的數(shù)據(jù)是否存在比特錯誤，該技術(shù)不僅適用于數(shù)據(jù)鏈路層的差錯檢測，也適用于其他需要進(jìn)行數(shù)據(jù)錯誤檢測的場景。典型的檢錯算法包括CRC-32、MD5和SHA-1等。差錯檢測技術(shù)的另一個典型應(yīng)用是軟件的數(shù)字簽名。軟件供應(yīng)商發(fā)布一款軟件后，用戶可以通過各種途徑獲取到該軟件，典型的來源包括官方網(wǎng)站下載、第三方網(wǎng)站分發(fā)、u盤拷貝、光盤傳播等，提示學(xué)生思考如果軟件是從第三方網(wǎng)站上下載的或者是從其他同學(xué)的計算機(jī)里拷貝的，如何保證該軟件在傳播過程中沒有被修改、沒有中病毒或者木馬呢？學(xué)生對該問題都很有興趣，這也是學(xué)生經(jīng)常面臨的實際問題。通過對該問題進(jìn)行討論，分析差錯檢測技術(shù)的具體應(yīng)用非常有代表性。首先，為了使學(xué)生對該解決方案有直觀的感性認(rèn)識，可以打開一款帶有數(shù)字簽名的軟件，例如官方下載的QQ軟件，然后右鍵點(diǎn)擊軟件，選擇“屬性”，可以看到屬性中的數(shù)字簽名頁面的信息，如圖1所示；接下來點(diǎn)擊“詳細(xì)信息”按鈕，則會彈出新的對話框，出現(xiàn)“此數(shù)字簽名正?！钡奶崾?，如圖2所示。

關(guān)于數(shù)字簽名的詳細(xì)信息可以點(diǎn)擊“高級”標(biāo)簽頁查看，關(guān)于數(shù)字證書自身的信息可以點(diǎn)擊“查看證書”按鈕查看。為加強(qiáng)演示效果，可以使用二進(jìn)制編輯器把QQ軟件中的部分字節(jié)修改或者刪除，然后再次點(diǎn)擊軟件的屬性，會發(fā)現(xiàn)數(shù)字簽名的頁面消失了，如圖3所示。需要說明的是，把軟件的某些字節(jié)修改后，數(shù)字簽名頁面可能仍然存在，但是點(diǎn)擊“查看證書”按鈕，則會出現(xiàn)“此數(shù)字簽名錯誤”的相關(guān)提示。

演示至此，學(xué)生都很感興趣，也對差錯檢測有了更深刻的認(rèn)識。然后提示學(xué)生思考數(shù)字簽名技術(shù)應(yīng)該如何實現(xiàn)，思考該技術(shù)與差錯檢測之間的關(guān)聯(lián)。數(shù)字簽名算法本身由多種摘要算法和非對稱加密算法等組合而成，其關(guān)鍵功能之一就是如何鑒別軟件在發(fā)行后是否被惡意修改過。至此，將差錯檢測算法與具體的軟件數(shù)字簽名技術(shù)結(jié)合起來，其解決思路是相通的，軟件數(shù)字簽名中的完整性檢測的本質(zhì)就是差錯檢測，軟件發(fā)行方首先會對軟件運(yùn)行一種摘要算法，生成一段固定長度的摘要，其本質(zhì)等同于對數(shù)據(jù)包進(jìn)行cRc校驗，生成一段冗余碼，然后把軟件與軟件摘要共同發(fā)布，接收者下載軟件后，使用相同的摘要算法對下載的軟件再次進(jìn)行摘要計算，并與發(fā)布者公布的摘要做比對，如果一致，則說明軟件沒有被修改，反之，提示用戶此數(shù)字簽名錯誤。數(shù)字簽名要解決的另一個關(guān)鍵問題是如何防止摘要本身被修改，這涉及密碼學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，可以稍做提點(diǎn)和介紹即可，在此不再詳細(xì)展開。

靈活使用差錯檢測技術(shù)的具體應(yīng)用還有很多，比如當(dāng)前流行的網(wǎng)盤、云盤中的“秒傳”技術(shù)的實現(xiàn)，衛(wèi)星數(shù)字電視信號數(shù)據(jù)的下發(fā)等，都需要使用不同類型的差錯檢測和糾錯技術(shù)。可根據(jù)具體課程進(jìn)度進(jìn)行有選擇的講解。

筆者采用上述案例向?qū)W生講授差錯檢測相關(guān)內(nèi)容，不僅讓學(xué)生掌握了差錯檢測的原理與計算，而且通過擴(kuò)展和舉例，拓寬了學(xué)生的思路，使其掌握了差錯檢測算法的本質(zhì)，能夠靈活應(yīng)用，解決實際軟件開發(fā)中的問題。

4.教學(xué)效果評價與探討

在教學(xué)過程中，筆者及所在的網(wǎng)絡(luò)教研小組采用原理與實踐相結(jié)合教學(xué)方法，沒計典型案例，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理運(yùn)用到實際軟件開發(fā)中。多年教學(xué)實踐表明，該方法受到學(xué)生的普遍歡迎，加深了學(xué)生對課本原理的理解，擴(kuò)展了學(xué)生的知識面，將課本上看似枯燥的原理轉(zhuǎn)化成能解決實際問題的方法，以點(diǎn)帶面，啟發(fā)學(xué)生深入思考網(wǎng)絡(luò)教材中的各個原理，把各門課程的知識點(diǎn)聯(lián)系成一個有機(jī)整體，而不要零散地、孤立地、片面地去理解知識點(diǎn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

學(xué)生受限于自身的年齡和知識面，經(jīng)常會憑直覺判斷某個知識點(diǎn)是否有用或無用。改變學(xué)生這種錯誤學(xué)習(xí)觀念和錯誤學(xué)習(xí)方法的一種有效途徑就是，舉出典型的應(yīng)用案例使其信服，從而漸漸改變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和耐心，形成系統(tǒng)性的知識結(jié)構(gòu)和思維方式。

教師可以根據(jù)學(xué)生的實際情況，因材施教，在講解的深度和廣度上自行把握。作為一名大學(xué)專業(yè)教師，除需要講明白課本上的內(nèi)容外，更需要引導(dǎo)學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，改進(jìn)學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方法，在教學(xué)中鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力、綜合解決問題的能力和創(chuàng)新能力，為國家的人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)一份微薄之力。