物联网工程专业TGP/IP协议教学模式改革

点赞:13896 浏览:58267 近期更新时间:2024-02-10 作者:网友分享原创网站原创

摘 要 :针对近年来物联网工程新专业的教育建设问题,分析核心专业基础课程TCP/IP协议分析的教学现状,根据物联网工程的技术特点和需求,从应用驱动型的启发式教学模式、理论与工程产品相结合的教学方法、仿真软件与编程实践相结合的教学手段3个方面进行阐述,提出对TCP/IP协议分析课程进行教学模式改革的观点.

关 键 词 :物联网工程;TCP/IP协议;教学模式;应用驱动

近年来,物联网(Intemet of Things)受到国内外工业界和教育界的重点关注.物联网的概念由美国麻省理工学院于1999年提出,主要通过射频识别(RFID)技术、无线传感器、激光扫描仪、全球定位系统等信息传输设备,按照无线传输协议,将物品连接到互联网进行信息传输,从而实现“物物相连”的应用目标.与传统互联网不同,物联网更强调全面感知,即通过RFID、无线传感器等感知体采集信息,同时通过无线网络进行可靠传输,智能处理捕获的信息,真正实现物与物的沟通.物联网被认为是继计算机、互联网、移动通信之后的新一代信息产业化浪潮,深刻影响着人们的生活、工作方式,目前已在智能家居、环境监测、工业监控等领域成功应用.

在教育部首批战略性新兴产业相关本科新专业中,物联网工程相关专业建设是信息技术与社会需求发展的必然要求,同时为计算机教育和计算机应用型人才培养提供了新的方向.该专业旨在培养能系统掌握物联网相关理论和技能,具备通信、网络、传感技术等专业知识的高级工程技术人才.截止到2012年秋,全国经教育部批准开设物联网工程专业的本科院校有135所.目前,物联网工程相关专业的课程设置、培养模式、实验配置、教材建设等内容尚处于探索和完善阶段,同时,物联网技术领域需要的从业人员数量急剧上升.

由于在技术特点方面,物联网是互联网、无线网络、嵌入式软件、传感器技术的集成和整合,重点涉及高频技术和通信协议栈等核心技术,对从业人员的知识储备和实践能力要求较高.但目前,国内相关专业多专注于单项技术的培育,对上述多种技术的聚合存在较大欠缺,需要根据物联网技术的特点,对其课程内容进行升级和扩容.

TCP/IP协议分析是计算机网络、通信相关专业的专业课,也是物联网工程专业的核心课程之一.作为计算机网络原理的后续课程,该课程侧重于讲述TCP/IP协议族的基本原理和核心技术,使学生对网络互连的原理有更深刻的认识.对于物联网,核心技术已由传统的互联网转向无线网络和无线通信,如zigBee无线网络协议和IPv6协议.因此,对于物联网工程专业,TCP/IP协议分析不仅要讲述经典TCP/IP协议,更要侧重物联网环境下的无线网络协议.显然,要对TCP/IP协议分析的教学模式进行改革,使其满足物联网工程专业的培养需要.

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1.教学现状分析

TCPflP协议分析的主体是对TCP/IP协议族中各层协议的详细介绍,增强学生对TCP/IP协议复杂机理的直观理解.根据作者实践教学总结,目前该课程存在如下问题.

1.1 授课内容偏重理论,与先期课程重叠过多

TCP/IP协议分析的核心是TCP/IP 4层模型及相关通信方式、时序等规则,一定程度上与计算机网络原理课程重复,单纯的理论阐述会导致学生失去兴趣.此外,抽象讲解各种协议的实现细节容易重复,如每个协议的组成部分几乎一致,简单重复很容易使学生感觉枯燥.

1.2 教学内容单一,缺少源代码分析

通过分析TCP/IP的源代码,有助于观察协议实现细节,深化对协议的理解,提高网络编程与内核开发技能,使学生具备根据需求修改协议栈的基本能力.然而,在实践教学中我们发现,绝大多数TCP/IP协议分析教材集中于对协议的抽象分解,如采用示意图的方式描述帧的封装过程,在实验教学中多采用数据包捕获软件分析协议的运行机理.这样无法使学生真正理解网络协议,将实际网络协议的修改和应用与源码的实现细节进行有效结合,造成理论与实践应用脱节.以帧的封装为例,Linux下数据包的统一数据结构为“struct sk_buff”,所谓的封装和解封是该结构体中头尾2个指针的移动,这个机制简单,但充满了技巧,如果不阅读源代码,理论和应用之间始终存在隔阂.对于已经引入Linux TCP/IP协议栈源代码的教师来说,如何有效组织上万行的协议栈源代码是重要问题.在教学中抽取出具有代表性的代码段,需要根据不同学生的基础条件反复凝练,还要兼顾学生的学习热情,激发自主学习意识.

1.3 几乎不涉及无线网络理论的讲授

现行教材几乎全部以经典IPv4为授课内容,部分教材扩展到IPv6,对网络层以下涉及甚少,基本默认以IEEE 802,3标准(以太网)为例阐述.而在近些年的实际应用中,无线网越来越成为业界的技术亮点,各种成熟的网络产品纷纷延伸至无线网平台.无线网标准主要以IEEE 802.11和802.15为代表,在实现细节以及协议规则方面与以太网有较大差别,为提高传输效率,在网络层和传输层需要有相应的改变.通用的IP和TCP协议显得过于冗余且针对性不强,无法应对无线网高容量、短延时、低速率的应用需求.这就决定了现有教学内容无法直接应用于物联网工程专业.同时,现有的绝大多数实验组网设备不适宜无线网络架构,因此,无法提供这方面的实验平台.此外,无论是经典的LinuxTCP/IP代码分析,还是无线网络协议的理论学习,均缺乏相应的操作性强的实验指导教材,这也不利于学生的学习和理解.

2.教学模式改革

依照物联网工程专业的培养目标,TCP/IP协议分析课程改革遵循“应用为先导、工程为特色、实践能力为培养重点”的教学理念,按照如下思路进行实践.

2,1 应用驱动型的启发式教学模式

根据物联网的应用特点,明确“TCP/IP协议分析”课程以应用为驱动,促进学生从应用的角度学习.教师有意识地根据物联网不同的技术需求,引导学生对经典的TCP/IP协议知识进行重构,从而培养富有探索精神的思维模式和创新精神. 在具体教学中,以Linux协议栈代码分析为主,TCP/IP协议的大多数原理在先导课程“计算机网络原理”中已经教过,所以课堂教学一半时间讲述理论细节,其余时间辅以代码分析.例如,Linux平台下“struct sk buff”作为数据包的统一结构体,涵盖了经典协议栈里的诸多选项,此时,我们除了引导学生对代码进行分析外,还应启发学生思考如何删减和添加哪些选项,才能保证实现无线网络高容量、短延时等应用要求.然后以ZigBee协议为代表,抽选出该协议下的帧结构以及相应的实现代码,并以此展开ZigBee协议的若干细节,比如NPDU中载荷选项的构成、序列信息的作用以及半径域选项的意义.通过对比学习,学生们可以轻松地过渡到物联网技术氛围.又如,Linux平台下传输层的主要实现函数为“tcp v4 do rcv( )”,主要工作是遍历后备队列链表,将合适的数据包添加至完成队列,并作校验.教师除了带领学生对此函数进行详细分析外,还要指出zigBee协议中传输层功能很小,甚至已经合并到网络层,引导学生思考原因,以及哪些功能可以保留,哪些是冗余,并对比经典TCP协议的滑动窗口机制,分析物联网应用环境下应如何实现拥塞控制.再如,在经典TCP/IP协议中,路由是IP层的核心功能,常用的路由协议如OSPF、RIP等多考虑广域网的情况,但在物联网应用中,这些协议显然都不适合.此时我们引导学生思考,如何通过在路由选择格式、地址转换计算、算法的实时性、安全性等方面的调整,以指定适宜短距离无线通信的路由选择协议.尽管一两节课的时间不足以将改进的细节讨论完善,但通过这样的学习,使学生既达到了掌握经典TCP/IP协议理论的目的,也明白了物联网与常用网络协议的异同,为课下自学以及后续课程的学习打下良好的基础.


2.2 理论与工程产品相结合的教学方法

TCP/IP协议内容庞杂,涵盖面广,协议细节繁琐,根据教学实践,如果直接照本宣科,学生容易厌倦,教学效果不好.对于物联网工程专业的学生,我们在授课时加入了大量的无线网络理论,加大IPv6讲授部分,这些内容在“计算机网络原理”课程中一笔带过,实践中学生的反响非常强烈,听课兴趣明显增加.例如在网络层的授课内容中,我们加入了配置无线网网关的内容,首先从实际无线路由的网关配置演示,扩展到zigBee无线网关协议转换的实现,并给出了无线网关射频部分(物理层)接收到数据报文后进行有效载荷等选项的格式转换细节,直到最终交由802.3以太网网卡处理.数据最终还是返回到熟悉的以太网,但学生对无线网关的数据传输原理有了更深入的理解.

此外,我们在教学中增加了物联网相关工具箱的应用.目前主要使用ZigBee工具箱做教学对象.由于现在主流ZigBee工具箱体积小、便于携带,且都具备在线调试功能,因此很容易在课堂进行变量观察,对上述新添加的无线网的理论进行实时验证.同时,工具箱大多配备图形、汉字LCD显示器和各类语音接口,便于学生直观感受.此外,zigBee工具箱大多开放源代码,理论授课完全可以伴随代码分析.理论讲授、工具箱验证、代码分析构成了我们教学方法的“三重奏”.

2.3 仿真软件与编程实践相结合的教学手段

由于物联网系统需要配备多个传感器、无线网关和终端,设备成本较高,因此可采用以仿真软件为主的教学手段.目前我们主要采用NS2软件,可以方便地设定各类通信环境和不同的区域网络类型,构建虚拟的无线与有线耦合的通信网络模型,可以观察不同协议的运作流程.例如,我们采用NS2仿真zigBee协议体系中树形路由的分布式地址分配方式,构造了不同类型的无线网络节点接入方式,并可以得到直观的性能分析定量数据.基础实验以数据包捕获软件为主,这类软件有助于学生直观地了解协议实现细节,不用在开始就纠缠具体的代码.目前我们实验主要采用的是锐捷公司的协议分析器,界面简单直观,所支持的协议类型全面.此外,我们推荐学生在课余学习中使用Sniffer软件,这也是一款轻量级的捕获软件,便于安装在学生电脑中.

显然,单纯的捕获并分析数据包只能从宏观角度理解网络协议的原理,如想与物联网的应用性接轨,则应在实验教学中适当引入网络编程.这里的网络编程并不是指内核(协议栈)开发,而是指从应用层编程人手模拟部分协议.由于Linux内核编程的基础知识要求较多,而LinuxSocket编程易学易用,因此我们在教学中引入后者作为实验技术.例如,讲完ICMP协议后,我们会在课堂上讲授基于Linux c的ping程序的主干代码,然后在实验中根据无线网关和无线地址分配的机理,要求学生进行相应的修改.又如,讲完TCP的ACK、RST、SYN等报文格式后,我们利用Linux c编写端口扫描程序,并指导学生进行调试.引入Linux c网络编程的直接好处是,学生不再认为TCP8P协议分析是纯理论,产生了浓厚的学习兴趣,同时Linux c编程能力也得到了很好的锻炼.

3.结语

目前,物联网工程专业的课程建设尚处于起步和摸索阶段.对于该专业的每门课程都要以物联网本身的技术特点和应用需求作为导向,进行教学模式调整,这样才有助于实现该专业的培养目标.作为该专业的核心课程,TCPhP协议分析在今后的教学中不仅要完成经典网络协议原理的讲授,更要考虑无线网络的特殊需求以及对学生实践能力的培养.