《基本交換技術(shù)》教學(xué)設(shè)計(jì).docx

1、基本交換技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)魏鵬摘要交換技術(shù)是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中將通信雙方終端連接起來的關(guān)鍵技術(shù)。本文以“交換技術(shù)”一節(jié)的內(nèi)容為例，探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法在現(xiàn)代通信網(wǎng)課程中的應(yīng)用。在方法論述中，以發(fā)現(xiàn)和解決問題為主線，提疑導(dǎo)思，引導(dǎo)學(xué)生理解基本交換技術(shù)的主要原理，提高學(xué)生利用現(xiàn)代通信網(wǎng)技術(shù)解決實(shí)際問題能力。關(guān)鍵詞交換技術(shù);教學(xué)設(shè)計(jì);學(xué)習(xí)興趣基金項(xiàng)目天津市高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目“基于N連續(xù)的旁瓣抑制技術(shù)在多載波系統(tǒng)中的研究”（2018KJ211）作者簡(jiǎn)介魏鵬（1986-）,男，山東人，博士，天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)槎噍d波傳輸技術(shù)。中圖分類號(hào)G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1674-932

2、4（2020）35-0329-02收稿日期2019-10-16一、課程簡(jiǎn)介現(xiàn)代通信網(wǎng)是電子信息科學(xué)與技術(shù)和電子科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)必修課。通過對(duì)現(xiàn)代通信網(wǎng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的基本原理、基本構(gòu)成、相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)算法和技術(shù)，了解現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r和未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。了解并掌握通信協(xié)議和路由選擇協(xié)議，熟悉網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部業(yè)務(wù)分析的方法。熟悉和掌握電話通信網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)這兩個(gè)典型現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本原理及有關(guān)知識(shí)，并以此為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加對(duì)當(dāng)前新技術(shù)的介紹，使得學(xué)生能夠?yàn)槲磥砀钊氲木W(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。二、教學(xué)目的（一）知識(shí)目標(biāo)：掌握電路交換、報(bào)文交換和分組交換這三種交換技術(shù)的基本原理;區(qū)分三

3、種交換技術(shù);理解交換技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景;掌握分組交換中虛電路和數(shù)據(jù)報(bào)兩種方式的基本思想。（二）能力目標(biāo)：能夠運(yùn)用交換技術(shù)解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決網(wǎng)絡(luò)交換問題的能力。（三）情感目標(biāo)：體會(huì)交換技術(shù)用于網(wǎng)絡(luò)連接的技巧，提高學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)解決實(shí)際問題的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲。三、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)（一）創(chuàng)設(shè)場(chǎng)景，提出問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣。交換技術(shù)在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起到了橋梁性的作用，有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。下面以一個(gè)經(jīng)典實(shí)例來引入交換技術(shù)。在沒有引入交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中，為了保證網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)直接通信，需要每對(duì)節(jié)點(diǎn)間都有直連的鏈路，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)狀網(wǎng)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中一共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么網(wǎng)狀網(wǎng)

4、所需線路數(shù)量為N（N-1）/2。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，所需鋪設(shè)線路的數(shù)量按照N2急劇增加，增加了網(wǎng)絡(luò)成本，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜。如何降低網(wǎng)絡(luò)線路鋪設(shè)的成本？同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量？提出問題，以提疑導(dǎo)思，啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為了解決這個(gè)問題，首先從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，將網(wǎng)狀網(wǎng)的形式變換成星型網(wǎng)，將網(wǎng)絡(luò)所需鋪設(shè)的線路數(shù)量降為N,那么在這種情況下，交換設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中處于什么位置？起到的作用又是什么？進(jìn)一步提出問題，激發(fā)學(xué)生的思考。交換設(shè)備處于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中間位置，與所有節(jié)點(diǎn)相連，主要作用是連接所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)保證了節(jié)點(diǎn)間能夠相互通信。那么交換設(shè)備采用

5、了什么技術(shù)來保證高效通信呢？由此，引出三種基本交換技術(shù)的概念。（二）由易到難，分類探究交換技術(shù)的概念。交換的含義可從兩方面來理解：1.從物理連接的角度看，交換也稱為“轉(zhuǎn)接”，即把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使兩條線路聯(lián)通起來。2.從通信資源的分配角度看，交換就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源。按處理信號(hào)的方式交換技術(shù)分為電路交換、報(bào)文交換和分組交換三種方式：電路交換是在通信網(wǎng)中在任意兩個(gè)或多個(gè)用戶終端之間建立電路臨時(shí)連接的交換方式，臨時(shí)連接獨(dú)占一條電話通路并保持到連接釋放為止;報(bào)文交換也稱電文交換或文電交換，報(bào)文就是用戶擬發(fā)送的完整數(shù)據(jù)，在報(bào)文交換中，信息以報(bào)文為單位進(jìn)行“存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)”

6、式的交換;分組交換在形式上仍采用報(bào)文交換的“存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)”技術(shù)，但信息傳輸不以整個(gè)報(bào)文為交換單位，而是將一份長(zhǎng)報(bào)文分解成若干等長(zhǎng)的“段”，每一段報(bào)文加上一個(gè)首部，該首部包含交換時(shí)所需要的呼叫信息、尋址信息等控制信息，形成一個(gè)規(guī)定格式的交換單元。這個(gè)規(guī)定格式的交換單元通常稱為“報(bào)文分組”，簡(jiǎn)稱“分組”或數(shù)據(jù)包。（三）深入探索，分類探究交換技術(shù)的工作原理。為了便于學(xué)生理解工作原理，依據(jù)電路交換、報(bào)文交換和分組交換間依次改進(jìn)的關(guān)系，結(jié)合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的示意圖，首先闡明電路交換的原理。電路交換經(jīng)歷三個(gè)階段：建立連接、通信和釋放鏈接。因?yàn)殡娐方粨Q需要首先建立連接，所以其屬于電路資源預(yù)分配系統(tǒng)。在建立連接后，電

7、路資源預(yù)分配給一對(duì)用戶使用，不管電路是否空閑，電路一直被占用著，直到通信雙方有一方要求釋放連接為止。然而，在電路交換中電路的接續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，電路利用率低，不適用于電報(bào)、資料、文獻(xiàn)檢索等數(shù)據(jù)信息的傳輸。為了克服電路交換在這一應(yīng)用場(chǎng)景下的缺點(diǎn)，引出報(bào)文交換。報(bào)文交換的工作原理基于“存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)”。報(bào)文到達(dá)某一節(jié)點(diǎn)先把信息存儲(chǔ)下來，然后根據(jù)報(bào)文中的目的地址，在網(wǎng)絡(luò)中尋找下一跳的端口，將要發(fā)送的報(bào)文送到輸出電路隊(duì)列中去排隊(duì)等候，依次將信息發(fā)送給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述過程直至到達(dá)目的地，從而形成源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信息通路。但是，長(zhǎng)的報(bào)文交換容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變長(zhǎng)，時(shí)延變化的情況更加復(fù)雜，不利于交互型實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，另

8、外，增加了對(duì)設(shè)備的要求，尤其是對(duì)長(zhǎng)報(bào)文的存儲(chǔ)提出了更高的指標(biāo)。分組交換技術(shù)綜合利用了電路交換和報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)，保證了高效快速的通信需求，解決了報(bào)文交換的痛點(diǎn)。在分組交換中，根據(jù)控制和管理通過交換網(wǎng)的“分組”流不同，分組交換分為：數(shù)據(jù)報(bào)方式和虛電路方式。1.數(shù)據(jù)報(bào)方式：每個(gè)分組作為一個(gè)獨(dú)立的信息實(shí)體，自帶尋址信息，在節(jié)點(diǎn)交換機(jī)中以盡快傳送出去為目的，通過尋址傳給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不需要接收端的響應(yīng)。2.虛電路方式：首先，在源與目的主機(jī)間建立一條邏輯連接，即虛電路（不是一條物理電路，而是表明兩個(gè)通信主機(jī)之間雙向透明的完整的數(shù)據(jù)流路徑）。然后，分組沿已建立的虛電路交換源與目的主機(jī)間的數(shù)據(jù)。最后，信息交互完

9、成，通信結(jié)束斷開連接。從現(xiàn)象上看，虛電路方式于電路交換相同，都經(jīng)過了建立連接、通信和釋放鏈接三個(gè)階段，但本質(zhì)上，虛電路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在經(jīng)過所有節(jié)點(diǎn)交換機(jī)時(shí)仍然需要進(jìn)行“存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)”的操作，它只是邏輯上與電路交換相同，物理上是不同的。（四）三種交換技術(shù)比較。為了更直觀的比較電路交換、報(bào)文交換和分組交換的優(yōu)缺點(diǎn)，便于學(xué)生在實(shí)際場(chǎng)景分析時(shí)能夠快速獲得關(guān)鍵信息，本文從信道占用、通路使用、通路維持、數(shù)據(jù)傳輸基本單元、初始建立過程、存儲(chǔ)、節(jié)點(diǎn)時(shí)延、數(shù)據(jù)速率適用性、對(duì)過載的反應(yīng)、線路利用率、帶寬分配辦法、額外開銷、計(jì)費(fèi)方式等方面綜合比較各交換技術(shù)的特性。因報(bào)文交換與分組交換原理類似，下面綜合比較電路和分組交換

10、。電路交換：提供一次無間斷信道，物理占用信道;猾占通路;要求通路維持占據(jù)從建立到釋放的整個(gè)通信過程;數(shù)據(jù)傳輸基本單元是報(bào)文;有初始建立過程;不需要存儲(chǔ)報(bào)文;無節(jié)點(diǎn)時(shí)延;具有單一、恒定、就低的數(shù)據(jù)速率適用性;對(duì)過載的反應(yīng)表現(xiàn)為呼損（當(dāng)一方用戶忙碌或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重時(shí)，呼叫用戶的電話機(jī)出現(xiàn)呼叫不通的現(xiàn)象）；線路利用率低;采用靜態(tài)的帶寬分配辦法；網(wǎng)絡(luò)沒有額外開銷；計(jì)費(fèi)方式按時(shí)長(zhǎng)。分組交換：不獨(dú)占物理信道，而是占用邏輯信道;共享物理通路;在整個(gè)通信過程中不需要維持通路;數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧欠纸M;數(shù)據(jù)通信前，不需要初始建立過程;節(jié)點(diǎn)交換機(jī)需要存儲(chǔ);具有處理時(shí)延;不同路徑具有不同的數(shù)據(jù)速率;對(duì)過載的反應(yīng)表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增加;線路利用率高;動(dòng)態(tài)的帶寬分配方法;網(wǎng)絡(luò)需要額外開銷;按流量方式進(jìn)行計(jì)費(fèi)。綜合來看，電路交換因其低時(shí)延和透明傳輸?shù)奶匦裕沟闷湓诜忾]的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中仍然具有廣泛的應(yīng)用。而在開放共享的網(wǎng)絡(luò)中，需要高效的分組交換技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。四、小結(jié)本文以“交換技術(shù)”一節(jié)內(nèi)容為例，探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法、類比學(xué)習(xí)法在現(xiàn)代通信網(wǎng)課程中的應(yīng)用。利用問題互動(dòng)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生分析網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的能力，以提疑導(dǎo)思激發(fā)學(xué)生的探索欲望，引