《基本交换技术》教学设计
时间：2021-02-05 02:00:30 来源：达达文档网 本文已影响 人 
魏鹏
[摘 要] 交换技术是现代通信网络中将通信双方终端连接起来的关键技术。本文以“交换技术”一节的内容为例，探究发现式教学法在《现代通信网》课程中的应用。在方法论述中，以发现和解决问题为主线，提疑导思，引导学生理解基本交换技术的主要原理，提高学生利用现代通信网技术解决实际问题能力。
[关键词] 交换技术;教学设计;学习兴趣
[基金项目] 天津市高等学校基本科研业务费资助项目“基于N连续的旁瓣抑制技术在多载波系统中的研究”（2018KJ211）
[作者简介] 魏 鹏（1986—），男，山东人，博士，天津工业大学电子与信息工程学院讲师，研究方向为多载波传输技术。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）35-0329-02 [收稿日期] 2019-10-16
一、课程简介
《现代通信网》是电子信息科学与技术和电子科学与技术的专业必修课。通过对现代通信网的学习，使学生能够掌握现代通信网络的基本原理、基本构成、相应的实现算法和技术，了解现代通信网络的发展状况和未来通信网络发展的趋势。了解并掌握通信协议和路由选择协议，熟悉网络内部业务分析的方法。熟悉和掌握电话通信网和数据通信网这两个典型现代通信网络系统的基本原理及有关知识，并以此为基础，适当增加对当前新技术的介绍，使得学生能够为未来更深入的网络学习打下基础。
二、教学目的
（一）知识目标：掌握电路交换、报文交换和分组交换这三种交换技术的基本原理;区分三种交换技术;理解交换技术的应用场景;掌握分组交换中虚电路和数据报两种方式的基本思想。
（二）能力目标：能够运用交换技术解决实际问题，培养学生分析和解决网络交换问题的能力。
（三）情感目标：体会交换技术用于网络连接的技巧，提高学生利用网络交换技术解决实际问题的兴趣，激发学生的求知欲。
三、教学内容与教学设计
（一）创设场景，提出问题，激发学生学习新知识的兴趣。交换技术在现代通信网中起到了桥梁性的作用，有着广泛的应用场景。下面以一个经典实例来引入交换技术。在没有引入交换技术的网络中，为了保证网络中的所有节点直接通信，需要每对节点间都有直连的链路，这种网络结构称为网状网。假设网络中一共有N个节点，那么网状网所需线路数量为N（N-1）/2。当网络中节点数增加时，所需铺设线路的数量按照N2急剧增加，增加了网络成本，导致网络资源浪费严重，而且会使得网络变得更加复杂。如何降低网络线路铺设的成本？同时保证网络的服务质量？提出问题，以提疑导思，启发学生思考，激发学生的学习兴趣。为了解决这个问题，首先从网络的拓扑结构入手，将网状网的形式变换成星型网，将网络所需铺设的线路数量降为N，那么在这种情况下，交换设备在网络拓扑结构中处于什么位置？起到的作用又是什么？进一步提出问题，激发学生的思考。交换设备处于网络拓扑结构的中间位置，与所有节点相连，主要作用是连接所有网络节点同时保证了节点间能够相互通信。那么交换设备采用了什么技术来保证高效通信呢？由此，引出三种基本交换技术的概念。
（二）由易到难，分类探究交换技术的概念。交换的含义可从两方面来理解：1.从物理连接的角度看，交换也称为“转接”，即把一条电话线转接到另一条电话线，使两条线路联通起来。2.从通信资源的分配角度看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。按处理信号的方式交换技术分为电路交换、报文交换和分组交换三种方式：电路交换是在通信网中在任意两个或多个用户终端之间建立电路临时连接的交换方式，临时连接独占一条电话通路并保持到连接释放为止;报文交换也称电文交换或文电交换，报文就是用户拟发送的完整数据，在报文交换中，信息以报文为单位进行“存储—转发”式的交换;分组交换在形式上仍采用报文交换的“存储—转发”技术，但信息传输不以整个报文为交换单位，而是将一份长报文分解成若干等长的“段”，每一段报文加上一个首部，该首部包含交换时所需要的呼叫信息、寻址信息等控制信息，形成一个规定格式的交换单元。这个规定格式的交换单元通常称为“报文分组”，简称“分组”或数据包。
（三）深入探索，分类探究交换技术的工作原理。为了便于学生理解工作原理，依据电路交换、报文交换和分组交换间依次改进的关系，结合点对点连接的示意图，首先阐明电路交换的原理。
电路交换经历三个阶段：建立连接、通信和释放链接。因为电路交换需要首先建立连接，所以其属于电路资源预分配系统。在建立连接后，电路资源预分配给一对用户使用，不管电路是否空闲，电路一直被占用着，直到通信双方有一方要求释放连接为止。然而，在电路交换中电路的接续时间较长，电路利用率低，不适用于电报、资料、文献检索等数据信息的传输。为了克服电路交换在这一应用场景下的缺点，引出报文交换。
报文交换的工作原理基于“存储—转发”。报文到达某一节点先把信息存储下来，然后根据报文中的目的地址，在网络中寻找下一跳的端口，将要发送的报文送到输出电路队列中去排队等候，依次将信息发送给另一个节点，重复上述过程直至到达目的地，从而形成源节点到目的节点的信息通路。但是，长的报文交换容易导致网络时延变长，时延变化的情况更加复杂，不利于交互型实时业务，另外，增加了对设备的要求，尤其是对长报文的存储提出了更高的指标。
分组交换技术综合利用了电路交换和报文交换的优点，保证了高效快速的通信需求，解决了报文交换的痛点。在分组交换中，根据控制和管理通过交换网的“分组”流不同，分组交换分为：数据报方式和虚电路方式。1.数据报方式：每个分组作为一个独立的信息实体，自带寻址信息，在节点交换机中以尽快传送出去为目的，通过寻址传给下一个节点，不需要接收端的响应。2.虚电路方式：首先，在源与目的主机间建立一条逻辑连接，即虚电路（不是一条物理电路，而是表明两个通信主机之间双向透明的完整的数据流路径）。然后，分组沿已建立的虚电路交换源与目的主机间的数据。最后，信息交互完成，通信结束断开连接。从现象上看，虚电路方式于电路交换相同，都经过了建立连接、通信和释放链接三个阶段，但本质上，虚电路上传输的数据在经过所有节点交换机时仍然需要进行“存储—转发”的操作，它只是逻辑上与电路交换相同，物理上是不同的。
（四）三种交换技术比较。为了更直观的比较电路交换、报文交换和分组交换的优缺点，便于学生在实际场景分析时能够快速获得关键信息，本文从信道占用、通路使用、通路维持、数据传输基本单元、初始建立过程、存储、节点时延、数据速率适用性、对过载的反应、线路利用率、带宽分配办法、额外开销、计费方式等方面综合比较各交换技术的特性。因报文交换与分组交换原理类似，下面综合比较电路和分组交换。
电路交换：提供一次无间断信道，物理占用信道;獨占通路;要求通路维持占据从建立到释放的整个通信过程;数据传输基本单元是报文;有初始建立过程;不需要存储报文;无节点时延;具有单一、恒定、就低的数据速率适用性;对过载的反应表现为呼损（当一方用户忙碌或网络负载过重时，呼叫用户的电话机出现呼叫不通的现象）;线路利用率低;采用静态的带宽分配办法;网络没有额外开销;计费方式按时长。
分组交换：不独占物理信道，而是占用逻辑信道;共享物理通路;在整个通信过程中不需要维持通路;数据传输的基本单元是分组;数据通信前，不需要初始建立过程;节点交换机需要存储;具有处理时延;不同路径具有不同的数据速率;对过载的反应表现为网络时延增加;线路利用率高;动态的带宽分配方法;网络需要额外开销;按流量方式进行计费。
综合来看，电路交换因其低时延和透明传输的特性，使得其在封闭的网络场景中仍然具有广泛的应用。而在开放共享的网络中，需要高效的分组交换技术来实现数据通信。
四、小结
本文以“交换技术”一节内容为例，探究发现式教学法、类比学习法在《现代通信网》课程中的应用。利用问题互动环节，提高学生分析网络场景的能力，以提疑导思激发学生的探索欲望，引导学生用所学的知识进行分析，经过课堂讨论，得到有效的结论，从而提高学生利用现代通信网技术解决实际网络问题的综合素质。
参考文献
[1]黄淑华.“计算机网络”课程考试改革与实践[J].考试周刊，2016（99）：1-2.
[2]李雅丽，王静燕，李永江.《现代交换技术》课程教学研究与实践[J].数码世界，2015（12）：66-67.
