面向新一代网络的实验教学改革探索

面向新一代网络的实验教学改革探索

诸葛斌^[1]　 王伟明^[2]　 董黎刚^[3]

（浙江工商大学信息与电子工程学院）

摘　要：高校开设的网络课程，普遍存在“重理论、轻实践”的现象。我们认为面向新一代网络的实验教学，可以利用多核网络处理、ATCA架构和ForCES协议的开放架构网络处理技术来有效地培养学生的开发能力，使学生了解网络技术的最新发展，提高学生参加科技活动的兴趣和水平，从而培养出社会所需人才。

关键词：网络实验教学；新一代网络；开放架构

一、现状综述

在当今迅速发展的信息社会中，人们对通信的需求在不断增长，不仅需要更多的通信和获取信息的方式，还需要更高的通信质量，从语音到音频，从图像到视频［1］。随着网络技术的发展，国内各行各业对网络应用全方位人才的需求与日俱增，然而，高校中开设的网络课程普遍存在着“重理论、轻实践”的现象，网络课程一直存在理论与实践相脱节的现象。因此，建设网络实验室意义重大。能力的培养需要课堂教育和实验实践相结合。对于学校来说，建设一流的网络实验室将不仅有利于科研、教学，而且有利于提高学生的动手能力，进而增强他们在就业中的竞争实力。网络实验室的效益主要体现在促进教学，推动科研，提高学生综合能力和就业率等方面。

围绕网络专业培养目标，当前的技能培养体系主要由三方面组成：一是网络及系统集成，主要涉及网络规划设计、综合布线和弱电工程；二是网络及系统管理维护，主要关注网络管理和网络安全；三是网络设备系统研发和测试，主要包括网络设备（如路由器、防火墙）和网络应用（如网站、网络信息系统、多媒体终端）的开发及测试。网络技术的迅速发展需要大量综合具备这三方面网络技术的人才。目前，就业市场对具备开发和测试技能的高素质人才需求很大，而国内各高校在网络专业培养中，由于自身技术、实验场地等多种因素的限制，在对网络设备研发的培养能力存在瓶颈，学生对开发和测试普遍有畏难情绪。

二、实验教学改革探索

最近五年来，我们对于如何培养学生的开发能力进行了广泛而深入的探讨。我们发现如下几点。

首先，开发能力不能从课堂教学中获取，开发能力也不能从考证中获取。

其次，传统的方式——“给学生一台计算机，分配任务，然后让其自主编程”也不能很有效地培养学生的开发能力。大多数学生畏惧于编程中碰到的问题，而又不会主动向老师询问，进而对编程产生厌倦情绪。

我们认为，在培养学生开发能力需要把握以下几点。

一是让学生通过动手和实验，使其脑海里的抽象概念转化为具体的内容，真正意义上掌握开发所需要的基本原理。

二是遵循循序渐进的教学规律，通过教学软件和工具对学生进行渐进式的编程训练，分阶段获得独立自主开发软件的能力。

三是让学生能接触到业界最新的技术和设计理念，必须让教学内容紧紧地跟上新技术的发展。

新一代网络体系架构及相关技术是网络和通信领域中最重要、最活跃的研发内容之一。经过最近十来年的充分发展，开放架构已经被明确认定为新一代网络的主要技术之一。开放架构的目标是满足新一代网络设备标准化、模块化、高可靠性和可伸缩性这一趋势，并在保证性能的前提下尽量降低成本。开放架构网络本身也提供了一种很好的开放式实验教学模式，学生能够亲眼看到网络设备的内部复杂结构，深刻了解网络设备的工作原理，这与现有网络设备由于封闭结构导致学生无法看到内部清晰结构而只能想象其工作原理的方式形成鲜明对比。同时，本实验室实验内容将可以让学生很方便地搭出各种实际的路由器和交换机等，切实提高学生的开发技术。

为了实现开放性的网络设备，我们需要从以下几个方面来考虑，即高性能网络处理器、硬件平台的开放性和软件平台的开放性。高性能网络处理器主要体现在当前的多核网络处理技术，硬件平台的开放性体现在ATCA架构，软件平台的开放性主要体现在IETF推动的ForCES技术。下面我们对这三个方面的内容分别进行讨论。

作为嵌入式处理器的发展趋势，多核已经成为人们日益关注的焦点，它解决了单核处理器向高端发展面临的各种问题，必将给网络产品带来一个极大的性能提升，成为网络产品发展的一个里程碑。目前，路由器采用的芯片主要集中在通用单核、ASIC、NP和多核技术上，通用处理器尤其是单核处理器功能扩展容易，但是性能不足；ASIC芯片性能较好，但是研发耗资巨大，并且基本上不具备后期扩展能力；网络处理器在应对复杂处理时，缺点更是明显。以多核网络处理器为核心的新一代网络设备具备高性能和灵活性特点，较好地满足了未来网络和市场对网络设备的技术需求，具有巨大的发展空间。多核网络处理器是一种编程简单、针对市场需求升级容易，并能提供强大吞吐量的新一代网络处理器产品及解决方案［2］。

自支持硬件平台开放性的ATCA架构自2002年诞生以来，因其高速、稳定，以及最为广泛的开放特性，获得了运营商的关注和青睐。ATCA是专门为电信领域具有广泛价值链支持的多种机箱尺寸与配置的重复利用而设计的，可以满足接入、边缘和服务器市场的广泛需求［3］。电信设备制造商可以采用来自第三方厂商的可互操作和成熟的商业化（COTS）软硬件组件，从而为设备厂商缩短了开发时间；同时，采用开放性的平台后，设备厂商可以将工作重心从硬件开发转向为服务提供商设计多样化的中间件和软件，真正体现出设备厂商之间的差异化，以提供更多的增值服务。

支持软件平台的开放性的转发器和控制器分离（ForCES）［4］是基于开放可编程思想的新一代网络设备体系结构，For CES协议将网络设备分为控制件和转发件两大部分，用ForCES协议来实现各部件之间的协同和交互，从而提高网络设备系统的可伸缩性和可管理性，增强网络设备的扩展性和灵活性。ForCES网络设备的实质是把网络设备的软件和硬件在结构上分开，同时将接口和转发器内部模块标准化，进而使网络设备的设计成为一个积木化过程，同时可以由不同厂家生产控制器（软件为主）和转发器（硬件和底层软件为主），这种结构具有当前主要运用的封闭式控制网络设备结构所难以实现的众多优点。比如，允许网络设备功能的快速配置和重组，构建智能化的动态网络，大大加快和方便了网络升级及新业务的展开，降低了运营成本和风险；网络设备的控制件和转发件在产品层上分离，有利于排除垄断、增强良性竞争，同时专一化也可使产品升级加快，缩短新产品的上市时间。以上这些特点决定了ForCES网络设备能快速有效地为用户提供新业务，同时也能为运营商节约投资。

相对于传统路由器，采用多核技术、ATCA和ForCES架构，能够在同等制造成本的情况下，获得更高的性能以及更高的业务支持能力。

三、实验室建设

对于高等院校而言，核心的功能有两个：一个是科研，另一个是教学。开放架构网络处理技术实验室的建设对这两个功能的实现和完善都具有重要意义。开放架构网络处理技术作为最新技术，可以使学生了解网络技术的最新发展，满足业界对技术人才的需求；开放结构也提供了一种很好的实验架构，使学生能够看到网络设备内部结构，这与现有网络设备封闭结构导致无法看到内部原理形成鲜明对比，可以让学生深刻了解网络设备的工作原理，并方便搭出各种实际的路由器和交换机等，切实提高了学生开发技术，丰富了学生科技活动，强化了学生的学习兴趣，并最终促进学生在网络领域的就业能力；丰富了老师的知识面，提高教师的授课水准。面向教学和研究的开放架构网络处理技术实验室，通过在专业的实验室中进行各种前沿的实验，研究人员可以跟踪先进网络和通信及存储技术，开阔思路和眼界，提高科研水平。

通过前期的深入调研，为了搭建上述实验室，我们所需的核心设备是基于多核的网络处理器的ATCA刀片的软硬件开发环境，此外还需要其他搭建相关网络模拟环境的测试软硬系统。下面是拟购主要设备的内容：多核的网络处理器，我们选用Cavium公司推出的OCTEON系列处理器。Cavium Networks OCTEON多核MIPS64处理器提供了目前业界领先的高性能，适合于嵌入式网络通信、无线通信和存储系统等广泛应用。嵌入式操作系统选用全球领先的设备软件优化厂商风河系统公司的Linux操作系统。Wind River商用级Linux平台采用了一个最新Linux2．6内核技术为基础，并历经完整的测试与验证的Linux套装发布。风河Linux平台特别为Cavium Networks OCTEON多内核MIPS64处理器提供了多重并行处理（SMP）支持。相关的软件开发包包括ForCES协议中间件软件开发包、cavium的CDK、ADK和TCP／IP toolkit。其中For CES协议中间件开发包是进行ForCES架构实验的关键基础软件。

针对培养本科生、研究生学习网络领域最新研发技术的迫切要求，采购面向开放架构网络处理技术相关实验装置，开发新的实验教学内容和体系，构建我国高校中首个基于开放架构的网络处理技术教学实验室具有重要意义。本实验室建设将为网络专业面向新一代网络设备开发相关的专业课程提供实验条件，为老师提供先进的科研平台。

四、总　结

通过对现有的网络培养体系和网络发展的现状分析，我们对于如何培养学生的开发能力提出自己的看法：在面向新一代网络的实验教学中，如果利用结合多核网络处理、ATCA架构和ForCES协议的开放架构网络处理技术，将能有效地培养学生的开发能力。通过该实验室建设可以使学生了解网络技术的最新发展，提高学生参加科技活动的兴趣和水平。开放架构网络处理技术将为新一代网络技术的教学普及和高校的相关科研工作和学科发展起到巨大的作用。近几年来，我们在研究开放架构网络期间，已经毕业了五批开放架构网络技术的研究生，他们深受业界的欢迎。

参考文献

［1］电子信息产业调整和振兴规划［EB／OL］．http：／／news．xinhuanet．com／fortune／2009－04／15／content＿11191634．htm．

［2］Cavium OCTEON多核MIPS64网络服务处理器．http：／／eblog．chinabyte．com／cavium／237／2187237．shtml．

［3］ATCA在电信级路由中的设计重点．http：／／www．cnii．com．cn／20071008／ca439905．htm．

［4］Forwarding and Control Element Separation（forces）．http：／／www．ietf．org／dyn／wg／charter／forces－charter．html．

【注释】

[1]诸葛斌，副教授，博士，研究方向为信息与网络技术、嵌入式系统。

[2]王伟明，院长，教授，博士，研究方向为信息与网络技术、通信技术、分布式智能信息系统。

[3]董黎刚，副院长，副教授，博士，研究方向为信息与网络技术、分布式智能信息系统。