计算思维在计算机网络知识中的应用探讨

孙勤红 沈凤仙

摘要：计算思维是人类思维的重要组成部分，培养学生的计算思维能力是计算机教学的重要目标之一。本文结合周以真教授提出的计算思维，针对计算机网络的教学实际，分析了网络协议、IP地址和网络数据处理等内容，提出了在计算机网络知识中分层和分解，共享和冲突处理等计算机思维的使用。

关键词：计算机网络;计算思维;分层

中图分类号：TP393-4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0215-02

美国卡耐基·梅隆大学周以真教授提出的计算思维，运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的系列思维活动，是与逻辑思维和实证思维并列的三种科学思维模式之一，占有非常重要的地位。周以真教授认为计算思维是一种能力，这种能力通过熟练地掌握计算机科学的基础概念而得到提高。这些能力主要包括：约简、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象、分解、建模、预防、保护、恢复、冗余、容错、纠错、启发式推理、规划、学习和调度等[1]。同时，ACM前主席Denning在《伟大的计算原理》概念分类提出了7个类别：计算、通信、协作、记忆、自动化、评估和设计[2]。在实际使用中，很多思維都在被广泛应用。其中分层和分解是解决复杂问题时常用的思维。为了解决问题，两种思维均会设立多个相互合作的模块。在计算机网络中，计算思维也被广泛使用。

1 计算思维分层和分解在计算机网络协议中的应用

分层和分解的思维在现实生活中广泛使用，在一个学校校长、副校长、学院院长、教研室主任和教师等分层模式，使得管理井井有条。在计算机网络中，分层和分解体系也同样被用在很多的方面。如网络的通信协议、IP地址等。

1.1 网络通信协议

在计算机网络中，网络通信协常用的为TCP/IP协议。TCP/IP协议是目前世界上应用最为广泛的协议，它是一组协议的代名词，还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。TCP/IP通信协议采用了4层的层级结构，每一层都有特定的作用，呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

（1）应用层：应用层为最高层，是应用程序间沟通的层。将数据传递给传输层，传输层协议将数据排序成消息或字节流，以利于在网络上传输。

（2）传输层：传输层的主要功能是在互联网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接。传输层的两个重要的协议TCP和UDP，为应用层提供可靠、有序的数据传送，并将其传输到下一层中。

（3）网络层：主要处理来自传输层的分组发送请求、处理接收的数据报，还要处理互连的路由选择、流控与拥塞问题。此层负责提供基本的数据封包传送功能，让每一个数据包都能够到达目的主机，如IP协议。

（4）物理层：也是最底层，定义如何使用实际网络（Ethernet、令牌网等），任何一种低层传输协议都可以与网络层结构。允许主机接入网络时使用多种协议。

具体看，网络协议按层划分，每一层都有特定的职责。每一层内部设计多种网络协议共同履行该层的职责，如应用层有HTTP、Telnet、FTP等多种协议。下层屏蔽掉不同类别物理网络的实现细节，从而为上一层提供统一的服务接口。这种分层思想，在现实生活中也经常被采用。

1.2 IP地址的两级结构

IP地址由网络号和主机号两部分构成，这样做可以简化分组的转换过程，采用了分步实现的思路。将IP地址划分为网络号和主机号两个级别，便将分组转发过程分解为两个步骤。第一步，根据网络号分组传送到目的主机所在的网络;第二步，到达目的网络后再根据主机号将分组转发给目的主机[3]。

1.3 路由选择

在网络传输过程中，路由的选择是非常重要的，有相应的路由算法，路由器在进行转发时，只需要关注网络号，所以路由表的规模得以大大地缩小。这样设计降低了路由器对存储空间的需求，而且加快了分组的转发速度。

转发时，同样采用了分布的方法。将从发送端到接收端的完整路径划分为若干段。路由器在收到分组后，根据分组中的目的地址将其转发给予相邻的某个路由器。路由器不用了解分组转发的完整路径，只需要关心分组的下一个目的地即可。

2 计算思维共享与冲突避免在计算机网络中的应用

在计算机设计中，共享思维使用的非常多，如所有的计算共享一个CPU，共享打印机，三网合一等等。在计算机网络中，共享也被广泛使用。共享的目的是提高使用率，降低成本，提高性价比。但在共享的同时，会引起冲突的状况，比如一个CPU正在处理一个进程时，突然出现了另外一个进程也需要处理，这就要发生冲突了。所以，在共享软硬件资源的同时，要更好的避免冲突的发生，避免出现拒绝服务和错乱的情况。

2.1 多路复用技术在网络中的使用

在网络传输数据的过程中，一根网线可以只给一个用户提供数据的传输，也可以给一栋楼的用户使用，如果是主干道，是给一个城市、一个省份提供数据的传输，这就是共享。如我们常说的带宽，是在数据总流量中拿出一定的流量如（10M、100M）等供某个用户或单位使用。

信道复用主要根据传输信号的不同分为频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用和码分多路复用等。频分多路复用是使用不同的频带，如广播中常说的某某台为多少MHZ，即这个频率固定为这个台使用，用于与其他台区分和混淆。波分多路复用与频分多路复用非常类似，不过传送的信号为光信号。

时分多路复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个用户占用固定的帧。每个用户所占用的帧都是按照一定的周期重复出现的，所以不会发生冲突。在CPU的分配原理中，使用时依据时间片对需要提供服务的进程进行处理，这样每个进程都能够进行处理，这充分体现了共享。但由于进程的重要程度不同，所以处理的优先级别不同，在一定程度上能够有效的避免冲突。

2.2 网络数据传输过程中的冲突处理

在使用计算机时，会产生各种冲突，如计算机名称重复产生冲突，MAC地址重复，IP地址重复等。以太网为例，常用的介质访问控制方法为具有冲突检测的载波监听多路访问。当两个数据帧同时被发送到物理传输介质上，并完全或部分重叠时，就发生了冲突。当冲突发生时，物理网段上的数据都不再有效。因此，当以太网的规模增大时，就要采取措施来控制冲突的扩散。将采用网桥和交换机将网络分段，将一个大的冲突域划分为若干小冲突域。在进行传送时，交换机将各个端口连接的网络分割成各自独立的冲突域，能够同时提供多个独立通信信道，比传统的多端口集线器提供更好的带宽。

同时在传送时大多采用存储转发机制，交换机在转发前必须接收整个数据帧，并进行错误校验，如果没有错误则将这一数据帧发往目的地，如果要传送的数据太多，则排队等候处理，有效的处理了数据传输中的冲突。

3 总结和展望

在生活中，通常会将一个大问题分解为许多小问题逐一解决和实现，如盖一栋大楼先打地基、设计图纸、施工、装修等等一系列规划和实现。为了节约资源，共享也随处可见，但伴随而来的是冲突，所以如何处理冲突也显得格外重要，如图书馆的书籍属于公共资源，但是同一本书又无法被两个人借走[4]。再如购票系统，一样要处理冲突。

计算机系统设计中广泛使用计算思维，不断在计算机网络中使用，在计算机信息处理、算法设计、程序设计、数据库管理等多方面都在使用。在本文阐述中仅对计算机网络的部分知识结合计算思维进行分析，实际中涉及计算思维的更多方面，如简约、并行、冗余和恢复等都有使用。

参考文献

[1] 余大品.計算思维教学改革宣言[J].中国大学教学，2013（7）：7-10+17.

[2] 教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.大学生计算机基础课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社，2016.

[3] 刘喜平.面向计算思维的大学计算机基础[M].科学出版社，2018.

[4] 刘军.面向计算思维的程序设计教学实践[J].计算机教育，2015（14）：116-118.

Discussion on the Application of Computational Thinking in Computer Network Knowledge

SUN Qin-hong，SHEN Feng-xian

（Sanjiang university，Department of Computer Science and Engineering，Nanjing  Jiangsu  210000）

Abstract：Computational thinking is an important part of human thinking， and training students' computational thinking ability is one of the important goals of computer teaching. Based on the computational thinking proposed by professor Zhou Yiqun， this paper analyzes the contents of network protocol， IP address and network data processing based on the teaching practice of computer network， and proposes the use of computer thinking such as stratification and decomposition， sharing and conflict processing in computer network knowledge.

Key words：computer network; Computational thinking; layered