突出专业特色和应用的计算机网络课程教学方法思考

张华 唐莹

[摘 要] 计算机网络在各领域发挥着越来越重要的作用，已成为电子大类专业学生的必修课。针对计算机网络课程内容大而全和电子大类专业学时紧张的问题，提出突出专业特色和应用的计算机网络课程教学方法，既讲授计算机网络的基本知识和重点知识，也为电子大类学生后续专业课程的学习奠定网络理论基础。

[关键词] 课程教学;计算机网络课程;电子大类专业

[作者简介] 张 华（1978—），男，重庆人，工学博士，上海工程技术大学城市轨道交通学院通信信号系副教授，主要从事储能系统及电动汽车电池管理系统、无线能量传输等电子自动化系统研究;唐 莹（1974—），女，江苏南通人，工商硕士，上海工程技术大学城市轨道交通学院实验师，主要从事城市轨道交通通信与信号控制研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）36-0261-02    [收稿日期] 2019-10-15

一、引言

随着计算机网络技术的发展及广泛应用，计算机网络在很多专业发挥了越来越重要的作用。对于轨道交通信号与控制专业，计算机网络在轨道交通领域有举足轻重的作用。基于通信的列车运行自动控制（CBTC）系统、列车自动监控（ATS）子系统等系统中，信号和信息数据的采集、存储、传输、交换都是基于庞大的计算机網络系统。

计算机网络课程不但是计算机大类专业的专业必修课，也成为电子大类专业的必修课。电子大类专业主要以电路设计、信号处理、通信、自动控制等为主，和计算机大类专业有明显差别。而计算机网络课程是针对计算机大类专业的一门专业课，对于电子大类专业的学生而言，不但学习内容大而全，而且侧重于计算机专业的专业术语，理论性较强。特别是电子大类中一些行业性很强的专业，例如轨道交通信号与控制专业，由于需要学习完整的行业知识体系，导致电子类课程学时被压缩。计算机网络课程仅仅作为一种应用技能，学生只需掌握相关的基础知识和基础理论。目前的计算机网络课程教材作为非计算机专业，侧重于轨道交通实践应用专业的教材，存在教材内容过多、难度较大，而且教材内容脱离轨道交通应用等诸多问题。

二、计算机网络课程教学方法改革

针对电子类专业和轨道交通信号与控制专业的特点，本文提出突出专业特色和应用的计算机网络课程教学方法改革建议。

（一）以CAN协议为重点，结合RS-232等电路常用协议，让学生重点掌握物理层和数据链路层协议

物理层确定与传输媒体的接口有关的一些特性，主要包括机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。以常用的串行通信接口标准RS-232标准接口（又称EIA RS-232）为例，RS-232接口标准对物理层有详细规范。

1.机械特性。RS-232通信标准中是以一个25针的DB-25针状连接头定义，但实际中包含简化版本共有DB-25、DB-15和DB-9等各种类型的连接器。在码元畸变小于4%的情况下，最大传输距离为50英尺（约为50米）。

2.电气特性。对于数据（信息码），逻辑“1”的电平为-3V～-15V，逻辑“0”的电平为+3V～+15V。对于控制信号，接通状态即信号有效的电平为+3V～+15V，断开状态即信号无效的电平为-3V～-15V。

3.功能特性。RS-232标准对主要引脚信号都进行了定义，如DB-9接口中2、3引脚功能分别是发送数据、接收数据。

4.过程特性。RS-232协议规定了通信的接收过程，以计算机和调制解调器之间的通信流程为例，包括：等待振铃指示（RI）发出ON信号、进入摘机状态、调制解调器就绪、监测数据载波监测（DCD）信号、全双工通信、链路拆除等过程。

CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，由国际标准（ISO 11898）规定。在轨道交通领域，CAN总线主要应用在短编组车辆（如低地板有轨电车车辆）上，在地铁列车系统中一般应用在无触点逻辑控制单元（LCU）系统、车辆运行监控系统、地铁车库温度控制、地铁站智能照明控制系统、地铁屏蔽门控制等辅助系统[1-5]。CAN总线包括应用层、数据链路层和物理层三层。

CAN的高性能和可靠性已被认同，可以在分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信。CAN总线编码采用非归零编码，通过位填充方式保证有足够的跳变沿用于同步。CAN总线访问采用非破坏性仲裁的载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）方法，有效避免了总线冲突。CAN的帧类型包括数据帧、远程帧、错误帧3种，数据帧（或远程帧）通过帧间空间与前述的各帧分开。对于超载帧，CAN在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间附加一段延时。CAN总线数据帧分为标准帧和扩展帧。CAN总线有可靠的错误检测和错误处理机制，可以检测位错误、填充错误、CRC错误、格式错误、ACK错误等错误，错误严重的情况下具有自动退出总线功能。CAN总线的校验及检错等措施保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用。

（二）结合物联网下位机编程，理解网络层和运输层协议

电子大类学生在单片机等嵌入式系统搭建物联网时，经常会用到以太网通信。以STM32F407单片机为例，在实现以太网通信时，该芯片内置MAC层相当于数据链路层，物理层采用PHY层芯片LAN8720，而轻型TCP/IP协议栈LWIP（Light Weight IP）提供网络层、运输层的功能。LWIP是轻量级IP协议，有无操作系统的支持都可以运行，LWIP实现的重点是在保持TCP/IP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，这使LWIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

（三）以行业实际应用为例，掌握应用层协议、计算机网络结构设计、各层设备的功能

计算机网络技术主要支撑轨道交通中信号的检测、存储、传输和交换，既包括有线通信信号的传输，也包括无线通信信号的传输，以及由此衍生的相应检测与维护、信息管理、信号控制等工程技术。这些计算机网络系统有别于传统的互联网计算机网络系统，是面向城市轨道交通的运行和管理，必须满足特殊需求并工作在特殊的环境之下。例如基于通信的列车运行控制（Communication Based Train Control，简称CBTC）系统包括控制中心設备、车站设备、轨旁设备、车载设备及网络通信设备五大部分。网络通信设备由有线网络设备与车地无线通信网络设备组成，负责CBTC系统各部分设备间的网络连接，其中控制中心设备、车站设备及轨旁设备通过有线骨干网进行连接，而上述三部分设备与车载设备间的通信通过沿线布置的车地无线通信网络设备实现。有线网络一般由商业级骨干网络（SDH、RPR等）或工业以太网交换机组成，采用环形网络结构。车地无线通信网络主要采用WLAN方案及LTE方案。

三、结语

如前面所述，在对电子大类专业学生讲授计算机网络课程时，应该结合各专业自身特点，突出计算机网络课程中对应的重点内容，这样既能保证专业知识的学习，又不增加专业学时。后续除了上述教学方法的改进外，还将依托以上海城市轨道交通线路上所使用的计算机网络系统及设备为原型进行实践教学，使其紧密契合以城市轨道交通信号与控制为背景的计算机网络系统设计和应用，覆盖现有的大多数城市轨道交通中的计算机网络系统和设备，以及轨道交通的最新计算机网络技术，同时提高学生的动手操作能力。

参考文献

[1]何昫.地铁车库温度控制系统设计[D].齐齐哈尔：齐齐哈尔大学，2016.

[2]刘光平.基于CAN总线的地铁屏蔽门控制系统研究[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2012，29（12）.

[3]陈苗.基于CAN总线的地铁站智能照明控制系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2016.

[4]王爽.基于CAN总线与以太网的地铁车辆运行监控系统研究[J].铁道机车车辆，2018，38（1）.

[5]胡涛.基于LCU的CAN总线技术在地铁车辆上的应用[J].电力机车与城规车辆，2018，（4）.