高校计算机网络基础课程大纲

高校计算机网络基础课程大纲计算机网络基础作为计算机科学与技术、网络工程、软件工程等专业的核心必修课程，肩负着构建学生网络理论认知、培养工程实践能力的关键使命。本大纲立足“理论筑基、实践赋能、素养养成”的教学理念，结合学科发展趋势与行业应用需求，系统规划课程内容与教学环节，为高校相关专业的课程建设提供参考范式。一、课程定位与先修要求（一）课程定位本课程面向大学二年级（或三年级）计算机类及相关专业学生开设，是衔接“计算机组成原理”“程序设计基础”等先修课程与“网络编程”“网络安全”等后续课程的核心枢纽。通过理论讲授与实践操作的深度融合，帮助学生建立计算机网络的体系化认知，掌握网络通信的核心原理与典型技术，为从事网络系统设计、运维、开发等工作筑牢基础。（二）先修要求学生需具备计算机系统基础（如操作系统进程管理、文件系统）、程序设计基础（如Python/C语言的基础编程能力）、离散数学（如集合论、图论）等先修课程的知识储备，以理解网络协议的逻辑设计、拓扑结构的数学建模等内容。二、教学目标（一）知识目标1.掌握计算机网络的分层体系结构（OSI七层模型、TCP/IP四层模型），理解各层的功能边界与协议协作逻辑；3.了解网络安全的基础概念（加密、认证、防火墙）、网络虚拟化（SDN、NFV）、边缘计算等新兴技术的发展趋势。（二）能力目标1.具备网络拓扑设计能力：能根据场景需求（如校园网、企业网）规划网络拓扑结构，选择适配的设备与协议；2.掌握网络故障排查技能：能通过抓包工具（Wireshark）分析协议交互过程，定位网络连通性、性能类问题；3.提升工程实践能力：能使用网络仿真工具（如GNS3、PacketTracer）搭建虚拟网络环境，完成协议配置、服务部署等实操任务。（三）素养目标1.培养系统思维：理解网络协议的分层协作逻辑，建立“全局-局部-细节”的问题分析视角；2.强化安全意识：认识网络攻击的典型手段（如DDoS、ARP欺骗），形成合规使用网络资源的职业素养；3.激发创新意识：关注6G、量子通信等前沿技术，思考网络技术对社会发展的变革性影响。三、知识模块与核心内容（一）模块一：计算机网络体系结构（6学时）教学方法：结合动画演示（如协议封装过程）、课堂辩论（“分层是否增加冗余？”），帮助学生理解分层的必要性。（二）模块二：物理层与数据链路层（8学时）物理层：传输介质（双绞线、光纤、无线信道）的特性与适用场景；编码调制技术（曼彻斯特编码、QAM）；信道复用技术（TDM、FDM、CDM）。数据链路层：帧的结构与封装过程；差错控制（CRC校验、ARQ协议）；MAC协议（CSMA/CD、CSMA/CA、令牌环）；以太网技术（以太网帧格式、VLAN原理）。实践结合：通过“网线制作与连通性测试”实验，让学生直观感受物理层传输；利用PacketTracer模拟以太网冲突场景，理解CSMA/CD机制。（三）模块三：网络层与路由技术（10学时）网络层：IP地址的分类与子网划分；IPv4/IPv6的地址结构与过渡技术；IP数据报的格式与分片机制；路由选择协议（RIP、OSPF、BGP）的工作原理与适用场景。路由技术：静态路由与动态路由的配置实践；路由表的生成逻辑与最长匹配原则；网络地址转换（NAT）的原理与应用。实践结合：在GNS3中搭建多路由器网络，配置OSPF协议并分析路由收敛过程；设计子网划分方案，解决企业网络的地址规划问题。（四）模块四：传输层与应用层（12学时）传输层：TCP与UDP的协议对比（可靠性、开销、适用场景）；TCP的三次握手、四次挥手、滑动窗口机制；UDP的校验和与应用层可靠性保障（如QUIC协议）。（五）模块五：网络安全与新兴技术（6学时）网络安全：对称加密（AES）与非对称加密（RSA）的原理；数字签名与证书的作用；防火墙的包过滤规则与NAT防火墙的工作机制；常见网络攻击（DDoS、SQL注入）的防御思路。新兴技术：软件定义网络（SDN）的架构（控制层、数据层、应用层）；网络功能虚拟化（NFV）对传统网络设备的变革；边缘计算与云计算的协同模式。教学拓展：邀请企业工程师分享“工业互联网中的网络安全实践”，拓宽学生的行业认知。四、实践教学体系（一）基础实践（4学时/项，共2项）1.实验一：网络拓扑搭建与连通性测试工具：PacketTracer/GNS3内容：使用交换机、路由器、PC机搭建星型/树型拓扑，配置IP地址与静态路由，通过ping命令验证网络连通性，分析ARP缓存表的生成过程。2.实验二：协议抓包与分析工具：Wireshark（二）进阶实践（6学时/项，共2项）1.实验三：动态路由协议配置工具：GNS3（含Cisco/Juniper模拟器）内容：在多区域网络中配置OSPF协议，观察路由表的生成与更新过程；通过调试命令（如`debugipospf`）分析协议报文交互，排查路由环路问题。2.实验四：网络服务部署工具：Linux服务器（Ubuntu/CentOS）内容：搭建Web服务器（Nginx/Apache）、DNS服务器（Bind9），配置虚拟主机与域名解析，通过公网访问验证服务可用性，分析服务部署的网络依赖。（三）综合实践（8学时）项目：校园网模拟与优化需求：为某高校设计校园网拓扑（含教学楼、宿舍、服务器区），满足1000+终端的接入需求，保障视频直播、在线教学等业务的QoS（服务质量）。任务分解：拓扑设计：使用Visio绘制拓扑图，选择三层交换机、核心路由器等设备；协议配置：部署DHCP自动分配IP，配置VLAN隔离广播域，使用QoS策略保障关键业务带宽；安全加固：配置防火墙规则，限制外部网络对服务器区的访问，部署ARP防护机制；汇报答辩：提交设计文档（含拓扑图、配置脚本、测试报告），并现场演示网络功能。五、考核评价体系（一）过程性考核（占比40%）1.实验报告（20%）：根据实验操作的规范性、问题分析的深度（如“为何TCP三次握手能防止重复连接？”）、创新拓展（如“改进实验方案以模拟5G网络特性”）进行评分；2.课堂表现（10%）：包括提问互动（如对协议设计的疑问）、小组讨论贡献（如在拓扑设计中的创意）、作业完成质量（如子网划分方案的合理性）；3.阶段性测验（10%）：每模块结束后进行小测验，题型涵盖选择题（概念辨析）、简答题（原理阐述）、分析题（如“给定网络拓扑，分析路由环路的成因与解决方法”）。（二）终结性考核（占比60%）1.期末考试（40%）：采用闭卷形式，题型包括：概念题（如“对比OSI与TCP/IP模型的异同”）；应用题（如“设计一个支持异地办公的VPN网络方案”）；分析题（如“结合Wireshark抓包结果，分析某网站访问缓慢的原因”）；2.综合项目答辩（20%）：根据项目的创新性（如引入SDN控制器优化拓扑）、实用性（如方案是否满足实际需求）、答辩表现（如对评委问题的应答逻辑）进行评分。六、教材与教学资源（一）核心教材1.《计算机网络（第8版）》，谢希仁著，电子工业出版社。（经典教材，理论体系完整，案例丰富）2.《TCP/IP详解卷1：协议》，W.RichardStevens著，机械工业出版社。（深入解析TCP/IP协议族，适合进阶学习）（二）辅助资源1.在线课程：Coursera《计算机网络：自顶向下方法》（由JimKurose等主讲，结合Python编程实践）；中国大学MOOC《计算机网络》（哈工大/电子科技大学等优质课程）。2.仿真工具：CiscoPacketTracer（免费版，适合基础拓扑搭建）；GNS3（开源，支持真实设备镜像，适合复杂网络模拟）。3.技术社区：StackOverflow（网络编程问题答疑）；知乎“计算机网络”话题（行业动态与技术解读）。七、教学实施建议（一）教学方法创新1.案例驱动：以“微信视频通话的网络过程”“双11电商平台的高并发应对”等真实场景为案例，拆解其中的网络技术（如UDP的QoS优化、CDN的缓存机制）；2.翻转课堂：提前发布预习资料（如“IPv6的地址格式与优势”），课堂以小组辩论、问题解决（如“如何设计一个抗DDoS的直播平台网络？”）为主；3.校企协同：邀请网络工程师参与教学，分享“运营商骨干网的运维实践”“云数据中心的网络架构”等行业经验。（二）差异化教学对学有余力的学生，推荐拓展阅读《计算机网络：原理、技术与实践》（陈鸣著），并布置“量子通信网络的协议设计”等研究