如何开设无线网络技术课程?

许多高校的网络工程专业正在和计划开设“无线网络技术”课程,由于是一门新兴课程,会遇到许多困难和挑战。这里结合我们自己的经验体会,简要探讨和分析,抛砖引玉,和高校同仁一起建设好这门课程,共同促进专业发展。

眼下,部分现有工程教育课程知识陈旧,与实践和社会需求脱节。新工科教育正在积极酝酿和付诸行动,对课程内容知识提出了紧跟技术发展的要求。同时,工程教育认证正在全国各校陆续展开,不断强化人才培养中工程实践能力的重要性。

 

具体到网络工程专业,风光的表象背后也存在隐忧。譬如专业新生一进门,就被循循善诱“本专业致力打造高端网络管理人才”。殊不知,最高端的网管工程师莫过于思科CCIE,眼下在校生即使千辛万苦拿下CCIE证书,毕业起薪甚至不如普通Android程序员,十几二十年前曾经的无限风光不复往矣。诚然,CCIE的知识基础深度肯定超过普通Android程序员,归根结底,是社会需求的变化使然。这对网络工程专业人才培养提出了挑战。

先定义一下,这里说的“无线网络技术”是独立于传统“计算机网络”的一门新兴课程,课程名称也可称为“无线网络”、“无线网络与应用”等。

当前网络愈加体现出“中心高速化、边缘无线化”的特点,即大量服务器主机逐步向数据中心迁移,而客户机和接入终端越来越多采用无线接入,下一步的万物互联、泛在网络、边缘计算将更加体现出无线连接的特点。

1. 现有网络工程专业(方向)的核心课程设置方案

各校网络工程专业培养方案中的人才培养目标基本相近,如“能系统地掌握计算机与网络知识,具备网络规划与建设、网络应用与开发、网络安全与管理的能力,从事网络相关领域工作的高素质(应用型)专业技术人才。”

再看各校网络工程专业(方向)的课程设置,除去工科公共课(数学/电子技术等)、计算机专业基础课(数据结构/操作系统/计算机组成等)、与通信交叉的专业课(数据通信原理)、与信息安全交叉的专业课(网络安全/密码学)、与软件工程交叉的专业课(网络应用开发等),能体现“网络”特性的专业核心课程一般有如下几门:

(1)计算机网络,作为重中之重,通常都要强化,核心是IEEE 802.3和TCP/IP;
(2)网络管理,围绕TCP/IP协议栈,介绍相关网络管理协议、MIB库等;
(3)网络工程设计与系统集成,基于IEEE 802.3和TCP/IP,介绍网络规划、设备配置、综合布线等;
(4)协议分析与设计,介绍和分析IEEE 802.3和TCP/IP各种主流网络协议;
(5)TCP/IP协议原理,主要是TCP/IP核心知识的扩展和深入。
上述课程主要围绕IEEE 802.3和TCP/IP展开,前者面向局域网物理层和数据链路层,后者则关注互联网架构的网络层、传输层和应用层。
 
2. 开设“无线网络技术”课程的意义

轻舟已过万重山!不经意间,网络工程专业的上述核心课程中,不少知识内容已被技术发展远远甩开了,换言之,已经落伍了。。。

譬如IEEE 802委员会专门负责制定网络物理层和链路层协议标准,最近十几年,其主导网络技术飞速发展,但却不再侧重有线网802.3,而是无线局域网802.11、无线个域网802.15、无线城域网802.16、无线车载网1609等技术标准。

再看ISOC主导的TCP/IP,早在20年前,IPv4/v6地址、OSPF路由和HTTP应用等协议即已成熟,而IPv6在传统互联网上始终步履艰难。但随着物联网时代到来,多跳无线传感网各种协议、6LoWPAN地址适配、RPL路由、CoAP应用协议等已经和即将投入实用。

此外,电信运营商主导的蜂窝移动通信网络,即2G/3G/4G/5G,已抢占了原本属于传统有线网络的很大一部分应用和市场空间。

20年前,即计算机网络发展初期,无线网络只是计算机网络技术的一个内容分枝。而现在无线网络已足以与传统有线网络并驾齐驱,在突破线缆束缚之后,移动互联网、物联网、泛在网络等领域不断涌现各种创新应用。可以不夸张地说,无线网络技术的应用范畴、影响力、发展潜力等堪比当初的互联网技术。

传统有线网络技术内容基本成熟,而无线网络技术发展迅速,应用广泛,加之类型繁多,学生应当在课堂上加以系统学习,这一观点已得到越来越多教师的认可。网络工程专业(方向)开设“无线网络技术”课程已是势在必行,而且应将其作为核心课程。
 
3. 目前“无线网络技术”课程开设的现状

不完全统计,全国一共2500余所高校,其中1200多所本科院校和独立学院,1300多所高职高专院校。已设置网络工程本科专业的有300多所,设置计算机科学与技术本科专业的达700多所,其中许多计算机科学与技术专业下分设网络工程方向。保守估计,仅本科层面,设置网络工程专业和方向的高校超过400家。如果考虑高职高专的相近专业,数量更为庞大。

而“无线网络技术”课程的开设面还远远不足,我们测算,以上设置网络工程本科专业(方向)的高校中,约30%左右已开设“无线网络技术”课程,其他专业如通信工程、物联网工程、电子工程等,也有少量高校开设了相关课程。目前一般均以选修课为主,学生覆盖面还较为有限。

相信未来几年,绝大多数网络工程专业(方向)都将陆续开设,并得到重视。
 
4. “无线网络技术”课程设置和内容建议

课程重点围绕各种主流无线网络技术和应用,学生将系统掌握无线网络的主要基础知识,深入学习和领会多种主流无线网络协议的工作原理和功能、无线网络协议仿真技术、无线网络应用系统的设计开发方法等专业知识。

课程主要面向三四年级本科生/一年级研究生。从我们实际授课经验看,学生反映:最好能在大二下学期学习“计算机网络”课程,在大三上学期学习“无线网络技术”课程,这样就可在大三阶段开展无线网络相关的学生科研项目、科技作品开发、相关学科竞赛等,便于学生大三后期和大四的复习考研和就业实习。
关于学时安排,我们建议理论学时为32左右,实验根据各校实际情况自定,建议安排16-32实验学时。

配套教材请看《无线网络技术教程》(第3版,清华大学出版社,2017年3月)。
理论教学内容包括:无线通信基础知识、无线局域网、无线城域网/无线广域网/蜂窝网络、卫星网络和空天信息网络、无线自组织网、无线传感网、无线个域网、物联网、无线车载网和智能交通、无线体域网、无线室内定位、无线智能家居网、无线网络安全等。

实验教学分为仿真和实测两部分:仿真指针对不同无线网络,进行各种无线物理/MAC/路由/传输/应用/安全等协议的仿真测试;实测则面向信号测量、组网管理、分组分析、通信传输、组建较大规模户外传感网、卡读写、体域网、室内定位等。

必须强调,本课程的实测实验,不应只是简单演示和重现,而是在无线网络和物联网应用领域,结合实测场景,进行必要的设计、开发工作,这对培养学生的动手开发能力非常重要。为此,我们也提供了丰富的教学资源予以有效支撑。

实际上,目前绝大多数网络工程专业(方向)的学生只具备网络设备系统的管理与维护能力,但缺乏相应的网络系统软硬件设计、开发能力。这对毕业生的择业范围、薪资水平和职业发展空间均有不小的负面影响,尤其是各种网络系统越来越智能化,运维岗位数量和需求并不乐观。眼下,通信工程专业毕业生的一大去向是运营商的运维岗,但不争的事实是运维岗位不断优化调整,薪资却不见起色。也正如本文开篇所说,网工毕业生的网管岗位薪资远不及程序员,需要引起广大专业教师深思。
 
5. 开设“无线网络”课程的技术准备

先看师资力量,通常原主讲“计算机网络”等课程的任课教师经过适当学习培训后,补充适量的无线通信和硬件知识,可完全胜任“无线网络技术”课程的讲授。对IT各专业来说,每一次大的技术更新也同步引领专业教师知识能力的自我提高和完善。实际上,目前许多网络工程专业(方向)教师的科研工作内容中,已有很多涉及无线网络。而各种学生课外创新实践项目中,也越来越多涉及无线网络技术。可以说,这种技术准备已比较充分。

再来看实验环境,这一点非常重要。传统有线网络实验立足桌面PC,以操作交换机/路由器设备、捕获分析数据包、设计分析应用协议等为主。尽管也有网络设备管理、网络规划和布线等少量硬件类操作,但总体上,其面向桌面和软件的特点非常明显。而无线网络实验涉及十余种不同技术类型,对场地、环境、设备等各有要求,更多体现出嵌入式软件和硬件的特点。如何有效实施,确是一个挑战。

基于“仿真+实测”的实验思路,我们设计了完整的“无线网络和物联网实验教学系统”,主要特点如下:

(1)提供完整丰富的各种无线网络协议仿真实验,有效对应各章节理论知识点。
(2)尽量减轻教师负担,教师主要负责理论课教学,学生可自主独立完成全部实验操作,提供全套实验操作视频,便于学生模仿参照,利于实验效率和质量。
(3)教师不必自建实验环境,设计成规范统一的“多功能无线网络和物联网实验箱”,纳入所有器材,彻底消除开展实验的前置困难。
(4)所有硬件器材和软件系统均提供有效的保修和维护,确保顺利开展实验教学。
(5)便携式实验箱适宜各种开放性和户外实验,鼓励学生将实验箱带出实验室,自行灵活安排时间,如在寝室完成各种设计性实验、二次开发和学生科研。
(6)建设无线网络实验教学社区,共享各种文档/视频/代码资料等,便于各校师生交流探讨,提高教学过程和学生能力培养的效率。
 
6. 结语

无线网络早已无处不在,万物互联时代也在呼之欲出,而网络工程专业(方向)的核心课程知识如果还仅停留在有线网络、802.3局域网和传统TCP/IP协议上,却未包含无线网络技术知识,显然已不合时宜。

眼下高校还必须关注的一个重要数据是00后适龄入学人口只有80后的六成多,可以预期,未来的高校招生即将进入买方市场,专业间竞争将更为激烈。站在整个IT大潮的风口上,网络工程专业(方向)的课程内容更要与时俱进,才能符合社会需求。