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计算机专业教育中人文素质教育的引入 摘要：本文首先提出计算机专业学生应达到的专业素质要求，然后论述了目前计算机专业教育中存在的缺陷，以及为弥补这些缺陷需要在专业教育中引入人文素质教育的必要性，最后提出了培养计算机专业学生人文素质的几条途径。关键词本文来自：计算机毕业网 ：计算机专业教育；人文教育；素质教育计算机学科来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，这样的学科特点容易使学生误以为在计算机专业学习的内容中不需要加强人文素质的训练。然而人文素质的缺乏，将直接导致学生综合素质的低下，即使掌握了计算机科学的全部知识，个人发展仍是不完善、不协调的，将来也难以成为适应现代社会和行业挑战的合格IT人才。下面笔者就在计算机专业教育中引入人文素质教育的问题谈谈自己的见解和体会。1 计算机专业学生的专业素质要求我国的计算机专业起源于上世纪50年代末期的“计算装置与仪器”和“计算数学”，在计算机学科发展的初期，数学、电子学、高级语言和程序设计是支撑学科发展的主要专业基础知识；到70年代末期，形成“计算机及应用”和“计算机软件”专业，数据结构与算法、计算机原理、基本逻辑、编译技术、操作系统、高级语言与程序设计、数据库系统原理等不断成熟并形成完整的体系，成为了学科的主要专业基础知识。从20世纪80年代开始，随着学科的深入发展，并行技术、分布计算、网络技术、软件工程等开始成为人们关注的内容，直到1994年，这个学科被称为“计算机科学与技术”。从这门学科的发展历史可以看到，计算机专业教育的教育模式和内容随着时代的进步一直在改革和发展，顺应计算机行业的发展要求，计算机专业的学生应该具备以下专业素质：(1) 需要极强的逻辑思维和分析能力。计算机学科的三个基本学科形态是理论、抽象、设计，这些在计算机专业课程的学习中会得到充分的体现，因此要学好计算机专业，学生需要锻炼自己的逻辑分析和抽象思维能力。(2) 需要严谨求实的科学精神。计算机科学具有客观性、严密性和精确性，学生在学习的过程中只有抱着严谨治学、实事求是的科学态度，才有可能把握这门学科的实旨。(3) 需要不囿陈见的创新精神。(4) 需要相互协作的团队精神。无论是从事软件开发，还是进行科学研究，个人的能力是有限的，除了具备扎实的专业功底和诚实的敬业精神，以大局为重、与他人进行顺利的专业交流和沟通也是必不可少的。2 当前计算机专业学生的素质缺陷当前的计算机专业学生普遍存在以下素质缺陷：(1) 缺乏专业热情很多学生在刚开始专业学习时就很不适应枯燥的理论演绎和缜密的逻辑推理，沉重的课程负担更是让很多学生失去了对专业的兴趣和热情。缺乏专业热情已成为了学生学好专业的绊脚石，面对专业，没有斗志、没有激情，学习是被动的，没有主动的汲取和探究，不可能迸发出智慧的火花，这种学习在当时是没有成效的，长久看也是不能受用的。(2) 专业能力不过硬很多计算机专业毕业的大学生走上工作岗位后，既不能动手又不能动口，大事做不来，小事又不做，业绩平平，无所作为，其主要原因之一，就是专业能力太弱，根本不能独挡一面。这些学生在学校学习期间就没能够培养良好的专业能力，毫无“专长”可言，出了校门后，不能适应社会环境和实际工作的需要。(3) 个人发展不完善很多计算机专业的学生在走上工作岗位之后，发现教育并没有就使他们能够很好地适应社会和工作，主要表现为：不能对自己进行准确地定位，缺乏敬业精神，甚至缺少职业道德，如不负责任地频繁跳槽；缺少积极的生活态度；不善于与人交流沟通；知识面狭窄，欠缺社会、道德伦理、文史、环境生态等知识；缺乏严谨求实的科学态度和勇于探索的进取精神。 3 计算机专业教育必须辅以人文素质教育由于计算机学科的特点，计算机专业的学生在努力学习专业知识和训练专业能力的同时往往忽略了个人素质的培养，这使得相当一部分学生成为了缺乏专业素质和职业精神的“单条腿走路者”。他们无法将自己的专业知识转化为专业力量贡献给社会，也无法在现有的技术上进一步创新开拓。现实生活中黑客的不断侵袭、计算机病毒的肆虐、黄色网站的出没，都无一不警醒我们：这些人能够掌握计算机技术，他们的智商是勿庸置疑的，但他们低下的道德水平、淡漠的社会责任感以及畸形发展的个人成就感，又使得人们要质疑教育的成败。在已经历了半个世纪发展的计算机专业教育中出现这些不和谐音，正与学生人文素质的缺乏直接相关。计算机专业教育需要辅以人文素质教育。人文素质教育传授的不仅是一套知识体系，而且还是一种精神。人文素质教育通过文化、艺术、道德伦理等知识提高学生的人文素养，进而潜移默化培养学生的人文精神，即执着地追求理想世界和理想人格，追求个人自身的完善，谋求个性解放，坚持理性，反对迷信和盲从。当学生个人的伦理观、人生观、世界观和价值观不断改正和升华后，在从事专业学习、专业研究和专业实践时，无论处于顺境或逆境、遇到成功或挫折，他们都会抱着健康积极的态度，选择正确有益的方式去对待。4 培养人文素质的途径如何在看似枯燥、机械的计算机专业教育中融合人文素质教育呢？这对专业教育的教学安排、教学内容以及教学方式都是一个极大的挑战，需要改变思想、更新观念，在传统教学模式的基础上做到更丰富、更灵活、更多变。(1) 在教学过程中传达计算机文化的内涵计算机文化是指由于计算机的发展和广泛应用而带来的文化特质、文化丛和文化系统的形态变化。任何一门科学知识的产生和发展都离不开一定的社会背景，更离不开科学家们的执着追求，科学在创造物质文明的同时也创造了精神文明，计算机科学也不例外，因此在计算机知识的教学内容中并不乏人文精神内涵，教师应该充分挖掘专业课本中的人文内涵，向学生充分展示计算机科学的“0-1”魅力，引领学生看到的不应只是印刷在书本上的理论知识，还要让学生领略更广领域里和更深程度上的计算机科学文化，充分调动学生的专业学习热情和兴趣，培养学生对科学的执着追求精神。要将计算机知识置于“文化”的背景下进行讲学，教师自身应该具有较高的计算机文化素养，教师要热爱这门学科，拥有广博的计算机知识，有自己的眼光和见解，教学才会具有影响力和感染力，才会让学生对计算机科学知识产生向往，学生才会采取主动的和多渠道的方式获取知识，这样的学习才是有效和深刻的。(2) 培养学生自学和质疑的习惯计算机科学发展迅猛，新知识、新技术层出不穷，学生学习计算机知识绝对不能只限于课堂和课本。面对计算机行业内不断涌现的新变化以及市面上五花八门的专业书籍，学生必须具备自主学习的能力，充分学习课本和课堂以外的专业知识。同时，一直在不断地更新和发展的计算机理论和技术，也说明了不断发现问题和解决问题的必要性。因此，学生在学习中要善于思考，要带着问题学习，而不是死记硬背、全盘接受，这样才能有疑问，然后在学习中寻找解决疑问的方法，解决了疑问，这样的学习就有突破，知识的掌握就能上一个层次。因此在平时的教学中教师要教会学生思维，教会学生质疑，鼓励学生大胆提问，激励学生自己解决问题。培养学生自学和质疑的习惯，有助于提高学生独立处理问题和分析问题的能力，有助于启迪学生的创造思维，培养学生的创新精神。 (3) 在实践课程中培养学生的人文素质计算机专业教育中的实践课程是对学生运用所学知识解决实际问题能力的训练，在实验中学生通常会遇到困难和失败，这时教师应该鼓励学生积极接受困难的考验，并引导学生排除实验中出现的错误，这样既提高了学生分析和解决实际问题的能力，又锻炼了学生百折不挠的顽强毅力。学生的创新意识也可以在实践课程的训练中得到培养。教师可以多安排些灵活多变的实验内容，以研究的态度引导学生分析问题，积极鼓励学生发挥个人的聪明才智去大胆创新，得出各人不同的实验方法。对于一些好的创新和实验成果进行评分和展示，以激发学生的创新热情。此外，教师还可以安排学生分组完成实验内容，同一组的每个学生既分工明确，又互相协作，大家在交流与合作中共同完成实验任务，使学生在学生时代就树立团队意识，培养与他人沟通交流、合作协调的能力。(4) 改进人文学科课程的教学方法人文学科课程的教学要坚决摒弃简单的“灌输”、“说教”和“训导”的方式。因为人文知识所期待的并不只是简单的掌握和应用，而是期望能够引起学生真正的关注和反思。因此，有效的教学方法应该是“讨论”、“实践”和“反省”。在讨论中，讨论各方的立场得以展现，在实践中感受人文素质和人文精神的价值，在反省中发现内心的矛盾与冲突。只有这样，人文课程的教学才能够克服抽象和空洞无力的弊端，人文知识才能从“专业的知识”变成“一般的知识”，才能从学生记忆的负担变成滋养学生心灵和人性的“维他命”。5 结语在专业课教学中融入人文素质教育，培养学生的人文精神，提高学生的综合素质，是当今教育发展的要求。计算机科学不断发展变化，只有具有高综合素质的专业人才才能满足社会的需求，这就需要计算机从业人员具有完善的自身素质：积极向上的生活态度、善于合作沟通、高度的专业热情、扎实的专业基础、严谨求实的科学态度和勇于探索的创新精神，这一切都离不开人文素质的培养。 参考文献1 Tony Greening主编. 麦中凡等译. 21世纪计算机科学教育M. 北京:高等教育出版社,2001.2 杨叔子. 现代大 摘要：近几年高职院校的专业定位和课程设置中存在的问题越来越突出。本文通过对比我国高职院校和美国社区学院二年制计算机专业的课程设置，提出我国高职院校计算机专业在课程设置方面存在的主要问题和相应的解决方案。关键词本文来自：计算机毕业网 ：高职；计算机专业；课程设置1引言计算机专业是我国高等学校用以培养高素质高技能IT技术人才所设置的专业，主要是以培养具有高技能的应用型人才为目的。然而，众多高职院校设立的计算机专业在课程设置方面普遍存在如下问题：1) 专业定位不准确。培养的学生缺乏基本的软件开发能力，大多只能承担简单的计算机操作类型工作。 2) 课程设置种类较多，导致深度不够，难以适应高技能工作岗位的需要。3) 适合高职教育特点教材少。多数教材重理论轻实践。4) 人才培养模式落后。大多偏向理论传授，培养学生实际工作能力的少；无法紧跟技术快速发展，无法向学生传授先进技术。本文以计算机专业游戏开发方向的课程设置为主线，探讨了目前我国高职院校计算机专业与美国社区学院二年制教育在课程设置方面的主要差别，提出了我国高职院校课程建设的若干建议。2课程设置问题分析我国计算机专业的毕业生，尤其是高职高专的毕业生中，从事非本专业工作的人数众多，直接导致了我国现在有50万之多的软件人才缺口，而且仍然在以每年20%的速度增长，其中尤以应用型软件人才缺口最为厉害，造成了教育资源的巨大浪费1。这主要是因为我国目前高职高专院校计算机专业的课程设置不尽合理，学生在校所学到的多是一些基础理论和简单操作的能力，缺乏较高水平的技能，尤其是软件开发技能。作者调查了美国一些著名社区学院*的计算机应用相关专业的课程，发现它们普遍具有两大特点。一是专业定位明确，特色鲜明。美国社区学院二年制教育的专业方向一般只有一个，所有课程都围绕着该方向展开教学。表1所示是Camden社区大学二年制游戏设计与开发专业的主要课程设置2。该专业总共设置24门课程。表1所列出的是与专业相关的主干课程，其中涉及程序设计和游戏设计的课程有5门，游戏开发中用到的图像、多媒体和特效技术涉及的课程有9门，总课时量达到了828学时。在专业课的设置方面，没有一门是偏离或者与游戏设计无关的。与此相反，我国高职院校的计算机专业常常是方向众多，而某个方向的专业课程常常不超过5门。表2是我国某高职院校网络游戏设计与开发专业的课程设置情况，作者按课程性质进行了归类，总共34门课程。从表2可以看出，培养方案中没有提到的手机游戏竟有4门之多，游戏经营类也有5门。该专业至少涉及到了网络游戏开发、手机游戏开发和游戏运营三个方向，而每个方向的支撑课程不超过5门，与Camden社区大学同类专业相比，显得缺乏深度。二是授课难度层次分明，美国社区学院二年制的专业教育一般是先介绍基础性理论，然后就某个系统或开发工具作深入的讲解，通常一门专业课程分几个阶段讲授，由浅入深。例如美国Camden社区大学游戏设计与开发专业的游戏设计与开发课程 (Game Design & Development) (见表1) 分三个阶段开设：首先介绍游戏的基础理论，包括游戏的播放、策略和各类游戏的发展史，让学生对游戏有一个基础的但较为全面的了解；其次，培养学生开发游戏所需要的设计和技术能力，主要是游戏开发软件的使用；最后，让学生结合社会上游戏开发的工作机会，真正的去完成一个个游戏项目，这些内容与实际紧密结合，让学生所学的知识在走出社会后马上能投入应用。而我国的多数高职院校由于开设的门次多，导致每门课程都是点到即止，难以进行深入的了解，形成了毕业生“什么都学过，什么都懂得不多”的尴尬局面。如表2所示，该专业本意是要培养网络游戏开发的高级应用型技术人才，但是其中的两门课程“网络游戏的服务器端编程”和“网络游戏客户端的编程”实际上讲授的是网络编程中所涉及的一些协议层的问题。也就是说，在整个开课计划中只有一门Windows游戏编程课程，该课程试图解决游戏编程的一切问题，而这显然是不够的。3课程建设建议针对我国高职院校计算机专业课程设置目前存在的问题，笔者认为在课程建设方面必须做到以下几点。3.1教育管理部门必须下放专业课程设置的自主权目前，我国高等院校的培养方案和专业的主干课程多数受到上级教育管理部门限制，各高校的自主权相当有限，最终导致各高校的专业课程都大同小异，没有什么特色。而国外的教育管理部门通常都不干涉高校的课程设置，只是给出了一些指导性的意见。3.2注重培养教师教学水平，尤其是实践工作的能力由于短期内教师供不应求，许多高职院校迫不得已聘用了大量刚毕业的大学生，他们普遍缺乏实践经验。而又因薪酬等问题难以招聘到好的具有实践经验的教师。因此，各高职院校应该注重培养本校教师，提高教师水平，从而带动教材的相关建设，也才能够在课程的深度上有所建树。3.3充分调查了解本地的人才需求状况高职院校主要是为地方经济建设服务的，因而专业的设置和课程的开设(直接影响到专业的方向) 都必须以地方经济和人才需求为导向。4小结目前我国高职计算机专业的教育存在着诸多问题，其中最为关键的是专业定位和课程设置。经过比美国社区学院二年制和我国高职院校游戏设计与开发专业课程设置的研究，作者认为：1) 我国高职院校应提升专业定位的准确度，创建自己的专业特色。2) 课程设置应以专业定位为导向，向纵深方向挖掘，提升学生的技能水平。3) 注重本校教师的培养，带动教材建设和课程建设。 参考文献1 汤琳. 软件人才50万缺口谁来填补N. 上海商报，2010-03-19.2 comdan county college. 2006-2010 course programsEB/OL. http:/www.camdencc.edu/academics/progguide.htm 摘要：本文论述了计算机专业本科生实践创新能力的培养方法和教学经验。在实践教学环节中，教师必须充分发挥基础实践课程教学和学生课外实践创新活动的作用，在实践教学过程中要采用常规教育和个性化培养相结合的方法来全面提高学生的实践创新能力。关键词：实践教学；创新能力；个性化培养1引言实践创新能力是本科人才培养质量的重要指标。实践教学作为高等教育教学体系的重要组成部分，越来越受到人们的重视。计算机专业实践教学目标不仅是通过实践教学使学生加深对理论知识的理解掌握，还在于锻炼学生的硬件系统设计和程序开发能力，培养学生的创新精神和实践能力。在计算机专业本科实践教学环节中，必须根据计算机专业本身的特点，采取一套科学的、有效的实践教学模式与方法，来全面提高学生的实践创新能力。2充分发挥本科生实践课程教学作用是培养学生实践能力的基础2.1科学的实验课程体系是培养学生基础实践能力的前提为了贯彻教育部4号文件精神，加强对学生创新精神和实践能力的培养，我院积极推进实践教学体系改革。计算机专业实践教学改革的重点之一是实验课程体系的建设。我院从培养学生基础实践能力和创新能力出发改革了硬件实验课程体系。主要措施有：(1)丰富实验内容，增加了设计性和综合性实验的比重，注重培养学生的设计能力和综合实践能力。(2)改进实验手段，采用先进的实验技术，科学的实验方法，提高实验教学效果。(3)优化实验教学手段，在实验教学过程中充分利用网络和多媒体资源，实现网络化的实验运行管理，实验课堂上注重“教”、“学”合一，从而提升了实验课程教学效果。目前，我院的硬件实验课程体系具有鲜明的特点。硬件实验课程以“软硬件实验环境一体化、实验平台综合化、实验内容系统化”为指导思想，独立设课。共设立四门计算机专业本科生实验课程：数字逻辑、计算机部件、计算机组成和微机接口实验。新的课程体系的特点是：嵌入式技术成为新的课程体系的核心内容；从第一学期到第七学期硬件实验不断线，层次逐步提高，实验内容衔接连贯。实践证明，学生在实验课程教学中，充分锻炼了自己的基础实践能力。整个实验课程体系的科学性为培养学生基本实践能力奠定了良好的基础。2.2高素质的实验教师队伍是培养学生基本实践能力的保证计算机行业的发展尤为迅速，各种技术突飞猛进，对计算机专业人才的要求越来越高。因此，对本科实践教学质量和实验教师素质的要求也越来越高。在传统的实验教学模式中，实验教师偏重于实验设备管理和维护，对于实验项目设计和学生实验指导相对欠缺，这些都不利于培养学生基础实践能力。要提高本科生实践教学质量，必须提高实验教师队伍的素质。实验教师应该积极投入到实验项目开发、实验教材编写和学生实验教学的工作来。目前，我院实验教师队伍逐渐呈年轻化，高学历化趋势发展，多数实验教师具有硕士及以上学历或者中级以上职称。实验教师队伍整体素质提高了，才能更好的完成本科生实验课程教学工作，才能为本科生实践创新能力培养提供保证。2.3灵活高效的实验课程教学过程是培养学生基本实践能力的关键在实践教学中需要一些好的实验教学技巧和经验来提高实验教学效果。为了着重培养学生的基础实践能力，在实践教学过程中，需采用师生互动、因材施教的方法。具体的措施有：(1)实验内容能够灵活设置。由于实验内容丰富，必做实验项目中内容部分可选，学生可根据自己的兴趣选择具体的实验内容。在实际教学过程中，教师可以在实验大纲的允许范围内，根据学生自身特点灵活地调整实验内容和难度。(2)在实验手段上，既保留传统实验手段，又要引入前沿的实验手段，使学生更加全面地掌握计算机专业的开发技术。在满足实验要求的前提下，鼓励学生利用常规的实验方法完成实验的同时，还要充分发挥自己的设计能力，采用其他不同的实验方法完成实验。例如，计算机组成实验中，学生可以利用原理图的方法，也可以利用硬件描述语言的方法来设计基本模型机。这样既保证大多数学生能够得到基本的锻炼，也保证了一些能力较高的学生得到进一步提高的机会。(3)为了更好的发挥实验课程教学效果，要采取以学生为主体，师生互动的教学方法。教师指导学生实验，并听取学生的想法和意见，这样挖掘了一个实验项目潜在的价值，使学生收益更多。同时也有助于改进实验项目，最终有益于提高本科实践教学质量。另外，对于热爱钻研、勇于创新的学生，给予了较好的实验操作成绩以资鼓励。3探索学生课外实践创新教学模式，进一步提高学生实践创新能力3.1建立一套科学开展学生课外创新活动的教学思路和方法除了在实验课程教学中培养学生的基础实践动手能力外，教师还应该积极开展学生课外实践创新教学工作。主要形式是学生自己利用课余时间参加各种实践创新活动和学科竞赛。课外科技创新和学科竞赛也是实践教学的一种形式，因此，必须建立一套科学的、系统的开展学生课外创新活动的教学思路和方法。必须充分发挥教师的指导作用，才能更好地发挥学生课外实践创新的效果；必须把学生课外创新活动作为一项重要的教学工作来开展，而不是简单地设立一些课外创新活动任由学生报名参加；应该从创新活动内容、实践环境、指导教师、考核方式、奖励措施等多方面考虑，认真落实本科生课外实践创新活动中的各个环节。我们采取的本科生课外创新活动的基本思路是：“参与”、“培养”、“训练”和“竞赛”。首先，激发学生实践创新热情，鼓励学生参与到实践创新活动中，主要面向本科二年级以上学生，遵循学生自愿参加的原则进行学生选拔；其次，根据学生的兴趣，按照研究方向，将学生划分成团队，配备专门的指导教师，进行有计划地培训和学习；然后，根据优胜劣汰的自然选择规律，选取较为优秀的学生参与到科研训练计划中，完成一些具体学生科研项目，得到全面的锻炼；最后，组织指导优秀学生参加各种学科竞赛，让学生在实战中检验并进一步提高自己的实践创新能力。目前我院本科生课外实践创新活动已初见成效，本科生参加学生科研项目和学科科技竞赛的人数逐渐增多，并取得了良好的成绩。实践证明，开展学生课外实践创新活动的思路和方法是与提高本科生实践创新活动相适应的。3.2搭建优越的软硬件环境，保证学生课外创新活动顺利进行为了开展学生的课外创新活动，必须搭建优越的软硬件环境，为本科生实践创新提供优越的条件。只要学生对课外创新活动感兴趣并有能力、有精力投入其中，都能获得全面的支持和专门的训练。具体措施有：(1)开设了专门的实验室，提供先进的实验设备。(2)全方位的实验室开放，保证学生能够充分利用课余时间进行实践创新活动。(3)组织专门的指导教师队伍，制订系统的培养计划。指导教师队伍具有硕士以上学历，主要负责组织学生实践活动和技术指导等工作，并且有资深的老教师参与学生指导工作。学生在指导教师的宏观指导下，充分发挥自己的主观能动性，参与实践创新活动。(4)学院和学校以及其他部门给与政策和经费上的支持，也保证了学生实践创新活动的顺利进行。3.3抓好学生科研训练计划，进一步提高学生实践创新能力我校大学生科研训练计划是适应高等学校教育教学改革，根据我校人才培养目标要求，提倡学生自主学习、自主创新，提高学生的创新意识和创新能力，造就出符合时代要求的高素质创新型人才而制定的一项教学改革措施。学生科研训练计划是提高学生实践创新能力的重要途径之一。首先，要设立合理的有一定研究意义的项目；然后，由指导教师和学生进行双向选择，完成项目；最后严格审核，完成项目结题环节。在科研训练计划中，学生能够学到新的计算机相关技术，学会将理论知识运用到实践中，初步体会了项目开发的过程，培养了团队合作精神，锻炼了综合实践能力和创新能力。因此，为了让学生能够在实践中得到充分地锻炼，进一步提高实践创新能力，要切实发挥学生科研训练计划的作用。 3.4抓好学科科技竞赛，全面提高学生实践创新能力高校学科科技竞赛对培养大学生的综合素质起着重要作用，是锻炼本科生实践创新能力，展示本科生创新才能的最高舞台。学校非常重视学生创新精神和实践能力的培养，积极创造条件支持学生参加国际、国内和校级各项学科科技竞赛活动。为大力培养学生的创新精神、提高学生实际动手和解决问题的能力，学校鼓励和倡导学生积极参加各类学科竞赛活动。我院根据计算机专业自身的特点，采取了一系列有效的方法，组织学生参加省级以上的计算机相关专业的学科科技竞赛。具体方法有：(1)做好参赛学生选拔工作。鼓励学生报名参加竞赛。报名之前做好动员工作，让学生充分意识到参加竞赛的益处和所需要的能力以及可能遇到的困难。(2)认真落实学生专门培训学习工作，做好赛前技术储备和经验积累的前期准备工作。(3)专门指导教师负责带队，全程跟踪指导参赛队伍，保证学生科技竞赛顺利进行。(4)充足的经费支持，多方面的协助与支持。通过这些切实有效的措施，学生在各种学科技竞赛中取得了优秀的成绩，实践创新能力得到全面的提升。3.5制定奖励措施，激励学生实践创新热情高校只有构建了良好的课外实践创新激励机制，实施科学管理，才能充分调动学生实践创新热情，积极参加科技创新活动和学科科技竞赛；才能调动指导教师和相关学院等多方的积极性，更好地开展本科生课外实践教学工作，切实培养本科生实践创新能力。我院为鼓励学生积极参与创新活动制定了相应的奖励措施。参加科研训练计划并圆满完成的学生可以获得学分，在学科科技竞赛中获奖的学生可以得到相应的物质奖励和加分奖励，这对学生保送研究生和就业都有一定的益处。对于参与学生实践创新活动的指导 摘要:IP包分类算法是应用在路由器数据平面的核心算法,其中一维的IP包分类算法就是路由地址查找算法,为路由器的基本转发功能提供支持,与此对应的多维的IP包分类算法是为支持第4层交换的路由器提供对IP数据报的分类,使路由器能对每一个特定的数据报作出预先定义好的处理,以便为了新的网络应用提供数据包过滤、防火墙、基于策略的路由、区分服务、QoS、流量计费等功能。本文介绍了两种典型的多维IP包分类算法在国内外研究现状及综述研究。 关键词:IP包分类算法;多维 Classification Algorithm Study of Multi-dimensional IP Packet Zhong Pingfeng (Chongqing CYIT Communication Technology Co.,Ltd,Chongqing400065,China) Abstract:IP packet classification algorithm is applied in the router data plane of the core algorithm,one-dimensional IP packet classification algorithm is the routing address lookup algorithm,the basic forwarding for the router to provide support and the corresponding multi-dimensional IP packet classification algorithm is In support of Layer 4 switching routers provide IP packet classification,so the router to each packet to a particular pre-defined processing to applications for new network packet filtering, firewall,policy-based routing,differentiated service,QoS,flow meter fees function.This article describes two typical multi-dimensional IP packet classification algorithm and the Review of research status. Keywords:IP packet classification algorithm;Multidimensional 一、问题定义 IP包分类算法本质上是一种检索算法,它用来提供RFC1812中对路由器功能要求的支持。RFC 1812中对路由器的功能要求定义为,一:路由器必须支持IP数据报的转发操作即决定IP数据报从路由器哪一个端口转发出去;二:路由器必须支持IP数据报的交换即将IP数据报放在路由器的合适的接口上;三:可选操作-对到来的数据报作特殊处理。IP包分类算法正是对功能一和功能三提供支持的算法。一维的IP包分类算法提供功能一,多维IP包分类算法提供功能三。 (一)IP分类问题的解决方法的思想 从数学上看,IP 分类问题与计算几何中的一些问题很相似。在计算几何中有一个多维空间的点定位问题(1):给定多维空间中的一些互不相交的区域,找出包含指定点的区域。 一般说来,IP 分类问题比多维空间的点定位问题复杂。假定不同区域互不相交时,对N 条过滤规则和K(K>3)的情形,计算几何的结果给出的最好结果是:在空间复杂度为O(NK)时,时间复杂度为O(logN);或者是在空间复杂度为O(N)时,时间复杂度为O(logKN)。也就是说,对100 条过滤规则,每条规则4 个域的情况, 空间大概为100MB,时间大约是访存350 次。这种效率显然是不可接受的。 但是数据流的分布和特定数据库中过滤规则的分布都有一定的规律性,或者说有内在的结构。所以很多好的IP 分类问题的解决方案都是考察到它们分布的某一点规律性提出的。 此外,二维的IP 分类问题(即针对目的IP-源IP 对的分类)相对简单,而且二维的IP 分类在Multicast和VPN中都有广泛的应用(2),具有实际的意义,因此对二维的IP分类问题的研究较成熟,有一些优秀的算法作为基础。所以,IP 分类问题的解决的一个重要的思想,就是降维,将高维问题转化为二维乃至一维的问题。在下一部分中,我们将介绍IP 分类问题的几个典型的算法,这些算法很清楚地体现了这些思想。 本节将介绍几种有代表性的算法。 二、Grid of Tries 算法 (一)二维Grid of Tries算法 Grid of Tries(4)主要是针对二维情况下的IP 分类问题提出的有效的解决方案。实际中,这种目的-源过滤规则在VPN和多播转发中有着广泛的应用。如果将数据结构中的Trie树(5)从一维扩展到二维,就形成Grid of Tries 树。以表4.1 中的数据库为例来说明这个扩展过程。先不考虑过滤规则数据库中源IP 地址,根据过滤规则数据库中目的地址前缀构造一棵Trie 树(称为Dest-Trie 树)。这个目的前缀Trie树中每个节点,如果在数据库中存在其对应的目的地址前缀,则会指向一棵源地址Trie树(称为Src-Trie 树),否则相应的指针为空。Grid of Tries 算法在查找过程中是分成两步的,第一步是通过对目的IP地址做最长匹配前缀,然后再通过查找对应的源地址Trie 树得到代价最小的过滤规则。这意味着,任意一个Dest-Trie 树中的节点不但包含过滤规则数据库中与该节点对应的源地址前缀,还应当包含该目的前缀的“前缀”(即它在Dest-Trie 树中的祖先)所有的源地址前缀。 以上方法建立的Grid of Tries树是 Trie树的简单扩展,其时间复杂度为O(W),但是很明显,在内存方面,它存在着极大的浪费,每个Dest-Trie节点不但存储它自身的源地址前缀,还存储其祖先的源地址前缀。在最坏情况下,其空间复杂度可达到( )(6)。一种改进的办法就是去掉这些多余的拷贝。每个目的地址前缀只包含在过滤规则数据库中与该目的地址配对的源地址前缀。由此我们得到一种改进的Grid of Tries树。当去掉冗余拷贝之后,查找一个目的-源地址对对应的最小代价的classID,不仅要从目的地址的最长匹配前缀所指向的Src-Trie树中进行搜索,还必须对该目的地址的最长匹配前缀的祖先所指向的Src-Trie树中进行搜索,从搜索所经过的路径中找出代价最小的过滤规则的classID。这使得时间复杂度上升到O( )。一个巧妙的解决方法是引入转向指针,即通过预处理将Src-Trie 树中的空指针指向其Dst-Trie 树的某个祖先对应的Src-Trie 中的节点,使得在查找过程中沿着最长匹配路径能够尽可能的前进。此外,为了确保算法的正确性,还必须保证目的-源IP 前缀对中前缀长的节点,对应的代价也小(即IP 前缀匹配越精确代价越小),这些都是通过预处理完成的。对一个包,查找最小代价过滤规则的过程如下:先对目的地址做最长前缀匹配,然后沿着目的地址最长匹配前缀所指向的Src-Trie根据包头的源地址沿着0、1指针尽可能的前进,直到无法继续前进为止,沿途经过的结点中存储的过滤规则代价最小的过滤规则所对应的classID,即是其分类的classID。此时算法的时间复杂度为O(W),空间复杂度为O(NW)。 (二)多维的Grid of Tries 由于传输层协议仅限于几个值,因此可以假定所有过滤规则的协议只取三个值TCP、UDP 和通配符(“*”),对取值为通配符的过滤规则,改写过滤规则。将一条规则重复3次,分别对应TCP、UDP 和所有其它情况(记为OTHER)。这样经过处理的过滤规则数据库只包含TCP、UDP 和OTHER 三个值。根据目的端口和源端口不同组合,建立4 个哈希表,分别对应(目的端口,源端口)二元组为(DstPort,*),(DstPort,SrcPort),(*,SrcPort),(*,*)。其中通配符表示端口可取任何值。每个哈希表项,都是一颗上述的Grid of Tries树,哈希表的索引都是相应的端口地址和协议号的某种组合(或者函数)。查找一个包的时候,同时查找4 个哈希表。分别用协议号和端口地址的某种组合作为索引,找到相应的G