计算机网络.docx
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计算机网络
教案
课程名称：
计算机网络
任课教师：
梁志剑
职称/学历：
副教授
所在系：
计算机科学与技术系
中北大学
课程简介
《计算机网络》是计算机专业学生必修的一门专业基础课和核心课程，旨在使学生掌握计算机网络的体系结构和流行的参考模型，掌握物理层标准的基本原理和数据通信技术，掌握数据链路层协议的工作原理和常见实例，掌握局域网基本原理和组网方法，掌握广域网基本原理和接入方法，掌握网络互连的基本知识和IP协议的运行机制，掌握传输层协议的工作原理和TCP、UDP协议的运行原理，掌握应用层常见协议和网络服务的工作原理，以及应用系统构架方法，了解计算机网络技术发展的前沿技术，为培养学生在计算机网络系统的规划与构建，网络应用系统的建立与开发等方面能力打下坚实的基础。
学时：
40（理论）+8（实验）
教材：
《计算机网络》谢希仁著电子工业出版社
主要参考书：
《计算机网络（第四版）》AndrewS.Tenenbaum潘爱民等译清华大学出版社
《数据通信与计算机网络》高传善等编高等教育出版社
授课章节
概述
课程类型
理论
学时
8
教学目的与要求
1、掌握计算机网络组成和分类
2、理解计算机网络参考模型及各层的作用
3、掌握数字通信中的基本概念
教学重点、难点
重点：
计算机网络含义、分类、参考模型中的各层的作用
难点：
参考模型中各层之间的关系、数字通信中的基本概念
教学内容
教学手段、方法与设计
§1-1计算机网络组成和分类
（1）主机系统和网络系统
（2）计算机网络与分布式系统
（3）企业网络和公众网络
（4）计算机网络的分类
（5）局域网、城域网和广域网
§1-2计算机网络参考模型
（1）ISO/OSI参考模型
（2）TCP/IP参考模型
§1-3数字通信
（1）数字信号的Fourier分析
（2）数据通信概念
（3）信道和信道基本参数
（4）信道工作方式
（5）数据传输
（6）基带传输和宽带传输
（7）异步通信和同步通信
（8）串行通信和并行通信
（9）多路复用技术基本概念
（10）电路交换与存储转发
课时：
95分钟
CAI讲授
理论联系实际，多举例（约17分钟），强调计算机网络含义的理解（约19分钟）。
重点理解按网络覆盖范围（约35分钟）对其如何分类（约24分钟）。
课时：
105分钟
CAI讲授
通过两种参考模型（约65分钟）引出本课程采用的参考模型（约5分钟），重点使学生理解本课程的内容安排（约15分钟）及学习方法（约20分钟）。
课时：
160分钟
CAI讲授理论
黑板举例说明对信道复用技术
重点掌握如数据、信号等概念（约20分钟），区分基带与宽带传输（约15分钟）、异步与同步通信（约30分钟）、多种复用技术（约40分钟）、电路交换与分组交换（约55分钟）等。
本章总结
本章主要介绍了计算机网络中的基本概念、组成及分类；为了更好的掌握本门课程，通过参考模型使学生掌握实现两个节点通信要解决的各种问题，并对后续的课程知识框架有个了解。
此外为了更好地理解通信中的部分基本原理，详细介绍了有关通信的知识，这将为学生后续的学习奠定扎实的基础。
作业
1、计算机网络的发展可划分为几个阶段?
每个阶段各有何特点?
2、试简述分组交换的要点。
3、计算机网络可从哪几个方面进行分类？
4、协议与服务有何区别？
有何关系？
5、试述五层协议的网络体系结构的要点，包括各层的主要功能。
6、解释下列名词：
协议栈、实体、对等层、协议数据单元、服务访问点、客户、服务器、客户-服务器方式。
7、试解释以下名词：
数据、信号、模拟数据、模拟信号、数字数据、数字信号、单工通信、半双工通信、全双工通信。
下章预习要点
物理层
1、传输介质；
2、电话系统；
3、Internet的本地接入。
授课章节
物理层
课程类型
理论
学时
2
教学目的与要求
1、了解有线传输媒体及无线传输媒体；
2、理解利用电话系统实现计算机间通信的工作原理；
3、掌握家庭用户三种连入Internet的方法。
教学重点、难点
重点：
通信传输媒体的分类
难点：
接入Internet的方法
教学内容
教学手段、方法与设计
§2-1传输介质
（1）双绞线
（2）电缆
（3）光缆
（4）无线介质
§2-2电话系统
（1）组织结构
（2）三部分组成
§2-3Internet的本地接入
（1）拨号接入
（2）ADSL接入
（3）InternetoverCable
课时：
20分钟
CAI讲授
重点讲解不同介质的特点（约15分钟）及区分（约5分钟）
课时：
65分钟
CAI讲授
强调电话系统中的三个组成部分（约5分钟）：
本地回路（约15分钟）、主干线（约25分钟）及交换局（约20分钟）
课时：
15分钟
CAI讲授
通过介绍三种接入方式的实际连接示意图（约5分钟），进而理解不同方法的通信原理（约10分钟）。
本章总结
本章主要介绍了如何实现计算机与传输介质的对接，即如何将计算机中的二进制比特流转换为不同的信号，或如何将信号转换为比特流，针对现有的接入方式分别作了详细介绍，目的使学生充分体会到本门课程与实际生活联系的紧密性，增强了学生主动学习的积极性。
作业
1、物理层的接口有哪几个特性？
各包含什么内容？
2、试写出下列英文缩写的全文，并进行简单的解释。
FDM，TDM，STDM，WDM，DWDM，CDMA，SONET，SDH，STM-1，OC-48，DTE，DCE，EIA，ITU-T，CCITT，ISO
3、假定在进行异步通信时，发送端每发送一个字符就发送10个等宽的比特（一个起始比特，8个比特的ASCII码字符，最后一个结束比特）。
试问当接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相差5%时，双方能否正常通信？
4、56kb/s的调制解调器是否已突破了香农的信道极限传输速率?
这种调制解调器的使用条件是怎样的?
下章预习要点
数据链路层
1、定义和功能
2、数据帧的组成
3、可靠性传输
4、数据链路层示例
授课章节
数据链路层
课程类型
理论
学时
4
教学目的与要求
1、理解数据链路层的主要作用；
2、掌握如何实现数据链路层中的帧封装、差错控制及流量控制的方法；
3、掌握HDLC及PPP协议的帧格式及工作原理。
教学重点、难点
重点：
数据链路层中的差错控制及流量控制
难点：
实现流量控制的六种协议
教学内容
教学手段、方法与设计
§3-1定义和功能
（1）数据链路层的定义
（2）数据链路层的功能
（3）物理链路和数据链路
（4）数据链路层提供的三种服务
§3-2数据帧的组成
（1）字符计数法
（2）带字符填充的首尾界符法
（3）带位填充的首尾标志法
（4）物理层编码违例法
§3-3可靠性传输
（1）差错控制（确认、数据帧丢失、重复帧）
（2）流量控制（滑动窗口协议）
（3）协议描述和验证
§3-4数据链路层示例
（1）HDLC协议
（2）PPP协议
CAI讲授全部内容
课时：
30分钟
强调数据链路层解决在不可靠的物理媒体上实现可靠的传输（约分5钟），通过理解连接及确认的含义（约5分钟）掌握数据链路层提供的三种服务（约20分钟）。
课时：
20分钟
以第二、三种封装方法为主介绍帧的封装。
课时：
110分钟
通过实例引出网络可能出现的差错（约15分钟），即而给出解决差错控制的方法（约20分钟）；流量控制是重点（约15分钟），通过六种协议的由简单到复杂的介绍，使学生逐步理解该层实现流量控制的具体方法（约60分钟）。
课时：
20分钟
两种协议是数据链路层中最重要的协议，通过给出帧的格式（约2分钟），来理解各个字段所具有的功能（约10分钟），最终理解协议的工作过程（约8分钟）。
本章总结
通过本章的介绍，学生应理解数据链路层的主要作用，从如何实现数据链路层的功能出发，引出了封装、差错控制及流量控制等问题，使学生主动掌握如何解决各种问题以保证数据链路层的可靠传输。
作业
1、数据链路层中的链路控制包括哪些功能？
2、信道速率为4kb/s。
采用停止等待协议。
传播时延,确认帧长度和处理时间均可忽略。
问帧长为多少才能使信道利用率达到至少50%。
3、试证明：
对于选择重传ARQ协议，若有n比特进行编号，则接收窗口的最大值受公式WR≤2n/2的约束。
4、在什么条件下，选择重传ARQ协议和连续ARQ协议在效果上完全一致？
5、设卫星信道的数据速率是1Mbit/s，取卫星信道的单程传播时延为0.25秒。
6、一个数据帧长为2000bit，忽略误码率、确认帧长和处理时间。
试计算下列情况下的信道利用率。
7、试简述HDLC帧各字段的意义。
HDLC用什么方法保证数据的透明传输？
8、PPP协议的主要特点是什么？
为什么PPP不使用帧的编号？
PPP适用于什么情况？
下章预习要点
介质访问子层
1、局域网概述；
2、信道共享问题；
3、多路访问协议；
4、以太网；
5、虚拟局域网；
6、无线局域网。
授课章节
介质访问子层
课程类型
理论
学时
6
教学目的与要求
1、了解局域网中通信的特点；
2、掌握CSMA/CD的工作机制；
3、熟悉各种局域网的特点及技术。
教学重点、难点
重点：
CSMA/CD协议工作过程，以太网中相关技术。
难点：
CSMA/CD协议工作过程。
教学内容
教学手段、方法与设计
§4-1局域网概述
（1）点对点通信
（2）局域网的分类
（3）拓扑结构
§4-2信道共享问题
（1）信道的静态分配
（2）信道的动态分配
§4-3多路访问协议
（1）纯ALOHA
（2）分隙ALOHA
（3）载波侦听多路访问协议
§4-4以太网
（1）以太网概述
（2）经典的以太网
（3）以太网的扩展
（4）快速以太网
（5）千兆以太网
§4-5虚拟局域网
（1）局域网的广播域
（2）局域网的网段分隔
（3）局域网的子网划分
（4）虚拟局域网VLAN
（5）IEEE802.1Q标准
§4-6无线局域网
（1）无线局域网的组成
（2）802.11物理层
（3）802.11MAC子层协议
课时：
20分钟
CAI讲授
区分广播通信与点对点通信（约3分钟），强调共享信道的特点（约4分钟），重点掌握几种拓扑结构（总线型、星型、环形、树型）（约13分钟）。
课时：
30分钟
CAI讲授
利用前面讲述的频分多路复用、时分多路复用的技术是所谓的信道静态分配（约5分钟）；为了解决信道争抢问题，一般采用信道的动态分配技术，其中包括受控接入及随机接入两种协议，重点讲解CSMA/CD协议（约19分钟），强调三个特点（约2分钟）：
多路访问（约2分钟）、载波侦听及冲突检测（约2分钟）。
课时：
90分钟
CAI讲授
纯ALOHA最简单，但适用环境为网络比较空闲（约15分钟）；分隙ALOHA协议解决了纯ALOHA协议效率低的问题，但其效率也不是很高（约20分钟）；经常使用的则是CSMA/CD协议,讲解本节时要强调该协议的几个要点（约55分钟）。
课时：
60分钟
CAI讲授
简要介绍以太网的发展（约3分钟），重点讲解以太网中的物理层及MAC子层协议（约10分钟），使学生掌握二进制指数后退算法（约8分钟），熟悉最短帧长的计算方法（约5分钟），通过具体特点使学生掌握不同以太网的本质区别及实现技术的不同（约9分钟），在数据链路层中有两个交换设备：
网桥及交换机，其工作原理也是一个重点（约25分钟）。
课时：
40分钟
CAI讲授
强调虚拟局域网产生的原因（约1分钟），引出需要解决的问题（约2分钟），区分广播域、冲突域（约6分钟），区分网段及子网（约9分钟）。
重点讲解VLAN的工作原理（约22分钟）。
课时：
30分钟
CAI讲授
通过介绍无线局域网的组成（约9分钟），重点介绍CSMA/CA协议（约21分钟）。
本章总结
本章主要介绍了局域网中的数据链路层，以以太网为例重点介绍以太网中的数据链路层，对不同的局域网加以区分，目前常用的局域网还有虚拟局域网及无线局域网。
作业
1、一个7层楼，每层有一排共15间办公室。
每个办公室的楼上设有一个插座，所有的插座在一个垂直面上构成一个正方形栅格组成的网的结点。
设任意两个插座之间都允许连上电缆（垂直、水平、斜线……均可）。
现要用电缆将它们连成
（1）集线器在中央的星形网；
（2）总线式以太网。
试计算每种情况下所需的电缆长度。
2、数据率为10Mbit/s的以太网在物理媒体上的码元传输速率是多少波特？
3、试说明10BASE5，10BASE2，10BASE-T，1BASE-5，10BROAD36和FOMAU所代表的意思。
4、10Mbit/s以太网升级到100Mbit/s和1Gbit/s甚至10Gbit/s时，需要解决哪些技术问题？
在帧的长度方面需要有什么改变？
为什么？
传输媒体应当有什么改变？
5、100个站分布在4km长的总线上。
协议采用CSMA/CD。
总线速率为5Mb/s，帧的平均长度为1000bit。
试估算每个站每秒钟发送的平均帧数的最大值。
传播时延为5µs/km。
6、假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。
设信号在网络上的传播速率为200000km/s。
求能够使用此协议的最短帧长。
7、假定一个以太网上的通信量中的80%是在本局域网上进行的，而其余的20%的通信量是在本局域网和因特网之间进行的。
另一个以太网的情况则反过来。
这两个以太网一个使用以太网集线器，另一个使用以太网交换机。
你认为以太网交换机应当用在哪一个网络上？
下章预习要点
网络层
1、路由选择
2、网络互连
3、拥塞控制
授课章节
网络层
课程类型
理论
学时
10
教学目的与要求
1、理解网络层的功能；
2、重点掌握路由选择技术；
3、掌握IP协议；
4、掌握拥塞控制的基本方法。
教学重点、难点
重点：
IPv4协议、路由选择机制、拥塞控制方法。
难点：
动态路由算法、慢开始快恢复等算法。
教学内容
教学手段、方法与设计
§5-1网络层设计相关问题
（1）存储转发的数据包交换
（2）为传输层提供的服务
（3）面向无连接服务的实现
（4）面向连接服务的实现
（5）虚电路子网和数据报子网的比较
§5-2路由算法
（1）静态算法
（2）自适应算法
（3）拓扑相关的路由算法
§5-3拥塞控制
（1）拥塞控制的基本原理
（2）拥塞预防策略
（3）虚电路子网中的拥塞控制
（4）数据报子网的拥塞控制
（5）载荷脱落
（6）抖动控制
§5-4服务质量
（1）保证服务质量的技术
（2）集成服务
（3）区分服务
（4）标签交换和MPLS
§5-5网络互联
（1）互联设备与方式
（2）互联网络的路由
（3）Packet的分段与重组
§5-6因特网中的网络层
（1）Internet综述
（2）IP协议
（3）IP控制协议
（4）IP路由
CAI讲授全部分内容
课时：
45分钟
本部分的基本内容是存储转发（约10分钟），使学生理解存储转发的概念有助于掌握后续的知识，结合电路交换与分组交换详细讲解面向无连接与面向连接的两种服务（约15分钟），并充分理解虚电路子网与数据报子网的区别（约20分钟）。
课时：
90分钟
路由算法是网络层软件的一个重要部分（约4分钟）。
首先使学生清楚路由算法设计必须考虑的问题（正确性简单性健壮性稳定性公平性最优性）（约16分钟），然后理解最短路径算法、扩散法两种静态路由算法（约25分钟），为了提高工作效率，以距离矢量算法、链路状态算法为例说明自适应路由算法（约35分钟）；最后对各种路由算法的优缺点进行比较（约10分钟）。
课时：
60分钟
当通信子网中有太多的分组，导致其性能降低，这种情况叫拥塞（约1分钟），注意拥塞控制和流量控制的区别（约9分钟），即全局性问题和局部性问题的区别，只有了解造成拥塞的原因，才能促使学生主动学习解决拥塞的方法（约10分钟）。
首先阐明两种拥塞控制的方法：
开环控制、闭环控制（约12分钟）；然后提出拥塞预防策略（不同层次所完成的工作不同）（约10分钟），针对虚电路子网、数据报子网进行拥塞控制的方法不同（约11分钟）；载荷脱落与抖动控制作为附加知识（约12分钟），以此来提高网络传输数据的效率。
课时：
30分钟
若网络能提供充足的资源、均衡路由，则能保证可靠的数据传输（约2分钟）。
通过介绍保证服务质量的技术（约15分钟），使学生掌握网络中常用的经典算法；集成服务与区分服务是两种适用于不同网络环境下的服务（约8分钟），利用标签交换技术可有效提高网络传输数据的效率（约5分钟）。
课时：
45分钟
首先使学生了解不同的网络（约20分钟），再提出为什么要进行互联（约5分钟），最后提出网络互联的技术（约20分钟）。
课时：
180分钟
简要介绍Internet的发展及其技术特点（约5分钟），提出利用IP协议进行网络互联（约5分钟），IP协议是本章重点也是本课程的重点，通过分析IP数据包的格式（约30分钟），理解IP协议提供给我们的功能，及其工作原理（约15分钟），其中最重要的属IP地址（约10分钟）、子网掩码（约15分钟）、子网划分（约35分钟）、构造超网（约35分钟）等。
在TCP/IP协议栈中还有如ICMP、IGMP、ARP（约30分钟）等协议也是我们常用的，它们的工作原理也应做详细介绍。
本章总结
本章是全书的重点，通过学生本章，学生首先理解网络层完成的功能，进而提出该功能如何分解，每一个子功能如何实现，最后以Internet为例说明，在因特网中采用哪些技术实现了网络互联。
作业
1、试从多个方面比较虚电路和数据报这两种服务的优缺点。
2、假定分组交换网中所有结点的处理机和主机均正常工作，所有的软件也正常无误。
试问一个分组是否可能被投送到错误的目的结点（不管这个概率有多小？
）
3、一个数据报分组交换网允许各结点在必要时将收到的分组丢弃。
设结点丢弃一个分组的概率为p。
现有一个主机经过两个网络结点与另一个主机以数据报方式通信，因此两个主机之间要经过3段链路。
当传送数据报时，只要任何一个结点丢弃分组，则源点主机最终将重传此分组。
试问：
（1）每一个分组在一次传输过程中平均经过几段链路？
（2）每一个分组平均要传送几次？
（3）目的主机每收到一个分组，连同该分组在传输时被丢弃的传输，平均需要经过几段链路？
4、
（1）子网掩码为255.255.255.0代表什么意思？
（2）一网络的子网掩码为255.255.255.248，问该网络能够连接多少台主机？
5、试辨认以下IP地址的网络类别。
（1）128.36.199.3
（2）21.12.240.17
（3）183.194.76.253
（4）192.12.69.248
（5）89.3.0.1
（6）200.3.6.2
6、某单位分配到一个B类IP地址，其net-id为129.250.0.0。
该单位有4000台机器，平均分布在16个不同的地点。
如选用子网掩码为255.255.255.0，试给每一地点分配一个子网号码，并计算出每个地点主机号码的最小值和最大值。
7、一个自治系统有5个局域网，其连接图如图6-61所示。
LAN2至LAN5上的主机数分别为：
91，150，3和15。
该项自治系统分配到的IP地址块为30.138.118/23。
试给出每一个局域网的地址块（包括前缀）。
下章预习要点
传输层
1、传输服务
2、传输协议的要素
3、Internet的传输协议
授课章节
传输层
课程类型
理论
学时
6
教学目的与要求
1、理解传输层的主要作用；
2、熟悉服务原语；
3、掌握Internet中传输层使用的相关技术。
教学重点、难点
重点：
传输层的主要作用，TCP、UDP技术。
难点：
TCP、UDP技术。
教学内容
教学手段、方法与设计
§6-1传输服务
（1）传输层的功能及在协议层中的作用
（2）传输层提供的服务
（3）传输服务原语
§6-2传输协议的要素
（1）寻址
（2）连接建立
（3）释放连接
（4）流量控制和缓冲策略
（5）多路复用
（6）崩溃的恢复
§6-3Internet的传输协议
（1）UDP
（2）TCP
CAI讲授
课时：
45分钟
重点讲解传输层在OSI模型中的位置、传输层与上下层之间的关系（约5分钟），传输层提供了面向连接的服务和面向非连接的服务（约20分钟），通过对传输服务原语的讲解使学生清楚网络编程的相关知识（约20分钟）。
课时：
135分钟
两个程序要建立连接时，必须指明对方是哪一个应用程序，这个标记称为传输层地址（约15分钟），这一点学生一定要理解。
建立连接的三次握手（约30分钟）及释放连接的四次握手（约20分钟）是理解这两个内容的关键。
流量控制（约40分钟）是发送方和接收方之间的传输速率上的匹配。
多路复用技术本章依然重点讲解，可结合数据链路层介绍的相关内容进行比较（约30分钟）。
课时：
90分钟
首先引出不同的网络环境（约25分钟），即而提出UDP及TCP协议，通过报文的格式来理解协议的工作原理（约30分钟），从中学习到Internet中相关层次实现的技术（约35分钟）。
本章总结
传输层解决了进程到进程之间的通信，不同的端口对应不同的应用进程，本章中重要的两种协议UDP及TCP是实现传输层功能的主要内容，此外，为了更好的理解数据的可靠传输，本章依然对多路复用、流量控制及拥塞控制做了详细的讲解。
作业
1、解释为什么突然释放运输连接就可能丢失用户数据而使用TCP的连接释放方法就可保证不丢失数据。
2、试用具体例子说明为什么在运输连接建立时要使用三次握手。
说明如不这样做可能会出现什么情况。
。
3、一个TCP报文段的数据部分最多为多少字节？
为什么？
如果用户要传送的数据的字节长度超过TCP报文段中的序号字段可能编出的最大序号，问还能否用TCP来传送？
。
4、设TCP使用的最大窗口为64KB，即64*1024字节。
而传输信道貌岸然的带宽可认为是不受限制的。
若报文段的平均时延为20ms，问所能得到的最大的吞吐量是多少？
5、试计算一个包括5段链路的运输连接的单程端到端时延。
5段链路程中有2段是卫星链路。
每条卫星链路又由上行链路和下行链路两部分组成。
可以取这两部分的传播时延之和为250ms，每一个广域网的范围为1500km，其传播时延可按150000km/s来计算。
各数据链路数率为48kbit/s，帧长为960bit。
6、在TCP的拥塞控制中，什么是慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复算法？
这里每一种算法各起什么作用？
“乘法减少”和“加法增大”各用在什么情况下？
下章预习要点
应用层
1、SNM简单网络管理协议
2、
升级会员 