《计算机网络》教案Word格式文档下载.docx

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教学方法

讲授（PPT）+实验演示

教学过程

课程导入

根据前面所学知识提出如下问题让学生思考:

1.计算机网络是一种什么样的网络？

2.计算机网络的组成是什么？

3.计算机网络有什么特点？

4.常见的网络都是指的同一种网络吗？

如：

因特网，互联网，万维网。

引入新课

引导学生回答上述问题，并通过答案引出本节的内容：

“三网合一”中提到的三种网络分别是电信网，有线电视网和计算机网络。

其中计算机网络出现的时间最晚，对于人类社会发展的推动作用最为强烈。

计算机网络通信的特点是数字通信，能支持多种不同类型的服务。

常见的网络名词并不是指代同一种网络，从专业的角度出发去衡量发现往往不是一回事。

比如这里提到的几种网络中，有的是物理网络，有的是基于网络的服务。

课程内容

1.1计算机网络的定义

1、三网合一

日常生活中常看到“三网合一”的概念，这里的“三网”，是指电信网络、有线电视网络和计算机网络。

（1）电信网络也就是最早出现并发展至今的电话网络；

（2）为什么三种不同类型的网络要“合一”，这是因为它们各有各的优势，其中电信网络出现时间早，覆盖面积最广，有成熟的完备体系；

有线电视网络则是带宽够大；

计算机网络目前发展最广，能处理的数据类型广泛，应用服务很多；

（3）三网合一的目的是能更好的为用户提供综合的服务。

2、计算机网络的定义

通过“三网”的定义理解计算机网络的特点。

这里给出计算机网络的定义为：

计算机网络就是将分布在不同地理位置，具有独立功能的多台计算机，通过通信线路和通信设备相互连接起来，进行数据通信，实现资源共享的系统。

定义中要理解的要点有：

✓计算机是计算机网络中的终端设备，比传统电信网的终端电话机功能复杂得多；

✓这些计算机在地理上是分离的，相距可能非常遥远；

✓这些计算机在功能上是独立的，不联网也能独立完成和实现很多功能；

✓计算机需要使用线路和设备进行互连，常见的线路有无线的，也有有线的；

设备可以是路由器，也可以是交换机；

✓计算机相互连接起来可以实现计算机网络的两大功能，即：

数据通信和资源共享。

3、初始计算机网络

这是一个简单的网络拓扑图，从这个图中，可以看到计算机网络的基本结构，连接的线路，互连的设备，和基本的网络类型。

这里引出常见的网络概念并进行区别。

4、常见的网络概念

✓局域网：

通常是覆盖面比较小的网络，如一个房间；

一栋大楼等；

✓广域网：

覆盖面达到数千公里以上的单一网络，比如连接国家与国家之间的网络；

✓互联网：

广域网连接多个局域网，所构成的大的系统，就是互联网；

✓因特网：

特指全球范围内最大的互联网；

✓万维网：

是一个由许多互相链接的超文本组成的系统，通过建立在物理的互联网上的一种服务。

注：

这里要注意区别广域网和局域网的关系，不能从字面上理解广域网包含了局域网，事实上，是广域网连接了多个城域网和局域网。

5、计算机网络提供的服务

（1）在科研和教育方面：

查询资料，交流学术思想和实验资料，网络合作研究项目，远程教育

（2）在企事业单位中的应用

办公自动化，异地办公，信息发布

（3）在商业方面

电子数据交换（EDI），网上商店，电子商务

（4）在通信和娱乐上的应用

电子邮件，网络寻呼与聊天，BBS，网络新闻，IP电话

计算机网络可以为用户提供很多功能，而这些功能最终可以归纳成两大类：

（1）提供了不同主机（即使远隔千里）的连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

（2）将不同主机各自拥有的资源进行共享——即资源共享。

可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

举例：

所谓的信息共享很容易理解，比如平时大家在网络上查询自己的考试成绩，这就是将考试成绩的数据库提供给合法用户共享；

软件共享，比如是有授权的软件在多台机器上独立使用，比如部件技术；

硬件共享，比如网络硬盘（qq，mofile等），和多台打印机共享。

1.2计算机网络的发展历史

计算机网络最早出现在上个世纪的60年代末，美国军方研究一种新型网络，能够在战争中占得先机。

新型网络具有以下特点：

✓网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话；

✓网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机；

✓所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性；

✓计算机在进行通信时，必须有冗余的路由；

✓网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。

这个新型网络就是后来开发出的ARPANET，它的成功使计算机网络的概念发生根本变化。

新型的分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。

用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

这使得网络的形式从以主机为中心过渡到以网络为中心。

新型网络最关键的特点是：

✓从源到目的的路径不止一条；

✓网络中无核心结点，所有节点的地位平等；

新型网络就是因特网的雏形，史称阿帕网。

（Arpanet）。

计算机网络的发展分为三个阶段。

1、第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

网络最初的雏形是美国军方开发的ARPANET，后来，在因特网出现之前，世界各地很多的组织机构和企业都根据自己的需要，采用不同的标准构建了自己的网络。

在1983年，TCP/IP协议正式成为ARPANET上的标准协议。

遵循这个标准，不同机构网络中的主机都能相互通信，因此人们把1983年作为因特网的诞生时间。

这个阶段的特点表现为，网络逐渐由单个网络向多个网络发展。

2、第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。

在这个阶段形成了经典的三级计算机网络结构，这个层次从上到下分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

其示意图如下所示：

注意：

观察图中各个组成部分之间的连线。

这个连线的粗细代表链路容量和选型。

这是网络构建的一个特点。

3、第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。

这里出现了一个概念，就是ISP，它的全文是因特网服务提供者ISP（InternetServiceProvider）。

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。

如上图，这是一个多层ISP构成的通信网络结构，主机A和主机B之间的通信，经过的全部路径就是如图所示的连线部分。

从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：

（1）边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。

这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

（2）核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

两个部分的界限分明，各自负责的功能也很明确，在后面的学习中要把握住这个主线来理解。

1、因特网的边缘部分

因特网的边缘部分又被称为资源子网，组成元素主要是主机，这个主机包含客户机和服务器，主要的功能是提供资源的共享。

但是在网络上实际通信的时候，真正的通信是发生在进程和进程之间。

按照进程之间的通信方式来进行划分，可以有以下两种类型，分别是：

✓客户服务器方式（C/S方式），也就是Client/Server方式；

✓对等方式（P2P方式），也就是Peer-to-Peer方式。

（1）客户服务器方式

需要强调的是：

这里的客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程。

客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

其中：

客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

✓客户软件的特点

被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。

因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。

不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

✓服务器软件的特点

一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。

系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。

因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。

一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

（2）对等连接方式

对等连接（peer-to-peer，简写为P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。

只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。

双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式的特点：

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

以下载为例，FTP下载的方式是典型的C/S方式，而BT下载则是典型的P2P方式，对比一下两者的区别。

总结：

（1）C/S方式中也有比较典型的一类称为B/S，它们的特点在于网络中的结点地位有轻重之分，服务器处于网络的核心位置；

而P2P方式中各结点的地位是相同的。

（2）两种方式也有类似的部分。

就是P2P方式中，从短暂的时刻来看，还是有服务和被服务的关系存在，也就有了C和S的角色划分，但是从一个长的时间段来看，由于相互都是服务和被服务的关系，那么也就地位平等了。

2、因特网的核心部分

因特网的核心部分又被称为通信子网，主要的功能是提供数据的通信。

网络核心部分是因特网中最复杂的部分。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）。

路由器是实现分组交换（packetswitching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

学生在理解核心部分功能的时候一定要注意一个问题，就是因特网本身是一种什么样的网络，这从上面描述的因特网历史中可以看出。

网络是公用的，通信资源是公用的，因此在用户使用网络的过程中存在通信资源分配的问题，从这个角度看，在核心部分中涉及到的三种交换技术，对“交换”本身的理解是：

按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

因特网的核心部分的主要工作方式就是数据交换的三种方式，它们分别是电路交换、分组交换和报文交换。

（1）电路交换

电路交换是面向连接的。

面向连接的服务的特点就是整个通信过程分为三个阶段，分别是：

建立连接；

通信和释放连接。

典型的电路交换的实例就是我们平时的打电话，这里可以请学生们自己联系打电话时的情景来理解面向连接的特点。

在整个通信过程中，通信双方之间建立了连接以后，会在通信结束前至始至终的占用整条链路，被占用的资源被释放之前别的用户无法申请使用。

由于电路交换中，数据通信具有突发性，因此使用这种方法传送计算机数据效率低，通信线路的利用率也很低。

此外，通信的特点还包括，传输的数据是以整段数据为单位，按照发送端的顺序传输到接收端，通信的路径唯一。

由于是专线通信，因此通信的质量很好。

这里的额外通信开销是建立连接和释放连接所需要花费的时间，因此适合于对安全性和传输质量有较高要求的数据传输，或者是传输大量的数据的情况。

（2）分组交换

分组交换和电路交换不同，它很灵活，做法是不再在发送数据之前专门花时间去建立连接和释放连接。

也不再将数据的整段作为发送的单元。

在发送数据之前，首先在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，然后添加首部构成分组，将分组作为传输的数据单元。

然后依次把各分组发送到接收端。

此时，每一个分组必须自己选择不同的合适的路径到达接收端。

而接收端收到分组后剥去首部，按照首部信息中的序号将分组重组，还原成原来的报文。

✓分组首部的重要性

每一个分组的首部都含有源地址和目的地址等控制信息，除此之外还需提供每个分组的序号信息。

✓分组交换的优点

高效：

动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

灵活：

以分组为传送单位和查找路由。

迅速：

不必先建立连接就能向其他主机发送分组。

可靠：

保证可靠性的网络协议；

分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

✓分组交换带来的问题

分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延；

分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

（3）存储转发的定义

分组交换的工作方式是存储转发，其过程描述为，每个分组不事先向路由器申请资源，直接传输，一旦到达路由器，路由器首先把分组放到自己的缓存空间中保存，然后分析分组的首部信息，根据地址信息对照自己的转发表，一旦发现相应记录，则根据转发表中的“下一跳”记录将分组从不同的端口转发出去。

这个过程被称为“存储”“转发”。

分组交换是一种无连接的、不能保证数据传输质量的交换方式。

这是因为当网络处于繁忙状态时，路由器需要处理的分组数量过多，一方面可能排队时延过长；

甚至出现数量超过缓存容量的情况，这是就会出现数据丢包和超时的情况。

（4）分组交换和报文交换的区别

在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换（messageswitching）。

报文交换的报文交换也采取了存储转发的工作方式，只是它是将整段数据作为单位进行转发，时延较长，从几分钟到几小时不等。

因为报文交换不够灵活，效率更加低下。

现在报文交换已经很少有人使用了。

（5）分组交换如果不可靠，为什么还要使用它来交换数据

因为分组交换非常灵活方便，用同是通信的邮政来比喻，电路交换是挂号信，而分组交换是邮寄平信，显然，人们更倾向于用平信，虽然它不是百分之百的可靠，但是一般情况下，平信仍然有相当的可靠性。

三种交换的区别如下图所示：

可以根据此图来分析各种交换的优缺点和具体时间的计算过程，可以结合课后习题做做练习，比如课后第十题。

3、面向连接的服务和无连接的服务

通过对以上几种交换技术的学习，我们能接触到因特网中的两种常见服务，即：

面向连接的可靠的服务，以及无连接的、（不可靠的）尽最大努力交付服务。

这部分内容和本教材后面的若干章节还有紧密的联系，在学习的时候可以做上记号，以便和后期的学习联系起来。

这里的面向连接指的是通信分为三个阶段，通信之前必须建立专用连接，而通信完成以后需要释放连接；

无连接则是指通信之前不需要建立连接，随机的选择路径进行传输数据。

建立连接的过程事实上就是预留资源的过程。

这一点的理解非常重要，这对于理解可靠服务是很有必要的。

值得指出的是，可靠并不是指通信的结果是不会出错的，而是指通信过程中因为事先预留了资源，所以通信中不会因为资源不足，而在存储转发的网络中出现丢包，失序等问题。

这里可以埋下伏笔，和第二章的内容结合起来，说明传输结果是不可能不出现任何差错的。

这是由于传输过程中，信号总是存在衰退，而噪声的干扰也总是不可避免所造成的。

尽最大努力交付，也可以理解为，按照这种机制来传数据，传成什么样就是什么样的意思。

这大概是因为网络当前的状态会决定传输的结果，网络如果，传输可能出现丢包等问题，由于资源没有预先预留，因此可能出现各种各样的问题。

也可以理解为，可靠服务指代的是传输过程的可预见性，而不可靠服务则是传输过程的无法预见性。

课堂练习

交互性问答或者课堂讨论

课程总结

●计算机网络的定义

●计算机网络的组成

●因特网边缘中部分中分享资源的方式：

C/S和P2P

●因特网核心部分中分配通信资源的方式：

电路交换和分组交换

●面向连接服务和无连接服务

实验安排

结合后面的第六章中的具体应用来讲C/S模式。

实验7：

构建FTP服务器

实验8：

构建DNS服务器

实验9：

构建WWW服务器

作业

1、比较电路交换和分组交换的主要区别。