第一章计算机网络基础下剖析.docx
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第一章计算机网络基础下剖析
教材1.2节计算机网络体系结构
（一）教学要求
1.理解计算机网络通讯协议的概念。
2.能描述开放系统互连参考模型（OSI）的基本结构。
3.了解网络通信中的一些基本概念：
报文、帧、段、分组、数据报文、控制报文、面向连接的协议、无连接协议。
（二）教学设计建议
本节教材主要包括《什么是计算机网络通讯协议》、《开放系统互连参考模型》、《计算机网络通讯协议的几个概念》等三小节内容。
本节内容中提到的名词、概念多较抽象，学生接受和理解的难度较大，要求记忆的内容也较多，是后续学习的基础。
教学中要通过生活中的实例进行比喻和通俗生动的解释使学生了解学习计算机网络通信协议的重要性。
本节的重点是计算机网络通讯协议的概念的教学，了解开放系统互连参考模型（OSI）的基本结构。
难点是对OSI模型的理解。
在讲解什么是计算机网络通讯协议时，要注重分层思想的教学，在计算机学科中很多问题都是采用分层的方法来解决的。
•计算机网络通讯协议的定义：
用来定义并实现网络通信的一组规则和参数。
简单地说协议就是通信双方必须遵守的一组约定；是一套规则，用来规定有关功能部件在通信过程中的操作。
·采用分层的原因：
网络通信的涉及因素多而复杂，包括：
通信线路、传输技术、计算机硬件、软件、应用业务、安全等。
·分层的优点：
将复杂的的网络通信问题分解为多个可在不同层次上处理的部分；提供了模块化的设计，对部分层的修改、增加不影响其他层。
开放系统互连参考模型（OSI）是当今网络互联共同遵守的标准，理解了OSI各层的功能才可能理解许多不同种类的网络协议、产品和服务。
在教材的阅读材料《计算机网络的发展》中，讲述了OSI模型产生的历史背景，主要是为了解决互不兼容的网络之间的通信问题。
OSI模型的2个基本概念：
两个系统同层间的约定称为协议（protocol）；上下相邻层之间的约定称为接口（interface）。
OSI模型分层及各层主要功能见表1-5。
表1-5OSI模型分层及各层主要功能表
层
名称
主要功能
7
应用层：
（applicationlayer）
上
层
提供各种应用：
文件传输、电子邮件、万维网等。
6
表示层：
（presentationlayer）
数据转换、压缩与解压缩、加密与解密。
5
会话层：
（sessionlayer）
建立传输规则、传输约定。
4
传输层：
（transportlayer）
下
层
分组、流量控制、查错与错误处理。
3
网络层：
（networklayer）
确定传送地址、选择传输路径。
2
数据链路层：
（datalinklayer）
信号同步、差错校验（CRC）、流向控制。
1
物理层：
（physicallayer）
传输信息的介质、将数据以实体呈现并传输的规格、接插件的规格。
OSI模型数据传送及接收过程见下图：
图1-4层间的报文关系
学习OSI模型，并不是要死记硬背七层协议的名称，而是要明白数据在这七层之间的传递方式，如果不明白这个道理，无异于人入宝山而空返。
在图1-4中，报头用该层英文单词和报头（header）英文单词的首字母组成。
数据由发送端（通常指应用程序）产生，由上层往下层传送。
每经过一层，都会在该层增加一些该层专用的信息（网络术语称作：
封装（encapsulation）），这些信息称为报头（header），在有些层除了添加报头外，还会在数据尾部加上一些信息，称作报尾（trailer）然后再传送给下一层，我们可以把“加上报头”想象为“套上一层信封”，数据传送到物理层时已经被套上了七层信封。
然后通过网络线缆、电话线、光缆等传送到接收端。
接收端受到数据后，会从最底层向上传送，每经过一层就拆掉一层信封，直到最上层，数据边恢复成发送端最上层产生时的原貌。
为便于理解，教材中使用了两地通过邮局传递不同语言邮件的例子，教师可以依据教材（P7图1.2.2）来更加形象地描述OSI模型各层的功能，最后通过投影等手段展示出图1-4层间的报文关系。
在教材的第三节《计算机网络通信协议的几个概念》中，主要讲述了计算机网络协议的组成和常用的几个术语。
（1）.计算机网络通信协议的组成
语法：
确定协议元素（数据与控制信息）的结构和格式。
即规定通信中各方应“如何讲”。
语义：
确定协议元素（数据与控制信息）的类型和内容。
即“讲什么”应遵循的一些规定。
交换规则：
规定通信双方彼此间的应答关系，即对事件实现顺序的详细说明。
也就是“讲的次序”的约定。
（2）.报文及其分类
·报文：
每个协议将所要传输的信息称作报文。
在网络层大多数称作分组，在物理层和数据链路层则称作帧。
·数据报文：
在上一层协议交付要传输的信息上添加报头（和报尾）构成数据报文。
图1-5数据报文
·控制报文：
是不含用户数据，为了保证通信能够正常进行而发送的报文。
（3）.协议按连接方式分类：
面向连接的协议、无连接协议
面向连接的协议：
类似于电话的使用，要和某个人通话，先拿起电话，拨号码，通话，然后挂断。
面向连接的协议使用时，用户首先要建立连接，使用连接，然后释放连接。
连接本质上像个管道，连接建立后，发送方在管道的一端放入物体，接收方在另一端按找同样的次序取出物体。
无连接协议：
类似于邮政系统邮件的传递，每个报文（信件）带有完整的目标地址，并且每个报文都是相互独立的，经由系统选定的线路传递。
在正常情况下先发送的报文先收到，但也有可能先发的由于途中的延迟而后收到，面向连接的协议是不可能发生先发后收的。
（4）.分组（packet）
在网络通信中，每一层都要对上一层传来的数据报文进行处理，由于硬件、操作系统、协议规定、国际标准等原因规定了本层能处理的数据报文的最大长度限制，必然要对上层传来的大的数据报文进行拆分，封装成的新数据报文发送给下一层，拆分得到的数据报文在物理层与数据链路层称作帧，在网络层和运输层称作分组（包）。
（5）.校验码
校验码是将整个报文的信息按照某种算法进行计算而产生的，对报文是否正确传输起核对作用的一组代码。
常用的有校验和、循环冗余校验码（CRC）等。
奇偶校验（paritycheck）：
奇校验：
所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为奇数，如：
传送的数位
备注
校验位
数位
1
0110，0101
数位中有偶数个“1”，校验位设置为“1”
0
0110，0001
数位中有奇数个“1”，校验位设置为“0”
偶校验：
所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为偶数，如：
传送的数位
备注
校验位
数位
1
0100，0101
数位中有奇数个“1”，校验位设置为“1”
0
0100，0001
数位中有偶数个“1”，校验位设置为“0”
校验和（checksum）：
一个用来验证数据传送时不出错的值。
发送方利用叠加数据的二进制计算校验和，并随该数据的包一起发送，接收方计算接收到的数据的校验和并与包内的校验和作比较。
循环冗余校验（cyclicredundancycheck，简记为CRC，）：
用来检验数据在传送过程中没有遭破坏的一个值。
发送方计算机发送一个带有CRC值的数据包，接收方计算机接收到数据后计算它们的CRC值，再与包中的CRC值比较。
计算CRC值比计算校验和更复杂，但能检验出更多的传输差错。
CRC的计算虽然比较复杂，但只要在硬件上使用移位寄存器和XOR门电路来计算CRC代码还是比较容易实现的。
教材1.3节网络中的信息载体、通信线路与连接设备
（一）教学要求
1.了解计算机网络通讯中信息的载体。
2.了解数据通信中的通信线路的分类。
3.能列举并解释网络通信中常用的信息交换技术及其用途。
4.了解网络通信中常用的网络连接设备并能简述其主要功能
（二）教学设计建议
本节包括《信息传输中的信息载体》、《通信线路的分类》、《复用和交换》《网络连接设备》等共4小节内容。
在信息传输中的信息载体教学中，要紧密结合教材P10，图1.3.1，从图中让学生找一找自己熟悉的频率段，增强对电磁波各频段用途的感性认识。
同时建议对模拟信号与数字信号做一些简单的介绍，最后介绍信号的调制和解调。
计算机网络通讯中信息的载体是电磁波。
电磁波的应用范围很广泛，其频率范围大约是0-1024赫兹，但是由于不同频段的电磁波的传输特性不同，能用于数据通讯的频带限制在104-1016之间。
由图中我们可以看到我们日常生活中熟悉的调频（FM）、调幅（AM）收音机、电视机（VHF、UHF）等通信使用的电磁波频率。
激光是一种人造可见光，也是电磁波，由于其优良的特性，在数据通信中得到了广泛的应用。
图1-6模拟数据
模拟数据（analogdata）是以连续变化的物理量形式表示的数据。
例如，用连续的电压、电流、转速等物理量表示的数据。
这种表示法能够完整、正确地表示原始的信息，比如电话通道上的电信号是一种模拟数据，它完整正确地（如果没有噪音发生）表示了原始声音信号，模拟数据通常容易转换成图形或曲线表示，适合于表现事物的变化规律或发展趋势，对模拟数据的任何定量只能是一种近似描述。
图1-7数字数据
数字数据（digitaldata）是以不连续的离散的数字或符号形式表示的数据。
模拟数据经过取样量化表示成数字数据的过程称为数字化。
例如，将声音、图像数据通过取样、量化转换为二进制数字编码表示，构成声音、图像的数字数据。
网络上的信号有两种，在局域网上使用的是数字信号，但数字信号在光纤以外的线缆中不能进行远距离传输，所以在远距离通信时通常需要将数字信号调制成模拟信号，再进行传输。
使用电话线进行远距离通信时，因为电话线路是为传输语音信号而设计的，只适用于传输音频范围300~3400Hz的摸拟信号，不适宜直接传输数字数据，为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换为摸拟信号。
为此需要在发送端选取音频范围的某一频率的正（余）弦摸拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的数字信号波形。
数字信号在传输过程中是以电磁波形式传输的，在信息发送端把数字信息转换为电磁波的过程称为调制（编码），在接收端把电磁波转换为数字信息的过程称为解调（解码）。
调制解调器（MODEM）是一种兼具调制和解调功能的设备。
常见的有用于普通电话线的普通调制解调器、用于有线电视网的电缆调制解调器（又名线缆调制解调器，英文名称CableModem）和用于宽带上网的xDSL调制解调器等。
在通信线路的分类小节中，主要介绍了无线通信、有线通信以及有线通信的三种通信线缆（同轴电缆、双绞线、光缆）。
建议有条件的学校拿三种线缆的实物展示给学生。
在这里要强调一下双绞线的接线标准，常用的标准有两个：
T568A和T568B，如图1-9所示。
标准５６８Ａ：
绿白—１，绿—２，橙白—３，蓝—４，蓝白—５，橙—６，棕白—７，棕—８。
标准５６８Ｂ：
橙白—１，橙—２，绿白—３，蓝—４，蓝白—５，绿—６，棕白—７，棕—８。
国内布线通常用568B的标准。
一个布线系统中除了跳线以外只能用一个接线标准，不能混用。
也不能把4对线按次序卡入水晶头。
下面是几种应用环境下双绞线的制作方法：
ＭＤＩ表示此口是级连口，而ＭＤＩ－Ｘ时表示此口是普通口。
在一个网络中，终端（电脑）与设备（集线器、交换机等）连结时，两头都用568B或都用568A的接线；终端与终端连结、设备与设备连结需用交叉线连接方式，即一头用568B，另一头用568A的接线。
由于交换机UPlink口对端口线序进行了调整，可用两头同一标准的接线与交换机相连。
通信线缆分类
图1-8通信线缆分类
图1-9双绞线接线标准
复用和交换是为了提高通信线路带宽的利用率、提高通信线路的总体使用效率采用的一种技术，多路复用包括频分复用、时分复用、波分复用等。
交换可分为电路交换和分组交换等。
在本节教学中，建议通过图1-10、1-11、1-12、1-13、1-14的展示和对比，让学生更形象地理解复用和交换。
多路复用技术的基本原理：
各路信号在进入同一个有线的或无线的传输媒质之前，先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的信号，然后进入传输媒质传送到对方，对方再用解调（反调制）技术对这些信号加以区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的目的。
采用多路复用的主要目的是为了降低建设通信线路的费用，提高传输信道的利用率。
图1-10不采用多路复用技术
图1-11采用多路复用技术
电路交换在通信时，一方发起呼叫，独占一条物理线路。
当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。
它的特点是实时性强，时延小，交换设备成本较低，但物理线路利用率低。
电话网（PSTN）是典型的电路交换应用实例。
图1-12电路交换实用示意图
分组交换是一种通过存储转发的交换方式。
它是将需要传送的信息划分为一定长度的分组（包），以分组为单位进行存储转发的。
而每个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识，在传送数据分组之前，首先建立虚电路，然后依序传送。
送出的信息经交换机的分组装拆功能构成分组，存储到分组交换机的存储器内，接着就可以和来自其他终端的分组一起，以动态复用的方式，通过高速传输线路进行传输，从而提高了传输线路利用率。
图1-13存储转发原理示意图
图1-14分组交换原理示意图
分组交换的优点：
传输质量高、可靠性高、经济性能好、能与公用电话网、用户电报及低速数据网、其他专用网互连。
分组交换的缺点：
由于采用存储转发方式工作，所以每个分组的传送延迟可达几百毫秒，而且在传送分组时交换机要有一定的开销，故分组交换不适宜在实时性要求高、信息量大的场合使用；还由于技术比较复杂、网络管理功能强等原因，大型分组交换网的投资也比较大。
表1-6复用与交换分类及其用途
多路复用
1.频分复用（FDM）
多用于模拟通信（数字通信也在应用）。
典型应用：
有线电视
2.时分复用（TDM）
广泛应用于数字通信。
典型应用：
GSM移动通信系统、程控电话交换系统
3.波分复用（WDM）
是利用光域上的频分复用技术，实现在一根光纤上同时传输多路光信号的光通信技术。
光纤通信（最大容量10Tbps）
交换
1.电路交换
程控电话交换系统
2.分组交换
大型商场、超市信用卡消费
为了让学生更好地理解分组交换与电路交换，教材在本节安排了“讨论交流”活动“描述电话与邮件传递的差别，加深对电路交换和分组交换的了解”。
在本节的第4小节，介绍了计算机网络中常用的网络连接设备：
集线器、交换机、路由器和网关。
集线器工作在物理层，同一时刻只能有一台计算机发送数据（称为广播），而其他计算机只能接收（称为侦听），如果侦听到是发送给自己的就接收下来，如果不是自己的就丢弃。
交换机工作在数据链路层（高档一些的带路由功能的交换机工作在网络层，一般称“三层交换机”）。
集线器和交换机用于把一些计算机联结成一个局域网。
路由器工作在网络层，主要用于使用相同网络协议的网络的互连。
计算机安装上路由协议就成了一台简单的路由器。
而网关主要用于使用不同网络协议的网络间的互连。
表1-7局域网通信介质
网络类型
通信介质
单段最大长度
网络带宽
组网是否需要集线器、交换机设备
总线型
50Ω细同轴电缆
185米
10M
不需要
粗同轴电缆
500米
10M
不需要
星型
双绞线
100米
10/100/100M
需要
如果本教材在高二年级使用，进行本节教学时学生还没有学过物理教材中关于电磁波、光波的知识，教师要根据实际情况进行适当的调整或补充。
（三）“讨论交流”活动指导
1.讨论主题：
探讨电话与邮件传递的差别，加深对电路交换和分组交换的了解
活动目的：
（1）加深对电路交换和分组交换过程及其用途的了解。
活动步骤：
（1）教师先描述打电话和通过邮局发信件的过程为例子，引发学生思考
（2）学生列举生活中类似于电路交换和分组交换事件的例子。
（3）学生列举并写出电路交换和分组交换的例子。
（4）教师提问，全班讨论交流。
可供参考的生活中类似于电路交换和分组交换的信息或者事物的例子，如：
·电路交换：
打固定电话、对讲机、传真。
·分组交换：
邮局邮寄信件、包裹；IP电话；电力供应；大型商场、超市信用卡消费。
活动评价：
本次活动五项评价指标属于讨论交流活动的共同指标，他们的评价标准分别是：
“参与程度”、“相互交流”、“合作精神”、“理解与思考”和“背景知识”。
上述指标侧重于对活动的过程进行评价，另外还要对活动的结果进行评价。
评价指标如下表所示。
项目
评价指标
评价
列举并写出电路交换和分组交换的例子
能分别列出三个电路交换和分组交换的例子。
（6分）
能分别列出两个电路交换和分组交换的例子。
（5分）
能分别列出一个电路交换和分组交换的例子。
（3分）
需要启发、引导（2分）
活动结束以后，要及时组织学生对自己在活动中的表现按照教材中的评价量表进行自我评价，同时教师也要使用学生评价量表，及时记录学生在本次活动中的表现。
六、知识、技能拓展
1.分布式计算与网格计算
分布式计算是一种把需要进行大量计算的工程数据分割成多个小的模块，由多台计算机分别计算，在上传运算结果后再统一合并得出问题结果的科学。
许多分布式计算项目常常使用世界各地上千万志愿者计算机的闲置计算能力，通过互联网进行数据传输。
例如分析地外无线电信号，从而搜索地外的生命迹象的SETI@home项目，该项目数据基数很大，超过了千万位数，是目前世界上最大的分布式计算项目之一，已有四百万台计算机加入了此项目（在中国大陆大约有4万位志愿者）；分析计算蛋白质的内部结构和相关药物的Folding@home项目，该项目大约有十余万支援者参加（在中国大陆大约有60位志愿者）。
这些项目本身很庞大，有惊人的计算工作量，由一台电脑全部完成计算几乎是不可能的。
网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型计算模式。
这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式叫网格计算。
这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势，一是数据处理能力超强；二是能充分利用网上的闲置处理能力。
简言之，网格是把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源及专家资源的全面共享。
图1-15SETI@home简要原理
2.以太网
1973年，Xerox公司的帕罗奥托研究中心（PARC,PaloAltoResearchCenter）设计出第一个局域网系统，命名为Ethernet，取Ether（以太，一种早期假想用来传递电磁波的物质，后来证实并不存在）和Network两个单词的结合。
当时，该网络只在Xerox公司内部使用，带宽为2.94M。
1982年，DEC、Intel、Xerox联合发表了EthernetVersion2规格，将带宽提升为10M,使用粗同轴电缆为传输介质，这就是被称作“标准以太网”的10Base5。
由于10Base5网络布线成本较高，3Com公司推出了改良型产品10Base2,使用细同轴电缆为传输介质。
Ethernet采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术。
这种方式适用于总线型和树形拓扑结构，主要解决如何共享一条公用广播传输介质。
其工作原理可以概括为：
“先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说”。
在网络中，任何一个工作站在发送信息前，要侦听一下网络中有无其它工作站在发送信号，如无则立即发送，如有，即信道被占用，此工作站要等一段时间再争取发送权。
等待时间可由二种方法确定，一种是某工作站检测到信道被占用后，继续检测，直到信道出现空闲。
另一种是检测到信道被占用后，等待一个随机时间进行检测，直到信道出现空闲后再发送。
当网络处于空闲的某一瞬间，有两个或两个以上工作站要同时发送信息，这时，同步发送的信号就会引起冲突，现由IEEE802.3标准确定的CSMA/CD检测冲突的方法是：
当一个工作站开始占用信道进行发送信息时，再用碰撞检测器继续对网络检测一段时间，即一边发送，一边监听，把发送的信息与监听的信息进行比较，如结果一致，则说明发送正常，抢占总线成功，可继续发送。
如结果不一致，则说明有冲突，应立即停止发送。
等待一随机时间后，再重复上述过程进行发送。
CSMA/CD控制方式的优点是：
原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。
但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。
3.以太网卡地址
以太网卡地址：
每一块以太网卡在出厂前，在网卡的ROM或者EEPROM里写了一个6字节长的数据，这个数据称为以太网卡地址（又称作：
MAC地址），通俗一些的叫法称做网卡的硬件地址，其中前面3个字节为厂商代码，后3个字节为流水号。
所有要生产以太网卡的厂商必须先向IEEE注册，取得合法的厂商代码，这样就保证了每块网卡的地址是全球唯一的。
4.端口
常说FTP占21端口、HTTP占80端口、TELNET占23端口等，这里指的端口就是TCP或UDP的端口，端口就像通道两端的门一样，当两机进行通讯时门必须是打开的。
源端口和目的端口各占16位，2的16次方等于65536，这就是每台电脑与其它电脑联系所能开的“门”。
一般作为服务一方每项服务的端口号是固定的。
观察端口非常重要，不但能看出本机提供的正常服务，还能看出不正常的连接。
Windows察看端口的命令是netstat。
5．集线器、交换机与路由器
1）.集线器
集线器的英文名称就是我们通常见到的“Hub”。
集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为节点的中心上。
在采用星形拓扑结构的网络中，用来连接多条通信线路并提供中央交换功能，无源集线器对传输信号不做任何处理，有源集线器则具有对信号进行监测和增强的功能。
集线器是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多口中继器。
集线器主要用来优化网络布线结构，以简化网络管理为目标而设计的。
集线器（Hub）是对网络进行集中管理的最小单元，像树的主干一样，它是各分枝的汇集点。
以集线器为节点中心的优点是：
当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作，这就是集线器刚推出时与传统的总线网络的最大的区别和优点，因为它提供了多通道通信，大大提高了网络通信速度。
然而随着网络技术的发展，集线器的缺点越来越突出，随后发展起来的一种技术更先进的数据交换设备——交换机逐渐取代了部分集线器的高端应用。
集线器的主要不足体现在如下几个方面：
（1）用户带宽共享，带宽受限。
集线器的每个端口并没有独立的带宽，而是所有端口共享总的背板带宽，用户端口带宽较窄，且随着集线器所接用户的增多，用户的平均带宽不断减少，不能满足当今许多对网络带宽有严格要求的网络应用，如多媒体、流媒体应用等环境。
（2）广播方式，易造成网络风暴。
集线器是一个共享设备，它的主要功能只
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