计算机网络教案112.docx
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计算机网络教案112
《计算机网络》教案
第一章计算机网络概论
学习目标：
1、了解计算机网络的基本概念以及计算机网络的应用范围和发展前景
2、了解网络传输介质
3、了解网络拓扑结构
4、掌握数据传输技术
5、掌握数据交换技术
6、掌握osi参考模型的优点、各层的功用以及osi模型七层的运作方式
本章重点：
●什么是计算机网络
●传输介质分类
●数据传输技术
●数据交换技术
●0Sl模型
本章难点：
●OSI参考模型的七层，各层的功能
●OSI模型七层的运作方式
讲授方式：
PPT+讲授
课时分配：
6
思考题：
1、2、7、8、11、12、16、17
讲授内容：
1．1网络基本概念
一、计算机网络的应用范围和发展前景
1、数字通信
●网络电话技术（IP电话）
●视频会议技术384~2048kbps
●电子邮件服务：
2、分布式计算
3、网络门户服务IDCASP
Idc是internetdatecenter
ASPapplicationserviceprovider
（网上应用服务供应商）
好处：
IDC和ASP服务的好处有：
集中提供服务可以节约费用、可以集中少量高级专业人才提供高质量的服务、有利于服务平台硬件和软年的升级换代。
具有安全、交效、性价比高等显著优点。
4、信息查询：
搜索引擎（）
5、网上教育“任何人、任何地点、作何时间、可以学习任何课程”
6、虚拟现实
7、电子商务EB和EC（电子商情、电子广告、电子交易、电子购物等）
8、家庭自动化（智能化小区）
二、什么是计算机网络？
计算机网络就是利用通信线路和通信设备将分布在不同地点的具有独立功能的多个计算机系统互相连接起来，在网络软件的支持下实现彼此之间的数据通信和资源共享的系统。
思考：
资源包括哪些？
答：
文件（文件夹共享）、信息（电子邮件）、外设（打印机、传真机、扫描仪等）、应用程序
网络类型的分类
网络依规模大小可区分成三种类型：
局域网、城域网与广域网。
表1-1网络类型的比较
┏━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━┓
┃网络类型┃范围┃传输速度┃成本┃
┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━┫
┃局域网┃2km内，同一栋建筑物内快┃便宜┃
┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━┫
┃城域网┃2～10km，同一都市内┃中等┃昂贵┃
┣━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━┫
┃广域网┃10km以上，可跨越国家或洲界┃慢┃昂贵┃
┗━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━┛
提示：
以上分类方式经常因人而异。
例如：
因为城域网的规模介于局域网与广域网之间，彼此的分界并不是很明确，所以有些人在区分网络类型时，只分成局域网与广域网两类，而略过城域网。
1．2传输介质
介质的基本功能是以比特的形式携带信息流通过一个局域网，一般情况下网络介质将网络信号限制在线缆、电缆或光纤中。
网络传输介质是物理层的部件
一、同轴电缆
1、在局域网中，采用同轴电缆的网络以10BASE-2为代表，采用的是RG-58同轴电缆,构造见书p38。
2、同轴电缆优缺点。
优：
同轴电缆有双层的保护（金属铜网和绝缘外皮），不易受外界（例如：
电
磁波和湿气）干扰，使用寿命也较长。
缺：
同轴电缆和双绞线相比，价格比较贵，而且也很重。
二、双绞线
1、双绞线（TwistedPair）是由成对外覆绝缘材料的铜线对绞而成“两两对绞”可降低两条线路传送信号时所产生的电磁场相互干扰的影响，对绞的次数越多，抗干扰的效果越好。
2、从整体结构来看，双绞线一般可分为两种：
屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。
两者主要区别是在绞线和外皮间有无铜网或金属层的屏蔽。
3、双绞线的分类
见p40表3-1
4、双绞线的颜色
见p40表3-2
5、双绞线的优缺点
双绞线的优点就是便宜，再者，双绞线的维护和布线弹性也很好。
但是比较不耐用，而且较容易受到电磁干扰。
三、光纤
1、光纤（OpticalFiber）的材质是极细小的玻璃纤维（50～100μm），弹性很好非常适合传输光波信号。
2、光纤的优缺点：
优：
>传输速度快
>抗电磁干扰
>传输安全性高
缺：
架设不易，分接线路很麻烦，价格很高，不适合一般小型局域网使用。
四、比较三种常用传输介质：
1、同轴电缆在宽带（Broadband）传输仍有较大发挥空间。
例如：
目前方兴
未艾的缆线调制解调器（CableModem）市场，从有线电视部门到用户家中，
都一律使用同轴电缆。
2、双绞线是基带传输介质的主流。
是网络安装中经常使用的介质
3、由于光线价格昂贵与施工困难，通常只在铺设网络主干线时使用。
4、无线传输介质
激光、红外线、无线电，微波
无线网络的传输技术可分为两大类：
光学传输和无线电波传输。
目前以光为传输
介质的技术有红外线（Infrared，IR）和激光（Laser），利用无线电波传输的技术则包
括窄频微波（NarrowbandMicrowave）、直接序列展频（DirectSequenceSpread
Spectrum，DSSS）、跳频式展频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，FHSS）、
HomeRF以及蓝芽（Bluetooth）等多项技术。
一、以光为传输介质
光作为传输介质，特性有两点：
⏹光无法穿透大多数的障碍物，就算穿透了也会出现折射和反射的情况。
⏹光的行进路径必须为直线，不过这点可以通过折射及反射的方式解决。
1、红外线
Ø红外线传输标准制定目的是为了建立互通性佳、低成本、低耗能的数据传输解决方案，目前几乎所有笔记本电脑都各有红外线通讯端口。
Ø红外线传输有3种模式：
直接红外线连接（Direct-BeamIR，DB/IR）、反射式红外线连接（DiffuselR，DF/lR）、全向性红外线连接（OmnidireclionallR，Omni／IR）
Ø无线局域网中，红外线传输不受到重视的原因：
传输距离太短及易受阻隔
2、激光
激光和红外线同属光波传送技术，激光无线网络的连接模式只有直接连接一
种。
几乎不会产生反射现象，在许多需要安全的连接环境中，激光极佳的选择。
二、无线电波
1、无线电波的穿透力强，全方位传输，不局限于特定方向，和光波传输相比较之下，无线电波传输特别适合用在局域网。
而且布线和维护线路的成本可以省去。
2、以无线电波作为传输介质的技术有窄频微波、直接序列展频、跳频式展频、HomeRF、Bluetooth
lEEE802.11
IEEE802.11是无线网络的标准规格。
在这份文档中，除了说明无线网络的标准外，还规范了3种传输技术：
●直接序列展频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）
●跳频式展频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，FHSS）
●红外线（Infrared，IR）
一、直接序列展频
1、直接序列展频是通过展频码（SpreadingCode），也称为虚拟噪音码（PseudoNoiseCode，PNCode），将原本窄频高能量的信号扩展为原本的数倍带宽，而且将能量变小，以低于背景杂音值（BackgroundNoise），然后才把信号发送出去。
当接收端收到此信号时，会再用展频码演算一次，将信号还原成窄频高能量，取得传送的信息。
2、优点：
抗干扰、防窃听
二、跳频式展频
1、跳频式展频是利用一个很宽的频带，将其细分成数十个小频道，然后把数据塞到频道上送出去，而且每次传送数据所使用的频道都不一样。
更清楚地定义是：
在一个很宽的频带内，先由连线的两端协议好要使用哪些频道，然后轮流使用这些频道传送数据
2、直接序列展频相比较之下，速度慢，但是具有高容错能力。
IEEE80211a
IEEE802．11a是使用5GHz的频带，又称为U-NII（UnlicensedNationalInformation
Infrastructure）频带。
IEEE802lla所使用的传输技术为OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing），能更有效的防止干扰，并通过特殊的频道分割方式，达到更快速地传输性能。
四、IEEE802lib是使用高速直接序列展频（HR／DSSS）的传输技术，利用2.4G的频带，按所使用的调制技术不同，有4种传输速率。
HOmeRF
HomeRF（HomeRadioFrequency）：
是由国际电信协会（InternationalTelecommunica—fionUnion，ITU）所推行的一种家用无线网络标准，目的是为了提供一个低成本、低性能，
并可以同时传输语音和数据资料的家庭网络。
一、HomeRF的标准
HomeRF是以共享无线访问协议（SharedWirelessAccessProtocol）整合在一起传输。
二、高速HomeRF
HomeRF2．0的几个重要特点：
●传输速率最高达10Mb／s，也支持5Mb／s、16Mb／s和0．8Mb／s。
●兼容于HomeRF1．2的设备。
●耗电量比市面上任何无线设各还要低。
●同时最多可以有8个连线。
蓝牙技术（Bluetooth）
一、什么是蓝牙技术
1、蓝牙技术的目的：
短距离、低功率、低成本，且运用无线电波来传输的技术，通过这个标准，将所有信息设备互相连通
2、蓝芽的功能
蓝芽技术同时具备语音和数据通讯的能力，最高传输速率达1Mb／s，他的应用范
围包括：
●语音及数据资料的即时传输
●取代右形线路
●快速方便地网络连接
●3合1电话
二、蓝芽技术的标准
蓝芽抟输的范围最远达10m，若接上放大器则可达100m，使用2．4GHz公用频带，采用的无线传输技术是跳频式展频，和IEEE802．11雷同，不过其跳跃的频率很高，每秒1600次。
三、带宽恶霸
当蓝芽开始发出无线电波时，整个频带就像是被它霸占了一样。
这是导致蓝牙技术不能推广的重要原因。
1．3网络拓扑结构
网络拓扑规定了网络的组织结构。
拓扑的定义包括两部分：
物理拓扑（即网线的实际布局）和逻辑拓扑（即主机如何访问介质）
一、常用的物理拓扑包括：
总线型、星型、环型、扩展星型、层次、网络。
二、1、总线型：
所有节点都连到一条主干电缆上
缺点：
故障诊断困难，总线故障会引起整个网络瘫痪。
（早期常用的拓扑结构）
1、星型：
将所有电缆连到一个中心点上，这一点通常是一台集限器或者交换机。
优点：
结构简单、建网易，故障诊断易，系统较稳定。
缺点：
安装费用多。
目前已成为小型局域网的趋势。
3、环型：
各节点形成闭合的环，可实现任意两点间通信。
缺点：
环中任意一处故障都会造成网络瘫痪。
2、扩展星型拓扑
通过集线器/交换机把独立的星型拓扑结构连到一起，可以扩展网络的规模。
3、层次拓扑结构
与扩展星型拓扑类似，只是把主计算机连到一起。
4、网络拓扑
每台主机都具有与其他所有主机的连接，应用于绝对不能出现通信中断的情况下，如核电厂。
三、混合式网络
实际应用中，通常不会只用到一种拓扑结构，而是多种拓扑结构的结合。
例如：
目前最常见的总线型和星型网络的集合。
四、比较几种拓扑结构的优缺点及应用。
1．4数据传输技术
数据要通过传输介质（Media）从发送端传递到接收端，先按照传输介质的特性，将数据转换成传输介质上所承载的信号（Signal）。
接收端自传输介质取得信号后，再将其还原成数据。
不同传输介质所承载的信号类型各不相同，信号的物理特性也各异但无论各种信号之间的差异有多大，将数据转换成各类信号的方式却大致相同，有共通的脉络可循。
1.4.1数字与模拟
一、数字与模拟
“数字”泛指一切可数的信息，“模拟”则是那些只能通过比较技巧进行区分的不可数信息。
二、
信号：
指的是所需的电压、光模式或调制的电磁波
模拟信号：
可以用波形进行图示，因为他们是逐渐的持续的发生变化的，模拟信号是一种能持续变化的电磁波。
（电话系统）
模拟信号具有以下特征：
1、波动性
2、持续变化的电压-时间图
3、反映事物的本质特征
4、在电信业已经被广泛使用了超过100年
三、数字信号：
几乎能瞬时的从一个状态转换为另一个状态。
（现代的局域网数字传输技术）
数字信号具有以下特征：
1、离散的、或跳跃的电压-时间图
2、反映技术的本质特征而不是时间的本质特征
四、数字信号和模拟信号
通常数字信号是描述传输计算机数据的一种非常近似的格式，因此绝大多数网络使用数字信号的描述方法。
数字信号的优点：
5、制造数字设备，较模拟设备便宜
6、数字信号开启或关闭的离散状态不会像一个连续波形那样容易受到一个较小的失真的影响。
模拟信号的优点：
1、容易进行多路复用，也就是联合起来增加带宽。
2、不容易衰减但放大信号时，噪声和信号也一起随之放大。
五、数据的数字化
模拟数据经过采样过程后就变成了数字信息，这种取样过程也常被称为“数字化”（digitize）过程。
1.4.2基带传输与宽带传输
一、基带传输与宽带传输
信号的传输方式分为两大类:
“基带（BASEband）传输”与“宽带（Broadband）传输”。
其中基带传输是“直接控制信号状态”的传输方式；宽带传输则是“控制载波（Carder）信号状态”的传输技术。
未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，在直接和低频条件下就可传输，称为基带信号，在近距离范围内，基本信号功率衰减不大，故局域网都采用基带传输。
而在远程传输中，必须经高频调制后才能在信道进行传输，称为数字基带信号的载波传输或宽带传输。
二、基带的信号发送与接收
基带（BASEband）传输是“直接控制信号状态”的传输方式，是直接改变电位状态来传输数据（见图2-6）。
三、载波信号的调制与解调
载波是指“可以用来载送数据的信号”。
1、发送端的载波产生器输出正弦波信号给调制器。
2、调制器根据数据内容改变正弦波信号的物理特性，送出信号。
3、解调器收到信号后，拿它跟接收端载波产生器所输入正弦波信号相比较，过滤出物理特性上的变动。
4、解调器根据信号物理特性上的变动，还原出数据内容。
上述将数据放上载波的操作称为“调制（Modulation）”，执行调制操作的装置或程序称为“调制器（Modulator）”；而将数据与载波分离的操作称为“解调（Demodulation）”执行解调制操作的设备或程序称为“解调器（Demodulator）”。
四、载波传输不等于模拟传输、载波传输不等于单向传输
1.4.3基带编码技术
一、编码是指把1和0转换成某种真实的和物理的事务，比如：
●一条线路上的电脉冲
●一根光纤上的光脉冲
●进入空间的电磁波
二、二阶基带信号的编码方式
二阶信号:
指信号上仅能区分出两种逻辑状态。
以电流脉冲来说，便是两端电位的“高”与“低”
二阶基带信号的编码方式种类及每种的编码规则（p28-30）
三、多阶基带信号的编码方式
就三阶的电流脉冲而言，信号通常区分成三种电位状态，分别为：
“正电位”、“零电位”、“负电位”。
三阶的基带传输方式有：
>BipolarAlternateMarkInversion（BiDolar-AMI，双极交替记号反转）：
早期T-Carrier网络采用这种传输方式。
>Bipolar-8-ZeroSubstitution（B8ZS，双极信号八零替换）：
新式T-Cartier网络采用这种传输方式。
>Highdensitybipolar3（HDB3，高密度双极信号3）：
E-Carrier网络采用这种传输方式。
1.4.4宽带调制技术
一、调制：
发送端根据数据内容命令调制器（modulator）改变载波的物理特性使其能够携带信息。
“调制”常通过改变载波的“振幅、频率、相位”三种物理特性来完成。
控制载波振幅的技术称为“振幅调制”技术；控制载波频率的技术则为“频率调制”技术；控制载波相位的技术便是“相位调制”技术。
二、振幅调制技术
控制载波振幅的调制技术为“振幅调制”（AmplitudeModulation，AM）技术，数字振幅调制技术称为“振幅键控”（AmplitudeSlliftKeying，ASK）调制技术，它以振幅较弱的信号状态代表O，以振幅较强的信号状态代表1（p31图2-23）。
三、频率调制技术
控制载波频率的调制技术为“频率调制”（FrequencyModulation，FM）技术，数字频率调制技术称为“频移键控”（FrequencyshiftKeying，FsK）调制技术，它以频率较低的信号状态代表0，以频率较高的信号状态代表l（见p31图2-24）。
四、相位调制技术
控制载波相位的调制技术为“相位调制”（PhaseModulation，PM）技术，调制相位调制技术则称为“相移键控”（PhaseShiftKeying，PSK）调变技术，它以信号相位状态的改变代表1，以信号相位状态不变代表O（见p32图2-25）
五、正交幅度调制技术
QAM是一种结合ASK与PSK的综合型调制技术，同时控制载波的“振幅强度”与“相位偏移量”，让同一个载波信号得以呈现出更多的逻辑状态。
1.4.5同步化
接收端要顺利将信号转换成原先的数据，必须知道两件事:
“从哪个时间点开始检测信号的逻辑状态”与“传输一位所占用的时间”。
为解决第一个问题，传输控制机制都会定义一种“闲置（Idle）状态”。
不传送数据时，传输介质便处于闲置状态下。
一旦开始传送数据，便进入“数据传输状态”，并开始检测信号的逻辑状态。
要解决第二个问题，只需让发送端与数据端参考同一套时钟（Clock）即可。
但除非传送端通过另一条传输线路将时序信号传送给接收端，让接收端得以随时修正时序。
这个程序，便是“同步化”。
否则只要双方的时钟有些微的误差，长时间传输累积下来，便会使得取样过程出错，解译出错误的数据。
1.4.6单工与双工
进行信号传送的数据通道有三种方式：
单工、半双工、全双工
一、单工：
在此传输模式下，发送端只能发送信息出去，不能接收调制；接收端只能接收信息，不能发送信息出去。
例:
电视
二、半双工（HaIfDUOIex）
可在两个方向上传送流量，但某一时刻只能有一方进行传输。
即半双工传输方式使信号能朝任一方向传送，但不能朝两个方向同时传送，例：
对讲机
三、全双工
在此传输模式下通讯端可以同时进行数据的接收与发送操作。
例：
电话
1.4.7带宽
带宽：
用来描述在一个给定的时间内有多少信息能够从一个地方传输到另一个地方。
包括模拟信号带宽和数字信号带宽。
模拟信号：
信号带宽——信号频率的变动范围
数字信号：
线路带宽——线路传输速率（重点）
信息的最基本单位是比特，时间的最基本单位是秒，所以线路带宽的单位为b／s（BitPerSecond，每秒传输位数）。
1.5数据交换
为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。
两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。
就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。
实现交换的方法主要有：
电路交换、报文交换、分组交换。
电路交换
交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。
（最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。
）
特点：
数据传输前需要建立一条端到端的通路。
呼叫——建立连接——传输——挂断
优缺点：
建立连接的时间长；
一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；
无纠错机制；
建立连接后，传输延迟小。
报文交换
整个报文作为一个整体一起发送。
在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。
这种数据传输技术称为存储-转发。
缺点：
1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。
2）大报文造成存储转发的延时过长；
3）出错后整个报文全部重发。
分组交换
1．数据报交换
数据报（Datagram）交换与报文交换相类似，在数据传输前不需要预先建立连接，当发送端有一个较长的报文要发送时，首先将报文分解成若干个较小的数据单元，每个数据单元都要附加一个分组头并封装成分组（或称数据报），然后将各个分组发送出去。
每个分组都被独立地传输，中间节点可能为每个分组选择不同的路由，这些分组到达目的端的顺序可能与发送的顺序不同，因此目的端必须重新排序分组，将其组装成一个完整的原始报文。
2．虚电路交换
1）建立连接阶段
2）数据传输阶段
3）拆除连接阶段
1．6网络体系结构与标准化
0Sl模型
一、为什么要制定osI模型?
20世纪80年代末90年代初，网络的规模和数量迅猛增长。
但是，许多网络都是基于不同的软件和硬件实现的，这使得他们之间互不兼容，而且很难在使用不同标准的网络之间进行通信。
为了解决这个问题，国际标准化组织（ISO）研究了许多网络方案，建立了一种可以有助于网络的建设者们实现网络、并用于同通信和协同工作的网络模型，并于1984年公布，这就是OSI参考模型。
二、网络分层的目的
1、将网络通信分解成更小、更简单的模块以便于研发。
2、将网络部件标准化，从而可以让进行研发和提供支持
3、允许不同类型的网络硬件和软件相互通信
4、防止某一层的变更回影响到其他层，从而可以更快的发展
5、将网络通信分成较小的部分，学习时会更易于理解。
一、学习OSI参考模型的作用
1、学习关于层次的概念有助于理解一台计算机与另一台计算机之间的通信过程。
2、学习各个层次的基本功能是开始设计、构建以及解决网络故障的基础。
二、
1、7层包括：
应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层（由高到低）
OSI模型的每一层都有它必须实现的功能，以保证数据能从源端传到目的端。
2、各层的功能如下：
第1层：
物理层（信号与介质）
此层主要包含以下3项：
>传输信息的介质规格。
>将数据以实体呈现并传输的规格。
>接头的规格。
第2层：
数据链路层（帧和介质访问控制）
此层的主要工作包含以下3项：
同步
数据链路层协议会在传送数据时，同时进行连接同步化，使传送与接收双方达到同步，确保数据传输的正确性。
检测
接收端收到数据之后，会先检查该数据的正确性，才决定是否继续处理。
制定介质访问控制方法
当网络上的多个设备要同时传输数据时，如何决定其优先顺序?
是让大家公平竞争、先抢先赢?
或是赋予每个设备不同的优先等级?
这套管理办法通称为介质访问控制方法（MediaAccessControlMethod，MACMethod）（第5章p58）
第3层：
网络层（路径选择、路由及逻辑寻址）
此层的主要工作包含以下两项：
定址
在网络世界里，所有网络设备都必须有一个独一无二的名称或地址，才能相互找到对方并传送数据。
至于究竟采用名称或地址?
命名时有何限制?
如何分配
升级会员 