计算机网络基础教程教案

计算机网络基础教程教案广州华商职业学院教案2011 /2012 学年第二学期课程名称 课程类别 任课班级 任课教师计算机网络基础教程与实训教程专业必修课 11 计算机网络 1 陈立军 信息工程系教师所属系部二一二年二月二十日br/br/学科 课题 周数计算机网络基础与实训教程 第一章：计算机网络概述：1学时数4授课班级11 计算机网络 13教学目标及要求掌握计算机网络的一般概念；2、了解计算机网络的发展概念教学重点 1. 掌握计算机网络的一般概念；教学难点 1. 了解计算机网络的发展概念实验仪器及教具多媒体教学系统教一、教学导入学过程（5 分钟）备 注计算机网络是计算机科学技术与通信技术逐步发展、紧密结合的产物，是 信息社会的基础设施，是信息交换、资源共享和分布式应用的重要手段。 二、讲授新课（30 分钟） 一、计算机网络的定义及涉及到的四个要点 1、定义：所谓计算机网络，就是利用通信设备和通信线路，将地理位置不同、 功能独立的多个计算机系统互联起来，以功能完美的网络软件（即网络通信协 议、信息交换方式和网络操作系统等）实现网络资源共享和信息传递的系统。 2、四个要点： （1）计算机网络包含两台以上的地理位置不同具有自主功能的 计算机。 （2）网络中各结点的连接需要一条通道，即由传输介质实现物理互联。 （3）网络中各结点之间互相通信或交换信息，需要有某些约定和规则，这些 约定和规则的集合就是协议，其功能是实现各结点的逻辑互联。 （4）计算机网络是以实现数据通信和网络资源（包括硬件资源和软件资源） 共享为目的。 3、计算机网络的目的 人们使用网络主要是为了共享资源和进行在线通信。资源包括数据、应用程序 和外围设备。 电子邮件是在线通信的经典形式。 二、计算机网络的形成 早在 1925 年当计算机还处于第一代的电子管时期，美国就建立了一套 SAGE （Semi-Automatic Ground Environment ）系统，即半自动地面防空系统。该系 统将远距离的雷达和其他设备的信息，通过通信线路汇集到一台旋风型计算 机，第一次实现了利用计算机远距离地集中控制和人机对话。SAGE 系统 教 学过 程 详见 的诞生被誉为计算机通信发展史上的里程碑。 课件 1.计算机终端网络。 计算机终端网络又称为分时多用户联机系统 特点：主机负荷较重；花费的费用高。终端计算机 目前我国金融系统等领域广泛使用的多用户终端系统就属于计算机终端网络。 2.计算机通信网络 计算机计算机 在终端设备和主计算机（HOST）之间增加一台功能简单的计算机。专门处理 终端设备的通信信息及控制通信线路。并能对用户的作业进行某些预处理操 作，因此称之为前端处理机 FEP（Front End Processor）或通信控制处理机 CCP （Communication Control Processor） 。 集中器用于终端设备较密集的地方。 缺点：主机系统之间的数据传输都是通过各自的前端处理机实现的。全网缺乏 统一的软件控制信息交换和资源共享。 3.计算机网络 20 世纪 60 年代末期，美国国防部高级研究计划局成功地开发了 ARPA 网络 （Advanced Research Project Agency Network） ，它是世界上第一个心资源共享 为主要目的的计算机网络。 计算机网络与计算机通信网络的硬件组成一样，都是由主计算机系统、终端设 备、通信设备和通信线路 4 大部分组成的。 计算机网络与计算机通信网络的根本区别是：计算机由网络操作系统软件来实 现网络资源共享和管理的，而计算机通信网络中，用户只能把网络看做是若干 个功能不同的计算机系统的集合。 小结：计算机网络的形成分三个阶段。使用网络的目的是实现资源共享和在线通信。 教学题目：1.3 计算机网络的分类 教学重点：计算机网络的组成 教学目标：掌握计算机网络的分类 掌握局域网的特点。 教学内容： 从功能角度出发计算机网络分为通信子网和资源子网。 通信子网面向通信控制和通信处理，主要包括：通信控制处理机（CCP） 、网 络控制中心（NCC)、分组组装/拆卸设备（PAD） 、网关（Gateway）等。 资源子网负责全网的面向应用 T 的数据处理，实现网络资源的共享。它由各种 拥有资源的用户主机和软件所组成，主要包括：主机（ Host ） 、终端设备 （Terminal） 、 网络操作系统 （Network Operating System） 、 网络数据库 （Network Database） 。 按通信距离划分：可分为广域网、城域网、城域网 按信息交换方式：可分为电路交换网、分组交换网、综合交换网 按网络拓扑结构：可分为星型网、树型网、环型网、总线网。 按通信介质：可分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、卫星网 按传输带宽：基带网、宽带网 1、广域网（Wide Area Network ，WAN）又称远程网。 特点：分布范围广，从数千米到数千千米。常借用传统的公共传输网如电话网 来实现。数据传输率低 64Kpbs，错误率高。 2、城域网（MAN） ，介于广域网和局域网之间，一幢办公楼、一个仓库或一所 学校；低误码率、专用的、由单一组织机构所使用。 3、局域网（LAN） ，电气电子工程师协会（IEEE） ，一座办公楼、一个仓库或 一所学校；低误码率；专用的，由单一组织机构所使用。 小结：分类、目的、形成 教学题目：1.4 计算机网络功能与服务 教学目标：掌握计算机网络的功能与服务 计算机网络于 1969 年 APRA 网络第一个以资源共享为主要目的的计算机网络。 不仅使计算机的作用范围超越了地理位置的限制，方便了用户，而且也增强了 计算机本身的功能，拓宽了服务，使得它在经济、军事、生产管理及教育、科 学等部门发挥了重大作用，日益成为计算机应用的主要形式。 一、网络基本功能： 1、资源共享功能： 充分利用计算机系统软、硬件资源是组建计算机网络的主要目标之一。 大的计算中心，大容量硬盘、数据库、应用软件及某些特殊外设等。网络中的 用户就可以共享分散在不同地的各种软、硬件资源及数据库，为用户提供了极 大的方便。 2、均衡负荷及分布处理功能：当某个主机系统的负荷过重时，可以将某些作 业通过网络送至其他主机系统处理，以便均衡负荷，减轻局部负担，提高设备 的利用率。 3、信息的快速传输和集中处理功能 终端与计算机之间、或计算机与计算机之间能快速可靠地相互传送信息，并根 据需要对这些信息进行分散、分级或集中处理与管理，是计算机网络的最基本 功能。 4、综合信息服务的功能 综合服务数据网（ISDN）将电话、传真机、电视机和复印机等办公设备纳入计 算机网络，可提供数字、语音、图形、图像、视频等多种信息的传输。 5、提高系统的性能价格比，维护方便，扩展灵活。 大型计算机的处理能力强，运算速度快，但价格昂贵。小型机虽然有较好的性 能价格比，但普及率远远低于个人计算机。二、网络基本服务 1、文件服务：包括对数据文件和有效存储、提取以及传输这些内容。 （1）文件传输：可以在几秒钟内把文件传到网络的另一端，而不用考虑文件 的大小、传输距离，甚至也不用考虑本地的操作系统。 （）文件存储器及数据移动 控制不同存储系统上的数据存储活动，是网络文件服务的重要方面。 （）文件同步更新：通过比较保存的文件的周期和时间来判定最新的文件。 （）文件归档：把重要数据复制到磁带机或一些脱机存储设备介质上，以防 止数据的损坏，称为文件归档或文件备份。 、打印服务 打印服务用来控制和管理对打印机和传真设备的访问。 打印服务接受打印作业请求、 解释打印作业格式和打印机设置、 管理打印队列， 为网络用户充当中间人，与网络上的打印机和传真设备打交道。 网络打印服务可以减少网络打印服务可以减少一个部门所需要的打印机数 量，将打印机放在最便于使用的地方，通过打印队列作业管理减少计算机传送 打印作业的时间，有效地共享特定的打印机，利用计算机收发传真等。 3、消息服务 消息服务内容包括对正文、二进制数据、图像数据，以及数字化声像数据的存 储、访问和发送。消息服务能够主动地处理计算机用户之间、应用程序之间或 者文件之间的交互式通信。消息服务不是简单地将数据文件存储起来，而是将 数据一个点一个点地往前传送，并且通知等待这些数据的用户或程序。 消息服务的典型应用是网络电子邮件（E-mail） 。最初的只传递正文消息，现在 的 E-mail 已包括各种数字化的正文、图形及声像数据。如今，随着国际互联网 的广泛应用，称为布告牌的各种公用和私人 E-mail 服务，已成为与世界上其他 计算机用户进行通信的普遍方式。 4应用服务 应用服务是一种替网络客户运行软件的网络服务。它不同于文件服务是因为它 不仅允许计算机之间共享数据，同时还允许计算机之间共享处理能力。 网络应用服务可以协调硬件及软件在最为合适的平台上运行实用程序（或软件 应用） ；在网络上不用对每一台计算机进行升级便可增强关键硬件的处理能力。 5数据库服务 网络数据库服务提供了基于数据库服务器进行数据存储和提取的操作，它允许 网络上的客户控制数据的处理及数据的表示。这样，便产生了专用术语来描述 数据库应用程序，它允许客户向这些指定服务器发出数据操作请求，这就是客 户/服务器数据库系统。 客户/服务器数据库系统把请求以及提供数据操作的任务进行优化和分割。 为了 提高事务处理效率，减少网络传输，每个客户分配一部分说明请求及处理响应 结果和任务。同时，数据库服务器对请求进行处理并返回结果。 利用网络数据库服务，可以优化计算机进行数据库记录的存储、查询及提取； 有效控制数据的存储位置； 在部门间对数据进行逻辑组织； 保证数据的安全性； 减少数据库客户的访问时间。 6目录服务 目录服务是存储网络资源并且使其能被用户和应用程序访问的网络服务。它提 供一致的方式来命名、描述、定位、管理和保障关于网络资源的信息。 以上只是对网络服务做了简要说明，并未涉及其技术实现方面的问题。需要补 充的是，对于有网络需求的部门来说，除了决定选择什么样的网络服务外，还 必须决定这些网络服务应当采用集中式还是颁布式、或者是两者的混合。在实 际应用中，网络服务可以集中放在一台计算机或一组计算机上，也可以颁布在 网络上的所有计算机中，这主要由资源的控制、服务器专用性和网络操作系统 等因素来决定，在此就不详述了。 小结：计算机网络的基本服务无论是广域网和局域网都采用。文件服务，打印服务，消息服务，应用服务，数据库服务，目录服务 13 网络的结构 教学目标：掌握计算机网络基本模块的功能。 计算机网络是由计算机系统、数据通信系统和网络操作系统组成的有机整体。 计算机系统是网络的基本模块，它提供各种网络资源；数据通信系统是连接网 络基本模块的桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术；而网络操作系统则 是网络的组织管理者，它提供了各种网络服务。从计算机网络设计者的角度来 看，网络模块的组成及其相互间的连接方式，决定了网络的整体结构和性能。 131 网络的基本模块 网络基本模块是组成计算机网络的基本要素，它是以计算机为核心、相对独立 的资源点，如图 1-4 所示是网络基本模块的示意图。它主要是由主机系统、通 信控制处理机、终端系统、集中器、本地线路和高速线路组成的多机系统。 1主机（HOST） 主机（指主计算机系统）在计算机网络中负责数据处理和网络控制。它和其他 模块中的主机连成网后构成网络的主要资源。作为网络的主机，它具有下述功 能： 通信处理能力。 分时处理能力。 多重处理能力。 程序兼容能力。 虚拟存储能力。 数据库管理能力。 主机与通信控制处理机之间利用通道或 I/O 接口相连，它们之间如同各自的外 设。这样，两台计算机同时工作，就像同一台计算机一样，可以获得最高效率 的信息传输。 2终端（TERMINAL） 终端是用户进行网络操作时使用的设备。它种类繁多，常用的有交互式终端、 批处理终端、汉字终端、智能终端及虚拟终端等。 终端设备一般与通信控制处理机或集中器相连，与通信控制处理机相连的一般 为近程终端，通过集中器再与通信控制处理机相连的一般为远程终端。为了提 高处理能力，主机本身应尽量少接终端。 3通信控制控制处理机（CCP） 通信控制处理机的主要作用是控制本模块和终端设备之间的信息传送，以及对 终端设备之间的通信线路进行控制管理。此外，它还是网络中各个模块之间的 接口机，负责模块间的信息传输控制。 通信控制处理机的主要功能是： 线路传输控制。 作业装配和拆卸。 差错检测和恢复。 路径选择和流量控制。 代码转换。 通信控制处理机一般宜采用小型机或高档微型机，并和主计算机之间通过高速 的并行方式交换信息。 需要指出的是， 在局域网中通常不专设通信控制处理机， 而是把这部分任务交给主机来承担。 1 集中器（CONCENTRATOR） 集中器的作用是把若干终端经本地线路（一般为低速线路）集中起来，连接到 12 条高速线路上，以提高通信效率和降低通信费用。它的主要功能有差错控 制、代码转换、信息缓存、电路转接及轮询等。集中器实质上是在终端一端的 通信控制处理机，通常采用小型机或微机来担任。 2 本地线路 本地线路是靠近终端设备的通信线路，由它把终端设备和通信控制处理机或者主机连接起来， 构成模块内的面向终端的网络。 由于它不超越模块的连接范围， 所以称为本地线路。 本地线路大多数是低速通信线路，可以用专线连接，也可以用交换线路连接。 3 高速线路 高速线路用于集中器到通信控制处理机，或网络中模块的通信控制处理机之间 的连接。从网络的传输效率出发，这种通信线路一般采用高速线路，如同轴电 缆或光缆等。 如上所述，网络模块大致由 6 部分组成。模块内部具有较复杂的结构关系，而 由若干个模块组成的计算机网络，结构就更加复杂了。为了便于研究和设计网 络的通信传输系统，通常采用图论和拓扑学的方法，将网络模块抽象成节点， 通信线路抽象成链路，对网络的结构特性进行分析，以采用不同的技术来实现 网络的通信和传输。 教学小结：计算机网络由主机、终端、通信控制处理机、集中器、本地线路、 高速线路组成。三、讲解例题（10 分钟）课后作业P13/1学科 课题 周数 3-6 学时数计算机网络基础与实训教程 数据通信基础知识 8 授课班级 11 计算机网络 13教学目标及要求数据通信的构成原理、交换方式及适用范围教学重点 1数据通信的构成原理教学难点 1交换方式及适用范围实验仪器及教具多媒体教学系统教1.数据通信的构成原理 Dte 是数据终端。学过程备 注数据终端有分组型终端(PT)和非分组型终端(NPT)两大类。分组型终端有 计算机、数字传真机、智能用户电报终端(TeLetex)、用户分组装拆设备(PAD)、 用户分组交换机、专用电话交换机(PABX)、可视图文接入设备(VAP)、局域网 (LAN)等各种专用终端设备;非分组型终端有个人计算机终端、可视图文终端、 用户电报终端等各种专用终端。 数据电路由传输信道和数据电路终端设备(DCE)组成，如果传输信道为模 拟信道，DCE 通常就是调制解调器(MODEM)，它的作用是进行模拟信号和数 字信号的转换;如果传输信道为数字信道，DCE 的作用是实现信号码型与电平 的转换，以及线路接续控制等。传输信道除有模拟和数字的区分外，还有有线 信道与无线信道、专用线路与交换网线路之分。交换网线路要通过呼叫过程建 立连接， 通信结束后再拆除;专线连接由于是固定连接就无需上述的呼叫建立与 拆线过程。计算机系统中的通信控制器用于管理与数据终端相连接的所有通信 线路。中央处理器用来处理由数据终端设备输入的数据。 2.数据通信的交换方式 通常数据通信有三种交换方式: (1)电路交换 电路交换是指两台计算机或终端在相互通信时，使用同一条实际的物理链 路，通信中自始至终使用该链路进行信息传输，且不允许其它计算机或终端同 时共亨该电路。 (2)报文交换 报文交换是将用户的报文存储在交换机的存储器中(内存或外存)，当所需 输出电路空闲时，再将该报文发往需接收的交换机或终端。这种存储_转发的 方式可以提高中继线和电路的利用率。 (3)分组交换 分组交换是将用户发来的整份报文分割成若于个定长的数据块(称为分组 或打包)，将这些分组以存储_转发的方式在网内传输。第一个分组信息都连有 接收地址和发送地址的标识。在分组交换网中，不同用户的分组数据均采用动 态复用的技术传送，即网络具有路由选择，同一条路由可以有不同用户的分组 在传送，所以线路利用率较高。 3.各种交换方式的适用范围 (1)电路交换方式通常应用于公用电话网、 公用电报网及电路交换的公用数 据网(CSPDN)等通信网络中。 前两种电路交换方式系传统方式;后一种方式与公 用电话网基本相似，但它是用四线或二线方式连接用户，适用于较高速率的数 据交换。正由于它是专用的公用数据网，其接通率、工作速率、用户线距离、 线路均衡条件等均优于公用电话网。其优点是实时性强、延迟很小、交换成本教 学过 程 详见 课件较低;其缺点是线路利用率低。电路交换适用于一次接续后，长报文的通信。 (2)报文交换方式适用于实现不同速率、不同协议、不同代码终端的终端间 或一点对多点的同文为单位进行存储转发的数据通信。由于这种方式，网络传 输时延大，并且占用了大量的内存与外存空间，因而不适用于要求系统安全性 高、网络时延较小的数据通信。 (3)分组交换是在存储_转发方式的基础上发展起来的，但它兼有电路交换 及报文交换的优点。它适用于对话式的计算机通信，如数据库检索、图文信息 存取、电子邮件传递和计算机间通信等各方面，传输质量高、成本较低，并可 在不同速率终端间通信。其缺点是不适宜于实时性要求高、信息量很大的业务 使用。 二、数据通信的分类 1.有线数据通信 (1)数字数据网(DDN) 数字数据网由用户环路、DDN 节点、数字信道和网络控制管理中心组成， 其网络组成结构如框图 2 所示。DDN 是利用光纤或数字微波、卫星等数字信 道和数字交叉复用设备组成的数字数据传输网。也可以说 DDN 是把数据通信 技术、数字通信技术、光迁通信技术以及数字交叉连接技术结合在一起的数字 通信网络。数字信道应包括用户到网络的连接线路，即用户环路的传输也应该 是数字的，但实际上也有普通电缆和双绞线，但传输质量不如前。DDN 的主 要特点是: 传输质量高、误码率低:传输信道的误码率要求小。 信道利用率高。 要求全网的时钟系统保持同步，才能保证 DDN 电路的传输质量。 DDN 的租用专线业务的速率可分为 2.4-19.2kbit/s， N64kbit/s(N=1-32); 用户入网速率最高不超过 2Mbit/s。 DDN 时延较小。 (2)分组交换网 分组交换网(PSPDN)是以 CCITTX.25 建议为基础的， 所以又称为 X.25 网。 它是采用存储转发方式，将用户送来的报文分成具用一定长度的数据段，并 在每个数据段上加上控制信息，构成一个带有地址的分组组合群体，在网上传 输。分组交换网最突出的优点是在一条电路上同时可开放多条虚通路，为多个 用户同时使用，网络具有动态路由选择功能和先进的误码检错功能，但网络性 能较差。 (3)帧中继网 帧中继网络通常由帧中继存取设备、帧中继交换设备和公共帧中继服务网 3 部分组成，如框图 3 所示。帧中继网是从分组交换技术发展起来的。帧中继 技术是把不同长度的用户数据组均包封在较大的帧中继帧内，加上寻址和控制 信息后在网上传输。其功能特点为:使用统计复用技术，按需分配带宽，向用户提供共亨的的网络资源， 每一条线路和网络端口都可由多个终点按信息流共亨，大大提高了网络资源的 利用率。 采用虚电路技术，只有当用户准备好数据时，才把所需的带宽分配给指 定的虚电路，而且带宽在网络里是按照分组动态分配，因而适合于突发性业务 的使用。 帧中继只使用了物理层和链路层的一部分来执行其交换功能，利用用户 信息和控制信息分离的 D 信道连接来实施以帧为单位的信息传送， 简化了中间 节点的处理。帧中继采用了可靠的 ISDND 信道的链路层(LAPD)协议，将流量 控制、纠错等功能留给智能终端去完成，从而大大简化了处理过程，提高了效 率。当然，帧中继传输线路质量要求很高，其误码率应小于 10 的负 8 次方。 帧中继通常的帧长度比分组交换长，达到 1024-4096 字节/帧，因而其吞 吐量非常高，其所提供的速率为 2048Mbit/s。用户速率一般为 9.6、4.4、19.2、 N64kbist/s(N=1-31)，以及 2Mbit/s。 )帧中继没有采用存储_转发功能， 因而具有与快速分组交换相同的一些 优点。其时延小于 15ms。 2.无线数据通信 无线数据通信也称移动数据通信，它是在有线数据通信的基础上发展起来 的。有线数据通信依赖于有线传输，因此只适合于固定终端与计算机或计算机 之间的通信。而移动数据通信是通过无线电波的传播来传送数据的，因而有可 能实现移动状态下的移动通信。狭义地说，移动数据通信就是计算机间或计算 机与人之间的无线通信。它通过与有线数据网互联，把有线数据网路的应用扩 展到移动和便携用户。 二、讲解例题 （10 分钟） 无线数据通信 （30 分钟）课后作业P31/1。学科 课题 周数计算机网络基础与实训教程 计算机网络体系结构与协议7-8学时数8授课班级11 计算机网络 13教学目标及要求通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的计算机系统，要使其能协同工作实现信息交 换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某 种互相都能接受的规则。教学重点 1. 通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的计算机系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。教学难点1.交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。实验仪器及教具 多媒体教学系统教一、教学导入 复习前面两章，引入新课。 二、讲授新课学过程（5 分钟）备 注1.网络协议(Protocol) 为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议总是指某 一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。 网络协议的三个要素： 1)语义(Semantics)。涉及用于协调与差错处理的控制信息。 2)语法(Syntax)。涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。 3)定时(Timing)。涉及速度匹配和排序等。 2.网络的体系结构及其划分所遵循的原则 计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的 子系统，然后“分而治之”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。分层就是系 统分解的最好方法之一。 在(图 3.1)所示的一般分层结构中，n 层是 n-1 层的用户，又是 n+1 层的服务提供者。 n+1 层虽然只直接使用了 n 层提供的服务， 实际上它通过 n 层还间接地使用了 n-1 层以及 以下所有各层的服务。教学过程 详见课件图 3.1 层次模型 层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。分层结构还有利于交流、 理解和标准化。 所谓网络的体系结构(Architecture)就是计算机网络各层次及其协议的集合。 层次结构 一般以垂直分层模型来表示(图 3.2)。图 3.2 计算机网络的层次模型 层次结构的要点： 1)除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。 2)对等层的虚通信必须遵循该层的协议。 3)n 层的虚通信是通过 n/n-1 层间接口处 n-1 层提供的服务以及 n-1 层的通信(通常也 是虚通信)来实现的。 层次结构划分的原则： 1)每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时， 只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。 2)层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。 3)层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂;若层数太多，则体系结构 过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。 网络的体系结构的特点是： 1)以功能作为划分层次的基础。 2)第 n 层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第 n-1 层提供的服务。 3)第 n 层在向第 n+1 层提供的服务时，此服务不仅包含第 n 层本身的功能，还包含 由下层服务提供的功能。 4)仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。 3.1.2 OSI 基本参考模型 1. 开放系统互连 (Open System Interconnection) 基本参考模型是由国际标准化组织 (ISO)制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型，又称 ISOs OSI 参考模型。“开放” 这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。 OSI 包括了体系结构、 服务定义和协议规范三级抽象。 OSI 的体系结构定义了一个七 层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定;OSI 的服务定 义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语;OSI 各层 的协议规范，精确地定义了应当发送何种控制信息及何种过程来解释该控制信息。 需要强调的是，OSI 参考模型并非具体实现的描述，它只是一个为制定标准机而提 供的概念性框架。在 OSI 中，只有各种协议是可以实现的，网络中的设备只有与 OSI 和 有关协议相一致时才能互连。 如图形 3.3 所示,OSI 七层模型从下到上分别为物理层(Physical Layer,PH)、数据链路 层 (Data Link Layer,DL) 、网络层 (Network Layer,N) 、运输层 (Transport Layer,T) 、会话层 (Session Layer,S)、表示层(Presentation Layer,P)和应用层(Application Layer,A)。图 3.3 ISOs OSI 参考模型 从图中可见，整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系 统通过物理媒体连接构成。这里的端开放系统和中继开放系统，都是国际标准 OSI7498 中使用的术语。 通俗地说， 它们变相当于资源子网中的主机和通信子网中的节点机(IMP)。 只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能，而在通信子网中的 IMP 一般只需要最低 三层甚至只要最低两层的功能就可以了。2.层次结构模型中数据的实际传送过程如图 3.4 所示。 图中发送进程送给接收进程和 数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体; 通过物理媒体传输到接收方 后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。 在发送方从上到下逐层传递的过程中， 每层都要加上适当的控制信息， 即图中和 H7、 H6、.、H1，统称为报头。到最底层成为由“0”或“1”组成和数据比特流，然后再转换为 电信号在物理媒体上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发 送方相应层加上的控制信息。 因接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息，而高层的控制信息对于它来说又 只是透明的数据，所以它只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作。发送 方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息通过虚通信直接给了对方 一样。图 3.4 数据的实际传递过程 各层功能简要介绍： (1)物理层-定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和 规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规 格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的协调等内容。 (2)数据链路层-比特流被组织成数据链路协议数据单元(通常称为帧)，并以其为单 位进行传输，帧中包含地址、控制、数据及校验码等信息。数据链路层的主要作用是通 过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数 据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收 方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。 (3)网络层-数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。网络层关心的是通信 子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这 就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网 络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地 时，还要解决网际互连的问题。 (4)运输层-是第一个端-端，也即主机-主机的层次。运输层提供的端到端的透明 数据运输服务，使高层用户不必关心通信子网的存在，由此用统一的运输原语书写的高 层软件便可运行于任何通信子网上。 运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 (5)会话层-是进程-进程的层次，其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程 间的通信(也称为对话)。会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。 在半双工情况下，会话层提供一种数据权标来控制某一方何时有权发送数据。会话层还 提供在数据流中插入同步点的机制，使得数据传输因网络故障而中断后，可以不必从头 开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。 (6)表示层-为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换。 为了让采用不同编 码方法的计算机在通信中能相互理解数据的内容，可以采用抽象的标准方法来定义数据 结构，并采用标准的编码表示形式。表示层管理这些抽象的数据结构，并将计算机内部 的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供 的表示变换功能。 (7)应用层是开放系统互连环境的最高层。不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 环境的手段。网络环境下不同主机间的文件传送访问和管理(FTAM)、传送标准 电子邮件的文电处理系统(MHS)、使不同类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟终 端(VT)协议等都属于应用层的范畴。 三、堂上提问及例题讲解 OSI 基本参考模型 （10 分钟）课后作业P67/2学科 课题 周数 教学目标及要求4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 网络传输媒介 网络接口卡 中继器 集线器 网桥 交换机 路由器 网关 实训 网络设备计算机网络基础与实训教程4学时数4授课班级11 计算机网络 13教学重点4.4 4.5 4.6 4.7 集线器 网桥 交换机 路由器教学难点4.6 交换机 4.7 路由器实验仪器及教具多媒体教学系统教学过程备 注? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?常用的网络传输媒介可分为两类：一类是有线的；一类是无线的。有线传输媒介 主要有同轴电缆、双绞线及光纤；无线媒介有微波、无线电、激光和红外线等。 1. 双绞线 双绞线是由两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每 根线加绝缘层并有颜色来标记，如下图所示。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外 部电磁干扰减到最小。双绞线按其电气特性分级或分类。 图 1.3 EIA/TIA （电气工业协会/电信工业协会） 第一类双绞线通常不在 LAN 技术中使用， 主要用于模拟话音。 EIA/TIA 第二类双绞线可用于综合业务数字网（数据） ， 如数字话音、IBM3270 等。 这两类双绞线在 LAN 中很少使用。 EIA/TIA 第三类双绞线是一种 24WG 的四对非屏蔽双绞线， 符合 EIA/TIA568 标准 中 确 定 的 100 欧 姆 水 平 布 线 电 缆 的 要 求 ， 可 用 来 进 行 10Mbps 和 IEEE802.3 10Base-T 的话音和数据传输。 EIA/TIA 第四类双绞线在性能上比第三类有一定改进， 适用于包括 16Mbps 令牌环 局域网在内的数据传输速率。其传输特性满足 EIA/TIA Technical Services Bulletin 定义的第四类电缆的规范，也满足 NEMA 和 UL Twisted-pair Qualification Program 定义的规范。这类双绞线可以是 UTP，也可以是 STP。 EIA/TIA 第五类双绞线是 24AWG 的四对电缆， 比 100 欧姆低损耗电缆具有更好的 传输特性，并适用于 16Mbps 以上的速率，最高可达 100Mbps。150 欧姆 STP 是另 外一种高性能屏蔽式 22AWG 或 24AWG 的电缆，它支持的数据传输速率可达 100Mbps 或更高，并支持 600MHz 频带上的全息图像。 使用双绞线组网， 网卡必须带有 RJ-45 接口， 另外还需要一个非常重要的设备 集线器 Hub。如下图所示是 RJ-45 接头示意图。 图 1.4 教学过 根据 AT&T 接线标准，双绞线与 RJ-45 接头的连接方法在 10Base-T 和 100Base-T 程详见 是相同的。它需要四根导线通信，两根用于发送数据，两根用于接收数据。 课件 双绞线（10Base-T）以太网技术规范可归结为 5-4-3-2-1 规则： （1）允许 5 个网段，每网段最长 100 米。 （2）在同一信道上允许连接 4 个中继器或集线器。 （3）在其中的 3 个网段上可以增加节点。 （4）在另外 2 个网段上，除作中继器链路外，不能接任何节点。 （5）上述将组建 1 个大型的冲突域，最大站点数 1024，网络直径达 2500 米。 双绞线组网的基本要求是网络部件间延时满足如下公式： （中继器延时+电缆延时+网卡延时2）2 51.2ms 2. 同轴电缆 同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆， 不论粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层，如下图所示。由于 同轴电缆绝缘效果佳、频带也宽、数据传输稳定、价格适中、性价比高，所以它 是局域网中普遍采用的一种传输媒介。经常提到的 10Base-2 以太网就是使用细同 轴电缆组网的。使用同轴电缆组网，需要在两端连接 50 欧的反射电阻，这就是通 常所说的终端匹配器。 （1）细缆连接设备及其技术参数。采用细缆组网，除需要电缆外，还需要 BNC 头、T 型头及终端匹配器等，如下图所示。同轴电缆组网的网卡必须带有细缆连接 接口（通常在网卡上标有“BNC”字样） 。 下面是细缆组网的技术参数： 最大的干线段长度：185 米。 最大网络干线电缆长度：925 米。 每条干线段支持的最大节点数：30。 BNC、T 型连接器之间的最小距离：0.5 米。? ? ? ? ?（1）细缆连接设备及其技术参数。采用细缆组网，除需要电缆外，还需要 BNC 头、T 型头及终端匹配器等，如下图所示。同轴电缆组网的网卡必须带有细缆连接 接口（通常在网卡上标有“BNC”字样） 。 下面是细缆组网的技术参数： 最大的干线段长度：185 米。 最大网络干线电缆长度：925 米。 每条干线段支持的最大节点数：30。 BNC、T 型连接器之间的最小距离：0.5 米。? ? ? ? ? ?（2）粗缆连接设备及其技术参数。包括转换器、DIX 连接器及电缆、N-系列插头、 N-系列匹配器，如下图所示。使用粗缆组网，网卡必须有 DIX 接口（一般都标有 DIX 字样） 。 下面是采用粗缆组网的技术参数： 最大的干线长度：500 米。 最大网络干线电缆长度：2500 米。 每条干线段支持的最大节点数：100 个。 收发器之间的最小距离：2.5 米。 收发器电缆的最大长度：50 米。课后作业P89/1。学科 课题 周数局域网与广域网技术计算机网络基础与实训教程9学时数4授课班级11 计算机网络 13教学目标及要求5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 局域网的基本概念 网络服务器与工作站 介质访问控制方法 局域网组网技术 IEEE 802.11 与无线局域网 广域网的基本概念 广域网的组成 实训教学重点5.1 5.2 5.3 5.4 局域网的基本概念 网络服务器与工作站 介质访问控制方法 局域网组网技术教学难点5.6 广域网的基本概念 5.7 广域网的组成实验仪器及教具 多媒体教学系统教一、教学导入 复习前一章，引入新课。 二、讲授新课?学过程（5 分钟）备 注? ? ? ?局域网 LAN（Local Area Network）是计算机通信网的重要组成部分，是一种在 一个局部地区范围内（例如一个学校、一个工厂、一家医院、一个机关等） ，把 各种计算机、外围设备、数据库等相互连接起来组成的计算机通信网。 5.1.1 局域网的产生和发展 为了共享软件、硬件资源和相互之间传送数据和文件，于是产生了近距离高速 通信的要求，这就是局域网产生的背景。 1972 年 Bell（贝尔）公司提出了两种环型局域网技术。 1983 年，IEEE 802.3 委员会以 Ethernet V2.0 为基础，正式制定并颁布了 IEEE 802.3 以太网标准，这个标准被称为标准以太网（10Base-5） 。从此局域网开始 进入标准化进程。 1983 年， 美国国家标准化委员会 ANSI X3T9.5 委员会提出了光纤分布式数据接 口（FDDI）标准，使局域网的传输速率提高到了 100Mbps。这一阶段的网络技 术是共享传输通道、共享带宽的共享式局域网技术。 5.1.2 局域网的特点 区别于一般的广域网，局域网通常具有如下特征： （1）地理分布范围小。一般为数百米至数千米，可以覆盖一幢大楼、一所学校 或者一个企业。局域网一般为一个机构所拥有。? ? ?（2） 数据传输速率高。 一般为 10Mbps10Gbps， 可以交换各类数字和非数字 （如 语音、图像、视频等）信息。?（3）误码率低。这是因为局域网通常采用段距离基带传输，可以使用高质量的 传输媒体，从而提高了数据传输质量。教学过程 详见课件? ?（4）以 PC 为主体。包括各种终端及外设，网络中一般不设中央主机系统。 （5）一般仅包含 OSI 参考模型中的最低二层功能，即仅涉及通信子网的内容。 所以连到局域网的数据通信设备必须加上高层协议和网络软件才能组成计算机 网络。? ? ? ? ?（6）协议简单，结构灵活，建网成本低，周期短，便于管理和扩充。 覆盖局域网和广域网之间的区域是城市区域网 MAN，简称城域网。 5.1.3 局域网的拓扑结构 1. 拓扑结构概念是用一些简单的几何图形来表示复杂的形式结构。在计算机网络中引用拓扑结 构的目的是利用它来表示网络传输介质的连接形式，即线路构成的几何形状。? ? ?2.按拓扑结构分类计算机网络的拓扑结构是指网络节点的地理分布和互连关系上的几何构形。 这种分类方法是最常用的分类方法。局域网经常采用总线型、环型、星型这几 种最常见的拓扑结构，因此可以把局域网分为总线型局域网、环型局域网、星型局域网和混合型局域网等类型。 ? ? ? ? 3. 局域网拓扑结构的选择选择局域网拓扑结构需要考虑如下诸多因素： （1）局域网既要易于安装，又要易于扩展。 （2）局域网的可靠性是考虑选择局域网的重要因素。要易于故障诊断和隔离， 以使得局域网的主体在局部发生故障时仍然能够正常运行。?（3） 局域网拓扑结构的选择还会影响传输媒体的选择和媒体访问控制方法的确 定，这些因素又会影响各个节点运行速度和局域网软、硬件接口的复杂性。 5.2.1 网络服务器 服务器（Server）是整个网络系统的核心，它就是为网络用户提供服务并管理整 个网络的设备。? ?根据客户机/服务器交互模式中服务器提供的服务的类型的不同，可以将其分为 文件服务器、数据库服务器、事务处理服务器、应用服务器和对象服务器等几 种类型。其中，前两种类型是最基本的，而后面的几种类型都是在此基础上发 展起来的。? ? ?1.文件服务器文件服务器是最早出现的一种服务器类型，如图 5-1 所示。 它的工作过程是：如果用户想要查询或处理文件服务器中的数据库文件，由客 户机向文件服务器发出文件查询请求。文件服务器在接收到客户机的请求后， 在服务器硬盘中搜索用户所需的数据库文件，然后将该数据库文件发送到客户 机。客户机运行客户应用程序，对数据库文件进行处理，然后将修改过的数据 库文件发送回文件服务器。以这种服务器的工作过程可以看出其缺点是网络负 荷较大，致使网络的工作效率较低。? ?2.数据库服务器在该服务器的工作模式中（如下图所示） ，客户机通过一条 SQL 命令将服务请 求发送到数据库服务器， 数据库服务器将每一条 SQL 命令的执行结果回送给客 户机。 ? 服务器从外型来看，和普通的 PC 并没有什么两样，但其内部结构和性能 却与普通的个人 PC 机有着本质的不同。体现在以下方面： ? 1）硬件结构 ? 2）性能 ? 5.2.2 工作站 ? 工作站（workstation）是一种高性能计算机，它与普通计算机相比具备更 强大的数据运算与图形和图像处理能力。? 根据所使用的领域不同，工作站在性能上也有所差别。现在常见的工作站 主要有：图形工作站、文件工作站、程序开发等，它们所涉及的领域主要有工 程设计、图形处理、软件开发和金融管理等。 ? 介质访问控制（Media Access Control，MAC）就是用于解决局域网中共用信道 产生竞争时如何分配信道的使用权的问题。 局域网目前常用的访问控制方法有： ? （1）争用型介质访问控制协议，即随机型的介质访问控制协议，如以太网的 CSMA/CD 方式。 ? ? ? ? （2）确定型访问控制协议，即有序的访问控制协议，如令牌方式。 5.3.1 以太网介质访问控制方法 1. 带冲突监测的载波侦听多址访问带 冲 突 检 测 的 载 波 侦 听 多 址 访 问 （ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection， CSMA/CD） ，网络中各个站点都具备一种对总线上所传输的信号或 载波进行监测的功能称为载波监听 CS； 多址 MA 是指当总线上一个站点占用总 线发送信号时，所有连接到同一总线上的其他站点都可以通过各自的接收器收 听，只不过目标结点会对所接收到的信号进行进一步处理，而非目标结点则忽 略所接收到的信号；冲突检测 CD 是指一种检测或识别冲突的机制，这是实现 冲突退避的前提。?在总线环境中，冲突的发生可能有两种原因：一种是总线上两个或两个以上的 接点同时发送信息；另一种是一个较远的接点已经发送信息，但是由于线路较 长，使之到达目的地时，另一个刚好发送了信息。CSMA/CD 通常用于总线型 拓扑结构和星型拓扑结构的局域网中。 2.? ? ?载波侦听多路访问基本的载波侦听多路访问（CSMA）方法的算法如下： （1）一个站要发送信息时，首先需要监听总线，以确定是否有其他站发送的信 号。? ? ?（2）如果介质是空闲的（没有其他站点正在发送） ，则可以发送。 （3）如果总线（传输介质）是忙的，则等待一定时间后重试。 根据信道忙时，对如何监听采取的处理方法不同，可以将 CSMA 分为不坚持 CSMA、1-坚持 CSMA 和 P-坚持 CSMA 三种不同的协议，如图 5-3 所示。?（1）不坚持 CSMA。发送之前监听信道，如果信道空闲就发送数据；如果监听 到信道忙，就不坚持监听，而是根据协议算法延迟一个随机时间后再重新监听。 不坚持 CSMA 的缺点是不能找到信道刚好变成空闲的时刻，这样就会影响信道 利用率的提高。?（2）1-坚持 CSMA。监听到信道忙，则继续监听，知道信道空闲就立刻把数据 发送出去，但若有两个或两个以上的站点正在同时监听信道，则一旦信道空闲就会发送冲突，反而不利于吞吐量的提高。 ? （3）P-坚持 CSMA。监听到信道空闲时，就以概率 P（0P1）发送数据，而 以概率（1-P）延迟一段时间，重新监听信道。P 坚持 CSMA 可以减少冲突，提 高信道的利用率，但 P 值的确认十分复杂。 ? ? 3. 带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD 的工作过程可以为先听后发、边听边发、冲突停止、随机延时重发， 具体说明如下：?（1）当一个站点想要发送数据时，需检测网络是否有其他正在传输，即监听信 道是否空闲。? ?（2）如果信道忙，则等待，直到信道空闲。 （3）在发送数据的同时，站点继续侦听网络确信没有其他站点在发送数据。因 为有可能有两个或更多的站点同时在检测网络空闲后，几乎同一时刻开始传输 数据。如果两个或多个站点同时发送数据，则会发生冲突。?（4）当一个传输结点识别出一个冲突时，就发送一个拥塞信号，这个信号使得 冲突的时间足够长，让其他的结点都能够发现。 5.3.2 令牌总线访问控制方法 令牌总线访问控制和 CSMA/CD 方式一样，应用于总线网络拓扑结构中，但不 同的是网络上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一 个指定逻辑位置，即首尾相连，每个站都了解其先行站和后继站的地址，总线 上各站的物理位置与逻辑位置无关。令牌总线网如下图所示。? ?令牌总线的 MAC 协议十分复杂，要求大量的维护工作。其中，下列功能是必 不可少的，它们必须由总线上一个或多个站点来完成。? ?1.环的初始化当网络开始启动时，或逻辑环断开后，必须重新进行初始化，每个工作站按地 址从高到低插入逻辑环中，令牌也从地址高的工作站传到地址低的工作站。? ?2.加入环路环中每站都周期性地提供机会让新节点加入环中。当某站点持有令牌时，即发 出一个“请求后继站”的帧，邀请其他地址介于本站点及其后继站之间的新站进 入环中，然后等待一个响应窗口或时间片（等于介质的端到端延时） 。接着发生 下面四种情况之一：? ? ? ? ?（1）无响应。 （2）收到了一个正确的响应。 （3）收到了碰撞响应。 （4）无效响应。 3. 退出环路?一个工作站须能将其自身从环路中退出，向其先行站发送一“置后继站”帧，令 它和后继站相接，并将其先行站和后继站连接起