第一章计算机网络基础下

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)层信号同步、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10110，0101数位中有偶数个“1”，校验位设置为“1”00110，0001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10100，0101数位中有奇数个“1”，校验位设置为“1”00100，0001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。N层N+1层N-1层报文报文报头报尾报文报头报尾教材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)3.8()5.62(5537550微米φ单膜光纤微米φ多膜光纤光纤类超类类）无屏蔽双绞线（屏蔽双绞线双绞线欧姆欧姆细同轴电缆粗同轴电缆同轴电缆UTP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