第一章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)下

1、教材1.2節(jié) 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（一）教學(xué)要求1. 理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的概念。2. 能描述開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）的基本結(jié)構(gòu)。3. 了解網(wǎng)絡(luò)通信中的一些基本概念：報文、幀、段、分組、數(shù)據(jù)報文、控制報文、面向連接的協(xié)議、無連接協(xié)議。（二）教學(xué)設(shè)計建議本節(jié)教材主要包括什么是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議、開放系統(tǒng)互連參考模型、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的幾個概念等三小節(jié)內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容中提到的名詞、概念多較抽象，學(xué)生接受和理解的難度較大，要求記憶的內(nèi)容也較多，是后續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。教學(xué)中要通過生活中的實例進(jìn)行比喻和通俗生動的解釋使學(xué)生了解學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的重要性。本節(jié)的重點是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的概念的教學(xué)，

2、了解開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）的基本結(jié)構(gòu)。難點是對OSI模型的理解。在講解什么是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議時，要注重分層思想的教學(xué)，在計算機(jī)學(xué)科中很多問題都是采用分層的方法來解決的。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的定義：用來定義并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的一組規(guī)則和參數(shù)。簡單地說協(xié)議就是通信雙方必須遵守的一組約定；是一套規(guī)則，用來規(guī)定有關(guān)功能部件在通信過程中的操作。·采用分層的原因：網(wǎng)絡(luò)通信的涉及因素多而復(fù)雜，包括：通信線路、傳輸技術(shù)、計算機(jī)硬件、軟件、應(yīng)用業(yè)務(wù)、安全等。·分層的優(yōu)點：將復(fù)雜的的網(wǎng)絡(luò)通信問題分解為多個可在不同層次上處理的部分；提供了模塊化的設(shè)計，對部分層的修改、增加不影響其他層。開放系

3、統(tǒng)互連參考模型（OSI）是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)，理解了OSI各層的功能才可能理解許多不同種類的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、產(chǎn)品和服務(wù)。在教材的閱讀材料計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中，講述了OSI模型產(chǎn)生的歷史背景，主要是為了解決互不兼容的網(wǎng)絡(luò)之間的通信問題。OSI模型的2個基本概念：兩個系統(tǒng)同層間的約定稱為協(xié)議(protocol)；上下相鄰層之間的約定稱為接口（interface）。OSI模型分層及各層主要功能見表1-5。表1-5 OSI模型分層及各層主要功能表層名稱主要功能7應(yīng)用層：(application layer)上層提供各種應(yīng)用：文件傳輸、電子郵件、萬維網(wǎng)等。6表示層：(presentation layer

4、)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、壓縮與解壓縮、加密與解密。5會話層：(session layer)建立傳輸規(guī)則、傳輸約定。4傳輸層：(transport layer)下層分組、流量控制、查錯與錯誤處理。3網(wǎng)絡(luò)層：(network layer)確定傳送地址、選擇傳輸路徑。2數(shù)據(jù)鏈路層：(data link layer)信號同步、差錯校驗（CRC）、流向控制。1物理層：(physical layer)傳輸信息的介質(zhì)、將數(shù)據(jù)以實體呈現(xiàn)并傳輸?shù)囊?guī)格、接插件的規(guī)格。 OSI模型數(shù)據(jù)傳送及接收過程見下圖：圖1-4 層間的報文關(guān)系學(xué)習(xí)OSI模型，并不是要死記硬背七層協(xié)議的名稱，而是要明白數(shù)據(jù)在這七層之間的傳遞方式，如

5、果不明白這個道理，無異于人入寶山而空返。在圖1-4中，報頭用該層英文單詞和報頭（header）英文單詞的首字母組成。數(shù)據(jù)由發(fā)送端（通常指應(yīng)用程序）產(chǎn)生，由上層往下層傳送。每經(jīng)過一層，都會在該層增加一些該層專用的信息（網(wǎng)絡(luò)術(shù)語稱作：封裝（encapsulation），這些信息稱為報頭(header)，在有些層除了添加報頭外，還會在數(shù)據(jù)尾部加上一些信息，稱作報尾（trailer）然后再傳送給下一層，我們可以把“加上報頭”想象為“套上一層信封”，數(shù)據(jù)傳送到物理層時已經(jīng)被套上了七層信封。然后通過網(wǎng)絡(luò)線纜、電話線、光纜等傳送到接收端。接收端受到數(shù)據(jù)后，會從最底層向上傳送，每經(jīng)過一層就拆掉一層信封，直到最

6、上層，數(shù)據(jù)邊恢復(fù)成發(fā)送端最上層產(chǎn)生時的原貌。為便于理解，教材中使用了兩地通過郵局傳遞不同語言郵件的例子，教師可以依據(jù)教材（P7 圖1.2.2） 來更加形象地描述OSI模型各層的功能，最后通過投影等手段展示出圖1-4 層間的報文關(guān)系。在教材的第三節(jié)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的幾個概念中，主要講述了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組成和常用的幾個術(shù)語。（1）. 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的組成語法：確定協(xié)議元素（數(shù)據(jù)與控制信息）的結(jié)構(gòu)和格式。即規(guī)定通信中各方應(yīng)“如何講”。語義：確定協(xié)議元素（數(shù)據(jù)與控制信息）的類型和內(nèi)容。即“講什么”應(yīng)遵循的一些規(guī)定。交換規(guī)則：規(guī)定通信雙方彼此間的應(yīng)答關(guān)系，即對事件實現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。也就是“講的

7、次序”的約定。（2）. 報文及其分類·報文：每個協(xié)議將所要傳輸?shù)男畔⒎Q作報文。在網(wǎng)絡(luò)層大多數(shù)稱作分組，在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層則稱作幀。·數(shù)據(jù)報文：在上一層協(xié)議交付要傳輸?shù)男畔⑸咸砑訄箢^（和報尾）構(gòu)成數(shù)據(jù)報文。N層N + 1層N - 1層報文報文報頭報尾報文報頭報尾圖1-5數(shù)據(jù)報文·控制報文：是不含用戶數(shù)據(jù)，為了保證通信能夠正常進(jìn)行而發(fā)送的報文。（3）. 協(xié)議按連接方式分類：面向連接的協(xié)議、無連接協(xié)議面向連接的協(xié)議：類似于電話的使用，要和某個人通話，先拿起電話，撥號碼，通話，然后掛斷。面向連接的協(xié)議使用時，用戶首先要建立連接，使用連接，然后釋放連接。連接本質(zhì)上像個管道

8、，連接建立后，發(fā)送方在管道的一端放入物體，接收方在另一端按找同樣的次序取出物體。無連接協(xié)議：類似于郵政系統(tǒng)郵件的傳遞，每個報文（信件）帶有完整的目標(biāo)地址，并且每個報文都是相互獨立的，經(jīng)由系統(tǒng)選定的線路傳遞。在正常情況下先發(fā)送的報文先收到，但也有可能先發(fā)的由于途中的延遲而后收到，面向連接的協(xié)議是不可能發(fā)生先發(fā)后收的。(4). 分組(packet)在網(wǎng)絡(luò)通信中，每一層都要對上一層傳來的數(shù)據(jù)報文進(jìn)行處理，由于硬件、操作系統(tǒng)、協(xié)議規(guī)定、國際標(biāo)準(zhǔn)等原因規(guī)定了本層能處理的數(shù)據(jù)報文的最大長度限制，必然要對上層傳來的大的數(shù)據(jù)報文進(jìn)行拆分，封裝成的新數(shù)據(jù)報文發(fā)送給下一層，拆分得到的數(shù)據(jù)報文在物理層與數(shù)據(jù)鏈路層稱

9、作幀，在網(wǎng)絡(luò)層和運輸層稱作分組（包）。(5). 校驗碼校驗碼是將整個報文的信息按照某種算法進(jìn)行計算而產(chǎn)生的，對報文是否正確傳輸起核對作用的一組代碼。常用的有校驗和、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)等。奇偶校驗（parity check）：奇校驗：所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中，“1”的個數(shù)為奇數(shù)，如：傳送的數(shù)位備 注校驗位數(shù)位10110，0101數(shù)位中有偶數(shù)個“1”，校驗位設(shè)置為“1”00110，0001數(shù)位中有奇數(shù)個“1”，校驗位設(shè)置為“0”偶校驗：所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中，“1”的個數(shù)為偶數(shù)，如：傳送的數(shù)位備 注校驗位數(shù)位10100，0101數(shù)位中有奇數(shù)個“1”，校驗

10、位設(shè)置為“1”00100，0001數(shù)位中有偶數(shù)個“1”，校驗位設(shè)置為“0”校驗和(checksum)： 一個用來驗證數(shù)據(jù)傳送時不出錯的值。發(fā)送方利用疊加數(shù)據(jù)的二進(jìn)制計算校驗和，并隨該數(shù)據(jù)的包一起發(fā)送，接收方計算接收到的數(shù)據(jù)的校驗和并與包內(nèi)的校驗和作比較。循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check ，簡記為CRC，）： 用來檢驗數(shù)據(jù)在傳送過程中沒有遭破壞的一個值。發(fā)送方計算機(jī)發(fā)送一個帶有CRC值的數(shù)據(jù)包，接收方計算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后計算它們的CRC值，再與包中的CRC值比較。計算CRC值比計算校驗和更復(fù)雜，但能檢驗出更多的傳輸差錯。CRC的計算雖然比較復(fù)雜，但只要在硬件上使用移位寄

11、存器和XOR門電路來計算CRC代碼還是比較容易實現(xiàn)的。教材1.3節(jié) 網(wǎng)絡(luò)中的信息載體、通信線路與連接設(shè)備（一）教學(xué)要求1. 了解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊中信息的載體。2. 了解數(shù)據(jù)通信中的通信線路的分類。3. 能列舉并解釋網(wǎng)絡(luò)通信中常用的信息交換技術(shù)及其用途。4. 了解網(wǎng)絡(luò)通信中常用的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備并能簡述其主要功能（二）教學(xué)設(shè)計建議本節(jié)包括信息傳輸中的信息載體、通信線路的分類、復(fù)用和交換網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備等共4小節(jié)內(nèi)容。在信息傳輸中的信息載體教學(xué)中，要緊密結(jié)合教材P10，圖1.3.1，從圖中讓學(xué)生找一找自己熟悉的頻率段，增強(qiáng)對電磁波各頻段用途的感性認(rèn)識。同時建議對模擬信號與數(shù)字信號做一些簡單的介紹，最后介紹信

12、號的調(diào)制和解調(diào)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊中信息的載體是電磁波。電磁波的應(yīng)用范圍很廣泛，其頻率范圍大約是0-10 24 赫茲，但是由于不同頻段的電磁波的傳輸特性不同，能用于數(shù)據(jù)通訊的頻帶限制在104-1016之間。由圖中我們可以看到我們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ恼{(diào)頻（FM）、調(diào)幅(AM)收音機(jī)、電視機(jī)（VHF、UHF）等通信使用的電磁波頻率。激光是一種人造可見光，也是電磁波，由于其優(yōu)良的特性，在數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。圖1-6 模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)(analog data)是以連續(xù)變化的物理量形式表示的數(shù)據(jù)。例如，用連續(xù)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等物理量表示的數(shù)據(jù)。這種表示法能夠完整、正確地表示原始的信息，比如電話通道上的

13、電信號是一種模擬數(shù)據(jù)，它完整正確地（如果沒有噪音發(fā)生）表示了原始聲音信號，模擬數(shù)據(jù)通常容易轉(zhuǎn)換成圖形或曲線表示，適合于表現(xiàn)事物的變化規(guī)律或發(fā)展趨勢，對模擬數(shù)據(jù)的任何定量只能是一種近似描述。圖1-7數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(digital data)是以不連續(xù)的離散的數(shù)字或符號形式表示的數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過取樣量化表示成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過程稱為數(shù)字化。例如，將聲音、圖像數(shù)據(jù)通過取樣、量化轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字編碼表示，構(gòu)成聲音、圖像的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)上的信號有兩種，在局域網(wǎng)上使用的是數(shù)字信號，但數(shù)字信號在光纖以外的線纜中不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，所以在遠(yuǎn)距離通信時通常需要將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號，再進(jìn)行傳輸。使用電話線進(jìn)行遠(yuǎn)

14、距離通信時，因為電話線路是為傳輸語音信號而設(shè)計的，只適用于傳輸音頻范圍3003400Hz的摸擬信號，不適宜直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，為了利用電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機(jī)之間的數(shù)字信號傳輸，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為摸擬信號。為此需要在發(fā)送端選取音頻范圍的某一頻率的正（余）弦摸擬信號作為載波，用它運載所要傳輸?shù)臄?shù)字信號，通過電話信道送至另一端；在接收端再將數(shù)字信號從載波上取出來，恢復(fù)為原來的數(shù)字信號波形。數(shù)字信號在傳輸過程中是以電磁波形式傳輸?shù)?，在信息發(fā)送端把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為電磁波的過程稱為調(diào)制（編碼），在接收端把電磁波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的過程稱為解調(diào)（解碼）。調(diào)制解調(diào)器（MODEM）是一種兼具調(diào)制和解調(diào)功能的設(shè)備。常見的

15、有用于普通電話線的普通調(diào)制解調(diào)器、用于有線電視網(wǎng)的電纜調(diào)制解調(diào)器（又名線纜調(diào)制解調(diào)器，英文名稱CableModem）和用于寬帶上網(wǎng)的xDSL調(diào)制解調(diào)器等。在通信線路的分類小節(jié)中，主要介紹了無線通信、有線通信以及有線通信的三種通信線纜（同軸電纜、雙絞線、光纜）。建議有條件的學(xué)校拿三種線纜的實物展示給學(xué)生。在這里要強(qiáng)調(diào)一下雙絞線的接線標(biāo)準(zhǔn)，常用的標(biāo)準(zhǔn)有兩個：T568A和T568B，如圖1-9所示。標(biāo)準(zhǔn)：綠白，綠，橙白，藍(lán)，藍(lán)白，橙，棕白，棕。標(biāo)準(zhǔn)：橙白，橙，綠白，藍(lán)，藍(lán)白，綠，棕白，棕。國內(nèi)布線通常用568B的標(biāo)準(zhǔn)。一個布線系統(tǒng)中除了跳線以外只能用一個接線標(biāo)準(zhǔn)，不能混用。也不能把4對線按次序卡入水

16、晶頭。下面是幾種應(yīng)用環(huán)境下雙絞線的制作方法：表示此口是級連口，而時表示此口是普通口。在一個網(wǎng)絡(luò)中，終端（電腦）與設(shè)備（集線器、交換機(jī)等）連結(jié)時，兩頭都用568B或都用568A的接線；終端與終端連結(jié)、設(shè)備與設(shè)備連結(jié)需用交叉線連接方式，即一頭用568B，另一頭用568A的接線。由于交換機(jī)UPlink口對端口線序進(jìn)行了調(diào)整，可用兩頭同一標(biāo)準(zhǔn)的接線與交換機(jī)相連。通信線纜分類圖1-8通信線纜分類圖1-9 雙絞線接線標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用和交換是為了提高通信線路帶寬的利用率、提高通信線路的總體使用效率采用的一種技術(shù)，多路復(fù)用包括頻分復(fù)用、時分復(fù)用、波分復(fù)用等。交換可分為電路交換和分組交換等。在本節(jié)教學(xué)中，建議通過圖1-

17、10、1-11、1-12、1-13、1-14的展示和對比，讓學(xué)生更形象地理解復(fù)用和交換。多路復(fù)用技術(shù)的基本原理：各路信號在進(jìn)入同一個有線的或無線的傳輸媒質(zhì)之前，先采用調(diào)制技術(shù)把它們調(diào)制為互相不會混淆的信號，然后進(jìn)入傳輸媒質(zhì)傳送到對方，對方再用解調(diào)（反調(diào)制）技術(shù)對這些信號加以區(qū)分，并使它們恢復(fù)成原來的信號，從而達(dá)到多路復(fù)用的目的。采用多路復(fù)用的主要目的是為了降低建設(shè)通信線路的費用，提高傳輸信道的利用率。信道發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收端1發(fā)送端1發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收端2發(fā)送端2發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收端3發(fā)送端3發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收端4發(fā)送端4發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收端5發(fā)送端5圖1-10 不采用多路復(fù)用技術(shù)信

18、道接收端1發(fā)送端1發(fā)送設(shè)備接收端2發(fā)送端2接收端4發(fā)送端4接收端3發(fā)送端3接收端5發(fā)送端5接收設(shè)備合成分解圖1-11 采用多路復(fù)用技術(shù)電路交換在通信時，一方發(fā)起呼叫，獨占一條物理線路。當(dāng)交換機(jī)完成接續(xù)，對方收到發(fā)起端的信號，雙方即可進(jìn)行通信。它的特點是實時性強(qiáng)，時延小，交換設(shè)備成本較低，但物理線路利用率低。電話網(wǎng)（PSTN）是典型的電路交換應(yīng)用實例。用戶2用戶1用戶3用戶4用戶6用戶5用戶7用戶8電路交換機(jī)（局） 圖1-12 電路交換實用示意圖分組交換是一種通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)的交換方式。它是將需要傳送的信息劃分為一定長度的分組（包），以分組為單位進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)的。而每個分組信息都載有接收地址和發(fā)送地址

19、的標(biāo)識，在傳送數(shù)據(jù)分組之前，首先建立虛電路，然后依序傳送。送出的信息經(jīng)交換機(jī)的分組裝拆功能構(gòu)成分組，存儲到分組交換機(jī)的存儲器內(nèi)，接著就可以和來自其他終端的分組一起，以動態(tài)復(fù)用的方式，通過高速傳輸線路進(jìn)行傳輸，從而提高了傳輸線路利用率。交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)存儲器存儲器存儲器132132分組信息用戶乙分組信息用戶甲圖1-13 存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理示意圖交換機(jī)甲交換機(jī)乙交換機(jī)丙用戶A用戶B用戶C用戶E用戶DBA1323B21A11ABA23圖1-14 分組交換原理示意圖分組交換的優(yōu)點：傳輸質(zhì)量高、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性能好、能與公用電話網(wǎng)、用戶電報及低速數(shù)據(jù)網(wǎng)、其他專用網(wǎng)互連。分組交換的缺點：由于采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式工

20、作，所以每個分組的傳送延遲可達(dá)幾百毫秒，而且在傳送分組時交換機(jī)要有一定的開銷，故分組交換不適宜在實時性要求高、信息量大的場合使用；還由于技術(shù)比較復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)管理功能強(qiáng)等原因，大型分組交換網(wǎng)的投資也比較大。表1-6 復(fù)用與交換分類及其用途多路復(fù)用1. 頻分復(fù)用（FDM）多用于模擬通信（數(shù)字通信也在應(yīng)用）。典型應(yīng)用：有線電視2. 時分復(fù)用(TDM)廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信。典型應(yīng)用：GSM移動通信系統(tǒng)、程控電話交換系統(tǒng)3. 波分復(fù)用(WDM)是利用光域上的頻分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)在一根光纖上同時傳輸多路光信號的光通信技術(shù)。光纖通信(最大容量10Tbps)交換1. 電路交換程控電話交換系統(tǒng)2. 分組交換大型商場、

21、超市信用卡消費為了讓學(xué)生更好地理解分組交換與電路交換，教材在本節(jié)安排了“討論交流”活動“描述電話與郵件傳遞的差別，加深對電路交換和分組交換的了解”。在本節(jié)的第4小節(jié)，介紹了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備：集線器、交換機(jī)、路由器和網(wǎng)關(guān)。集線器工作在物理層，同一時刻只能有一臺計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（稱為廣播），而其他計算機(jī)只能接收（稱為偵聽），如果偵聽到是發(fā)送給自己的就接收下來，如果不是自己的就丟棄。交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層（高檔一些的帶路由功能的交換機(jī)工作在網(wǎng)絡(luò)層，一般稱“三層交換機(jī)”）。集線器和交換機(jī)用于把一些計算機(jī)聯(lián)結(jié)成一個局域網(wǎng)。路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，主要用于使用相同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)的互連。計算機(jī)安裝上

22、路由協(xié)議就成了一臺簡單的路由器。而網(wǎng)關(guān)主要用于使用不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)間的互連。表1-7 局域網(wǎng)通信介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)類型通信介質(zhì)單段最大長度網(wǎng)絡(luò)帶寬組網(wǎng)是否需要集線器、交換機(jī)設(shè)備總線型50細(xì)同軸電纜185米10M不需要粗同軸電纜500米10M不需要星型雙絞線100米10/100/100M需要如果本教材在高二年級使用，進(jìn)行本節(jié)教學(xué)時學(xué)生還沒有學(xué)過物理教材中關(guān)于電磁波、光波的知識，教師要根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或補(bǔ)充。（三）“討論交流”活動指導(dǎo)1. 討論主題：探討電話與郵件傳遞的差別，加深對電路交換和分組交換的了解活動目的：（1）加深對電路交換和分組交換過程及其用途的了解?；顒硬襟E：(1) 教師先描述打電

23、話和通過郵局發(fā)信件的過程為例子，引發(fā)學(xué)生思考(2) 學(xué)生列舉生活中類似于電路交換和分組交換事件的例子。(3) 學(xué)生列舉并寫出電路交換和分組交換的例子。(4) 教師提問，全班討論交流。可供參考的生活中類似于電路交換和分組交換的信息或者事物的例子，如：·電路交換：打固定電話、對講機(jī)、傳真。·分組交換：郵局郵寄信件、包裹；IP電話；電力供應(yīng)；大型商場、超市信用卡消費?；顒釉u價：本次活動五項評價指標(biāo)屬于討論交流活動的共同指標(biāo)，他們的評價標(biāo)準(zhǔn)分別是：“參與程度”、“相互交流”、“合作精神”、“理解與思考”和“背景知識”。上述指標(biāo)側(cè)重于對活動的過程進(jìn)行評價，另外還要對活動的結(jié)果進(jìn)行評價

24、。評價指標(biāo)如下表所示。項目評價指標(biāo)評價列舉并寫出電路交換和分組交換的例子能分別列出三個電路交換和分組交換的例子。（6分）能分別列出兩個電路交換和分組交換的例子。（5分）能分別列出一個電路交換和分組交換的例子。（3分）需要啟發(fā)、引導(dǎo)（2分）活動結(jié)束以后，要及時組織學(xué)生對自己在活動中的表現(xiàn)按照教材中的評價量表進(jìn)行自我評價，同時教師也要使用學(xué)生評價量表，及時記錄學(xué)生在本次活動中的表現(xiàn)。六、知識、技能拓展1. 分布式計算與網(wǎng)格計算分布式計算是一種把需要進(jìn)行大量計算的工程數(shù)據(jù)分割成多個小的模塊，由多臺計算機(jī)分別計算，在上傳運算結(jié)果后再統(tǒng)一合并得出問題結(jié)果的科學(xué)。許多分布式計算項目常常使用世界各地上千萬志

25、愿者計算機(jī)的閑置計算能力，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如分析地外無線電信號，從而搜索地外的生命跡象的SETIhome項目，該項目數(shù)據(jù)基數(shù)很大，超過了千萬位數(shù)，是目前世界上最大的分布式計算項目之一，已有四百萬臺計算機(jī)加入了此項目（在中國大陸大約有4萬位志愿者）；分析計算蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)藥物的Foldinghome項目，該項目大約有十余萬支援者參加（在中國大陸大約有60位志愿者）。這些項目本身很龐大，有驚人的計算工作量，由一臺電腦全部完成計算幾乎是不可能的。網(wǎng)格計算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而迅速發(fā)展起來的，專門針對復(fù)雜科學(xué)計算的新型計算模式。這種計算模式是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一

26、個“虛擬的超級計算機(jī)”，其中每一臺參與計算的計算機(jī)就是一個“節(jié)點”，而整個計算是由成千上萬個“節(jié)點”組成的“一張網(wǎng)格”，所以這種計算方式叫網(wǎng)格計算。這樣組織起來的“虛擬的超級計算機(jī)”有兩個優(yōu)勢，一是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；二是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。簡言之，網(wǎng)格是把整個網(wǎng)絡(luò)整合成一臺巨大的超級計算機(jī)，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源及專家資源的全面共享。圖1-15 SETIhome簡要原理2. 以太網(wǎng)1973年，Xerox公司的帕羅奧托研究中心（PARC,Palo Alto Research Center）設(shè)計出第一個局域網(wǎng)系統(tǒng)，命名為Ethernet，取Ether(以太，

27、一種早期假想用來傳遞電磁波的物質(zhì)，后來證實并不存在)和Network兩個單詞的結(jié)合。當(dāng)時，該網(wǎng)絡(luò)只在Xerox公司內(nèi)部使用，帶寬為2.94M。1982年，DEC、Intel、Xerox聯(lián)合發(fā)表了Ethernet Version2規(guī)格，將帶寬提升為10M,使用粗同軸電纜為傳輸介質(zhì)，這就是被稱作“標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)”的10Base5。由于10Base5網(wǎng)絡(luò)布線成本較高，3Com公司推出了改良型產(chǎn)品10Base2,使用細(xì)同軸電纜為傳輸介質(zhì)。Ethernet采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)技術(shù)。這種方式適用于總線型和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要解決如何共享一條公用廣播傳輸介質(zhì)。其工作原理可以概括為：“先

28、聽后說，邊聽邊說；一旦沖突，立即停說；等待時機(jī)，然后再說”。在網(wǎng)絡(luò)中，任何一個工作站在發(fā)送信息前，要偵聽一下網(wǎng)絡(luò)中有無其它工作站在發(fā)送信號，如無則立即發(fā)送，如有，即信道被占用，此工作站要等一段時間再爭取發(fā)送權(quán)。等待時間可由二種方法確定，一種是某工作站檢測到信道被占用后，繼續(xù)檢測，直到信道出現(xiàn)空閑 。另一種是檢測到信道被占用后，等待一個隨機(jī)時間進(jìn)行檢測，直到信道出現(xiàn)空閑后再發(fā)送 。    當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于空閑的某一瞬間，有兩個或兩個以上工作站要同時發(fā)送信息，這時，同步發(fā)送的信號就會引起沖突，現(xiàn)由IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)確定的CSMA/CD檢測沖突的方法是：當(dāng)一個工

29、作站開始占用信道進(jìn)行發(fā)送信息時，再用碰撞檢測器繼續(xù)對網(wǎng)絡(luò)檢測一段時間，即一邊發(fā)送，一邊監(jiān)聽，把發(fā)送的信息與監(jiān)聽的信息進(jìn)行比較，如結(jié)果一致，則說明發(fā)送正常，搶占總線成功，可繼續(xù)發(fā)送。如結(jié)果不一致，則說明有沖突，應(yīng)立即停止發(fā)送。等待一隨機(jī)時間后，再重復(fù)上述過程進(jìn)行發(fā)送。  CSMA/CD控制方式的優(yōu)點是：原理比較簡單，技術(shù)上易實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級控制。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時，發(fā)送時間增長，發(fā)送效率急劇下降。3. 以太網(wǎng)卡地址以太網(wǎng)卡地址：每一塊以太網(wǎng)卡在出廠前，在網(wǎng)卡的ROM或者EEPROM里寫了一個6字節(jié)長的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)稱為以太網(wǎng)卡地址（又稱作：M

30、AC 地址），通俗一些的叫法稱做網(wǎng)卡的硬件地址，其中前面3個字節(jié)為廠商代碼，后3個字節(jié)為流水號。所有要生產(chǎn)以太網(wǎng)卡的廠商必須先向IEEE注冊，取得合法的廠商代碼，這樣就保證了每塊網(wǎng)卡的地址是全球唯一的。4. 端口常說FTP占21端口、HTTP占80端口、TELNET占23端口等，這里指的端口就是TCP或UDP的端口，端口就像通道兩端的門一樣，當(dāng)兩機(jī)進(jìn)行通訊時門必須是打開的。源端口和目的端口各占16位，2的16次方等于65536，這就是每臺電腦與其它電腦聯(lián)系所能開的“門”。一般作為服務(wù)一方每項服務(wù)的端口號是固定的。觀察端口非常重要，不但能看出本機(jī)提供的正常服務(wù)，還能看出不正常的連接。Window

31、s察看端口的命令是netstat。5集線器、交換機(jī)與路由器1). 集線器集線器的英文名稱就是我們通常見到的“Hub”。集線器的主要功能是對接收到的信號進(jìn)行再生整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時把所有節(jié)點集中在以它為節(jié)點的中心上。在采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，用來連接多條通信線路并提供中央交換功能，無源集線器對傳輸信號不做任何處理，有源集線器則具有對信號進(jìn)行監(jiān)測和增強(qiáng)的功能。集線器是中繼器的一種，其區(qū)別僅在于集線器能夠提供更多的端口服務(wù)，所以集線器又叫多口中繼器。集線器主要用來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布線結(jié)構(gòu)，以簡化網(wǎng)絡(luò)管理為目標(biāo)而設(shè)計的。集線器（Hub）是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理的最小單元，像樹的主干一樣，它是各分

32、枝的匯集點。以集線器為節(jié)點中心的優(yōu)點是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中某條線路或某節(jié)點出現(xiàn)故障時，不會影響網(wǎng)上其他節(jié)點的正常工作，這就是集線器剛推出時與傳統(tǒng)的總線網(wǎng)絡(luò)的最大的區(qū)別和優(yōu)點，因為它提供了多通道通信，大大提高了網(wǎng)絡(luò)通信速度。然而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，集線器的缺點越來越突出，隨后發(fā)展起來的一種技術(shù)更先進(jìn)的數(shù)據(jù)交換設(shè)備交換機(jī)逐漸取代了部分集線器的高端應(yīng)用。集線器的主要不足體現(xiàn)在如下幾個方面：（1）用戶帶寬共享，帶寬受限。集線器的每個端口并沒有獨立的帶寬，而是所有端口共享總的背板帶寬，用戶端口帶寬較窄，且隨著集線器所接用戶的增多，用戶的平均帶寬不斷減少，不能滿足當(dāng)今許多對網(wǎng)絡(luò)帶寬有嚴(yán)格要求的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如多媒體

33、、流媒體應(yīng)用等環(huán)境。（2）廣播方式，易造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。集線器是一個共享設(shè)備，它的主要功能只是一個信號放大和中轉(zhuǎn)的設(shè)備，不具備自動尋址能力，即不具備交換作用，所有傳到集線器的數(shù)據(jù)均被廣播到與之相連的各個端口，容易形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。（3）非全雙工傳輸，網(wǎng)絡(luò)通信效率低。集線器的同一時刻每一個端口只能進(jìn)行一個方向的數(shù)據(jù)通信，而不能像交換機(jī)那樣進(jìn)行雙向雙工傳輸，網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行效率低，不能滿足較大型網(wǎng)絡(luò)通信需求。正因如此，盡管集線器技術(shù)也在不斷改進(jìn)，但實質(zhì)上就是加入了一些交換機(jī)技術(shù)，目前集線器與交換機(jī)的區(qū)別越來越模糊了。隨著交換機(jī)價格的不斷下降，僅有的價格優(yōu)勢已不再明顯，集線器的市場越來越小，處于淘汰的

34、邊緣。2). 交換機(jī)交換機(jī)的英文名稱為“Switch”，它是集線器的升級換代產(chǎn)品，從外觀上來看的話，它與集線器基本上沒有多大區(qū)別，都是帶有多個端口的長方形盒狀體。集線器是一種共享介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而且HUB本身不能識別目的地址，是采用廣播方式向所有節(jié)點發(fā)送。即當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)?，對網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點同時發(fā)送同一信息，然后再由每一臺終端通過驗證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。在這種方式下我們知道很容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，因為其實接收數(shù)據(jù)的一般來說只有一個終端節(jié)點，而現(xiàn)在對所有節(jié)點都發(fā)送，那么絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)流量是無效的，這樣就造成整個網(wǎng)絡(luò)

35、數(shù)據(jù)傳輸效率相當(dāng)?shù)?。另一方面由于所發(fā)送的數(shù)據(jù)包每個節(jié)點都能偵聽到，那顯然就不會很安全了。交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有的端口都掛接在這條背部總線上?？刂齐娐肥盏綌?shù)據(jù)包以后，處理端口會查找內(nèi)存中的MAC地址（網(wǎng)卡的硬件地址）對照表以確定目的MAC的NIC（網(wǎng)卡）掛接在哪個端口上，通過內(nèi)部交換矩陣直接將數(shù)據(jù)迅速包傳送到目的節(jié)點，而不是所有節(jié)點，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口。這種方式我們可以明顯地看出一方面效率高，不會浪費網(wǎng)絡(luò)資源，只是對目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)，一般來說不易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)堵塞；另一個方面數(shù)據(jù)傳輸安全，因為它不是對所有節(jié)點都同時發(fā)送，發(fā)送數(shù)據(jù)時其它節(jié)點很難偵聽

36、到所發(fā)送的信息。這也是交換機(jī)為什么會很快取代集線器的重要原因之一。交換機(jī)的主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錯誤校驗、幀序列以及流量控制。目前一些高檔交換機(jī)還具備了一些新的功能，如對VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有路由和防火墻的功能。3). 路由器路由器(router)是在開放系統(tǒng)參考模型(OSI/RM)第三層網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)中繼的一種網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備（見圖1-16）。他根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分層的信息，采用某種路由算法，為在網(wǎng)絡(luò)上傳送的分組從若干條路由中選擇1條到達(dá)目的地的通路。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層表示層會話層運輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層表示層會話層運輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈

37、路層物理層路由器圖1-16 路由器在網(wǎng)絡(luò)層上使網(wǎng)絡(luò)互連使用路由器可以實現(xiàn)具有相同或不同類型的網(wǎng)絡(luò)的互連。以前曾把完成這一功能的設(shè)備叫做網(wǎng)關(guān)?，F(xiàn)在把它稱作路由器以強(qiáng)調(diào)它在OSI/RM第三層上的中繼功能，而網(wǎng)關(guān)則用來特指那些在OSI/RM的高層（運輸層和應(yīng)用層）實現(xiàn)不同高層協(xié)議之間互相轉(zhuǎn)換的設(shè)備。路由器與集線器和交換機(jī)不同，不是應(yīng)用于同一網(wǎng)段的設(shè)備，而是應(yīng)用于不同網(wǎng)段或不同網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備，屬網(wǎng)際設(shè)備。路由器之所以能在不同網(wǎng)絡(luò)之間起到“翻譯”的作用，是因為它不再是一個純硬件設(shè)備，而是具有相當(dāng)豐富路由協(xié)議的軟、硬結(jié)構(gòu)設(shè)備，如RIP協(xié)議、OSPF協(xié)議、EIGRP、IPV6協(xié)議等。這些路由協(xié)議就是用來實現(xiàn)

38、不同網(wǎng)段或網(wǎng)絡(luò)之間的相互“理解”。路由器具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇路徑的功能，它能在多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境中，建立靈活的連接，可用完全不同的數(shù)據(jù)分組和介質(zhì)訪問方法連接各種子網(wǎng)。路由器只接受源站或其他路由器的信息，屬網(wǎng)絡(luò)層的一種互聯(lián)設(shè)備，它不關(guān)心各子網(wǎng)使用的硬件設(shè)備，但要求運行與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相一致的軟件。在局域網(wǎng)接入廣域網(wǎng)的眾多方式中，通過路由器接入互聯(lián)網(wǎng)是最為普遍的方式。使用路由器互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點是：各互聯(lián)子網(wǎng)仍保持各自獨立，每個子網(wǎng)可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次分明，有的路由器還具有VLAN管理功能。通過路由器與互聯(lián)網(wǎng)相連，則可完全屏蔽公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，起到一個防火墻的作用，因此使

39、用路由器上網(wǎng)還可確保內(nèi)部網(wǎng)的安全。路由器盡管自身具有許多軟件性質(zhì)的協(xié)議和OS系統(tǒng)，但從總體上來說它仍屬于硬件設(shè)備，自身是不怕攻擊的（集線器與交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也一樣不怕攻擊）。當(dāng)局域網(wǎng)通過路由器接入互聯(lián)網(wǎng)后，路由器具有獨立的公網(wǎng)IP地址，在互聯(lián)網(wǎng)上顯示的只是路由器的公網(wǎng)IP地址，與局域網(wǎng)用戶所采用的局域網(wǎng)IP地址不屬同一網(wǎng)絡(luò)，能對局域網(wǎng)內(nèi)的機(jī)器能起到與因特網(wǎng)的隔離和保護(hù)作用。從本質(zhì)上說，路由器也是一臺計算機(jī)，其操作系統(tǒng)是在計算機(jī)引導(dǎo)時從ROM中裝入內(nèi)存的。隨著Internet和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，路由器被大量地采用。路由器的主要工作就是為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效

40、地傳送到目的站點。由此可見，選擇最佳路徑的策略即路由算法是路由器的主要任務(wù)。為了完成這項工作，在路由器中保存著各種傳輸路徑的相關(guān)數(shù)據(jù)路由表（Routing Table），供路由選擇時使用。路由表中保存著子網(wǎng)的標(biāo)志信息、網(wǎng)上路由器的個數(shù)和下一個路由器的名字等內(nèi)容。路由表可以是由系統(tǒng)管理員固定設(shè)置好的，也可以由系統(tǒng)動態(tài)修改，可以由路由器自動調(diào)整，也可以由主機(jī)控制。在路由器中涉及到兩個有關(guān)地址的名詞，即：靜態(tài)路由表和動態(tài)路由表。由系統(tǒng)管理員事先設(shè)置好固定的路由表稱之為靜態(tài)（static）路由表，一般是在系統(tǒng)安裝時就根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的配置情況預(yù)先設(shè)定的，它不會隨未來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變而改變。動態(tài)（Dynamic）

41、路由表是路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行情況而自動調(diào)整的路由表。路由器根據(jù)路由選擇協(xié)議（Routing Protocol）提供的功能，自動學(xué)習(xí)和記憶網(wǎng)絡(luò)運行情況，在需要時自動計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂健?). 路由器和交換機(jī)的區(qū)別路由器是產(chǎn)生于交換機(jī)之后，就像交換機(jī)產(chǎn)生于集線器之后，所以路由器與交換機(jī)也有一定聯(lián)系，并不是完全獨立的兩種設(shè)備。路由器主要克服了交換機(jī)不能路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的不足?？偟膩碚f，路由器與交換機(jī)的主要區(qū)別體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）工作層次不同最初的交換機(jī)是工作在OSIRM開放系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈路層，也就是第二層，而路由器一開始就被設(shè)計成工作在OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層。由于交換機(jī)工作在OSI的第

42、二層（數(shù)據(jù)鏈路層），所以它的工作原理比較簡單，而路由器工作在OSI的第三層（網(wǎng)絡(luò)層），可以得到更多的協(xié)議信息，路由器可以做出更加智能的轉(zhuǎn)發(fā)決策。（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所依據(jù)的對象不同交換機(jī)是利用物理地址或者說MAC地址來確定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的目的地址。而路由器則是利用不同網(wǎng)絡(luò)的ID號（即IP地址）來確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的地址。IP地址是在軟件中實現(xiàn)的，描述的是設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)，有時這些第三層的地址也稱為協(xié)議地址或者網(wǎng)絡(luò)地址。MAC地址通常是硬件自帶的，由網(wǎng)卡生產(chǎn)商來分配的，已經(jīng)固化在網(wǎng)卡中，一般來說是不可更改的。而IP地址則通常由網(wǎng)絡(luò)管理員或系統(tǒng)自動分配。（3）傳統(tǒng)的交換機(jī)只能分割沖突域，不能分割廣播域；而路由器可以分

43、割廣播域。由交換機(jī)連接的網(wǎng)段仍屬于同一個廣播域，廣播數(shù)據(jù)包會在交換機(jī)連接的所有網(wǎng)段上傳播，在某些情況下會導(dǎo)致通信擁擠和安全漏洞。連接到路由器上的網(wǎng)段會被分配成不同的廣播域，廣播數(shù)據(jù)不會穿過路由器。雖然第三層以上交換機(jī)具有VLAN功能，也可以分割廣播域，但是各子廣播域之間是不能通信交流的，它們之間的交流仍然需要路由器。（4）路由器提供了防火墻的服務(wù)，它僅僅轉(zhuǎn)發(fā)特定地址的數(shù)據(jù)包，不傳送不支持路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳送和未知目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳送，從而可以防止廣播風(fēng)暴。6. 中國公用分組交換網(wǎng)（CHINAPAC）1993年建立的中國公用分組交換網(wǎng)是向全社會開放的網(wǎng)絡(luò)，能提供多種業(yè)務(wù)的全國分組交換網(wǎng)。 CHINAPAC 分為骨干網(wǎng)和省內(nèi)網(wǎng)兩極構(gòu)成。骨干網(wǎng)以北京為國際出入口局，廣州為港澳出入口局。以北京、上海、沈陽、武漢、成都、西安、廣州及南京等8個城市為匯接中心。覆蓋全國所有省、市、自治區(qū)。最高速率達(dá)34Mbps。同時，各地的本地分組交換網(wǎng)也已延伸到了地