《計算機網(wǎng)絡原理》教學大綱

《計算機網(wǎng)絡原理》教學大綱一、課程基本信息課程編碼：112115B中文名稱：計算機網(wǎng)絡原理英文名稱：PrinciplesofComputerNetwork課程類別：專業(yè)基礎及核心課總學時：48學時總學分：3適用專業(yè)：網(wǎng)絡工程先修課程：計算機文化基礎、數(shù)字電子技術、數(shù)據(jù)通信基礎二、課程的性質(zhì)、地位和任務《計算機網(wǎng)絡原理》課程是網(wǎng)絡工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)基礎及核心課程，同時也是進一步學習路由與交換、網(wǎng)絡編程、協(xié)議分析、網(wǎng)絡安全技術等課程的前導課程，是一門集計算機技術與通信技術、軟件與硬件、理論與實踐為一體的課程。本課程理論教學以計算機網(wǎng)絡體系分層模型為主線，介紹計算機網(wǎng)絡的基本原理、組成和結構，結合主流局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)技術介紹物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的功能與實現(xiàn)原理，結合TCP/IP介紹網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層的功能和主要協(xié)議，并介紹網(wǎng)絡管理及安全基本知識，培養(yǎng)學生的計算機網(wǎng)絡思維方法和分析網(wǎng)絡問題能力，使學生具備一定的計算機網(wǎng)絡技術實踐與應用能力、跟蹤新知識與新技術的學習能力和溝通與表達能力，為學生后續(xù)從事計算機網(wǎng)絡應用、設計與開發(fā)和進一步的專業(yè)學習打下必要的基礎。課程目標通過本課程的學習，掌握計算機網(wǎng)絡基本知識體系與基本工作原理，了解計算機網(wǎng)絡主流技術，能夠應用網(wǎng)絡的基本原理進行組網(wǎng)，并能夠分析和定位常見的網(wǎng)絡問題，具備一定的計算機網(wǎng)絡技術的實踐與應用能力。（對應畢業(yè)要求：G1.3、G2.1、G2.2、G2.3、G2.4、G3.4、G4.1）具體要求如下：課程目標1：掌握網(wǎng)絡的基本原理，從層次的角度理解網(wǎng)絡的基本體系結構，掌握每一層的基本功能，代表性協(xié)議等相關知識，能應用于復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)的規(guī)劃與設計、系統(tǒng)集成、管理維護以及安全保障等。（G1.3）課程目標2：能根據(jù)所學基本原理，構建分析簡單的網(wǎng)絡拓撲，并通過查找文獻，進行方案的比較與選擇。（G2.1、G2.2、G2.3、G2.4）課程目標3：能夠了解網(wǎng)絡技術領域最新的發(fā)展趨勢，并能在網(wǎng)絡系統(tǒng)設計中考慮安全、健康、法律、文化及環(huán)境等制約因素。（G3.4）課程目標4：能通過文獻調(diào)研或相關方法，對具體網(wǎng)絡工程問題進行分析和建模，進而設計出合理的研究方案；（G4.1）課程思政目標：以新時代課程思政為引領，在培養(yǎng)學生自主學習、團隊協(xié)作的基礎上，將國家的發(fā)展需求與個人專業(yè)領域相結合來實現(xiàn)人生價值，即專業(yè)課程中孕育思政，思政中促進專業(yè)課的學習，相輔相成，相互促進，形成協(xié)同效應，達到立德樹人的育人目標，具體的課程思政目標：中國文化與精神、科技報國、科學精神、科學思維、規(guī)則意識、工匠精神、法治教育。四、課程教學基本要求1、本課程概念多、涉及面廣，教學形式以講授方式為主，能夠結合多媒體輔助教學。2、為加強實際動手能力的培養(yǎng)，應充分重視實踐性教學環(huán)節(jié)。3、關鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)方面的技術問題可輔以課堂討論、案例教學的形式。4、課程概念多、對某些協(xié)議的理解有一定難度，為了學生進一步理解課堂教學內(nèi)容，擬布置一定數(shù)量習題為宜，教師批改作業(yè)本的1/3，并安排時間上習題課。五、課程教學內(nèi)容及要求第一章計算機網(wǎng)絡概述（4學時）【教學目標與要求】教學目標：知識目標：使學生對計算機網(wǎng)絡的基本概念以及計算機網(wǎng)絡的參考模型有一定的認識和理解；能夠區(qū)分三種不同的體系結構；掌握分層次的體系結構每一層的功能。能力目標：培養(yǎng)學生分析、解決網(wǎng)絡問題的能力。素養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生樹立正確的價值觀，正確的使用網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡安全法的素養(yǎng)。思政目標：培養(yǎng)學生的網(wǎng)絡安全意識、激發(fā)學生的創(chuàng)新意識；培養(yǎng)學生主動思考和鑒別力，提高批判性思維能力；培養(yǎng)學生的規(guī)則意識和協(xié)作意識。教學要求：理解開設此課程的背景，了解課程的性質(zhì)與特點，能夠描述課程的基本內(nèi)容與組織，了解課程的教學要求，掌握計算機網(wǎng)絡的定義，能夠復述計算機網(wǎng)絡的分類，了解計算機網(wǎng)絡的形成與發(fā)展，掌握計算機網(wǎng)絡的組成與結構，掌握計算機網(wǎng)絡的拓撲構型，掌握網(wǎng)絡體系結構的基本概念，掌握ISO/OSI參考模型，掌握TCP/IP參考模型，能夠區(qū)分ISO/OSI模型與TCP/IP模型，了解網(wǎng)絡標準組織與管理機構。【教學重點與難點】教學重點：分組交換，計算機網(wǎng)絡的性能指標，協(xié)議、層次、接口、服務的基本概念，TCP/IP參考模型的層次劃分、各層的基本功能及主要協(xié)議。教學難點：分層次的計算機體系結構、服務與協(xié)議、服務訪問點?！窘虒W內(nèi)容】1.1計算機網(wǎng)絡在信息時代的作用1.2互聯(lián)網(wǎng)概述1.2.1網(wǎng)絡的網(wǎng)絡1.2.2互聯(lián)網(wǎng)基礎結構發(fā)展的三個階段1.2.3互聯(lián)網(wǎng)的標準化工作1.3互聯(lián)網(wǎng)的組成1.3.1互聯(lián)網(wǎng)的邊緣部分1.3.2互聯(lián)網(wǎng)的核心部分1.4計算機網(wǎng)絡在我國的發(fā)展1.5計算機網(wǎng)絡的類別1.5.1計算機網(wǎng)絡的定義1.5.2幾種不同類別的計算機網(wǎng)絡1.6計算機網(wǎng)絡的性能1.6.1計算機網(wǎng)絡的性能指標1.6.2計算機網(wǎng)絡的非性能特征1.7計算機網(wǎng)絡體系結構1.7.1計算機網(wǎng)絡體系結構的形成1.7.2協(xié)議與劃分層次1.7.3具有五層協(xié)議的體系結構1.7.4實體、協(xié)議、服務和服務訪問點1.7.5TCP/IP的體系結構第二章物理層（4學時）【教學目標與要求】教學目標：知識目標：使學生掌握物理層的功能、傳輸技術、物理層協(xié)議與標準以及傳輸介質(zhì)，并對物理層設備的使用有一定的了解。能力目標：能夠根據(jù)奈氏規(guī)則，得出信道的極限速率，解決實際問題；根據(jù)物理層的特點，進行物理層規(guī)劃及設備選型的能力。素養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生的工程實踐能力和科學探索精神。思政目標：激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，以及探索未知的科學精神。教學要求：描述數(shù)據(jù)通信基礎相關的基本概念，掌握傳輸介質(zhì)的特點和主要使用場景，掌握基帶傳輸技術，掌握頻帶傳輸技術，能夠使用極限傳輸速率公式，進行信道參數(shù)的指標分析與計算。能夠區(qū)分不同的多路復用技術，理解物理層協(xié)議與標準，掌握物理層設備的主要特點。【教學重點與難點】教學重點：頻帶傳輸?shù)幕靖拍?，多路復用的分類與特點，數(shù)據(jù)交換技術，常見的物理層接口標準，同步數(shù)字體系SDH的基本概念。教學難點：常見的物理層接口標準，信道的極限容量?！窘虒W內(nèi)容】2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據(jù)通信的基礎知識2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.2.2有關信道的幾個基本概念2.2.3信道的極限容量2.3物理層下面的傳輸媒體2.3.1導引型傳輸媒體2.3.2非導引型傳輸媒體2.4信道復用技術2.4.1頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用2.4.2波分復用2.4.3碼分復用2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術2.6.1ADSL技術2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）2.6.3FTTx技術第三章數(shù)據(jù)鏈路層（6學時）【教學目標與要求】教學目標：知識目標：通過本章的學習，使學生掌握數(shù)據(jù)鏈路層的功能、主要協(xié)議、以及所使用的設備，同時掌握以太網(wǎng)的相關技術，為后序的學習打下堅實的基礎。能力目標：根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的特點，進行以太網(wǎng)的選型和規(guī)劃的能力。培養(yǎng)學生查閱、分析文獻資料的能力。素養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生的工程實踐能力，培養(yǎng)學生耐心細致的工作態(tài)度。思政目標：培養(yǎng)學生嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，培養(yǎng)學生遵守相關的網(wǎng)絡安全法，培養(yǎng)學生的辯證思維能力。教學要求：理解數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題，能夠區(qū)分點到點信道和廣播信道，能夠使用循環(huán)冗余原理得到冗余碼，能夠進行字節(jié)填充和零比特填充。掌握數(shù)據(jù)鏈路層的設備與組件，能夠復述局域網(wǎng)特點，能夠根據(jù)需求進行局域網(wǎng)拓撲的設計，理解CSMA/CD協(xié)議，并能夠進行最短幀長的計算。理解IEEE802標準，掌握MAC幀的格式，區(qū)別交換機、集線器所組成的局域網(wǎng)的異同，掌握以太網(wǎng)交換機的自學習方法，區(qū)分不同類型的以太網(wǎng)。了解虛擬局域網(wǎng)工作原理。能夠正確的選取局域網(wǎng)的設備并進行局域網(wǎng)拓撲的設計。【教學重點與難點】教學重點：數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題，以太網(wǎng)的MAC幀的格式，CSMA/CD協(xié)議，IEEE802.3，交換機的自學習算法，交換機、網(wǎng)橋、集線器組成局域網(wǎng)的特點。教學難點：透明傳輸，CSMA/CD協(xié)議，交換機的自學習算法?！窘虒W內(nèi)容】3.1使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層3.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀3.1.2三個基本問題3.2點對點協(xié)議PPP3.2.1PPP協(xié)議的特點3.2.2PPP協(xié)議的幀格式3.2.3PPP協(xié)議的工作狀態(tài)3.3使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層3.3.1局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層3.3.2CSMA/CD協(xié)議3.3.3使用集線器的星型拓撲3.3.4以太網(wǎng)的信道利用率3.3.5以太網(wǎng)的MAC層3.4擴展的以太網(wǎng)3.4.1在物理層擴展以太網(wǎng)3.4.2在數(shù)據(jù)鏈路層擴展以太網(wǎng)3.4.3虛擬局域網(wǎng)3.5高速以太網(wǎng)3.5.1100BASE-T以太網(wǎng)3.5.2吉比特以太網(wǎng)3.5.310吉比特以太網(wǎng)（10GE）和更快的以太網(wǎng)3.5.4使用以太網(wǎng)進行寬帶接入第四章網(wǎng)絡層（20學時）【教學目標與要求】教學目標：知識目標：通過對本章的學習，使學生掌握網(wǎng)絡層的功能、主要協(xié)議、以及路由選擇算法，并能夠進行子網(wǎng)的劃分、構成超網(wǎng)、地址塊的規(guī)劃，會進行簡單的網(wǎng)絡的規(guī)劃與設計。能力目標：通過對網(wǎng)絡層的學習，培養(yǎng)學生進行IP地址的規(guī)劃、子網(wǎng)的劃分、以及超網(wǎng)的構成的能力。培養(yǎng)學生分析、綜述材料的能力。素養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生的工程實踐能力，通過系統(tǒng)的學習，培養(yǎng)學生積極思考、敢于動手、自主探究新知識的欲望。思政目標：提升對工程技術的學習熱情，提升學生的批判性思維；培養(yǎng)學生的團隊合作意識；培養(yǎng)學生主動學習、自主學習的能力；培養(yǎng)學生仔細認真的工作態(tài)度；引導學生制定實現(xiàn)“目標”的路徑。教學要求：理解網(wǎng)絡層的功能，區(qū)分虛電路服務和數(shù)據(jù)報服務，描述網(wǎng)際協(xié)議IP，掌握IP數(shù)據(jù)報格式及其傳輸機制（封裝、分組、重組、拆封），掌握IP地址及其規(guī)劃，理解無分類編址CIDR及超網(wǎng)的概念，掌握地址解析協(xié)議-ARP，掌握路由與路由選擇，理解路由選擇協(xié)議IGP和EGP，掌握路由器在網(wǎng)絡互連中的作用，理解路由器的組成和功能。掌握ICMP的分類及特點，借助ping和tracert追蹤和分析網(wǎng)絡問題。理解IPV6地址的基本格式及相關表示方法，區(qū)分IPV4與IPV6。理解IP多播，理解虛擬專用網(wǎng)VPN的工作原理，掌握網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換NAT的工作原理和過各程?！窘虒W重點與難點】教學重點：IP數(shù)據(jù)報的格式，ARP工作原理，路由選擇協(xié)議，子網(wǎng)劃分及其計算，構造超網(wǎng)。教學難點：距離向量算法，子網(wǎng)劃分，構造超網(wǎng)，IP分組的轉(zhuǎn)發(fā)過程?！窘虒W內(nèi)容】4.1網(wǎng)絡層的幾個重要概念4.2網(wǎng)際協(xié)議IP4.2.1虛擬互連網(wǎng)絡4.2.2IP地址4.2.3IP地址與硬件地址4.2.4地址解析協(xié)議ARP4.2.5IP數(shù)據(jù)報格式4.3IP層轉(zhuǎn)發(fā)分組的過程4.3.1基于終點的轉(zhuǎn)發(fā)4.3.2最長前綴匹配4.4網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP4.4.1ICMP報文的種類4.4.2ICMP的應用舉例4.5IPV64.5.1IPv6的基本首部4.5.2IPv6的地址4.5.3從IPv4向IPv6過渡4.5.4ICMPv64.6互聯(lián)網(wǎng)的路由選擇協(xié)議4.6.1有關路由選擇協(xié)議的幾個基本概念4.6.2內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議RIP4.6.3內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議OSPF4.6.4外部網(wǎng)關協(xié)議BGP4.6.5路由器的構成4.7IP多播4.7.1IP多播的基本概念4.7.2在局域網(wǎng)上進行硬件多播4.7.3網(wǎng)際組管理協(xié)議IGMP和多播路由選擇協(xié)議4.8虛擬專用網(wǎng)VPN和網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換NAT4.8.1虛擬專用網(wǎng)VPN4.8.2網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換NAT4.9多協(xié)議標記交換MPLS4.9.1MPLS的工作原理4.9.2MPLS首部的位置與格式第五章運輸層（8學時）【教學目標與要求】教學目標：知識目標：通過對本章的學習，使學生掌握運輸層的兩個主要協(xié)議TCP和UDP的工作機制以及工作原理。能力目標：通過對協(xié)議的學習，培養(yǎng)學生分析協(xié)議并從報文中提取相關信息的能力。素養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生的工程實踐能力，培養(yǎng)學生協(xié)議設計的能力。思政目標：培養(yǎng)學生知同辨異的能力；培養(yǎng)學生的科研前瞻意識；培養(yǎng)學生求真務實的精神和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度。教學要求：能夠復述運輸層功能，區(qū)分TCP和UDP協(xié)議。理解端口的涵義和作用。理解TCP面向字節(jié)流的特點。掌握TCP可靠傳輸?shù)脑硪约皩崿F(xiàn)方法，理解滑動窗口的概念，掌握停止-等待協(xié)議，理解后退N幀協(xié)議（GBN），理解選擇重傳協(xié)議（SR），掌握TCP流量控制與擁塞控制的原理與方法，掌握TCP連接與釋放的過程?！窘虒W重點與難點】教學重點：TCP和UDP協(xié)議，運輸層在網(wǎng)絡體系中的地位和作用，停止-等待協(xié)議，后退N幀協(xié)議（GBN），選擇重傳協(xié)議（SR），TCP流量控制與擁塞控制，TCP連接與釋放的過程。教學難點：TCP的可靠傳輸實現(xiàn)原理，TCP的擁塞控制，TCP連接與釋放的過程?！窘虒W內(nèi)容】5.1運輸層協(xié)議概述5.1.1進程之間的通信5.1.2運輸層的兩個主要協(xié)議5.1.3運輸層的端口5.2用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP5.2.1UDP概述5.2.2UDP的首部格式5.3傳輸控制協(xié)議TCP概述5.3.1TCP最主要的特點5.3.2TCP的連接5.4可靠傳輸?shù)墓ぷ髟?.4.1停止等待協(xié)議5.4.2連續(xù)ARQ協(xié)議5.5TCP報文段的首部格式5.6TCP可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)5.6.1以字節(jié)為單位的滑動窗口5.6.2超時重傳時間的選擇5.6.3選擇確認SACK5.7TCP的流量控制5.7.1利用滑動窗口實現(xiàn)流量控制5.7.2TCP的傳輸效率5.8TCP的擁塞控制5.8.1擁塞控制的一般原理5.8.2TCP的擁塞控制方法5.8.3主動隊列管理AQM5.9TCP的運輸連接管理5.9.1TCP的連接建立5.9.2TCP的連接釋放5.9.3TCP的有限狀態(tài)機第六章應用層（6學時）【教學目標與要求】教學目標：知識目標：通過對本章的學習，使學生掌握應用層常見協(xié)議的工作原理。并能夠描述應用層協(xié)協(xié)議的工作過程，同時能夠明確應用層的協(xié)議在運輸層和網(wǎng)絡層所使用的協(xié)議。能力目標：通過對應用層的學習，培養(yǎng)學生使用和研發(fā)網(wǎng)絡應用的能力。素養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生的工程實踐能力，培養(yǎng)學生樹立正確的價值觀。思政目標：激發(fā)學生的科技創(chuàng)新意識和愛國主義情懷；培養(yǎng)學生的職業(yè)道德素養(yǎng)。教學要求：理解計算機網(wǎng)絡中應用層的功能，掌握DNS、HTTP、TELNET、SMTP、POP3、IMAP、FTP、TFTP、DHCP等應用層常見協(xié)議的工作原理，理解DNS工作原理及解析類型，區(qū)分迭代查詢與遞歸查詢。【教學重點與難點】教學重點：DNS、WWW、電子郵件和DHCP。教學難點：DNS工作原理及解析類型。【教學內(nèi)容】6.1域名系統(tǒng)DNS6.1.1域名系統(tǒng)概述6.1.2互聯(lián)網(wǎng)的域名結構6.1.3域名服務器6.2文件傳送協(xié)議6.2.1FTP概述6.2.2FTP的基本工作原理6.2.3簡單文件傳送協(xié)議TFTP6.3遠程終端協(xié)議TELNET6.4萬維網(wǎng)WWW6.4.1萬維網(wǎng)概述6.4.2統(tǒng)一資源定位符URL6.4.3超文本傳送協(xié)議HTTP6.5電子郵件6.5.1電子郵件概述6.5.2簡單郵件傳送協(xié)議SMTP6.5.3電子郵件的信息格式6.5.4郵件讀取協(xié)議POP3和IMAP6.6P2P應用6.6.1具有集中目錄服務器的P2P工作方式6.6.2具有全分布式結構的P2P文件共享程序6.6.3P2P文件分發(fā)的分析6.6.4在P2P對等方中搜索對象六、教學學時分配建議表1《計算機網(wǎng)絡原理》課程教學時數(shù)分配表總學時：48學分：3章節(jié)主要內(nèi)容（章節(jié)標題）學時各環(huán)節(jié)學時分分配備注講授實驗實踐討論、習題課等第1章計算機網(wǎng)絡概述44第2章物理層44第3章數(shù)據(jù)鏈路層66第4章網(wǎng)絡層20182第5章運輸層871第6章應用層651課程目標與教學內(nèi)容對應表表2課程目標與教學內(nèi)容對應表章節(jié)主要內(nèi)容（章節(jié)標題）學時教學目標目標1目標2目標3目標4第1章計算機網(wǎng)絡概述4√√第2章物理層4√√√第3章數(shù)據(jù)鏈路層6√√√第4章網(wǎng)絡層20√√√√第5章運輸層8√√√√第6章應用層6√√√本課程是一門理論性和實踐性較強的課程。在課程的教學中要強調(diào)理論聯(lián)系實際，采用啟發(fā)式教學原則，通過各種教學方式和手段激發(fā)學生的學習積極性。在講清基本概念、基本理論、基本方法的同時，注意與有關專業(yè)的課程內(nèi)容互相滲透和配合。提倡采用案例教學，注重啟發(fā)式、引導式教學，使學生真正理解這門課程的特點及原理、方法，并能在實際應用中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。八、課程考核方式與成績評定建議考試可靈活采用閉卷、平時作業(yè)、實驗相結合的形式。閉卷部分的考試題包括基本概念、基本理論、基本分析方法等，題型可采用填空題、簡答題、選擇題、分析計算題等多種形式。課程考核由平時考核和期末考核兩部分組成。平時考核成績共100分，由平時考勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)成績組成。平時考勤共計20分