1.2網絡的類型教學設計人教-中圖版高中信息技術選擇性必修2

第1章網絡概述1.2網絡的類型教學設計教學背景信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當代高速發(fā)展的信息科技對全球經濟、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術課程的學習奠定基礎。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學內容選自人教/地圖出版社選擇性必修2網絡基礎第1章網絡概述1.2網絡的類型。網絡是數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砘A，是支撐信息社會的重要基礎設施。它已經滲透到社會的方方面面，正在改變著每個人的工作、學習和生活，各國政府治理國家的方式也因網絡的普及而發(fā)生著變化。掌握“網絡生存”的相關知識與技能，是信息社會對每一位成員提出的基本要求。學情分析此節(jié)課針對的對象是高二年級的學生。學生學習過信息技術基礎知識，對計算機、網絡、物聯(lián)網等技術有基本了解:已經學習了Python語言的基本概念，并掌握了基本的結構和算法;對現(xiàn)代生活中的信息系統(tǒng)有所觀察和積累。網絡已經應用到社會的方方面面，了解網絡的歷史、作用以及網絡的類型、拓撲結構等基礎知識，可以幫助我們更好地理解網絡，面對網絡。本章通過閱讀課本、上網搜索、動手實踐等方式，收集資料，完成名為“網絡，我來說”的主題作品。教學目標1.熟悉網絡的類型及其特點。2.認識常見網絡傳輸介質的特性。3.理解影響網絡傳輸質量的主要物理因素。教學重點與難點教學重點:認識常見網絡傳輸介質的特性。教學難點:理解影響網絡傳輸質量的主要物理因素。教學方法與教學手段案例分析法、講授法、任務驅動法。教學過程問題導入體驗探索分析計算機教室網絡類型根據(jù)計算機教室網絡的特點，某同學繪制了圖1.2.1（參見教材P14）所示的分類圖。請思考以下問題。1.圖中展示了幾種分類方式？2.每種分類方式具體包括哪些類型？3.每種具體的類型都有什么樣的特點？從不同的角度看，網絡可以劃分成不同的類型，每種類型又對應各自不同的特點和應用場合。下面就來介紹常見的網絡類型。按覆蓋范圍分類按網絡覆蓋的地理范圍大小，可以把網絡劃分為局域網和廣域網。局域網，是覆蓋局部地域的網絡（圖1.2.2）（參見教材P15）。比如，計算機教室中的網絡。組成局域網的計算機多則數(shù)百臺，少的可能只有兩三臺，這些計算機一般可以同時訪問網上的各種信息系統(tǒng)?，F(xiàn)在，無線局域網已經在生活中普及，智能、平板計算機等設備大多具備了接入無線局域網的功能。局域網這個“大家庭”中的“新面孔”已經越來越多了。廣域網，一般用于把不同地區(qū)的網絡連接起來，覆蓋的地理范圍比較大（圖1.2.3）（參見教材P15）。例如，一個公司在各地的分支機構所組建的網絡可以看作局域網，而把這些分支機構的局域網連接起來，就形成了跨越多個地域的廣域網。因特網可以看作覆蓋范圍最大的廣域網。也有人把網絡劃分為局域網、城域網和廣域網。其中城域網的覆蓋范圍介于局域網和廣域網之間，通常覆蓋一座城市或一個地區(qū)。閱讀拓展個域網簡介近年來，個域網開始受到關注。個域網主要由計算機和外部設備等組成，設備之間采用的無線通信技術，并非無線局域網的相關技術，而是更側重于短距離傳輸?shù)乃{牙等通信技術。個域網的覆蓋范圍比局域網還要小，大多數(shù)設備之間的距離不超過1米。例如，一臺計算機的鍵盤、鼠標、音箱等外部設備，通過藍牙技術與計算機實現(xiàn)了無線連接，就可以認為組成了個域網（圖1.2.4）（參見教材P15）。按傳輸介質分類按照傳輸介質的不同，可以把網絡分為有線網和無線網兩大類。有線網指通過有形線纜連接的網絡，常用的線纜包括同軸電纜、雙絞線和光纖等（圖1.2.5）（參見教材P16）。同軸電纜屏蔽性較好、抗干擾能力較強，但制作工藝復雜。雙絞線易受干擾、傳輸率較低，但價格便宜，安裝方便。目前，組建計算機網絡時常用雙絞線，同軸電纜主要用于有線電視網絡。光纖傳輸距離長、傳輸率高、抗干擾性強，是高性能、高安全性網絡的最佳選擇。但光纖制作費用高、安裝難度大，相應的配套設備昂貴，近幾年才開始廣泛使用。閱讀拓展光纖如何傳遞二進制數(shù)字信號光纖設備會根據(jù)信號中的0或1改變電壓的高低，從而控制設備內的激光二極管等設備閃亮。這樣，二進制數(shù)字信號就變成了可以在光纖內傳輸?shù)墓庑盘?。到達接收端后，接收端設備上的光敏元件會根據(jù)光信號的閃滅，產生不同的電壓，從而形成二進制數(shù)字信號。圖1.2.6（參見教材P16）為光纖通信原理示意圖。無線網是通過無線的方式，以電磁波為載體來傳輸數(shù)據(jù)的（圖1.2.7）（參見教材P17）。無線網中的計算機不受線纜的長度限制，可以根據(jù)需要在一定范圍內自由移動。相對于有線網來說，無線網的穩(wěn)定性稍差，傳輸速率較低，一般用作有線網的補充，但無線網使用起來靈活便捷。近年來，無線網的穩(wěn)定性和傳輸速率得到了很大改善，越來越多的單位和個人開始使用無線網。思考活動交流使用無線網的感受說一說你聽說過的或接觸過的無線網，聊一聊在使用無線網時，你最大的感受是什么。閱讀拓展可見光無線通信簡介可見光無線通信（lightfidelity，LiFi）這一概念是在2011年首次提出的，其原理是利用電信號控制發(fā)光二極管高速閃爍來傳輸信息（圖1.2.8）（參見教材P17）。可見光無法穿透墻壁，因而LiFi的穿透性不好，但這同時也意味著，可以比較容易地把信號控制在特定區(qū)域內，從而提高安全性。另外，LiFi具有不產生電磁輻射、不受電子干擾等優(yōu)勢。目前，LiFi仍處于發(fā)展初期，設想的應用場合主要包括礦井、醫(yī)療設備工作區(qū)、飛機機艙等。按拓撲結構分類網絡拓撲一般用來表示網絡中各種設備的物理布局，特別是計算機的分布情況。常見的網絡拓撲有線狀、星狀、環(huán)狀、樹狀、網狀等。線狀在線狀結構的網絡中，所有的計算機共享一條數(shù)據(jù)通道（圖1.2.9）（參見教材P18）。網絡中的某臺計算機出現(xiàn)故障，一般不會影響整個網絡的通信，但如果共享的數(shù)據(jù)通道發(fā)生了故障，整個網絡就會癱瘓。環(huán)狀在環(huán)狀結構的網絡中，所有的計算機通過傳輸介質連成一個封閉的環(huán)（圖1.2.10）（參見教材P18）。環(huán)狀結構的網絡易于安裝，但能夠容納的設備數(shù)量有限，難以根據(jù)需要隨時增加或撤除連入網絡的計算機，而且網絡中的任何一臺計算機出現(xiàn)故障，都可能會影響整個網絡的正常運行。星狀在星狀結構的網絡中，計算機會分別與同一個中心設備相連（圖1.2.11）（參見教材P18）。這種網絡容易增加新的節(jié)點，通過中心設備可以方便地監(jiān)控網絡，而且中心以外的計算機出現(xiàn)故障一般不會影響網絡的使用。但中心設備必須非常穩(wěn)定，一旦發(fā)生故障整個網絡就會癱瘓。樹狀樹狀結構可以看作是星狀結構的拓展，設備間呈現(xiàn)出清晰的層次關系（圖1.2.12）（參見教材P19）。樹狀網絡的優(yōu)點是易擴充，而且可以比較容易地把出現(xiàn)故障的區(qū)域與整個網絡隔離開。這種網絡的缺點是結構復雜、對根節(jié)點依賴性很大，一旦根節(jié)點發(fā)生故障，整個網絡都無法工作。網狀網狀結構分為全連接網狀和不完全連接網狀兩種形式（圖1.2.13）（參見教材P19）。在全連接網狀中，每一個節(jié)點和網中其他節(jié)點均有鏈路連接；在不完全連接網狀中，兩節(jié)點之間不一定有直接鏈路連接，它們可以依靠其他節(jié)點轉接。網狀網沒有中心設備，局部的故障不會影響整個網絡的正常工作，因而可靠性較高。但這種網絡關系復雜，局域網很少采用，廣域網常常使用不完全連接網狀結構。大型網絡的拓撲結構比較復雜，其中包含多種基本的拓撲類型，因此也稱為混合型。閱讀拓展拓撲簡介此處所說的拓撲，源自數(shù)學的拓撲學。1736年，有人請數(shù)學家歐拉解答“七橋問題”，歐拉用一種獨特的方法給出了解答，而這種解答的第一步，就是把現(xiàn)實問題進行簡化。歐拉把目的地簡化成了點，把不同的橋簡化成了線（圖1.2.14）（參見教材P19），這個簡化過程，被認為是拓撲學的“先聲”。研究計算機網絡時，也可以借用類似的思想，把網絡設備簡化成一個點，連接線路簡化成一條線。這樣，網絡設備的分布情況、彼此的連接關系等就清晰明了了。按傳輸方式分類情境：趙明要告訴王紅一個消息，他可以采用哪些方法來告知王紅呢？具體的方法很多，這些方法大體可以歸為兩類：一是在其他人不知道的情況下，“悄悄”地告訴王紅；二是當著大家的面，大聲地告訴王紅。與此類似，網絡中信息的傳輸方式也可以分為兩種：點對點式和廣播式。點對點式在點對點式的網絡中，數(shù)據(jù)一般只在要通信的計算機之間傳輸。在這個過程中，只有一個發(fā)送者和一個接收者，有時也稱為單播（圖1.2.15）（參見教材P20）。廣播式在廣播式的網絡中，計算機共享一個信道。一臺計算機發(fā)送信息時，網絡中的計算機都能“聽”到。計算機“聽”到信息后，要根據(jù)其中標明的“目的地”進行判斷，如果是發(fā)給自己的就接收，否則就丟棄（圖1.2.16）（參見教材P20）。這就跟趙明在班里大聲說“王紅，老師讓我們去學校廣播站”一樣：其他人聽見了不會加以理睬，而王紅則會做出回應。如果同一時間有多臺計算機需要通信，那就會發(fā)生通信沖突。不難想象，網絡中的計算機數(shù)量越多，產生通信沖突的概率就越大，網絡的傳輸效率就越低。因此，廣播式網絡的規(guī)模一般不會太大。日常組建的無線局域網屬于廣播式網絡。閱讀拓展廣播式傳輸?shù)陌踩珕栴}廣播式傳輸時，每一臺計算機都可以“接聽”網絡中傳輸?shù)乃行畔?，如果進行特殊處理，就可以把“接聽”的信息都記錄下來，從而竊取隱私或機密。因此，相對而言，廣播式網絡不如點對點式網絡的安全性好。為了解決網絡竊聽問題，可以在網絡通信時采用加密技術。關于加密，將在第3章進行介紹。按服務方式分類按網絡中計算機之間的服務方式，可以把網絡分成主從式和對等式。主從式主從式網絡（圖1.2.17）（參見教材P21）中，“主”代表服務器，指提供服務的高性能計算機或專用設備；“從”代表客戶，指普通計算機、智能等設備。在這種模式下，資源集中在服務器中，客戶需要從服務器那獲取。這種結構稱為“客戶/服務器”（client/server，C/S）結構。要使用不同的網絡服務，一般需要安裝不同的軟件，如即時通信軟件、電子郵件客戶端軟件等。隨著技術的發(fā)展，越來越多的服務可以通過萬維網形式訪問，客戶機只要安裝了瀏覽器就可以使用它們，而不必安裝專門的軟件，這樣就可以形成“瀏覽器/服務器”（browser/server，B/S）結構。由此可以看出，B/S結構是C/S結構的特例。對等式在對等式網絡（圖1.2.18）（參見教材P21）中，每臺計算機都與其他計算機共享彼此的信息資源或硬件資源，沒有類似服務器和客戶機的固定分工。這種網絡常用于共享音樂和視頻，P2P（peertopeer，對等網絡）是其最典型的應用。閱讀拓展服務方式的轉變服務方式會隨使用的網絡服務而發(fā)生改變，一臺計算機可以既屬于主從網，又屬于對等網。例如，在一臺計算機上用Foxmail軟件收取電子郵件時，還可以用P2P軟件資料，這樣它就同時身處兩種網絡中了。實際上，很多網絡服務是混合式的。例如，啟動即時通信軟件時，一般需要先登錄到服務器上驗證身份，這時，計算機和服務器之間構成了主從關系，屬于主從網；登錄后再收發(fā)消息就可能不通過服務器了，這樣計算機間可以形成對等網。影響網絡傳輸質量的主要物理因素現(xiàn)實世界中，網絡信號傳輸是受很多因素影響的，如果出現(xiàn)了干擾信號，網絡就會不穩(wěn)定；如果信號越來越弱，網絡同樣也無法使用。下面介紹影響網絡傳輸質量的主要物理因素：噪聲和衰減。噪聲網絡傳輸中的噪聲，不是指嘈雜的聲音，而是指引起信號質量下降或失真的影響因素。大家在物理課上都學過電磁感應：導體放置在變化的磁場中，導體內部就會產生電流（圖1.2.19）（參見教材P22）。傳輸電信號的網線是導體，當外界有磁鐵或散發(fā)電磁場的設備時，內部就可能因電磁效應產生電流，從而形成噪聲。噪聲主要有兩種來源：外界電磁干擾引發(fā)的噪聲和內部串擾引發(fā)的噪聲。如何對抗噪聲呢？可以通過移除噪聲源、給網線加屏蔽層等辦法來消減噪聲。光纖傳輸?shù)氖枪庑盘枺皇菍w，不受電磁感應的影響，所以抗噪能力非常好；同軸電纜的屏蔽層比較厚實，它的抗噪能力也不錯。組建局域網時普遍使用雙絞線，其單條線路的抗噪能力較差，但雙絞線有自身的抗噪辦法。雙絞線里面共有八根線，兩兩纏繞形成4組。一根導線的某一段因電磁感應產生順時針電流時，相鄰的區(qū)域就會產生逆時針電流，從而抵消噪聲（圖1.2.20）（參見教材P22）。距離很近的信號線之間也會出現(xiàn)電磁感應，從而造成噪聲干擾，這是來自通信線路內部的噪聲（圖1.2.21）（參見教材P23）。雙絞線內部纏繞形成的4組線，每組的纏繞節(jié)距是不一樣的。這樣一來，串擾就會在相鄰的區(qū)域形成相反的電流，從而從整體上消減串擾形成的噪聲（圖1.2.22）（參見教材P23）。衰減信號在傳輸介質中傳播時，將會有一部分能量轉換成熱能或者被傳輸介質吸收，從而造成信號強度不斷減弱，這種現(xiàn)象稱為衰減（圖1.2.23）（參見教材P23）。衰減也是影響網絡傳輸質量的重要物理因素。衰減現(xiàn)象在無線網中更為常見，無線信號每一次穿越墻壁或繞行障礙物時都會不可避免地產生大量衰減。衰減到一定的程度后，就無法使用了，這時人們就會說“信號不好”或者“沒有信號”。通過縮短傳輸距離、提高網線通信質量、減少障礙物等方式，可以在一定程度上減輕衰減帶來的影響。必要時，可以增加專門用來增強信號的設備——中繼器，來對抗噪聲或衰減帶來的影響（圖1.2.24）（參見教材P24）。項目實施填寫項目報告完成下面的項目報告，檢查自己這個階段的學習情況。報告人：＿＿＿＿時間：＿＿＿＿主題：網絡的基礎知識1.總結計算機網絡的分類方法。＿＿＿＿＿＿＿＿2.認識常見的網絡傳輸介質，總結它們的特性?！そ橘|：雙絞線，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿·介質：光纖，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿·介質：＿＿＿＿，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿·介質：＿＿＿＿，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿3.總結網絡拓撲的特點?！ゎ愋停壕€狀，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：星狀，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：環(huán)狀，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：＿＿＿＿，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：＿＿＿＿，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿4.描述影響網絡傳輸質量的主要物理因素。＿＿＿＿＿＿＿＿通過縮短傳輸距離、提高網線通信質量、減少障礙物等方式，可以在一定程度上減輕衰減帶來的影響。必要時，可以增加專門用來增強信號的設備——中繼器，來對抗噪聲或衰減帶來的影響（圖1.2.24）（參見教材P24）。項目實施制作主題作品在了解互聯(lián)網的發(fā)展歷史、應用現(xiàn)狀和重要意義，以及網絡類型、網絡拓撲等知識的基礎上，制作主題為“網絡，我來說”的電子作品。制作要求：1.可以宏觀地、全方位地介紹對網絡的認識，也可以選擇一個切入點，就某一具體的問題進行闡述，如探討影響網絡傳輸質量的因素；2.觀點鮮明，內容嚴謹，語言精練。閱讀拓展差錯的檢測受各種因素的影響，在網絡傳輸過程中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)差錯，也就是接收端收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，是不可避免的。為了及時發(fā)現(xiàn)差錯，人們采取了很多技術手段。奇偶校驗碼就是一種簡單的檢測技術。簡單地說，奇偶校驗碼就是在二進制數(shù)據(jù)塊的后面加上一位校驗位，使得總數(shù)據(jù)塊中的1始終為奇數(shù)或偶數(shù)。前者稱為奇校驗，后者稱為偶校驗。接收端按照奇數(shù)或者偶數(shù)規(guī)則進行檢查，如果與規(guī)則不符，就說明傳輸出現(xiàn)了差錯。這種方法容易實現(xiàn)，對設備要求不高，但漏檢率比較高。循環(huán)冗余碼在差錯檢測中的應用更為普遍，它的工作原理相對復雜，感興趣的同學