《计算机网络》教案 doc.docx
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《计算机网络》教案doc
《计算机网络》教案
课程名称
计算机网络
教学对象
教学内容
第1章概述
1.4计算机网络分类
1.5计算机网络中的常见指标
1.6计算机网络的网络体系结构
教学目的
通过本节内容的学习，要达到以下目标：
●掌握计算机网络的分类
●掌握计算机网络的常见衡量指标
●掌握网络体系结构的概念
●掌握分层的思想
●掌握OSI七层模型和TCP/IP四层模型
教学重点
●网络体系结构
●分层的思想
●OSI七层模型
●TCP/IP四层模型
教学难点
●网络体系结构
●分层模型中各层的功能
建议学时
4学时
教学教具
多媒体教学系统
教学方法
讲授（PPT）+实验演示
教学过程
课程导入
根据前面所学知识提出如下问题让学生思考:
1.计算机网络有哪些常见的分类？
2.计算机网络的常见的衡量指标是什么？
3.因特网建立的过程表明，各机构和组织是先按照自己的理解建立了网络，然后再由官方建立标准，将所有网络互连起来，相互通信，解决资源共享的问题。
但是这么多不同结构的网络，涉及到这么多不同的标准，如何实现统一的相互通信呢？
引入新课
引导学生回答上述问题，并通过答案引出本节的内容：
大家对网络的分类可能没有什么概念，总感觉都是同一个网络在直接通信，但是在使用的过程中，其实是有差别的，比如说：
在教育网中设定的一些资源，在教育网内部下载，速度是以MB作为单位；但是在自己家里上网的时候，下载的速度就变成了KB，甚至是B，这是什么原因呢？
其实就是因为网络不同造成的，因此要理解网络的分类；
计算机网络衡量的指标有很多，最为常见的就是带宽，这里要思考一下，带宽是什么？
如果把数据比喻成在路上行驶的车，把网络比喻成马路，那么带宽变大了，用户感觉速度变快了，是什么发生了变化呢？
因特网是由大大小小，不同结构的网络连接而成的，它们能相互通信，是因为它们遵循了相同的网络体系结构。
这里就要深入理解网络体系结构的定义。
课程内容
第1章概述
1.4计算机网络分类
可以按照不同的方法将网络进行分类，其中较为常见的几种是：
1、不同作用范围的网络
广域网WAN（WideAreaNetwork）：
范围在几千公里以上
局域网LAN（LocalAreaNetwork）：
范围在一公里以内
城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）：
范围在介于上两者之间。
个人区域网PAN（PersonalAreaNetwork）：
主要指代的是个人使用无线网络设备上网的范围。
2.不同使用者的网络
公用网（publicnetwork）：
主要是的是开放给全社会所有用户的网络，通常有一个统一的服务标准，一般用户缴纳一定费用，就能使用网络和相关服务。
专用网（privatenetwork）：
主要是指代那些只开放给特定用户的网络，范围外用户即使缴纳费用也无法使用这类网络。
3.不同拓扑结构的网络
按照网络中节点以及它们的连接关系，可以将网络划分为：
星型拓扑：
各节点连接在中心设备上；由中心向四周发散；目前非常常见的局域网的拓扑结构；
总线型拓扑：
主机都连接在公共的传输介质上；传统以太网使用了这种拓扑结构。
环形拓扑：
类似总线型拓扑，只是首尾连接在一起。
1.5计算机网络中的常见指标
1.速率
比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
Bit来源于binarydigit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。
速率即数据率（datarate）或比特率（bitrate）是计算机网络中最重要的一个性能指标。
在理解上可以认为是网络中单位时间内通过横截面的比特的数量。
速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等，速率往往是指额定速率或标称速率。
2.带宽
注意：
带宽的理解有两种，在早期时上网通用的是使用类似电话网络的模拟信号环境，因此带宽的定义主要是指电磁波的频率范围；而到了后期，传输数字信号的网络中则主要是以最高的数据率，也就是比特率作为指标。
说明两者的关系，重在理解。
“带宽”（bandwidth）：
本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s（bit/s）。
常用的带宽单位罗列如下：
千比每秒，即kb/s（103b/s）
兆比每秒，即Mb/s（106b/s）
吉比每秒，即Gb/s（109b/s）
太比每秒，即Tb/s（1012b/s）
请注意：
①在计算机界，K=210=1024
M=220,G=230,T=240。
②带宽的不同表现为数字信号流随时间的变化，如图所示：
在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。
③关于带宽理解上的几个错误
有人认为，带宽变化如果用一个实例来比喻的话就是；数据被比喻为在马路上跑的车，一个比特就是一辆车，带宽变大，人们会认为速度变快，可是这个速度的理解却很模糊。
是路变宽了？
几辆车能同时在马路上跑？
还是路变好了，从泥巴路变成了高速公路，所以车跑的快了？
其实理解都不对，以在电信局开通ADSL为例，带宽变大，表现为下载速度变快，其实是单位时间到达我主机的数据量变多。
数据传输始终是串行，所以仍然是单车在马路上跑；
电信局到我住户之间并没有重新铺设网络，所以路也没有变好；
数据量在单位时间内变多，其实是因为车与车之间的距离变短造成的。
3.吞吐量
吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
4.时延（delay或latency）
①传输时延（发送时延）：
发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
用公式表达为：
②传播时延：
电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
用公式表达如下：
③处理时延：
交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
④排队时延：
结点缓存队列中分组排队所经历的时延。
排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
当数据从源结点发出，到目标结点接收为止，数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。
四种时延所产生的地方如图所示就是：
1.3计算机网络的网络体系结构
计算机网络是一个由多种计算机和各类终端通过通信线路连接起来的复合系统。
在这个复杂的复合系统中，计算机的型号不一，终端类型各异，加之线路类型、连接方式、同步方式、通信方式的不同，给网络中各结点的通信带来许多不便。
相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。
在这种情况下，人们需要一个建立网络的共同遵循的设计蓝图，用以指导网络的设计和实现。
这个设计蓝图就称为网络体系结构。
1、分层思想
网络的发展经历的过程是：
一开始只有四个结点的分组交换网络Arpanet；发展到后期越来越多的机构按照自己的标准建立自己的网络；然后大家看到了将网络互联起来分享资源的好处，于是选择将自己的网络接入到Arpanet中，使之不断壮大，成为一个包罗万网的庞大而复杂的网络系统。
由于不同的机构有自己建立网络的不同标准，网络的硬件、拓扑结构、选用的协议（软件）、数据的定义和格式等都不相同，相互连接后的网络系统中任意两台主机之间的通信就变得非常复杂。
一个过于复杂的问题笼统的去解决很难，所以需要将这个庞杂的问题进行分解，分解为若干个容易解决的局部问题，各个击破，整个庞大的系统问题也就迎刃而解了。
因此，网络采用了分层的思想建立了自己解决问题（通信、协作）的机制，每一层独立完成某一功能，各层互不干扰，所有层联合起来就完成了计算机网络的终极功能目标。
2、计算机网络的最终目标
计算机网络将分散的主机连接起来，目的就是为了数据通信和资源共享；有别于单机服务，任何一个网络上的任务和应用都需要两台以及以上数量的主机，相互通信，相互协作，共同的去完成。
简单来说，一项网络应用中涉及到的双方最终要实现的功能是：
（1）通信（数据的搬运，从源到目的）
（2）理解（对方的意图）
（3）合作（给予对方所要求的，共同配合完成同一个应用）
这三个功能也就是网络分层模型要解决的问题。
3、网络体系结构
为了完成网络上各计算机之间的通信合作，人们把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。
计算机网络的体系结构（architecture）是计算机网络的分层、各层协议、功能和层次接口的集合。
分层的思想以及各层的关系，也经常表现在生活中，可以通过一个实例来说明，见下图。
这张图是当前实际运行的邮政系统的工作流程示意图，图中清楚地表明了信件发送和接收的过程。
在分层的体系结构中，总是有下列这些特点：
上层总是建立在下层的基础之上；
上层对下一层提出应用需求；而下层总是对上一层提供所需的服务；
体系结构的相邻两层就是服务和被服务的关系。
4、层次化网络体系结构的特点
①各层之间相互独立。
这样，某一高层只需知道如何通过接口（界面）向下一层提出服务请求，并使用下层提供的服务，并不需要了解下层执行时的细节。
②结构上独立分割。
由于各层独立划分，因此，每层都可以选择最合适的实现技术。
③灵活性好。
如果某一层发生变化，只要接口的条件不变、则以上各层和以下各层的工作均不受影响，这样，有利于技术进步和模型的修改。
④易于实现和维护。
整个系统被分割为多个部分，系统变得容易实现、管理和维护。
⑤有益于标准化的实现。
由于每一层都有明确的定义，十分利于标准化的实施。
一般网络体系结构分划的基本原则是：
把应用程序和网络通信管理程序分开；按照信息在网络中传输的过程，将通信管理程序分为若干个模块；把原来专用的通信接口转变为公用的、标准化的通信接口。
此外，分划还应该满足的原则是：
Ø层次划分不要太多，多则复杂；
Ø每层完成特定功能；
Ø每层相互独立，互不干扰；
Ø相邻两层通过接口联系；
Ø同一层次还可以再设立子层。
5、两大网络模型之OSI参考模型
国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）于1981年颁布了开放系统互连OSI参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）的格式，通常简称为“七层模型”。
需要解释的是：
这里的系统，是指一台或者多台计算机、外部设备、终端、信息传输设备、操作员及相应软件的集合。
而开放系统，是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。
理解每一层并不容易，但是通过一些形象的例子就比较容易理解这些概念了。
OSI七层模型的构建过程，理解有两个要点：
一个就是各层有自己的机制，完成某一个功能，整个体系最终是实现网络的三大功能；
另外一个要点是模型的设计符合上面3说的特点。
OSI七层模型讨论的是软件层面的东西，硬件的连接不在考虑范畴之列，如果一定要涉及，可以放在整个模型的最底层，即：
第0层。
①物理层
物理层解决的就是，在两台主机直接使用物理介质连通之后，如何将0101这样的比特串（流）传输到对方那里；考虑的内容包括有：
使用什么样的电平代表1，什么样的电平代表0，一个信号持续的时间有多久；两个比特之间的信号间隔是多少？
等等。
这些内容需要通信双方协商，其实就是物理层的协议。
②数据链路层
在物理层可以实现将比特串传输到对方那里，可是传输的信号存在衰退，也会不可避免的遭遇噪声干扰，所以信号存在失真的问题；也就是数据错误，因此数据链路层需要提供一种机制去纠正这种错误，确保传输的结果是正确的；
计算机所擅长的是计算，它无法像人一样去结合上下文判断错误，它只能对要传输的数据每一位执行位运算，将结果（我们成为校验码或者校验序列）附加到要传输的数据上，共同的传到对方那里以后，由对方执行相同的算法（对方怎么知道相同算法呢？
同样，这个过程是经过协商了，这也是协议的一种表现），看结果和校验码是否相同，如果相同，说明，每一位都没有出现过差错；如果不同，虽然不知道是哪一位有错，但结果一定不是原始数据，接收方选择丢弃出错的数据。
另外，计算机在物理层一个bit一个bit的传数据，就像人一个字一个字的说话，对方是无法理解的，所以计算机需要从连续的比特流中提取出一组一组的数据单元，就像人说话，要把一堆字组成一句一句的话，在数据链路层要有一套机制来实现这个功能，找到数据单元的边界，封装数据单元（我们称为帧）。
至此，数据链路层实现了直接相连的相邻两点之间的无差错数据传输。
（点到点）
③网络层
虽然数据链路层解决了直接相连的相邻两点之间的无差错数据传输，但是很可惜，当我们把范围扩大到因特网这个环境中来的时候，会发现，并不是任意两台主机之间都是直接相连的，更常见的是，两台主机之间相隔了整个一个通信子网。
也就是说，从源主机到目的主机之间存在有多条路径。
在这个范围中讨论源主机到目的主机的通信，光有一个数据链路层的机制还不够，还要加上一套机制，能够在通信子网的若干路径中寻找一条最合适的路径，将数据从源主机搬运到目的主机。
这套机制就是路由选择，网络层的主要功能。
路径是由一段一段的数据链路构成，由于数据链路层能确保每一段的传输是没有错误的，所以整个网络层中的路径上的传输也是没有错误的。
网络层解决的是主机到主机的通信。
④运输层
主机并不是网络中通信的最终落脚点，试想，一台联网的主机，只是在做编辑word文档这样的工作，它并没有产生网络上的通信。
只有当这台主机在运行网络程序的时候，比如浏览网页，下载文件等，才会产生网络上的通信。
因此，网络中通信最终的落脚点是进程之间的通信，进程是通信的最终端，所以有时候也将进程间的通信称为端到端的通信。
这里的端，指的是终端。
那么在主机中，可以同时运行的进程有多个，必须有一套机制能够去区别不同的进程，能够去标识正在通信的是哪些进程，这套机制就是运输层要完成的功能，实现端到端的通信。
⑤会话层
运输层可以实现，这边的进程发，那边的进程收。
但是有的时候，这边的进程发了数据，那边却因为没有开启服务或者什么原因，数据到了跟前却不能接受。
就像人说话一样，这边人在讲话，那边的人在听别人说话，这边人说的话到了那边的人跟前，却没被他接收。
在运输层之上，需要一套机制，确保这边正在发，那边一定要正在接受，确保数据要收到！
⑥表达层
这边发的数据那边收到了，但是不一定能理解，更加谈不上合作。
大型机使用BCD码，PC机采用Asc码，就好像说着不同语言的人遇到了一起，互相之间是不能理解对方的。
这时需要一个翻译器来实现语言的转换。
事实上，数据的表现形式在这一层中解决差异问题。
比如：
加密解密，编码转换，压缩解压缩等。
⑦应用层
在理解了对方说话的内容后，是否可以实现合作呢，这就要看双方是否具备同样的专业机制，如同一个篮球高手未必可以和一个羽毛球高手配合的很好，是因为双方所具有的专业机制并不相同。
网络中的任何一个应用都是一套专业的机制，比如下载，一方提供资源，一方就要能够去复制这个资源，双方配合无间；
应用层中的服务大致如此，通信双方必须具备同样的专业机制才能配合共同完成一项任务。
这套专业的机制，就是应用层要解决的问题。
OSI的七层模型体现出的特点就是相邻两层的关系就是下层为上一层提供服务，本层内部的工作与上层无关，高一层在低一层完成服务的基础上才能正常工作。
OSI模型的缺点是缺乏实用性和可行性，表现在市场化方面OSI是失败的，这是因为：
OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；
OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；
OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；
OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。
6、两大网络模型之TCP/IP参考模型
法律上的（dejure）国际标准OSI并没有得到市场的认可。
非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。
TCP/IP常被称为事实上的（defacto）国际标准。
相比OSI的七层模型，TCP/IP模型的层次要少一些，但是在底下的两层中却没有具体的定义内容，这是因为模型出现的背景造成的。
在各地，各单位各组织都依照自己的需要选择不同的标准和设备构建了自己的局域网，在这个基础上去关注的重点就变成了如何把已有的这些网络连通，让不同的主机之间能相互通信。
对已有的网络很难再去定义它该如何构建，因此，局域网所涵盖的底下两层，在TCP/IP模型中没有具体的定义内容，直接被称为网络接口层。
分层介绍如下：
①网络接口层
网络接口层，也被称为网络访问层，包括了能使用TCP/IP与物理网络进行通信的协议，它对应OSI的物理层和数据链路层。
TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议。
②网际层
网际层是在TCP/IP标准中正式定义的第一层。
网际层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据包（IP数据包），并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机，在网际层中，最常用的协议是网际协议IP，其他一些协议用来协助IP的操作。
③传输层
TCP/IP的传输层也被称为主机至主机层，与OSI的传输层类似，主要负责主机到主机之间的端对端通信，该层使用了两种协议来支持两种数据的传送方法，即TCP协议和UDP协议。
④应用层
在TCP/IP模型中，应用程序接口是最高层，它与OSI模型中的高三层的任务相同，用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。
7、综合的五层模型（重点，需要记忆）
综合上面的两大网络参考模型的优缺点，在本课程的学习中，我们将以一个五层模型作为对象来分析网络各层的特点。
鉴于本模型将在后面各章中展开学习，我们在这里先简单的归纳和分析一下各层的功能、通信实体、数据的单元等关键的问题。
①物理层：
在不同的传输介质上透明的传输比特流；
数据的单元是比特；
无地址信息；
②数据链路层：
在数据链路上透明的传输数据帧；帧的边界划分；比特差错控制等；
通信实体是点到点（一条数据链路的端到端）；
数据单元是帧；
地址为物理地址（网卡地址；MAC地址）
③网络层：
主机到主机之间的通信；路由选择；拥塞控制
通信实体是主机到主机；
数据单元是分组；
地址为IP地址；
④运输层：
进程到进程之间的通信；差错控制；流量控制；
通信实体是进程到进程；
数据单元是数据报；
地址为端口地址；
⑤应用层：
直接面对用户的应用需求提供服务
注：
解释：
（1）实体（Entity）：
在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成，这些实体抽象地表示了通信时的软件元素（如进程或子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片等）。
说白了，实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。
（2）透明的理解：
字面上看就是理解为（看起来）好像不存在，是指差异的屏蔽，要结合不同的环境去理解这个词的意义。
8、协议
（1）定义
计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。
通过这些规则（也称为约定），网络上的计算机才有了彼此通信的“共同语言”。
网络协议（networkprotocol），简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
（2）网络协议的组成要素
①语法：
数据与控制信息的结构或格式。
（如何讲）问题
②语义：
需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
（讲什么）问题。
③同步：
事件实现顺序的详细说明。
（讲话次序）问题。
这里可以以打电话为例说明通信中协议的作用和具体三要素的表现。
（3）协议的分层
为了减少协议设计的复杂性，按照通信系统的多层结构也对协议进行了分层。
分层后的网络体系结构中，各层都有自己的协议，各层协议只完成本层的功能。
下层为上一层提供服务，同时向自己的下一层要求服务以完成自己的功能。
各层都不必知道其他层的协议实现的细节，也就是彼此相互独立。
9、数据的封装和解封
数据在不同的网络中传输的时候，沿途经过很多节点，也要经过许多次的封装和解封。
从总体趋势上看，数据在发送方从高层，层层下走的过程中，会层层加封一个首部；数据在到达接收方时，从低层层层向上交付的过程中，会层层解封，去掉后面加上的部分。
这个过程用下图来说明：
（1）发送结点：
主机1
在发送方主机1内，它的上层和下层之间传输数据。
每经过一层都对数据附加一个信息头部，即“封装”，而该层的功能正是通过这个“控制头”（附加的各种控制信息，）来实现的。
由于每一层都对发送的数据发生作用，因此，真正发送的数据越来越大，直到构成数据的二进制位流，在物理介质上传输。
（2）接收结点：
主机2
在接收方节点内，这七层的功能又依次发挥作用，并将各自的“控制头”去掉，即“拆封”，同时完成各层相应的功能。
10、TCP/IP协议栈
因特网的核心协议是IP协议和TCP协议，但是在谈论到TCP/IP时，不要错误的理解因特网就这么两个协议，准确的说，TCP/IP是一个协议栈，如下图所示：
分别解释各项协议和服务，这里需要特别指出IP协议的重要性，它处于核心的位置，可以用以下图来说明：
（1）IPOVEREVERYTHING
意思是IP协议可以运行在不同类型的网络上，可以屏蔽掉它们的差异，让这些网络上的主机可以好像在一个网络上一样顺利的通信。
（2）EVERYTHINGOVERIP
意思是应用层上的各种各样的服务都可以运行在IP协议之上，它可以为这些服务提供支持。
课程总结
●计算机网络的常见分类
●带宽和时延
●网络体系结构
●OSI七层模型中各层的功能、通信实体、数据单元名称等。
●TCP/IP协议栈
课堂练习
●交互性问答或者课堂讨论
●第一章的课后练习第十题
实验安排
实验6：
抓包软件wireshark和协议分析
（实验要求及详细配置步骤见实验手册）
作业
第一章综合练习（打印版）
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