高等学校计算机公共教学改革与实践.ppt

山东大学 Shandong University 网址：/,高等学校计算机公共教学改革与实践,郝 兴 伟 山东大学计算机科学与技术学院 2006-11-18 南京,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,目 录,一、教学理念 二、课程知识体系设计 通信原理 网络硬件及其架设 操作系统与网络服务 标记语言 浏览器对象客户端脚本 数据库技术 服务端开发,三、教育资源建设 四、教学、科研和开发的关系 五、小结,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,一、What+How+Why教学理念,传统的教学方法 （重操作、轻原理教学）,What+How+Why教学理念,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,What+How+Why教学理念,WHY (I have already known how to do that,why?) 讲解基本概念和原理 授人以渔,WHAT (what exist in the computer sciences),HOW (how to do that ？) 培养学生的计算机操作技能,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,Why教学-1,浏览器的使用很简单， 什么意思？ http:/域名：端口/路径/文件 /index.htm,再如： （1）双绞线的4对8线，全双工通信与平衡电路 （2）总线网络，CSMA/CD机制与信号编码、冲突，终结器（匹配电阻） （3）5-4-3-2-1规则,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,Why教学-2,为什么采用双绞线？为什么要采用固定的线序？ 减少串扰 每英寸双绞的次数不同 在Cat5的数据通信中，为什么要用2对线？ 全双工通信 平衡电路、提高抗干扰（噪声）能力,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,Why教学-3,Repeater delay：2ms/repeater Cable delays ：0.55ms/100m NIC delay ：1ms/NIC 10BaseT bit time =1/100Mbps = 1/100 000 = 10-5 s = 0.1ms（微秒） = 100ns（纳秒） 1millisecond（毫秒） = 10-3 秒 1microsecond（微秒）= 10-6 秒 1 ns = 1.0 10-9 秒 最小帧：64字节=512bits,5-4-3-2-1 Rule,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,二、“计算机网络技术及应用”知识体系,原理,技术,应用开发,网络操作系统 计算机网络 基本通信技术,标记语言 邮件服务器的配置和管理 FTP服务器的架设和管理 Web服务器的架设和管理 常用网络服务及其配置,网络安全与防火墙技术 ASP技术及其应用 JavaScript脚本语言,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,课程内容,第一层 1. 基本通信技术 2.计算机网络 第二层 3.网络操作系统 4.常用网络服务及其配置 远程访问服务 终端服务 DNS服务 DHCP服务 5. Web服务器的架设和管理 6. FTP服务器的架设和管理 7. 邮件服务器的配置和管理,第三层 8. 标记语言 HTML XML 9. JavaScript脚本语言 10.ASP技术及其应用 11.网络安全与防火墙技术,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,模块1-基本通信技术,1.信息编码 2.数字信号传输数字数据 3.数字信号传输模拟数据 4.几个基本概念,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,数字信号与模拟信号,数字信号：数字信号是指在一个持续时间内保持一个固定的值，然后再转变为另外一个值的信号。,模拟信号 ：模拟信号是指在两个峰值之间来回振荡的、连续变化的信号。,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,信号编码-不归零法编码,字符A=65 0100 0001,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,不归零法编码存在的问题,t1,t2,t,Bit nums = ?,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,信号编码-曼彻斯特编码,字符A的ASCII码： 0100 0001,实现了：数字信号传输数字数据,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,数字信号编码模拟数据,如果用数字信号传输模拟数据， 在发送方 在发送方，首先需要进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号。 （1）采样。每隔固定的时间间隔采样模拟信号的瞬间值。 （2）把采样取得的数据按照量化级别转化为相应的数字值 （3）将量化值转变为二进制数 在接受方 在接受方，进行数模转换，将接受到的离散的数据还原成模拟信号,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,数字信号编码模拟数据（演示）,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,脉码调制（PCM）,用数字信号编码模拟数据常见的例子是音频信号的脉码调制（Pulse Code Modulation，PCM），脉码调制为采样信号分配一个预先确定的振幅。例如，假设整个振幅范围等分为2n个振幅级别，则每个振幅对应一个长度为n的比特串。 脉码调制为采样信号分配一个预先确定的振幅。 例如，假设整个振幅范围等分为2n个振幅级别，则 每个振幅对应一个长度为n的比特串。 PCM按照一定的时间间隔对模拟信号进行采样，然 后从2n个振幅中挑选出最接近采样频率的那个值 然后用其对应的比特序列对这个脉冲进行编码 NRZ或者差分曼彻斯特编码 发送编码数据。,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,脉码调制（PCM）（exa）,待传输的模拟信号,媒体传输电压信号,编码数据,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络通信中的几个概念,周期 波长和频率 带宽、比特率、波特率,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,周期,周期 事物在运动、变化的发展过程中，某些特征多次重复出现，连续两次出现所经过的时间叫周期(T)。 物体做往复运动或者物理量周而复始的运动时，重复一次所经历的时间。 例如：,T,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,频率和波长,频率和波长是两个描述电磁波的重要单位，其本质是一样的。 频率 频率是单位时间（每秒）内某事件重复发生次数。在物理学中通常以符号 f 表示，国际单位为赫兹（Hz）。 对于离散信号（如电压），频率也定义为每秒钟内物理量（如电压）变化的次数，每次变化持续一个确定的t 时间。 设 t 时间内某事件重复发生 n 次，则此事件发生的频率为 f = n/t 赫兹。 又因为周期定义为事件重复发生经历的最小时间间隔，故频率也可以周期的倒数表示，即 f = 1/T ，其中 T 表示周期。,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,波长,波长 麦克斯韦电磁波理论-电与光具有同样的传播速度（30万公里/秒，3x108m/s ） 在气温15摄氏度，声音在空气中传播的速度约是每秒340米；声音传到1000米远的地方大致是3秒钟，而电磁波传到1000米远的地方，只需三十万分之一秒，折合传播速度约为300,000,000米/秒。 波长指的是电磁波每个周期的传播距离，等于电磁波的传输速度乘上周期。,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,带宽、比特率、波特率,带宽 带宽（Bandwidth）是指媒体能够传输的最高频率和最低频率的差。例如，电话信号的频率范围为3003 300 Hz，则带宽为3 000 Hz。根据可听见的声音的频率范围，频率太高或者太低的将无法通过电话系统传输。,比特率 比特率是指媒体中每秒传输的比特数，单位为bps（bit percent second）,波特率 信号的变化频率，每一个信号（如电压）变化都维持一个确定的t 时间。,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,尼奎斯特定理和无噪声通道,尼奎斯特定理（Nyquist Theorem）： 在没有任何噪声和干扰的无噪声通道中，如果媒体传输的最大频率为f，接收方只要以每秒2f次的频率进行采样，就能完整的重现信号。因为接收方的采样频率必须和信号的变化频率（波特率）相等，因此由尼奎斯特定理可知，媒体的传输速度为： 比特率 = 波特率n = 2fn n为一个信号单元编码的比特数.例如：媒体上可传输16种电压值，则采集的每个电压可编码4个bit，即：n=4.,解释：采用信号（如：电压）的变化来传输数据，每一次信号变化都维持一个确定的时间，每一个特定的信号都编码n个bit。因此有： 比特率 = 每秒信号变化的次数n = 波特率n,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,噪声通道和香农定理,信噪比（Signal to Noise Ratio）来量化信号中噪声的强度。信噪比的定义为： 信噪比越大，表示干扰引起的信号畸变越小。由于S/N的值一般较大，一般用下面的单值变换，单位为贝尔，定义为： B =log10(S/N) （贝尔） 香农定理（Claude Shannon Theorem） 香农定理指出媒体的传输速度与带宽和信噪比有关，具体定义如下： 比特率=带宽log2(1+S/N) bps,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,举例：电话系统 的传输速度,频率范围约3003 300 Hz，信噪比约为35 dB，由上面的计算可知S=3162N，代入香农定理得： 比特率=带宽log2(1+S/N) = 3 000log2(1+3 162) 3 00011.63 34 880 （bps）,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,比特时间和网速,10BaseT bit time =1/100Mbps = 1/100 000 = 10-5 s = 0.1ms（微秒） = 100ns（纳秒） 1millisecond（毫秒） = 10-3 秒 1microsecond（微秒）= 10-6 秒 1 ns = 1.0 10-9 秒,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,模块2计算机网络基础,1. 传统内容 定义、功能、分类 2.网络模型与数据封装 3.网络协议 4.网络设备 功能、简单原理 5.网络架设,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,1. OSI七层模型与数据封装,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,数据帧,数据包,应用层位于OSI模型的最高层，提供直接支持用户网络应用程序的服务，如：电子邮件(SMTP)、Web访问(HTTP)、文件传输(FTP)、远程登录（TELNET）等。,表示层提供数据编码的格式化和数据转换服务。同时，表示层还具有数据压缩与数据加密功能。,会话层在应用程序之间建立、维持和终止会话。也就是在数据真正进行传送之前进行协商并建立好连接。即定义连接的请求和结束传送和接收状态的设定等动作。,传输层在主机应用程序之间定义端到端的连接。包括四种基本服务：将上层数据分段，建立端到端操作，发送数据段，保证数据的可靠性。,网络层负责在网络之间查找路由，即根据数据包的逻辑地址将数据包从一个网络发送到另一个网络。,数据链路层接收来自于网络层的数据包，并且把信息打包成数据帧，然后下传给物理层进行传输。数据链路层还将在数据包中增加控制信息，如帧类型、寻址及错误控制信息等，确保帧的可靠传输。,物理层用于定义网络设备物理接口的电子的、机械的、过程的和功能的技术规范。物理层的基本功能就是传输数据，不同的传输媒体采用不同的信号编码。,数据流 （Data Stream),数据流 （Data Stream),数据流 （Data Stream),数据流,数据段, ,数据段,数据段,源IP地址,目的IP地址,数据包,源Mac地址,目的Mac地址,数据包,11101010101110.,数据帧,比特流,数据段,数据封装过程,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,数据封装complete,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,封装MAC地址-ARP广播,arp a命令显示计算机内存的MAC表，用ping检验,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,默认网关,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,2. 每层设备,主要内容： 网卡 中继器、集线器、 交换机 路由器 Modem 各种设备的功能、简单工作原理,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络设备和网络分层,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网卡（ Network Interface Card，NIC ）,网络类型 Ethernet TokenRing FDDI 总线（速度） 16ISA，传输速率8/3*2 =5.3MBps 32PCI，传输速率33*1*4=132MBps 媒体(接口) RJ-45 AUI BNC,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网卡的物理层功能信号编码,网卡属于数据链路层的设备，但是同时具有物理层的功能，即将数据0101等比特流编程媒体可以传输的电信号。 例如：字符A的 Ansii码值为65,对应的二进制为0100 0001 网卡将上述的比特串，变成下面的电信号，接受方或的上述的电压信号，即实现了数据的传输,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,中继器 (Repeater）,功能： 属于网络物理层互联设备，由于信号在网络传输介质中有衰减和噪音，使有用的数据信号变得越来越弱。 因此为了保证有用数据的完整性，并在一定范围内传送，要用中继器把所接收到的弱信号分离，并再生放大以保持与原数据相同。 在以太网布线中遵循5-4-3-2-1规则,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,集线器 (Hub）,功能： 和中继器类似，也属于网络物理层互联设备，可以说是多端口的中继器（Multi-Port Reapter）。,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,5-4-3-2-1 Rules,Repeater delay：2ms/repeater Cable delays ：0.55ms/100m NIC delay ：1ms/NIC 10BaseT bit time：0.1ms/bit（100ns） 最小帧：64字节=512bits,5-4-3-2-1 Rule,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网桥（Bridge）,功能： 网桥（Bridge）是一个网段与另一个网段之间建立连接的桥梁，是一种数据链路层设备，网桥根据数据帧源和目标的物理地址（MAC）决定是否对数据帧进行转发，这在一定程度上提高了网络的有效带宽。,MAC地址表,arp a命令显示计算机内存的MAC表，用ping检验,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,交换机 (Switch）,多端口的桥,功能： 划分冲突域，有效扩大带宽 交换机的地址学习： 对称式交换和非对称式交换（缓存技术）,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,路由器 (Router）,路由器（Router）属于网络层互联设备，用于连接多个逻辑上分开的网络。路由器有自己的操作系统，运行各种网络层协议（如IP协议、IPX协议、AppleTalk协议等），用于实现网络层的功能。 功能： 路径选择、包交换,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,路由器 (Router）,网关：网络的互连,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,RAM for working storage in the router,计算机内存结构 代码区 数据区,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,4. 网络拓扑结构,物理拓扑结构 逻辑拓扑结构,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络的物理拓扑结构,什么是拓扑结构？ 拓扑（Topology）是数学的一个分支，研究几何图形在连续改变形状时还能保留不变的一些特性，只考虑物体之间的位置关系而不考虑它们之间的距离和大小。 主要的拓扑结构： 总线拓扑 星型拓扑、扩展星型 环形拓扑,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络的物理拓扑结构-总线拓扑,常见的使用总线拓扑结构的网络是10Base2网络，在10Base2网络中，将T型头的公共端接到计算机的网卡上，将带有BNC接头的网线分别连接到T型头的两端，同时在总线的两端还需要连接终端电阻，防止信号在电缆的切面发生发射。,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络的物理拓扑结构-星形拓扑,使用星形拓扑结构的网络常见的是10BaseT网络（以太网），在10BaseT网络中，所有的计算机通过双绞线连接到集线器（Hub）,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络的物理拓扑结构扩展星形拓扑,在星形拓扑中，每台中枢设备的端口数量都是有限的，常用的有8口、16口、24口的Hub或交换机。 如果要将更多的计算机连接到网络中，就需要讲一个端口下接入一台交换机或Hub，这样的连接成为设备的级连，形成的拓扑称为扩展星形拓扑。,接入的设备越多，网络中每台设备的平均带宽讲快速的减少，同时，广播域和冲突域进一步扩大，从而会降低网络的性能。 5-4-3-2-1规则,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络逻辑拓扑 -总线型,总线型 CSMA/CD（Carrier Sense Multi Access/Collision Detect）以太网（Ethernet） 载波侦听多路存取/冲突监测 消息传送机制-广播,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,网络逻辑拓扑 -令牌环型,令牌环型 传输权的取得令牌环 无冲突、可靠传输,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,模块3网络操作系统和网络服务,一、操作系统分类与网络操作系统 二、常用网络服务及其配置 远程访问服务 终端服务 DNS服务 DHCP服务 三、Web服务器的架设和管理 四、 FTP服务器的架设和管理 五、 邮件服务器的配置和管理,山东大学计算机科学与技术学院 Shandong University 网址：/,模块4B/S结构与网络开发,一、B/S