《计算机网络》课程教学大纲

计算机网络课程教学大纲（2001年制订，2003年修订）课程编号：英 文 名：Computer Networks课程类别：专业选修课前 置 课：数据通信、计算机导论等后 置 课：学 分：2学分课 时：36课时主讲教师：杨小宁等 选定教材：谢希仁.计算机网络（第四版）.北京：电子工业出版社 2003年课程概述：计算机网络是计算机和数据通信结合的学科。是计算机科学、信息科学专业的专业主干课程。本课程主要讲授网络通信和协议实现，以现阶段主流协议TCP/IP为主线，对五个功能层进行详细地描述。内容涵盖网络概述、物理层、数据链路层、LAN、WAN、网络互连、运输层（传输层）、应用层、计算机网络安全、Internet的演进等。本课程所选择的教材接近国际著名教材，内容先进且实用，知识面涵盖较广。教学目的：通过学习计算机网络课程，同学应对计算机网络技术及因特网的基本原理和体系结构有较为全面的了解。掌握ISO/OSI的7分层协议、传统的以太网技术和传统传输介质（10base2/10base5）。掌握TCP/IP的4层的分层协议；掌握IPV4和IPV6地址编址方法、MAC地址、子网掩码、CIDR的概念；掌握TCP/IP协议簇中的重点协议、应用层C/S软件结构、网络QoS；掌握网络中关键器材（交换机、路由器）的工作原理，熟悉LAN的组建，能规划小型网络，能排除一般故障。了解计算机网络发展的前沿技术，了解我国计算机网络发展的现状，了解综合布线技术，实验课旨在提高同学的动手能力。教学方法：教学以课堂授课为主，我校对原教材建议的70-90学时的授课时间作较大的调整，计算机网络的教学课时为34学时，教学内容必须精简。倡导学生根据自己的实际情况阅读本大纲列出的教学参考资料、自学本教材授课未涉及的内容。教学内容以TCP/IP协议为主，讲授教材列为“最重要”的内容。网络实验课由计算机网络实用技术课程安排LAN组网、TCP/IP实验、WAN实验、路由器配置等实验项目，实验项目参照计算机网络实用技术网络实验教程。各章教学要求及教学要点：第一章 概述课时分配：2课时教学要求：通过本章教学，学生应掌握计算机网络的基本构架、数据分组（基于标记）交换与网络转发储存；传输中的数据在交换结点中断续动态分配带宽的基本特点。了解Internet的发展简史和网络标准组织，了解中国计算机网络的现状和发展简史。掌握计算机网络的定义、网络分类方式和主要性能指标；掌握网络的体系结构的概念、ISO/OSI和TCP/IP的分层；掌握协议的三要素；掌握面向连接服务和非面向连接服务的概念及应用层客户端/服务端的软件模式（C/S模式）。了解中国主要的计算机网络。教学内容：第一节 计算机网络在信息时代的作用第二节 计算机网络的发展过程一、分组交换的产生二、Internet时代三、关于Internet的标准化工作四、计算机网络在中国的发展第三节 计算机网络的分类一、计算机网络的不同分类二、几种不同的分类方法第四节 计算机网络的性能指标一、带宽二、时延三、带宽时延积和往返时延第五节 计算机网络的体系结构一、计算机网络体系结构的形成二、划分层次的必要性三、具有5层协议的体系结构四、实体、协议、服务和服务访问点五、面向连接服务和无连接服务六、OSI与TCP/IP体系结构的比较第六节 应用层C/S方式思考题：1.中国现阶段有哪些主要的网络？2.计算机网络由哪几部分组成？3.网络的协议和服务有何区别？有何关系？4.网络的体系结构为何要采用分层结构？5.试比较ISO/OSI的7层功能协议和TCP/IP的“4+1”层功能协议的优劣。6.客户端和服务端的核心含义是什么？7.TCP/IP的5层次分别是哪些？每层的主要任务是什么？第二章 物理层课时分配：2课时教学要求：通过本章的教学，学生应掌握数据传输的基本理论、信号的种类及相互转换、Shannon公式和Nyquist准则；掌握导向型和非导向型传输介质（UTP、光纤、同轴电缆、自由空间等传输介质）；掌握基本的复用和分用技术、物理层标准。教学内容：第一节 物理层的基本概念第二节 数据通信的基础知识一、数据通信系统的模型二、有关信道的几个基本概念三、信道的最高码元传输速率四、信道的极限信息传输速率第三节 物理层下的传输介质一、导向传输媒体二、非导向传输媒体第四节 模拟传输与数字传输一、模拟传输系统二、Modem三、数字传输系统第五节 信道复用技术一、频分复用、时分复用和统计时分复用二、波分复用三、码分复用第六节 同步光纤网SONET和同步数字系列第七节 物理层标准举例（*不讲授）思考题：1.Shannon公式有几个参数？各自表示什么意思？2.为何现阶段电话线Modem的极限是56kbps?3.什么是Nyquist准则？4.红外线通信的特点是什么？第三章 数据链路层课时分配：4课时教学要求：通过本章教学，要求学生掌握数据链路层的基本术语概念，掌握停止等待协议和连续ARQ协议、滑动窗口的概念、CRC算法。了解面向比特的HDLC和面向字节的PPP协议。教学内容：第一节 数据链路层的基本概念第二节 停止等待协议一、完全理想化的数据传输二、具有最简单流量控制的数据链路层协议三、实用的停止等待协议四、CRC原理五、停止等待协议的算法六、停止等待协议的定量分析第三节 连续ARQ协议一、连续ARQ协议的工作原理二、连续ARQ协议的吞吐量三、滑动窗口的概念四、信道利用率第四节、选择重传ARQ协议第五节 HDLC一、HDLC协议概述二、HDLC的帧结构第六节 Internet的点对点协议PPP一、PPP协议的工作原理二、PPP协议的帧结构三、PPP协议的工作状态思考题：1.满足CRC技术中的生成函数的基本条件是什么？2.数据可靠传输的含意是什么？3.网络中如何实现流量控制？4.HDLC协议如何实现透明传输？5.数据链路层的功能是什么？第四章 LAN课时分配：4课时教学要求：通过本章教学，学生应重点掌握CSMA/CD协议和MAC地址、能规划设计小型LAN、会使用的网络器材（HUB、中继器、网桥、交换机）；了解传统的10BASE2和10BASE5传输介质、非主流局域网token-ring和token-bus技术；了解无线LAN和高速LAN技术。教学内容：第一节 LAN的概述第二节 传统的以太网一、以太网的工作原理二、传统以太网的连接方法三、以太网的信道的利用率第三节 以太网的MAC子层一、MAC层的硬件地址二、两种不同的MAC帧格式第四节 LAN的扩展一、在物理曾扩展LAN二、在数据链路层扩展LAN第五节 VLAN一、虚拟LAN的概念二、虚拟LAN使用的以太网帧格式第六节 高速LAN一、100Base-T以太网二、1000Base-T以太网三、10000Base-T以太网第七节 其它种类的高速LAN一、100VG-AnyLAN LAN二、光纤分布式数据接口FDDI三、高性能并行接口四、光纤通道第八节 无线LAN（选讲内容）一、无线LAN的组成二、802.11标准中的物理层三、802.11标准中的MAC层思考题：1.网桥是否有网卡？2.网桥的转发表中的表项有哪些字段？为何如此设计？3.MAC地址的空间有多大？4.CSMA/CD算法对所有的站点是否公平？5.FTTx中的“x”代表什么意思？第五章 广域网课时分配：4课时教学要求：通过本章教学，要求学生掌握广域网的基本概念，对WAN提供的数据报和虚电路的服务质量有较为深刻的认识；知道路由器和节点交换机的区别，了解三种WAN的技术实现（X.25.FR、ATM）。教学内容：第一节 广域网的基本概念一、广域网的构成二、数据报与虚电路第二节 广域网的分组转发机制一、在结点交换机中查找路由表二、在路由表中使用默认路由第三节 拥塞控制一、拥塞控制的意义二、拥塞控制的一般原理第四节 X.25网第五节 帧中继一、帧中继的工作原理二、帧中继的帧格式三、帧中继的拥塞控制第六节 异步传输模式ATM一、ATM的基本概念二、ATM的协议参考模型和信元结构三、ATM的逻辑连接机制思考题：1.比较VC与数据报的传输特征。2.死锁是如何产生的？有什么措施防止死锁？3.增加部分资源就可以解决网络的拥塞的观点是否正确？为什么？4.ATM信元首部为何有两种？有什么不同？5.网络拥塞的起因是什么？是否可以彻底解决？能否主动控制？第六章 网络互连课时分配：4课时教学要求：通过本章教学，学生应掌握网络互联的核心协议IP、IP分组储存及转发的、路由器的路由选择协议；掌握IP地址屏蔽异构网络技术的作用、ARP、RARP、有类别的IP地址、CIDR等概念；掌握子网和超网的概念、路由选择协议的工作原理。（RIP、OSPF）了解IPV6技术。教学内容：第一节 路由器在网际互连的作用一、路由器的构成二、交换结构三、互联网与Internet第二节 IP协议一、有类别的IP地址二、IP地址与硬件地址三、地址解析协议ARP与逆向地址解析协议四、IP数据报的格式五、IP层转发分组的流程第三节 划分子网和构造超网一、划分子网二、使用子网掩码的分组转发过程三、无类别编址CIDR第四节 Internet控制报文协议第五节 Internet路由选择协议一、有关路由选择协议的几个基本概念二、内部网关协议RIP三、内部网关协议OSPF四、外部网关协议BGP第六节 IP多播和Internet组管理协议一、IP多播的基本概念二、Internet组管理协议IGMP三、多播路由选择第七节 虚拟专用网和网络地址转换一、虚拟专用网VPN二、网络地址转换NAT第八节 下一代网际协议IPV6一、解决IP地址耗尽的措施二、IPV6的基本首部三、IPV6的扩展首部四、IPV6的地址空间五、IPV4过渡到IPV6六、ICMPV6思考题：1.路由器的基本工作原理是什么？2.路由器的端口“影子拷贝”的作用是什么？3.VC网络中的三个最重要的功能是什么？4.比较RIP和OSPF的优劣？为何要这样设计路由器交换的内容和时机？5.为何要设计路由器的“自学习机制”？人工设定是否可行？6.广播信道中存在几种广播方式？第七章 运输层（传输层）课时分配：6课时教学要求:运输层(传输层)是网络体系结构中关键层，本章学习面向连接的TCP和非面向连接的UDP。重点掌握TCP的各种机制，熟悉TCP面向连接可靠服务，分组的序号、确认、窗口、拥塞控制、与TCP连接管理的概念。进程的端口的概念，熟知端口。TCP和UDP报文段的首部结构各字段的含义，UDP检验和算法。TCP的重传机制。教学内容:第一节 运输层协议概述第二节 TCP/IP体系中的运输层一、运输层中的两个协议二、端口的概念第三节 UDP一、UDP概述二、UDP的首部格式第四节 TCP一、TCP概述二、TCP报文段的首部三、TCP的数据编号与确认四、TCP的流量控制与拥塞控制五、TCP的重传机制六、采用随机早期丢弃(RED)进行拥塞控制七、TCP的运输连接管理八、TCP的有限状态机思考题：1. 运输层的核心任务是什么？2. TCP报文的首部结构有哪些字段组成？其含意是什么？ 3. 网络拥塞的起因是什么？是否可以彻底解决？4. 数据传输时的流量控制实现有几种？性能如何？5. 若一个TCP连接，有有一部分分组丢失，如何保障其可靠性？6. MTU的含意是什么？第八章 应用层课时分配：6课时教学要求:通过本章的学习,同学应掌握服务器(软件进程的服务端)与客户机(软件进程的请求端)的基本概念，掌握DNS、FTP、TELNET、e-MAIL、WWW、BOOTP和DHCP、SNMP的基本工作原理。本章最重要的技术特征：client/server工作模式。教学内容:第一节 DNS域名系统一、域名系统概述二、Internet的域名结构三、使用DNS服务器进行域名解析第二节 FTP文件传输协议一、概述二、FTP的基本工作原理三、简单文件传输协议TFTP第三节 TELNET远程终端（登录）协议第四节 电子邮件(e-MAIL)一、概述二、简单邮件传输协议SMTP三、电子邮件的信息格式四、邮件读取协议POP3和IMAP五、通用Internet邮件扩充MIME第五节 WWW万维网一、概述二、统一资源定位符URL三、超文本传输协议HTTP四、超文本标记语言HTML五、WWW中的超链六、动态WWW文档与CGI技术七、活动WWW文档八、WWW上的信息检索系统第六节 引导程序协议与动态主机配置协议（BOOTP、DHCP）一、引导程序协议BOOTP二、动态主机配置协议DHCP第七节 简单网络管理协议SNMP一、简单网络的基本概念二、简单网络管理协议SNMP概述三、管理信息库MIB四、SNMPV1的五种协议数据单元五、管理信息结构六、SNMPV2和SNMPV3第八节 应用进程跨越网络的通信一、系统调用和应用接口编程二、服务器的两种工作方式三、进程通过系统调用接口进行通信的过程思考题：1.“带内”和“带外”的含意是什么？2.为什么HTTP、FTP、STMP、POP3都使用TCP，而不使用UDP？3.DNS使用TCP还是UDP？其工作原理是什么？4.SMTP如何支持多媒体传输？5.在Internet上，为什么没有应用既要求“无数据丢失”有要求“定时（限时）”的传输服务？第九章 计算机网络安全课时分配：4课时教学要求:通过本章的学习，同学应对计算机网络安全的重要性有初步的认识，了解来自多方面的攻击和破坏行为。知道该领域常规的防范措施。掌握对称和非对称加密算法的基本原理，掌握DES和RSA算法，知道恶意程序的分类，了解传统密码学的加密、解密手段。教学内容：第一节 网络安全问题概述一、计算机网络面临的安全威胁二、计算机网络安全的内容三、一般数据加密模型第二节 常规密钥密码体制一、替代密码与置换密码二、数据加密标准DES第三节 公开密钥密码体制一、公开密钥密码体制的特点二、RSA公开密钥密码体制三、数字签名第四节 报文鉴别第五节 密钥分配第六节 电子邮件的加密一、PGP二、PEM第七节 链路加密和端到端加密一、链路加密二、端到端加密第八节 因特网商务中的加密一、安全插口层SSL二、安全电子交易第九节 因特网的网络层安全协议族IPsec第十节 防火墙思考题：1.报文的机密性与完整性之间的区别是什么？2.公钥系统是否比传统加密方式更安全？3.主动入侵者与被动入侵者之间的区别是什么？4.公钥系统的算法既简单又安全的说法是否正确？5.链路加密和端到端加密有何不同？6.传统加密方式是否一定会被公钥系统所取代？7.如何攻击RSA算法？8.现阶段使用的数字鉴别技术有哪些？第十章 因特网的演进课时分配：0教学要求:课堂不讲授，建议学生自学，应了解因特网现阶段的一些应用（IP phone, video congress）；了解多媒体通信的特殊要求（数据量大、尽可能低时延、抖动小等）；了解RTP，RTCP、RTSP、H.323.QoS、RSVP、MPLS、RAN和HFC技术。教学内容:第一节 概述第二节 因特网的多媒体体系结构一、实时运输协议RTP二、实时运输控制协议RTCP三、实时流式协议RTSP第三节 IP电话一、IP电话概述二、H.323三、会话发起协议SIP四、IP电话的通话质量第四节 改进“尽最大努力交付”的服务一、使因特网提供服务质量二、调度和管理机制三、综合服务IntServ和资源预留协议RSVP四、区分服务DiffServ第五节 多协议标记交换MPLS一、MPLS的产生背景二、MPLS的工作原理第六节 RAN居民接入网一、xDSL技术二、光纤同轴混合网（HFC）三、FFTx技术四、以太网接入第七节 关于“三网融合”思考题：1.分析中国三网融合尚有哪些需要解决的问题？2.因特网多媒体体系结构有哪些组成部分？有哪些新协议？有何特点？3.实时数据和等时数据是否一样？为何讲因特网不是等时的？实时数据有哪些特点？4.为何说传递多媒体数据时对时延迟和抖动有较高的要求？附 录：参考书目1. 张公忠.现代网络技术教程M. 北京：电子工业出版社,1998.2. 张公忠等.当代组网技术M. 北京：清华大学出版社,1999.3. 史忠植.高级计算机网络M. 北京：电子工业出版社,2001.4. 张尧学.计算机网络与Internet教程M. 北京：清华大学出版社,2002.5. 李腊元等.计算机网络技术M.北京：国防工业出版社,1998.6. 鲁士文.计算机网络习题与解析M.北京： 清华大学出版社,2001.7. Andrew S Tanenbaum. Computer NetworksM.北京：清华大学出版社,1997.8. William Stallings. Business Data CommunicationM.北京：清华大学出版社,1997.9. Douglas E Comer. C