《计算机网络基础》第2章教案

《计算机网络基础》课程教案课程名称：计算机网络基础课程号：课程学分：3参考学时：48课程性质：专业必修课适用专业：计算机应用技术等专业上课时间：授课教师：负责人：审核单位：年月日-1-一、课程基本信息课程名称计算机网络基础课程号课程性质专业必修课开课部门课程负责人课程团队授课学期学分/学时3/48授课语言汉语课程简介《计算机网络基础》是计算机类专业重要的专业基本理论课程，是计算机类专业的各门专业课程的先导课程。本课程在把握教学对象对理论知识“必要、适度、够用”的原则下系统介绍计算机网络技术与工程所涉及到各个方面的理论基础与技术基础知识;全面阐明计算机网络技术所涉及的各项基木概念和基木工作原理，为后续课程的知识学习和技能培养奠定理论基础。授课班级

二、课程授课教案第2章讲课主题物理层学时4学时教学目标·理解并掌握物理层的基本概念、主要功能和基本特性·熟悉各种网络互联设备·理解比特率、波特率和信道容量的定义·了解各类传输介质的基本特性教学重点、难点·熟练应用计算机信道容量的两个公式·掌握数字数据的数字信号编码本章导读物理层位于OSI参考模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的物理介质(即通信信道)，主要功能是实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。物理层的传输单位为比特，即二进制位的“0”或“1”。本章将介绍物理层接口与标准、传输介质、数据通信技术、数据编码以及常用的网络设备。教学设计授课提纲及重难点分析教学方法及课程思政设计教学时间2.1物理层接口与标准物理层是OSI参考模型的最底层，它向下直接与传输介质相连，向上与数据链路层相邻并为其提供服务，如图2-1所示。图2-1物理层与数据链路层的关系2.1.1物理层接口物理层接口是物理层中设备之间的连接接口，是计算机通信中最低层次的一种接口。它的主要任务是实现比特流的传输，即按照协议要求将数据比特流在传输介质上进行传输。2.1.2物理层接口标准1.EIA制定的物理接口标准美国电子工业协会EIA制定的物理层接口标准主要包括RS系列标准。其中，RS-232C是EIA制定的一种串行物理接口标准，被广泛应用于计算机串行接口和通信设备之间的数据传输。RS-232C标准采用DB-9或DB-25连接器，传输速率范围从150Baud～19200Baud，最大传输距离为15m。此外，EIA还制定了其他RS系列标准，如RS-449、RS-485等。2.ITU-T制定的物理层接口标准国际电信联盟电信标准化部门ITU-T制定的物理层接口标准主要有V系列标准、X系列标准等。30min2.2传输介质及网络设备2.2.1有线传输介质1.双绞线双绞线一般由两根绝缘铜导线相互缠绕而成，每根铜导线的绝缘层上分别涂有不同的颜色，以示区别。两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞合，能够有效地降低外界电磁场对信号的干扰。双绞线可分为屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair，STP)和非屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair，UTP)两大类。2.同轴电缆同轴电缆分为基带同轴电缆(阻抗50Ω)和宽带同轴电缆(阻抗75Ω)。基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆两种，都用于直接传输数字信号；宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输，也可用于不使用频分多路复用的高数字信号和模拟信号传输。闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆。3.光纤光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的超细石英玻璃纤维外加保护层构成。多条光纤组成一束，就构成一条光缆。相对于金属导线来说，光纤具有重量轻、线径细的特点。根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤(MultimodeFiber)和单模光纤(SinglemodeFiber)两种。2.2.2无线传输介质无线传输介质是指信号通过空气(或真空)传输，其载体主要包括无线电波、微波、红外线等，这些载体都属于电磁波的一种。无线传输介质通过电磁波的频率来加以区分。频率由低向高次序分别为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线(UV)、伦琴射线(X射线)与伽马射线(γ射线)。1.无线电波无线电波主要用于无线电广播、电视和移动通信等。中低频无线电波的频率在1MHz以下，沿着地球表面传播。高频、甚高频和特高频无线电波的频率为1MHz～1GHz。2.微波微波是指频率在300MHz～300GHz的电磁波。微波的频率较高，波长较短，因此具有更高的方向性。其典型工作频率为2GHz、4GHz、8GHz和12GHz。微波主要应用于卫星通信、电视转播、军事等领域。3.红外线红外线方向性好、便宜、易于制造但不能通穿过固体物质，被广泛应用于短距离通信。2.2.3常见的网络设备网络设备主要有网卡、交换机(Switch)、路由器(Router)、防火墙(FireWall)、网关(GateWay)。1.网卡网络接口卡(NetworkInterfaceCard，NIC)又称网卡或网络适配器，是主机和网络的接口，用于协调主机与网络间数据、指令或信息的发送与接收，如图2-8所示。2.交换机交换机是一种专门用于信号转发的网络设备，其核心功能在于维护着一张MAC地址表，通过这个表，可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的通路。3.路由器路由器是一种连接多个相同或不同类型网络的网络互联设备。它具有按某种准则自动选择一条到达目的子网的最佳传输路线的能力，用来连接两个及以上复杂网络，主要用于广域网之间或广域网与局域网的互联。4.网关网关又称网间连接器、协议转换器。在互联的、不同结构的网络中的主机之间相互通信时，由网关完成这两种网络的数据报格式的相互转换，以实现不同网络协议的翻译和转换工作。网关能够连接多个高层协议完全不同的局域网。因此，网关是连接局域网和广域网的首选设备。网关如图2-11所示。5.防火墙防火墙是一种位于计算机及其连接的网络之间的软件或硬件解决方案(硬件防火墙将隔离程序直接固化到芯片上)。防火墙实际上是一种隔离技术，是在两个网络通信时执行的一种访问权限控制，它能将非法用户或数据拒之门外，最大限度地阻止网络上黑客的攻击，从而保护网络内部免受入侵。45min2.3数据通信技术2.3.1信息、数据与信号1.信息在计算机网络中，通信的目的是交换信息(Information)。不同领域中对信息有不同的定义，一般认为信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识，也是人们通过通信系统传递的内容。2.信号信号(Signal)是数据在传输过程中的电信号表示形式。信号可以分为模拟信号和数字信号两种类型。2.3.2数据通信系统的基本结构按照在传输介质上传输的信号类型，可以将数据通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统两种。传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。模拟通信系统模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。2.数字通信系统数字通信系统一般由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿和噪声源组成。2.3.3通信信道数据通信的任务是传输数据信息，希望达到传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高，并且既经济又便于使用、维护等目标。1.数据传输速率2.信道容量3.误码率4.通信方式(1)并行通信方式。(2)串行通信方式。2.3.4多路复用技术1.FDM在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是FDM。为了防止不同信道的信号相互干扰，FDM使用保护带来隔离频谱区。FDM的工作原理是：几路数字信号被同时送入载波频率不同的调制器中，经过调制后，每一路数字信号被调制到不同频率的子频带上，这样就可以将多路信号合起来放在一条信道上传输。接收方则先利用带通滤波器将收到的多路信号分开，再利用解调器将分路后的信号恢复成调制前的信号。2.TDMTDM是以信号传输的时间作为分割对象，将传输时间分为若干个时间片(time-slot，又称时隙)，给每个用户分配一个或几个时间片，使不同信号在不同时间段内传送，在用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽来传输数据。3.WDMWDM主要用于全光纤网组成的通信系统。由于光波的频率很高，习惯上用波长而不用频率来表示光波，因此称其为波分复用。2.3.5异步传输和同步传输在数据通信系统中，当发送方和接收方采用串行通信方式时，必须要解决数据传输的同步问题。同步是指接收方必须按照发送方发送比特的起止时刻和速率来接收数据，否则会造成数据接收错误。实现收/发双方之间同步的技术有两种：异步传输和同步传输。1.异步传输2.同步传输45min2.4数据编码网络中的通信信道可以分为模拟信道和数字信道，分别用于传输模拟信号和数字信号，相应地，传输的数据也分为模拟数据与数字数据两类。2.4.1数字数据的数字信号编码数字信号可以直接采用基带传输。所谓基带，就是指二进制比特序列的矩形脉冲信号所占的固有频带，称为基本频带。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲。1.不归零码不归零码(NonReturntoZero，NRZ)，是指在一个码元时间内，电压均无须回到零位。这种编码方式属于全宽码，即一个码元占用一个单元脉冲的宽度。不归零码分为单极性不归零码和双极性不归零码。(1)单极性不归零码。(2)双极性不归零码。2.归零码不归零码的码元之间没有明确的间隙，不易区分识别，而归零码的脉冲较窄，每一位二进制信息传输后均返回零电平，可以有效改善传输过程中码元之间的间隙问题，使得接收端能够更容易地区分，识别每一位码元。归零码包括单极性归零码和双极性归零码两种形式。(1)单极性归零码。(2)双极性归零码。2.4.2模拟数据的数字信号编码脉冲编码调制一般通过采样、量化和编码3个步骤将连续的模拟数据转换为数字信号，如图2-33所示。(1)采样。(2)量化。(3)编码。模拟数据(例如语音)经过PCM编码转换成数字信号后，就可以和计算机中的数字数据统一采用数字传输方式进行传输。数字传输具有下列优点：(1)抗干扰性强。(2)保密性好。(3)易于集成化：(4)便于远距离传输：2