城市轨道交通网络技术基础 （第2版）课件 -项目1 网络基础知识

项目一

网络基础知识

在当今数字化时代，网络早已如空气般融入我们生活的每一处缝隙。清晨，打开手机刷新闻，信息瞬间跨越千山万水跃入眼帘；工作时，依靠网络与异地团队协作，文档、数据实时共享；夜晚休闲，在线追剧、打游戏，畅享网络带来的乐趣。但你可曾细想，这无所不在的网络究竟如何运作？从家中的路由器，到城市里密密麻麻的基站，再到横跨大洋的海底光缆，它们怎样协同，让数据精准无误地穿梭？接下来，就让我们踏入网络基础知识的世界，探寻这神奇网络背后的奥秘。知识链接学练结合课后作业任务一

计算机网络认知Contents→工作情境地铁员工小李最近参与到地铁通信网络优化项目中。日常工作里，他发现部分通信设备老化，网络稳定性受影响。现在，小李需要重温计算机网络系统组成知识，了解不同硬件（像通信线路、信息变换设备）和软件（如操作系统、数据库系统）的作用。同时，依据城轨通信网络规划原则，评估现有公务电话、专用电话等系统架构，和团队协作探讨如何改进，从而保障地铁通信网络稳定运行，提升运营管理效率，为乘客提供更优质服务。技能目标：1.精准识别计算机网络软硬件构成，阐明各部分功能及协作关系，以此获得搭建与维护基础网络系统的实操能力。2.掌握城轨通信网络规划原则，能据此对网络整体设计予以分析评估，具备参与规划工作的初步技能。3.透彻理解城轨通信网络架构及作用，明晰各系统提升运营与助力智能发展的贡献，拥有优化改进网络的能力。素养目标：1.面对复杂网络知识，运用逻辑思维梳理内在联系，构建知识框架，培养系统性思考与归纳总结素养。2.在网络知识学习中，秉持严谨负责态度，遵循网络规划标准，重视可靠性，培育高质量工程素养。3.关注网络技术发展，认识创新对提升网络性能、推动城市智能化的作用，激发探索新技术的素养→学习目标知识目标：1.知悉计算机网络定义、组成结构，掌握软硬件各部分概念与功能，明确其在网络构建中的角色及作用。2.牢记城轨通信网络规划的先进性、可靠性等原则，理解各原则对保障轨道交通安全、高效运行的意义。3.熟知城轨通信网络主要架构，掌握各系统组网方式、功能特点，以及在运营管理和城市智能化中的作用机制。一、计算机网络基础知识——计算机网络的定义

计算机网络是将地理位置上分散的计算机、终端和外部设备通过通信线路互联在一起，并遵循共同的协议，从而实现信息互通和资源共享的系统。简而言之，计算机网络是通过电缆、电话线或无线通信将两台以上的计算机互连起来的集合。计算机网络的定义网络中的每台计算机或终端都是完整独立的设备，既可以独立完成本地工作，也可以联网工作。这些设备通过双绞线、光纤、同轴电缆、无线电波等有线或无线介质进行连接。网络协议是通信过程中必须遵循的统一规则，是确保正确通信和信息传输的基础。通过网络，用户可以共享硬件设备（如打印机、存储设备）、软件程序以及信息资源（如文件、数据库）。2.计算机网络系统的组成（1）硬件系统①计算机——俗称电脑，是一种用于高速计算的电子设备，能够进行数值计算、逻辑计算，并具有存储记忆功能。它可以按照程序运行，自动、高效地处理海量数据，是现代智能电子设备的代表。②网络工作站——通过网络接口卡连接到网络上的个人计算机。它既可以作为独立的计算机使用，也可以根据授予的权限访问服务器。在网络中，工作站是网络服务的用户，其主要功能是享受网络上提供的各种服务。计算机网络系统的组成③网络终端——是一种专用于网络计算环境的终端设备。与个人计算机（PC）不同，它没有硬盘、光驱等存储设备，所有资源、应用软件和数据都通过网络从服务器获取。④通信处理机——是网络中用于数据通信的计算机系统，包括前端处理机、远距离前端处理机、终端计算机等。前端处理机是主计算机与通信设备之间的接口设备，主要用于通信控制。计算机网络系统的组成⑤通信线路——是信息传递的物理通路。目前，长途干线主要采用大芯数光缆，同时也有卫星、微波等无线线路。省际及省内长途通信也以光缆为主，辅以微波和卫星电路。⑥信息变换设备——用于对信号进行变换，包括调制解调器、无线通信接收和发送器、光纤通信的编码解码器等。这些设备确保信号在不同介质中高效传输。计算机网络系统的组成（2）网络软件系统①操作系统——是管理计算机硬件与软件资源的程序，负责处理内存管理、资源分配、输入输出设备控制、网络操作和文件系统管理等基本事务。同时，它为用户提供与系统交互的操作界面。②语言处理系统——根据处理的语言、方法和过程的不同而有所差异。通常，它包含一个翻译程序，将一种语言程序（源语言和源程序）翻译成等价的另一种语言程序（目标语言和目标程序）。计算机网络系统的组成③数据库系统——是为满足数据处理需求而发展起来的一种理想数据处理系统。它是一个实际可运行的软件系统，为数据的存储、维护和应用提供支持，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。④分布式软件系统——是支持分布式处理的软件系统，运行在由通信网络互联的多处理机体系结构上。它包括分布式操作系统、分布式程序设计语言及其编译（解释）系统、分布式文件系统和分布式数据库系统等。计算机网络系统的组成⑤人机交互系统——是研究人与计算机之间通过相互理解的交流与通信，最大限度地完成信息管理、服务和处理的科学。它使计算机成为人们工作学习的和谐助手。二、城市轨道交通通信网络通信网络在城市轨道交通中发挥着至关重要的作用，在进行城市轨道交通通信网络规划的过程中必须遵循相应的原则，具体如图1-1所示。二、城市轨道交通通信网络先进性：通信网络规划应采用成熟的先进技术和设备，以确保城市轨道交通安全、可靠运行，并避免系统改造带来的成本增加。在资金允许的情况下，优先选择最先进的设备，因其具有良好的可持续性与拓展能力。可靠性：通信网络需在各类业务中保持安全稳定。若可靠性不足，网络故障可能导致整个协调指挥系统瘫痪。通过设置保护机制增强网络自愈能力，确保故障时能快速修复。二、城市轨道交通通信网络实用性：在确保准确性的前提下，操作应简便快捷，设备操作维修人员经简单培训即可上岗。软件规划应友好简略，最大限度满足用户需求，使通信网络规划更加人性化。开放性：网络规划需具备良好的系统兼容性和融入先进技术的能力。设备应符合国际标准，通信协议应选择成熟且广泛使用的标准协议，以确保网络的可靠控制与业务健康发展二、城市轨道交通通信网络城市轨道交通通信网络规划整体设计要满足通信网络规划的目标，在进行通信网络规划整体设计的过程中必须围绕资源共享与资源集中管理，构建完备的城市轨道交通通信网络体系。城市轨道交通通信网络系统构成如图1-2所示。二、城市轨道交通通信网络城市轨道交通通信网络中传输系统是核心，传输系统的可靠性关系到整个系统的稳定性及其子系统能够正常运行。从这个角度来讲，城市轨道交通通信网络要具有易维护、易扩展、技术先进等特点。（1）公务电话系统公务电话系统为城市轨道交通的各业务部门提供固定的通话服务，有时候也作为专用电话系统的应急通信。对公务电话子系统的规划应该从其业务功能出发，对管理功能进行规划，最终在网络层面实现互联互通。公务电话子系统的业务功能包括电话交换功能、计费功能、新业务功能等，管理功能的主要作用是维护整个系统的稳定性与可靠性，从而最大限度为系统业务功能提供保障。图1-3为公务电话系统组网架构由图可知，公务电话系统和专用电话系统使用的是相同的网络架构。另外，无线指挥系统的集群交换机也和公务电话的交换网连接在一起。通信网络公务电话系统所有的功能都将汇集于传输通道上，传输通道是整个公务电话系统的基础与核心。1.城市轨道交通通信网络主要架构（2）专用电话系统专用电话系统负责城市轨道交通的调度工作，包括行车调度、电力调度、维修调度等。作为专用调度电话系统，它要求直达、迅速，禁止无关用户接入。系统需具备维护管理功能，支持故障管理、设备管理、安全管理等，且系统故障应集中显示在告警系统中。专用电话系统是实现轨道交通安全运行调度的关键通信系统，业务能力要求严格。1.城市轨道交通通信网络主要架构在规划时，应急指挥中心内部需设置总调度台，并对列车运行、设备监控等设置分类调度台。系统主要由调度交换机、各类调度分交换机、录音设备等组成，设备通过传输系统连接。为减少设备数量和管理成本，采用以调度交换分机为中心的辐射式组网架构。总调度台需实现与各部门的点对点无障碍通信，分类调度台则对各类运营业务实施分级调度。1.城市轨道交通通信网络主要架构（3）视频监控系统视频监控系统为城市轨道交通运营调度和管理人员提供视频传输与调看功能，帮助对重点区域和敏感区域进行远程监控管理。通过该系统，运营管理人员可第一时间了解现场情况，提升对现场状况的判断能力，从而更好地保障城市轨道交通的安全运营。视频监控系统的功能主要包括监视功能、控制功能、录像回放功能、维护管理功能等，其建立在不同业务线路基础之上。1.城市轨道交通通信网络主要架构摄像头安装在视频监控区域的现场，负责对现场视频图像的采集，是视频监控系统的前端输入设备。在视频监控系统中还包含网络控制器、视频切换器、视频放大器等设备，这些设备用于对视频图像进行切换、分割等功能，从而达到更好地的视频传输、观看效果。1.城市轨道交通通信网络主要架构（4）无线指挥系统城市轨道交通在实际运营过程中，应急指挥中心主要负责对整个运行状态进行监视，但无法直接进行控制。在正常运营情况下，应急指挥中心不与列车调度、维修人员等进行通信；然而，一旦运营过程中出现紧急情况或异常情况，指挥人员必须通过无线指挥系统与事故线路中的现场人员保持通信，以便及时、高效、准确地排除问题。1.城市轨道交通通信网络主要架构无线指挥系统应具备组呼、一对一选呼等功能，并在呼叫过程中支持优先级设置。其组成与移动通信网络类似，包括移动交换机（负责无线信道的分配与管理）、网管服务器（用于系统管理与监控）、归属用户数据库（记录无线通信用户信息，只有被记录的用户才能使用网络）以及访问用户数据库（支持漫游用户的正常通信）。图1-4为无线指挥系统组网架构。1.城市轨道交通通信网络主要架构1.城市轨道交通通信网络主要架构由图可知，当鉴权移动台呼出时，呼出的信令由基站传送到移动交换机，同时由移动交换机处理呼叫。当移动台被呼叫时，移动交换机将从归属用户数据库中去搜索移动台在基站中所属的位置，同时进行定位，在主叫用户和被叫用户之间建立通信连接。（1）提升城市轨道交通运营管理水平城市轨道交通通信网络通过采用先进的通信技术和设备，构建了现代化的网络系统，显著提高了运营和管理效率，同时优化了城市资源的利用。随着我国城市规模的不断扩大，城市病愈发突出，其中交通拥堵尤为明显。通信网络在提升城市轨道交通管理水平方面主要体现在以下两个方面。一、计算机网络的发展业务协同与高效运行：通信网络将城市轨道交通的所有业务系统连接起来，促进各业务之间的协调配合，确保轨道交通的高效、安全运行。信息共享与管理优化：轨道交通运营过程中产生的大量信息通过通信网络实现共享，打破部门间的信息孤岛，实现信息互通，从而提升整体管理水平。一、计算机网络的发展（2）促进城市智能化发展通信网络在城市轨道交通中的应用是城市智能化发展的关键，也是未来社会发展的必然趋势。城市智能化发展不仅提升了居民的生活质量，还满足了人们对科技含量更高的生活需求。通信网络促进城市智能化发展的主要体现在以下两个方面。互联互通与信息共享：科学合理的通信网络规划实现了通信全覆盖，使各种信息资源能够高度共享。例如，城市轨道交通通信网络的乘客导乘子系统和广播子系统，帮助乘客更方便、快捷地到达目的地，并及时了解轨道交通的实时运行信息，从而优化出行选择。贴心与人性化服务：通信网络规划提升了市民出行的科技含量，使市民能够借助高科技确保出行便捷，减少拥堵，推动社会智能化的快速发展。城市轨道交通通信网络不仅提高了轨道交通的运营管理水平，还为城市的智能化发展提供了有力支持。一、计算机网络的发展前沿技术随着城市轨道交通通信网络系统的不断发展和新技术的应用，传统故障诊断方法已难以对庞大的故障数据，进行精确的诊断。近年来人工智能等诊断方法得到越来越广泛的应用。例如AI网络运维等技术，对诊断数据进行状态识别、状态预测及推理，模拟专家的逻辑思维来解决问题，实现高效故障诊断。知识链接学练结合课后作业任务二

计算机网络的功能及分类Contents计算机网络的功能及分类→工作情境地铁员工小刘主要负责地铁通信网络的日常维护与优化工作。近期，随着地铁新线路的规划建设，通信网络也面临升级改造。小刘需要深入了解计算机网络的发展历程，从中借鉴先进的技术理念来规划新的网络架构。在日常维护中，他要依据网络功能知识，确保资源共享高效稳定，保障各部门间的通信顺畅。同时，根据不同的网络分类特点，合理选择适合地铁环境的网络拓扑结构和传输介质，以提升地铁通信网络的可靠性和稳定性，为地铁的安全运营提供有力支撑。计算机网络的功能及分类→工作情境地铁员工小刘主要负责地铁通信网络的日常维护与优化工作。近期，随着地铁新线路的规划建设，通信网络也面临升级改造。小刘需要深入了解计算机网络的发展历程，从中借鉴先进的技术理念来规划新的网络架构。在日常维护中，他要依据网络功能知识，确保资源共享高效稳定，保障各部门间的通信顺畅。同时，根据不同的网络分类特点，合理选择适合地铁环境的网络拓扑结构和传输介质，以提升地铁通信网络的可靠性和稳定性，为地铁的安全运营提供有力支撑。计算机网络的功能及分类技能目标：1.能够依据不同的网络需求场景，准确判断并选择合适的计算机网络拓扑结构、作用范围类型及传输介质。2.学会运用相关知识分析现有计算机网络在功能实现方面（如资源共享效率、网络通信稳定性）的优劣，并提出改进思路。3.可以对给定的计算机网络案例，按照不同分类标准进行清晰分类，并阐述分类依据。计算机网络的功能及分类素养目标：1.培养逻辑思维素养，在梳理计算机网络发展历程、功能及分类知识时，能构建条理清晰的知识体系，把握知识间的内在逻辑。2.树立创新与发展素养，关注计算机网络前沿技术，思考如何将新技术融入现有网络，推动网络技术的创新应用。3.提升问题解决素养，面对复杂的计算机网络实际问题，能够运用所学知识和技能，系统分析并提出切实可行的解决方案。一、计算机网络的发展计算机网络的发展历程可以分为多个阶段，每个阶段都伴随着技术的突破和应用场景的扩展。1.第一阶段：面向终端的计算机网络（20世纪50年代-60年代）在这一阶段，计算机网络以主机为中心，终端通过通信线路连接到主机，实现资源共享。典型的技术包括分时系统和远程终端访问。然而，这种架构存在明显的局限性，主机的负担较重，且扩展性较差，难以满足日益增长的需求。一、计算机网络的发展2.第二阶段：分组交换网络的诞生（20世纪60年代-70年代）随着分组交换技术的出现，计算机网络进入了一个新的发展阶段。数据被分割为多个分组进行传输，显著提高了网络的效率和可靠性。ARPANET作为互联网的前身，是这一阶段的代表性成果。此外，X.25协议也为分组交换网络的发展奠定了基础。这一阶段的技术为现代计算机网络的架构提供了重要支持。3.第三阶段：网络标准化与互联网的兴起（20世纪70年代-90年代）在这一阶段，网络协议的标准化成为关键。TCP/IP协议逐渐成为主流，互联网开始在全球范围内普及。DNS（域名系统）和电子邮件（E-mail）等应用的出现，极大地推动了网络的使用。这一阶段的标志性意义在于实现了全球范围内的网络互联，为信息时代的到来奠定了基础。一、计算机网络的发展4.第四阶段：高速网络与多媒体应用（20世纪90年代-21世纪初）随着光纤通信和宽带接入技术（如ADSL）的发展，网络带宽大幅提升，能够支持多媒体数据的传输，如视频和音频。ATM（异步传输模式）等技术也在这一阶段得到广泛应用。高速网络的普及推动了互联网应用的多样化，为人们的生活和工作带来了深远影响。一、计算机网络的发展5.第五阶段：移动互联网与物联网（21世纪初至今）移动设备的普及和无线网络技术的快速发展，标志着计算机网络进入了移动互联网时代。4G/5G移动通信、Wi-Fi等技术使得人们可以随时随地接入网络。与此同时，物联网（IoT）的兴起将网络连接扩展到物理设备，实现了万物互联。云计算和物联网协议（如MQTT）成为这一阶段的重要技术支撑。一、计算机网络的发展6.第六阶段：未来网络与智能化（当前及未来）当前，计算机网络正朝着智能化、自动化的方向发展。边缘计算、量子通信等新兴技术为网络提供了更高的性能和安全性。人工智能驱动的网络优化技术也在逐步成熟，为智慧城市、自动驾驶等新兴领域提供了强大的技术支持。未来，计算机网络将继续推动社会的数字化转型，成为智能化时代的重要基础设施。二、计算机网络的功能一个完整的计算机网络应具备以下几个基本功能，如图1-5所示。二、计算机网络的功能1.资源共享多个用户共享计算机系统中的硬件和软件资源，如处理机时间、存储空间、设备和数据资源等。资源共享是计算机网络的主要目标之一。2.网络通信通过物理链路连接孤立的工作站或主机，组成数据链路，实现资源共享和通信。网络通信包括人与人、人与计算机、计算机与计算机之间的信息交换。网络通信协议（如NETBEUI、IPX/SPX、TCP/IP）是实现通信的关键。二、计算机网络的功能3.集中管理集中式计算机网络由中央系统和终端组成，数据存储在中央系统并由数据库管理系统管理。所有处理由中央系统完成，终端仅用于输入和输出，确保数据集中存储和管理。4.均衡负荷通过分摊任务到多个操作单元（如Web服务器、FTP服务器等），均衡负荷扩展网络带宽、增加吞吐量、提高数据处理能力和系统可用性，确保网络高效运行。二、计算机网络的功能5.分布处理分布处理技术利用网络支持的服务，解决异构硬件平台、操作系统、网络通信系统以及应用系统集成等问题，是深化网络应用的关键技术。三、计算机网络的分类1.按拓扑结构分类（1）总线型拓扑结构：通过一根公共总线连接所有设备，信息沿总线双向传输，可被任一节点接收，通信方式为广播。其优点是结构简单、易于实现和扩展，可靠性较好。总线型局域网中，所有节点通过网卡连接到总线，通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。同一时间内只允许一个节点发送数据，其他节点只能接收；若多个节点同时发送数据，则会发生冲突，导致传输失败。三、计算机网络的分类（2）星型拓扑结构：由一个中央节点和若干从节点组成，中央节点与从节点直接通信，从节点间通信需通过中央节点转发。其优点是结构简单、建网容易、传输速率高、扩展性好、配置灵活，站点增删改容易，网络易管理维护。每节点独占一条传输线路，避免数据堵塞。但网络可靠性依赖中央节点，中央节点故障将导致全网瘫痪。三、计算机网络的分类（3）树型拓扑结构：是一种分级结构，可视为多级星型结构的组合。越靠近树根的节点处理能力越强。其特点是扩展方便、建网费用低、故障隔离容易，适用于分主次或分等级的层次型管理系统。但由于采用分级集中控制，网络对根节点依赖较大，根节点故障会使全网瘫痪。三、计算机网络的分类（4）环型拓扑结构：将所有设备连接成环状，信息沿环单向传输。其传输路径固定，无路径选择问题，实现简单。但任一节点故障都会导致全网瘫痪，可靠性较差。网络管理复杂，投资费用高，扩展性和灵活性差，维护困难。三、计算机网络的分类2.按适用范围分类（1）局域网(LAN)：介于通常为几米至几千米，一般由一个单位或部门组建，局限在一座建筑物或园区内。局域网规模小、速度快，应用非常广泛。（2）城域网(MAN)：介于广域网和局域网之间，通常覆盖一个城市或地区，作用范围一般为几十千米。城域网及宽带城域网的建设是当前网络建设的热点。（3）广域网(WAN)：通常为几十到几千千米，能够跨越辽阔的地理区域进行长距离信息传输，覆盖范围通常是一个国家或洲。三、计算机网络的分类3.按传输介质分类（1）有线网：采用同轴电缆、双绞线、光纤等导向传输媒体来传输数据的网络。（2）无线网：采用无线电波、红外线、微波、卫星和激光，在局域网中，通常只使用无线电波和红外线作为传输介质，无线传输介质通常用于广域互联网的广域链路的连接。三、计算机网络的分类4.按数据传输速率分类（1）低速网：数据传输速率在200kb/s～1.5Mb/s之间的系统，这种系统通常是借助调制解调器利用电话网来实现的。（2）中速网：数据传输速率在1.6Mb/s～45Mb/s之间的系统，这种系统主要是传统的数字式公用数据网。（3）高速网：数据传输速率在50Mb/s～1000Mb/s之间的系统，目前的快速以太网和使用光纤的主干通信线路均属于高速网。三、计算机网络的分类5.按通信传播方式分类点对点传播方式网点对点传输网络中，数据以点到点的方式在计算机或通信设备中传输，星型网和环形网采用这种传输方式。点对点技术广泛应用于文件共享（如音频、视频、数据等）和实时数据传输（如IP电话、音视频通信）。部分网络（如Napster、OpenNAP）结合C/S结构和P2P结构处理任务，而Gnutella、Freenet等网络则完全采用P2P结构，被认为是真正的P2P网络。三、计算机网络的分类（2）广播式传播方式网广播式传输网络中，数据在共享介质中传输，无线网和总线型网络属于这种类型。所有站点共享一条信道，任意站点输出，其他站点均可接收。适用于范围较小或保密性要求低的网络。三、计算机网络的分类6.按使用范围分类（1）公用网：公用网又称为公众网，只要符合网络拥有者的要求就能使用这个网，因此它是为社会所有的人提供服务的网络。（2）专用网：专用网为一个或几个部门所拥有，它只为拥有者提供服务，不向拥有者以外的人提供服务。头脑风暴计算机网络领域涌现了多项突破性技术，深刻改变了网络架构、性能和应用场景。查一查，近年来计算机网络的发展有哪些新技术？相互交流，进行新技术的介绍。知识链接学练结合课后作业任务三

网络体系结构Contents网络体系结构→工作情境地铁员工小赵负责地铁通信网络的维护与升级工作。随着地铁运营线路的增多和智能化需求的提升，现有网络体系面临挑战。小赵需要深入研究计算机网络体系结构知识，分析当前地铁通信网络采用的类似TCP/IP模型的架构特点，判断在大量数据传输和实时调度场景下，各层是否能高效运行。当网络出现故障，如数据传输延迟时，小赵要运用所学，准确判断是物理层线路问题，还是传输层协议故障，从而快速解决问题，保障地铁通信网络稳定，为地铁安全高效运营提供有力支持。网络体系结构→学习目标知识目标：1.了解计算机网络体系结构的形成历程，理解分层优势，熟知常见网络标准的诞生背景。2.掌握计算机网络体系结构的定义，明确网络组织、配置与体系结构的区别，理解网络协议及层次模型的概念。3.熟知OSI模型和TCP/IP模型的层次结构、各层功能及对应关系，如OSI七层与TCP/IP四层的具体内容与联系。网络体系结构技能目标：1.能够根据实际网络需求，分析并选择合适的网络体系结构模型（OSI或TCP/IP），并阐述其优势。2.学会运用网络体系结构知识，判断网络故障可能发生的层次，并提出相应的排查与解决思路。3.可以对给定的网络通信场景，准确描述数据在OSI或TCP/IP模型各层的传输过程及处理方式。网络体系结构素养目标：1.培养逻辑思维素养，在学习网络体系结构复杂知识时，构建清晰的知识脉络，理解各部分逻辑关联。2.树立工程实践素养，在思考网络体系结构相关问题时，考虑实际应用中的可行性、稳定性与标准化。3.提升创新思维素养，关注网络体系结构的前沿发展，思考如何优化现有模型以适应新兴网络需求。一、计算机网络体系结构1.计算机网络体系结构的形成（1）早在最初的ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。（2）1974年，IBM公司宣布了它研制的SNA（SystemNetworkArchitecture）。这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。不久以后，其他一些公司也相继推出本公司的一套体系结构，并都采用不同的名称。一、计算机网络体系结构（3）国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互联成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），简称为OSI。在1983年形成了开放系统互联基本参考模型的正式文件，即著名的ISO7498国际标准。一、计算机网络体系结构（4）20世纪90年代初期，虽然整套的OSI国际标准都已经制定出来了，但由于互联网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围，而与此同时却几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品。现今规模最大的、覆盖全世界的计算机网络互联网并未使用OSI标准，而是非国际标准TCP/IP。这样，TCP/IP就是事实上的国际标准。一、计算机网络体系结构2.计算机网络体系结构的定义计算机的网络结构可以从网络组织、网络配置和网络体系结构三个方面来描述。网络组织是从网络的物理结构和网络的实现两方面来描述计算机网络；网络配置是从网络应用方面来描述计算机网络的布局，硬件、软件和通信线路来描述计算机网络；网络体系结构是从功能上来描述计算机网络结构。一、计算机网络体系结构网络协议是计算机网络必不可少的，一个完整的计算机网络需要有一套复杂的协议集合，组织复杂的计算机网络协议的最好方式就是层次模型。而将计算机网络层次模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（NetworkArchitecture）。一、计算机网络体系结构网络协议明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题：（1）鉴于网络节点之间通信的复杂性，在制定协议时通常把复杂元素分解成一些简单元素，然后再将它们复合起来。运用层法，协议可以分割成如下性质的层次结构：（2）除了最高层，中间的每一层都向上一层提供服务，同时又是下一层的服务用户。（3）结构中的每一层都规定有明确的服务及接口标准。一、计算机网络体系结构计算机网络由多个互连的节点组成，节点之间要不断地交换数据和控制信息，要做到有条不紊地交换数据，每个节点必须遵守一整套合理而严谨的结构化管理体系。计算机网络就是按照高度结构化设计方法采用功能分层原理来实现的，即计算机网络体系结构的内容，如图1-6所示。一、计算机网络体系结构一、计算机网络体系结构通常所说的计算机网络体系结构，即在世界范围内统一协议，制定软件标准和硬件标准，并将计算机网络及其部件所应完成的功能精确定义，从而使不同的计算机能够在相同功能中进行信息对接。一、计算机网络体系结构3.计算机网络层次的划分计算机网络体系结构分为相对独立的七层，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。这样，一个复杂而庞大的问题就简化为了几个易研究、处理的相对独立的局部问题。下面简要介绍一下层次划分的重要性：（1）各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。这样，整个问题的复杂程度就下降了。（2）灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。（3）结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。（4）易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大又复杂的系统变得易于处理，因为整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统。（5）能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了明确的说明。一、计算机网络体系结构计算机网络体系结构的分层思想主要遵循以下几点原则：（1）功能分工的原则。即每一层的划分都应有它自己明确的与其他层不同的基本功能。（2）隔离稳定的原则。即层与层的结构要相对独立和相互隔离，从而使某一层内容或结构的变化对其他层的影响小，各层的功能、结构相对稳定。（3）分支扩张的原则。即公共部分与可分支部分划分在不同层，这样有利于分支部分的灵活扩充和公共部分的相对稳定，减少结构上的重复。（4）方便实现的原则。即方便标准化的技术实现。二、OSI模型

在网络发展的早期时代，各个网络厂商均按照自己的标准生产网络设备，导致不同厂家的设备不能互相兼容，也不能互相通信。为了解决这一问题，20世纪80年代，国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization,ISO）制定并颁布了“开放式系统互联参考模型”（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel,OSI/RM），并很快成为计算机网络通信的基础模型，极大地促进了网络通信的发展。OSI参考模型采用层次化的结构模型，以实现网络的分层设计，从而将庞大而复杂的问题分解成若干较小且易于处理的子问题。OSI参考模型将网络自下而上分为七层，如图1-7所示，各层的主要功能分别介绍如下。二、OSI模型二、OSI模型物理层（或称物理层，PhysicalLayer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。局域网与广域网皆属第1、2层。二、OSI模型物理层要解决的主要问题：（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。二、OSI模型物理层主要功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。（1）为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。二、OSI模型（2）传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。（3）完成物理层的一些管理工作。二、OSI模型2.数据链路层数据链路层是OSI参考模型的第二层，其功能是在特定的传输介质或链路上传递数据。数据链路层负责链路的建立与拆除，并在传输过程中提供地址寻址、差错校验和流量控制等机制，将不可靠的物理链路改造成无差错的数据链路。数据链路层的数据单位称为“帧”（Frame）。为了在对网络层协议提供统接口的同时对下层的各种介质进行管理控制，局域网的数据链路层又被划分为逻辑链路控制（LogicLinkControl,LLC）子层和介质访问控制（MediaAccessControl,MAC）子层。数据链路层的典型设备是以太网交换机。二、OSI模型3.网络层网络层作为纽带连接着感知层和应用层，它由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成，相当于人的神经中枢系统，负责将感知层获取的信息，安全可靠地传输到应用层，然后根据不同的应用需求进行信息处理。网络层是OSI参考模型中的第三层，它的任务是选择合适的路径并转发数据包，使数据包能够正确地从发送端传递到接收端。网络层的数据单位称为“包”（Packet）。网络层可以实现异种网络的互联，其主要功能包括:编址、路由选择和拥塞控制等。网络层的典型设备是路由器和三层交换机。二、OSI模型4.传输层传输层也称之为运输层，其功能是为会话层提供无差错的传输链路，保证两台设备间传递信息的正确无误。传输层的数据单位称为“段”（Segment）。传输负责分段上层数据、建立主机之间的端到端的通信连接并提供可靠或不可靠的数据传输。它的功能主要包括:流量控制、多路复用、差错校验和数据重传等。传输层的主要协议包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。二、OSI模型传输层的服务一般要经历传输连接建立阶段，数据传送阶段，传输连接释放阶段3个阶段才算完成一个完整的服务过程。而在数据传送阶段又分为一般数据传送和加速数据传送两种形式。传输层中最为常见的两个协议分别是传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）和用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol）。传输层提供逻辑连接的建立、传输层寻址、数据传输、传输连接释放、流量控制、拥塞控制、多路复用和解复用、崩溃恢复等服务二、OSI模型5.会话层会话层、表示层、应用层属于OSI参考模型的高层，它们向应用程序提供各种服务。会话层（对话层）负责建立、维持和协调主机之间的会话关系，确保会话过程畅通。它决定通信是否中断以及下次通信的起点，并提供差错恢复和通信重建功能。会话层不参与具体的数据传输，主要协调端到端通信的服务请求与应答。二、OSI模型6.表示层表示层定义应用层数据的格式与结构，确保对端设备能够正确识别和理解数据。它还负责数据的加密/解密、压缩/解压以及格式转换等功能。7.应用层应用层是OSI模型的最高层，直接与用户和应用程序交互，为操作系统或应用程序提供访问网络的接口。需要注意的是，应用层并不等同于具体的应用程序。三、TCP/IP模型OSI参考模型为网络的兼容与互联互通提供了统一标准，但该模型过于复杂，难以完全实现，再加上OSI参考模型提出来时，TCP/IP协议已经占据主导地位，因此到现在也没有一个完全遵循OSI参考模型的协议族流行开来。TCP/IP模型起源于美国国防部20世纪60年代的ARPAnet研究项目，现在已发展成为计算机之间最常用的网络协议，成为Internet的事实标准。TCP/IP模型得名于协议族中的两个最重要的协议:传输控制协议（TransmissionControlProtocol,TCP）和网际协议（InternetProtocol,IP）。三、TCP/IP模型TCP/IP模型与OSI参考模型一样，也采用层次化结构，每-负责不同的通信功能，但TCP/IP模型只有四层，包括应用层、传输层、网络层和网络接口层。【插入微课：OSI与TCPIP的对比】TCP/IP模型与0SI参考模型各层之间的大致对应关系如图1-8所示。各层的主要功能简述如下。三、TCP/IP模型三、TCP/IP模型1.网络接口层网络接口层对应OSI模型的物理层和数据链路层，定义了主机如何连接到网络，处理与传输介质相关的细节，并为上层提供统一的网络接口。它包括以太网、FDDI（光纤分布式数据接口）、令牌环等局域网技术，以及HDLC（高级数据链路控制）、PPP（点对点协议）等广域网技术。2.网络层网络层对应OSI模型的网络层，主要功能是网络互联和路由，确保数据包正确传送到目的地。核心协议包括IP（互联网协议）、ICMP（互联网控制消息协议）、IGMP（互联网组管理协议）和ARP（地址解析协议）。三、TCP/IP模型3.传输层传输层对应OSI模型的传输层，提供主机之间端到端的数据传输。为确保可靠性，传输层支持确认应答、流量控制、错误校验和排序等功能。主要协议包括TCP和UDP。TCP：面向连接的可靠传输协议，通过三次握手、完整性校验、确认应答等机制实现可靠数据传输，适用于FTP（文件传输协议）、Telnet（远程登录）、E-mail等应用。UDP：无连接的不可靠传输协议，系统开销小，适用于对延迟敏感的应用，如语音和视频传输。三、TCP/IP模型4.应用层应用层对应OSI模型的会话层、表示层和应用层，为应用程序提供网络服务接口。主要协议包括FTP、TFTP（简单文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）等。课堂讨论总结OSI模型和TCP/IP模型的特点。以小组为单位，讨论总结OSI模型与TCPIP模型的区别与联系是什么？完成两个网络体系结构的对比分析。知识链接学练结合课后作业任务四网络的拓扑结构及应用Contents网络的拓扑结构及应用→工作情境地铁员工小李负责地铁通信网络的日常维护与优化。近期，地铁新线路开通，需要搭建新的通信网络拓扑结构。小李需要深入研究各类拓扑结构知识，考虑到地铁运营对通信可靠性和实时性的极高要求，分析哪种拓扑结构更适合。比如，星型拓扑的故障诊断和隔离优势有利于快速处理通信故障，但中央节点故障可能影响全网；而总线型拓扑布线简单，但故障诊断困难。小李要综合权衡，选择最能保障地铁通信网络稳定运行的拓扑结构，同时在日常维护中，依据拓扑结构特点及时排查和解决网络问题，确保地铁运营不受通信故障影响。网络的拓扑结构及应用知识目标：1.理解计算机网络拓扑结构的概念，掌握常见拓扑结构（总线型、星型、环型、树型、网状拓扑）的物理布局及工作原理。2.熟知每种拓扑结构的优缺点，如总线型的布线易与故障诊断难，星型的控制简单与中央节点瓶颈问题等。3.了解不同拓扑结构在实际应用中的特点及适用场景，例如环型拓扑适用于单向传输且对网络性能稳定性要求高的场景。网络的拓扑结构及应用技能目标：1.能够根据给定的网络需求和场景，准确判断并选择最合适的计算机网络拓扑结构，并说明理由。2.当网络出现故障时，能依据不同拓扑结构的特点，快速定位故障可能发生的区域，制定相应的排查方案。3.学会运用拓扑结构知识，对现有网络拓扑进行优化改进，提升网络性能，如在星型拓扑中合理配置中央节点以缓解瓶颈问题。网络的拓扑结构及应用素养目标：1.培养系统思维素养，在学习网络拓扑结构时，从整体上把握不同拓扑结构的构成、运行及相互关系，形成对网络架构的系统性认知。2.树立工程实践素养，在考虑网络拓扑选择与优化时，充分结合实际工程中的成本、可靠性、可维护性等因素，做出合理决策。3.提升创新思维素养，关注网络技术发展，思考如何创新拓扑结构或组合现有拓扑，以满足不断变化的网络应用需求，如在地铁通信网络中探索新的拓扑应用。网络的拓扑结构及应用→知识导入计算机网络的拓扑结构是指网络中通信线路互联各种设备的物理布局。常见的计算机网络拓扑结构有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网状拓扑等。一、总线型拓扑总线型拓扑结构是指采用单根数据传输线作为通信介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质，而且能被所有其他的站点接收，如图1-9所示。总线型网络拓扑结构中的用户节点为服务器或工作站，通信介质为同轴电缆。由于所有的节点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输。一般情况下，总线型网络采用载波监听多路访问/冲突检测协议（CSMA/CD)作为控制策略。一、总线型拓扑一、总线型拓扑总线型拓扑结构在局域网中得到广泛的应用，其主要优点如下：（1）布线容易、电缆用量小。总线型网络中的节点都连接在一个公共的通信介质上，所以需要的电缆长度短，减少了安装费用，易于布线和维护。（2）可靠性高。总线结构简单，从硬件观点来看，十分可靠。（3）易于扩充。在总线型网络中，如果要增加长度，可通过中继器加上一个附加段；如果需要增加新节点，只需要在总线的任何点将其接入。（4）易于安装。总线型网络的安装比较简单，对技术要求不是很高。一、总线型拓扑总线型拓扑结构的局限性如下：（1）故障诊断困难。虽然总线拓扑简单，可靠性高，但故障检测不容易。因为具有总线型拓扑结构的网络不是集中控制，故障检测需要在网上各个节点进行。（2）故障隔离困难。对于介质的故障，不能简单地撤销某工作站，这样会切断整段网络。（3）中继器配置。在总线的干线基础上扩充时，需要增加中继器，并重新设置，包括电缆长度的裁剪，终端匹配器的调整等。一、总线型拓扑（4）通信介质或中间某一接口点出现故障，会导致整个网络瘫痪。（5）终端必须是智能的。因为接在总线上的节点有介质访问控制功能，因此必须具有智能，从而增加了站点的硬件和软件费用。二、星型拓扑星型拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送到数据发送中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求。如图1-10所示。中央节点可以与任意一个从节点直接通信，但从节点之间的通信必须经过中央节点转发。二、星型拓扑星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接;在两台设备通信过程中要维持这一通路;当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。二、星型拓扑