高等学校计算机公共教学改革与实践

1. 高等学校计算机公共教学改革与实践 郝 兴 伟 hxw@sdu.edu.cn 山东大学计算机科学与技术学院 2006-11-18 南京 山东大学　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

2. 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：http://www.sdu.edu.cn/

3. 一、What+How+Why教学理念 What+How+Why教学理念 传统的教学方法 （重操作、轻原理教学） 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

4. What+How+Why教学理念 WHAT (what exist in the computer sciences) WHY (I have already known how to do that,why?) 讲解基本概念和原理 授人以渔 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：http://www.sdu.edu.cn/

5. Why教学-1 浏览器的使用很简单， http://www.sdu.edu.cn 什么意思？ http://域名：端口/路径/文件 http://www.sdu.edu.cn/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：http://www.sdu.edu.cn/

6. 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：http://www.sdu.edu.cn/

7. 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：http://www.sdu.edu.cn/

8. 二、“计算机网络技术及应用”知识体系 网络安全与防火墙技术 ASP技术及其应用 JavaScript脚本语言 应用开发 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 技术 原理 网络操作系统 计算机网络 基本通信技术 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

9. 课程内容 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 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 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

10. 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：http://www.sdu.edu.cn/

11. 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：http://www.sdu.edu.cn/

12. 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：http://www.sdu.edu.cn/

13. 不归零法编码存在的问题 t2 t1 △t Bit nums = ? 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

14. 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：http://www.sdu.edu.cn/

15. 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：http://www.sdu.edu.cn/

16. 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：http://www.sdu.edu.cn/

17. 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：http://www.sdu.edu.cn/

18. 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：http://www.sdu.edu.cn/

19. 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：http://www.sdu.edu.cn/

20. 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：http://www.sdu.edu.cn/

21. 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：http://www.sdu.edu.cn/

22. 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：http://www.sdu.edu.cn/

23. 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300~3 300 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：http://www.sdu.edu.cn/

24. 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 = 2f×n 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：http://www.sdu.edu.cn/

25. 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：http://www.sdu.edu.cn/

26. 举例：电话系统 的传输速度 频率范围约300~3 300 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) = 3 000×log2(1+3 162)  3 000×11.63  34 880 （bps） 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

27. 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：http://www.sdu.edu.cn/

28. 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：http://www.sdu.edu.cn/

29. 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：http://www.sdu.edu.cn/

30. 7. 应用层 7. 应用层 6. 表示层 6. 表示层 5. 会话层 5. 会话层 4. 传输层 4. 传输层 3. 网络层 3. 网络层 2. 数据链路层 2. 数据链路层 1. 物理层 1. 物理层 数据封装过程 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 数据包 数据段 目的IP地址 数据包 源Mac地址 数据帧 数据包 目的Mac地址 11101010101110…. 数据帧 比特流 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。 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。 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。 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

31. 数据封装complete 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

32. 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：http://www.sdu.edu.cn/

33. 默认网关 山东大学计算机科学与技术学院　Shandong University 　网址：http://www.sdu.edu.cn/

34. 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：http://www.sdu.edu.cn/

35. 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：http://www.sdu.edu.cn/

36. 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：http://www.sdu.edu.cn/

37. 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：http://www.sdu.edu.cn/

38. 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：http://www.sdu.edu.cn/

39. 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：http://www.sdu.edu.cn/

40. 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：http://www.sdu.edu.cn/

41. 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：http://www.sdu.edu.cn/

42. 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：http://www.sdu.edu.cn/

43. 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：http://www.sdu.edu.cn/

44. 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：http://www.sdu.edu.cn/

45. 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：http://www.sdu.edu.cn/

46. 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：http://www.sdu.edu.cn/

47. 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：http://www.sdu.edu.cn/

48. 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：http://www.sdu.edu.cn/

49. 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：http://www.sdu.edu.cn/

50. 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：http://www.sdu.edu.cn/