城市軌道交通網絡技術基礎 （第2版）課件全套 張薦 -項目1-8 網絡基礎知識- 局域網安全與維護

項目一

網絡基礎知識

在當今數字化時代，網絡早已如空氣般融入我們生活的每一處縫隙。清晨，打開手機刷新聞，信息瞬間跨越千山萬水躍入眼簾；工作時，依靠網絡與異地團隊協作，文檔、數據實時共享；夜晚休閑，在線追劇、打游戲，暢享網絡帶來的樂趣。但你可曾細想，這無所不在的網絡究竟如何運作？從家中的路由器，到城市里密密麻麻的基站，再到橫跨大洋的海底光纜，它們怎樣協同，讓數據精準無誤地穿梭？接下來，就讓我們踏入網絡基礎知識的世界，探尋這神奇網絡背后的奧秘。知識鏈接學練結合課后作業任務一

計算機網絡認知Contents→工作情境地鐵員工小李最近參與到地鐵通信網絡優化項目中。日常工作里，他發現部分通信設備老化，網絡穩定性受影響?，F在，小李需要重溫計算機網絡系統組成知識，了解不同硬件（像通信線路、信息變換設備）和軟件（如操作系統、數據庫系統）的作用。同時，依據城軌通信網絡規劃原則，評估現有公務電話、專用電話等系統架構，和團隊協作探討如何改進，從而保障地鐵通信網絡穩定運行，提升運營管理效率，為乘客提供更優質服務。技能目標：1.精準識別計算機網絡軟硬件構成，闡明各部分功能及協作關系，以此獲得搭建與維護基礎網絡系統的實操能力。2.掌握城軌通信網絡規劃原則，能據此對網絡整體設計予以分析評估，具備參與規劃工作的初步技能。3.透徹理解城軌通信網絡架構及作用，明晰各系統提升運營與助力智能發展的貢獻，擁有優化改進網絡的能力。素養目標：1.面對復雜網絡知識，運用邏輯思維梳理內在聯系，構建知識框架，培養系統性思考與歸納總結素養。2.在網絡知識學習中，秉持嚴謹負責態度，遵循網絡規劃標準，重視可靠性，培育高質量工程素養。3.關注網絡技術發展，認識創新對提升網絡性能、推動城市智能化的作用，激發探索新技術的素養→學習目標知識目標：1.知悉計算機網絡定義、組成結構，掌握軟硬件各部分概念與功能，明確其在網絡構建中的角色及作用。2.牢記城軌通信網絡規劃的先進性、可靠性等原則，理解各原則對保障軌道交通安全、高效運行的意義。3.熟知城軌通信網絡主要架構，掌握各系統組網方式、功能特點，以及在運營管理和城市智能化中的作用機制。一、計算機網絡基礎知識——計算機網絡的定義

計算機網絡是將地理位置上分散的計算機、終端和外部設備通過通信線路互聯在一起，并遵循共同的協議，從而實現信息互通和資源共享的系統。簡而言之，計算機網絡是通過電纜、電話線或無線通信將兩臺以上的計算機互連起來的集合。計算機網絡的定義網絡中的每臺計算機或終端都是完整獨立的設備，既可以獨立完成本地工作，也可以聯網工作。這些設備通過雙絞線、光纖、同軸電纜、無線電波等有線或無線介質進行連接。網絡協議是通信過程中必須遵循的統一規則，是確保正確通信和信息傳輸的基礎。通過網絡，用戶可以共享硬件設備（如打印機、存儲設備）、軟件程序以及信息資源（如文件、數據庫）。2.計算機網絡系統的組成（1）硬件系統①計算機——俗稱電腦，是一種用于高速計算的電子設備，能夠進行數值計算、邏輯計算，并具有存儲記憶功能。它可以按照程序運行，自動、高效地處理海量數據，是現代智能電子設備的代表。②網絡工作站——通過網絡接口卡連接到網絡上的個人計算機。它既可以作為獨立的計算機使用，也可以根據授予的權限訪問服務器。在網絡中，工作站是網絡服務的用戶，其主要功能是享受網絡上提供的各種服務。計算機網絡系統的組成③網絡終端——是一種專用于網絡計算環境的終端設備。與個人計算機（PC）不同，它沒有硬盤、光驅等存儲設備，所有資源、應用軟件和數據都通過網絡從服務器獲取。④通信處理機——是網絡中用于數據通信的計算機系統，包括前端處理機、遠距離前端處理機、終端計算機等。前端處理機是主計算機與通信設備之間的接口設備，主要用于通信控制。計算機網絡系統的組成⑤通信線路——是信息傳遞的物理通路。目前，長途干線主要采用大芯數光纜，同時也有衛星、微波等無線線路。省際及省內長途通信也以光纜為主，輔以微波和衛星電路。⑥信息變換設備——用于對信號進行變換，包括調制解調器、無線通信接收和發送器、光纖通信的編碼解碼器等。這些設備確保信號在不同介質中高效傳輸。計算機網絡系統的組成（2）網絡軟件系統①操作系統——是管理計算機硬件與軟件資源的程序，負責處理內存管理、資源分配、輸入輸出設備控制、網絡操作和文件系統管理等基本事務。同時，它為用戶提供與系統交互的操作界面。②語言處理系統——根據處理的語言、方法和過程的不同而有所差異。通常，它包含一個翻譯程序，將一種語言程序（源語言和源程序）翻譯成等價的另一種語言程序（目標語言和目標程序）。計算機網絡系統的組成③數據庫系統——是為滿足數據處理需求而發展起來的一種理想數據處理系統。它是一個實際可運行的軟件系統，為數據的存儲、維護和應用提供支持，是存儲介質、處理對象和管理系統的集合體。④分布式軟件系統——是支持分布式處理的軟件系統，運行在由通信網絡互聯的多處理機體系結構上。它包括分布式操作系統、分布式程序設計語言及其編譯（解釋）系統、分布式文件系統和分布式數據庫系統等。計算機網絡系統的組成⑤人機交互系統——是研究人與計算機之間通過相互理解的交流與通信，最大限度地完成信息管理、服務和處理的科學。它使計算機成為人們工作學習的和諧助手。二、城市軌道交通通信網絡通信網絡在城市軌道交通中發揮著至關重要的作用，在進行城市軌道交通通信網絡規劃的過程中必須遵循相應的原則，具體如圖1-1所示。二、城市軌道交通通信網絡先進性：通信網絡規劃應采用成熟的先進技術和設備，以確保城市軌道交通安全、可靠運行，并避免系統改造帶來的成本增加。在資金允許的情況下，優先選擇最先進的設備，因其具有良好的可持續性與拓展能力?？煽啃裕和ㄐ啪W絡需在各類業務中保持安全穩定。若可靠性不足，網絡故障可能導致整個協調指揮系統癱瘓。通過設置保護機制增強網絡自愈能力，確保故障時能快速修復。二、城市軌道交通通信網絡實用性：在確保準確性的前提下，操作應簡便快捷，設備操作維修人員經簡單培訓即可上崗。軟件規劃應友好簡略，最大限度滿足用戶需求，使通信網絡規劃更加人性化。開放性：網絡規劃需具備良好的系統兼容性和融入先進技術的能力。設備應符合國際標準，通信協議應選擇成熟且廣泛使用的標準協議，以確保網絡的可靠控制與業務健康發展二、城市軌道交通通信網絡城市軌道交通通信網絡規劃整體設計要滿足通信網絡規劃的目標，在進行通信網絡規劃整體設計的過程中必須圍繞資源共享與資源集中管理，構建完備的城市軌道交通通信網絡體系。城市軌道交通通信網絡系統構成如圖1-2所示。二、城市軌道交通通信網絡城市軌道交通通信網絡中傳輸系統是核心，傳輸系統的可靠性關系到整個系統的穩定性及其子系統能夠正常運行。從這個角度來講，城市軌道交通通信網絡要具有易維護、易擴展、技術先進等特點。（1）公務電話系統公務電話系統為城市軌道交通的各業務部門提供固定的通話服務，有時候也作為專用電話系統的應急通信。對公務電話子系統的規劃應該從其業務功能出發，對管理功能進行規劃，最終在網絡層面實現互聯互通。公務電話子系統的業務功能包括電話交換功能、計費功能、新業務功能等，管理功能的主要作用是維護整個系統的穩定性與可靠性，從而最大限度為系統業務功能提供保障。圖1-3為公務電話系統組網架構由圖可知，公務電話系統和專用電話系統使用的是相同的網絡架構。另外，無線指揮系統的集群交換機也和公務電話的交換網連接在一起。通信網絡公務電話系統所有的功能都將匯集于傳輸通道上，傳輸通道是整個公務電話系統的基礎與核心。1.城市軌道交通通信網絡主要架構（2）專用電話系統專用電話系統負責城市軌道交通的調度工作，包括行車調度、電力調度、維修調度等。作為專用調度電話系統，它要求直達、迅速，禁止無關用戶接入。系統需具備維護管理功能，支持故障管理、設備管理、安全管理等，且系統故障應集中顯示在告警系統中。專用電話系統是實現軌道交通安全運行調度的關鍵通信系統，業務能力要求嚴格。1.城市軌道交通通信網絡主要架構在規劃時，應急指揮中心內部需設置總調度臺，并對列車運行、設備監控等設置分類調度臺。系統主要由調度交換機、各類調度分交換機、錄音設備等組成，設備通過傳輸系統連接。為減少設備數量和管理成本，采用以調度交換分機為中心的輻射式組網架構。總調度臺需實現與各部門的點對點無障礙通信，分類調度臺則對各類運營業務實施分級調度。1.城市軌道交通通信網絡主要架構（3）視頻監控系統視頻監控系統為城市軌道交通運營調度和管理人員提供視頻傳輸與調看功能，幫助對重點區域和敏感區域進行遠程監控管理。通過該系統，運營管理人員可第一時間了解現場情況，提升對現場狀況的判斷能力，從而更好地保障城市軌道交通的安全運營。視頻監控系統的功能主要包括監視功能、控制功能、錄像回放功能、維護管理功能等，其建立在不同業務線路基礎之上。1.城市軌道交通通信網絡主要架構攝像頭安裝在視頻監控區域的現場，負責對現場視頻圖像的采集，是視頻監控系統的前端輸入設備。在視頻監控系統中還包含網絡控制器、視頻切換器、視頻放大器等設備，這些設備用于對視頻圖像進行切換、分割等功能，從而達到更好地的視頻傳輸、觀看效果。1.城市軌道交通通信網絡主要架構（4）無線指揮系統城市軌道交通在實際運營過程中，應急指揮中心主要負責對整個運行狀態進行監視，但無法直接進行控制。在正常運營情況下，應急指揮中心不與列車調度、維修人員等進行通信；然而，一旦運營過程中出現緊急情況或異常情況，指揮人員必須通過無線指揮系統與事故線路中的現場人員保持通信，以便及時、高效、準確地排除問題。1.城市軌道交通通信網絡主要架構無線指揮系統應具備組呼、一對一選呼等功能，并在呼叫過程中支持優先級設置。其組成與移動通信網絡類似，包括移動交換機（負責無線信道的分配與管理）、網管服務器（用于系統管理與監控）、歸屬用戶數據庫（記錄無線通信用戶信息，只有被記錄的用戶才能使用網絡）以及訪問用戶數據庫（支持漫游用戶的正常通信）。圖1-4為無線指揮系統組網架構。1.城市軌道交通通信網絡主要架構1.城市軌道交通通信網絡主要架構由圖可知，當鑒權移動臺呼出時，呼出的信令由基站傳送到移動交換機，同時由移動交換機處理呼叫。當移動臺被呼叫時，移動交換機將從歸屬用戶數據庫中去搜索移動臺在基站中所屬的位置，同時進行定位，在主叫用戶和被叫用戶之間建立通信連接。（1）提升城市軌道交通運營管理水平城市軌道交通通信網絡通過采用先進的通信技術和設備，構建了現代化的網絡系統，顯著提高了運營和管理效率，同時優化了城市資源的利用。隨著我國城市規模的不斷擴大，城市病愈發突出，其中交通擁堵尤為明顯。通信網絡在提升城市軌道交通管理水平方面主要體現在以下兩個方面。一、計算機網絡的發展業務協同與高效運行：通信網絡將城市軌道交通的所有業務系統連接起來，促進各業務之間的協調配合，確保軌道交通的高效、安全運行。信息共享與管理優化：軌道交通運營過程中產生的大量信息通過通信網絡實現共享，打破部門間的信息孤島，實現信息互通，從而提升整體管理水平。一、計算機網絡的發展（2）促進城市智能化發展通信網絡在城市軌道交通中的應用是城市智能化發展的關鍵，也是未來社會發展的必然趨勢。城市智能化發展不僅提升了居民的生活質量，還滿足了人們對科技含量更高的生活需求。通信網絡促進城市智能化發展的主要體現在以下兩個方面。互聯互通與信息共享：科學合理的通信網絡規劃實現了通信全覆蓋，使各種信息資源能夠高度共享。例如，城市軌道交通通信網絡的乘客導乘子系統和廣播子系統，幫助乘客更方便、快捷地到達目的地，并及時了解軌道交通的實時運行信息，從而優化出行選擇。貼心與人性化服務：通信網絡規劃提升了市民出行的科技含量，使市民能夠借助高科技確保出行便捷，減少擁堵，推動社會智能化的快速發展。城市軌道交通通信網絡不僅提高了軌道交通的運營管理水平，還為城市的智能化發展提供了有力支持。一、計算機網絡的發展前沿技術隨著城市軌道交通通信網絡系統的不斷發展和新技術的應用，傳統故障診斷方法已難以對龐大的故障數據，進行精確的診斷。近年來人工智能等診斷方法得到越來越廣泛的應用。例如AI網絡運維等技術，對診斷數據進行狀態識別、狀態預測及推理，模擬專家的邏輯思維來解決問題，實現高效故障診斷。知識鏈接學練結合課后作業任務二

計算機網絡的功能及分類Contents計算機網絡的功能及分類→工作情境地鐵員工小劉主要負責地鐵通信網絡的日常維護與優化工作。近期，隨著地鐵新線路的規劃建設，通信網絡也面臨升級改造。小劉需要深入了解計算機網絡的發展歷程，從中借鑒先進的技術理念來規劃新的網絡架構。在日常維護中，他要依據網絡功能知識，確保資源共享高效穩定，保障各部門間的通信順暢。同時，根據不同的網絡分類特點，合理選擇適合地鐵環境的網絡拓撲結構和傳輸介質，以提升地鐵通信網絡的可靠性和穩定性，為地鐵的安全運營提供有力支撐。計算機網絡的功能及分類→工作情境地鐵員工小劉主要負責地鐵通信網絡的日常維護與優化工作。近期，隨著地鐵新線路的規劃建設，通信網絡也面臨升級改造。小劉需要深入了解計算機網絡的發展歷程，從中借鑒先進的技術理念來規劃新的網絡架構。在日常維護中，他要依據網絡功能知識，確保資源共享高效穩定，保障各部門間的通信順暢。同時，根據不同的網絡分類特點，合理選擇適合地鐵環境的網絡拓撲結構和傳輸介質，以提升地鐵通信網絡的可靠性和穩定性，為地鐵的安全運營提供有力支撐。計算機網絡的功能及分類技能目標：1.能夠依據不同的網絡需求場景，準確判斷并選擇合適的計算機網絡拓撲結構、作用范圍類型及傳輸介質。2.學會運用相關知識分析現有計算機網絡在功能實現方面（如資源共享效率、網絡通信穩定性）的優劣，并提出改進思路。3.可以對給定的計算機網絡案例，按照不同分類標準進行清晰分類，并闡述分類依據。計算機網絡的功能及分類素養目標：1.培養邏輯思維素養，在梳理計算機網絡發展歷程、功能及分類知識時，能構建條理清晰的知識體系，把握知識間的內在邏輯。2.樹立創新與發展素養，關注計算機網絡前沿技術，思考如何將新技術融入現有網絡，推動網絡技術的創新應用。3.提升問題解決素養，面對復雜的計算機網絡實際問題，能夠運用所學知識和技能，系統分析并提出切實可行的解決方案。一、計算機網絡的發展計算機網絡的發展歷程可以分為多個階段，每個階段都伴隨著技術的突破和應用場景的擴展。1.第一階段：面向終端的計算機網絡（20世紀50年代-60年代）在這一階段，計算機網絡以主機為中心，終端通過通信線路連接到主機，實現資源共享。典型的技術包括分時系統和遠程終端訪問。然而，這種架構存在明顯的局限性，主機的負擔較重，且擴展性較差，難以滿足日益增長的需求。一、計算機網絡的發展2.第二階段：分組交換網絡的誕生（20世紀60年代-70年代）隨著分組交換技術的出現，計算機網絡進入了一個新的發展階段。數據被分割為多個分組進行傳輸，顯著提高了網絡的效率和可靠性。ARPANET作為互聯網的前身，是這一階段的代表性成果。此外，X.25協議也為分組交換網絡的發展奠定了基礎。這一階段的技術為現代計算機網絡的架構提供了重要支持。3.第三階段：網絡標準化與互聯網的興起（20世紀70年代-90年代）在這一階段，網絡協議的標準化成為關鍵。TCP/IP協議逐漸成為主流，互聯網開始在全球范圍內普及。DNS（域名系統）和電子郵件（E-mail）等應用的出現，極大地推動了網絡的使用。這一階段的標志性意義在于實現了全球范圍內的網絡互聯，為信息時代的到來奠定了基礎。一、計算機網絡的發展4.第四階段：高速網絡與多媒體應用（20世紀90年代-21世紀初）隨著光纖通信和寬帶接入技術（如ADSL）的發展，網絡帶寬大幅提升，能夠支持多媒體數據的傳輸，如視頻和音頻。ATM（異步傳輸模式）等技術也在這一階段得到廣泛應用。高速網絡的普及推動了互聯網應用的多樣化，為人們的生活和工作帶來了深遠影響。一、計算機網絡的發展5.第五階段：移動互聯網與物聯網（21世紀初至今）移動設備的普及和無線網絡技術的快速發展，標志著計算機網絡進入了移動互聯網時代。4G/5G移動通信、Wi-Fi等技術使得人們可以隨時隨地接入網絡。與此同時，物聯網（IoT）的興起將網絡連接擴展到物理設備，實現了萬物互聯。云計算和物聯網協議（如MQTT）成為這一階段的重要技術支撐。一、計算機網絡的發展6.第六階段：未來網絡與智能化（當前及未來）當前，計算機網絡正朝著智能化、自動化的方向發展。邊緣計算、量子通信等新興技術為網絡提供了更高的性能和安全性。人工智能驅動的網絡優化技術也在逐步成熟，為智慧城市、自動駕駛等新興領域提供了強大的技術支持。未來，計算機網絡將繼續推動社會的數字化轉型，成為智能化時代的重要基礎設施。二、計算機網絡的功能一個完整的計算機網絡應具備以下幾個基本功能，如圖1-5所示。二、計算機網絡的功能1.資源共享多個用戶共享計算機系統中的硬件和軟件資源，如處理機時間、存儲空間、設備和數據資源等。資源共享是計算機網絡的主要目標之一。2.網絡通信通過物理鏈路連接孤立的工作站或主機，組成數據鏈路，實現資源共享和通信。網絡通信包括人與人、人與計算機、計算機與計算機之間的信息交換。網絡通信協議（如NETBEUI、IPX/SPX、TCP/IP）是實現通信的關鍵。二、計算機網絡的功能3.集中管理集中式計算機網絡由中央系統和終端組成，數據存儲在中央系統并由數據庫管理系統管理。所有處理由中央系統完成，終端僅用于輸入和輸出，確保數據集中存儲和管理。4.均衡負荷通過分攤任務到多個操作單元（如Web服務器、FTP服務器等），均衡負荷擴展網絡帶寬、增加吞吐量、提高數據處理能力和系統可用性，確保網絡高效運行。二、計算機網絡的功能5.分布處理分布處理技術利用網絡支持的服務，解決異構硬件平臺、操作系統、網絡通信系統以及應用系統集成等問題，是深化網絡應用的關鍵技術。三、計算機網絡的分類1.按拓撲結構分類（1）總線型拓撲結構：通過一根公共總線連接所有設備，信息沿總線雙向傳輸，可被任一節點接收，通信方式為廣播。其優點是結構簡單、易于實現和擴展，可靠性較好?？偩€型局域網中，所有節點通過網卡連接到總線，通常采用雙絞線或同軸電纜作為傳輸介質。同一時間內只允許一個節點發送數據，其他節點只能接收；若多個節點同時發送數據，則會發生沖突，導致傳輸失敗。三、計算機網絡的分類（2）星型拓撲結構：由一個中央節點和若干從節點組成，中央節點與從節點直接通信，從節點間通信需通過中央節點轉發。其優點是結構簡單、建網容易、傳輸速率高、擴展性好、配置靈活，站點增刪改容易，網絡易管理維護。每節點獨占一條傳輸線路，避免數據堵塞。但網絡可靠性依賴中央節點，中央節點故障將導致全網癱瘓。三、計算機網絡的分類（3）樹型拓撲結構：是一種分級結構，可視為多級星型結構的組合。越靠近樹根的節點處理能力越強。其特點是擴展方便、建網費用低、故障隔離容易，適用于分主次或分等級的層次型管理系統。但由于采用分級集中控制，網絡對根節點依賴較大，根節點故障會使全網癱瘓。三、計算機網絡的分類（4）環型拓撲結構：將所有設備連接成環狀，信息沿環單向傳輸。其傳輸路徑固定，無路徑選擇問題，實現簡單。但任一節點故障都會導致全網癱瘓，可靠性較差。網絡管理復雜，投資費用高，擴展性和靈活性差，維護困難。三、計算機網絡的分類2.按適用范圍分類（1）局域網(LAN)：介于通常為幾米至幾千米，一般由一個單位或部門組建，局限在一座建筑物或園區內。局域網規模小、速度快，應用非常廣泛。（2）城域網(MAN)：介于廣域網和局域網之間，通常覆蓋一個城市或地區，作用范圍一般為幾十千米。城域網及寬帶城域網的建設是當前網絡建設的熱點。（3）廣域網(WAN)：通常為幾十到幾千千米，能夠跨越遼闊的地理區域進行長距離信息傳輸，覆蓋范圍通常是一個國家或洲。三、計算機網絡的分類3.按傳輸介質分類（1）有線網：采用同軸電纜、雙絞線、光纖等導向傳輸媒體來傳輸數據的網絡。（2）無線網：采用無線電波、紅外線、微波、衛星和激光，在局域網中，通常只使用無線電波和紅外線作為傳輸介質，無線傳輸介質通常用于廣域互聯網的廣域鏈路的連接。三、計算機網絡的分類4.按數據傳輸速率分類（1）低速網：數據傳輸速率在200kb/s～1.5Mb/s之間的系統，這種系統通常是借助調制解調器利用電話網來實現的。（2）中速網：數據傳輸速率在1.6Mb/s～45Mb/s之間的系統，這種系統主要是傳統的數字式公用數據網。（3）高速網：數據傳輸速率在50Mb/s～1000Mb/s之間的系統，目前的快速以太網和使用光纖的主干通信線路均屬于高速網。三、計算機網絡的分類5.按通信傳播方式分類點對點傳播方式網點對點傳輸網絡中，數據以點到點的方式在計算機或通信設備中傳輸，星型網和環形網采用這種傳輸方式。點對點技術廣泛應用于文件共享（如音頻、視頻、數據等）和實時數據傳輸（如IP電話、音視頻通信）。部分網絡（如Napster、OpenNAP）結合C/S結構和P2P結構處理任務，而Gnutella、Freenet等網絡則完全采用P2P結構，被認為是真正的P2P網絡。三、計算機網絡的分類（2）廣播式傳播方式網廣播式傳輸網絡中，數據在共享介質中傳輸，無線網和總線型網絡屬于這種類型。所有站點共享一條信道，任意站點輸出，其他站點均可接收。適用于范圍較小或保密性要求低的網絡。三、計算機網絡的分類6.按使用范圍分類（1）公用網：公用網又稱為公眾網，只要符合網絡擁有者的要求就能使用這個網，因此它是為社會所有的人提供服務的網絡。（2）專用網：專用網為一個或幾個部門所擁有，它只為擁有者提供服務，不向擁有者以外的人提供服務。頭腦風暴計算機網絡領域涌現了多項突破性技術，深刻改變了網絡架構、性能和應用場景。查一查，近年來計算機網絡的發展有哪些新技術？相互交流，進行新技術的介紹。知識鏈接學練結合課后作業任務三

網絡體系結構Contents網絡體系結構→工作情境地鐵員工小趙負責地鐵通信網絡的維護與升級工作。隨著地鐵運營線路的增多和智能化需求的提升，現有網絡體系面臨挑戰。小趙需要深入研究計算機網絡體系結構知識，分析當前地鐵通信網絡采用的類似TCP/IP模型的架構特點，判斷在大量數據傳輸和實時調度場景下，各層是否能高效運行。當網絡出現故障，如數據傳輸延遲時，小趙要運用所學，準確判斷是物理層線路問題，還是傳輸層協議故障，從而快速解決問題，保障地鐵通信網絡穩定，為地鐵安全高效運營提供有力支持。網絡體系結構→學習目標知識目標：1.了解計算機網絡體系結構的形成歷程，理解分層優勢，熟知常見網絡標準的誕生背景。2.掌握計算機網絡體系結構的定義，明確網絡組織、配置與體系結構的區別，理解網絡協議及層次模型的概念。3.熟知OSI模型和TCP/IP模型的層次結構、各層功能及對應關系，如OSI七層與TCP/IP四層的具體內容與聯系。網絡體系結構技能目標：1.能夠根據實際網絡需求，分析并選擇合適的網絡體系結構模型（OSI或TCP/IP），并闡述其優勢。2.學會運用網絡體系結構知識，判斷網絡故障可能發生的層次，并提出相應的排查與解決思路。3.可以對給定的網絡通信場景，準確描述數據在OSI或TCP/IP模型各層的傳輸過程及處理方式。網絡體系結構素養目標：1.培養邏輯思維素養，在學習網絡體系結構復雜知識時，構建清晰的知識脈絡，理解各部分邏輯關聯。2.樹立工程實踐素養，在思考網絡體系結構相關問題時，考慮實際應用中的可行性、穩定性與標準化。3.提升創新思維素養，關注網絡體系結構的前沿發展，思考如何優化現有模型以適應新興網絡需求。一、計算機網絡體系結構1.計算機網絡體系結構的形成（1）早在最初的ARPANET設計時即提出了分層的方法?！胺謱印笨蓪嫶蠖鴱碗s的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。（2）1974年，IBM公司宣布了它研制的SNA（SystemNetworkArchitecture）。這個著名的網絡標準就是按照分層的方法制定的。不久以后，其他一些公司也相繼推出本公司的一套體系結構，并都采用不同的名稱。一、計算機網絡體系結構（3）國際標準化組織ISO于1977年成立了專門機構研究該問題。不久，他們就提出一個試圖使各種計算機在世界范圍內互聯成網的標準框架，即著名的開放系統互連基本參考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），簡稱為OSI。在1983年形成了開放系統互聯基本參考模型的正式文件，即著名的ISO7498國際標準。一、計算機網絡體系結構（4）20世紀90年代初期，雖然整套的OSI國際標準都已經制定出來了，但由于互聯網已搶先在全世界覆蓋了相當大的范圍，而與此同時卻幾乎找不到有什么廠家生產出符合OSI標準的商用產品?，F今規模最大的、覆蓋全世界的計算機網絡互聯網并未使用OSI標準，而是非國際標準TCP/IP。這樣，TCP/IP就是事實上的國際標準。一、計算機網絡體系結構2.計算機網絡體系結構的定義計算機的網絡結構可以從網絡組織、網絡配置和網絡體系結構三個方面來描述。網絡組織是從網絡的物理結構和網絡的實現兩方面來描述計算機網絡；網絡配置是從網絡應用方面來描述計算機網絡的布局，硬件、軟件和通信線路來描述計算機網絡；網絡體系結構是從功能上來描述計算機網絡結構。一、計算機網絡體系結構網絡協議是計算機網絡必不可少的，一個完整的計算機網絡需要有一套復雜的協議集合，組織復雜的計算機網絡協議的最好方式就是層次模型。而將計算機網絡層次模型和各層協議的集合定義為計算機網絡體系結構（NetworkArchitecture）。一、計算機網絡體系結構網絡協議明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題：（1）鑒于網絡節點之間通信的復雜性，在制定協議時通常把復雜元素分解成一些簡單元素，然后再將它們復合起來。運用層法，協議可以分割成如下性質的層次結構：（2）除了最高層，中間的每一層都向上一層提供服務，同時又是下一層的服務用戶。（3）結構中的每一層都規定有明確的服務及接口標準。一、計算機網絡體系結構計算機網絡由多個互連的節點組成，節點之間要不斷地交換數據和控制信息，要做到有條不紊地交換數據，每個節點必須遵守一整套合理而嚴謹的結構化管理體系。計算機網絡就是按照高度結構化設計方法采用功能分層原理來實現的，即計算機網絡體系結構的內容，如圖1-6所示。一、計算機網絡體系結構一、計算機網絡體系結構通常所說的計算機網絡體系結構，即在世界范圍內統一協議，制定軟件標準和硬件標準，并將計算機網絡及其部件所應完成的功能精確定義，從而使不同的計算機能夠在相同功能中進行信息對接。一、計算機網絡體系結構3.計算機網絡層次的劃分計算機網絡體系結構分為相對獨立的七層，即應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。這樣，一個復雜而龐大的問題就簡化為了幾個易研究、處理的相對獨立的局部問題。下面簡要介紹一下層次劃分的重要性：（1）各層之間是獨立的。某一層并不需要知道它的下一層是如何實現的，而僅需要知道該層通過層間的接口所提供的服務。這樣，整個問題的復雜程度就下降了。（2）靈活性好。當任何一層發生變化時，只要層間接口關系保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響。（3）結構上可分割開。各層都可以采用最合適的技術來實現。（4）易于實現和維護。這種結構使得實現和調試一個龐大又復雜的系統變得易于處理，因為整個系統已被分解為若干個相對獨立的子系統。（5）能促進標準化工作。因為每一層的功能及其所提供的服務都已有了明確的說明。一、計算機網絡體系結構計算機網絡體系結構的分層思想主要遵循以下幾點原則：（1）功能分工的原則。即每一層的劃分都應有它自己明確的與其他層不同的基本功能。（2）隔離穩定的原則。即層與層的結構要相對獨立和相互隔離，從而使某一層內容或結構的變化對其他層的影響小，各層的功能、結構相對穩定。（3）分支擴張的原則。即公共部分與可分支部分劃分在不同層，這樣有利于分支部分的靈活擴充和公共部分的相對穩定，減少結構上的重復。（4）方便實現的原則。即方便標準化的技術實現。二、OSI模型

在網絡發展的早期時代，各個網絡廠商均按照自己的標準生產網絡設備，導致不同廠家的設備不能互相兼容，也不能互相通信。為了解決這一問題，20世紀80年代，國際標準化組織（InternationalStandardsOrganization,ISO）制定并頒布了“開放式系統互聯參考模型”（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel,OSI/RM），并很快成為計算機網絡通信的基礎模型，極大地促進了網絡通信的發展。OSI參考模型采用層次化的結構模型，以實現網絡的分層設計，從而將龐大而復雜的問題分解成若干較小且易于處理的子問題。OSI參考模型將網絡自下而上分為七層，如圖1-7所示，各層的主要功能分別介紹如下。二、OSI模型二、OSI模型物理層（或稱物理層，PhysicalLayer）是計算機網絡OSI模型中最低的一層。物理層規定:為傳輸數據所需要的物理鏈路創建、維持、拆除，而提供具有機械的，電子的，功能的和規范的特性。簡單說，物理層確保原始的數據可在各種物理媒體上傳輸。局域網與廣域網皆屬第1、2層。二、OSI模型物理層要解決的主要問題：（1）物理層要盡可能地屏蔽掉物理設備和傳輸媒體，通信手段的不同，使數據鏈路層感覺不到這些差異，只考慮完成本層的協議和服務。（2）給其服務用戶（數據鏈路層）在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流（一般為串行按順序傳輸的比特流）的能力，為此，物理層應該解決物理連接的建立、維持和釋放問題。（3）在兩個相鄰系統之間唯一地標識數據電路。二、OSI模型物理層主要功能：為數據端設備提供傳送數據通路、傳輸數據。（1）為數據端設備提供傳送數據的通路，數據通路可以是一個物理媒體，也可以是多個物理媒體連接而成。一次完整的數據傳輸，包括激活物理連接，傳送數據，終止物理連接。所謂激活，就是不管有多少物理媒體參與，都要在通信的兩個數據終端設備間連接起來，形成一條通路。二、OSI模型（2）傳輸數據，物理層要形成適合數據傳輸需要的實體，為數據傳送服務。一是要保證數據能在其上正確通過，二是要提供足夠的帶寬（帶寬是指每秒鐘內能通過的比特（BIT）數），以減少信道上的擁塞。傳輸數據的方式能滿足點到點，一點到多點，串行或并行，半雙工或全雙工，同步或異步傳輸的需要。（3）完成物理層的一些管理工作。二、OSI模型2.數據鏈路層數據鏈路層是OSI參考模型的第二層，其功能是在特定的傳輸介質或鏈路上傳遞數據。數據鏈路層負責鏈路的建立與拆除，并在傳輸過程中提供地址尋址、差錯校驗和流量控制等機制，將不可靠的物理鏈路改造成無差錯的數據鏈路。數據鏈路層的數據單位稱為“幀”（Frame）。為了在對網絡層協議提供統接口的同時對下層的各種介質進行管理控制，局域網的數據鏈路層又被劃分為邏輯鏈路控制（LogicLinkControl,LLC）子層和介質訪問控制（MediaAccessControl,MAC）子層。數據鏈路層的典型設備是以太網交換機。二、OSI模型3.網絡層網絡層作為紐帶連接著感知層和應用層，它由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網等組成，相當于人的神經中樞系統，負責將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸到應用層，然后根據不同的應用需求進行信息處理。網絡層是OSI參考模型中的第三層，它的任務是選擇合適的路徑并轉發數據包，使數據包能夠正確地從發送端傳遞到接收端。網絡層的數據單位稱為“包”（Packet）。網絡層可以實現異種網絡的互聯，其主要功能包括:編址、路由選擇和擁塞控制等。網絡層的典型設備是路由器和三層交換機。二、OSI模型4.傳輸層傳輸層也稱之為運輸層，其功能是為會話層提供無差錯的傳輸鏈路，保證兩臺設備間傳遞信息的正確無誤。傳輸層的數據單位稱為“段”（Segment）。傳輸負責分段上層數據、建立主機之間的端到端的通信連接并提供可靠或不可靠的數據傳輸。它的功能主要包括:流量控制、多路復用、差錯校驗和數據重傳等。傳輸層的主要協議包括TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）。二、OSI模型傳輸層的服務一般要經歷傳輸連接建立階段，數據傳送階段，傳輸連接釋放階段3個階段才算完成一個完整的服務過程。而在數據傳送階段又分為一般數據傳送和加速數據傳送兩種形式。傳輸層中最為常見的兩個協議分別是傳輸控制協議TCP（TransmissionControlProtocol）和用戶數據報協議UDP（UserDatagramProtocol）。傳輸層提供邏輯連接的建立、傳輸層尋址、數據傳輸、傳輸連接釋放、流量控制、擁塞控制、多路復用和解復用、崩潰恢復等服務二、OSI模型5.會話層會話層、表示層、應用層屬于OSI參考模型的高層，它們向應用程序提供各種服務。會話層（對話層）負責建立、維持和協調主機之間的會話關系，確保會話過程暢通。它決定通信是否中斷以及下次通信的起點，并提供差錯恢復和通信重建功能。會話層不參與具體的數據傳輸，主要協調端到端通信的服務請求與應答。二、OSI模型6.表示層表示層定義應用層數據的格式與結構，確保對端設備能夠正確識別和理解數據。它還負責數據的加密/解密、壓縮/解壓以及格式轉換等功能。7.應用層應用層是OSI模型的最高層，直接與用戶和應用程序交互，為操作系統或應用程序提供訪問網絡的接口。需要注意的是，應用層并不等同于具體的應用程序。三、TCP/IP模型OSI參考模型為網絡的兼容與互聯互通提供了統一標準，但該模型過于復雜，難以完全實現，再加上OSI參考模型提出來時，TCP/IP協議已經占據主導地位，因此到現在也沒有一個完全遵循OSI參考模型的協議族流行開來。TCP/IP模型起源于美國國防部20世紀60年代的ARPAnet研究項目，現在已發展成為計算機之間最常用的網絡協議，成為Internet的事實標準。TCP/IP模型得名于協議族中的兩個最重要的協議:傳輸控制協議（TransmissionControlProtocol,TCP）和網際協議（InternetProtocol,IP）。三、TCP/IP模型TCP/IP模型與OSI參考模型一樣，也采用層次化結構，每-負責不同的通信功能，但TCP/IP模型只有四層，包括應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層。【插入微課：OSI與TCPIP的對比】TCP/IP模型與0SI參考模型各層之間的大致對應關系如圖1-8所示。各層的主要功能簡述如下。三、TCP/IP模型三、TCP/IP模型1.網絡接口層網絡接口層對應OSI模型的物理層和數據鏈路層，定義了主機如何連接到網絡，處理與傳輸介質相關的細節，并為上層提供統一的網絡接口。它包括以太網、FDDI（光纖分布式數據接口）、令牌環等局域網技術，以及HDLC（高級數據鏈路控制）、PPP（點對點協議）等廣域網技術。2.網絡層網絡層對應OSI模型的網絡層，主要功能是網絡互聯和路由，確保數據包正確傳送到目的地。核心協議包括IP（互聯網協議）、ICMP（互聯網控制消息協議）、IGMP（互聯網組管理協議）和ARP（地址解析協議）。三、TCP/IP模型3.傳輸層傳輸層對應OSI模型的傳輸層，提供主機之間端到端的數據傳輸。為確?？煽啃?，傳輸層支持確認應答、流量控制、錯誤校驗和排序等功能。主要協議包括TCP和UDP。TCP：面向連接的可靠傳輸協議，通過三次握手、完整性校驗、確認應答等機制實現可靠數據傳輸，適用于FTP（文件傳輸協議）、Telnet（遠程登錄）、E-mail等應用。UDP：無連接的不可靠傳輸協議，系統開銷小，適用于對延遲敏感的應用，如語音和視頻傳輸。三、TCP/IP模型4.應用層應用層對應OSI模型的會話層、表示層和應用層，為應用程序提供網絡服務接口。主要協議包括FTP、TFTP（簡單文件傳輸協議）、HTTP（超文本傳輸協議）、SMTP（簡單郵件傳輸協議）、SNMP（簡單網絡管理協議）等。課堂討論總結OSI模型和TCP/IP模型的特點。以小組為單位，討論總結OSI模型與TCPIP模型的區別與聯系是什么？完成兩個網絡體系結構的對比分析。知識鏈接學練結合課后作業任務四網絡的拓撲結構及應用Contents網絡的拓撲結構及應用→工作情境地鐵員工小李負責地鐵通信網絡的日常維護與優化。近期，地鐵新線路開通，需要搭建新的通信網絡拓撲結構。小李需要深入研究各類拓撲結構知識，考慮到地鐵運營對通信可靠性和實時性的極高要求，分析哪種拓撲結構更適合。比如，星型拓撲的故障診斷和隔離優勢有利于快速處理通信故障，但中央節點故障可能影響全網；而總線型拓撲布線簡單，但故障診斷困難。小李要綜合權衡，選擇最能保障地鐵通信網絡穩定運行的拓撲結構，同時在日常維護中，依據拓撲結構特點及時排查和解決網絡問題，確保地鐵運營不受通信故障影響。網絡的拓撲結構及應用知識目標：1.理解計算機網絡拓撲結構的概念，掌握常見拓撲結構（總線型、星型、環型、樹型、網狀拓撲）的物理布局及工作原理。2.熟知每種拓撲結構的優缺點，如總線型的布線易與故障診斷難，星型的控制簡單與中央節點瓶頸問題等。3.了解不同拓撲結構在實際應用中的特點及適用場景，例如環型拓撲適用于單向傳輸且對網絡性能穩定性要求高的場景。網絡的拓撲結構及應用技能目標：1.能夠根據給定的網絡需求和場景，準確判斷并選擇最合適的計算機網絡拓撲結構，并說明理由。2.當網絡出現故障時，能依據不同拓撲結構的特點，快速定位故障可能發生的區域，制定相應的排查方案。3.學會運用拓撲結構知識，對現有網絡拓撲進行優化改進，提升網絡性能，如在星型拓撲中合理配置中央節點以緩解瓶頸問題。網絡的拓撲結構及應用素養目標：1.培養系統思維素養，在學習網絡拓撲結構時，從整體上把握不同拓撲結構的構成、運行及相互關系，形成對網絡架構的系統性認知。2.樹立工程實踐素養，在考慮網絡拓撲選擇與優化時，充分結合實際工程中的成本、可靠性、可維護性等因素，做出合理決策。3.提升創新思維素養，關注網絡技術發展，思考如何創新拓撲結構或組合現有拓撲，以滿足不斷變化的網絡應用需求，如在地鐵通信網絡中探索新的拓撲應用。網絡的拓撲結構及應用→知識導入計算機網絡的拓撲結構是指網絡中通信線路互聯各種設備的物理布局。常見的計算機網絡拓撲結構有總線型拓撲、星型拓撲、環型拓撲、樹型拓撲、網狀拓撲等。一、總線型拓撲總線型拓撲結構是指采用單根數據傳輸線作為通信介質，所有的站點都通過相應的硬件接口直接連接到通信介質，而且能被所有其他的站點接收，如圖1-9所示?？偩€型網絡拓撲結構中的用戶節點為服務器或工作站，通信介質為同軸電纜。由于所有的節點共享一條公用的傳輸鏈路，所以一次只能由一個設備傳輸。一般情況下，總線型網絡采用載波監聽多路訪問/沖突檢測協議（CSMA/CD)作為控制策略。一、總線型拓撲一、總線型拓撲總線型拓撲結構在局域網中得到廣泛的應用，其主要優點如下：（1）布線容易、電纜用量小?？偩€型網絡中的節點都連接在一個公共的通信介質上，所以需要的電纜長度短，減少了安裝費用，易于布線和維護。（2）可靠性高?？偩€結構簡單，從硬件觀點來看，十分可靠。（3）易于擴充。在總線型網絡中，如果要增加長度，可通過中繼器加上一個附加段；如果需要增加新節點，只需要在總線的任何點將其接入。（4）易于安裝?？偩€型網絡的安裝比較簡單，對技術要求不是很高。一、總線型拓撲總線型拓撲結構的局限性如下：（1）故障診斷困難。雖然總線拓撲簡單，可靠性高，但故障檢測不容易。因為具有總線型拓撲結構的網絡不是集中控制，故障檢測需要在網上各個節點進行。（2）故障隔離困難。對于介質的故障，不能簡單地撤銷某工作站，這樣會切斷整段網絡。（3）中繼器配置。在總線的干線基礎上擴充時，需要增加中繼器，并重新設置，包括電纜長度的裁剪，終端匹配器的調整等。一、總線型拓撲（4）通信介質或中間某一接口點出現故障，會導致整個網絡癱瘓。（5）終端必須是智能的。因為接在總線上的節點有介質訪問控制功能，因此必須具有智能，從而增加了站點的硬件和軟件費用。二、星型拓撲星型拓撲結構的網絡屬于集中控制型網絡，整個網絡由中心節點執行集中式通行控制管理，各節點間的通信都要通過中心節點。每一個要發送數據的節點都將要發送到數據發送中心節點，再由中心節點負責將數據送到目地節點。因此，中心節點相當復雜，而各個節點的通信處理負擔都很小，只需要滿足鏈路的簡單通信要求。如圖1-10所示。中央節點可以與任意一個從節點直接通信，但從節點之間的通信必須經過中央節點轉發。二、星型拓撲星型網中任何兩個節點要進行通信都必須經過中央節點控制。因此，中央節點的主要功能有三項：當要求通信的站點發出通信請求后，控制器要檢查中央轉接站是否有空閑的通路，被叫設備是否空閑，從而決定是否能建立雙方的物理連接;在兩臺設備通信過程中要維持這一通路;當通信完成或者不成功要求拆線時，中央轉接站應能拆除上述通道。二、星型拓撲二、星型拓撲由于中央節點要與多機連接，線路較多，為便于集中連線，采用一種成為集線器（HUB）或交換設備的硬件作為中央節點。一般網絡環境都被設計成星型拓撲結構。星型網是廣泛而又首選使用的網絡拓撲設計之一。二、星型拓撲星型拓撲存在如下優點：（1）控制簡單。任何一站點只和中央節點相連接，因而介質訪問控制方法簡單，致使訪問協議也十分簡單。易于網絡監控和管理。（2）故障診斷和隔離容易。中央節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網。（3）方便服務。中央節點可以方便地對各個站點提供服務和網絡重新配置。二、星型拓撲星型拓撲的缺點如下：（1）需要耗費大量的電纜，安裝、維護的工作量也驟增。（2）中央節點負擔重，形成“瓶頸”，一旦發生故障，則全網受影響。（3）各站點的分布處理能力較弱。二、星型拓撲總的來說星型拓撲結構相對簡單，便于管理，建網容易，局域網普遍采用的一種拓撲結構。采用星型拓撲結構的局域網，一般使用雙絞線或光纖作為傳輸介質，符合綜合布線標準，能夠滿足多種寬帶需求。三、環型拓撲環型拓撲結構是將各節點通過一條首尾相連的通信線路連接起來形成一個閉合環路，如圖1-11所示。環型結構中各節點通過環路接口連在一條首尾相連的閉合環型通信線路中，環路中各節點地位相同，環路上任何節點均可請求發送信息，請求一旦被批準，便可以向環路發送信息。環型網中的數據按照設計主要是單向也可以雙向傳輸(雙向環)。由于環線公用，一個節點發出的信息必須穿越環中所有的環路接口，信息流的目的地址與環上某節點地址相符時，信息被該節點的環路接口所接收，并繼續流向下一環路接口，一直流回到發送該信息的環路接口為止。三、環型拓撲三、環型拓撲環型拓撲結構的特點如下：（1）電纜長度短，只需要將各節點逐次相連。（2）可使用光纖。光纖的傳輸速率很高，十分適合于環形拓撲的單方面傳輸。（3）所有站點都能公平訪問網絡的其他部分，網絡性能穩定。三、環型拓撲環形拓撲的結構缺點如下： （1）節點故障會引起全網故障，是因為數據傳輸需要通過環上的每一個節點，如某一節點故障，則引起全網故障。（2）節點的加入和撤出過程復雜。（3）介質訪問控制協議采用令牌傳遞的方式，在負載很輕時信道利用率相對較低。環型拓撲結構是基本拓撲結構中最少見的一種，這類拓撲包括了環拓撲和雙環拓撲。四、樹型拓撲樹型拓撲像-棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下是分支，每個分支還可以有子分支，如圖1-12所示。計算機網絡拓撲結構是指網絡中各個站點相互連接的形式，在局域網中明確一點講就是文件服務器、工作站和電纜等的連接形式。最主要的拓撲結構有總線型拓撲、星形拓撲、環形拓撲、樹形拓撲（由總線型演變而來）以及它們的混合型。顧名思義，總線型其實就是將文件服務器和工作站都連在稱為總線的一條公共電纜上，且總線兩端必須有終結器；星形拓撲則是以一臺設備作為中央連接點，各工作站都與它直接相連形成星型；而環形拓撲就是將所有站點彼此串行連接，像鏈子一樣構成一個環形回路；把這三種最基本的拓撲結構混合起來運用自然就是混合型了。四、樹型拓撲計算機網絡的拓撲結構是引用拓撲學中研究與大小、形狀無關的點、線關系的方法，把網絡中的計算機和通信設備抽象為一個點，把傳輸介質抽象為一條線，由點和線組成的幾何圖形就是計算機網絡的拓撲結構。樹型拓撲的優點是易于擴展、故障隔離比較容易；缺點是各個節點對根節點的依賴性很大，如果根節點發生故障，整個網絡將無法正常工作。四、樹型拓撲五、網狀拓撲在網狀拓撲結構中，每個節點都有多條線路與其他節點相連，這樣使得節點之間存在多條路徑可選，可以為數據流選擇最佳路徑，從而避開擁堵或故障線路，如圖1-13所示。網狀拓撲可靠性高，但結構復雜、成本高，不易管理和維護，所以在實際應用中常常采用部分網狀拓撲代替全網狀拓撲，即在重要節點間采用全網狀結構，而非重要節點間則省略一些連接。五、網狀拓撲視野拓展隨著技術的發展，網絡拓撲也在不斷進化。例如：?光纖和高速網絡技術，使得長距離和高帶寬傳輸成為可能，推動了環形和網狀拓撲的應用。?無線技術，如Wi-Fi和蜂窩網絡，使得點對點和混合拓撲更加常見。?云計算和大數據，推動了數據中心和網絡架構的變革，樹形和網狀拓撲成為主流。未來網絡拓撲將更加注重高效、靈活和可擴展性。隨著5G和未來6G技術的發展，網絡拓撲將更加復雜，以支持更高的數據傳輸速率和更低的延遲。CoursewareMakingTemplateofCCPressTHANKYOU僅供內部使用FOR

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項目2數據通信基礎知識

數據，究竟是什么？它宛如隱匿于數字世界的神秘密碼，驅動著現代生活的方方面面。從日常手機中的聊天記錄、購物訂單，到科研機構里復雜的實驗數據，數據無處不在。那這些數據源自何方？是你指尖在屏幕上的每一次點擊，是傳感器對環境信息的實時捕捉，還是智能設備對生產流程的精準記錄？而數據通信，又是憑借怎樣的神奇魔力，讓數據在不同設備間穿梭自如，實現跨越地域的信息交互？讓我們帶著這些饒有趣味的問題，一同深入數據通信技術的奇妙世界。在探索過程中，我們不僅能深度洞悉網絡運行的底層邏輯，更能領略到我國在數據通信領域從追趕到超越的輝煌歷程，從中升騰起強烈的民族自豪感。知識鏈接學練結合課后作業任務一

數據通信概述Contents數據通信概述→工作情境地鐵員工小王負責地鐵通信系統的數據通信維護工作。隨著地鐵運營線路的擴展和智能化需求的提升，數據通信面臨更高的要求。小王需要深入理解數據通信知識，在日常維護中，依據數據通信指標判斷通信系統的性能。比如，當發現乘客信息顯示屏數據更新延遲時，運用傳輸速率、延遲等知識排查是傳輸線路問題，還是通信方式的影響。在規劃新線路通信系統時，要綜合考慮地鐵環境對通信可靠性、抗干擾性的特殊需求，選擇合適的數據通信方式和傳輸媒體，如采用光纖通信滿足大容量數據傳輸，保障地鐵通信系統穩定運行，為地鐵運營提供可靠支持。數據通信概述知識目標：1.理解數據通信的基本概念，包括信息、數據、信號的定義及相互關系，掌握信道、數據傳輸、多路復用等常用術語。2.熟知數據通信的主要指標，如傳輸速率、信道帶寬、信道容量、誤碼率、吞吐量和延遲的含義及作用。3.掌握數據通信方式的分類，包括按傳輸方向（單工、半雙工、全雙工）和傳輸媒體（電纜、微波中繼、光纖、衛星、移動通信）分類的各類方式特點。數據通信概述技能目標：1.能夠根據實際需求，選擇合適的數據通信方式和傳輸媒體，并闡述其選擇依據。2.學會運用數據通信指標知識，分析和評估數據通信系統的性能，如判斷網絡傳輸速率是否滿足業務需求。3.能識別和解決數據通信中的常見問題，例如依據誤碼率判斷傳輸故障并采取相應措施。數據通信概述素養目標：1.培養邏輯思維素養，在學習數據通信知識時，梳理各概念、指標和通信方式之間的邏輯聯系，構建系統的知識體系。2.樹立工程實踐素養，在考慮數據通信方案時，充分結合實際工程中的成本、可靠性、適用性等因素，做出合理決策。3.提升創新思維素養，關注數據通信技術的發展趨勢，思考如何將新技術應用于實際場景，如在地鐵通信中探索新的數據通信方式。數據通信概述→知識導入數據通信是通信技術與計算機技術相結合的產物，它通過數據電路將遠程的數據終端設備與計算機系統相連，實現數據的傳輸、交換、存儲和處理。在數據通信中，所有信息均以二進制形式呈現?！静迦胛⒄n：數據通信基礎】數據通信系統具體如圖2-1所示。一、數據通信的常用術語1.信息、數據和信號信息是客觀世界中事物的運動狀態和變化的反映，是事物之間相互聯系和作用的表征，體現了事物運動和變化的實質內容。數據是信息的載體，可以表現為數字、文字、圖像、聲音等多種形式。在計算機網絡中，數據通常以二進制編碼的形式在網絡中存儲、處理和傳輸。信號是數據的電子或電磁表現形式，可分為模擬信號和數字信號。模擬信號的參數是連續變化的，如電話、傳真和電視信號；數字信號則是離散的，變化是瞬時的，如電報符號和數字數據。一、數據通信的常用術語2.通信信道信道是數據傳輸的通道，包括傳輸介質及相關通信設備。在計算機網絡中，信道分為物理信道和邏輯信道。物理信道是傳輸數據信號的物理通路，由傳輸介質和通信設備組成。邏輯信道則是在物理信道基礎上，通過節點內部連接實現的虛擬通路。信道通常表示單向傳輸信息的媒體，因此通信線路通常包含一條發送信道和一條接收信道。一、數據通信的常用術語信道類型有以下三種。（1）單向信道（單工通信），數據只能單向傳輸，無反向交互，如電臺廣播。（2）雙向交替通信（半雙工通信），雙方均可發送和接收消息，但不能同時進行，如對講機。（3）雙向同時通信（全雙工通信），雙方可同時發送和接收數據，如打電話。信號的類型一般有以下兩種。一、數據通信的常用術語（1）基帶信號（即基本頻帶信號）——來自信源的原始信號如圖2-2所示，直接表達要傳輸的信息。例如，計算機輸出的文字或圖像數據信號，以及人說話的聲波。一、數據通信的常用術語（2）頻帶信號——也稱為帶通信號，是基帶信號經過載波調制后，頻率范圍被搬移到較高頻段，以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道）如圖2-3。一、數據通信的常用術語3.數據傳輸數據傳輸是數據從一個地方傳送到另一個地方的過程。傳輸信道可以是專用通信信道，也可以通過數據交換網、電話交換網或其他交換網絡實現。4.多路復用多路復用是在一個物理信道中利用特殊技術傳輸多路信號，即在一個物理信道中創建多個邏輯信道，每個邏輯信道傳輸一路信息。常用的復用技術包括頻分多路復用、時分多路復用、碼分多路復用和波分多路復用等。一、數據通信的常用術語5.基本的調制方法基本的調制方法有三種如圖2-4所示。（1）調幅（AM）：載波的振幅隨基帶數字信號而變化；（2）調頻（FM）：載波頻率隨基帶數字信號而變化；（3）調相（PM）：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。一、數據通信的常用術語二、數據通信的主要指標1.傳輸速率傳輸速率是指單位時間內傳輸的比特數，用于衡量數字信道的傳輸能力。在計算機網絡中，傳輸速率的單位通常為比特每秒（bit/s），常見的單位有kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。2.信道帶寬信道帶寬是指信道中傳輸信號在不失真情況下的頻率范圍，是信道頻率上界與下界之差，即信道的通頻帶。它是介質傳輸能力的度量，單位為赫茲（Hz）。信道帶寬由信道的物理特性決定。二、數據通信的主要指標3.信道容量信道容量是指單位時間內信道上能傳輸的最大信息量，以比特率表示，單位為bit/s。信道容量通常與信道帶寬成正比，帶寬越大，容量越大。信道容量也常用信道帶寬來表示。4.誤碼率誤碼率是指在傳輸過程中出現錯誤的比特數占總傳輸比特數的比例，用于衡量數據傳輸的可靠性。二、數據通信的主要指標5.吞吐量吞吐量表示網絡或交換設備在單位時間內成功傳輸或交換的信息總量，單位為bit/s。它反映了網絡的實際傳輸效率。6.延遲延遲（時延）是指數據從一個網絡節點傳送到另一個網絡節點所需的時間。延遲受多種因素影響，包括網絡設備、傳輸介質、網絡協議等。硬件和軟件都會對延遲產生制約，且延遲無法完全消除。三、數據通信方式分類1.按數據的傳輸方向分類（1）單工通信只支持數據在一個方向上傳輸，又稱為單向通信。如無線電廣播和電視廣播都是單工通信，如圖2-5所示。三、數據通信方式分類（2）半雙工通信允許數據在兩個方向上傳輸，但在同一時刻，只允許數據在一個方向上傳輸，它實際上是一種可切換方向的單工通信。即通信雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也不能同時接收）。這種方式一般用于計算機網絡的非主干線路中，如圖2-6所示。三、數據通信方式分類（3）全雙工通信允許數據同時在兩個方向上傳輸，又稱為雙向同時通信，即通信的雙方可以同時發送和接收數據。如現代電話通信提供了全雙工傳送。這種通信方式主要用于計算機與計算機之間的通信，全雙工通信如圖2-7所示。三、數據通信方式分類2.按傳輸媒體分類（1）電纜通信。雙絞線、同軸電纜等。調制方式：SSB/FDM?；谕S的PCM時分多路數字基帶傳輸技術。（2）微波中繼通信。比較同軸電纜，易架設、投資小、周期短。模擬電話微波通信主要采用SSB/FM/FDM調制，通信容量6000路/頻道。數字微波采用BPSK、QPSK及QAM調制技術。采用64QAM、256QAM等多電平調制技術提高微波通信容量，可在40M頻道內傳送1920~7680路PCM數字電話。三、數據通信方式分類（3）光纖通信是利用激光在光纖中長距離傳輸的特性進行的，具有通信容量大、通信距離長及抗干擾性強的特點。目前用于本地、長途、干線傳輸，并逐漸發展用戶光纖通信網。（4）衛星通信。通信距離遠、傳輸容量大、覆蓋面積大、不受地域限制及高可靠性。目前，成熟技術使用模擬調制、頻分多路及頻分多址。數字衛星通信采用數字調制、時分多路及時分多址。（5）移動通信。移動通信是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。移動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船、收音機等在移動狀態中的物體。小組討論：如果使用類比的方法，數據通信中的指標與概念，例如傳輸速率、信道容量、多路復用等，可以類比成哪些生活中可以常見到的事物？兩人一組進行類比討論。知識鏈接學練結合課后作業任務二

數據傳輸技術Contents→工作情境

隨著地鐵線路的增多和智能化程度的提高，數據傳輸量急劇增加，現有通信系統面臨挑戰。小張需要深入了解數據傳輸技術，評估當前地鐵數據傳輸網絡結構是否合理，例如判斷當前采用的總線型網絡結構在大量數據傳輸時是否存在瓶頸。同時，小張要研究多路復用技術，鑒于地鐵不同業務（如列車運行監控、乘客信息服務）的數據傳輸特點，選擇合適的復用技術來優化通信系統。比如，考慮到列車運行監控數據的實時性要求，判斷時分多路復用是否能更好地滿足需求；對于乘客信息服務中的多媒體數據傳輸，分析頻分多路復用是否能提升傳輸效率。在日常維護中，若遇到數據傳輸中斷或信號干擾等問題，小張要運用所學知識迅速排查故障，保障地鐵通信系統穩定運行，為地鐵安全高效運營提供有力支持。數據傳輸技術知識目標：1.掌握數據傳輸的基本概念，包括數據傳輸系統的組成、網絡結構分類等。2.理解多路復用技術的定義、常用設備，并熟知頻分多路復用、等技術分類及其基本原理。3.了解不同數據傳輸技術和多路復用技術在實際應用中的特點和場景。數據傳輸技術技能目標：1.能夠根據實際需求，分析并選擇合適的數據傳輸網絡結構和通信協議，以確保數據在網絡中的正確傳輸和交換。2.學會運用多路復用技術知識，根據具體場景選擇合適的復用技術，如在地鐵通信中，依據數據流量、傳輸距離等因素，判斷是采用時分多路復用還是頻分多路復用更合適，并能闡述理由。3.能識別和解決數據傳輸和多路復用過程中的常見問題，例如當多路復用后的數據出現干擾或傳輸速率不達標時，能夠運用所學知識排查原因并提出解決方案。數據傳輸技術素養目標：1.培養邏輯思維素養，學習數據傳輸及多路復用技術時，梳理知識邏輯，構建體系，理解兩者內在聯系。2.樹立工程實踐素養，制定數據傳輸與多路復用方案，結合成本、可靠性等因素，平衡技術與成本投入。3.提升創新思維素養，關注技術前沿，思考將新技術用于現有場景，探索在地鐵通信中創新應用的可能一、數據傳輸概述數據傳輸技術主要用于計算機與計算機或計算機數據庫之間、計算機與終端之間、終端與終端之間的信息通信或情報檢索。典型的數據傳輸系統由主計算機(host)或數據終端設備(DTE-dataterminialequipment)、數據電路終端設備及數據傳輸信道(專線或交換網)組成。數據的傳輸過程是DTE把人們要傳送的文字、圖像或語言信息經機電轉換、光電轉換或聲電轉換的人機接口變成設備內的電信號，再通過DCE變成適合信道傳輸的信號送到數據傳輸信道。接收端的DCE將線終信號還原后輸入計算機，最后還原成文字、圖像或語言信息。數據終端設備隸屬于通信網用來發送或接收數據或收發兩用的設備。它的分類，按人機聯系方式可分接觸(如鍵盤)、語音或圖像終端；按傳輸方式可分同步、異步終端，并可按傳輸速率分類。在情報數據傳輸中，常用的DTE有視覺顯示器、電傳打字機和傳真機。國外還推出智能用戶電報終端(TTX-Teletex)。一、數據傳輸概述1.數據傳輸網絡是由數據終端設備、數據電路終端設備、數據交換設備和傳輸信道組成的傳輸系統，以某種拓撲形式通過各種接口電路相互連接而成的一種網絡。數據在網絡中的傳輸必須遵循某一共同的通信協議。網絡的功能是保證網絡內各終端間數據的正確傳輸和交換。典型的數據傳輸網絡除采用專線組成的專用網外，還采用公共通信網，主要有公眾電話交換網(PSTN)和公眾數據網(PDN)。國外已在發展綜合業務數字網(ISDN)。數據傳輸網絡示意圖如圖2-8所示。一、數據傳輸概述一、數據傳輸概述.網絡結構可按幾個方面進行分類：按傳輸距離可分局部網和廣域網；按拓撲形式可分總線網、星形網、環形網、樹狀網和網狀網；按交換方式可分信息交換、電路交換和分組交換。通信協議是網絡涉及的各通信設備在通信傳輸中必須共同遵循的一種規程，它的功能是保證數據在傳輸前最佳路由的選擇、信道或鏈路的建立和建立后信道的同步和維持以及數據在轉移過程中格式和順序的正確、流量的控制、差錯的檢出和糾正等。不同的通信網絡均有各自不同的通信協議，在計算機通信中不同型號的計算機也采用各自的通信協議。同步串行鏈路協議有:美國IBM的二進制同步通信(BSC)和同步數據鏈路控制(SDLC)、DEC的數字數據通信電文協議(DDCMP)、UNIVAC公司數據鏈路控制(UDLC)、BURROUGH公司數據鏈路控制(BDLC)、美國國家標準ANSI的先進數據通信控制協議(ADCCP)等。異步串行鏈路協議是一種由起單元、信息單元和止單元組成的起止方式。其中除起單元占1個單元外,信息單元根據不同電碼從5單位至8單位而不同,止單元占1或1.5或2個單元可選用。異步方式主要用在終端與計算機或終端與終端之間的通信。同步方式則用在計算機與計算機之間的通信。國際上常用的同步協議有國際標準化組織(ISO)的開放系統互聯(OSI)、高級數據鏈路控制(HDLC)和國際電報電話咨詢委員會(CCITT)的CCITTX.25協議等。一、數據傳輸概述3.接口電路數據傳輸網絡中的接口電路是指該網上各種硬件設備相互連接的界面，它的功能是完成相互連接設備在通信時要求實現的相互控制、信號轉換和阻抗匹配，諸如操作順序控制、啟?？刂啤㈦娞栟D換、碼型轉換、速率轉換和規程轉換等。典型的電路如DTE與DCE間不同標準的CCITTV.10、V.11、V.24和V.28等。DCE與信道間不同調制速率和調制方法的CCITTV.21、V.22、V.23、V.25、V.26、V.27、V.29、V.32、V.33及X.20、X.21等。二、多路復用技術1.定義多路復用技術是把多個低速信道組合成一個高速信道的技術，它可以有效地提高數據鏈路的利用率，從而使得一條高速的主干鏈路同時為多條低速的接入鏈路提供服務，也就是使得網絡干線可以同時運載大量的語音和數據傳輸。多路復用技術是為了充分利用傳輸媒體，人們研究了在一條物理線路上建立多個通信信道的技術。多路復用技術的實質是，將一個區域的多個用戶數據通過發送多路復用器進行匯集，然后將匯集后的數據通過一個物理線路進行傳送，接收多路復用器再對數據進行分離，分發到多個用戶。二、多路復用技術2.常用設備（1）多路復用器多路復用器是一種設備，能接收多個輸入信號，按每個輸入信號可恢復方式合成單個輸出信號。復用器是一種綜合系統，通常包含一定數目的數據輸入，有一個單獨的輸出。電子學中，多路復用器（multiplexer或mux）能從多個模擬或數字輸入信號中選擇某個信號并將其轉發，將不同的被選信號輸出到同一個輸出線路中。常見的多路復用器如圖2-9所示。二、多路復用技術二、多路復用技術復用技術可能遵循以下原則之一，如：TDM、FDM、CDM或WDM。復用技術也應用于軟件操作上，如：同時將多線程信息流傳送到設備或程序中。使用多路復用器的目的是充分利用通信信道的容量，大大降低系統的成本。例如，對于一對電話線來說，它的通信頻帶一般在100kHz以上，而每一路電話信號的頻帶一般限制在4kHz以下。此時，信道的容量遠大于一路電話的信息傳送量。二、多路復用技術采用多路復用器，可使多路數據信息共享一路信道。當復用線路上的數據流連續時，這種共享方式可取得良好效果。顯然，這樣做比每臺終端各用一根通信線路傳送也更為經濟。多路復用器總是成對使用的。一個連續終端，另一個在主機附近，它的作用是將接收的復合數據流，依照