1.2網(wǎng)絡的類型教學設計人教-中圖版高中信息技術(shù)選擇性必修2

第1章網(wǎng)絡概述1.2網(wǎng)絡的類型教學設計教學背景信息科技是現(xiàn)代科學技術(shù)領域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當代高速發(fā)展的信息科技對全球經(jīng)濟、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學習奠定基礎。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學內(nèi)容選自人教/地圖出版社選擇性必修2網(wǎng)絡基礎第1章網(wǎng)絡概述1.2網(wǎng)絡的類型。網(wǎng)絡是數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砘A，是支撐信息社會的重要基礎設施。它已經(jīng)滲透到社會的方方面面，正在改變著每個人的工作、學習和生活，各國政府治理國家的方式也因網(wǎng)絡的普及而發(fā)生著變化。掌握“網(wǎng)絡生存”的相關知識與技能，是信息社會對每一位成員提出的基本要求。學情分析此節(jié)課針對的對象是高二年級的學生。學生學習過信息技術(shù)基礎知識，對計算機、網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有基本了解:已經(jīng)學習了Python語言的基本概念，并掌握了基本的結(jié)構(gòu)和算法;對現(xiàn)代生活中的信息系統(tǒng)有所觀察和積累。網(wǎng)絡已經(jīng)應用到社會的方方面面，了解網(wǎng)絡的歷史、作用以及網(wǎng)絡的類型、拓撲結(jié)構(gòu)等基礎知識，可以幫助我們更好地理解網(wǎng)絡，面對網(wǎng)絡。本章通過閱讀課本、上網(wǎng)搜索、動手實踐等方式，收集資料，完成名為“網(wǎng)絡，我來說”的主題作品。教學目標1.熟悉網(wǎng)絡的類型及其特點。2.認識常見網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的特性。3.理解影響網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的主要物理因素。教學重點與難點教學重點:認識常見網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的特性。教學難點:理解影響網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的主要物理因素。教學方法與教學手段案例分析法、講授法、任務驅(qū)動法。教學過程問題導入體驗探索分析計算機教室網(wǎng)絡類型根據(jù)計算機教室網(wǎng)絡的特點，某同學繪制了圖1.2.1（參見教材P14）所示的分類圖。請思考以下問題。1.圖中展示了幾種分類方式？2.每種分類方式具體包括哪些類型？3.每種具體的類型都有什么樣的特點？從不同的角度看，網(wǎng)絡可以劃分成不同的類型，每種類型又對應各自不同的特點和應用場合。下面就來介紹常見的網(wǎng)絡類型。按覆蓋范圍分類按網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍大小，可以把網(wǎng)絡劃分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。局域網(wǎng)，是覆蓋局部地域的網(wǎng)絡（圖1.2.2）（參見教材P15）。比如，計算機教室中的網(wǎng)絡。組成局域網(wǎng)的計算機多則數(shù)百臺，少的可能只有兩三臺，這些計算機一般可以同時訪問網(wǎng)上的各種信息系統(tǒng)?，F(xiàn)在，無線局域網(wǎng)已經(jīng)在生活中普及，智能、平板計算機等設備大多具備了接入無線局域網(wǎng)的功能。局域網(wǎng)這個“大家庭”中的“新面孔”已經(jīng)越來越多了。廣域網(wǎng)，一般用于把不同地區(qū)的網(wǎng)絡連接起來，覆蓋的地理范圍比較大（圖1.2.3）（參見教材P15）。例如，一個公司在各地的分支機構(gòu)所組建的網(wǎng)絡可以看作局域網(wǎng)，而把這些分支機構(gòu)的局域網(wǎng)連接起來，就形成了跨越多個地域的廣域網(wǎng)。因特網(wǎng)可以看作覆蓋范圍最大的廣域網(wǎng)。也有人把網(wǎng)絡劃分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。其中城域網(wǎng)的覆蓋范圍介于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間，通常覆蓋一座城市或一個地區(qū)。閱讀拓展個域網(wǎng)簡介近年來，個域網(wǎng)開始受到關注。個域網(wǎng)主要由計算機和外部設備等組成，設備之間采用的無線通信技術(shù)，并非無線局域網(wǎng)的相關技術(shù)，而是更側(cè)重于短距離傳輸?shù)乃{牙等通信技術(shù)。個域網(wǎng)的覆蓋范圍比局域網(wǎng)還要小，大多數(shù)設備之間的距離不超過1米。例如，一臺計算機的鍵盤、鼠標、音箱等外部設備，通過藍牙技術(shù)與計算機實現(xiàn)了無線連接，就可以認為組成了個域網(wǎng)（圖1.2.4）（參見教材P15）。按傳輸介質(zhì)分類按照傳輸介質(zhì)的不同，可以把網(wǎng)絡分為有線網(wǎng)和無線網(wǎng)兩大類。有線網(wǎng)指通過有形線纜連接的網(wǎng)絡，常用的線纜包括同軸電纜、雙絞線和光纖等（圖1.2.5）（參見教材P16）。同軸電纜屏蔽性較好、抗干擾能力較強，但制作工藝復雜。雙絞線易受干擾、傳輸率較低，但價格便宜，安裝方便。目前，組建計算機網(wǎng)絡時常用雙絞線，同軸電纜主要用于有線電視網(wǎng)絡。光纖傳輸距離長、傳輸率高、抗干擾性強，是高性能、高安全性網(wǎng)絡的最佳選擇。但光纖制作費用高、安裝難度大，相應的配套設備昂貴，近幾年才開始廣泛使用。閱讀拓展光纖如何傳遞二進制數(shù)字信號光纖設備會根據(jù)信號中的0或1改變電壓的高低，從而控制設備內(nèi)的激光二極管等設備閃亮。這樣，二進制數(shù)字信號就變成了可以在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?。到達接收端后，接收端設備上的光敏元件會根據(jù)光信號的閃滅，產(chǎn)生不同的電壓，從而形成二進制數(shù)字信號。圖1.2.6（參見教材P16）為光纖通信原理示意圖。無線網(wǎng)是通過無線的方式，以電磁波為載體來傳輸數(shù)據(jù)的（圖1.2.7）（參見教材P17）。無線網(wǎng)中的計算機不受線纜的長度限制，可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)自由移動。相對于有線網(wǎng)來說，無線網(wǎng)的穩(wěn)定性稍差，傳輸速率較低，一般用作有線網(wǎng)的補充，但無線網(wǎng)使用起來靈活便捷。近年來，無線網(wǎng)的穩(wěn)定性和傳輸速率得到了很大改善，越來越多的單位和個人開始使用無線網(wǎng)。思考活動交流使用無線網(wǎng)的感受說一說你聽說過的或接觸過的無線網(wǎng)，聊一聊在使用無線網(wǎng)時，你最大的感受是什么。閱讀拓展可見光無線通信簡介可見光無線通信（lightfidelity，LiFi）這一概念是在2011年首次提出的，其原理是利用電信號控制發(fā)光二極管高速閃爍來傳輸信息（圖1.2.8）（參見教材P17）?？梢姽鉄o法穿透墻壁，因而LiFi的穿透性不好，但這同時也意味著，可以比較容易地把信號控制在特定區(qū)域內(nèi)，從而提高安全性。另外，LiFi具有不產(chǎn)生電磁輻射、不受電子干擾等優(yōu)勢。目前，LiFi仍處于發(fā)展初期，設想的應用場合主要包括礦井、醫(yī)療設備工作區(qū)、飛機機艙等。按拓撲結(jié)構(gòu)分類網(wǎng)絡拓撲一般用來表示網(wǎng)絡中各種設備的物理布局，特別是計算機的分布情況。常見的網(wǎng)絡拓撲有線狀、星狀、環(huán)狀、樹狀、網(wǎng)狀等。線狀在線狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中，所有的計算機共享一條數(shù)據(jù)通道（圖1.2.9）（參見教材P18）。網(wǎng)絡中的某臺計算機出現(xiàn)故障，一般不會影響整個網(wǎng)絡的通信，但如果共享的數(shù)據(jù)通道發(fā)生了故障，整個網(wǎng)絡就會癱瘓。環(huán)狀在環(huán)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中，所有的計算機通過傳輸介質(zhì)連成一個封閉的環(huán)（圖1.2.10）（參見教材P18）。環(huán)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡易于安裝，但能夠容納的設備數(shù)量有限，難以根據(jù)需要隨時增加或撤除連入網(wǎng)絡的計算機，而且網(wǎng)絡中的任何一臺計算機出現(xiàn)故障，都可能會影響整個網(wǎng)絡的正常運行。星狀在星狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中，計算機會分別與同一個中心設備相連（圖1.2.11）（參見教材P18）。這種網(wǎng)絡容易增加新的節(jié)點，通過中心設備可以方便地監(jiān)控網(wǎng)絡，而且中心以外的計算機出現(xiàn)故障一般不會影響網(wǎng)絡的使用。但中心設備必須非常穩(wěn)定，一旦發(fā)生故障整個網(wǎng)絡就會癱瘓。樹狀樹狀結(jié)構(gòu)可以看作是星狀結(jié)構(gòu)的拓展，設備間呈現(xiàn)出清晰的層次關系（圖1.2.12）（參見教材P19）。樹狀網(wǎng)絡的優(yōu)點是易擴充，而且可以比較容易地把出現(xiàn)故障的區(qū)域與整個網(wǎng)絡隔離開。這種網(wǎng)絡的缺點是結(jié)構(gòu)復雜、對根節(jié)點依賴性很大，一旦根節(jié)點發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡都無法工作。網(wǎng)狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分為全連接網(wǎng)狀和不完全連接網(wǎng)狀兩種形式（圖1.2.13）（參見教材P19）。在全連接網(wǎng)狀中，每一個節(jié)點和網(wǎng)中其他節(jié)點均有鏈路連接；在不完全連接網(wǎng)狀中，兩節(jié)點之間不一定有直接鏈路連接，它們可以依靠其他節(jié)點轉(zhuǎn)接。網(wǎng)狀網(wǎng)沒有中心設備，局部的故障不會影響整個網(wǎng)絡的正常工作，因而可靠性較高。但這種網(wǎng)絡關系復雜，局域網(wǎng)很少采用，廣域網(wǎng)常常使用不完全連接網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。大型網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)比較復雜，其中包含多種基本的拓撲類型，因此也稱為混合型。閱讀拓展拓撲簡介此處所說的拓撲，源自數(shù)學的拓撲學。1736年，有人請數(shù)學家歐拉解答“七橋問題”，歐拉用一種獨特的方法給出了解答，而這種解答的第一步，就是把現(xiàn)實問題進行簡化。歐拉把目的地簡化成了點，把不同的橋簡化成了線（圖1.2.14）（參見教材P19），這個簡化過程，被認為是拓撲學的“先聲”。研究計算機網(wǎng)絡時，也可以借用類似的思想，把網(wǎng)絡設備簡化成一個點，連接線路簡化成一條線。這樣，網(wǎng)絡設備的分布情況、彼此的連接關系等就清晰明了了。按傳輸方式分類情境：趙明要告訴王紅一個消息，他可以采用哪些方法來告知王紅呢？具體的方法很多，這些方法大體可以歸為兩類：一是在其他人不知道的情況下，“悄悄”地告訴王紅；二是當著大家的面，大聲地告訴王紅。與此類似，網(wǎng)絡中信息的傳輸方式也可以分為兩種：點對點式和廣播式。點對點式在點對點式的網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)一般只在要通信的計算機之間傳輸。在這個過程中，只有一個發(fā)送者和一個接收者，有時也稱為單播（圖1.2.15）（參見教材P20）。廣播式在廣播式的網(wǎng)絡中，計算機共享一個信道。一臺計算機發(fā)送信息時，網(wǎng)絡中的計算機都能“聽”到。計算機“聽”到信息后，要根據(jù)其中標明的“目的地”進行判斷，如果是發(fā)給自己的就接收，否則就丟棄（圖1.2.16）（參見教材P20）。這就跟趙明在班里大聲說“王紅，老師讓我們?nèi)W校廣播站”一樣：其他人聽見了不會加以理睬，而王紅則會做出回應。如果同一時間有多臺計算機需要通信，那就會發(fā)生通信沖突。不難想象，網(wǎng)絡中的計算機數(shù)量越多，產(chǎn)生通信沖突的概率就越大，網(wǎng)絡的傳輸效率就越低。因此，廣播式網(wǎng)絡的規(guī)模一般不會太大。日常組建的無線局域網(wǎng)屬于廣播式網(wǎng)絡。閱讀拓展廣播式傳輸?shù)陌踩珕栴}廣播式傳輸時，每一臺計算機都可以“接聽”網(wǎng)絡中傳輸?shù)乃行畔ⅲ绻M行特殊處理，就可以把“接聽”的信息都記錄下來，從而竊取隱私或機密。因此，相對而言，廣播式網(wǎng)絡不如點對點式網(wǎng)絡的安全性好。為了解決網(wǎng)絡竊聽問題，可以在網(wǎng)絡通信時采用加密技術(shù)。關于加密，將在第3章進行介紹。按服務方式分類按網(wǎng)絡中計算機之間的服務方式，可以把網(wǎng)絡分成主從式和對等式。主從式主從式網(wǎng)絡（圖1.2.17）（參見教材P21）中，“主”代表服務器，指提供服務的高性能計算機或?qū)Ｓ迷O備；“從”代表客戶，指普通計算機、智能等設備。在這種模式下，資源集中在服務器中，客戶需要從服務器那獲取。這種結(jié)構(gòu)稱為“客戶/服務器”（client/server，C/S）結(jié)構(gòu)。要使用不同的網(wǎng)絡服務，一般需要安裝不同的軟件，如即時通信軟件、電子郵件客戶端軟件等。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的服務可以通過萬維網(wǎng)形式訪問，客戶機只要安裝了瀏覽器就可以使用它們，而不必安裝專門的軟件，這樣就可以形成“瀏覽器/服務器”（browser/server，B/S）結(jié)構(gòu)。由此可以看出，B/S結(jié)構(gòu)是C/S結(jié)構(gòu)的特例。對等式在對等式網(wǎng)絡（圖1.2.18）（參見教材P21）中，每臺計算機都與其他計算機共享彼此的信息資源或硬件資源，沒有類似服務器和客戶機的固定分工。這種網(wǎng)絡常用于共享音樂和視頻，P2P（peertopeer，對等網(wǎng)絡）是其最典型的應用。閱讀拓展服務方式的轉(zhuǎn)變服務方式會隨使用的網(wǎng)絡服務而發(fā)生改變，一臺計算機可以既屬于主從網(wǎng)，又屬于對等網(wǎng)。例如，在一臺計算機上用Foxmail軟件收取電子郵件時，還可以用P2P軟件資料，這樣它就同時身處兩種網(wǎng)絡中了。實際上，很多網(wǎng)絡服務是混合式的。例如，啟動即時通信軟件時，一般需要先登錄到服務器上驗證身份，這時，計算機和服務器之間構(gòu)成了主從關系，屬于主從網(wǎng)；登錄后再收發(fā)消息就可能不通過服務器了，這樣計算機間可以形成對等網(wǎng)。影響網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的主要物理因素現(xiàn)實世界中，網(wǎng)絡信號傳輸是受很多因素影響的，如果出現(xiàn)了干擾信號，網(wǎng)絡就會不穩(wěn)定；如果信號越來越弱，網(wǎng)絡同樣也無法使用。下面介紹影響網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的主要物理因素：噪聲和衰減。噪聲網(wǎng)絡傳輸中的噪聲，不是指嘈雜的聲音，而是指引起信號質(zhì)量下降或失真的影響因素。大家在物理課上都學過電磁感應：導體放置在變化的磁場中，導體內(nèi)部就會產(chǎn)生電流（圖1.2.19）（參見教材P22）。傳輸電信號的網(wǎng)線是導體，當外界有磁鐵或散發(fā)電磁場的設備時，內(nèi)部就可能因電磁效應產(chǎn)生電流，從而形成噪聲。噪聲主要有兩種來源：外界電磁干擾引發(fā)的噪聲和內(nèi)部串擾引發(fā)的噪聲。如何對抗噪聲呢？可以通過移除噪聲源、給網(wǎng)線加屏蔽層等辦法來消減噪聲。光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?，它不是導體，不受電磁感應的影響，所以抗噪能力非常好；同軸電纜的屏蔽層比較厚實，它的抗噪能力也不錯。組建局域網(wǎng)時普遍使用雙絞線，其單條線路的抗噪能力較差，但雙絞線有自身的抗噪辦法。雙絞線里面共有八根線，兩兩纏繞形成4組。一根導線的某一段因電磁感應產(chǎn)生順時針電流時，相鄰的區(qū)域就會產(chǎn)生逆時針電流，從而抵消噪聲（圖1.2.20）（參見教材P22）。距離很近的信號線之間也會出現(xiàn)電磁感應，從而造成噪聲干擾，這是來自通信線路內(nèi)部的噪聲（圖1.2.21）（參見教材P23）。雙絞線內(nèi)部纏繞形成的4組線，每組的纏繞節(jié)距是不一樣的。這樣一來，串擾就會在相鄰的區(qū)域形成相反的電流，從而從整體上消減串擾形成的噪聲（圖1.2.22）（參見教材P23）。衰減信號在傳輸介質(zhì)中傳播時，將會有一部分能量轉(zhuǎn)換成熱能或者被傳輸介質(zhì)吸收，從而造成信號強度不斷減弱，這種現(xiàn)象稱為衰減（圖1.2.23）（參見教材P23）。衰減也是影響網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的重要物理因素。衰減現(xiàn)象在無線網(wǎng)中更為常見，無線信號每一次穿越墻壁或繞行障礙物時都會不可避免地產(chǎn)生大量衰減。衰減到一定的程度后，就無法使用了，這時人們就會說“信號不好”或者“沒有信號”。通過縮短傳輸距離、提高網(wǎng)線通信質(zhì)量、減少障礙物等方式，可以在一定程度上減輕衰減帶來的影響。必要時，可以增加專門用來增強信號的設備——中繼器，來對抗噪聲或衰減帶來的影響（圖1.2.24）（參見教材P24）。項目實施填寫項目報告完成下面的項目報告，檢查自己這個階段的學習情況。報告人：＿＿＿＿時間：＿＿＿＿主題：網(wǎng)絡的基礎知識1.總結(jié)計算機網(wǎng)絡的分類方法。＿＿＿＿＿＿＿＿2.認識常見的網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)，總結(jié)它們的特性。·介質(zhì)：雙絞線，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿·介質(zhì)：光纖，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿·介質(zhì)：＿＿＿＿，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿·介質(zhì)：＿＿＿＿，特性：＿＿＿＿＿＿＿＿3.總結(jié)網(wǎng)絡拓撲的特點。·類型：線狀，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：星狀，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：環(huán)狀，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：＿＿＿＿，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿·類型：＿＿＿＿，特點：＿＿＿＿＿＿＿＿4.描述影響網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的主要物理因素。＿＿＿＿＿＿＿＿通過縮短傳輸距離、提高網(wǎng)線通信質(zhì)量、減少障礙物等方式，可以在一定程度上減輕衰減帶來的影響。必要時，可以增加專門用來增強信號的設備——中繼器，來對抗噪聲或衰減帶來的影響（圖1.2.24）（參見教材P24）。項目實施制作主題作品在了解互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史、應用現(xiàn)狀和重要意義，以及網(wǎng)絡類型、網(wǎng)絡拓撲等知識的基礎上，制作主題為“網(wǎng)絡，我來說”的電子作品。制作要求：1.可以宏觀地、全方位地介紹對網(wǎng)絡的認識，也可以選擇一個切入點，就某一具體的問題進行闡述，如探討影響網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的因素；2.觀點鮮明，內(nèi)容嚴謹，語言精練。閱讀拓展差錯的檢測受各種因素的影響，在網(wǎng)絡傳輸過程中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)差錯，也就是接收端收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，是不可避免的。為了及時發(fā)現(xiàn)差錯，人們采取了很多技術(shù)手段。奇偶校驗碼就是一種簡單的檢測技術(shù)。簡單地說，奇偶校驗碼就是在二進制數(shù)據(jù)塊的后面加上一位校驗位，使得總數(shù)據(jù)塊中的1始終為奇數(shù)或偶數(shù)。前者稱為奇校驗，后者稱為偶校驗。接收端按照奇數(shù)或者偶數(shù)規(guī)則進行檢查，如果與規(guī)則不符，就說明傳輸出現(xiàn)了差錯。這種方法容易實現(xiàn)，對設備要求不高，但漏檢率比較高。循環(huán)冗余碼在差錯檢測中的應用更為普遍，它的工作原理相對復雜，感興趣的同學