专题四 OSI模型和TCPIP模型（讲义）-《计算机网络基础》高考备考讲练测（广西）

专题四 OSI模型和TCP/IP模型 【考纲要求】 知识要点 考试条目 1．认知计算机网络 （5）了解TCP/IP参考模型的工作原理； （6）掌握OSI、TCP/IP体系结构、各层协议（TCP、UDP、IP、ICMP、ARP）及功能； 【课时安排】 2课时 【知识梳理】 考点 OSI模型 一、发展 1983年国际标准化组织（IS0）形成开放系统互连参考模型的正式文件，即ISO 7489国际标准。 OSI采用了分层的结构化技术，其分层的原则是： （1）层次的划分应该从逻辑上将功能分组，每层应当实现一个定义明确的功能。 （2）每层功能的选择应该有助于制订网络协议的国际化标准。 （3）层次应该足够多，以使每一层小到易于管理，但也不能太多，否则汇集各层的处理开销太大。 （4）各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。 0SI参考模型共有七层，由低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。。 二、物理层 功能： 定义物理连接的特性（如线缆类型、接口标准、信号传输方式）。 传输原始二进制比特流（0 和 1），不关心数据含义。 处理物理信号的编码、调制、同步等（如电压高低、光信号强弱）。 数据单元：比特（Bit） 典型协议 / 标准： IEEE 802.3（以太网物理层）、RS-232（串口标准）、光纤传输标准（如 IEEE 802.3z）。 设备：集线器（Hub）、中继器（Repeater）、物理线缆（双绞线、光纤）。 三、数据链路层 功能： 将比特流组织成 “帧”（Frame），定义帧的格式和边界。 实现相邻节点间的可靠传输，处理错误检测（如 CRC 校验）和流量控制。 管理物理地址（MAC 地址），支持介质访问控制（如 CSMA/CD）。 数据单元：帧（Frame） 子层： 逻辑链路控制层（LLC）：处理上层协议的接口（如 IPX、IP）。 介质访问控制层（MAC）：管理物理地址和信道访问。 典型协议： 以太网（Ethernet）、PPP（点对点协议）、HDLC（高级数据链路控制）。 设备：交换机（Switch）、网桥（Bridge）。 四、网络层 功能： 实现跨网络的通信，通过逻辑地址（如 IP 地址）进行路由和寻址。 处理数据包的分段与重组（当数据超过链路层 MTU 时）。 选择最佳路径（路由算法），支持拥塞控制。 数据单元：数据包（Packet） 典型协议： IP（网际协议）、ICMP（互联网控制消息协议）、OSPF（路由协议）、BGP（边界网关协议）。 设备：路由器（Router）。 五、传输层 功能： 端到端的通信，确保数据可靠传输（如 TCP）或无连接传输（如 UDP）。 实现流量控制、错误恢复（重传机制）和端口寻址（区分应用程序）。 分割上层数据（如将大文件分成段），并在接收端重组。 数据单元：段（Segment，TCP）/ 数据报（Datagram，UDP） 核心协议： TCP（传输控制协议，面向连接，可靠传输） UDP（用户数据报协议，无连接，高效但不可靠） 六、会话层 功能： 建立、管理和终止应用程序之间的会话（逻辑连接）。 支持会话同步（如断点续传时标记检查点）和会话恢复。 典型应用： 远程登录（如 SSH、Telnet）、网络会议的会话管理。 协议：NFS（网络文件系统）的会话管理、SQL 的连接管理（部分功能）。 七、表示层 功能： 处理数据格式转换（如 ASCII 与 Unicode 互转、JPEG 压缩 / 解压缩）。 加密解密（如 HTTPS 的 TLS 加密）和数据压缩（减少传输流量）。 确保不同系统间的数据表示一致（如大端 / 小端字节序转换）。 典型技术： 编码格式（JSON、XML）、加密算法（AES、RSA）、压缩算法（ZIP）。 八、应用层 功能： 直接为用户应用程序提供服务（如文件传输、电子邮件、网页浏览）。 定义应用层协议的规则（如数据格式、交互流程）。 数据单元：消息（Message） 典型协议： HTTP（网页浏览）、FTP（文件传输）、SMTP/POP3/IMAP（电子邮件）、DNS（域名解析）、SSH（安全远程登录）。 示例应用：浏览器、邮件客户端、FTP 工具。 九、核心特点 分层解耦：每层独立实现功能，修改一层不影响其他层（如更换物理层线缆不影响应用层）。 数据封装与解封装： 发送端：从应用层到物理层，每层添加协议头部（Header）或尾部（Footer），形成完整的帧 / 数据包。 接收端：从物理层到应用层，逐层剥离头部，还原数据。 服务接口：下层通过 “服务访问点（SAP）” 为上层提供服务（如传输层通过端口号为应用层提供服务）。 考点 TCP/IP模型 TCP/IP 体系结构是互联网通信的核心框架，它将复杂的网络通信过程划分为四层（或五层，根据分类方式不同），每层专注于特定功能，通过协议协同工作。 一、应用层 功能：直接面向用户，提供网络服务和应用程序接口。 核心协议： HTTP：用于网页传输（如浏览器访问网站）。 FTP：文件传输协议。 SMTP：电子邮件发送协议。 DNS：域名解析协议（将域名转换为IP地址）。 数据单位：应用层生成报文（Message）。 示例：当你在浏览器输入网址时，HTTP协议会生成请求报文，交给传输层处理。 二、传输层 功能：提供端到端（进程到进程）的数据传输服务，确保数据完整性和可靠性。 核心协议： TCP（传输控制协议，Transmission Control Protocol） 1. 所属层次 传输层（TCP/IP 模型），面向连接的可靠传输协议。 2. 核心功能 可靠传输：通过确认机制、重传机制确保数据无丢失、无重复、按序到达。 流量控制：通过滑动窗口机制控制发送方速率，避免接收方缓冲区溢出。 拥塞控制：动态调整传输速率，避免网络拥塞（如慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复算法）。 字节流服务：将数据视为连续的字节流，无消息边界（与 UDP 的 “数据报” 不同）。 3. 工作原理 三次握手建立连接： 客户端发送 SYN 包（同步请求，序号 x）。 服务器回复 SYN+ACK 包（确认 x，序号 y）。 客户端回复 ACK 包（确认 y，连接建立）。 数据传输：将应用数据分割为 TCP 段（Segment），每个段包含源 / 目标端口、序号、确认号、窗口大小等字段。 四次挥手断开连接： 客户端发送 FIN 包（结束传输，序号 m）。 服务器回复 ACK 包（确认 m，序号 n）。 服务器发送 FIN 包（准备关闭，序号 p）。 客户端回复 ACK 包（确认 p，连接关闭）。 4. 特点 可靠、面向连接、高延迟（需握手 / 挥手）、开销大（头部 20 字节起）。 适用于对数据完整性要求高的场景：HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、Telnet 等。 UDP（用户数据报协议，User Datagram Protocol） 1. 所属层次 传输层（TCP/IP 模型），无连接的不可靠传输协议。 2. 核心功能 高效传输：无需建立连接，直接发送数据报（Datagram），延迟低、开销小（头部仅 8 字节）。 尽力而为：不保证数据到达、不保证顺序、不处理错误（需上层应用自行处理）。 保留消息边界：每个 UDP 数据报是独立的，接收方读取时按完整数据报接收。 3. 工作原理 发送方将应用数据封装为 UDP 数据报（包含源 / 目标端口、长度、校验和），直接通过 IP 层发送。 接收方收到后仅简单校验，不确认、不重传。 4. 特点 不可靠、无连接、低延迟、开销小。 适用于实时性要求高、允许少量丢包的场景：DNS 查询、DHCP、视频流（RTSP/RTP）、VoIP、网络游戏（如 UDP 版微信语音）。 三、网络层 功能：负责将数据从源主机路由到目标主机，实现跨网络的逻辑寻址。 核心协议： IP（网际协议，Internet Protocol） 1. 所属层次 网络层（TCP/IP 模型），核心路由协议，实现跨网络通信。 2. 核心功能 寻址与路由：通过 IP 地址（IPv4/IPv6）标识网络节点，利用路由表将数据包从源主机转发到目标主机。 无连接分组传输：每个 IP 数据报（Packet）独立处理，不保证顺序和可靠性（依赖上层协议如 TCP 实现可靠传输）。 分片与重组：当数据超过链路层 MTU（最大传输单元）时，对数据报进行分片，目标主机重组。 3. 数据报结构 头部（20 字节起）：包含版本（IPv4/IPv6）、头部长度、服务类型、总长度、标识（分片标识）、标志（是否允许分片）、片偏移（分片位置）、TTL（生存时间，每经过一个路由器减 1，防止环路）、协议（上层协议类型，如 TCP=6，UDP=17）、校验和、源 / 目标 IP 地址。 数据部分：封装上层协议数据（如 TCP 段、UDP 数据报）。 4. 特点 网络层核心协议，实现 “尽力而为” 的传输，依赖 ICMP 报告错误，依赖 TCP/UDP 实现不同可靠性。 所有上层协议（TCP、UDP、ICMP、ARP 等）均需封装在 IP 数据报中传输。 ICMP（互联网控制消息协议，Internet Control Message Protocol） 1. 所属层次 网络层（TCP/IP 模型），用于传递网络层控制和错误消息。 2. 核心功能 错误报告：通知主机网络层的错误（如目标不可达、超时、参数错误）。 状态查询：查询网络状态（如 ping 测试连通性，traceroute 追踪路由）。 3. 常见消息类型 类型代码 消息类型 描述 0 回显应答（Echo Reply） ping 命令的响应，确认目标可达。 8 回显请求（Echo Request） ping 命令的请求，发起连通性测试。 3 目标不可达 无法到达目标主机（如端口不可达、网络不可达）。 11 超时 TTL 耗尽（traceroute 用于追踪路由节点）。 12 参数问题 IP 数据报头部字段错误。 5 重定向 通知主机更优的路由路径（常用于路由器提示主机更新路由表）。 4. 工作原理 ICMP 消息封装在 IP 数据报中（IP 协议号 = 1），由路由器或目标主机发送给源主机。 典型应用： ping：通过回显请求 / 应答检测网络连通性。 traceroute（Linux）/tracert（Windows）：通过故意设置 TTL 过期，获取路径上的路由器 IP。 ARP（地址解析协议，Address Resolution Protocol） 1. 所属层次 介于网络层与数据链路层之间，用于将 IP 地址解析为 MAC 地址（局域网内）。 2. 核心功能 IP 到 MAC 地址的映射：已知目标 IP 地址，获取对应的二层 MAC 地址，以便数据链路层封装帧（Frame）。 维护 ARP 缓存：存储 IP-MAC 映射关系，减少重复解析（默认缓存时间几分钟，可通过arp -a查看）。 3. 工作原理 ARP 请求（广播）： 主机 A 需向主机 B（IP 地址 B）发送数据，若 ARP 缓存中无 B 的 MAC 地址，则发送广播帧（目标 MAC 为全 F），内容为 “谁是 IP B？请告诉我的 MAC A”。 ARP 应答（单播）： 主机 B 收到后，回复单播帧，包含自己的 MAC 地址，并将 A 的 IP-MAC 存入自己的缓存。 其他主机收到广播后，也会更新自己的 ARP 缓存（A 的 IP-MAC 映射）。 4. 反向 ARP（RARP） 已淘汰，用于已知 MAC 地址解析 IP 地址（现多由 DHCP 实现）。 5. ARP 攻击 ARP 欺骗：伪造 ARP 应答，将错误的 IP-MAC 映射注入目标缓存，导致流量被劫持或中断（如中间人攻击）。 防护：静态绑定 ARP 表（arp -s IP MAC）、使用 ARP 防火墙。 数据单位：网络层封装为数据包（Packet）。 路由选择：路由器根据IP地址选择最佳路径转发数据包。 四、网络接口层 功能：负责物理介质上的数据传输，管理相邻设备间的直接通信。 核心协议： 以太网（Ethernet）：局域网中最常见的协议。 Wi-Fi：无线局域网协议。 PPP：点对点协议（如拨号上网）。 数据单位：封装为帧（Frame），包含源/目标MAC地址。 物理寻址：通过MAC地址标识网络接口卡（NIC）。 五、数据封装与解封装：从发送端到接收端的流动过程 1. 发送端：逐层封装（从上至下） 应用层：用户数据（如浏览器请求的网页数据）生成 “消息”，调用传输层协议（如 TCP 或 UDP）。 传输层：将消息分割为段（TCP）或数据报（UDP），添加端口号头部（如源端口 1025，目标端口 80）。 互联网层：为每个段 / 数据报添加 IP 头部（包含源 IP 和目标 IP），形成 IP 数据报。若数据报过大，需分片（根据链路层 MTU）。 网络接口层：将 IP 数据报封装为帧，添加 MAC 头部（源 MAC 和目标 MAC，通过 ARP 协议获取目标 MAC），并转换为物理信号（如电信号、光信号）发送到物理层。 2. 接收端：逐层解封装（从下至上） 网络接口层：接收物理信号，还原为帧，校验 MAC 地址是否为本机，剥离 MAC 头部，将 IP 数据报交给互联网层。 互联网层：检查 IP 头部，若数据报被分片则重组，确认目标 IP 为本机后，剥离 IP 头部，根据协议类型（TCP/UDP）交给传输层。 传输层：根据端口号确定目标应用程序，若为 TCP 则校验数据完整性（通过序列号和校验和），重组分段，剥离 TCP 头部，将数据交给应用层。 应用层：解析消息内容（如 HTTP 响应解析为网页数据），呈现给用户（如浏览器渲染网页）。 六、OSI模型和TCP/IP模型对比 OSI模型 TCP/IP模型 功能对应关系 7. 应用层 4. 应用层 直接为用户提供服务（HTTP、FTP、SMTP等）。 6. 表示层 数据格式转换、加密解密（如ASCII到二进制）。 5. 会话层 建立、管理和终止会话（如RPC、NetBIOS）。 4. 传输层 3. 传输层 端到端的数据传输控制（TCP、UDP）。 3. 网络层 2. 互联网层 路由选择、逻辑寻址（IP、ICMP）。 2. 数据链路层 1. 网络接口层 物理地址寻址（MAC）、数据帧封装（以太网、Wi-Fi）。 1. 物理层 物理介质传输（电缆、光纤）。 【限时练习】 1.在 OSI 参考模型中，负责处理数据格式转换、加密解密的是（ ） A. 会话层 B. 表示层 C. 应用层 D. 传输层 答案：B 2.以下关于 TCP 协议的说法，错误的是（ ） A. 面向连接 B. 可靠传输 C. 开销小 D. 通过三次握手建立连接 答案：C 3.在 TCP/IP 模型中，将域名转换为 IP 地址的协议是（ ） A. HTTP B. FTP C. SMTP D. DNS 答案：D 4.OSI 参考模型中，数据链路层的数据单元是（ ） A. 比特（Bit） B. 帧（Frame） C. 数据包（Packet） D. 段（Segment） 答案：B 5.在网络层中，用于传递网络层控制和错误消息的协议是（ ） A. IP B. ICMP C. ARP D. UDP 【答案】B 6.在 TCP/IP 模型的传输层中，适用于实时性要求高、允许少量丢包场景的协议是（ ） A. TCP B. UDP C. IP D. ICMP 答案：B 7.当数据超过链路层 MTU 时，在网络层需要进行的操作是（ ） A. 数据封装 B. 流量控制 C. 分片与重组 D. 建立连接 答案：C 8.在 TCP/IP 模型中，网络接口层负责（ ） A. 端到端的数据传输 B. 物理介质上的数据传输 C. 路由选择 D. 数据格式转换 答案：B 9.ARP 协议的作用是（ ） A. 将 MAC 地址解析为 IP 地址 B. 将 IP 地址解析为 MAC 地址 C. 实现跨网络的通信 D. 提供可靠的端到端传输 答案：B 10.在 TCP/IP 模型中，传输层的 TCP 协议是无连接的不可靠传输协议。（ ） 答案：× 11.OSI 参考模型中，会话层负责直接为用户应用程序提供服务。（ ） 答案：× 12.在网络层中，IP 数据报是独立处理的，不保证顺序和可靠性。（ ） 答案：√ 13.TCP/IP 模型的网络接口层对应 OSI 参考模型的物理层和数据链路层。（ ） 答案：√ 14.在 OSI 参考模型中，______层实现相邻节点间的可靠传输，处理错误检测和流量控制。 答案：数据链路 15.在 TCP/IP 模型中，互联网层的核心协议是______。 答案：IP 【内容小结】 学科网（北京）股份有限公司 $$