单元1 任务3 剖析计算机网络体系结构（课件）-《计算机网络应用基础》（高教版）【上好课】

计算机网络应用基础 高等教育出版社2021版 任务3 | 2课时 单元1 初识计算机网络 任务3 剖析计算机网络体系结构 掌握网络体系结构、协议与参考模型 能分析层次、协议、数据单元与端口 形成分层、标准化和规范表达意识 知识目标 能力目标 素养目标 01 01 01 学习目标 02 03 教学导入：为什么不同设备能够交换信息？ 观察现象 设备和系统虽不同，但仍能交换文字、图片、音视频和数据。 课堂问答 需要共同遵守什么规则？为什么要分层处理？ 设备--连接（网线 / 无线）--交换设备--信息传输与资源共享 第一部分 网络体系结构基础 知识讲授 知识导入：没有共同规则，设备能通信吗？ 情境：两台设备约定不同格式，数据无法被正确理解 观察任务 思考：网络通信必须统一哪些规则？ 05 知识讲授：网络体系结构是什么？ 网络体系结构 网络各层及其协议的集合 分层 把复杂系统分解为若干层次 关键点 同层遵守协议，相邻层通过接口提供服务 先分层次，再看协议与服务 06 为了完成计算机间的通信合作，人们把计算机互联的功能进行分层，规定同层次实体通信的协议及相邻层次之间的接口和服务。简言之，网络体系结构就是网络的各层及其协议的集合。 07 知识讲授：网络协议及其三要素 协议（Protocol）是预先规定或约定的规则。网络协议就是指为网络中的各种实体相互通信、数据处理和交换而建立的规则、约定或标准。每一个协议都由语法、语义、时序组成。 语法 语法规定通信双方“如何讲”，确定用户数据与控制信息的结构与格式。 语义 语义规定通信双方“讲什么”，指需要发出何种控制信息，完成何种动作及响应。 时序 时序也称同步，规定“讲话次序”，详细指定实现事件的顺序。 协议 = 语法 + 语义 + 时序 知识讲授：为什么要分层？ 在处理复杂问题时，通常会将其分解为若干小问题再处理。在计算机网络中，将复杂的系统分解为若干容易处理的子系统，规定子系统要完成的服务，这些子系统就是层次。 分层原因： ①系统被分解成若干相对简单的子系统（层），易于实现和维护。 ②各层功能明确，相对独立。高层不需要知道低层是如何实现的，而仅需要知道 该层通过层间的接口所提供的服务。 ③灵活性好。任何一层发生变化时，只要接口保持不变，则不会影响其上下层。 ④易于交流、理解和标准化。 08 09 知识讲授：接口、服务、PDU与实体 接口 接口（Interface）是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点。同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层通过接口向高层提供服务。 服务 服务（Service）是能被上一层实体应用的功能。 协议数据单元 协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）指对等实体之间传递的数据单位。 实体 实体（Entity）表示可发送和接收信息的硬件或软件（进程）。 实体：表示可发送和接收信息的硬件或软件（进程）。例如，主机A上的浏览器进程和主机B上的IIS服务进程是一对软件实体，又例如，主机A上的网卡接口与交换机C上的RJ-45接口是一对硬件实体。 10 网络体系结构的六个关键概念 网络协议 通信规则 分层 功能分解 接口 相邻层连接点 实体 发送或接收信息的硬件/软件 协议数据单元 对等实体传递的数据单位 服务 低层向高层提供功能 11 例题分析：用网上购物理解分层通信 用户下单 应用提出通信需求 统一格式 规定数据结构与含义 快递运输 分层完成封装与转交 商家收单 逐层解封装并处理 结果反馈 按共同规则返回 分析：同层使用共同协议；相邻层通过接口调用服务；发送端逐层封装，接收端逐层解封装。 课堂问答 1. 网络协议由 ______、______、______ 三个要素组成。 2.（判断）同一结点的相邻层之间通过协议直接通信。（　） 3. 能被上一层实体应用的功能称为（　） A. 接口　B. 服务　C. 实体　D. 协议数据单元 4. 网络体系结构是网络的各层及其 ______ 的集合。 12 解析： 1. 语法、语义、时序　2. 错误（相邻层通过接口交换信息） 3. B（服务）　4. 协议 点击显示答案 课堂练习 1.（判断）分层后，高层必须知道低层的全部实现细节。（　） 2. 对等实体之间传送的数据单位称为 ______。 3. 下列属于协议三要素的是（　） A. 语法　B. 语义　C. 时序　D. 以上都是 4. 请用一句话说明接口与服务的关系。 13 解析： 1. 错误　2. 协议数据单元（PDU） 3. D　4. 低层通过接口向高层提供服务。 点击显示答案 第二部分 OSI与TCP/IP参考模型 知识讲授 15 知识导入：打开网页，数据经历了什么？ 应用层 浏览器生成访问请求 传输层 形成数据段并保证端到端传输 网际层 形成数据包并完成寻址与路由 网络接口层 形成帧并转换为比特传输 思考：发送端为何逐层封装？接收端为何反向解封装？ 16 OSI参考模型与协议数据单元 7—5层 报文 4 传输层 数据段 3 网络层 数据包 2 数据链路层 帧 1 物理层 比特 发送端自上而下封装；接收端自下而上解封装。 （教材图1-15） 17 OSI七层——物理层与数据链路层 1. 物理层（Physical Layer） 物理层位于OSI参考模型的第1层，它规定通信设备的机械、电气、功能和规程的特性，用以建立、维护和拆除物理连接，以比特（bits）的形式传送数据信息，并向数据链路层提供透明的传输服务。该层协议数据单元为比特（bit）。 2. 数据链路层（Data Link Layer） 数据链路层位于OSI参考模型的第2层，利用物理层提供的比特流传输功能，实现相邻结点间的透明、可靠的数据传输，实现物理地址寻址、数据成帧、流量控制、数据检错、数据重发等功能。该层协议数据单元为帧（frame）。 OSI七层——网络层 18 网络层 网络层位于OSI参考模型的第3层，将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定数据从发送方到接收方的路径（即路由选择），还负责网间互连、拥塞控制和流量控制等。该层协议数据单元为数据包（packet），实现报文分组功能。 OSI七层——传输层 传输层 传输层也称运输层，位于网络层和会话层之间，提供端到端的连接和透明可靠的数据传输。传输层把从会话层接收的数据划分成网络层所要求的数据包进行传输，并在接收端把经网络层传来的数据包进行重新装配提供给会话层。该层传输的协议数据单元为数据段（Segment）。 19 传输层 OSI七层——会话层、表示层与应用层 会话层、表示层与应用层 会话层位于OSI参考模型的第5层，这一层也被称为对话层，在会话层及以上的高层次中，协议数据单元为报文（message）。会话层提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。 表示层位于OSI参考模型的第6层，主要解决用户信息的语法表示问题，提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩，加密和解密等工作都由表示层负责。 应用层是OSI参考模型的第7层，是最接近用户的一层，主要功能是为用户的应用程序提供网络服务，是用户使用网络功能的接口。 20 封装与解封装 应用数据 发送端从上到下 数据段 传输层封装 数据包 网络层封装 帧 / 比特 链路层、物理层 接收端按相反方向逐层解封装 21 22 TCP/IP参考模型：模型结构 TCP/IP是一组协议的代名词，是由传输控制协议（TCP）和网际协议（IP）为核心的众多协议构成的协议簇，已经成为工业标准协议。 OSI参考模型是分层（Layer）结构，层与层之间是调用关系。而TCP/IP模型是分级（Level）结构，简化了层级，从下往上分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。 应用层 传输层 网际层 网络接口层 从下往上：网络接口层 → 网际层 → 传输层 → 应用层 23 TCP/IP参考模型：各层功能（一） 1. 网络接口层 网络接口层是TCP/IP模型的最底层，它负责接收IP数据报，并把这些数据报送到指定网络。这一层直接面向不同的通信子网。 2. 网际层 网际层解决不同IP地址的计算机间的通信问题。它把TCP交来的报文分组封装形成IP数据报、寻址并检验数据报的有效性等。 两层共同完成：把数据送入具体网络，并在不同网络之间完成寻址与传递。 24 TCP/IP参考模型：各层功能（二） 3. 传输层（运输层） 传输层的根本任务是提供可靠的端到端通信，保证传输可靠、不乱序，进行流控制。 4. 应用层 应用层直接为进程提供调用和访问网络上各种应用程序的接口，并向用户提供各种标准的应用程序和协议，同时还允许用户建立需要的应用程序。 两层共同面向应用：传输层负责端到端通信，应用层提供网络应用接口和协议。 25 OSI与TCP/IP模型的对应关系 OSI参考模型 TCP/IP模型 主要协议 应用层 应用层 HTTP、FTP、Telnet、SSH、SMTP、POP3、IMAP 表示层 应用层 DNS、DHCP、TFTP、SNMP等 会话层 应用层 传输层 传输层 TCP、UDP等 网络层 网际层 IP、ICMP、ARP、RARP、IGMP等 数据链路层 网络接口层 介质接入协议、接口驱动程序等 物理层 网络接口层 介质接入协议、接口驱动程序等 （教材表1-5） 26 应用层常用协议 协议名称 功能 端口 备注 HTTP 超文本传输协议 传输超文本内容 80 UDP、TCP FTP 文件传输协议 文件上传、下载 20/21 TCP TFTP 简单文件传输协议 小文件传输 69 UDP Telnet 远程终端协议 远程登录 23 TCP SSH 安全外壳协议 安全的远程登录 22 TCP SMTP 简单邮件传输协议 邮件传输 25 TCP POP3 邮局协议版本3 邮件接收 110 TCP DHCP 动态主机配置协议 集中管理分配IP地址 67服务器端 / 68客户机端 UDP DNS 域名系统协议 域名解析 53 UDP、TCP （教材表1-6） 例题分析：用户登录网上银行 1. 应用层：浏览器使用HTTPS协议访问网上银行。 2. 表示层：完成数据格式转换、加密和解密。 3. 会话层：建立并维护登录会话。 4. 传输层：使用TCP进行可靠的端到端传输。 5. 网络层及以下：完成寻址、路由、成帧和比特传输。 结论：一次网络应用由多个层次协同完成。 28 课堂问答 1. OSI参考模型由低到高的第3层是 ______。 解析：网络层。 2. TCP/IP模型的最低层是 ______。 解析：网络接口层。 3.（判断）TCP/IP应用层对应OSI的应用层、表示层和会话层。（　） 解析：正确。对应OSI的会话、表示、应用三层。 4. DNS协议的主要功能和端口分别是（　） A. 域名解析，53　B. 文件传输，21 C. 邮件发送，25　D. 地址分配，80 解析：A。DNS用于域名解析，端口为53。 29 课堂练习 1. 物理层、数据链路层、网络层的数据单元依次是什么？ 解析：比特、帧、数据包。 2. 将HTTP、TCP、IP分别对应到TCP/IP模型的层次。 解析：HTTP对应应用层；TCP对应传输层；IP对应网际层。 30 课堂练习: 3.（判断）端口号用于区分同一主机上的不同应用进程。（　） 解析：正确。端口号用于区分同一主机上的不同应用进程。 4. 简述发送端封装与接收端解封装的方向。 解析：发送端自上而下逐层封装；接收端自下而上逐层解封装。 课堂小结 抓住“分层、协议、封装、端口”四个关键词，就能读懂一次通信过程。 OSI 上三层 应用层 / 表示层 / 会话层 → TCP/IP 应用层 HTTP、HTTPS、DNS、SMTP、POP3 面向用户服务 OSI 传输层 TCP、UDP；端口、分段、可靠传输 → TCP/IP 传输层 面向进程通信 端口在这一层发挥作用 OSI 网络层 IP 寻址、路由选择 → TCP/IP 网际层 IP、ICMP、ARP 负责跨网段转发 OSI 下两层 数据链路层 / 物理层：帧、MAC、比特 → TCP/IP 网络接口层 以太网、Wi-Fi、PPP 把数据送到链路上 协议三要素：语法 / 语义 / 时序 封装/解封装：逐层加首尾部 PDU：数据 → 段 → 包 → 帧 → 比特 端口：识别具体应用进程 课后任务 按“画图 - 分析 - 复习”的顺序完成，边做边把概念串起来。 1 绘图任务 绘制 OSI 七层模型和 TCP/IP 四层模型对应关系图，标明合并关系与层次名称。 2 过程分析 选择一次网页登录或发送消息过程，说明涉及的协议、层次、PDU 和端口作用。 3 复习巩固 完成课后练习，复习协议三要素、封装/解封装和常见应用层协议。 提交建议：关系图 1 张 + 过程分析 1 份 + 练习答案。建议在作业中把“层次、协议、PDU、端口”四项对齐写清楚。 谢谢观看 THANKS $