计算机网络基础及应用教学设计(第三章计算机网络体系).docx

计算机网络基础及应用简案（教学设计）课程名称： 计算机网络基础及应用规范。教学内容计算机网络的体系结构理论课时4学时 实训课时0学时一、学习目标与任务1 .学习目标描述知识目标：网络体系结构的概念、协议的概念开放系统互联参考模型的概念技能目标：OSI参考模型各层的功能情感目标：通过工程提升学生的创意设计能力和团队合作能力；提高学生自主学习能力，培养欣赏美、 发现美和创造美的能力2 .学习任务重点及难点：TCP/IP协议的体系结构和OSI的比拟。二、教学方法1 .任务驱动、案例教学教师通过案例及任务驱动教学，让学生明确本次课学习目标及任务，从而可以激发起学生对 学习任务和学习过程、学习策略的积极性，培养学习兴趣等。2 .分组讨论法学生通过分组讨论的方法，同时提高学生的沟通能力和人际关系。3 .资源式教学课后练习，有针对性地进行课下作业任务的指导。三、学习活动组织1 .课上：本节以计算机网络体系结构穿教学过程，以教师为主导，学生为主体，介绍本次课 程的教学内容及目标，同时在教学过程中同时采用提问法、讨论法和互动式教学方法。2 .课下：课后练习。四、教学结构流程的设计教学环节教师活动学生活动教学回顾 (5分钟)教师引入课程新课导入 (5分钟)交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵 循某种互相都能接受的规那么。学生思考。新课讲解1、网络体系结构和 协议的概念(30)1 .网络协议(Protocol)为进行计算机网络中的数据交换而建立 的规那么、标准或约定的集合。协议总是指某 一层协议，准确地说，它是对同等实体之间 的通信制定的有关通信规那么约定的集合。网络协议的三个要素：学生记录教师本次课中的 知识点。1)语义(Semantics)。涉及用于协调与过失 处理的控制信息。2)语法(Syntax)。涉及数据及控制信息的 格式、编码及信号电平等。3)定时(Timing)。涉及速度匹配和排序 等。2 .网络的体系结构及其划分所遵循的原 那么计算机网络系统是一个十分复杂的系 统。将一个复杂系统分解为假设干个容易处理 的子系统，然后“分而治之，这种结构化设 计方法是工程设计中常见的手段。分层就是 系统分解的最好方法之一。在(图3.1)所示的一般分层结构中，n层 是n-l层的用户，又是n+1层的服务提供者。 n+1层虽然只直接使用了 n层提供的服务， 实际上它通过n层还间接地使用了 n-1层以 及以下所有各层的服务。图3.1层次模型层次结构的好处在于使每一层实现一种 相对独立的功能。分层结构还有利于交流、 理解和标准化。所谓网络的体系结构(Architecture)就是 计算机网络各层次及其协议的集合。层次结 构一般以垂直分层模型来表示(图3.2)。m/n层接口处一 ”"员n层提供服务一，n层 n/n-1 层接口Ayr nT层提供服务AT层虚通信-A1I4tX 1 （n+1层协议）N- 1,-'.（n层协议）.n层_ （n+l层协议）n-1层, >物.理媒体 买通信图3.2计算机网络的层次模型层次结构的要点：1）除了在物理媒体上进行的是实通信之 外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。2）对等层的虚通信必须遵循该层的协 议。3）n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处 n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也 是虚通信）来实现的。层次结构划分的原那么：1）每层的功能应是明确的，并且是相互 独立的。当某一层的具体实现方法更新时， 只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻 居产生影响。2）层间接口必须清晰，跨越接口的信息 量应尽可能少。3）层数应适中。假设层数太少，那么造成每 一层的协议太复杂;假设层数太多，那么体系结构 过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。网络的体系结构的特点是：1）以功能作为划分层次的基础。2）第n层的实体在实现自身定义的功能 时，只能使用第n-1层提供的服务。3）第n层在向第n+1层提供的服务时， 此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含 由下层服务提供的功能。4）仅在相邻层间有接口，且所提供服务 的具体实现细节对上一层完全屏蔽。3.1.2 OSI基本参考模型1 .开放系统互连（Open System Interconnection）基本参考模型是由国际标准化组织(ISO)制定的标准化开放式计算机网 络层次结构模型，又称ISOIOSI参考模型。 “开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模 型和有关标准的系统进行互连。OSI包括了体系结构、服务定义和协议 规范三级抽象。OSI的体系结构定义了一个 七层模型，用以进行进程间的通信，并作为 一个框架来协调各层标准的制定;OSI的服务 定义描述了各层所提供的服务，以及层与层 之间的抽象接口和交互用的服务原语;OSI各 层的协议规范，精确地定义了应当发送何种 控制信息及何种过程来解释该控制信息。需要强调的是，OSI参考模型并非具体 实现的描述，它只是一个为制定标准机而提 供的概念性框架。在OSI中，只有各种协议 是可以实现的，网络中的设备只有与OSI和 有关协议相一致时才能互连。如图形3.3所示QSI七层模型从下到上 分别为物理层(Physical Layer,PH)、数据链路 层(Data Link Layer,DL) > 网络层(Network Layer,N)、运输层(Transport Layer,。、会话层 (Session Layer,S)、表示层(Presentation Lay er,P)和应用层(Application Layer,A)。端开放系统应用层 表不层 会话层运输层网络层 链路层 物理层DLTiTI中继开放系统I -N i【一 DLI* PH I JMPA层协议上点孤_ F丽(一 这通通信于网中继“收系标T【北"|一一丹厂一IMF'i开放三中掷摩系4应用层 表不层 会话层运输层网络层 链路层 物理层图3.3 ISO's OSI参考模型从图中可见，整个开放系统环境由作为 信源和信宿的端开放系统及假设干中继开放系 统通过物理媒体连接构成。这里的端开放系 统和中继开放系统，都是国际标准OSI7498 中使用的术语。通俗地说，它们变相当于资 源子网中的主机和通信子网中的节点机(IMP)o只有在主机中才可能需要包含所有七 层的功能，而在通信子网中的IMP 一般只需 要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以 了。2 .层次结构模型中数据的实际传送过程 如图3.4所示。图中发送进程送给接收进程和 数据，实际上是经过发送方各层从上到下传 递到物理媒体;通过物理媒体传输到接收方 后，再经过从下到上各层的传递，最后到达 接收进程。在发送方从上到下逐层传递的过程中， 每层都要加上适当的控制信息，即图中和 H7、H6、H1,统称为报头。到最底层成 为由“0”或“1”组成和数据比特流，然后再转 换为电信号在物理媒体上传输至接收方。接 收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥 去发送方相应层加上的控制信息。因接收方的某一层不会收到底下各层的 控制信息，而高层的控制信息对于它来说又 只是透明的数据，所以它只阅读和去除本层 的控制信息，并进行相应的协议操作。发送 方和接收方的对等实体看到的信息是相同 的，就好像这些信息通过虚通信直接给了对 方一样。新课讲解二、OSI参考模型的几个层次(25)图3.4数据的实际传递过程教师讲解并演示：各层功能简要介绍：学生记录(1)物理层-定义了为建立、维护和撤除 物理链路所需的机械的、电气的、功能的和 规程的特性，其作用是使原始的数据比特流 能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的 协调等内容。(2)数据链路层-比特流被组织成数据 链路协议数据单元(通常称为帧)，并以其为单 位进行传输，帧中包含地址、控制、数据及 校验码等信息。数据链路层的主要作用是通 过校验、确认和反应重发等手段，将不可靠 的物理链路改造成对网络层来说无过失的数 据链路。数据链路层还要协调收发双方的数 据传输速率，即进行流量控制，以防止接收 方因来不及处理发送方来的高速数据而导致 缓冲器溢出及线路阻塞。(3)网络层-数据以网络协议数据单元 (分组)为单位进行传输。网络层关心的是通信 子网的运行控制，主要解决如何使数据分组 跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这 就需要在通信子网中进行路由选择。另外， 为防止通信子网中出现过多的分组而造成网 络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。 当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地 时，还要解决网际互连的问题。(4)运输层是第一个端端，也即主机 -主机的层次。运输层提供的端到端的透明数 据运输服务，使高层用户不必关心通信子网 的存在，由此用统一的运输原语书写的高层 软件便可运行于任何通信子网上。运输层还 要处理端到端的过失控制和流量控制问题。(5)会话层-是进程-进程的层次，其主 要功能是组织和同步不同的主机上各种进程 间的通信(也称为对话)。会话层负责在两个会 话层实体之间进行对话连接的建立和撤除。 在半双工情况下，会话层提供一种数据权标 来控制某一方何时有权发送数据。会话层还 提供在数据流中插入同步点的机制，使得数 据传输因网络故障而中断后，可以不必从头 开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。(6)表示层-为上层用户提供共同的数 据或信息的语法表示变换。为了让采用不同 编码方法的计算机在通信中能相互理解数据 的内容，可以采用抽象的标准方法来定义数 据结构，并采用标准的编码表示形式。表示 层管理这些抽象的数据结构，并将计算机内 部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提 供的表示变换功能。(7)应用层是开放系统互连环境的最高 层。不同的应用层为特定类型的网络应用提 供访问OSI环境的手段。网络环境下不同主 机间的文件传送访问和管理(FTAM)、传送标 准电子邮件的文电处理系统(MHS)、使不同 类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟 终端(VT)协议等都属于应用层的范畴。教师讲解并演示:IP地址每个因特网上的主机和路由器都有一个 IP地址，它包括网络号和主机号。没有也不 允许两台机器有相同的IP地址。所有的IP 地址都是32位的。为了方便起见，一般使用 以下方式来转换这一长串的0 / 1数值：1首先以8Bits为单位,将32Bits的IP地 址分成4段：新课讲解3、IP基础与地址(30 )11001011 01001 010 11001101 01101111学生记录计算机网络的组 成和分类。2将各段的二进制数值转换成十进制，再以隔开以利阅读：二、下一代IP协议IPv6现在使用的IP版本是IPv4, IPv6是IPv4 的改良而不是革新。IPv4的一些有用特征被 IPv6继承，不太有用的局部那么被舍去。按照 IPv6规范，从IPv4到IPv6的变更可分为以 下几类：(1)扩大了寻址能力。IPv6中IP地址范围 由32位增加到128位。(2)简化了分组头格式。（3）改善了各种扩展与选项的支持。（4）增加了标签能力。（5）加入了审计与保密能力。IP地址的等级IP地址包括网络地址和主机地址为了适合各种不同大小规模的网络需求，IP 地址被分为A、B、C、D、E五大类，其中A、 B、C类是可供Internet网络上的主机使用的 IP地址，而D、E类是供特殊用途的IP 地址。> A类:A类的IP地址适合于超大型的 网络> B类：B类的IP地址适合于大、中型 网络> C类：C类的IP地址适合于小型网络> D类：D类的Network ID用于多点播 送A E类：这是一个用于将来扩展用的 Network ID课堂讨论 （10分钟）TCP/IP协议簇的四个层次学生在教师的带着下讨论 问题。老师带着学生总结结论， 学生记录。课堂总结 （5分钟）计算机网络体系结构采用分层结构学生在老师的引导下共同 总结本次课的主要内容。布置作业 （5分钟）课后练习题。学生记录作业。教学反思（后记）该单元是本课程的重要内容，定义和描述了一组用于计算机及通信设施之间互相联系的标准和