RCNA_P001_网络标准化(v10)

1第一章网络标准化一、教学目标通过本章学习使学员能够：1.掌握OSI七层模型的起源、作用和各层的功能；2.熟悉网络传输过程中数据的封装与解封装的过程；3.掌握TCP/IP协议栈中各层的常见协议的特点；4.了解以太网中数据的结构。二、教学方法理论讲述三、建议课时1.5课时四、教学课程内容第一小节OSI七层模型（40分钟）课程知识点1、OSI七层模型的起源与作用2、OSI七层模型的分类与各层之间的关系3、OSI七层模型各层的功能4、常见应用层协议5、数据链路层的构成6、MAC地址格式及组成7、数据封装和解封装过程及在各层次的名称课程重难点重点1、传输层、网络层、数据链路层功能；2、OSI各层间的关系；3、数据封装与解封装过程中数据的变化内容。难点2教学内容概览在网络发展初期，各网络厂商都按照自己的标准生产设备，导致不同厂商的设备无法互相通信，为了解决这个问题，在20世纪70年代后期国际标准化组织（ISO）定义了OSI七层模型，它是设计网络系统的分层次的框架，使得所有类型的计算机系统可以通信。OSI七层模型从上到下分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。根据各层功能特征进行划分，上三层功能主要是面向用户应用的，下四层功能主要是面向数据传输的。七层模型中的每一层都有自己独立的功能，但是各层之间又相互依靠，下层为上层提供服务。每一次数据的传输都是从发送端按七层模型到达物理层后传输到接受端，在接受端又从物理层到应用层对数据进行处理。OSI七层模型每一层都有自己独立的功能，应用层主要让各种应用程序能够使用网络服务，常见应用层协议有http（超文本文件传输协议）、ftp（文件传输协议）等。表示层负责在数据的传输过程中对数据进行编解码、加密解密以及压缩和解压缩，编解码是指不同的计算机使用不同的编码系统对字符串、数字等信息进行编码，为了让不同的计算机能互相通信，表示层在发送端将信息转换为公共格式，在接收端将信息从公共格式转换为本机可读的格式。会话层主要负责对话的控制和同步的控制，对话控制是指允许对话以全双工或半双工方式进行，同步控制指可以在数据流中加入若干同步点，当传输中断时可以从同步点重传。传输层负责数据的端到端的传输，以及通过端口号区分上层服务，这里提到的端到端的传输是指从程序到程序的传输。网络层负责提供逻辑地址即IP地址，数据从源端发送到目的端，这里的源端和目的端都是指发送计算机和接收计算机，数据链路层管理设备的MAC地址，同时决定数据通讯的机制和差错控制。物理层主要负责二进制信号在物理线路上的传输。数据在按照OSI七层模型传输的时候，在每一层都会对数据进行封装或是解封装，在发送数据的时候是对数据进行封装，在各层加上相关报头，并且在每一层的数据单元都有其专有名称—协议数据单元（PDU）。同样的，在到达目的端后，数据被从物理层送到应用层，这个过程是解封装的过程，在链路层剥去链路层报头，在网络层剥去网络层报头，在传输层剥去传输层报头，最后得到的是在源端需要传输的数据。经过这样的一个封装和解封装的过程，数据在网络中便得以传输。重点、难点分析1、传输层功能：传输层的功能有很多，诸如服务点编址、分段重组、连接控制等，但是传输层最重要的功能是：1)负责数据的端到端的传输。要注意传输层所讲的端到端是指计算机通信中的某一进程的源端到目的端，要和网络层的源端和目的端区别开来。2)负责服务点的编址。所谓服务点的编址就是说，计算机往往同时运行多个程序，例如同时上QQ和浏览网页，那么大量的数据在到达计算机后如何区分哪些数据是QQ的数据哪些数据是浏览网页的数据呢。解决的办法是给属于不同程序（进程）的数据特定的编号，即端口号，用数据中的特定端口号来区分出数据是属于哪一程序。这种用特定端口号的方式来区分属于不用程序的方式叫服务点编址。2.网络层功能：网络层功能主要是：1)为网络设备提供逻辑地址即IP地址；2)负责数据从源端发送到目的端，这里的源端和目的端都是指网络节点，注意和传输层的端3的概念的区别。3)负责数据的寻径和转发，寻径是指在转发数据的时候，根据数据的目的地址判断从哪一条路径转发数据最优。3.数据链路层功能数据链路层功能主要是：组帧，把从网络层收到的数据流划分成数据帧。物理编址是在数据帧中封装入源目的MAC地址。流量控制可以防止接收端因为过载而产生丢帧，通过差错控制可以检测损坏或丢失的帧，纠错手段主要是重传。接入控制指的是当有多台设备连接到同一链路时，数据链路层必须决定哪一个设备在什么时刻对链路有控制权。4.OSI各层间的关系：OSI各层都有自己独立的功能，互相之间相互独立又互相依靠。以发送一条QQ消息为例来说明他们之间的关系，首先，应用层提供应用程序和网络服务的接口，使应用程序能够使用网络服务；表示层把文字信息进行编码，如果需要的话，还可以进行加密压缩等处理；会话层则负责建立会话连接，并且可以在数据流中加入若干同步点。在到达传输层后，传输层首先对应用数据进行分段，然后为每个数据段加上传输层报头，主要包括源目的端口，由传输层负责进程到进程的传输；继续向下到网络层后，加上网络层报头，主要包括源目的地址，由网络层负责将数据从源端传送到目的端，这里的源端和目的端是指发送数据的计算机和接收数据的计算机，到达数据链路层后，加上链路层报头，由数据链路层负责数据传送过程中的节点到节点的传送。数据到达物理层后，由物理层负责数据在物理线路上的传输。从这个过程可以看出，各层互相之间都有联系，下层的功能为上层提供服务，例如，只有数据能够在物理线路上正确传输，数据才可能从一个节点到达下一节点，只有实现一个节点到下一个节点，才可能实现从源计算机到目的计算机。5.数据封装和解封装过程中数据的变化内容数据在到达传输层后会在数据前面封装上传输层报头，其中的重要信息是数据的源端口和目的端口，此时叫数据段，在到达网络层后会封装上网络层报头，其中的重要信息是源IP、目的IP、上层协议等，此时的数据单元叫数据包，数据包继续向下传送，在到达数据链路层后，在数据包的基础上封装链路层报头，其中的重要信息是源目的MAC地址，此时的数据单元叫数据帧，最后数据帧到达物理层，在物理层转化成0101的比特流经由物理线路传输到目的端。数据解封装的过程刚好与封装相反。第二小节TCP/IP协议栈（50分钟）课程知识点1.TCP/IP协议栈与OSI七层模型的关系2.应用层常用协议3.传输层协议4.TCP段格式、长度5.端口号作用及分类，常见端口号6.TCP三次握手过程7.TCP确认机制8.TCP滑动窗口机制49.UDP段格式、长度10.TCP、UDP应用区别11.网络层功能、协议12.IP数据包格式13.ARP协议工作原理14.ICMP协议功能及常用命令15.LLC层及MAC层功能16.MAC地址格式课程重难点重点：1、OSI和TCP/IP协议栈的区别；2、传输层协议：端口号作用和常见端口号、TCP/UDP的区别、TCP三次握手、滑动窗口等；3、网络层协议：ARP、ICMP协议的应用；4、网络接口层：IEEE802.3和以太II标准、MAC地址。难点：1、OSI和TCP/IP协议栈的区别；2、传输层协议：端口号作用和常见端口号、TCP/UDP的区别、TCP三次握手、滑动窗口等；3、网络层协议：ARP；4、网络接口层：IEEE802.3和以太II标准。教学内容概览OSI七层模型并不是协议，它是对了解网络体系结构非常有价值的参考模型，而TCP/IP协议栈则是很多个协议的集合，二者概念不同，并且，TCP/IP协议栈早于OSI七层模型开发出来，因此，TCP/IP协议栈和OSI七层模型并没有完全的对应关系。通常认为，OSI的应用层、表示层、会话层对应TCP/IP协议栈的应用层。OSI的传输层对应TCP/IP的传输层，OSI的网络层对应TCP/IP的互联网络层，OSI的数据链路层和物理层对应TCP/IP的网络接口层。TCP/IP协议是很多协议的集合，在TCP/IP协议栈的每一层，都有很多协议，应用层常见协议有SMTP（简单邮件传输协议）、FTP（文件传输协议）等。传输层依靠端口号来寻址。端口号有分为熟知端口、注册端口和动态端口三类，其中，熟知端口范围是0-1023，是由IANA负责分配给一些常用的应用层程序固定使用的端口，注册端口范围是1024-49151，这些端口通常用来作为一些服务端口，动态端口的范围是49152-65535，可以由任何进程来使用，是临时的端口。常见的应用程序都有自己的熟知端口，例如FTP是TCP的20和21端口，DNS是TCP和UDP的53端口，其中，UDP的53端口是DNS客户端和服务器端传输数据时使用，TCP的53端口是DNS服务器和DNS备份服务器之间备份数据时使用。传输层在封装源目的端口时，源端口大于1023且在系统中未使用，目的端口为所请求的服务的端口。传输层的常用协议主要有TCP（传输控制协议）和UDP（用户报文协议）。TCP协议是面向连接的传输协议，而UDP则是无连接的传输协议。TCP数据段报头包含源目的端口、顺序号以及TCP控制信息等内容，共20个字节。TCP协议具有多种机制来保障数据准确到达目的端，包括三次握手建立连接，确认机制确保数据准确，滑动窗口保障流量可控。具体为，三次握手过程是：在采用TCP协议传输数据时，在发送数据之前，客户端向服务端发送建立连接的请求，服务端则回应这个请求，5最后是客户端发送连接建立确认，通过这样的过程来建立源目的端的连接。确认机制是指，当发送方发送一个数据段后，如果接收方收到此数据段并且此数据段完整正确，会向发送端回复针对此数据段的确认信息。如果发送方没有收到针对此数据段的确认信息，则认为此数据段丢失或错误，需要重传。确认机制可以确保数据传输的准确性，但是如果对每个数据段都进行确认的话，效率过低，因此在实际应用中通常是对多个数据段回复一条确认信息。除确认机制外，TCP协议的滑动窗口也是保证数据正常传输的重要措施，它能够根据接收方的处理能力控制发送方发送数据的速度，以保障接受方能够正常接收数据。TCP协议利用三次握手、确认机制和滑动窗口来保障数据的准确传输。UDP协议则没有这些机制，同时，UDP数据段报头的格式也较为简单，只有源目的端口和简单的控制信息等，因而长度也较短，只有8个字节。因此，UDP协议不保障数据能准确传输到目的端。因为TCP和UDP的这些特点，其应用场合也有不同，TCP通常应用在需要数据准确传输的场合，例如浏览网页，FTP下载，而UDP则应用在需要数据快速传输，而对准确性要求不是太高的场合，例如QQ视频等。网络层主要负责将报文从源端传送到目的端，包含的协议主要有ICMP、IGMP、IP、ARP、RARP。IP协议目前使用的主要是IPv4和IPv6的版本，目前主流的IP协议仍然是IPv4。IP数据报头包含的内容较多，包括版本，源目的IP地址TTL等。ICMP（网际控制消息协议）也是网络层中应用较多的协议，主要用在网络测试和报告中，比较常用的如ping、tracert等命令。另一网络层协议ARP（地址解析协议）负责将IP地址解析成MAC地址，广泛应用在目前的数据传输过程中，而RARP协议则刚好相反，负责将MAC地址解析成IP地址，主要应用于无盘网络中工作站获取自己的IP地址。网络接口层的协议较多，在以太网环境中，数据链路层分为两层，分别是MAC层和LLC层，LLC子层负责数据链路层的流量控制和差错控制。MAC子层负责CSMA/CD接入方法的操作。MAC子层还把从LLC子层收到的数据组装成帧，并将给物理层进行编码。MAC地址是链路层数据帧的重要内容，MAC地址共48位，用十六进制表示，前24位由IEEE分配给厂商，后24位由厂商自己分配。重点、难点分析1、OSI和TCP/IP协议栈的区别：OSI七层模型是并不是协议，它是对了解网络体系结构非常有价值的参考模型，而TCP/IP协议栈则是很多个协议的集合，二者概念不同，并且，TCP/IP协议栈早于OSI七层模型开发出来，因此，TCP/IP协议栈和OSI七层模型并没有完全的