教学过程：

【项目引入】：小李在使用qq聊天的时候，为什么给朋友A发送的消息不会是朋友B收到呢？这是因为数据在网络中传输时，需要在前面加一些控制信息。这就涉及到OSI和TCP模型，以及数据的封装和解封装过程了。

2.1 任务一：初识OSI参考模型

【提问】：计算机网络是个非常复杂的系统。相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。怎么实现“协调”  呢？

【总结】：“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

什么是协议？

l  举例：例如：传统的教学秩序，人类生活准信的法律法规，人与人基本的礼仪。

l  计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

l  这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。

l  网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

Ø网络协议的组成要素

语法：数据与控制信息的结构或格式 。 （格式问题）

语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。（解决做什么问题）

同步：事件实现顺序的详细说明。（先做什么后做什么的问题）

举例：课题上课。

语法：中文授课

语义：交换信息中各字段的含义

同步：教师讲，学生听；教师问，学生答。

Ø分层原则

每层的功能应非常明确；

层数不能太少，以避免不同的功能混杂在同一层中，协议太复杂；

层数也不能太多，否则体系结构会过于庞大。

l  为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构研究该问题。

l  他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。

Ø两种国际标准

法律上的国际标准 OSI（开放系统互连参考模型OSI/RM） 并没有得到市场的认可（请同学思考没有得到认可的原因？）。非国际标准  TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的国际标准。

2.1.1 OSI参考模型的层次结构

OSI模型就是基于ISO的建议， OSI模型有7层，其分层原则为根据不同层次的抽象的分层，每层都可以实现一个明确的功能，每层功能的制定都有利于明确网络协议的国际标准，层次明确避免各层的功能混乱。

分层的好处：利用层次结构可以把开放系统的信息交换问题分解到一系列容易控制的软硬件模块－层中，而各层可以根据需要独立进行修改或扩充功能，同时，有利于个不同制造厂家的设备互连，也有利于我们学习、理解数据通讯网络。

【总结】：不同层传输的数据不一样，严格对等层通信，对等层采用相同的协议。

2.1.2 OSI参考模型各层的功能

应用层提供网络应用程序通信接口；表示层处理数据格式、数据加密等；会话层建立、维护和管理会话；传输层建立主机端到端连接；网络层负责寻址和路由选择；数据链路层提供介质访问、链路管理等；物理层提供比特流传输。

应用层、表示层和会话层合在一起常称为高层或应用层，其功能通常是由应用程序软件实现的；物理层、数据链路层、网络层、传输层合在一起常称为数据流层，其功能大部分是通过软硬件结合共同实现的。

（1）物理层

物理层是OSI参考模型的第一层，也是最低层。

1）二进制在线路上的表示和传输二进制“位”信号，即“透明”地传送比特流，  数据单位是比特（Bit）；

2）指定传输方式的要求；

3）当建立、维护与其他设备的物理连接时，提供需要的机械、电气、功能特性和规程特性。

工作在物理层的设备：HUB工作在物理层。对信号只起简单的再生，放大，除噪声的作用。所有的工作站通过HUB相连都共享同一个传输媒体，所以所有的设备都处于同一个冲突域，所有的设备都处于同一个广播域，设备共享相同的带宽。

（2）数据链路层

数据链路层是OSI参考模型的第二层，它以物理层为基础，向网络层提供可靠的服务。无差错地传送以帧为单位的数据，具体为：

1）数据链路的建立、维护与释放链路的管理工作；

2）将传输数据增加的同步信息、校验信息及地址信息封装成数据帧；

3）数据帧传输顺序的控制；

4）差错检测与控制；

5）数据流量控制。数据链路层的作用包括：

l                定义物理源地址和物理目的地址。

l   MAC地址为48位16进制数字，前24位由IEEE分配，后24位由厂商自行分配，例如中兴通讯的数据通讯产品的MAC地址的前六位十六进制数是00d0d0。

l   请学生拿出手机或者笔记本电脑查看设备的MAC地址。

命令：ipcomfig/all  或者getmac

l   理论上全世界设备接口的MAC地址是唯一的。但目前随着3层交换机的使用这种情况有所变化。所有MAC地址在同一个局域网中都必需是唯一的。具有相同MAC地址的2台设备不能在同一链路层中。

工作在数据链路层的设备：交换机和网桥。

每个网段都是一个单独的冲突域，所有的网段都处于同一个广播域。使用网桥或交换机可以将一个大的冲突域划分成多个小的冲突域，大大提高了网络的性能。网桥与交换机根据数据帧的目的MAC地址决定转发出口，网桥或交换机的每个端口连接的网段就是一个单独的冲突域。网桥和交换机对接收到的广播数据帧做洪泛的操作，即从除了进入端口外所有其他端口转发。

（3）网络层

网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层与数据链路层之间。

目的：节点间通信

功能：寻址、路由选择、拥塞控制

数据单位：分组（包）

工作在网络层的设备：路由器

路由器连接相同或不同的数据链路层链路和不同的逻辑网络或子网。负责根据逻辑网络地址选择最佳路径，转发用户的数据包。路由器每个接口连接的是一个广播域，路由器用作隔离广播，控制组播数据的通过，并且路由器可以通过设置访问控制列表与队列作流量控制与管理。路由器支持不同类型的LAN与WAN数据链路层封装协议，可用来进行广域网的连接。

（4）传输层

传输层可以为主机应用程序提供端到端的可靠或不可靠的通讯服务。传输层对上层屏蔽下层网络的细节，保证通信的质量，消除通信过程中产生的错误，进行流量控制，以及对分散到达的包顺序进行重新排序等。

TCP/IP协议簇中包括2个传输层协议：TCP和UDP。TCP提供更可靠的面向连接的服务，而UDP提供不可靠的、面向非连接的、高效的服务。

面向非连接就是在正式通信前不必与对方先建立连接，不管对方状态就直接发送。UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去！UDP协议是面向非连接的协议，没有建立连接的过程。正因为UDP协议没有连接的过程，所以它的通信效率高；但也正因为如此，它的可靠性不如TCP协议高。

（5）高层

应用层、表示层和会话层合在一起常称为高层，其功能通常是由应用程序软件实现的。

会话层的任务就是通过执行多种机制在应用程序间建立、维持和终止会话。会话层机制包括计费、话路控制、会话参数协商等。常见的会话层协议有：结构化查询语言（SQL，Structed Query Language）、网络文件系统（NFS，Network  File System）系统等。

表示层主要解决用户信息的语法表示问题，它向上对应用层提供服务。表示层的功能是对信息格式和编码起转换作用，例如将ASCII码转换成为EBCDIC码等；此外，对传送的信息进行加密与解密也是表示层的任务之一。

应用层它是OSI体系结构中的最高层，是直接面向用户以满足不同需求的，是利用网络资源，唯一向应用程序直接提供服务的层。应用层主要由用户终端的应用软件构成，如我们常见的Telnet、FTP、SNMP等协议都属于应用层的协议。

2.1.3  OSI数据封装过程

Ø   数据封装（类似生活中的寄快递）

（1）定义：OSI参考模型中每个层次接收到上层传递过来的数据后都要将本层次的控制信息加入数据单元的头部，一些层次还要将校验和等信息附加到数据单元的尾部，这个过程叫做封装。

（2）每层封装后的数据单元的叫法不同：在应用层、表示层、会话层的协议数据单元统称为data（数据），在传输层协议数据单元称为segment（数据段），在网络层称为packet（数据包），数据链路层协议数据单元称为frame（数据帧），在物理层叫做bits（比特流）。

【总结】：封装就像什么呢？我们打个比方，孩子们喜欢玩的一个玩具，大家看到了就是俄罗斯套娃。

Ø  数据解封装（类似生活中的拆快递）

当数据到达接收端时，每一层读取相应的控制信息根据控制信息中的内容向上层传递数据单元，在向上层传递之前去掉本层的控制头部信息和尾部信息（如果有的话）。此过程叫做解封装。这个过程逐层执行直至将对端应用层产生的数据发送给本端的相应的应用进程。

【提问】请同学来回答一下：基本的网络应用举例。假如有甲乙两位朋友要通过各自的电脑上安装的QQ软件来聊天，这是我们日常生活中最常见的应用。甲在广州，乙在北京，两台主机处在不同的计算机网络中，网络和网络之间是通过若干台网络设备也就是路由器连在一起的。那甲在聊天对话框里面输入”哈哈，很稳定吧”以后，点击发送，对方在线的情况下会立即收到这个信息，虽然说这只是发生在一瞬间，但是实际上整个数据的传输却经历了非常复杂的过程。

【教师总结】

Ø   首先对于应用层来说，它作为网络结构的最高层，它的功能就是直接为用户的应用程序提供服务，那对于甲来说，位于应用层的QQ私有协议就会先把甲的聊天内容进行加密，然后把它封装到一个格式固定的一个数据包中，这个数据包就被称为应用层的协议数据单元PDU。

Ø   PDU通过前面讲过的应用层和传输层之间的接口，数据就被传送到了传输层。对于传输层来说，它不管是TCP也好UDP也好，都会把应用层传过来的数据按照它协议里规定好的数据格式再次进行封装，也就类似把这个上层传递过来的套娃再装到一个更大的套娃里面，那这个更大的套娃就被称为传输层的PDU。

Ø   传输层的PDU又通过传输层和网络层之间的接口被送到了网络层。在因特网中，同样的对于发送端而言，网络层中使用到的IP协议就会把传输层送来的数据,首先也是进行封装，对,正如你所想的那样又套在了一个套娃中。那这个套娃,被称为网络层的PDU。但是对于网络层的PDU有一个统一的名字叫分组，所以说大家一定要记住，网络层传输的基本单位叫做分组。在IP协议中又被称为IP分组或者IP数据报。网络层的另外一个重要的作用就是要进行路由选择。比如说甲通过QQ进行聊天的内容，到目前为止，我们知道它是封装到了一个IP分组里面，就是说对于网络层协议，就是要想方设法把分组通过若干台路由器的转发，最终送达给目的主机，也就是乙的电脑。

Ø   分组接下来要通过网络层和数据链路层之间的接口送达给了数据链路层。数据链路层要做的事情同样也是先把收到的分组进行封装，那封装到什么地方呢？前面已经讲过，对于数据链层传输的基本单位是帧，也就是说要把分组这个套娃装在了一个名字叫FRAME帧的套娃里面。再把帧以比特流的形式，也就是一个比特一个比特地去送达给传输媒体。然后传输媒体可能是有线的，比如说双绞线、光缆等等，或者是无线的，比如说无线电波等等，就是会以电信号或者光信号形式在物理媒体中传播。

Ø   想想看我们这个例子里面是不是一共有六个套娃呢？最小的就是聊天的内容，经过了五层的封装，也就是又套了五个套娃。对于数据就会按照自底向上的方向在物理层、数据链层、网络层、传输层和应用层之间传输，并且每一层收到以后都要进行数据的解封装，相当于是把套娃打开，取出里面较小的套娃，通过相邻层之间的接口送给他的上一层。

Ø   最终如果说一切正常的情况下，乙主机他的QQ程序收到的应该就是最小的套娃，也就是聊天的内容了。

  那为了进一步帮助大家理解我刚才例子中的数据传输过程，强化对于发送端数据从最高层向最低层层层封装的过程；对于接收端数据，从最底层向最高层有一个层层剥离的传递过程。

详细参考链接：

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1608165766152977337&wfr=spider&for=pc

总结：QQ数据的传输过程

u发送方在QQ软件中写入信息，即应用层开始工作；

u表示层决定用什么编码来传输数据（加密）；

u会话层负责建立与对方QQ应用程序建立会话；

u传输层通过UDP.TCP协议，通过QQ进程的相应端口建立端到端的连接；

u网络层给数据报写上IP地址，指明数据传输的目的地；

u数据链路层在网络层封装的基础上封装MAC地址；

u物理层就是最原始的比特流传输。

u对方计算机网卡在检测到数据帧的MAC地址与自身的匹配后，就接收信息，经过网络层和传输层的校验确认，最终来到应用层，转换成有意义的信息显示在对方的QQ程序窗口中。

补充内容

课程思政引入：QQ消息来自哪一层？对这种通信基于UDP模式，这种不可靠的模式，引申到做人做事，我们应该做一个值得信赖，讲规则的人。

重点掌握

重点掌握

思考题、讨论、作业、技能操作：

1、作业P30:第1题

2、简述一段QQ消息的艺术之旅。

3、下次课预习：项目2  解构网络协议框架2.2

参考资料（含参考书籍、文献、网络资料）：

1、许圳彬，王田甜,《IP网络技术》,北京：人民邮电出版社，2012.8

2、张俊星，黄成哲，《数据通信技术》，人民邮电出版社，2019.7

教学小结：

通过本节课学习，要求学生应该对TCP/IP与OSI参考模型、OSI参考模型各层的功能、封装与解封装的原理做掌握。

1、             OSI参考模型与TCP/IP参考模型

2、             OSI参考模型各层功能

3、             数据封装与解封装

教学后记：

OSI的封装和解封装过程理解有难度，通过邮件收发过程，能加强对知识的理解和掌握。结合TCP/IP和OSI参考模型进行对比学习。