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第2.1课《高效传输秘籍——漫谈TCP/IP和包交换》教学设计
课题 高效传输秘籍——漫谈TCP/IP和包交换 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 七年级
核心素养目标 信息意识：能够认识到TCP、IP协议和包交换在现代信息传输中的重要性，理解这些技术是实现网络通信的关键因素。计算思维：理解包交换的基本概念，能够简单描述数据是如何被分解成数据包进行传输的。数字化学习与创新：学会利用在线资源（如科普视频、动画）自主学习TCP、IP和包交换的相关知识，提高数字化学习能力。信息社会责任：认识到网络安全与TCP、IP协议和包交换相关知识的联系，意识到保护网络环境是每个人的责任。
教学重点 能够认识到TCP、IP协议和包交换在现代信息传输中的重要性，理解这些技术是实现网络通信的关键因素。
教学难点 理解包交换的基本概念，能够简单描述数据是如何被分解成数据包进行传输的。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.1课 《高效传输秘籍——漫谈TCP/IP和包交换》板书课题。1.本单元你将学习：TCP/IP如何实现数据的高效传输标识网络位置的IP地址是如何发展的互联网中的众多成员如何各司其职如何搭建属于自己的小型计算机网络有学者曾认为计算机与通信网络结合后，会对人类社会产生重大影响。如今，互联网已经成为极其重要的基础设施，信息化社会早已到来。实现高效传输网络信息，一直是互联网的发展目标。学会将计算机接入互联网以缓解“信息不对称”问题，已成为每位社会成员都必须具备的一项生存技能。承载信息传输的网络设备有哪些？请将你所知道的设备名称、主要功能或特点，填写在下表中。网络设备名称主要功能或特点路由器连接不同网络，依IP地址转发数据包，选最佳传输路径。交换机连接局域网设备，按MAC地址转发数据帧，提效减冲突域。集线器连接多设备，放大信号再发送，但共享带宽易冲突。调制解调器数字与模拟信号转换，实现设备网络连接。网卡装于设备内，转换数据为网络可传格式以连网。当我们使用智能手机、平板电脑或台式计算机在互联网上遨游时信息大多是通过无线电信号传输的。但是承载全球互联网主要流量的不是家里的 Wi-Fi 与路边的手机基站，而是位于大洋海底的光缆，它是极为重要的互联网基础设施。1988年，第一条横跨大西洋的海底光缆铺设成功。2019年，全球海底光缆达到380根，总长约为120万千米，可绕地球赤道30圈，传输约 99% 的跨洋网络流量。1978年，中国自行研制出第一条通信光缆，1984年后，其逐渐被用于长途通信。2.本课中你将学习：计算机网络都有哪些信息交换方式三种网络信息交换方式的原理是什么TCP/IP是如何实现高效传输的你发现了吗？家里虽然只有一个网络出口，但丝毫不影响家人们共同使用。大家可以尽情地下载视频、发送信息，却很少发生网络拥塞问题这就是人类在网络信息交换方式上的突破。3.播放视频 学习单元导入。学习新知引入观看教学视频。 了解本单元的所学内容。初步明确本课所学知识点。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。网络的信息交换方式网络就像是发达的高速公路网，而信息则像是行驶车上的货物。为了让信息能快速地送达，除了要建设四通八达的网络，还要研制高效的“交通规则”，人们为此先后发展出电路交换、报文交换与分组交换三种方式。1.电路交换早在研究解决计算机与计算机连接的问题时，人们就想到可以模仿有线电话方式实现通信，即通过专用电线交换双方的信息，这就是电路交换。其优点是原理简单，通信速度较快；缺点是整个网络的通信效率很低。当网络中的公用线路被占用时，其他计算机只能排队等候，直到占用几年后继续轮流使用如图 2.1.1 所示。2.报文交换不难看出，电路交换有一个明显缺点，就是公用线路被占用期间，不是一直在交换信息，双方交流时总会有间歇的片刻。于是人们想出了一个提升整个网络通信效率的方法，即让计算机只在有发送或接收信息时才使用网络，若交流期间出现间歇，则主动让给其他计算机，于是就有了报文交换。报文交换又称为存储转发交换，其基本原理如图2.1.2所示。它不再为通信双方连接专用通信线路；而是先在每次发送的信息(即报文)上标注好出发与到达的地址，再交给网络节点中的交换机存储转发；交换机就像是快递员，会根据报文上的目标地址，自动搜寻传输线路，若有空线路则立即传输，若无空路线则暂时存储，直到有空线路出现，从而提高了整个网络的通信效率。3.分组交换人们很快就发现报文发送也存在一些问题。当报文的存储容量超过换机接收能力时，就会出现网络拥堵或数据丢失等现象。于是人们就对其进行优化，规定在报文发送前，要根据下一个节点的处理能力进行自动切分，以分割成多组容量更小的数据包分批次传输。这便是分组交换，又称为包交换。包的传输过程与报文的传输过程基本相似，但因为需要重新组装成报文，所以除了标注地址，还要为其分配编号，如图2.1.3所示。虽然包比报文在信息交换时更为可靠，但也会因为各种意外而出现“丢包”的现象于是人们还约定，当接收方在规定时间内没有收到包时，发送方就必须重新发送该包。探索请查阅更多关于三种信息交换方式的知识，并整理它们的优缺点，写在表 2.1.1中。表2.1.1 三种信息交换方式的优缺点交换方式优点缺点电路交换时延小，有序传输，无冲突，实时性强。建连时长，利用率低，缺灵活性，不适突发数据。报文交换无需建连，利用率高，可速率转换，有差错控制。转发时延大，报文无大小限制，缓存要求高。分组交换高效、灵活、可靠，适合突发传输。有存储转发时延，首部增加开销，可能失序丢失。知识拓展三种信息交换方式怎么选择？1.对实时性和数据顺序的要求 如果对实时性要求极高，且数据传输顺序不容错乱，像电话通话、视频直播等场景，电路交换更合适，它能保证稳定且有序的传输。对于实时性要求不高，对数据顺序有一定容错性的情况，如一般性的网页数据获取，分组交换或者报文交换可以满足需求。2.数据量与传输效率 当有大量数据持续传输时，电路交换能提供稳定带宽，适合传输大量数据的任务。若数据传输量较分散且量不大，分组交换可根据实际情况灵活分配资源，提高线路利用率。3.成本与网络状况 在网络资源紧张、成本需要控制的情况下，分组交换通过资源共享降低成本，适合网络负载大且预算有限的环境。对通信安全和可靠性要求高，如军事通信等，电路交换独占线路的特点能提供较高的安全性保障。二、TCP/IP 的数据包传输TCP/IP是基于包交换原理实现了数据的高效传输。数据包在网络中的真实传输过程要远比包交换原理复杂，因为其不仅要找到对方在网络中的具体位置，还要确认对方是否有空接收。1.确认网络位置并封装数据包IP在这方面派上了用场。它要求包括计算机与交换机在内的每台网络设备，都会分配到一个独一无二的地址，用于确认其在网络中的具体位置。按照一定的规则，先将地址与其他相关信息封装到数据包中，再将数据包转交给 TCP 处理。这好比是寄快递。无论是寄件人还是收件人，都必须要有一个具体的地址，还要对快递件进行包装并填写上寄件人与收件人的相关信息，以便于快递公司进行收件、转运与派送。2.建立通信连接以实现可靠传输TCP约定收发双方要先建立通信连接，以实现可靠传输并防止出错，这个过程可分为“建立 TCP连接”“传输数据包”“断开TCP连接”三个环节。建立TCP连接，又称为“三次握手”，具体过程如图2.1.4所示。收发双方就像是初次打电话的两人，先礼貌性地询问对方是否有空，在等对方都确认之后，才正式开始交谈。探索请分析“三次握手”的必要性，为什么？三次握手很有必要。它能让通信双方确认初始序列号，防止已失效连接请求被误认成新请求而浪费资源，可同步双方窗口大小以实现流量控制，还能建立可靠连接避免重复连接，从而为数据传输奠定可靠基础。传输数据包，具体过程如图2.1.5所示。双方在共同确认收发时机之后，再进行数据包的传输与接收。断开 TCP连接，又称为“四次挥手”，具体过程如图2.1.6所示。收发双方确认收发完毕后，再断开TCP连接，从而释放网络中通信线路的资源。什么情况下，容易出现“网络拥塞”现象？容易出现网络拥塞的情况包括：网络数据流量超过处理能力或带宽容量，链路带宽受限，服务器性能存在瓶颈，传输协议不良、拥塞控制算法不足，数据包无序到达，网络设计不合理，流量分布不均衡，高延迟和丢包率，网络或设备故障，遭受恶意攻击以及缺乏网络管理和监控等。知识拓展怎样的网络设计能避免出现拥塞问题？ 1.合理的网络拓扑结构：设计网络时，应考虑网络的物理布局和逻辑结构，确保数据能够以最短的路径传输，减少不必要的跳数和延迟。 2.流量控制：实施流量整形和流量监管，确保网络流量在可接受的范围内，避免突发流量对网络造成冲击。 3.负载均衡：通过负载均衡技术，将网络流量均匀地分配到多个路径或设备上，避免单点故障和拥塞。4.拥塞控制算法：采用有效的拥塞控制算法，如TCP拥塞控制，以动态调整发送速率，避免网络拥塞。 5.网络设备的性能：选择具有足够处理能力和带宽的网络设备，如交换机和路由器，以支持预期的网络流量。 6.网络安全：确保网络安全，防止恶意攻击导致的流量异常增长，从而引发拥塞。7.网络管理和监控：实施有效的网络管理和监控系统，及时发现和解决网络拥塞问题。8.网络优化：定期对网络进行优化，如调整路由策略、优化网络参数等，以提高网络性能和减少拥塞。三、课堂练习挑战模拟信件数据包在如图2.1.7所示的网络中传输。5位同学一组，分别扮演1~5号路由器角色；信件拆分成5份数据包，依次从1号路由器发出，送达5号路由器为止。通过投掷硬币方式决定传输路线正面为实线，反面为虚线；将各个数据包经过的路由器与到达顺序，记录在表 2.1.2中。分析数据包的到达顺序，是否与其编号一致？什么情况下，容易出现“网络拥塞”现象？表 2.1.2数据包存储转发数据包1号路由器2号路由器3号路由器4号路由器5号路由器到达顺序数据包1出发硬币正面（经过2号路由器）硬币正面（经过3号路由器）硬币反面（经过4号路由器）到达1数据包2出发硬币反面（经过4号路由器）硬币正面（经过3号路由器）硬币正面（经过2号路由器）到达2数据包3出发硬币正面（经过2号路由器）硬币反面（经过4号路由器）硬币正面（经过3号路由器）到达3数据包4出发硬币反面（经过4号路由器）硬币反面（经过4号路由器）硬币正面（经过3号路由器）到达4数据包5出发硬币正面（经过2号路由器）硬币正面（经过3号路由器）硬币正面（经过2号路由器）到达5请简述网状连接在现代网络设计中有哪些优势？网状连接在现代网络设计中有诸多优势。它可靠性高，冗余性强，部分链路或节点故障时仍能通过其他路径传输信息；具有自配置和自愈合能力，可自动修复路由连接。能提供高带宽和高利用率，扩大覆盖范围且避免带宽随距离下降。兼容性好，可兼容多种无线客户终端。部署快、安装简单，新节点也易接入扩展网络。安全性较高，还对互联网骨干网构建和物联网发展有着积极的启发意义。四、拓展延伸一、什么是网络的吞吐量和饱和度？吞吐量 吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。它代表了网络或设备在特定条件下的实际传输能力。吞吐量是一个极限指标，即网络设备在所有端口满配，并工作在端口的最高线速的情况下的一个指标。它反映了网络设备的性能极限和网络的传输效率。饱和度 饱和度是服务器资源利用率的度量。这个信号告诉你服务资源的状态以及它们有多“满”。这些资源包括内存、CPU、网络I/O等。在资源利用率达到100%之前，服务性能也会缓慢下降。因此，有一个利用率目标很重要。延迟的增加是饱和度的一个很好的指标；测量延迟99线有助于及早发现饱和度。吞吐量和饱和度的关系 吞吐量和饱和度是相互关联的。当网络的吞吐量接近或达到其饱和度时，网络性能可能会受到影响，导致延迟增加、丢包率上升等问题。因此，网络设计和管理中需要平衡吞吐量和饱和度，以确保网络的高效运行。二、什么是TCP/IP？ TCP/IP（传输控制协议/网际协议）是网络通信的一组协议，是互联网基础。它分为应用、传输、网络、链路四层，其中TCP是可靠的传输层协议，IP是网络层协议负责路由转发。它通用性强、灵活、可扩展且易于实现，但存在安全性低、实现复杂、兼容性差等缺点。 学习网络信息的不同交换方式。完成探索学习。了解三种信息交换方式的选择技巧。认识TCP/IP的数据包传输。完成探索学习。完成课堂练习。学习课外知识拓展。 引导学生初步学习网络信息交换知识，知晓课堂内容。完善教材知识点内容，帮助学生拓宽所学知识。进一步了解课堂内容，掌握网络结构。进一步学习课堂内容。培养学生思考能力，了解“三次握手”必要性原因。考查学生的学以致用能力，知识转化和落地能力，在课堂练习考察中进行查漏补缺。拓宽学生知识面。
课堂小结 高效传输秘籍——漫谈TCP/IP和包交换1、引入新知内容2、学习网络信息交换方式3、认识 TCP/IP的数据包传输4、进行课堂练习5、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 将这节课学到的知识用思维导图画下来，培养逻辑思维能力。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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