第09課 數(shù)據(jù)傳輸有新意 教學(xué)設(shè)計 2024-2025學(xué)年人教版（2024）初中信息技術(shù)七年級全一冊

第9課數(shù)據(jù)傳輸有新意一、教學(xué)目標1.學(xué)生知道端口的作用。2.學(xué)生知道可靠傳輸和不可靠傳輸?shù)奶攸c及應(yīng)用場景。3.學(xué)生了解研究者在解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題的過程中，采用的創(chuàng)新思想和技術(shù)手段。二、教學(xué)重點與難點教學(xué)重點1.端口的作用及傳輸層的主要功能。2.可靠傳輸和不可靠傳輸?shù)奶攸c與應(yīng)用。3.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的創(chuàng)新技術(shù)。教學(xué)難點1.深入理解可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)機制。2.分析不同創(chuàng)新技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)勢。三、教學(xué)準備1.制作關(guān)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭赢嬔菔菊n件。2.收集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)新技術(shù)的實際案例。四、教學(xué)過程（一）導(dǎo)入新課教師播放一段視頻，展示不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸場景，如手機與電腦之間傳輸文件、網(wǎng)頁瀏覽時數(shù)據(jù)的加載等。然后提問學(xué)生：“在這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，大家有沒有想過數(shù)據(jù)是如何準確地到達目標設(shè)備的呢？又是如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃阅?？”引發(fā)學(xué)生的思考和討論，從而引出本節(jié)課的主題——數(shù)據(jù)傳輸有新意。（二）新課講解1.TCP/IP的傳輸層有哪些主要功能（1）端到端的數(shù)據(jù)傳輸傳輸層位于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的中間層，它的主要功能是在源主機和目標主機之間提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。所謂端到端，就是指從一個應(yīng)用程序到另一個應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸。例如，當(dāng)我們在電腦上使用瀏覽器訪問一個網(wǎng)站時，瀏覽器就是源端的應(yīng)用程序，而網(wǎng)站服務(wù)器上的Web服務(wù)程序就是目標端的應(yīng)用程序。傳輸層負責(zé)將瀏覽器發(fā)出的數(shù)據(jù)準確地傳輸?shù)骄W(wǎng)站服務(wù)器，并將服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)傳輸回瀏覽器。（2）數(shù)據(jù)分段與重組由于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包大小是有限制的，而應(yīng)用程序生成的數(shù)據(jù)可能很大，傳輸層需要將這些大數(shù)據(jù)分割成較小的片段，以便在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。當(dāng)這些片段到達目標主機后，傳輸層又負責(zé)將它們重新組合成原始的數(shù)據(jù)。比如，我們要發(fā)送一個很大的文件，傳輸層會將這個文件分成若干個小的數(shù)據(jù)段，每個數(shù)據(jù)段加上一些頭部信息，如序號、校驗和等，然后將這些數(shù)據(jù)段通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。在接收端，傳輸層會根據(jù)序號將這些數(shù)據(jù)段重新組合成完整的文件。（3）流量控制流量控制是傳輸層的一個重要功能，它的目的是確保發(fā)送方不會發(fā)送過多的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致接收方無法處理。通過流量控制，發(fā)送方和接收方可以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收速度，避免數(shù)據(jù)丟失和網(wǎng)絡(luò)擁塞。例如，當(dāng)接收方的緩沖區(qū)已滿時，它會通知發(fā)送方暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，等接收方處理了一些數(shù)據(jù)后，再通知發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送。這樣可以保證接收方不會因為數(shù)據(jù)過多而無法處理，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＃?）差錯控制傳輸層還負責(zé)進行差錯控制，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。當(dāng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，可能會出現(xiàn)錯誤，如數(shù)據(jù)丟失、損壞等。傳輸層通過一些機制，如校驗和、確認和重傳等，來檢測和糾正這些錯誤。比如，發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)時，會計算一個校驗和，并將其包含在數(shù)據(jù)段的頭部信息中。接收方在接收到數(shù)據(jù)后，也會計算校驗和，并與發(fā)送方的校驗和進行比較。如果兩者不一致，說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了錯誤，接收方會通知發(fā)送方重傳這個數(shù)據(jù)段。2.端口的作用（1）標識不同的應(yīng)用程序在一臺計算機上，可能同時運行著多個應(yīng)用程序，如瀏覽器、郵件客戶端、即時通訊軟件等。端口的作用就是為這些不同的應(yīng)用程序分配一個唯一的標識，以便網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能夠準確地傳輸?shù)较鄳?yīng)的應(yīng)用程序。例如，當(dāng)我們在瀏覽器中訪問一個網(wǎng)站時，瀏覽器會使用一個特定的端口號（通常是80端口）與網(wǎng)站服務(wù)器進行通信。而當(dāng)我們使用郵件客戶端接收郵件時，郵件客戶端會使用另一個端口號（通常是110端口）與郵件服務(wù)器進行通信。通過端口號，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以準確地傳輸?shù)较鄳?yīng)的應(yīng)用程序。（2）實現(xiàn)多路復(fù)用和分用多路復(fù)用是指多個應(yīng)用程序可以共享同一個網(wǎng)絡(luò)連接，通過不同的端口號來區(qū)分不同的應(yīng)用程序。分用則是指當(dāng)數(shù)據(jù)到達目標主機時，傳輸層根據(jù)端口號將數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的應(yīng)用程序。比如，在一臺計算機上，同時運行著瀏覽器、郵件客戶端和即時通訊軟件。這三個應(yīng)用程序可以共享同一個網(wǎng)絡(luò)連接，通過不同的端口號與各自的服務(wù)器進行通信。當(dāng)數(shù)據(jù)到達這臺計算機時，傳輸層會根據(jù)端口號將數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的應(yīng)用程序。3.TCP如何實現(xiàn)可靠傳輸（1）三次握手建立連接TCP在傳輸數(shù)據(jù)之前，需要先建立連接。連接的建立通過三次握手來完成。第一次握手：客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個SYN（同步）報文，請求建立連接。這個報文中包含一個隨機生成的序列號（seq），表示客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的起始序號。第二次握手：服務(wù)器收到客戶端的SYN報文后，向客戶端發(fā)送一個SYN/ACK（同步確認）報文。這個報文中也包含一個隨機生成的序列號（seq），表示服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的起始序號，同時還包含一個確認號（ack），這個確認號是客戶端發(fā)送的序列號加1，表示服務(wù)器已經(jīng)收到了客戶端的SYN報文，并準備好接收客戶端的數(shù)據(jù)。第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN/ACK報文后，向服務(wù)器發(fā)送一個ACK（確認）報文。這個報文中的確認號是服務(wù)器發(fā)送的序列號加1，表示客戶端已經(jīng)收到了服務(wù)器的SYN/ACK報文，并準備好發(fā)送數(shù)據(jù)。通過三次握手，客戶端和服務(wù)器就建立了一條可靠的連接，可以開始進行數(shù)據(jù)傳輸了。（2）確認和重傳機制在數(shù)據(jù)傳輸過程中，TCP采用確認和重傳機制來保證數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)發(fā)送方發(fā)送一個數(shù)據(jù)段后，它會等待接收方的確認。如果在一定時間內(nèi)沒有收到確認，發(fā)送方就會重傳這個數(shù)據(jù)段。例如，發(fā)送方發(fā)送了一個數(shù)據(jù)段，序號為100。接收方收到這個數(shù)據(jù)段后，會向發(fā)送方發(fā)送一個確認報文，確認號為101，表示接收方已經(jīng)成功收到了序號為100的數(shù)據(jù)段，并期待接收序號為101的數(shù)據(jù)段。如果發(fā)送方在一定時間內(nèi)沒有收到接收方的確認報文，它就會重傳序號為100的數(shù)據(jù)段。（3）滑動窗口機制為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，TCP采用滑動窗口機制。滑動窗口機制允許發(fā)送方在未收到確認的情況下，連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)段。接收方會在確認報文中告訴發(fā)送方自己能夠接收的數(shù)據(jù)量，這個數(shù)據(jù)量就是滑動窗口的大小。比如，發(fā)送方的滑動窗口大小為5，表示發(fā)送方可以連續(xù)發(fā)送5個數(shù)據(jù)段，而不需要等待接收方的確認。當(dāng)接收方收到這些數(shù)據(jù)段后，會向發(fā)送方發(fā)送確認報文，并在確認報文中告訴發(fā)送方自己的滑動窗口大小。如果接收方的處理速度比較快，它可以將滑動窗口的大小增大，讓發(fā)送方發(fā)送更多的數(shù)據(jù)段；如果接收方的處理速度比較慢，它可以將滑動窗口的大小減小，讓發(fā)送方減少發(fā)送的數(shù)據(jù)段。（4）擁塞控制機制當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞時，數(shù)據(jù)的傳輸會受到影響，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。TCP采用擁塞控制機制來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。擁塞控制機制主要包括慢啟動、擁塞避免和快速重傳/快速恢復(fù)三個階段。在慢啟動階段，發(fā)送方的發(fā)送窗口大小初始化為一個較小的值，然后隨著數(shù)據(jù)的成功傳輸逐漸增大。當(dāng)發(fā)送窗口大小達到一定值后，進入擁塞避免階段，發(fā)送方的發(fā)送窗口大小以線性方式增長。如果在傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，發(fā)送方會認為網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞，進入快速重傳/快速恢復(fù)階段，減小發(fā)送窗口大小，重新開始傳輸數(shù)據(jù)。4.可靠傳輸和不可靠傳輸?shù)奶攸c及應(yīng)用場景（1）可靠傳輸?shù)奶攸c①數(shù)據(jù)準確無誤：可靠傳輸能夠保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會出現(xiàn)錯誤、丟失或重復(fù)。發(fā)送方和接收方通過確認和重傳機制、校驗和等手段，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。②順序一致：可靠傳輸能夠保證數(shù)據(jù)按照發(fā)送的順序到達接收方。即使在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)包亂序的情況，接收方也能夠通過序號等機制將數(shù)據(jù)重新排序，保證數(shù)據(jù)的順序一致。③連接建立：可靠傳輸通常需要在發(fā)送方和接收方之間建立連接，通過三次握手等機制確保連接的可靠性。在連接建立后，雙方可以進行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。④適用于對數(shù)據(jù)準確性要求高的場景：可靠傳輸適用于對數(shù)據(jù)準確性要求高的場景，如文件傳輸、電子郵件、數(shù)據(jù)庫同步等。在這些場景中，數(shù)據(jù)的錯誤、丟失或重復(fù)會導(dǎo)致嚴重的后果，因此需要采用可靠傳輸來保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性。（2）不可靠傳輸?shù)奶攸c①數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)錯誤、丟失或重復(fù)：不可靠傳輸不保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的準確性和完整性。數(shù)據(jù)可能會因為網(wǎng)絡(luò)故障、擁塞等原因出現(xiàn)錯誤、丟失或重復(fù)。②無連接：不可靠傳輸通常不需要在發(fā)送方和接收方之間建立連接，數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送，不需要進行三次握手等連接建立的過程。③效率高：不可靠傳輸?shù)男释ǔ１瓤煽總鬏敻?，因為它不需要進行確認和重傳等機制，減少了網(wǎng)絡(luò)開銷和傳輸延遲。④適用于對數(shù)據(jù)準確性要求不高的場景：不可靠傳輸適用于對數(shù)據(jù)準確性要求不高的場景，如實時視頻流、音頻流、在線游戲等。在這些場景中，數(shù)據(jù)的短暫錯誤、丟失或重復(fù)不會對用戶體驗產(chǎn)生嚴重的影響，因此可以采用不可靠傳輸來提高傳輸效率。（3）應(yīng)用場景舉例①文件傳輸：文件傳輸通常需要保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性，因此采用可靠傳輸協(xié)議，如TCP。如果在文件傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤、丟失或重復(fù)，會導(dǎo)致文件損壞或無法正常使用。②電子郵件：電子郵件也需要保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性，因此采用可靠傳輸協(xié)議。如果在電子郵件傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤、丟失或重復(fù)，會導(dǎo)致郵件內(nèi)容錯誤或無法正常接收。③實時視頻流：實時視頻流對數(shù)據(jù)的準確性要求不高，但是對傳輸效率要求很高。因此，實時視頻流通常采用不可靠傳輸協(xié)議，如UDP。如果在視頻流傳輸過程中出現(xiàn)短暫的數(shù)據(jù)錯誤、丟失或重復(fù)，用戶可能不會察覺到明顯的影響。④在線游戲：在線游戲也對數(shù)據(jù)的準確性要求不高，但是對傳輸效率和實時性要求很高。因此，在線游戲通常采用不可靠傳輸協(xié)議，如UDP。如果在游戲過程中出現(xiàn)短暫的數(shù)據(jù)錯誤、丟失或重復(fù)，游戲玩家可能不會察覺到明顯的影響，但是如果傳輸延遲過高，會影響游戲的體驗。（三）鞏固練習(xí)1.案例分析（1）教師提供一些實際的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸案例，如文件下載、視頻直播、在線游戲等。學(xué)生分析這些案例中使用的傳輸協(xié)議是可靠傳輸還是不可靠傳輸，并說明原因。例如，對于文件下載案例，學(xué)生可以分析文件下載需要保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性，因此通常使用可靠傳輸協(xié)議，如TCP。對于視頻直播案例，學(xué)生可以分析視頻直播對數(shù)據(jù)的準確性要求不高，但是對傳輸效率和實時性要求很高，因此通常使用不可靠傳輸協(xié)議，如UDP。對于在線游戲案例，學(xué)生可以分析在線游戲?qū)?shù)據(jù)的準確性要求不高，但是對傳輸效率和實時性要求很高，因此通常使用不可靠傳輸協(xié)議，如UDP。（2）學(xué)生分組討論案例，每個小組推選一名代表進行發(fā)言，分享小組的討論結(jié)果。通過案例分析，加深學(xué)生對可靠傳輸和不可靠傳輸特點及應(yīng)用場景的理解。2.模擬實驗（1）教師組織學(xué)生進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模擬實驗?？梢允褂镁W(wǎng)絡(luò)模擬軟件或?qū)嶋H的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行實驗。在實驗中，學(xué)生可以設(shè)置不同的傳輸參數(shù)，如傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)包大小、傳輸速度等，觀察數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?。例如，學(xué)生可以使用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件構(gòu)建一個簡單的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括發(fā)送方和接收方。然后，學(xué)生可以設(shè)置不同的傳輸參數(shù)，如使用TCP或UDP協(xié)議、設(shè)置不同的數(shù)據(jù)包大小、調(diào)整傳輸速度等。接著，學(xué)生可以在發(fā)送方發(fā)送一些數(shù)據(jù)，觀察接收方接收到的數(shù)據(jù)情況，如數(shù)據(jù)是否準確無誤、是否按照順序到達、傳輸延遲等。通過模擬實驗，讓學(xué)生更加直觀地了解不同傳輸參數(shù)對數(shù)據(jù)傳輸效果的影響。（2）學(xué)生在實驗中記錄實驗數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，撰寫實驗報告。通過模擬實驗，提高學(xué)生的實踐操作能力和對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦斫狻?.問題解決（1）教師提出一些網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的問題，如數(shù)據(jù)丟失、傳輸延遲高、網(wǎng)絡(luò)擁塞等。學(xué)生分組討論如何解決這些問題，可以采用哪些創(chuàng)新思想和技術(shù)手段。例如，對于數(shù)據(jù)丟失問題，學(xué)生可以討論采用確認和重傳機制、校驗和等手段來保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性。對于傳輸延遲高問題，學(xué)生可以討論采用優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、提高傳輸速度、采用緩存技術(shù)等手段來降低傳輸延遲。對于網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，學(xué)生可以討論采用擁塞控制機制、流量控制機制等手段來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。（2）每個小組提出自己的解決方案，并進行展示和講解。其他小組可以對該小組的方案進行提問和評價，共同探討最優(yōu)的解決方案。通過問題解決，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。4.創(chuàng)意設(shè)計（1）教師要求學(xué)生發(fā)揮想象力，設(shè)計一種新的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)或改進現(xiàn)有的傳輸技術(shù)。學(xué)生可以從提高傳輸效率、保證數(shù)據(jù)可靠性、降低傳輸延遲等方面入手，設(shè)計一種具有創(chuàng)新性的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案。例如，學(xué)生可以設(shè)計一種基于人工智能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，利用機器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化傳輸路徑、預(yù)測網(wǎng)絡(luò)擁塞、調(diào)整傳輸參數(shù)等，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴；蛘咴O(shè)計一種新型的傳輸協(xié)議，結(jié)合可靠傳輸和不可靠傳輸?shù)膬?yōu)點，適用于不同的應(yīng)用場景。（2）學(xué)生以小組為單位進行創(chuàng)意設(shè)計，制作PPT展示設(shè)計方案，并進行講解和答辯。通過創(chuàng)意設(shè)計活動，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。（四）課堂小結(jié)1.回顧本節(jié)課的主要內(nèi)容，包括TCP/IP的傳輸層功能、端口的作用、TCP實現(xiàn)可靠傳輸?shù)臋C制、可靠傳輸和不可靠傳輸?shù)奶攸c及應(yīng)用場景，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的創(chuàng)新思想和技術(shù)手段。2.強調(diào)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸在現(xiàn)代信息技術(shù)中的重要性，以及創(chuàng)新在解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題中的作用。（五）作業(yè)布置1.讓學(xué)生在課后通過網(wǎng)絡(luò)搜索等方式，了解更多關(guān)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男录夹g(shù)和應(yīng)用案例，并撰寫一篇短文進行介紹和分析。2.要求學(xué)生思考在日常生活中還有哪些場景可以應(yīng)用可靠傳輸或不可靠傳輸，并說明理由。五、板書設(shè)計1.傳輸層功能2.端口作用3.TCP可靠傳輸4.可靠與不可靠傳輸特點及場景六、課后反思在本節(jié)課的教學(xué)中，通過多種教學(xué)方法的運用，如動畫演示、案例分析、模擬實驗、問題解決和創(chuàng)意設(shè)計等，較好地實現(xiàn)了教學(xué)目標。學(xué)生對TCP/IP的傳輸層功能、端口的作用、TCP實現(xiàn)可靠傳輸?shù)臋C制、可靠傳輸和不