七年级信息科技网络基础课｜互联网原理

1课程导入与核心学习目标演讲人01.02.03.04.05.目录课程导入与核心学习目标互联网的基础本质与发展脉络互联网核心工作原理分层拆解常见互联网核心服务的工作逻辑互联网原理延伸：当代发展与安全认知七年级信息科技网络基础课｜互联网原理各位同学，大家好。我是你们的信息科技老师，今天我们共同学习互联网核心原理这一内容。我相信在座每一位同学每天都在接触互联网：进校刷身份码、课间刷短视频、线上交作业、微信讨论题目，互联网已经成为我们生活中密不可分的一部分，但如果我问大家：你点击“发送”按钮之后，文字消息是怎么飞到千里之外的同学手机上的？绝大多数同学只会回答“通过网络”，却说不清网络具体是如何完成这一过程的。今天我们就一层层剥开互联网这个“黑箱”，从本质到现象，循序渐进搞懂互联网的核心逻辑。01课程导入与核心学习目标1学习互联网原理的核心价值1.1.1跳出“只会用工具”的应用层面，建立对互联网技术的本质认知，改变“互联网就是看不见摸不着的虚拟魔法”的错误认知11.1.2为后续学习网络安全、网页制作、物联网等内容打下坚实的底层逻辑基础21.1.3用原理指导实践，帮助我们更理性、更安全地使用互联网，规避常见的网络风险32本节课核心学习目标12341.2.1能准确说出互联网的核心定义，清晰区分互联网与万维网的概念差异在右侧编辑区输入内容1.2.2理解TCP/IP分层模型的核心设计逻辑，能准确说出每一层的核心作用在右侧编辑区输入内容1.2.3能结合原理完整描述一次网页浏览、一次消息发送的全流程在右侧编辑区输入内容1.2.4能运用所学原理解释常见网络现象，指导日常的网络安全防护行为明确了本节课的学习方向，接下来我们先从基础概念切入，先搞懂互联网到底是什么，它又是从何发展而来的。02互联网的基础本质与发展脉络1互联网的核心定义：“网络的网络”去年我带领学校信息社团参观中国移动省级骨干网机房，在核心交换区我亲眼看到，两条横跨我国东西的主干光纤对接在核心路由器上，那台路由器比咱们教室的半人讲台还要高，上面密密麻麻的接口每一个都能承载每秒TB级的数据传输。那次参观给我和学生的最大触动就是：互联网从来不是存在于“天上”或者某个超级服务器里的虚拟东西，它是实实在在的物理基础设施加统一规则的结合体。互联网的准确定义是：通过统一的通信协议，将全球范围内无数个独立的局域网、广域网连接在一起形成的超级互联网络，也就是我们常说的“网络的网络”。它最核心的特点是开放去中心化：没有任何一个机构控制全球所有节点，只要你遵守统一的规则，任何网络都可以接入整个体系。1互联网的核心定义：“网络的网络”1.1互联网与万维网的概念区分生活中绝大多数人都会把两者混为一谈，实际上万维网只是运行在互联网之上的一种应用服务，并非互联网本身。互联网是底层基础设施，就像城市里的公路网；万维网就是跑在公路网上的客运服务，我们还可以在公路网上跑快递、跑货运，对应互联网上的微信、直播、下载等其他应用，这个类比大家很容易理解。2互联网的发展起源与关键节点2.2.1起源阶段：1969年美国国防部高级研究计划局搭建的ARPANET是互联网的雏形，最初只有4个联网节点，服务于军事与学术研究，目标是在部分节点被摧毁的情况下，剩余网络依然能正常通信。2.2.2诞生标志：1983年TCP/IP协议正式成为ARPANET的统一通信标准，这是现代互联网诞生的核心标志——正是因为统一了所有网络的通信规则，不同标准、不同机构的网络才能实现互联互通。2.2.3民用普及：1989年英国科学家蒂姆伯纳斯李发明万维网，推出了第一个网页浏览器，让互联网从学术、军用领域走向普通大众，开启了互联网的普及时代。3我国互联网的发展进程2.3.11994年我国正式接入国际互联网，成为国际互联网大家庭的第77个成员，实现了和全球互联网的互联互通在右侧编辑区输入内容2.3.2经过近三十年的发展，我国目前已经建成全球规模最大的光纤宽带和5G网络，互联网基础设施覆盖率全球领先，网民规模也位居世界第一。理清了互联网的本质定义和发展脉络，接下来我们进入本节课最核心的内容：逐层拆解互联网的核心工作原理，我会从大家每天都在做的“发送一条微信消息”这件小事切入，一步步拆解整个运行过程。03互联网核心工作原理分层拆解互联网核心工作原理分层拆解3.1从一次实际操作切入：我给上海的朋友发了一张2MB的风景照片，从点击发送到对方看到图片，整个过程不到1秒，背后其实是严格按照分层规则完成的一系列操作，我们从最底层的物理基础开始说起。2物理层与数据链路层：信息传输的基础规则2.1物理层：提供信息传输的物理通道所有的信息传输都离不开物理介质，我在骨干机房摸到的主干光缆，外层是厚厚的防腐蚀防压的铠甲保护层，剥开之后里面是只有头发丝十分之一细的玻璃纤芯，我们要传输的文字、图片信息，会先转换成二进制的数字信号，再转换成光信号在纤芯里传播，速度接近光速；如果是连接wifi或者使用5G，信息会转换成电磁波在空气中传播。不管是光信号还是电信号，物理层的核心作用就是把数字信息转换成可传输的物理信号，提供传输的物理通道，这是整个互联网运行的基础。2物理层与数据链路层：信息传输的基础规则2.2数据链路层：局域网内的身份寻址规则你家里的wifi通常会连你的手机、电脑、智能手表、智能音箱四五个设备，wifi怎么知道把收到的信息传给哪个设备？每个设备的网卡出场时都会烧录一个全球独一无二的硬件地址，也就是MAC地址，数据链路层的核心作用就是在同一个局域网内，根据MAC地址把信息传给正确的设备，相当于在同一个小区里，根据单元房号找到对应的住户。3网络层：跨网络传输的导航系统要把信息从你家的局域网传到上海朋友家的局域网，跨网络传输就需要网络层的规则，核心是IP协议与IP地址。3.3.1IP地址：互联网上所有联网设备的全球唯一“门牌号”不管设备在哪，只要连入互联网，就会有一个唯一的IP地址，就像我们的收货地址，有了地址，数据包才能准确找到目的地。我们目前常用的IPv4地址一共只有约42亿个，随着联网设备越来越多，已经完全不够用了，因此我国现在正在全面推广IPv6地址，IPv6的地址数量多到可以给地球上每一粒沙子都分配一个独立地址，完全能满足未来几十年的需求。3网络层：跨网络传输的导航系统3.2路由器：转发数据包的“快递中转站”我们要发的2MB照片，会被拆成成千上万个大小统一的小数据包，每个数据包的头部都会写上源IP地址（也就是我们的设备地址）和目的IP地址（朋友的设备地址），路由器的作用就是根据路由规则，帮每个数据包选择当前最快的传输路径，一步步把数据包转发到目的地，就像我们寄快递，从北京发出后，会经过北京中转、上海中转，最后送到收件人手里，有意思的是，同一张照片的不同数据包，可能会走完全不同的路径，只要最后都能到达目的地，再拼起来就可以正常使用了。3网络层：跨网络传输的导航系统3.3IP协议的核心意义：统一全球网络的通信规则早年不同厂商、不同行业的专网都是用自己的私有协议，不同网络之间根本没法通信，就像中国人说汉语，英国人说英语，没有统一语言就没法交流。IP协议统一了全球所有网络的地址规则和传输规则，只要遵守这个规则，任何网络都可以接入全球互联网，实现互联互通，这是互联网能发展成今天规模的核心基础。4传输层：保障数据准确完整送达跨网络传输的时候，难免会出现丢包错包的情况，传输层就是负责解决这个问题的，核心有两个常用协议。4传输层：保障数据准确完整送达4.1TCP协议与UDP协议的场景差异TCP是面向连接的可靠传输协议，发出去每个数据包都会等对方确认收到，如果对方没有回复，就会重新发送这个数据包，能保证数据完整准确，适合发送文字、文件、照片这种不能出错的内容，我们发微信照片用的就是TCP协议；UDP是无连接的不可靠传输协议，发出去之后就继续发下一个，不会等确认，也不会重发，好处是延迟低、速度快，适合视频通话、直播这种场景，丢一两帧画面观众根本看不出来，速度比准确性更重要。两种协议配合，满足了不同场景的需求。5应用层：面向用户的服务接口我们平时接触到的所有功能，都在应用层呈现，微信、抖音、浏览器、钉钉这些APP，都属于应用层，应用层会定义不同应用的通信规则，比如浏览网页用HTTP协议，发邮件用SMTP协议，最终把组装好的数据转换成我们能看懂的文字、图片、视频，呈现给用户。分层拆解完核心工作原理，大家应该对互联网的运行逻辑有了基础认知，接下来我们把原理落地，看看几个大家每天都在使用的互联网服务，具体是怎么按照这些规则运行的。04常见互联网核心服务的工作逻辑1域名系统DNS：为什么不用记IP就能访问网站我之前在实验室做过抓包实验，就是把电脑上网过程中收发的所有数据包都截取出来分析，我发现当我在浏览器输入按下回车之后，电脑发出去的第一个数据包，根本不是去找百度的服务器，而是向DNS服务器发出请求：“请问对应的IP地址是什么？”DNS就是互联网的“公共地址本”，它把我们好记的域名，转换成路由器能识别的IP地址，拿到IP地址之后，电脑才能开始访问百度的服务器，解决了IP地址难记的问题。4.2网页浏览的完整流程，我们可以把之前讲的分层原理完整串联起来：4.2.1用户在浏览器输入域名，按下回车键4.2.2浏览器向本地DNS服务器请求域名对应的IP地址4.2.3拿到IP地址后，浏览器通过TCP协议和目标网站服务器建立连接1域名系统DNS：为什么不用记IP就能访问网站4.2.4浏览器发送HTTP请求，请求对应网页的内容4.2.5服务器把网页内容拆分打包成多个数据包，按照互联网分层规则传输到用户电脑4.2.6用户电脑的浏览器把所有数据包组装起来，渲染成我们看到的图文网页，整个过程通常不到1秒，就是由这一系列步骤完成的。3两种典型的互联网架构：客户端-服务器架构与P2P架构4.3.1客户端-服务器架构是目前最常用的架构，所有核心数据都存储在中心服务器上，用户的手机、电脑是客户端，向服务器请求数据，我们刷抖音、逛淘宝都是这种架构，内容统一存在平台的中心服务器里，方便管理和更新。4.3.2P2P对等架构没有中心服务器，每个联网设备既是客户端也是服务器，下载文件的时候，可以同时从上百个用户的设备上下载文件碎片，速度比从单个服务器下载快很多，早年的迅雷下载、现在的直播加速很多都用了P2P技术，两种架构各有优势，适应不同的应用场景。了解了常见服务的运行逻辑，我们再进一步延伸，看看当代互联网的新发展，以及我们学了原理之后，怎么用它来指导我们的日常网络安全防护。05互联网原理延伸：当代发展与安全认知1移动互联网对基础原理的继承与发展很多同学觉得移动互联网和传统的有线互联网完全不同，实际上核心原理没有任何变化，依然遵循TCP/IP分层模型，只是物理层从有线光纤、网线变成了无线电信号，MAC地址、IP地址、路由器这些核心要素都没有变，本质都是一样的互联互通。2当代互联网的核心发展方向5.2.1IPv6的全面普及，除了解决IPv4地址不足的问题，IPv6的安全性、传输效率都比IPv4更高，是未来互联网的基础5.2.2骨干网带宽不断提升，目前我国骨干网的单通道带宽已经达到了数百T，能支撑几十亿人同时高速上网，满足4K、8K视频和VR应用的需求3基于互联网原理的日常网络安全防护学了原理我们就能很容易想明白很多安全规则的逻辑：5.3.1不要随意泄露自己的公网IP地址，公网IP是你的设备在互联网上的唯一地址，被别有用心的人获取后，可能会针对你的设备发起网络攻击5.3.2警惕DNS劫持，如果打开正规网站经常跳转到广告或者不良网站，大概率是你的DNS被劫持了，我们可以手动把DNS改成运营商官方DNS或者阿里、百度的公共DNS，就能解决这个问题5.3.3谨慎使用不明公共wifi，公共wifi属于同一个局域网，攻击者可以在同一个局域网内窃取未加密的用户数据，因此不要在不明公共wifi下输入银行卡密码、3基于互联网原理的日常网络安全防护转账汇款。讲到这里，我们本节课的所有内容就分享完了，最后我们再对本节课的核心思想做一个精炼总结：互联网的本质，是一套统一通信规则下，互联互通的“网络的网络”，它既不是虚无缥缈的虚拟魔法，也不是被某个机构完全控制的“超