計算機網(wǎng)絡(luò)(第5版)

計算機網(wǎng)絡(luò)(第5版)匯報人：AA2024-01-20目錄CONTENTS計算機網(wǎng)絡(luò)概述物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應用層01計算機網(wǎng)絡(luò)概述計算機網(wǎng)絡(luò)是由一組自主的計算機互聯(lián)而成的系統(tǒng)，這些計算機可以通過網(wǎng)絡(luò)共享資源、傳遞信息。定義從20世紀60年代的ARPANET開始，經(jīng)歷了分組交換網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等階段，至今已發(fā)展成為全球性的互聯(lián)網(wǎng)。發(fā)展歷程計算機網(wǎng)絡(luò)的定義與發(fā)展組成計算機網(wǎng)絡(luò)由硬件、軟件、協(xié)議和數(shù)據(jù)等部分組成。其中硬件包括計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、傳輸介質(zhì)等；軟件包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、應用軟件等；協(xié)議是計算機之間通信的規(guī)則和標準。分類根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍和規(guī)模，計算機網(wǎng)絡(luò)可分為局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）和互聯(lián)網(wǎng)（Internet）等類型。計算機網(wǎng)絡(luò)的組成與分類計算機網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)通信、資源共享、分布式處理、負載均衡等功能，可以提高計算機的效率和性能，促進信息化發(fā)展。功能計算機網(wǎng)絡(luò)已廣泛應用于各個領(lǐng)域，如辦公自動化、電子商務(wù)、在線教育、遠程醫(yī)療、智能制造等。同時，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)的應用范圍還在不斷擴大。應用計算機網(wǎng)絡(luò)的功能與應用02物理層

物理層的基本概念物理層的定義物理層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的最低層，它負責在傳輸介質(zhì)上實現(xiàn)無結(jié)構(gòu)比特流的透明傳輸，為數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。物理層的主要功能物理層的主要功能包括物理連接的建立、維持和釋放，物理層服務(wù)的提供，以及物理層管理等。物理層與傳輸介質(zhì)的關(guān)系物理層是計算機網(wǎng)絡(luò)與傳輸介質(zhì)的接口，它定義了與傳輸介質(zhì)連接的機械、電氣、功能和規(guī)程等特性。模擬通信與數(shù)字通信模擬通信是指利用模擬信號來傳遞信息的通信方式，而數(shù)字通信則是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信方式。數(shù)據(jù)通信的主要指標數(shù)據(jù)通信的主要指標包括數(shù)據(jù)傳輸速率、誤碼率、信道容量和帶寬等。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由信源、信宿、信道和噪聲源等部分組成。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)物理層設(shè)備中繼器中繼器是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，用于在物理層上擴展網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。集線器集線器是一種多端口的中繼器，它可以將多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接在一起，形成一個星型拓撲結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。網(wǎng)卡網(wǎng)卡是計算機與網(wǎng)絡(luò)相連的接口電路，它負責將計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)母袷?，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)發(fā)送出去。調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號進行傳輸，或者將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理的設(shè)備。03數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型中的第二層，負責在相鄰節(jié)點之間建立數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的定義數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能包括鏈路管理、幀同步、差錯控制、流量控制等。數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層向上層提供無確認無連接服務(wù)、有確認無連接服務(wù)、有確認面向連接服務(wù)三種類型的服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念幀的格式不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了不同的幀格式，但通常都包含起始標志、地址字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段和結(jié)束標志等。幀的概念幀是數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)幕締挝?，由幀頭、數(shù)據(jù)和幀尾三部分組成。幀的傳輸方式數(shù)據(jù)鏈路層可以采用單工、半雙工和全雙工三種方式進行幀的傳輸。幀的概念與格式差錯控制數(shù)據(jù)鏈路層通過采用循環(huán)冗余檢驗（CRC）等方法進行差錯檢測，當發(fā)現(xiàn)錯誤時，通過重傳機制進行糾正。流量控制為了防止接收方來不及處理發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)而造成數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)鏈路層采用流量控制機制，如滑動窗口協(xié)議等，來協(xié)調(diào)發(fā)送方和接收方的數(shù)據(jù)傳輸速率。差錯控制與流量控制網(wǎng)卡是計算機與局域網(wǎng)相互連接的接口，它實現(xiàn)了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。網(wǎng)卡（網(wǎng)絡(luò)接口卡）中繼器用于擴展局域網(wǎng)的覆蓋范圍，它工作在物理層，對信號進行放大和整形。中繼器（Repeater）網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，用于連接兩個或多個局域網(wǎng)段，實現(xiàn)不同網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋（Bridge）交換機是一種多端口的網(wǎng)橋，它在數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，具有更高的性能和更豐富的功能。交換機（Switch）數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備04網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的功能網(wǎng)絡(luò)層是OSI參考模型中的第三層，負責在網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)包的傳輸和路由選擇，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議包括IP協(xié)議（InternetProtocol）、ICMP協(xié)議（InternetControlMessageProtocol）、IGMP協(xié)議（InternetGroupManagementProtocol）等。網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)包括虛電路服務(wù)和數(shù)據(jù)報服務(wù)。虛電路服務(wù)在通信前建立一條虛電路，數(shù)據(jù)在這條虛電路上傳輸；數(shù)據(jù)報服務(wù)則無需建立虛電路，每個數(shù)據(jù)包獨立進行路由選擇和傳輸。網(wǎng)絡(luò)層的基本概念子網(wǎng)掩碼的作用子網(wǎng)掩碼用于區(qū)分IP地址中的網(wǎng)絡(luò)位和主機位，與IP地址按位與運算后得到網(wǎng)絡(luò)地址。IP地址的概念I(lǐng)P地址是用于標識網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備地址的一種編址方式，由32位二進制數(shù)組成，分為IPv4和IPv6兩種版本。IP地址的分類IPv4地址分為A、B、C、D、E五類，其中A、B、C類為常用地址類別，D類用于多播地址，E類保留未用。子網(wǎng)劃分的方法子網(wǎng)劃分是通過借用主機位作為子網(wǎng)位，將一個大網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個小網(wǎng)絡(luò)的過程。常用的子網(wǎng)劃分方法有等長子網(wǎng)劃分和變長子網(wǎng)劃分。IP地址與子網(wǎng)劃分路由選擇算法可分為靜態(tài)路由算法和動態(tài)路由算法。靜態(tài)路由算法由管理員手動配置，而動態(tài)路由算法則通過路由協(xié)議自動學習和更新路由信息。路由選擇算法的分類常見的路由協(xié)議包括RIP（RoutingInformationProtocol）、OSPF（OpenShortestPathFirst）、BGP（BorderGatewayProtocol）等。常見的路由協(xié)議路由協(xié)議通過定期發(fā)送和接收路由信息報文，更新和維護路由表，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的最優(yōu)傳輸路徑選擇。路由協(xié)議的工作原理路由選擇算法與路由協(xié)議123路由器是網(wǎng)絡(luò)層的核心設(shè)備，負責在不同網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并根據(jù)路由表進行最優(yōu)路徑選擇。路由器的功能交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層，根據(jù)MAC地址表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間的通信。交換機的功能防火墻部署在網(wǎng)絡(luò)邊界，通過訪問控制策略和安全規(guī)則，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和數(shù)據(jù)泄露，保障網(wǎng)絡(luò)安全。防火墻的作用網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備05傳輸層傳輸層的功能01傳輸層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵層次之一，主要負責向應用層提供可靠的端到端服務(wù)，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。傳輸層的協(xié)議02傳輸層主要有兩個協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。端口號的概念03端口號是傳輸層協(xié)議用來識別應用層進程的一種方式，不同的進程通過不同的端口號進行通信。傳輸層的基本概念TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。TCP協(xié)議的特點在TCP連接建立過程中，需要客戶端和服務(wù)器總共進行三次握手來確認連接建立成功。TCP的三次握手在TCP連接釋放過程中，需要客戶端和服務(wù)器總共進行四次揮手來確保雙方數(shù)據(jù)完全發(fā)送完成。TCP的四次揮手TCP通過滑動窗口機制實現(xiàn)流量控制，防止發(fā)送方發(fā)送速率過快導致接收方來不及處理；同時，TCP還通過慢開始、擁塞避免、快重傳和快恢復等算法實現(xiàn)擁塞控制，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。TCP的流量控制和擁塞控制TCP協(xié)議03UDP的適用場景由于UDP不需要建立連接，因此適用于實時性要求較高、可以容忍少量丟包的應用場景，如音視頻通話、實時游戲等。01UDP協(xié)議的特點UDP是一種無連接的、不可靠的、基于數(shù)據(jù)報的傳輸層通信協(xié)議。02UDP的報文格式UDP報文由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，首部固定為8個字節(jié)，包含源端口號、目的端口號、報文長度和校驗和等信息。UDP協(xié)議輸入標題中繼器網(wǎng)關(guān)傳輸層設(shè)備網(wǎng)關(guān)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是一種充當轉(zhuǎn)換重任的計算機系統(tǒng)或設(shè)備，用于在網(wǎng)絡(luò)層以上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。路由器是網(wǎng)絡(luò)中進行網(wǎng)間連接的關(guān)鍵設(shè)備，工作在網(wǎng)絡(luò)層，在不同網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的信息將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)橋像一個聰明的中繼器，它在兩個局域網(wǎng)之間按MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)幀，網(wǎng)橋工作在OSI的數(shù)據(jù)鏈路層。中繼器是局域網(wǎng)環(huán)境下用來延長網(wǎng)絡(luò)距離的最簡單最廉價的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，操作在OSI的物理層。路由器網(wǎng)橋06應用層應用層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的最高層，負責為用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。應用層協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)應用進程間通信的規(guī)則和約定，包括消息格式、通信流程等。應用層服務(wù)包括域名解析、文件傳輸、電子郵件、萬維網(wǎng)等。應用層的基本概念DNS采用層次化的命名機制，通過域名服務(wù)器之間的遞歸或迭代查詢實現(xiàn)域名解析。DNS還提供了一些其他功能，如反向解析（將IP地址解析為域名）、郵件服務(wù)器地址查詢等。DNS（DomainNameSystem，域名系統(tǒng)）服務(wù)用于將用戶輸入的域名解析為對應的IP地址。DNS服務(wù)FTP（FileTransferProtocol，文件傳輸協(xié)議）服務(wù)用于在網(wǎng)絡(luò)上進行文件傳輸。FTP采用客戶/服務(wù)器模式，客戶端和服務(wù)器之間建立兩個連接：控制連接和數(shù)據(jù)連接。FTP支持多種文件傳輸模式（ASCII、二進制等）和權(quán)限控制（上傳、下載、刪除等）。FTP服務(wù)電子郵件服務(wù)允許用戶在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送和接收電子郵件。電子郵件系統(tǒng)由郵件客戶端、郵件服務(wù)器和郵件傳輸協(xié)議組成。常見的郵件傳輸協(xié)議包括SMTP（SimpleMailTransferProtocol，簡單郵件傳輸協(xié)議）、POP3（PostOfficeProtocolversion3，郵局協(xié)議第三版）和IMAP（InternetMailAccessProtocol，Internet郵件訪問協(xié)議）。電子郵件服務(wù)