《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理》（王磊）課件

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理》課件課程簡(jiǎn)介目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的能力。內(nèi)容課程涵蓋網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)編程等重要內(nèi)容，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行講解。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)互聯(lián)形成的系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源共享。作用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為信息傳遞、資源共享、協(xié)同工作和娛樂(lè)提供了便捷高效的方式。組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由硬件、軟件、協(xié)議和用戶(hù)組成，其中硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心，協(xié)議是規(guī)范，用戶(hù)是目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)按范圍局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型、星型、環(huán)型、樹(shù)型、網(wǎng)狀型按傳輸介質(zhì)有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)按傳輸方式廣播式網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1總線型所有設(shè)備共用一條總線，數(shù)據(jù)沿總線傳播，簡(jiǎn)單易于擴(kuò)展，但可靠性較低。2星型所有設(shè)備連接到一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，易于管理，但中心節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。3環(huán)型所有設(shè)備形成一個(gè)閉合環(huán)，數(shù)據(jù)沿環(huán)傳播，可靠性較高，但故障診斷困難。4樹(shù)型多個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，層次分明，易于管理，但擴(kuò)展性有限。5網(wǎng)狀型每個(gè)設(shè)備與其他設(shè)備直接相連，可靠性最高，但成本高，維護(hù)困難。OSI參考模型1應(yīng)用層2表示層3會(huì)話層4傳輸層5網(wǎng)絡(luò)層6數(shù)據(jù)鏈路層7物理層TCP/IP參考模型1應(yīng)用層2傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層4數(shù)據(jù)鏈路層5物理層物理層1傳輸介質(zhì)雙絞線、同軸電纜、光纖2信號(hào)編碼曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼3物理接口RJ-45接口、USB接口、光纖接口數(shù)據(jù)鏈路層MAC地址用于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理地址，由48位二進(jìn)制數(shù)表示，每臺(tái)設(shè)備獨(dú)一無(wú)二。幀格式數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)封裝成幀，包含MAC地址、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換機(jī)、網(wǎng)橋，用于連接局域網(wǎng)中的設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和過(guò)濾。網(wǎng)絡(luò)層IP地址用于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，由32位二進(jìn)制數(shù)表示，分為網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩部分。路由協(xié)議RIP、OSPF、BGP，用于計(jì)算路由表，指導(dǎo)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路由器根據(jù)數(shù)據(jù)包的IP地址和路由表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。IP地址IPv4由四個(gè)字節(jié)組成，例如IPv6由16個(gè)字節(jié)組成，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334地址分類(lèi)A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)、E類(lèi)地址分配靜態(tài)地址、動(dòng)態(tài)地址（DHCP協(xié)議）路由協(xié)議RIP距離向量路由協(xié)議，簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，適用于小型網(wǎng)絡(luò)，但效率較低。OSPF鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，效率較高，適用于大型網(wǎng)絡(luò)，但配置復(fù)雜。BGP邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，用于連接不同自治系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨域路由，是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。傳輸層端口號(hào)用于識(shí)別應(yīng)用程序，范圍為0-65535，分為知名端口、注冊(cè)端口和臨時(shí)端口。數(shù)據(jù)段傳輸層將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)段，包含端口號(hào)、校驗(yàn)和、數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息。連接管理TCP提供面向連接的通信服務(wù)，UDP提供無(wú)連接的通信服務(wù)。UDPTCP1三次握手建立連接的過(guò)程，確保雙方都準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。2四次揮手?jǐn)嚅_(kāi)連接的過(guò)程，確保雙方都已停止數(shù)據(jù)傳輸。3流量控制控制發(fā)送方的傳輸速率，避免接收方緩沖區(qū)溢出。4擁塞控制檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞，并調(diào)整發(fā)送速率，避免網(wǎng)絡(luò)性能下降。應(yīng)用層HTTP超文本傳輸協(xié)議，用于網(wǎng)頁(yè)瀏覽，提供網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容的獲取和傳輸。FTP文件傳輸協(xié)議，用于文件上傳和下載，提供可靠的文件傳輸服務(wù)。DNS域名系統(tǒng)，將域名轉(zhuǎn)換為IP地址，方便用戶(hù)訪問(wèn)網(wǎng)站。SMTP簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議，用于發(fā)送和接收電子郵件，提供電子郵件傳輸服務(wù)。HTTP協(xié)議1請(qǐng)求2響應(yīng)3狀態(tài)碼4方法5頭信息FTP協(xié)議1控制連接用于傳輸命令和響應(yīng)信息，使用TCP協(xié)議。2數(shù)據(jù)連接用于傳輸文件數(shù)據(jù)，可以使用TCP或UDP協(xié)議。3用戶(hù)認(rèn)證用戶(hù)需要提供用戶(hù)名和密碼才能登錄FTP服務(wù)器。4文件操作支持上傳、下載、刪除、重命名等文件操作。DNS協(xié)議1域名解析將域名轉(zhuǎn)換為IP地址，例如解析為7。2層次結(jié)構(gòu)DNS服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，根服務(wù)器、頂級(jí)域名服務(wù)器、權(quán)威服務(wù)器。3緩存機(jī)制DNS服務(wù)器緩存解析結(jié)果，提高查詢(xún)效率。SMTP協(xié)議郵件發(fā)送郵件發(fā)送者使用SMTP協(xié)議將郵件發(fā)送到郵件服務(wù)器。郵件接收郵件接收者使用POP3或IMAP協(xié)議從郵件服務(wù)器接收郵件。郵件內(nèi)容郵件內(nèi)容包括發(fā)件人、收件人、主題、正文等信息。網(wǎng)絡(luò)安全1機(jī)密性保護(hù)信息不被未授權(quán)者訪問(wèn)。2完整性確保信息不被篡改。3可用性保證信息可以被授權(quán)者訪問(wèn)和使用。4可控性確保信息的使用符合預(yù)定的安全策略。防火墻包過(guò)濾根據(jù)IP地址、端口號(hào)等信息過(guò)濾數(shù)據(jù)包，是最基本的防火墻技術(shù)。狀態(tài)檢測(cè)記錄網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，阻止不符合狀態(tài)的通信，更加靈活和安全。應(yīng)用代理代理應(yīng)用程序的通信，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和檢查，安全性最高，但性能較低。加密算法對(duì)稱(chēng)加密使用同一個(gè)密鑰進(jìn)行加密和解密，速度快，但密鑰管理困難。非對(duì)稱(chēng)加密使用兩個(gè)密鑰，一個(gè)用于加密，一個(gè)用于解密，安全性高，但速度較慢。哈希算法將任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的摘要信息，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性。網(wǎng)絡(luò)攻擊拒絕服務(wù)攻擊通過(guò)大量請(qǐng)求或數(shù)據(jù)包，使目標(biāo)系統(tǒng)無(wú)法正常提供服務(wù)。惡意代碼攻擊通過(guò)病毒、木馬等惡意程序，竊取數(shù)據(jù)、破壞系統(tǒng)或控制設(shè)備。信息竊取攻擊通過(guò)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)流量、破解密碼等手段，竊取敏感信息。病毒與木馬1病毒一種能夠自我復(fù)制的惡意程序，可以感染其他程序或系統(tǒng)。2木馬一種偽裝成正常程序的惡意程序，可以竊取信息、控制系統(tǒng)或執(zhí)行其他惡意操作。3蠕蟲(chóng)一種能夠自我傳播的惡意程序，可以利用網(wǎng)絡(luò)漏洞進(jìn)行攻擊。網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)套接字網(wǎng)絡(luò)編程中用于進(jìn)程之間通信的接口，分為流式套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。IP地址和端口號(hào)用于唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程，用于建立網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用于規(guī)定數(shù)據(jù)格式、傳輸方式和通信步驟，例如TCP、UDP、HTTP等。套接字編程連接建立使用socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字，使用bind()函數(shù)綁定地址，使用connect()函數(shù)建立連接。數(shù)據(jù)傳輸使用send()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用recv()函數(shù)接收數(shù)據(jù)。連接關(guān)閉使用close()函數(shù)關(guān)閉套接字，釋放資源。多線程網(wǎng)絡(luò)編程線程創(chuàng)建使用pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程，每個(gè)線程處理一個(gè)連接。數(shù)據(jù)處理每個(gè)線程負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。線程同步使用互斥鎖、條件變量等機(jī)制同步線程之間的訪問(wèn)，避免數(shù)據(jù)沖突。網(wǎng)絡(luò)通信模型客戶(hù)/服務(wù)器模型服務(wù)器提供服務(wù)，客戶(hù)端請(qǐng)求服務(wù)，例如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、文件下載。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型兩個(gè)設(shè)備之間直接通信，例如文件共享、聊天軟件。廣播模型一個(gè)設(shè)備向多個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，例如網(wǎng)絡(luò)廣播。分布式系統(tǒng)定義分布式系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)組成，協(xié)同完成任務(wù)，例如電子商務(wù)平臺(tái)、搜索引擎。優(yōu)勢(shì)高可用性、可擴(kuò)展性、高性能。挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)一致性、故障容錯(cuò)、分布式事務(wù)處理。P2P網(wǎng)絡(luò)1特點(diǎn)去中心化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是客戶(hù)端，又是服務(wù)器，例如BT下載、網(wǎng)絡(luò)電話。2優(yōu)勢(shì)資源共享、成本低廉、抗攻擊能力強(qiáng)。3挑戰(zhàn)安全風(fēng)險(xiǎn)、資源管理、數(shù)據(jù)一致性。云計(jì)算定義通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供計(jì)算資源，例如服務(wù)器、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件等。服務(wù)模式IaaS、PaaS、SaaS優(yōu)勢(shì)降低成本、提高效率、提高可擴(kuò)展性。物聯(lián)網(wǎng)定義通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接各種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，例如智能家居、智慧城市。特點(diǎn)海量數(shù)據(jù)、異構(gòu)設(shè)備、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。應(yīng)用智能家居、智慧醫(yī)療、智能交通。5G通信技術(shù)高速率數(shù)據(jù)傳輸速度更快，例如下載一部電影只需要幾秒鐘。低