《互联网协议I》课件

互联网协议概述互联网协议是互联网通信的基础,定义了数据如何在网络中传输我们将学习Internet ProtocolIP和Transmission ControlProtocol TCP等核心协议,以及它们如何共同工作确保数据安全高效地在网络中传递课程大纲系统概述核心协议讲解实践应用前沿技术分享本课程将全面介绍互联网协议课程还将深入探讨互联网协议同时,我们还将通过实际案例此外,课程还会关注互联网协的基础知识,包括互联网协议的各层,如物理层、数据链路分析,帮助学生理解互联网协议的前沿发展趋势,让学生了的定义、作用和分层架构层、网络层和运输层等核心协议在实际应用中的工作原理和解未来互联网技术的变革方议的原理和功能具体实现向什么是互联网协议？互联网协议Internet Protocol,IP是一种用于计算机网络中数据传输的标准协议它定义了数据在网络中如何传输、路由和寻址互联网协议使得不同类型的计算机和设备可以在网络上进行通信和数据交换互联网协议是互联网的基础,确保了网络中设备之间的互连和数据传输它规定了数据包的格式、地址分配、路由选择等,为网络通信提供了统一的语言和规则互联网协议的作用全球互联高效传输分层架构互联网协议使得不同的计算机网络能够互联标准化的互联网协议确保数据在网络上高互联网协议的分层设计使网络功能更加模块互通,实现全球范围内的信息交换和资源共效、可靠地传输,为用户提供稳定的网络服化和可扩展,便于技术的持续创新和升级享务互联网协议的分层架构应用层1为用户提供服务传输层2保证数据传输质量网络层3确定数据传输路径数据链路层4提供可靠的数据传输物理层5实现数据在物理介质上的传输互联网协议遵循分层架构设计,从物理层到应用层逐步构建,每一层都有其特定的功能和责任,协同工作以实现互联网的高效运行这种分层设计使得整个系统更加模块化、灵活和可扩展物理层概述物理层是网络协议栈中的最底层,负责规定网络设备的机械、电气、功能和过程特性它确保能够将数据从一个设备传输到另一个设备物理层定义了传输媒体、链路建立与终止、数字编码等基础规范物理层的主要功能包括电压、电流、电磁波等物理特性的定义,保证信号的可靠传输,以及数据帧的物理结构和时序特性的规范这些物理特性为上层协议提供稳定可靠的基础数据链路层概述数据链路层是网络体系结构中的第二层,负责在相邻节点之间建立可靠的数据传输它包括以下主要功能:•帧格式化和帧同步•错误检测和纠正•访问控制和媒体共享•流量控制和拥塞控制网络层概述网络层是互联网协议体系中的关键部分,负责数据包的路由选择和转发它提供了重要的逻辑寻址功能,使终端设备能够在广泛的网络中互相连接和通信网络层协议如IP、ICMP、ARP等,定义了数据包的格式、寻址机制和路由选择算法,确保数据能在复杂的网络拓扑中顺利传输地址IP二进制表示点分十进制表示网络和主机IP地址采用32位二进制数字表示，每8位分为了便于阅读和理解，IP地址通常用点分十IP地址由网络部分和主机部分组成，用于标为一个字节进制表示识网络和主机地址结构IPv4版本4位,值为4报头长度4位,标识报头的长度服务类型8位,用于指定特殊的传输服务总长度16位,指定整个数据报文的长度标识16位,用于标识一个数据报文碎片标志3位,用于控制和识别数据报文碎片片偏移13位,指定数据报文碎片在原数据报文中的位置生存时间8位,指定数据报文在网络中可以经历的最大路由器数协议8位,指定上层协议类型检验和16位,用于检测报头是否有错源IP地址32位,指定发送数据报文的主机IP地址目的IP地址32位,指定接收数据报文的主机IP地址地址分类IPv4类地址类地址A B主要用于大型网络,网络号1-126,主要用于中型网络,网络号128-可分配主机数16,777,214191,可分配主机数65,534类地址类地址C D主要用于小型网络,网络号192-用于组播地址,网络号224-239,不223,可分配主机数254能用于一般主机分配子网划分逻辑子网1将一个物理网络划分为多个逻辑子网子网掩码2确定子网的边界提高效率3减少网络广播域和碰撞域网络管理4更好地管理和分配IP地址子网划分是将一个物理网络逻辑上划分为多个子网的过程通过设置合适的子网掩码,可以确定子网的边界,减少网络的广播域和碰撞域,提高网络效率同时,子网划分也便于网络管理,可以更好地管理和分配IP地址资源子网掩码子网掩码是用来划分IP地址空间的一种方法它通过掩盖IP地址的某些部分来定义网段的边界,从而将一个大的网络划分为多个小网段每个网段都有自己独立的IP地址空间和路由子网掩码通常采用点分十进制的表示方式,如

255.

255.

255.0其中每一位都对应于IP地址中的一个八位字节,1代表该部分属于网络标识,0代表该部分属于主机标识默认网关网关设备数据包路由12默认网关是连接内部网络和外如果目的地址不在本地网络部网络的网关设备，如路由器中，计算机会将数据包发送到或防火墙默认网关进行转发地址设置路由选择IP34默认网关的IP地址通常与内部默认网关是通往外部网络的首网络处于同一网段，并为计算选路径，当没有更具体的路由机提供出口时使用路由表路由表概述路由表条目动态路由协议路由表是路由器或其他网络设备用来存储目每个路由表条目包括目标网络地址、下一跳路由器可以通过运行动态路由协议自动学习标网络地址和下一跳信息的重要数据结构IP地址和出接口等信息路由器会根据路由和更新路由表条目,提高网络的可靠性和适它指导数据包如何从源地址转发到目标地表进行转发决策应性址协议ICMP连通性检测错误报告12ICMP协议用于在网络层检测主ICMP协议还可以向发送方报告机和路由设备之间的连通性数据包转发过程中出现的问题性能优化安全功能34ICMP协议可以用于测试网络性ICMP协议报文可用于检测网络能并优化路由和转发策略攻击行为并采取相应措施报文类型ICMP请求应答报文错误报告报文/ICMP包括Echo Request和Echo ICMP还包括目标不可达、超时、Reply两种报文类型,用于主机和网参数问题等错误报告类型,用于通关之间的测试和诊断知网络异常情况重定向报文时间戳报文ICMP重定向报文用于通知主机选ICMP时间戳报文用于网络设备之择更优的路由,提高网络利用效间的时间同步,确保网络时间一率致协议ARP工作原理请求缓存ARP ARPARP协议用于解决本地网络中发送设备向目标IP地址广播通信双方会将对方的IP-MAC设备的IP地址与MAC地址之间ARP请求报文，询问对应的地址映射关系缓存在本地，下的映射关系当一个设备需要MAC地址当目标设备收到请次通信时就可以直接查找，无与另一个设备通信时，首先需求后会回复一个ARP应答报需再发送ARP请求要知道对方的MAC地址文报文格式ARPARP报文包含以下主要字段:•硬件类型Hardware Type:表示用于访问物理网络的硬件类型，如以太网•协议类型Protocol Type:表示要映射的高层协议的类型，如IP协议•硬件地址长度Hardware AddressLength和协议地址长度Protocol AddressLength:表示硬件地址和协议地址的长度•操作码Operation:表示ARP报文的类型，如请求或应答•发送方硬件地址Sender HardwareAddress和发送方协议地址Sender ProtocolAddress:表示发送方的MAC地址和IP地址•目标硬件地址Target HardwareAddress和目标协议地址Target ProtocolAddress:表示目标的MAC地址和IP地址中继设备工作原理连接网络1中继设备通过网络端口连接多个网络分段,扮演网络连接的关键角色数据转发2中继设备接收来自一个网段的数据包,并将其转发到另一个网段,实现网络间的数据交换信号放大3中继设备能够放大和重新生成网络信号,克服传输距离及信号衰减的限制交换机工作原理收包处理交换机接收到数据帧时，会读取帧头部的目的MAC地址，查找转发表以确定下一跳地址学习MAC交换机会将收到数据帧的源MAC地址和端口号记录在转发表中，以学习网络拓扑转发决策根据转发表中的信息做出转发决策，将数据帧转发到合适的端口端口隔离交换机会将每个端口互相隔离，避免不同端口的设备直接通信路由器工作原理地址识别1路由器通过检查数据包中的目标IP地址,确定数据包应该发往的下一个网络路由选择2路由器会查询自己的路由表,根据最佳路径将数据包转发到目标网络地址转换3路由器可以执行网络地址转换NAT,将内部私有IP地址转换为公网IP地址运输层概述运输层概述核心功能和的区别TCP UDP运输层负责在端到端之间可靠地传输数据•端到端的数据传输TCP是面向连接的、可靠的传输协议,而UDP包它定义了重要的通信协议TCP和UDP,为是无连接的、不可靠的协议两者适用于不•差错控制和流量控制上层应用程序提供统一的接口同的场景•多路复用和分用协议TCP面向连接错误校验TCP是一种面向连接的协议,在数据传TCP采用校验和机制来检测数据在传输前需要建立连接,确保可靠、有序的输过程中是否发生错误,确保数据完整数据传输性流量控制重传机制TCP使用滑动窗口机制控制数据发送TCP会自动重传丢失或损坏的数据包,速率,避免发送方过快发送数据而导致确保数据最终能够完整地传输到目的接收方缓冲区溢出地连接建立和释放TCP连接建立客户端发送SYN报文以建立连接服务器回应SYN-ACK报文确认连接客户端再发送ACK报文完成三次握手数据传输建立连接后，客户端和服务器可以进行双向数据传输TCP提供可靠的数据传输服务连接释放一方发送FIN报文表示要关闭连接另一方回应ACK报文确认双方都发送FIN和ACK完成四次挥手协议UDP无连接性UDP是一种无连接的传输层协议,不需要建立和维护长期的连接数据报文UDP将数据发送为独立的数据包数据报而无需建立会话高效传输UDP在数据传输过程中无需经过复杂的握手和确认,因此比TCP更加高效端口号端口号是用来识别网络上应用程序的编号每个应用程序都有唯一的端口号,用于与其他程序进行通信端口号范围从0到65,535,其中0到1023是著名端口号,主要用于一些众所周知的应用程序,如HTTP、FTP和SMTP等0著名端口主要用于众所周知的应用程序1023著名端口最高的著名端口号65535总端口数从0到65,535的所有端口号解析过程DNS客户端查询服务器DNS1用户在浏览器中输入域名服务器搜索域名DNS2查找域名的IP地址信息服务器返回地址DNS IP3将IP地址返回给客户端客户端访问目标网站4使用获得的IP地址连接到目标网站DNS解析是将域名转换为IP地址的过程,为用户访问网站提供基础客户端首先向DNS服务器查询域名,DNS服务器查找并返回对应的IP地址,客户端再使用该IP地址连接到目标网站这个过程确保了用户能够通过易记的域名访问互联网上的各种资源应用层概述应用层是网络协议栈的最高层,为用户提供直接可用的网络服务它定义了各种网络应用程序的工作机制和标准,如网页浏览、文件传输、电子邮件等应用层协议确保数据以正确的格式传输,并提供必要的安全和可靠性机制应用层协议的设计需要考虑网络环境的复杂性和用户需求的多样性它需要与下层协议协调工作,充分利用网络的传输能力,同时又要对用户提供友好、高效的服务体验总结与展望互联网协议的发展历程未来的挑战和方向从最初的ARPANET到如今覆盖全球的互联网,互联网协议已经经历随着物联网、云计算等新兴技术的兴起,互联网协议面临着从IPv4了近半个世纪的发展和变革,不断适应新的技术需求向IPv6过渡、能源优化、安全性提升等诸多挑战,需要不断创新和完善。