《网络结构与分析》课件

网络结构与分析本课程将深入探讨计算机网络的结构、功能和分析方法，帮助您理解网络世界背后的运作机制网络概论网络的定义网络的特征网络是指由多个节点通过通信线路互连而成的系统节点可以是•数据共享网络允许用户共享数据、软件、硬件和其他资源计算机、服务器、移动设备或其他网络设备，而通信线路可以是电缆、光纤、无线信号或其他媒介•通信便利网络提供了方便快捷的通信方式，可以跨越地理距离进行交流•协作增强网络支持协作工作，使团队成员可以共同完成任务•信息获取网络是获取信息的宝库，可以访问各种资源和服务网络的定义和特征网络的定义网络的特征网络是指由多个节点通过通信线路或无线连接，按照一定的协议，进行数据交•共享性换和信息共享的系统它可以连接计算机、手机、服务器、路由器等各种设备，•分布性构成一个庞大而复杂的系统•层次性•开放性•异构性•并行性网络的基本构成要素节点链路协议网络中的每个连接设备或终端都称为节点，连接两个节点的物理媒介，例如网线、光纤、网络设备之间进行通信的规则和标准，例如例如电脑、服务器、手机、打印机等无线信号等TCP/IP、HTTP等网络拓扑结构网络拓扑结构是指网络中各节点（如计算机、服务器、路由器等）之间的物理连接方式，它决定了网络中数据传输的路径和方式不同的拓扑结构具有不同的优缺点，选择合适的拓扑结构对于网络的性能、可靠性和安全性至关重要常见的网络拓扑结构包括•星型拓扑•总线型拓扑•环型拓扑•树型拓扑•网状拓扑网络分类按覆盖范围按拓扑结构网络可以根据覆盖范围分为局域网（LAN）、城域网（MAN）网络可以根据拓扑结构分为星型、总线型、环型、树型和网和广域网（WAN）状等按传输介质按协议网络可以根据传输介质分为有线网络和无线网络网络可以根据协议分为TCP/IP网络、OSI网络等常见网络拓扑结构网络拓扑结构是指网络中各个节点之间的物理连接方式，它决定了网络的性能、可靠性和可扩展性常见的网络拓扑结构包括星型、总线型、环型、树型和网状型等不同的拓扑结构具有不同的特点，适用于不同的应用场景星型拓扑集中式结构易于管理和维护成本较高所有设备都连接到一个中心设备（通常是集集中式管理，易于添加或删除设备，故障隔需要较多的电缆，中心设备故障会导致整个线器或交换机），数据传输必须经过中心设离也比较容易，因为只影响连接到该设备的网络瘫痪，安全性也较低，因为中心设备成备节点为攻击目标总线型拓扑总线型拓扑结构是最简单的一种网络拓扑结构，所有设备都连接到一条公共的传输介质（总线）上数据在总线上以广播的方式传输，所有设备都能接收到数据这种拓扑结构的优点是成本低，易于安装和维护，但缺点是性能较低，安全性较差，且一旦总线出现故障，整个网络就会瘫痪总线型拓扑结构常用于小型局域网，例如家庭网络由于其成本低廉和易于安装的特性，总线型拓扑结构在过去被广泛采用然而，随着网络规模的扩大，总线型拓扑结构的缺点逐渐显现，例如网络性能下降、安全性较差等因此，总线型拓扑结构在现代网络中已逐渐被其他更先进的拓扑结构所取代环型拓扑在环型拓扑中，所有设备连接成一个闭合的环路，数据在环路中单向传播每个设备都连接到它的两个相邻设备，数据从一个设备传输到下一个设备，直到到达目的地环型拓扑具有较高的可靠性，因为即使一个设备出现故障，数据仍然可以通过环路中的其他设备进行传输但是，环型拓扑也存在一些缺点，例如数据传输速度较慢，因为数据需要经过多个设备才能到达目的地，并且一旦环路中出现故障，整个网络将无法正常工作树型拓扑树型拓扑结构是一种层次化的网络结构，类似于一棵倒置的树，其中一个中央节点（根节点）连接多个子节点（分支节点），而子节点又可以连接更多子节点，形成一个树状结构树型拓扑结构的优点是易于扩展，可以方便地添加新的节点缺点是中央节点的负担较重，一旦中央节点出现故障，整个网络将会瘫痪树型拓扑结构常用于局域网（LAN）和广域网（WAN）的连接，例如校园网络、企业网络等网状拓扑网状拓扑结构，也称为**互联网络**，是一种高度冗余的网络结构在网状拓扑中，每个节点都直接连接到多个其他节点，形成一个复杂的网络•高容错性由于多个路径，即使部分节点或连接失效，数据仍然可以经由其他路径传输•高带宽多个连接可以并行传输数据，提高网络带宽•复杂性网状拓扑结构设计和维护成本较高网络层次结构物理层数据链路层网络层负责数据的物理传输，如电信号的传输负责在相邻节点之间可靠地传输数据，负责数据包的路由和寻址，为网络中的和接收它定义了网络介质、传输速率包括数据的封装、地址识别和错误检测节点提供逻辑地址，并负责数据包的转和数据格式等等发传输层会话层表示层负责提供端到端的可靠数据传输，包括负责建立、管理和终止会话，为应用层负责数据格式的转换和加密，为应用层流量控制、错误控制和数据分段等提供通信服务提供数据格式的标准化和安全保护应用层负责提供用户应用程序的网络服务，如电子邮件、网页浏览和文件传输等物理层物理层负责数据在物理介质上的传输，物理层还负责数据的编码和解码，以它定义了数据传输的电气特性、机械及信号的传输和接收它将数据转换特性、过程特性以及功能特性例如，成可以传输的电信号，并使用各种技网线、光纤、无线电波等都是物理层术来保证数据的完整性和可靠性传输数据的介质物理层定义了网络设备之间的连接方式，例如RJ-45接口、光纤接口、USB接口等它确保了网络设备之间的互连性数据链路层功能协议数据链路层负责将数据帧从一个节点传数据链路层使用各种协议，例如输到另一个节点，并确保数据在传输过•以太网协议程中不会丢失或损坏它提供了一些关•令牌环协议键功能，包括•无线局域网协议•物理地址寻址•流量控制•错误检测和纠正•数据帧封装和解封装设备数据链路层使用各种设备，例如•网卡•交换机•网桥网络层网络层的功能主要协议12网络层负责将数据包从源主机网络层最常用的协议是IP协议传输到目标主机，它负责路由（Internet Protocol），它提供选择和拥塞控制网络层通过数据包的地址和路由功能其IP地址来识别网络中的每个主他协议包括ICMP（Internet机，并使用路由表来确定数据Control MessageProtocol）包的最佳路径和ARP（Address ResolutionProtocol）网络层的服务3网络层提供以下服务数据报服务、连接服务、广播服务、组播服务数据报服务提供无连接、不可靠的数据传输连接服务提供面向连接、可靠的数据传输广播服务允许将数据包发送到网络中的所有主机组播服务允许将数据包发送到网络中的一组特定主机传输层传输层的功能传输层协议传输层负责在两个应用程序之间提供可靠的端到端数据传输服务传输层定义了两种主要的协议传输控制协议（TCP）和用户数据它将数据分割成数据段，并添加必要的头部信息，确保数据能够报协议（UDP）TCP提供面向连接的可靠数据传输服务，而UDP顺利地从源主机传递到目标主机提供无连接的不可靠数据传输服务选择哪种协议取决于应用程序的需求会话层会话管理数据同步用户认证负责建立、管理和终止应用程序之间确保数据在应用程序之间进行可靠的对用户身份进行验证，确保只有授权的数据交换会话例如，在进行网络同步，保证数据的完整性和一致性用户才能访问网络资源例如，登录通话时，会话层负责建立通话连接，例如，在进行文件传输时，会话层负网站时，会话层负责验证用户的用户管理通话过程，并在通话结束时断开责保证文件内容完整性和传输顺序的名和密码，确保用户身份的真实性连接准确性表示层数据格式转换数据加密和解密表示层负责将应用程序数据转换表示层可以对数据进行加密，以为网络传输的格式，例如将文本保护数据在传输过程中的安全性转换为ASCII码或将图像转换为它也可以对接收到的数据进行解JPEG格式密，以恢复原始数据数据压缩和解压缩表示层可以对数据进行压缩，以减少数据传输量，提高网络效率它也可以对接收到的数据进行解压缩，以恢复原始数据应用层应用层是OSI模型中最靠近用户的层应用层负责与用户交互，将用户请求级，提供各种网络应用服务，例如电转换为网络数据，并处理来自网络的子邮件、网页浏览、文件传输等数据，将其转换为用户可以理解的信息应用层协议定义了应用程序之间如何通信，例如HTTP协议用于网页浏览，SMTP协议用于电子邮件发送网络协议定义作用网络协议是网络中不同设备之间进行通信的规则和约定，它定义网络协议的引入保证了网络设备之间能够相互理解和协作，确保了数据格式、传输方式和错误处理等方面简单来说，就像不同数据能够在网络中顺利传输，并完成各种网络应用它就像交通国家的人使用不同的语言交流，网络协议则是不同设备之间进行规则一样，规范了数据传输的秩序，保证了网络的稳定和高效数据交换的“语言”协议族TCP/IP分层结构协议栈网络互联TCP/IP协议族采用分层结构，将网络通信TCP/IP协议族包含多个协议，这些协议按TCP/IP协议族是互联网的核心协议，它定任务分解为多个层次，每个层次负责特定的照层次结构组织在一起，形成一个协议栈义了网络中设备之间如何相互通信功能这种分层结构有利于协议的开发、维协议栈中的各个协议相互配合，共同完成网TCP/IP协议族使得不同类型的网络可以互护和扩展络通信任务联，实现全球范围内的信息交换参考模型OSI应用层表示层会话层传输层为用户提供网络服务，例如电子邮件、负责数据格式转换、加密和解密，确保管理通信会话，例如建立、维护和终止提供端到端的可靠数据传输服务，例如文件传输和网页浏览不同系统之间的数据兼容性连接，以及控制数据流流量控制和错误检测网络层数据链路层物理层负责数据路由，将数据包从源主机传输在网络节点之间提供可靠的数据传输服定义网络介质和信号规范，负责物理层到目标主机，并进行网络地址转换务，包括流量控制、错误检测和物理地面的数据传输，例如比特流的传输址管理网络互联设备重复器集线器交换机重复器是一种最简单的网络互联设备，用集线器是一种多端口设备，可以将多个设交换机是一种更高级的网络互联设备，它于扩展网络的物理范围它接收来自一个备连接到同一个网络它通过广播的方式可以根据数据包的目的地址进行转发它网络的信号，放大信号并将其转发到另一将数据包发送到所有连接的设备，因此效维护一个MAC地址表，用于记录连接设备个网络，从而延长网络的传输距离重复率比较低集线器工作在物理层，它不理的MAC地址，并将数据包转发到对应的设器工作在物理层，它不理解数据包的内容，解数据包的内容，只负责信号的转发备交换机工作在数据链路层，它理解数只负责信号的放大和转发据包的MAC地址重复器定义功能局限性重复器是一种简单的网络设备，用于重复器主要用于解决网络信号衰减的重复器只能放大信号，无法识别和过扩展网络信号的覆盖范围它通过接问题，通过放大信号来延长网络的传滤数据，因此会将所有信号都放大，收弱信号并将其放大后重新传输到网输距离它可以将两个或多个网络段包括错误数据，这可能会导致网络性络中，从而增加网络信号的传输距离连接在一起，使网络信号能够在更大能下降的范围内传输集线器定义特点集线器是一种简单的网络设备，•成本低廉它将多个网络设备连接在一起•易于安装和配置它工作在物理层，将所有连接到•性能较低它的设备放在同一个广播域中•安全性较差这意味着任何设备发送的数据包都会被转发到所有其他连接到集线器的设备应用场景集线器通常用于小型网络，例如家庭网络或小型办公室网络它们也常用于连接同一网络中的设备，例如打印机、扫描仪和服务器交换机交换机是网络设备，它用于连接多个交换机通过MAC地址来识别和转发数网络设备，例如计算机、服务器、打据，并能根据网络流量自动选择最佳印机等路径，提高网络传输效率和速度交换机可以隔离不同网络段的流量，提高网络安全性，防止恶意攻击和数据泄露路由器网络互联数据包转发路由器是网络中连接不同网络的路由器通过路由表进行数据包转关键设备，它负责根据数据包的发，路由表存储了网络中的各种目的地址，选择最佳路径转发数路径信息，路由器根据路由表选据包，实现不同网络之间的通信择最优路径将数据包转发到目标网络网络地址转换安全保障路由器可以进行网络地址转换路由器可以配置防火墙功能，阻（NAT），将私有网络地址转换止来自外部网络的攻击，保护内为公有网络地址，方便私有网络部网络的安全设备访问互联网网关定义功能网关是连接两个不同网络的设备，网关的主要功能是协议转换、地它可以将来自一个网络的数据包址转换和安全控制它可以将不转换为另一个网络可以理解的格同的网络协议进行转换，将不同式，从而实现不同网络之间的互网络的地址进行转换，以及对网联络流量进行安全控制，防止恶意攻击作用网关在网络互联中起着至关重要的作用，它可以将不同的网络连接起来，实现数据共享和资源互通，为用户提供更广泛的服务网络性能指标网络带宽网络延迟丢包率网络吞吐量网络带宽是指网络在单位时间网络延迟是指数据从源点到目丢包率是指在数据传输过程中网络吞吐量是指网络在单位时内可以传输的数据量，通常以标点所需的时间，通常以毫秒丢失的数据包的比例丢包率间内实际传输的数据量，通常比特每秒bps为单位带宽越ms为单位延迟越低，网络过高会导致数据传输不完整，以字节每秒Bps为单位吞吐大，网络传输速度越快，数据响应速度越快，用户体验越好影响网络性能和用户体验量反映了网络的实际传输能力传输效率越高网络带宽网络带宽是指网络中数据传输的速率，通常以Mbps兆比特每秒为单位带宽越大，数据传输速度越快，用户体验越好不同类型的网络连接具有不同的带宽，例如ADSL、VDSL和光纤图示显示了不同带宽类型的速度比较网络延迟网络延迟是指数据包从源节点到目标节点所花费的时间它是一个重要的性能指标，因为它会直接影响用户体验100500毫秒毫秒1秒延迟通常以毫秒ms为单位来衡量一般来说，延迟越低，用户体验越好例如，如果一个网页的延迟为100毫秒，用户会感觉到网页加载速度很快而如果延迟为500毫秒，用户可能会感觉到网页加载速度很慢如果延迟超过1秒，用户可能会感到网页加载速度非常慢，甚至会放弃访问该网页丢包率定义在网络传输过程中，数据包丢失的比例影响因素网络拥塞、设备故障、数据包冲突、网络攻击等衡量标准丢包率通常以百分比表示，例如1%的丢包率表示每100个数据包中丢失1个影响导致应用程序性能下降、视频和音频卡顿、数据传输延迟、甚至导致数据丢失网络吞吐量定义在单位时间内网络上传输的数据量，通常以比特率bps表示，例如100Mbps、1Gbps等影响因素网络带宽、网络延迟、数据包大小、网络协议等重要性反映网络的传输效率和承载能力，是衡量网络性能的重要指标之一网络安全数据安全访问控制网络安全设备保护网络数据免受未经授权的访问、使用、限制对网络资源的访问，确保只有授权用户使用防火墙、入侵检测系统、入侵防御系统泄露、修改或破坏或设备可以访问等设备来防御网络攻击常见网络安全威胁恶意软件网络钓鱼拒绝服务攻击数据泄露DoS病毒、蠕虫、木马、勒索软件攻击者通过伪造电子邮件、网攻击者通过向目标服务器或网由于安全漏洞或内部人员恶意等恶意软件可以通过各种途径站或短信来欺骗用户，诱使他站发送大量请求，使其无法正行为，敏感信息，如个人数据、传播，例如电子邮件附件、恶们提供个人信息或进行恶意操常响应合法用户的请求，导致财务信息或商业机密可能被窃意网站、USB驱动器等一旦作，例如点击虚假链接或下载服务瘫痪取或泄露，导致严重后果感染，它们可以窃取敏感信息、恶意软件破坏系统或控制设备网络安全防护措施防火墙入侵检测系统入侵防御系统反病毒软件IDS IPS防火墙是一种网络安全设备，IDS是一种系统，它可以监控IPS是一种系统，它可以监控反病毒软件是一种计算机程序，它可以阻止来自不受信任网络网络流量并识别可能表明攻击网络流量，识别攻击并采取措它可以检测和删除恶意软件，的访问，并限制来自内部网络的模式或活动它可以帮助识施阻止它们它可以通过阻止例如病毒、蠕虫和木马它通的访问它通过检查进出网络别和阻止攻击，例如拒绝服务攻击流量或重新路由流量来实过扫描文件和程序来工作，识的数据包来工作，并阻止任何攻击或恶意软件感染IDS通现这一点IPS通常比IDS更别已知的恶意软件模式并采取与已配置规则不匹配的流量常与防火墙一起使用，以增强积极，因为它可以采取措施阻措施删除它们防火墙可以是硬件设备，也可网络的安全性止攻击，而IDS通常只报告它以是软件程序们网络监控和管理监控网络性能检测安全威胁网络监控系统可以实时监控网络流量、延迟、丢包率等关键指标，监控系统可以识别网络攻击、恶意软件入侵、数据泄露等安全威胁，帮助识别网络性能问题并及时采取措施，确保网络稳定运行及时发出警报并采取防御措施，保障网络安全优化网络配置简化网络管理通过分析网络数据，可以发现网络瓶颈和资源浪费，并优化网络配网络管理系统可以集中管理网络设备、用户、应用程序等，简化网置，提高网络效率和性能络管理工作，提高管理效率网络管理系统功能用途网络管理系统（NMS）用于监NMS被广泛用于各种组织，从控、管理和维护网络设备和服务小型企业到大型企业，以及政府它提供了集中化的控制台，允许机构和教育机构管理员查看网络拓扑、流量统计、设备状态和警报优势NMS可以提高网络性能、可靠性和安全性它可以帮助管理员快速识别和解决问题，并优化网络资源分配网络监控工具网络性能监控器Ping TracerouteWireshark用于测试网络连接，通过发送用于跟踪数据包在网络中的路用于捕获和分析网络数据包，用于实时监控网络性能指标，ICMP包并测量响应时间来诊断由路径，帮助定位网络故障点提供详细的网络活动信息例如带宽利用率、延迟和丢包网络延迟和丢包率率，并生成图表和报告网络分析方法网络流量分析网络拓扑分析分析网络流量模式，识别异常流量、识别网络结构、设备连接关系和网络网络攻击和安全漏洞，监控网络性能性能瓶颈，帮助优化网络设计和部署，和用户行为提高网络效率和稳定性网络性能分析网络安全分析评估网络延迟、带宽、丢包率和吞吐识别网络攻击、恶意软件和安全漏洞，量等性能指标，分析网络性能瓶颈和分析攻击来源和目标，制定有效的安问题，优化网络配置和资源利用全防御策略社交网络分析社交网络分析通过分析人与人之间的它可以帮助我们了解社会关系、信息连接和互动来研究社交网络的结构和传播模式、影响力分布等行为社交网络分析方法通常使用图形理论、统计学、机器学习等技术来分析和解释数据关系网络分析节点和关系网络结构关系网络分析主要关注节点之间通过分析网络结构，可以识别出的联系，例如社交网络中的用户、网络中的关键节点、中心性、社企业之间的商业关系或组织之间群结构和影响力等，为理解网络的合作关系的运作机制和预测网络行为提供依据应用领域关系网络分析广泛应用于社交网络分析、传染病传播研究、金融风险控制、市场营销和公共安全等领域信息传播分析分析信息传播路径评估信息传播效果预测信息传播趋势信息传播分析可以帮助我们了解信息从源通过分析信息传播数据，我们可以评估信基于历史数据和当前传播趋势，我们可以头到最终接收者的传播路径，识别影响信息传播的覆盖范围、影响力以及传播效果，预测未来信息传播的方向和影响，帮助我息传播的关键节点和因素并找出传播效果不佳的原因们制定更有效的传播策略数据可视化数据可视化是将数据转化为图形、图表等视觉形式，以便于人们更容易理解和分析数据的过程它通过直观的视觉呈现，帮助人们发现数据中的模式、趋势和异常，从而更好地理解数据背后的意义在网络结构与分析领域，数据可视化可以用于•展示网络拓扑结构•分析网络流量•监控网络性能•识别网络安全威胁。