计算机网络基础课件

计算机网络基础欢迎来到计算机网络基础课程！在这个课程中，我们将深入探讨计算机网络的原理、架构、协议和应用，为你在未来从事相关领域工作奠定坚实基础课程概述课程目标课程内容本课程旨在帮助学生掌握计算机课程内容涵盖网络基础知识、网网络的基本概念、原理和技术，络协议、网络设备、网络安全、培养学生分析和解决网络问题的网络编程等方面，并结合实际案能力，为后续学习更高级的网络例进行讲解，使学生能够将理论课程打下坚实的基础知识应用到实践中学习方法建议学生积极参与课堂互动，认真完成课后作业，并结合课外学习资料进行深入研究，并鼓励学生参与网络实验，以加深对网络技术的理解网络的基本概念网络的定义网络的组成网络的类型网络的功能网络是由多个节点通过通信链网络由节点和链路两部分组网络可以根据不同的标准进行网络主要的功能包括数据通路互连而成的系统，用于实现成节点是指连接到网络的设分类，例如，按规模可以分为信、资源共享、协同工作、信节点之间的数据通信和资源共备，如计算机、服务器、路由局域网LAN、城域网MAN息发布、娱乐休闲等网络为享它连接了各种设备，包括器等链路是连接节点之间的和广域网WAN；按拓扑结构人们提供了便捷高效的信息传计算机、手机、服务器、路由物理线路，负责传递数据信可以分为星型、总线型、环递和共享平台，改变了人们的器等，使它们能够相互通信并号型、树型等；按传输介质可以生活和工作方式交换信息分为有线网络和无线网络网络分类广域网WAN城域网MAN局域网LAN跨越地理区域的网络，覆盖某个城市或地区的覆盖某个局域范围的网连接不同地点的计算网络，通常连接多个局络，例如办公室、学校机，例如互联网域网或家庭个人区域网PAN连接个人电子设备的网络，例如智能手机、平板电脑和笔记本电脑网络的构成要素硬件软件•计算机作为网络的节点，负责数据处理和存储•网络操作系统NOS管理网络资源，提供网络服务，如Windows Server、Linux•网络接口卡NIC连接计算机和网络的桥梁，负责数据的收发•网络协议规定数据传输的规则和格式，如TCP/IP•传输介质数据在网络中传输的媒介，如双绞线、光纤等•网络应用程序实现特定功能的软件，如浏览器、邮件客户端、文件共享软件•网络设备如路由器、交换机、集线器等，负责数据转发和网络管理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是网络规划、设计和管理的基础，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有以下几种•总线型拓扑所有节点都连接到一条公共的总线上优点是结构简单、成本低，缺点是数据传输效率低、可靠性差•星型拓扑所有节点都连接到一个中心节点，中心节点通常是集线器或交换机优点是结构简单、易于管理、可靠性高，缺点是中心节点故障会导致整个网络瘫痪•环型拓扑所有节点都连接成闭环，数据在环中传递优点是数据传输效率高、可靠性高，缺点是结构复杂、配置困难•树型拓扑由多个星型拓扑组成，每个星型拓扑都连接到一个上层中心节点优点是结构灵活、易于扩展，缺点是中心节点故障会导致部分网络瘫痪•网状型拓扑所有节点之间都有多条连接路径优点是可靠性高、数据传输效率高，缺点是结构复杂、成本高参考模型OSI物理层负责数据在物理介质上的传输，定义了网络设备的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性数据链路层负责在相邻节点之间可靠地传输数据帧，包括物理地址寻址、数据帧封装和错误检测网络层负责网络互联，定义了逻辑地址寻址、路由选择和数据包转发传输层负责为应用程序提供端到端的可靠数据传输，包括数据流控制、错误控制和流量控制会话层负责建立、管理和终止应用程序之间的会话，包括对话控制、同步和数据恢复表示层负责数据格式转换和编码，确保不同系统之间的数据能够相互理解应用层负责为用户提供网络服务，包括电子邮件、文件传输、网络浏览和网络游戏物理层网络基础1物理层是OSI参考模型的最低层，负责将数据从一台设备传输到另一台设备它定义了数据传输的物理介质、信号编码、传输速率以及连接器类型等物理介质2常用的物理介质包括双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等不同的介质具有不同的传输特性，例如传输速率、抗干扰能力和传输距离等信号编码3物理层使用信号编码将数据转换为电信号或光信号进行传输不同的编码方式具有不同的效率和抗干扰能力连接器类型4物理层还定义了连接器类型，例如RJ-

45、BNC、SC等不同类型的连接器适用于不同的介质和设备数据链路层介质访问控制逻辑链路控制数据链路层负责在网络中的节点之间建在MAC层之上，数据链路层还包含逻立和维护通信链路它管理节点间的物辑链路控制LLC子层，它负责对网络理连接，并为数据在链路上传输提供可数据进行封装，并提供数据传输的可靠靠性和安全性数据链路层使用MAC性LLC子层通过使用帧来封装数据，地址来识别网络中的每个节点，并通过并使用各种错误检测和纠正机制来确保各种协议来管理数据传输，例如数据传输的可靠性和完整性CSMA/CD，令牌环，FDDI等数据链路层的关键功能•物理地址寻址•数据帧的封装和解封装•流量控制•错误检测和纠错•网络拓扑管理网络层数据包的路由1网络层负责将数据包从源主机路由到目标主机，它为数据包选择最佳路径，并确保数据包能够在不同的网络之间传输地址管理2网络层使用IP地址来标识网络中的每台主机和设备，它负责IP地址的分配和管理，确保每个设备拥有唯一的IP地址数据包的封装3网络层将数据包封装成IP数据报，并添加IP头部信息，包括源IP地址、目标IP地址、协议类型等网络层协议4常见的网络层协议包括IP协议、ICMP协议、ARP协议等，它们共同负责网络层的功能实现传输层数据传输连接管理错误控制传输层负责将数据分成数传输层建立和维护主机之传输层负责检测和纠正数据段（segment），为应间的数据传输连接，例如据传输过程中的错误，例用层提供可靠的数据传输TCP的三次握手和四次挥如TCP的校验和机制服务，例如TCP协议手流量控制传输层负责控制数据传输的速率，防止接收方被过多的数据淹没，例如TCP的滑动窗口机制会话层建立和管理会话数据同步和恢复会话层负责建立、管理和终止应用程序之间的通信会话它提供会话层还负责数据同步和恢复如果数据传输过程中出现错误，了一种机制，允许应用程序在网络上进行交互，并确保数据以正会话层可以重新发送数据，以确保数据完整性它还可以提供数确的顺序传递例如，它可以确保对话的参与者按照顺序进行交据恢复功能，在会话中断时恢复数据传输流，并确保数据传输完整可靠表示层数据格式转换数据加密解密数据压缩解压缩表示层负责将来自应用层的应用程序数据转表示层可以负责对数据进行加密和解密，以表示层可以对数据进行压缩，以减少数据传换为网络可以传输的格式，比如将文本数据确保数据的安全性和完整性它可以利用各输量，提高传输效率它可以使用各种压缩转换为ASCII码，并将图像数据转换为种加密算法，例如AES、DES等，来对数据算法，例如GZIP、ZIP等，来对数据进行压JPEG格式它还负责将接收到的数据转换进行加密，并使用相应的解密算法来解密数缩，并使用相应的解压缩算法来解压缩数为应用程序可以理解的格式据据应用层功能协议示例应用层是OSI模型中最靠近用户的层次，应用层包含许多协议，例如HTTP、•使用浏览器访问网页，使用HTTP协为用户提供网络服务，例如电子邮件、文FTP、SMTP、DNS等这些协议定义了议与Web服务器通信件传输、网页浏览等它是用户与网络交应用程序之间如何进行通信，并提供了各•发送电子邮件，使用SMTP协议将电互的接口，负责将用户的请求转化为网络种网络服务子邮件发送到邮件服务器数据包，并发送到网络层进行处理•使用FTP协议上传或下载文件协议族TCP/IPTCP协议UDP协议IP协议以太网协议传输控制协议（TCP）是一种用户数据报协议（UDP）是一互联网协议（IP）是一种无连接以太网协议是局域网中使用最面向连接的协议，它提供可靠种无连接的协议，它提供快的协议，它负责将数据包从源广泛的协议它定义了网络接的、有序的数据传输TCP确速、简单的、不可靠的数据传主机发送到目标主机IP负责地口卡（NIC）如何连接到网络，保数据包按顺序到达目的地，输UDP不提供数据包排序或址分配、路由和数据包分段以及数据包如何在网络上传并进行错误检查和重传错误检查，适用于实时应用，输如视频通话或游戏地址IP概念分类12IP地址（Internet ProtocolIP地址主要分为两类IPv4和IPv6Address）是用来识别互联网上每台IPv4使用32位二进制数表示，通常以计算机或设备的唯一地址它就像每点分十进制形式表示，例如个人的身份证号码一样，在互联网上

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1.1IPv6使用128位二进制扮演着至关重要的角色，确保数据能数表示，使用冒号分隔的十六进制数够准确地发送到目标设备表示，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334用途3IP地址在网络通信中扮演着重要的角色-标识设备每个设备都有唯一的IP地址，方便网络设备识别和定位-路由数据路由器使用IP地址来识别数据包的目标设备，并选择最佳路径将数据包发送到目标-地址解析域名系统（DNS）将域名解析成IP地址，方便用户使用域名访问网站子网掩码定义子网掩码是一个32位的二进制数，用于区分网络地址和主机地址它与IP地址进行位运算，以确定网络地址和主机地址作用子网掩码的主要作用是将一个大的网络划分为多个小的子网，提高网络效率和安全性它可以将网络地址空间进行划分，使每个子网拥有独立的网络地址格式子网掩码通常用点分十进制表示，例如

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255.

255.0每个数字代表8个位，例如255代表11111111示例假设一个IP地址为

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1.100，子网掩码为

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255.0，则网络地址为

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1.0，主机地址为

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0.100网关连接桥梁协议转换安全防护网关充当不同网络之间网关可以进行协议转网关可以作为网络安全通信的桥梁，将来自一换，将不同网络使用的的第一道防线，通过设个网络的数据包转发到协议进行相互转换，使置访问控制列表等机制另一个网络不同网络能够相互通来阻止非法访问和数据信泄露DNS域名系统域名注册域名解析DNS（Domain NameSystem，域名系用户可以通过域名注册商注册一个域名，并当用户访问一个网站时，浏览器会向DNS统）是一个分层数据库系统，用于将人类可将其与一个IP地址关联域名注册商将域服务器发送域名解析请求DNS服务器会读的域名（如example.com）转换为计算名信息存储在DNS服务器中根据域名信息查找对应的IP地址，并将结机可识别的IP地址（如

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1.1）果返回给浏览器协议TCP传输控制协议可靠性12TCP（Transmission ControlProtocol）是面向连接的协议，TCP通过序号、确认、重传和流量控制等机制确保数据可靠传为应用程序提供可靠的、有序的、字节流服务它提供连接建输，避免数据丢失或重复立、数据传输和连接释放等功能有序性字节流34TCP保证数据按顺序到达接收方，即使数据包在网络中乱序到TCP将数据看作连续的字节流，应用程序可以按需发送和接收数达，也能保证数据的正确顺序据，无需考虑数据包的边界协议UDP概述特点用户数据报协议UDP是一种无连接的传输层协议，它在网络层•无连接UDP不需要建立连接，因此可以快速发送数据报，减之上提供了一个简单的、面向数据报的传输服务UDP允许应用少延迟程序在网络中发送和接收数据报，而不需要建立连接这种无连•不可靠UDP不提供数据报的顺序和可靠性保证，数据报可能接的特性使得UDP比TCP协议更加轻量级，也更加适用于实时应会丢失或乱序到达用和广播应用，例如音频流、视频流、DNS查询和在线游戏•面向数据报UDP允许应用程序发送和接收固定大小的数据报，数据报的长度通常为64字节到1500字节•轻量级UDP协议头只有8个字节，比TCP协议头小得多，因此效率更高路由协议定义分类重要性路由协议是用来在网络路由协议主要分为距离路由协议对于网络的正中传递路由信息的协向量路由协议和链路状常运行至关重要，它保议，用于确定数据包从态路由协议两类，它们证了数据包能够高效地源节点到目标节点的最在算法和信息传递方式到达目的地，并确保网佳路径，并维护路由上存在差异络的稳定性和可扩展表性交换机工作原理交换机是一种网络设备，用于连接网络中的多个设备，并根据数据帧的目的MAC地址转发数据交换机的核心工作原理是建立MAC地址表，并将数据帧转发到正确的目标设备交换机的工作流程如下•当一个设备发送数据帧时，交换机首先检查数据帧中的目的MAC地址•如果交换机MAC地址表中存在该目的MAC地址，则直接将数据帧转发到相应的端口•如果交换机MAC地址表中不存在该目的MAC地址，则交换机将数据帧广播到所有连接的端口，并学习发送设备的MAC地址，将该地址添加到MAC地址表中VLAN定义工作原理虚拟局域网（VLAN）是一种将逻辑VLAN通过将设备分配到不同的上的网络划分成多个独立的网络的技VLAN来隔离网络流量每个VLAN术，即使它们在物理上连接在同一个拥有一个唯一的VLAN ID，设备通过网络中每个VLAN就像一个独立的配置交换机的端口来加入特定的网络，可以拥有自己的安全策略、广VLAN交换机只转发同一个VLAN播域和网络配置中的流量，从而隔离来自不同VLAN的流量，避免广播风暴和网络安全风险优点•提高网络安全性•优化网络性能•简化网络管理•灵活分配网络资源无线网络无线网络概述无线网络利用无线电波进行数据传输，无需使用物理线缆连接设备，为用户提供更加灵活、便捷的网络连接方式它广泛应用于家庭、办公室、公共场所等各种场景，为人们的生活和工作带来极大的便利无线网络标准常见的无线网络标准包括

802.11a/b/g/n/ac等，它们在传输速率、覆盖范围、安全性等方面有所区别随着技术的进步，无线网络标准不断演进，以提供更高的传输速度和更强的信号覆盖能力无线网络设备无线网络设备主要包括无线路由器、无线网卡、无线接入点等无线路由器负责将有线网络信号转换为无线信号，无线网卡负责接收和发送无线信号，无线接入点则用于扩展无线网络的覆盖范围无线网络安全无线网络的安全性是需要关注的重要问题，可以通过设置无线网络密码、启用WPA/WPA2加密、使用防火墙等措施来保障无线网络的安全网络安全数据安全系统安全网络安全的主要目标之一是保护保护网络系统和设备免遭攻击、数据免遭未经授权的访问、使病毒、恶意软件和其他威胁这用、披露、破坏或修改这包括包括保护操作系统、应用程序、个人信息、敏感数据和商业机数据库和服务器密网络安全保护网络基础设施免遭攻击，例如拒绝服务攻击、网络钓鱼和数据泄露这包括保护路由器、交换机、防火墙和其他网络设备入侵检测与防御入侵检测入侵防御入侵检测是指通过监视网络或系统活动，识别并报告潜在的攻击或入侵防御系统则更进一步，在检测到攻击后采取主动措施来阻止或异常行为它通常使用各种技术，例如模式匹配、异常检测和行为减轻攻击的影响例如，阻止恶意流量、封锁攻击者的访问，或隔分析，来检测网络安全威胁离受感染的系统防火墙防火墙是网络安全中不防火墙通过检查网络流防火墙可以防止病毒、可或缺的一部分，它充量并阻止与预定义规则木马、蠕虫等恶意软件当网络与外部世界之间不匹配的流量来工作的入侵，保护网络和设的屏障，阻止恶意攻击这些规则可以基于IP地备的安全和未经授权的访问址、端口、协议等因素加密技术对称加密非对称加密哈希算法对称加密使用相同的密钥进行加密和解非对称加密使用一对密钥公钥和私钥哈希算法将任意长度的输入数据转换为固密它速度快，适用于大数据量加密常公钥可用于加密信息，私钥可用于解密定长度的哈希值它用于验证数据完整用的对称加密算法包括它提供更强的安全性，但速度较慢常用性，确保数据未被篡改常用的哈希算法的非对称加密算法包括包括•AES•RSA•MD5•DES•ECC•SHA-1•3DES•SHA-256网络编程基础基础概念套接字编程网络服务开发学习网络编程的基础概念，包括网络协议、掌握套接字编程的原理和方法，能够使用不了解常见网络服务的开发流程，例如Web套接字、网络模型等同语言进行网络编程服务、FTP服务、DNS服务等编程Socket概念类型应用Socket编程是一种用于网络通信的编程•流式套接字（SOCK_STREAM）提Socket编程广泛应用于各种网络应用，接口，它允许程序在不同的计算机上进行供面向连接的可靠数据传输，类似于例如数据交换Socket就像一个虚拟的端电话连接，需要先建立连接才能进行•Web服务器和客户端之间的通信口，它可以用来连接两个应用程序，并通通信•网络游戏中的玩家之间的数据交换过这个连接进行数据传输•数据报套接字（SOCK_DGRAM）•分布式系统中不同节点之间的通信提供无连接的数据传输，类似于信件传递，不需要建立连接，但数据传输不可靠服务Web定义Web服务是一种基于网络的软件系统，通过标准化的协议（如HTTP、SOAP、REST）在不同的应用程序之间进行交互特点Web服务具有平台无关性、语言无关性、可重用性、可扩展性和松耦合性，方便不同系统之间的集成类型Web服务主要分为两类SOAP服务和REST服务，其中REST服务因其简洁、高效的特点而越来越流行应用场景Web服务广泛应用于各种领域，包括电子商务、在线支付、数据共享、云计算等分布式计算分散资源高可用性扩展性分布式计算将计算任务分解成多个子任务，分布式计算系统通过将任务分布到多个计算分布式计算系统可以轻松扩展到更多计算并将其分配到多个计算机上执行，从而利用机上，即使其中一台计算机出现故障，也不机，以处理更大的工作负载，从而提高系统分散的计算资源来解决大型和复杂的问题会影响整个系统的正常运行，从而提高系统的可扩展性的可用性云计算按需服务用户可以根据需要随时获取云计算资源，如计算能力、存储空间和网络带宽，无需预先投资硬件设施，降低了成本可扩展性云计算平台能够快速扩展资源，以满足不断增长的需求，例如在业务高峰期增加服务器，提高处理能力灵活性云计算提供了多种服务类型，包括基础设施即服务IaaS、平台即服务PaaS和软件即服务SaaS，满足不同用户的需求成本效益云计算可以帮助企业节省硬件、软件和运维成本，同时提高效率，增强竞争力物联网物联网IoT是一种将物联网设备通常配备传物联网数据通常存储在物理世界与数字世界连感器，可以收集各种数云平台上，以便进行分接起来的网络，使设备据，例如温度、湿度、析和处理，并为各种应能够相互通信和交换数位置和运动用提供支持据技术5G高速率15G网络的峰值传输速度可达20Gbps，比4G网络快100倍以上，能够满足未来超高清视频、VR/AR等高带宽应用的需求低延迟25G网络的延迟时间可低至1毫秒，比4G网络低10倍以上，能够实现更实时、更流畅的交互体验，例如无人驾驶、远程手术等大连接35G网络支持百万级设备同时连接，能够满足未来物联网、车联网等海量设备连接的需求，推动智能城市、智慧农业等发展网络切片45G网络支持网络切片技术，能够根据不同的应用需求，将网络资源进行分割和定制，提供更加灵活、高效的网络服务网络技术发展趋势云计算的深化应用云计算将继续推动网络技术的发展，尤其是在数据存储、计算和应用程序方面企业将越来越多地采用云服务，这也将对网络基础设施提出更高的要求，例如带宽、安全性以及可扩展性物联网的广泛普及物联网将连接越来越多的设备，形成一个庞大的网络这将需要更强大的网络基础设施来支持数据传输和处理，以及更安全的网络安全解决方案5G技术的应用5G技术的应用将带来更高的速度、更低的延迟和更大的容量，这将改变网络的使用方式，并推动新的应用和服务的发展，例如增强现实、虚拟现实和自动驾驶等人工智能的融合人工智能将与网络技术深度融合，例如智能路由、网络安全智能识别和网络管理自动化等，这将提高网络的效率和智能化程度应用案例分析本节课将通过实际案例来展示计算机网络技术的应用，帮助大家更深入地理解相关知识点的应用场景和实践价值我们将分析以下几个典型案例•电商平台了解网络技术如何支撑大型电商平台的运作，包括商品展示、订单处理、支付系统、物流跟踪等•社交网络探讨社交网络的架构设计，包括用户数据存储、信息传播机制、用户交互模式等•物联网应用分析物联网系统中网络技术的角色，包括传感器数据采集、数据传输、数据处理、设备控制等•云计算平台了解云计算平台的网络架构，包括虚拟化技术、网络虚拟化、数据中心网络等课程小结回顾重点展望未来本课程全面介绍了计算机网络的基础知识，涵盖了网络的基本概随着科技的不断发展，计算机网络技术将不断演进未来，我们念、网络分类、网络构成要素、网络拓扑结构、OSI参考模型、将会看到更加高速、智能、安全、便捷的网络服务希望大家能TCP/IP协议族、网络设备工作原理等内容我们还学习了网络安够持续关注网络技术的发展，不断学习新知识，为未来网络技术全、网络编程基础、云计算、物联网和5G技术等新兴网络技术的发展贡献自己的力量分组习题网络基础概念1网络模型23IP地址路由协议4网络安全5本节课的习题将重点考察学生对以下知识点的理解和运用•网络基础概念，包括网络的定义、分类、组成、拓扑结构等•OSI参考模型和TCP/IP协议族，包括各层的协议和功能•IP地址、子网掩码、网关、DNS等网络基础知识•TCP、UDP协议的工作原理，以及路由协议的分类和工作机制•网络安全的基本概念，包括常见的网络攻击类型和防御措施通过分组讨论和解答习题，帮助学生巩固所学知识，并培养团队合作能力和解决问题的能力学习资源推荐书籍在线课程网站计算机网络第七版谢希仁网易云课堂:计算机网络基础维基百科:计算机网络计算机网络第五版Andrew S.慕课网:计算机网络原理CSDN:计算机网络论坛Tanenbaum。