《计算机网络协议》课件

计算机网络协议原理、应用与发展课程概述与学习目标课程概述学习目标本课程旨在深入探讨计算机网络协议的原理、应用和发展趋势，通过本课程的学习，学生将能够帮助学生理解网络协议的本质、功能和作用，并能够运用相关知•掌握OSI七层参考模型、TCP/IP协议体系等重要网络协议的识分析网络问题、设计网络方案概念和原理•了解各种网络协议的应用场景和实际应用案例•具备分析网络问题、设计网络解决方案的能力•掌握网络协议安全问题和防护措施•了解新一代网络协议的发展趋势和应用前景什么是计算机网络协议计算机网络协议是计算机网络中不同设备之间进行通信的规则和标准，它规定了数据格式、传输方式、控制流程等方面的内容，保证不同设备能够相互理解并进行有效的数据交换网络协议的基本概念

11.网络协议

22.协议栈网络协议是一组规则，规定了协议栈是多个协议按层次排列数据在网络中传输的格式、顺形成的结构，每个协议负责完序和方法成特定的功能

33.协议族协议族是多个协议的集合，它们共同构成了一个完整的网络体系结构协议的三要素语法、语义和时序语法语义时序语法规定了数据格式，例如数据包的结语义规定了数据包的含义，例如数据包时序规定了数据包的发送和接收顺序，构、数据字段的长度和类型等中的每个字段代表什么信息，以及数据以及数据包之间的交互关系包的发送和接收目的等为什么需要网络协议统一标准数据交换网络协议提供了一个统一的标准网络协议定义了数据在网络中的，使得不同厂商的设备能够相互传输方式和格式，确保数据能够通信安全可靠地进行交换控制流程网络协议规定了网络中数据传输的控制流程，例如数据包的发送、接收、确认等七层参考模型概述OSI应用层1提供用户直接使用的网络服务，例如电子邮件、文件传输等表示层2负责数据的格式转换、加密和解密等功能，保证数据在不同系统之间能够相互理解会话层3负责建立、管理和终止应用程序之间的通信连接传输层4负责数据包的可靠传输，保证数据包能够按顺序到达目的地网络层5负责数据包的路由和寻址，将数据包从源主机发送到目标主机数据链路层6负责在相邻节点之间进行数据传输，保证数据帧能够正确地进行传输物理层7负责定义网络介质和信号传输方式，保证数据能够在物理介质上传输物理层协议概述物理层协议主要负责定义网络介质的类型、信号的编码方式、数据传输速率等，它是最底层的网络协议，负责将数据从一台设备的物理层接口发送到另一台设备的物理层接口常见的物理层协议包括以太网、无线局域网、光纤网络等物理层的主要功能信号编码介质访问数据速率物理连接将数据转换为物理信号，以便控制网络介质的使用，确保不定义数据传输的速率，例如建立和维护网络设备之间的物在网络介质上传输同设备能够共享网络资源10Mbps、100Mbps、理连接1Gbps等常见物理层设备网线集线器交换机用于连接网络设备的物理介质，常见的类是一种简单的网络设备，将多个设备连接是一种智能的网络设备，能够根据数据包型包括双绞线、同轴电缆和光纤到同一个网络，但没有地址识别功能，所的目的地址进行转发，提高网络效率有数据都广播给所有连接的设备数据链路层概述数据链路层协议负责在相邻节点之间进行数据传输，它将物理层提供的原始数据流封装成数据帧，并在数据帧中添加一些控制信息，以保证数据能够正确地进行传输常见的链路层协议包括以太网、无线局域网、ATM等地址与帧格式MACMAC地址帧格式MAC地址是网络设备的物理地址，由48位二进制数字组成，用数据帧是数据链路层协议中用于封装数据的单位，它包含帧头、于标识网络设备的唯一性数据部分和帧尾以太网协议详解访问控制以太网协议使用CSMA/CD技术来控制网帧格式络介质的访问，避免冲突发生传输介质以太网帧格式包含帧头、数据部分和帧尾，帧头包含目的MAC地址、源MAC地址以太网协议支持多种传输介质，包括双绞、数据类型等信息线、同轴电缆和光纤213工作原理CSMA/CDCSMA/CD CarrierSense MultipleAccess withCollision Detection是一种介质访问控制方法，它要求每个节点在发送数据前先监听网络介质，如果检测到其他节点正在发送数据，则等待一段时间后再发送；如果检测到冲突发生，则停止发送并进行重传交换机工作原理交换机是一种智能的网络设备，它能够根据数据包的目的MAC地址进行转发，并将数据包发送到正确的端口，避免冲突发生交换机通过维护一个MAC地址表来记录每个连接设备的MAC地址和对应的端口号网络层协议概述网络层协议负责数据包的路由和寻址，它将数据包从源主机发送到目标主机，并保证数据包能够通过网络进行传输常见的网络层协议包括IP协议、ICMP协议、路由协议等协议详解IP寻址1IP协议负责为网络设备分配唯一的IP地址，用于识别网络设备路由2IP协议负责将数据包从源主机路由到目标主机，并选择最佳的传输路径分组3IP协议将数据分段成IP数据包，以便在网络中传输地址结构IPv4324位数段数IPv4地址由32位二进制数字组成IPv4地址被分成4个段，每个段用点号隔开，每个段包含8位二进制数字255最大值每个段的十进制数值范围是0到255地址结构IPv61288位数段数IPv6地址由128位二进制数字组成IPv6地址被分成8个段，每个段用冒号隔开，每个段包含16位二进制数字65535最大值每个段的十进制数值范围是0到65535地址分类方法IPA类地址B类地址C类地址D类地址第一个字节的最高位为0，用第一个字节的最高两位为10第一个字节的最高三位为110第一个字节的最高四位为于较大的网络，例如企业网，用于中等规模的网络，例，用于较小的网络，例如家1110，用于组播地址，用于络如高校网络庭网络将数据包发送给多个接收者子网划分原理子网划分是指将一个大的IP网络划分为多个小的子网，每个子网拥有自己的IP地址范围，可以独立进行管理和控制子网划分可以提高网络效率，优化网络资源的利用与超网CIDRCIDR ClasslessInter-Domain Routing无类别域间路由，是一种新的IP地址分配方法，它不再以A、B、C类地址来划分网络，而是用网络前缀长度来表示网络的大小超网是一种特殊的CIDR地址，它允许将多个连续的IP地址范围合并成一个更大的网络，可以简化网络配置和管理协议工作原理ARPARP AddressResolution Protocol地址解析协议，用于将IP地址转换为MAC地址，它通过广播的方式查询目标设备的MAC地址，并将结果缓存起来，以便后续数据包的传输协议详解ICMPICMP InternetControl MessageProtocol网际控制报文协议，用于在网络设备之间传递控制信息，例如错误信息、状态信息和路由信息常见的ICMP报文类型包括回声请求/应答、目的不可达、超时等路由协议概述路由协议负责维护路由表，用于确定数据包的最佳传输路径，它通过网络设备之间的交互来收集网络拓扑信息，并更新路由表，以确保数据包能够顺利地从源主机路由到目标主机协议工作机制RIP更新机制跳数RIP协议定期发送路由更新信息，以保持距离向量RIP协议使用跳数来衡量路由距离，跳数路由信息的同步RIP RoutingInformation Protocol指的是数据包从源主机到目标主机经过的路由信息协议，使用距离向量算法来计算路由器数量路由距离，并将路由信息广播给其他路由器协议特点OSPF链路状态区域划分认证机制123OSPF OpenShortest PathOSPF协议支持将网络划分为多个OSPF协议支持身份验证，可以防First开放最短路径优先，使用链区域，可以提高路由计算效率止攻击者篡改路由信息路状态算法来计算路由路径，每个路由器维护一个完整的网络拓扑图协议应用BGPBGP BorderGateway Protocol边界网关协议，是一种自治系统间的路由协议，用于在不同网络之间进行路由信息交换，实现跨网络的数据传输BGP协议广泛应用于互联网中，负责连接不同的网络运营商和服务提供商，确保数据包能够在全球范围内进行传输传输层协议概述传输层协议负责数据包的可靠传输，它在网络层协议的基础上提供更高层的服务，保证数据包能够按顺序到达目的地，并提供流量控制和拥塞控制功能常见的传输层协议包括TCP协议和UDP协议协议详解TCPTCP TransmissionControl Protocol传输控制协议，是一种面向连接的可靠传输协议，它在数据传输之前需要建立连接，并使用多种机制来保证数据传输的可靠性、顺序性和完整性三次握手过程TCPSYN客户端发送一个SYN报文到服务器，请求建立连接SYN-ACK服务器收到SYN报文后，回复一个SYN-ACK报文，表示同意建立连接ACK客户端收到SYN-ACK报文后，回复一个ACK报文，表示连接建立成功四次挥手过程TCPFIN客户端发送一个FIN报文到服务器，请求关闭连接FIN-ACK服务器收到FIN报文后，回复一个FIN-ACK报文，表示同意关闭连接ACK客户端收到FIN-ACK报文后，回复一个ACK报文，表示确认关闭连接FIN服务器收到ACK报文后，发送一个FIN报文，表示最终关闭连接可靠传输机制TCP

11.序号每个数据包都带有序号，用于保证数据包的顺序

22.确认应答接收方收到数据包后，发送确认应答报文，通知发送方数据包已收到

33.超时重传如果发送方在一定时间内没有收到确认应答报文，则重新发送数据包

44.校验和数据包在传输过程中可能会出现错误，TCP协议使用校验和来检测数据包是否完整流量控制TCPTCP流量控制是指发送方根据接收方的处理能力来控制数据传输的速率，避免接收方缓冲区溢出TCP协议通过接收方发送窗口大小来指示发送方可以发送的数据量，当接收方缓冲区空间不足时，会减小窗口大小，从而降低发送速率拥塞控制TCPTCP拥塞控制是指发送方根据网络拥塞状况来控制数据传输的速率，避免网络拥塞TCP协议通过监测网络中数据包的丢失率和延迟来判断网络是否拥塞，如果检测到网络拥塞，则降低发送速率，以减轻网络负担协议特点UDPUDP UserDatagram Protocol用户数据报协议，是一种面向无连接的不可靠传输协议，它不需要建立连接，数据包的传输速度快，但不能保证数据包的可靠性、顺序性和完整性应用场景UDP实时应用广播应用例如语音通话、视频直播等，对例如网络游戏、DNS解析等，需延迟要求较高，不需要保证数据要将数据包发送给多个接收者，包的可靠性UDP协议的广播功能可以简化广播数据的发送小型数据传输例如网络游戏中的聊天信息，数据量较小，对可靠性要求不高，使用UDP协议可以提高传输效率会话层功能概述会话层协议负责建立、管理和终止应用程序之间的通信连接，它为应用程序提供了一个可靠的通信环境，并负责数据传输过程中的错误恢复和数据同步会话层协议举例1NetBIOSNetBIOS NetworkBasic Input/Output System网络基本输入输出系统，是一种网络应用程序接口，用于在局域网中进行文件共享、打印共享等2SQL/NetSQL/Net是一种网络协议，用于在不同数据库之间进行数据传输表示层功能概述表示层协议负责数据的格式转换、加密和解密等功能，保证数据在不同系统之间能够相互理解，并能够安全可靠地进行传输数据加密与解密表示层协议使用加密算法对数据进行加密，防止数据在传输过程中被窃取或篡改常见的加密算法包括DES、AES、RSA等数据压缩技术表示层协议使用数据压缩技术来减少数据传输量，提高网络传输效率常见的压缩技术包括Huffman编码、LZW压缩等应用层概述应用层协议是用户直接使用的网络协议，它提供各种网络服务，例如电子邮件、文件传输、网页浏览等常见的应用层协议包括DNS协议、HTTP协议、FTP协议、SMTP协议等协议工作原理DNSDNS DomainName System域名系统，用于将域名转换为IP地址，它是一个分布式的数据库，存储了域名和IP地址的对应关系当用户输入域名访问网站时，DNS服务器会根据域名查询IP地址，并将其返回给用户，从而实现网站的访问协议详解HTTPHTTP HypertextTransfer Protocol超文本传输协议，用于在Web服务器和浏览器之间进行数据传输，它是一种基于文本的协议，使用请求和响应机制来完成网页的浏览和下载安全机制HTTPSHTTPS HypertextTransfer ProtocolSecure超文本传输安全协议，是一种安全的HTTP协议，它使用SSL/TLS SecureSocketsLayer/Transport LayerSecurity安全套接字层/传输层安全协议来对数据进行加密，保证数据传输的安全性和完整性协议使用FTPFTP FileTransfer Protocol文件传输协议，用于在网络中传输文件，它使用控制连接和数据连接来实现文件的上传和下载FTP协议支持多种文件传输模式，例如二进制模式和ASCII模式协议分析SMTPSMTP SimpleMail TransferProtocol简单邮件传输协议，用于发送电子邮件，它使用命令和响应机制来控制邮件的发送过程SMTP协议负责将邮件从发送方发送到接收方的邮件服务器与POP3IMAPPOP3IMAPPOP3Post OfficeProtocol3邮局协议，是一种电子邮件IMAP InternetMessage AccessProtocol互联网消息访接收协议，它允许用户从邮件服务器下载邮件到本地计算机，并问协议，是一种电子邮件接收协议，它允许用户在邮件服务器上在下载后将其从服务器删除查看、管理和删除邮件，而无需将邮件下载到本地计算机工作机制DHCPDHCP DynamicHost ConfigurationProtocol动态主机配置协议，用于为网络设备自动分配IP地址，它使用广播的方式将DHCP请求发送到DHCP服务器，DHCP服务器会根据配置为设备分配IP地址，并将其返回给设备网络管理SNMPSNMP SimpleNetwork ManagementProtocol简单网络管理协议，用于管理网络设备，它使用代理-管理器模型，代理运行在网络设备上，收集设备信息并将其发送给管理器，管理器负责监控和管理网络设备网络协议安全问题网络协议安全问题是指网络协议本身的设计缺陷或实现漏洞，导致攻击者能够利用这些漏洞对网络进行攻击，造成数据泄露、系统瘫痪等安全问题常见网络攻击方式拒绝服务攻击1攻击者向目标设备发送大量数据包，使目标设备无法正常响应合法用户的请求中间人攻击2攻击者拦截用户和服务器之间的通信，窃取用户的敏感信息数据包嗅探3攻击者监听网络中传输的数据包，获取用户的敏感信息网络蠕虫4攻击者利用网络协议漏洞传播恶意代码，感染其他设备协议安全防护措施防火墙防火墙是一种网络安全设备，它可以阻止来自外部网络的攻击，保护内部网络的安全入侵检测系统入侵检测系统是一种安全软件，它可以检测网络中的异常行为，并向管理员发出警报安全协议使用安全的网络协议，例如HTTPS、TLS、SSH等，可以加密数据传输，防止数据被窃取或篡改安全策略制定安全策略，规范网络设备和用户的使用行为，提高网络安全意识新一代网络协议新一代网络协议是指为了满足未来网络发展需求而诞生的新型网络协议，它们具有更高效、更安全、更灵活等特点，例如IPv

6、5G网络协议、物联网协议等发展与应用IPv6IPv6Internet Protocolversion6互联网协议第6版，是IPv4的下一代协议，它具有更大的地址空间，能够满足未来互联网发展的需求，并提供了更加灵活、高效和安全的网络服务网络协议特点5G高带宽低延迟125G网络协议支持更高的数据传输速率，能够满足超高清视5G网络协议能够提供更低的延迟，为实时交互、远程操控频、VR/AR等应用的需求等应用提供保障高可靠性万物互联345G网络协议能够提供更高的可靠性，保证数据的稳定传输5G网络协议支持大量的设备连接，为万物互联时代提供基础物联网协议体系物联网协议体系是指用于连接和管理各种物联网设备的协议集合，它包括设备发现、数据传输、安全认证、设备管理等方面的协议，例如MQTT、CoAP、XMPP等协议创新SDNSDN Software-Defined Networking软件定义网络，是一种新的网络架构，它将网络控制平面与数据平面分离，通过软件控制网络设备，实现网络的灵活配置和管理SDN协议创新主要体现在网络控制协议、数据转发协议和安全协议等方面网络虚拟化协议网络虚拟化是指在物理网络基础上创建虚拟网络，每个虚拟网络拥有独立的网络资源，例如IP地址、路由表等，可以实现网络资源的灵活分配和管理常见的网络虚拟化协议包括VXLAN、NVGRE等。