《网络架构与互联网服务》课件

网络架构与互联网服务本课程旨在全面介绍网络架构与互联网服务的核心概念、技术和应用我们将从网络基础知识入手，深入探讨各种网络协议、安全技术、互联网服务架构以及新兴网络技术，帮助学员构建扎实的网络知识体系，并掌握实际应用技能通过本课程的学习，学员将能够理解网络的工作原理，掌握各种网络协议的使用方法，了解网络安全的重要性，并能够设计和部署各种互联网服务希望这门课能够帮助大家在未来的职业生涯中取得更大的成就课程概述课程目标主要内容12本课程旨在让学员掌握网络架课程内容涵盖网络基础、网络构与互联网服务的基础知识和协议、网络安全、互联网服务核心技能，培养其分析和解决架构、互联网应用协议、网络实际网络问题的能力我们将性能优化以及新兴网络技术等深入探讨各种网络协议、安全多个方面通过系统学习，学技术、互联网服务架构以及新员将全面了解网络架构与互联兴网络技术，帮助学员构建扎网服务的各个环节实的网络知识体系学习成果3完成本课程后，学员将能够理解网络的工作原理，掌握各种网络协议的使用方法，了解网络安全的重要性，并能够设计和部署各种互联网服务此外，学员还将具备一定的网络问题分析和解决能力第一部分网络架构基础网络架构是构建互联网服务的基础，本部分将介绍计算机网络的定义与发展、网络拓扑结构、OSI七层模型、TCP/IP协议族、IP地址与子网划分以及IPv6简介等内容通过学习，学员将掌握网络架构的基本概念和原理理解网络架构是理解互联网服务的基础只有掌握了网络架构的基本概念和原理，才能更好地理解各种网络协议和技术，并能够设计和部署各种互联网服务计算机网络的定义与发展网络的概念网络发展历程互联网的诞生与演进计算机网络是指将多台计算机通过通计算机网络的发展经历了从单机到多互联网起源于美国的ARPANET，经信线路连接起来，实现资源共享和信机、从集中式到分布式、从局域网到过多年的发展，已经成为全球最大的息传递的系统网络可以是局域网、广域网的演进过程互联网的出现标计算机网络互联网的演进过程中，城域网或广域网，也可以是互联网志着计算机网络进入了一个新的时代各种新的技术和应用不断涌现，推动着互联网的持续发展网络拓扑结构总线型所有设备通过一根公共的总线连接，结构简单，成本低廉，但可靠性差，任何一个节点的故障都可能影响整个网络星型所有设备通过一个中心节点连接，易于管理和维护，但中心节点故障会影响整个网络环型所有设备连接成一个闭环，数据在环中单向传输，可靠性较高，但维护困难网状型所有设备之间都有多条连接路径，可靠性极高，但成本高昂，适用于关键性网络七层模型OSI物理层数据链路层网络层负责传输原始比特流，定义物理接口、负责将物理层提供的比特流封装成帧，负责在不同网络之间进行数据包的路由传输介质和传输速率等物理特性提供可靠的数据传输服务，并进行差错和转发，实现网络互联互通检测和流量控制七层模型（续）OSI传输层负责提供端到端的可靠或不可靠的数据传输服务，例如TCP和UDP协议会话层负责建立、管理和终止应用程序之间的会话，提供会话控制和同步服务表示层负责数据的格式转换、加密和解密等操作，确保应用程序能够正确理解数据应用层为应用程序提供网络服务，例如HTTP、FTP、SMTP等协议协议族TCP/IP网络接口层1对应OSI模型的物理层和数据链路层，负责处理物理介质和数据帧的传输网络层2对应OSI模型的网络层，负责IP地址的分配和数据包的路由选择传输层3对应OSI模型的传输层，提供TCP和UDP两种传输协议，分别提供可靠和不可靠的数据传输服务应用层4对应OSI模型的会话层、表示层和应用层，提供各种应用程序所需的网络服务地址与子网划分IP子网掩码21地址结构IPv4CIDR3IPv4地址由32位二进制数组成，通常用点分十进制表示子网掩码用于将IP地址划分为网络地址和主机地址，CIDR（无类别域间路由）是一种更加灵活的IP地址分配方式简介IPv6地址结构的优势向过渡IPv6IPv6IPv4IPv6IPv6地址由128位二进制数组成，通IPv6解决了IPv4地址耗尽的问题，IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程常用冒号分隔的十六进制数表示，例提供了更大的地址空间，并支持更多，需要采用各种过渡技术，例如双栈如的安全特性和更好的移动性、隧道和NAT-PT等2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334第二部分网络协议与技术本部分将介绍以太网技术、ARP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议、DNS系统、DHCP协议、NAT技术和VPN技术等内容通过学习，学员将掌握各种常用的网络协议和技术，并能够应用这些技术解决实际网络问题掌握网络协议和技术是成为一名合格的网络工程师的必备条件只有深入理解各种网络协议和技术，才能更好地设计、部署和维护网络系统以太网技术以太网帧格式1CSMA/CD2载波监听多路访问/冲突检以太网帧由前导码、目的测，一种用于检测和避免MAC地址、源MAC地址以太网中冲突的协议、类型/长度、数据和帧校验序列组成交换机工作原理3交换机通过学习MAC地址和构建MAC地址表来实现数据帧的快速转发，提高了网络的性能和安全性协议ARP地址解析过程1ARP协议用于将IP地址解析为MAC地址，以便在局域网中进行数据传输缓存ARP2ARP缓存用于存储IP地址和MAC地址的映射关系，以减少ARP请求的次数欺骗与防御ARP3ARP欺骗是一种常见的网络攻击手段，可以通过静态ARP映射和ARP检测工具来防御协议ICMP报文类型原理原ICMP PingTraceroute理ICMP报文类型包括Ping命令利用ICMP回显请求、回显应答回显请求和回显应答Traceroute命令利、目标不可达、重定报文来测试网络连通用ICMP超时报文来向等性跟踪数据包的路由路径协议TCP三次握手滑动窗口TCP连接的建立需要经过三次握手，以确保双方都准备好进行数据传输滑动窗口用于控制TCP数据传输的速率，防止拥塞和丢包123四次挥手TCP连接的释放需要经过四次挥手，以确保所有数据都已传输完毕协议UDP特点应用场景UDP UDPUDP vsTCPUDP是一种无连接的传输协议，提供UDP适用于对实时性要求较高，但对UDP和TCP是两种不同的传输协议，不可靠的数据传输服务，具有简单、可靠性要求不高的应用，例如视频直各有优缺点，适用于不同的应用场景高效的特点播、在线游戏等系统DNS域名结构域名结构采用层级结构，由根域名、顶级域名、二级域名和三级域名等组成解析过程DNSDNS解析过程是将域名解析为IP地址的过程，包括递归查询和迭代查询两种方式缓存DNSDNS缓存用于存储域名和IP地址的映射关系，以加快域名解析的速度协议DHCP报文类型DHCP21工作原理DHCP中继DHCP3DHCP协议用于自动分配IP地址，简化了网络配置管理DHCP工作原理包括DHCP发现、DHCP提供、DHCP请求和DHCP确认四个阶段DHCP中继用于在不同网段之间转发DHCP报文技术NAT静态动态（端口地址转换）NAT NATPAT将内部IP地址和端口映射到固定将内部IP地址映射到动态的外部将多个内部IP地址映射到同一个的外部IP地址和端口，适用于需IP地址，适用于客户端访问外部外部IP地址的不同端口，可以节要对外提供服务的服务器网络省公网IP地址技术VPN类型隧道协议应用场景VPN VPNVPN类型包括PPTP、L2TP、IPsec隧道协议用于在公共网络上建立安全VPN适用于远程访问、分支机构互联和SSL VPN等，不同的VPN类型采的隧道，保护数据传输的安全性和数据加密等场景用不同的隧道协议和加密算法第三部分网络安全网络安全是互联网服务的重要保障，本部分将介绍网络安全概述、防火墙技术、入侵检测与防御系统、加密技术和SSL/TLS协议等内容通过学习，学员将了解常见的网络威胁和安全防护策略，并掌握常用的网络安全技术在互联网时代，网络安全至关重要只有采取有效的安全措施，才能保护网络系统和数据的安全，防止网络攻击和数据泄露网络安全概述三要素常见网络威胁安全防护策略CIA机密性（常见的网络威胁包括安全防护策略包括防Confidentiality）病毒、木马、蠕虫、火墙、入侵检测系统、完整性（黑客攻击、拒绝服务、加密技术、访问控Integrity）和可用攻击和数据泄露等制和安全审计等性（Availability）是网络安全的三大要素防火墙技术包过滤防火墙应用层网关状态检测防火墙根据数据包的源IP地址、目的IP地址、对应用层数据进行深度检测，安全性较结合了包过滤和应用层网关的优点，既端口号和协议等信息进行过滤，简单高高，但性能较低能保证安全性，又能提高性能效，但安全性较低入侵检测与防御系统检测方法入侵检测方法包括基于特征的检测

2、基于异常的检测和基于协议分析IDS vsIPS的检测1IDS（入侵检测系统）用于检测网络入侵行为，IPS（入侵防御系统部署策略）用于阻止网络入侵行为入侵检测与防御系统可以部署在网3络的入口、出口和关键节点，以实现全面的安全防护加密技术对称加密非对称加密数字签名加密和解密使用相同的密钥，速加密和解密使用不同的密钥，安用于验证数据的完整性和发送者度快，但密钥管理困难，例如AES全性高，但速度慢，例如RSA和的身份，防止数据篡改和伪造和DES算法ECC算法协议SSL/TLS工作原理证书验证SSL/TLS HTTPSSSL/TLS协议用于在客户端和服务证书验证用于验证服务器的身份，防HTTPS是基于SSL/TLS的HTTP协器之间建立安全的连接，保护数据传止中间人攻击议，提供了安全的Web浏览服务输的安全性第四部分互联网服务架构本部分将介绍客户端-服务器模型、P2P网络、CDN技术、负载均衡、反向代理、分布式系统、微服务架构、容器技术和云计算服务模型等内容通过学习，学员将了解各种互联网服务架构的特点和应用场景，并能够设计和部署各种互联网服务互联网服务架构是构建高性能、高可用和高扩展性互联网服务的关键只有深入理解各种互联网服务架构，才能更好地应对互联网服务的挑战客户端服务器模型-特点与优势应用场景局限性123客户端-服务器模型具有集中管客户端-服务器模型适用于Web客户端-服务器模型存在单点故理、资源共享和易于维护等特应用、数据库应用和文件共享障、性能瓶颈和扩展性差等局点和优势等场景限性网络P2P原理P2P1P2P网络中，每个节点既是客户端又是服务器，可以直接与其他节点进行通信，实现资源共享应用P2P2P2P网络适用于文件共享、音视频传输和分布式计算等应用客户端服务器P2P vs-3P2P网络和客户端-服务器模型各有优缺点，适用于不同的应用场景技术CDN工作原理边缘节点分布优势CDN CDNCDN（内容分发网络CDN的边缘节点分布CDN可以提高用户访）将内容缓存到离用在全球各地，覆盖了问速度、降低服务器户最近的边缘节点，大量的用户负载和提高网络安全提高用户访问速度性负载均衡硬件负载均衡使用专门的硬件设备进行负载均衡，性能高，但成本高软件负载均衡使用软件实现负载均衡，成本低，但性能相对较低负载均衡算法常用的负载均衡算法包括轮询、加权轮询、最小连接数和IP哈希等反向代理反向代理的作用反向代理可以隐藏服务器的真实IP2地址、提高服务器的安全性、实现反向代理正向代理vs负载均衡和缓存静态资源1正向代理代理客户端访问服务器，反向代理代理服务器接收客户端请配置示例Nginx求Nginx是一款常用的反向代理服务3器，可以通过简单的配置实现反向代理功能分布式系统理论一致性算法CAP一致性（Consistency）、常用的一致性算法包括可用性（Availability）和分Paxos、Raft和ZAB等，用区容错性（Partition于保证分布式系统的数据一tolerance）是分布式系统的致性三大要素，CAP理论指出，一个分布式系统最多只能同时满足其中两个要素分布式事务用于保证分布式系统中多个操作的原子性，要么全部成功，要么全部失败微服务架构微服务特点服务发现网关API微服务架构将一个大型应用拆分为多服务发现用于在微服务架构中查找和API网关是微服务架构的入口，负责个小型服务，每个服务都可以独立部调用其他服务请求路由、认证和授权等功能署、扩展和维护容器技术简介DockerDocker是一种流行的容器技术，可以快速构建、打包和部署应用程序概述KubernetesKubernetes是一种容器编排系统，可以自动化部署、扩展和管理容器化的应用程序容器编排容器编排是指自动化部署、扩展和管理容器化的应用程序的过程云计算服务模型SaaS1软件即服务，用户直接使用云端提供的软件，例如Gmail和SalesforcePaaS2平台即服务，用户可以使用云端提供的开发工具和平台来构建和部署应用程序，例如Google AppEngine和AWS ElasticBeanstalkIaaS基础设施即服务，用户可以使用云端提供的计算、存储和网络资3源来构建自己的IT基础设施，例如AWS EC2和Azure VirtualMachines第五部分互联网应用协议本部分将介绍HTTP协议、HTTP/

2、WebSocket、REST API、GraphQL和MQTT协议等内容通过学习，学员将掌握各种常用的互联网应用协议，并能够使用这些协议开发互联网应用互联网应用协议是构建互联网应用的基础只有深入理解各种互联网应用协议，才能更好地开发高效、稳定和安全的互联网应用协议HTTPHTTP请求/响应1HTTP协议基于请求/响应模型，客户端发送HTTP请求，服务器返回HTTP响应HTTP方法2常用的HTTP方法包括GET、POST、PUT、DELETE和PATCH等，用于对资源进行不同的操作状态码3HTTP状态码用于表示服务器对请求的处理结果，例如200OK、404Not Found和500Internal ServerError等HTTP/2多路复用服务器推送头部压缩HTTP/2允许多个请求和响应在同一服务器可以主动向客户端推送资源，HTTP/2使用头部压缩技术减小个TCP连接上并行传输，提高了网络减少了客户端的请求次数HTTP头部的大小，提高了传输效率利用率WebSocket握手1WebSocket vs2WebSocketHTTPWebSocket连接的建立需WebSocket是一种全双工要经过握手过程，以协商通信协议，允许客户端和通信参数服务器之间进行实时通信，而HTTP是半双工通信协议实时通信应用3WebSocket适用于实时聊天、在线游戏和股票行情等应用REST API原则RESTREST（Representational StateTransfer）是一种设计风格，基于资源、URI、HTTP方法和表示等概念设计RESTfulRESTful API是指遵循REST原则设计的API，具有简单、易于理解和扩展等优点版本控制APIAPI版本控制用于管理API的演进，保证API的兼容性GraphQL查询语言2GraphQL使用Schema定义数据结构，使用Query查询数据，使用GraphQL vsRESTMutation修改数据1GraphQL是一种查询语言，允许客户端指定需要的数据，减少了数据传输量，提高了查询效率架构优势GraphQL具有灵活、高效和强类型3等优点，适用于复杂的API场景协议MQTT发布订阅模型级别/QoSMQTT是一种基于发布/订阅MQTT支持三种QoS级别，模型的消息协议，客户端可分别是

0、1和2，分别表示最以订阅感兴趣的主题，服务多一次、至少一次和仅一次器将消息发布到相应的主题消息传递应用IoTMQTT适用于物联网（IoT）应用，例如传感器数据采集、设备控制和消息推送等第六部分网络性能与优化本部分将介绍网络性能指标、网络监控工具、网络优化技术和缓存策略等内容通过学习，学员将了解如何评估网络性能、监控网络状态、优化网络性能和提高网络效率网络性能是互联网服务的重要指标只有不断优化网络性能，才能提供更好的用户体验网络性能指标带宽延迟吞吐量丢包率单位时间内可以传输的数据数据包从发送端到接收端所单位时间内实际传输的数据数据包在传输过程中丢失的量，通常用比特每秒（bps需要的时间，通常用毫秒（量，通常小于带宽比例，通常用百分比表示）表示ms）表示网络监控工具Wireshark NagiosZabbix一款流行的网络协议分析工具，可以一款常用的网络监控系统，可以监控一款企业级的开源监控解决方案，可捕获和分析网络数据包服务器、网络设备和应用程序的状态以监控各种IT基础设施和应用程序网络优化技术优化TCP通过调整TCP参数、启用TCP FastOpen和使用BBR拥塞控制算法等方式优化TCP连接优化HTTP通过启用HTTP/

2、使用CDN、压缩HTTP头部和启用Keep-Alive等方式优化HTTP请求优化DNS通过使用CDN、启用DNS缓存和使用DNS预取等方式优化DNS解析缓存策略浏览器缓存1浏览器缓存可以减少对服务器的请求次数，提高网页加载速度缓存CDN2CDN缓存可以将内容缓存到离用户最近的边缘节点，提高用户访问速度服务器缓存3服务器缓存可以将动态生成的内容缓存起来，减少数据库访问次数，提高服务器性能第七部分新兴网络技术本部分将介绍5G网络、边缘计算、网络切片、SDN技术、NFV技术、物联网（IoT）和区块链技术等内容通过学习，学员将了解新兴网络技术的发展趋势和应用前景，并能够为未来的网络发展做好准备新兴网络技术正在改变我们的生活和工作方式只有不断学习和掌握新兴网络技术，才能在未来的网络世界中占据优势网络5G特点应用场景网络架构5G5G5G5G网络具有高速率、低延迟和5G网络适用于增强现实、虚拟现实5G网络架构包括核心网、接入网和Massive连接等特点、自动驾驶和工业自动化等场景传输网等组成部分边缘计算边缘计算优势2边缘计算具有低延迟、高带宽和数边缘计算云计算据安全等优势vs1边缘计算将计算和存储资源部署在离用户更近的边缘节点，减少了数据传输延迟应用案例边缘计算适用于智能制造、自动驾3驶和视频监控等应用网络切片网络切片概念网络切片5G网络切片是指将物理网络划5G网络切片可以为不同的业分为多个虚拟网络，每个虚务提供不同的服务质量保证拟网络可以根据不同的业务，例如高带宽、低延迟和高需求进行定制可靠性切片管理切片管理包括切片创建、切片修改、切片删除和切片监控等操作技术SDN架构协议控制器SDN OpenFlowSDNSDN（软件定义网络）架构将网络的OpenFlow协议是SDN控制平面和数SDN控制器负责管理网络拓扑、配置控制平面和数据平面分离，实现了网据平面之间的通信协议，用于控制数网络策略和监控网络状态络的集中控制和灵活配置据转发行为技术NFV传统网络NFV vs1NFV（网络功能虚拟化）将网络功能部署在通用的硬件平台上，降低了网络建设和维护成本框架MANO2MANO（管理和编排）框架用于管理和编排NFV资源，实现网络功能的自动化部署和管理NFV usecases3NFV适用于虚拟防火墙、虚拟负载均衡和虚拟路由器等场景物联网（）IoT架构协议安全IoT IoTIoT物联网架构包括感知层、网络层和应常用的物联网协议包括MQTT、物联网安全面临着设备安全、数据安用层等组成部分CoAP和LoRaWAN等全和隐私保护等挑战区块链技术共识机制2常用的共识机制包括PoW、PoS和DPoS等，用于保证区块链网络的一区块链原理致性1区块链是一种分布式账本技术，通过密码学算法保证数据的安全性和不可篡改性区块链应用区块链适用于金融、供应链管理和3知识产权保护等应用人工智能在网络中的应用智能运维网络安全利用人工智能技术实现网络利用人工智能技术检测网络故障的自动检测、诊断和修攻击行为，提高网络安全防复，提高网络运维效率护能力流量预测利用人工智能技术预测网络流量，为网络资源分配提供依据第八部分未来网络发展趋势本部分将介绍网络技术发展方向，包括6G网络、量子通信和智能网络等内容通过学习，学员将了解未来网络的发展趋势，并能够为未来的网络创新做好准备未来网络将更加智能化、高速化和安全化只有不断探索和创新，才能引领未来网络的发展网络技术发展方向网络量子通信智能网络6G6G网络将具有更高量子通信利用量子力智能网络利用人工智的速率、更低的延迟学原理实现安全的通能技术实现网络的自和更广泛的连接，支信，可以抵抗传统的动化管理、优化和安持更多的应用场景网络攻击全防护课程总结知识回顾学习资源推荐12回顾本课程所学的主要知推荐一些有用的学习资源识点，包括网络架构、网，包括书籍、网站和在线络协议、网络安全、互联课程等，帮助学员继续深网服务架构和新兴网络技入学习网络技术术等3QA解答学员在学习过程中遇到的问题，提供进一步的指导和帮助。