《网络架构原理》课件

网络架构原理本课件旨在系统讲解网络架构的原理，帮助学生和网络工程师深入理解网络底层运作机制，掌握网络设计、部署和管理的核心技能通过本课程的学习，学员将能够胜任复杂的网络环境下的各种挑战，为构建高效、稳定、安全的网络系统打下坚实的基础让我们一起探索网络的奥秘！课程概述课程目标主要内容学习方法理解网络架构的核心概念和基本原理；网络基础概念、物理层、数据链路层、理论学习与实践操作相结合；案例分析掌握各种网络协议的工作机制和应用；网络层、传输层、应用层、网络安全、与问题讨论相结合；课后作业与项目实熟悉网络安全技术和网络性能优化的方无线网络、网络性能、网络管理、新兴践相结合；自主学习与团队协作相结合法；培养网络规划与设计的实际能力；网络技术、网络规划与设计了解新兴网络技术的发展趋势和应用前景第一章网络基础概念1什么是计算机网络2网络的发展历史3网络的重要性计算机网络是指将地理位置不同的具从早期的ARPANET到现代互联网，网络已经成为现代社会不可或缺的基有独立功能的多台计算机及其外部设网络技术经历了巨大的变革包括分础设施它不仅是信息传递的桥梁，备，通过通信线路连接起来，在网络组交换技术、TCP/IP协议族、万维也是经济发展的重要引擎无论是个操作系统，网络管理软件及网络通信网的出现，以及移动互联网的普及等人生活、商业运营还是政府管理，都协议的管理和协调下，实现资源共享重要里程碑每次技术革新都极大地离不开网络的支撑和信息传递的计算机系统推动了网络的发展和应用网络的分类按覆盖范围分类按拓扑结构分类局域网（LAN）、城域网（星型、环型、总线型、网状型等MAN）、广域网（WAN）、个，不同的拓扑结构具有不同的优人区域网（PAN）等，不同类型缺点，适用于不同的应用场景的网络覆盖范围和服务对象各不例如，星型拓扑易于管理，但中相同例如，LAN通常用于家庭心节点故障会影响整个网络或办公室，而WAN则覆盖国家或地区按传输技术分类广播式网络和点对点网络，广播式网络中的所有节点共享同一传输介质，而点对点网络中的节点之间存在直接连接以太网是典型的广播式网络，而电话网络是点对点网络的例子网络协议协议的定义协议的作用常见网络协议协议是通信双方为了实协议是网络通信的基础TCP、UDP、IP、现可靠的信息交换而预，它规范了数据传输的HTTP、FTP、SMTP先达成的约定，包括语方式，保证了不同设备、DNS等，这些协议分法、语义和时序三个要之间的互操作性没有别负责不同的网络功能素协议定义了数据传协议，网络设备将无法，共同构成了复杂的网输的格式、含义和顺序理解彼此的信息，从而络通信体系例如，，确保通信的顺利进行无法实现通信TCP负责可靠的数据传输，HTTP负责Web页面的传输七层模型OSI物理层1负责在物理介质上传输原始比特流，定义了物理接口的特性、传输速率、传输方式等例如，网线的接口类型、信号的调制方式等都属于物理层的范畴数据链路层2负责在相邻节点之间建立可靠的数据链路，实现帧的封装、传输和差错检测例如，以太网协议、MAC地址等都属于数据链路层的范畴网络层3负责在网络中实现数据包的路由和转发，确定数据包从源节点到目标节点的最佳路径例如，IP协议、路由协议等都属于网络层的范畴七层模型（续）OSI传输层负责在端到端之间建立可靠的或不可靠的连接，实现数据的分段、重组和流量控制例如，TCP协议和UDP协议都属于传输层的范畴会话层负责建立、管理和终止会话，提供会话控制和同步功能例如，网络会议、远程登录等应用都需要会话层的支持表示层负责数据的格式转换、加密和解密，保证应用层能够理解接收到的数据例如，JPEG图像格式、SSL加密协议等都属于表示层的范畴应用层直接为应用程序提供网络服务，定义了应用程序之间交互的协议例如，HTTP协议、FTP协议、SMTP协议等都属于应用层的范畴四层模型TCP/IP网络接口层网络层1对应于OSI模型的物理层和数据链路层对应于OSI模型的网络层，负责数据包2，负责在物理介质上传输数据帧的路由和转发应用层传输层4对应于OSI模型的会话层、表示层和应对应于OSI模型的传输层，负责端到端3用层，为应用程序提供网络服务的数据传输控制第二章物理层信号传输1将数字信号转换为模拟信号，通过物理介质进行传输传输介质2用于传输信号的物理通道，如有线和无线两种类型物理层的功能3在物理介质上传输比特流，定义物理接口特性传输介质类型无线传输介质1包括无线电波、微波、红外线等，适用于移动通信和无线网络有线传输介质2包括双绞线、同轴电缆、光纤等，适用于各种网络环境选择合适的传输介质是构建高效网络的基础有线介质提供稳定的连接和高带宽，适用于对可靠性要求高的场景无线介质则具有灵活性和移动性，适用于移动设备和无线网络信号调制技术基带传输频带传输直接将数字信号转换为模拟信号进行传输，不进行载波调制基将数字信号调制到载波信号上进行传输，可以实现远距离、高速带传输适用于短距离、低速的数据传输，例如局域网中的数据传的数据传输频带传输适用于广域网和无线网络的数据传输，例输如无线电广播和电视信号传输物理层设备中继器集线器用于放大信号，延长传输距离中继器只能简单地放大信号，不能进用于连接多个设备，实现信号的广播集线器是一种简单的多端口中行信号处理和转发适用于信号衰减严重的场景继器，所有端口共享同一带宽适用于小型局域网物理层设备是构建网络的基础选择合适的物理层设备可以提高网络的传输效率和可靠性随着技术的发展，集线器逐渐被交换机取代，而中继器仍然在一些特殊场景下发挥作用第三章数据链路层数据链路层的功能帧的概念差错控制123在相邻节点之间建立可靠的数据链数据链路层的数据单元，包括帧头检测和纠正数据传输中的错误，保路，实现帧的封装、传输和差错检、数据和帧尾帧头包含源MAC地证数据的可靠性常见的差错控制测址和目标MAC地址，帧尾包含校验方法包括奇偶校验、CRC校验等信息介质访问控制CSMA/CD载波侦听多路访问/冲突检测，用于有线局域网，先侦听信道是否空闲，若空闲则发送数据，若发生冲突则停止发送并等待随机时间后重发CSMA/CA载波侦听多路访问/冲突避免，用于无线局域网，通过RTS/CTS机制避免冲突RTS（Request toSend）和CTS（Clear toSend）用于预约信道，防止其他节点在同一时间发送数据以太网以太网的工作原理以太网帧格式基于CSMA/CD协议，通过MAC地包括前导码、目的MAC地址、源址实现数据帧的寻址和传输每个以MAC地址、类型/长度、数据和帧校太网设备都有一个唯一的MAC地址验序列帧格式定义了数据帧的结构，用于标识自己在网络中的身份，保证了数据传输的正确性交换机交换机的工作原理1根据MAC地址学习和转发数据帧，实现端口之间的点对点通信交换机维护一个MAC地址表，记录了每个端口连接的设备的MAC地址交换表2记录MAC地址与端口的对应关系，用于快速查找目标MAC地址对应的端口交换机通过学习和更新交换表，提高数据转发的效率技术VLAN的概念的实现方式VLAN VLAN虚拟局域网，将一个物理局域网划分为多个逻辑局域网，实现基于端口、MAC地址、IP地址等方式划分VLAN基于端口的广播域的隔离VLAN可以提高网络的安全性和管理效率VLAN是最常见的实现方式，将交换机的不同端口划分为不同的VLAN第四章网络层地址IP用于标识网络中的每个设备，保证数据2包能够正确地到达目标设备网络层的功能1负责在网络中实现数据包的路由和转发，确定数据包从源节点到目标节点的最子网划分佳路径将一个大的IP网络划分为多个小的子网，提高IP地址的利用率和网络管理的灵3活性地址IPv4特殊地址IP如私有地址、环回地址等，用于特殊用途1地址分类2分为A、B、C、D、E五类，不同类别的地址具有不同的网络ID和主机ID长度地址结构IPv43由32位二进制数组成，通常用点分十进制表示地址IPv6的优势IPv61更大的地址空间、更高的安全性、更好的移动性支持等IPv6能够满足未来网络发展的需求，解决IPv4地址耗尽的问题地址结构IPv62由128位二进制数组成，通常用冒号分隔的十六进制数表示路由选择静态路由动态路由由网络管理员手动配置的路由，适用于小型、拓扑结构稳定的网由路由协议自动学习和更新的路由，适用于大型、拓扑结构动态络静态路由配置简单，但维护成本高，不适用于大型动态网络变化的网络动态路由能够自动适应网络变化，但配置和维护相对复杂路由协议RIP OSPFBGP路由信息协议，一种基于距离向量的路由开放最短路径优先，一种基于链路状态的边界网关协议，用于自治系统之间的路由协议，适用于小型网络RIP协议简单易路由协议，适用于大型网络OSPF协议选择，是互联网的核心路由协议BGP协用，但收敛速度慢，不适用于大型网络收敛速度快，支持VLSM，能够更好地适议能够实现不同自治系统之间的互联互通应网络变化路由协议是实现网络互联互通的关键选择合适的路由协议可以提高网络的稳定性和效率不同的路由协议适用于不同的网络环境，需要根据实际情况进行选择技术NAT的工作原理1NAT将私有IP地址转换为公有IP地址，实现内部网络访问外部网络的功能NAT技术能够有效缓解IPv4地址耗尽的问题的类型2NAT静态NAT、动态NAT、端口多路复用（PAT）静态NAT将一个私有IP地址映射到一个公有IP地址，动态NAT则使用地址池进行映射，PAT允许多个私有IP地址共享一个公有IP地址第五章传输层传输层的功能协议TCP负责在端到端之间建立可靠的或提供可靠的、面向连接的数据传不可靠的连接，实现数据的分段输服务，保证数据的顺序性和完、重组和流量控制整性协议UDP提供不可靠的、无连接的数据传输服务，适用于对实时性要求高的应用协议详解TCP三次握手四次挥手流量控制用于建立TCP连接，保证双方能够可靠地用于断开TCP连接，保证双方能够安全地防止发送方发送数据过快，导致接收方无通信三次握手包括SYN、SYN-ACK和关闭连接四次挥手包括FIN、ACK、FIN法处理，从而造成数据丢失流量控制通ACK三个步骤和ACK四个步骤过滑动窗口机制实现协议详解UDP的特点1UDP无连接、不可靠、简单、快速UDP协议不需要建立连接，直接发送数据，适用于对实时性要求高的应用的应用场景2UDP视频直播、在线游戏、DNS查询等这些应用对实时性要求高，可以容忍少量的数据丢失端口号知名端口0-1023，由IANA分配给常见的应用服务，如HTTP

（80）、FTP

（21）、SMTP

（25）等动态端口1024-65535，由客户端程序动态分配，用于临时通信客户端程序每次发起连接时，都会随机分配一个动态端口第六章应用层常见应用层协议应用层的功能1HTTP、FTP、SMTP、DNS等，这些直接为应用程序提供网络服务，定义了协议分别负责不同的网络功能，共同构2应用程序之间交互的协议成了复杂的网络通信体系DNS记录类型DNS1A记录、CNAME记录、MX记录等，用于存储不同的域名解析信息的工作原理DNS2将域名转换为IP地址，实现域名解析功能DNS服务器维护域名和IP地址的对应关系HTTP状态码HTTP1用于表示服务器的响应状态，如200OK、404Not Found、500Internal ServerError等请求方法HTTP2GET、POST、PUT、DELETE等，用于表示客户端的请求类型HTTPS的工作原理HTTPS SSL/TLS通过SSL/TLS协议对HTTP数据进行加密，保证数据传输的安全安全套接层/传输层安全协议，用于在客户端和服务器之间建立性HTTPS使用数字证书验证服务器的身份，防止中间人攻击加密连接SSL/TLS协议使用对称加密和非对称加密相结合的方式，保证数据传输的安全性FTP的工作模式命令FTP FTP主动模式和被动模式，用于建立数据连接主动模式由客户端发起数用于控制文件传输，如GET、PUT、LIST等GET用于下载文件，据连接，被动模式由服务器发起数据连接PUT用于上传文件，LIST用于列出文件目录FTP协议用于文件传输，是互联网上常用的文件共享方式了解FTP的工作模式和常用命令可以更好地使用FTP服务随着安全要求的提高，SFTP和FTPS等安全的文件传输协议逐渐取代了传统的FTP协议.和SMTP POP3电子邮件的工作原理1客户端通过SMTP协议发送邮件到邮件服务器，邮件服务器将邮件转发到目标邮件服务器，目标用户通过POP3协议从邮件服务器接收邮件和的区别2SMTP POP3SMTP用于发送邮件，POP3用于接收邮件SMTP是推送协议，POP3是拉取协议IMAP协议是POP3的替代方案，允许用户在服务器上管理邮件第七章网络安全网络安全的重要性保护网络资源免受未经授权的访问、使用、修改、破坏或泄露，维护网络的可用性、完整性和保密性常见网络攻击类型DDoS攻击、SQL注入攻击、跨站脚本攻击（XSS）、恶意软件等防火墙防火墙的类型防火墙的配置原则包过滤防火墙、状态检测防火墙、应最小权限原则、默认拒绝原则、深度用代理防火墙等不同类型的防火墙防御原则等防火墙的配置应该根据具有不同的安全特性和性能表现实际需求进行，不能过度开放权限加密技术对称加密1加密和解密使用相同的密钥，速度快，适用于大量数据的加密常见的对称加密算法包括AES、DES等非对称加密2加密和解密使用不同的密钥，安全性高，适用于密钥交换和数字签名常见的非对称加密算法包括RSA、ECC等VPN的工作原理VPN通过建立加密隧道，实现远程用户安全地访问内部网络VPN可以隐藏用户的真实IP地址，保护用户的隐私的应用场景VPN远程办公、跨境访问、数据传输安全等VPN可以帮助企业员工安全地访问内部资源，也可以帮助个人用户安全地访问互联网入侵检测系统的部署IDS的工作原理IDS可以在网络的关键节点部署IDS，如防1通过监控网络流量，检测恶意行为和攻火墙出口、服务器入口等IDS的部署击事件IDS可以分析网络数据包，检2应该根据实际需求进行，不能过度部署测是否存在异常流量和攻击特征第八章无线网络无线网络标准1如

802.11a/b/g/n/ac/ax等，不同的标准具有不同的传输速率和覆盖范围无线网络的特点2移动性、灵活性、易于部署等Wi-Fi安全Wi-Fi1使用WPA2/WPA3等加密协议，防止未经授权的访问定期更改Wi-Fi密码，启用MAC地址过滤等安全措施的工作原理Wi-Fi2基于

802.11协议，通过无线电波进行数据传输Wi-Fi设备需要连接到无线路由器才能访问互联网蓝牙技术蓝牙的工作原理蓝牙的应用基于短距离无线通信技术，通过

2.4GHz频段进行数据传输蓝无线耳机、智能手表、智能家居等蓝牙技术广泛应用于各种消牙设备需要配对才能建立连接费电子产品和物联网设备移动通信网络2G3G4G5G第二代移动通信技术，主要提第三代移动通信技术，提供更第四代移动通信技术，提供更第五代移动通信技术，提供超供语音通话和短信服务2G网高的数据传输速率，支持移动高的数据传输速率和更低的延高的数据传输速率、超低的延络使用GSM和CDMA等技术互联网应用3G网络使用迟，支持高清视频和在线游戏迟和海量的连接数，支持物联WCDMA和CDMA2000等技等应用4G网络使用LTE技术网、自动驾驶等应用5G网络术使用NR技术移动通信网络的发展极大地改变了人们的生活方式每一代移动通信技术都带来了更高的传输速率和更丰富的应用场景5G技术的普及将进一步推动物联网和人工智能的发展第九章网络性能网络性能指标1带宽、吞吐量、延迟、抖动、丢包率等，用于衡量网络的性能表现网络性能优化2通过优化网络配置、升级网络设备、改进网络协议等方式，提高网络的性能表现带宽和吞吐量带宽的概念指网络链路的最大数据传输速率，单位通常为bps（比特每秒）吞吐量的计算指实际的数据传输速率，通常小于带宽，单位也为bps吞吐量受多种因素影响，如网络拥塞、设备性能等延迟和抖动延迟的类型抖动的影响传输延迟、传播延迟、处理延迟、排队延迟等延迟是指数据从指延迟的变化范围，对实时性要求高的应用影响较大，如VoIP、源节点到目标节点所需的时间在线游戏等抖动会导致语音通话质量下降，游戏体验不佳QoS的概念1QoS服务质量，指网络为不同类型的应用提供不同级别的服务保障QoS可以保证关键应用的性能，如VoIP、视频会议等的实现方式2QoS流量整形、流量监管、优先级队列等流量整形可以平滑流量，流量监管可以限制流量，优先级队列可以保证高优先级流量优先传输负载均衡负载均衡的原理将网络流量分发到多个服务器上，提高系统的可用性和性能负载均衡可以防止单点故障，提高系统的并发处理能力常见负载均衡算法轮询、加权轮询、最小连接数、哈希算法等不同的负载均衡算法适用于不同的应用场景第十章网络管理网络管理的重要性网络管理的主要任务1保证网络的正常运行，提高网络的可用配置管理、故障管理、性能管理、安全2性和性能，保障网络的安全管理、计费管理等SNMPMIB管理信息库，定义了网络设备的管理对象和属性1的工作原理SNMP简单网络管理协议，用于管理网络设备，监控网络状态2SNMP使用轮询机制，定期向网络设备发送请求，获取设备的状态信息网络监控常用网络监控工具1如Nagios、Zabbix、Cacti等，用于监控网络设备的运行状态和性能指标这些工具可以提供图形化界面，方便管理员查看网络状态网络监控的目的2及时发现网络故障，提高网络的可用性，优化网络性能故障诊断常见网络故障故障诊断方法线路故障、设备故障、配置错误、安全攻击等网络故障会导致ping命令、traceroute命令、网络抓包分析等ping命令用于网络中断或性能下降检测网络连通性，traceroute命令用于跟踪数据包的路径，网络抓包分析用于分析网络数据包的内容第十一章新兴网络技术SDN NFV软件定义网络，将网络控制平面与数据平面分离，实现网络的集中控网络功能虚拟化，将网络功能部署在通用的硬件平台上，实现网络功制和灵活配置SDN可以提高网络的灵活性和可编程性能的灵活部署和扩展NFV可以降低网络建设和维护成本SDN和NFV是当前网络技术发展的重要趋势SDN可以实现网络的集中控制和灵活配置，NFV可以实现网络功能的灵活部署和扩展SDN和NFV的结合将极大地提高网络的灵活性和可编程性云计算云计算的特点云计算的服务模式12按需服务、弹性扩展、资源池化、广泛的网络接入、可计IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS量的服务等（软件即服务）IaaS提供计算、存储、网络等基础设施，PaaS提供应用开发和部署平台，SaaS提供应用软件服务边缘计算边缘计算的概念将计算和存储资源部署在网络的边缘，靠近数据源，减少数据传输延迟，提高应用响应速度边缘计算的应用智能制造、自动驾驶、智能安防等边缘计算可以满足对实时性要求高的应用的需求物联网物联网的架构物联网的应用场景感知层、网络层、应用层感知层负智能家居、智能交通、智能医疗、智责采集数据，网络层负责传输数据，能农业等物联网可以实现万物互联应用层负责处理数据，提高生产效率和生活质量第十二章网络规划与设计网络规划的步骤1需求分析、方案设计、设备选型、预算评估、实施部署、测试验收网络设计的原则2可靠性、安全性、可扩展性、可管理性、经济性网络拓扑设计常见网络拓扑结构星型、环型、总线型、网状型等不同的拓扑结构具有不同的优缺点，适用于不同的应用场景拓扑选择考虑因素可靠性、成本、可扩展性、易于管理等选择合适的拓扑结构可以提高网络的性能和可靠性地址规划IP地址分配原则IP技术VLSM1连续性、唯一性、可管理性IP地址分可变长子网掩码，用于更灵活地划分IP配应该保证地址的连续性，避免地址冲2地址，提高IP地址的利用率突，方便地址管理网络文档设备配置文档1记录网络设备的配置信息，方便设备管理和维护地址表IP2记录网络中所有设备的IP地址和MAC地址，方便网络管理网络拓扑图3清晰地展示网络的物理和逻辑结构，方便网络管理和维护课程总结QA1欢迎大家提问，共同探讨网络架构的原理和应用学习建议2多实践、多思考、多交流，将理论知识与实践操作相结合，不断提高自己的网络技术水平主要内容回顾回顾本课程的主要内容，包括网络基础概念、物理层、数据链路3层、网络层、传输层、应用层、网络安全、无线网络、网络性能、网络管理、新兴网络技术、网络规划与设计通过本课程的学习，相信大家对网络架构的原理有了更深入的理解希望大家能够将所学知识应用到实际工作中，为构建高效、稳定、安全的网络系统贡献自己的力量感谢大家的参与！。