《计算机网络与数据通信》教学课件

《计算机网络与数据通信》教学课件本教学课件旨在全面介绍计算机网络与数据通信的基础知识、核心技术及应用通过本课程的学习，学生将掌握计算机网络的基本原理、网络协议、网络体系结构、网络安全等方面的知识，为从事计算机网络相关的开发、管理和维护工作奠定坚实的基础本课件将深入浅出地讲解各个知识点，并结合实际案例进行分析，帮助学生更好地理解和掌握所学内容课程概述课程目标学习要求12使学生系统掌握计算机网络与学生应认真听讲、积极思考、数据通信的基本理论、关键技按时完成作业，并参与课堂讨术和应用方法，培养学生分析论，通过实践操作加深对知识和解决实际网络问题的能力的理解考核方式3课程考核包括平时成绩（作业、考勤、课堂参与）和期末考试两部分，全面评价学生的学习效果第一章计算机网络概述网络的基本概念网络的发展历史计算机网络是由若干自主计算机互联构成的集合，通过通信线路计算机网络经历了从单机系统到终端网络，再到计算机互联网络实现资源共享和信息交换网络的核心在于互联互通，实现数据的发展过程互联网的兴起极大地推动了网络技术的发展和应用的有效传输计算机网络的定义网络的基本概念网络的发展历史计算机网络是由若干自主计算机计算机网络经历了从单机系统到互联构成的集合，通过通信线路终端网络，再到计算机互联网络实现资源共享和信息交换的发展过程互联网的兴起极大地推动了网络技术的发展和应用网络的关键要素计算机网络包括硬件设备（如计算机、路由器、交换机）、软件协议（如协议族）和连接介质（如有线和无线）等关键要素TCP/IP计算机网络的功能与应用数据通信资源共享分布式处理实现计算机之间的数据使网络中的计算机可以将计算任务分配给网络传输和信息交换，是计共享硬件、软件和数据中的多台计算机并行处算机网络最基本的功能资源，提高资源利用率理，提高计算效率和处数据通信的效率和可，降低成本资源共享理能力分布式处理是靠性是网络性能的关键是网络的核心优势之一大型网络应用的重要支指标撑计算机网络的分类按覆盖范围分类局域网（）、城域网（）、广域网（）根据网LAN MANWAN络覆盖的地理范围进行分类，各有特点和应用场景按拓扑结构分类星型、环型、总线型、树型等拓扑结构决定了网络的连接方式和数据传输路径，影响网络的性能和可靠性按传输技术分类广播式网络和点对点网络根据数据传输方式进行分类，各有优缺点，适用于不同的应用场景计算机网络体系结构七层模型四层模型OSI TCP/IP模型将网络协议划分为七层物理层、数据链路层、网络层模型是实际应用的网络协议栈，包括网络接口层、网络层OSI TCP/IP、传输层、会话层、表示层和应用层，提供了一个理论框架、传输层和应用层，是互联网的基础协议第二章物理层物理层是计算机网络体系结构的最底层，负责在物理介质上进行数据传输它涉及到信号的编码、调制、传输介质的选择等关键技术，直接影响着网络的传输速率和可靠性理解物理层的工作原理是理解整个计算机网络的基础功能概述1物理层的主要功能包括定义物理设备与传输介质的接口特性、传输数据的编码和调制方式、以及数据传输速率的控制关键特性2物理层的关键特性包括机械特性、电气特性、功能特性和规程特性，这些特性共同保证了数据的正确传输物理层概述物理层的功能物理层的主要特性物理层的主要功能包括定义物理物理层的主要特性包括机械特性设备与传输介质的接口特性、传、电气特性、功能特性和规程特输数据的编码和调制方式、以及性，这些特性共同保证了数据的数据传输速率的控制正确传输物理层的目标物理层的目标是实现数据在物理介质上的可靠传输，为上层协议提供透明的数据传输服务数据通信基础数据的概念信号的概念噪声的概念数据是信息的载体，可信号是数据的物理表示噪声是在数据传输过程以是数字、文字、图像，通过电磁波或电压变中产生的干扰信号，会、音频等各种形式数化等形式在传输介质上影响数据的准确性和可据在计算机网络中以二传输信号的强度和频靠性噪声的抑制是数进制形式进行传输和处率决定了数据的传输速据通信的重要任务理率和距离传输介质有线传输介质双绞线、同轴电缆和光纤是有线传输介质的主要类型，各有特点和适用场景光纤具有传输速率高、抗干扰能力强的优点无线传输介质无线电波、微波和红外线是无线传输介质的主要类型，适用于移动通信和无线网络无线传输容易受到干扰和安全威胁传输介质的选择传输介质的选择应根据网络的传输速率、距离、成本和安全性等因素综合考虑，选择最适合的介质信道复用技术频分复用（）时分复用（）波分复用（）FDM TDMWDM将信道的带宽划分为多个频率子信道，每将信道的时间划分为多个时隙，每个用户在光纤通信中，利用不同波长的光信号在个用户占用一个子信道进行数据传输，实在固定的时隙内进行数据传输，实现多路同一根光纤上传输多路数据，实现光纤带现多路信号的并发传输信号的轮流传输宽的充分利用数字调制技术幅移键控（）频移键控（）ASK FSK通过改变载波信号的幅度来表示通过改变载波信号的频率来表示数字信号，例如用不同的幅度表数字信号，例如用不同的频率表示和技术实现简单，但示和技术抗干扰能力较01ASK01FSK抗干扰能力较差强，但带宽利用率较低相移键控（）PSK通过改变载波信号的相位来表示数字信号，例如用不同的相位表示和01技术抗干扰能力较强，带宽利用率较高PSK编码与调制曼彻斯特编码差分曼彻斯特编编码4B/5B码在每个比特周期内，用将位数据编码成位码45信号的跳变来表示0和1用信号跳变的有无来表字，保证码字中1的比例，具有自同步能力，但示和，抗干扰能力更，提高传输可靠性常01编码效率较低常用于强若当前码元与前一用于高速网络，如光纤以太网等局域网码元相比有跳变，则表通道示，否则表示01第三章数据链路层数据链路层是计算机网络体系结构中的第二层，负责在相邻节点之间提供可靠的数据传输它通过帧的封装、差错控制和流量控制等机制，保证数据在物理链路上的正确传输数据链路层的协议是网络通信的基础功能概述1数据链路层的主要功能包括帧的封装与解封装、差错检测与纠正、流量控制、介质访问控制等关键协议2数据链路层的关键协议包括以太网协议、协议、协议等，这PPP HDLC些协议定义了数据传输的格式和规则数据链路层概述数据链路层的功能帧的概念数据链路层的目标数据链路层的主要功能包括帧的封装与帧是数据链路层的数据传输单元，包括数据链路层的目标是在物理链路上实现解封装、差错检测与纠正、流量控制、帧头、数据部分和帧尾帧头和帧尾用可靠的数据传输，为上层协议提供无差介质访问控制等于控制和校验数据传输错的数据传输服务差错控制奇偶校验循环冗余校验（）CRC通过在数据中添加一个校验位，保证通过将数据除以一个预定义的生成多数据中的个数为奇数或偶数，检测数项式，得到余数作为校验码具1CRC据传输中的简单错误奇偶校验简单有较强的检错能力，广泛应用于数据易行，但检错能力有限通信和存储领域流量控制停止等待协议-发送方每发送一个帧就停止等待，直到收到接收方的确认帧后才发送下一个帧停止等待协议简单可靠，但效率较低-滑动窗口协议发送方可以连续发送多个帧，而无需等待确认，通过滑动窗口机制控制发送速率滑动窗口协议提高了数据传输效率流量控制的目标流量控制的目标是防止发送方发送数据过快，导致接收方无法及时处理，从而造成数据丢失或拥塞介质访问控制协议协议CSMA/CD CSMA/CA载波侦听多路访问冲突检测协议，用于以太网发送方在发送数载波侦听多路访问冲突避免协议，用于无线局域网发送方在发//据前侦听信道，如果信道空闲则发送数据，如果发生冲突则停止送数据前侦听信道，如果信道空闲则发送请求发送帧，接收方收发送并等待一段时间后重发到后发送允许发送帧，发送方收到允许发送帧后才发送数据以太网以太网的帧格式以太网的工作原理以太网帧包括前导码、目的地址以太网采用协议进行CSMA/CD、源地址、类型长度、数据和帧介质访问控制，通过广播方式传/校验序列帧格式定义了数据传输数据交换机通过学习地MAC输的结构和控制信息址表实现数据的定向传输以太网的优势以太网具有成本低、易于部署和维护、传输速率高等优点，是目前应用最广泛的局域网技术第四章网络层网络层是计算机网络体系结构中的第三层，负责在不同网络之间实现数据传输它通过协议进行寻址和路由选择，将数据包从源主机传输到目的主机网IP络层的协议是互联网的核心协议功能概述1网络层的主要功能包括寻址、路由选择、分组转发、服务质量（IP QoS）控制等关键协议2网络层的关键协议包括协议、协议、协议、路由协议等，IP ICMPARP这些协议共同保证了数据在网络中的正确传输网络层概述网络层的功能分组交换原理网络层的主要功能包括寻址、分组交换是将数据分割成IPछोट路由选择、分组转发、服务质量数据包（分组）进行传输，每े（）控制等个分组独立选择路由，到达目的QoS地后再进行重组网络层的目标网络层的目标是在互联网络中实现数据包的可靠传输，为上层协议提供无差错的数据传输服务地址IP地址结构子网划分IPv4CIDR地址由位二进制子网划分是将一个大的无类别域间路由，是一IPv432数组成，通常表示为点网络划分为多个小的种更加灵活的地址分IP IP分十进制形式地子网，提高地址的利配方式，采用网络前缀IPv4IP址分为、、、、用率和网络管理的灵活和主机号的方式表示A BC DE IP五类，用于不同的网络性子网掩码用于标识地址，提高了地址的IP规模和应用场景网络地址和主机地址利用率协议IP数据报格式IP数据报包括首部和数据两部分首部包含源地址、目的地IP IPIP址、协议类型、生存时间等控制信息分片与重组IP当数据报的长度超过最大传输单元（）时，需要进行分IP MTU片接收方收到分片后进行重组，恢复原始数据报协议的目标IP协议的目标是在互联网络中实现数据包的可靠传输，为上层协IP议提供无差错的数据传输服务路由算法静态路由动态路由由网络管理员手动配置路由表，适用于网络拓扑结构稳定的网络路由器通过路由协议自动学习和更新路由表，适用于网络拓扑结静态路由简单易行，但缺乏灵活性构变化频繁的网络动态路由具有较强的灵活性和适应性路由协议协议协议RIP OSPF距离矢量路由协议，采用跳数作链路状态路由协议，采用算SPF为度量标准，简单易实现，但收法计算最佳路由，收敛速度快，敛速度慢，容易产生路由环路支持和适用于中大VLSM CIDR适用于小型网络型网络协议BGP边界网关协议，用于自治系统之间的路由选择协议具有较强的稳定BGP性和可扩展性，是互联网的核心路由协议协议ARP的工作原理欺骗与防御ARP ARP地址解析协议，用于将地址解析为地址主机通过广播欺骗是指攻击者通过发送虚假的响应，篡改受害主机的IP MAC ARP ARP请求，目标主机收到后回复响应，包含地址缓存表，实现中间人攻击防御欺骗的方法包括静态ARP ARPMACARP ARPARP表和检测工具ARP协议ICMP报文类型ICMP互联网控制报文协议，用于在主机或路由器之间传递控制消息IP报文包括差错报告报文和查询报文ICMP和命令ping traceroute命令用于测试网络连通性，命令用于跟踪数据ping traceroute包的传输路径这两个命令是常用的网络诊断工具协议的目标ICMP协议的目标是提供网络诊断和控制功能，帮助网络管理员ICMP维护网络的稳定性和可靠性第五章传输层传输层是计算机网络体系结构中的第四层，负责在应用程序之间提供端到端的数据传输服务它通过和协议实现可靠或不可靠的数据传输，为应用TCP UDP程序提供统一的接口功能概述1传输层的主要功能包括端口寻址、连接管理、可靠数据传输、流量控制和拥塞控制等关键协议2传输层的关键协议包括协议和协议，提供可靠的面向连接TCP UDPTCP的传输服务，提供不可靠的无连接的传输服务UDP传输层概述传输层的功能端口的概念传输层的主要功能包括端口寻址端口是传输层用于标识应用程序、连接管理、可靠数据传输、流的地址，分为知名端口、注册端量控制和拥塞控制等口和动态端口端口号与地址IP一起构成套接字，用于唯一标识网络中的一个应用程序传输层的目标传输层的目标是在应用程序之间提供可靠或不可靠的数据传输服务，为应用程序提供统一的接口协议UDP的特点数据报格式UDP UDP无连接、不可靠、面向数据报的传输数据报包括源端口、目的端口、UDP协议协议简单高效，适用于对长度和校验和四个字段数据部分是UDP实时性要求高，但对可靠性要求不高应用程序的数据的应用，如视频直播和在线游戏协议TCP的特点TCP面向连接、可靠、面向字节流的传输协议协议提供可靠TCP的数据传输服务，适用于对可靠性要求高的应用，如文件传输和网页浏览报文段格式TCP报文段包括源端口、目的端口、序列号、确认号、首部长TCP度、保留位、控制位、窗口大小、校验和和紧急指针等字段协议的目标TCP协议的目标是在应用程序之间提供可靠的数据传输服务，TCP保证数据的完整性和顺序性连接管理TCP三次握手四次挥手连接建立的过程，包括、和三个步骤连接断开的过程，包括、、和四个步骤四TCP SYNSYN+ACK ACKTCP FINACK FINACK三次握手保证了双方都知道对方的存在，并协商了连接参数次挥手保证了双方都完成了数据的传输，并释放了连接资源可靠传输TCP超时重传快速重传发送方在发送数据后启动一个定接收方如果收到乱序的数据，则时器，如果在定时器超时前没有立即发送重复确认，如果发送方收到确认，则重传数据超时重收到三个重复确认，则立即重传传是实现可靠传输的关键机数据快速重传可以提高数据传TCP制输的效率可靠传输的目标TCP可靠传输的目标是保证数据的完整性和顺序性，即使在网络拥塞或丢TCP包的情况下，也能保证数据的正确传输流量控制TCP滑动窗口机制拥塞控制算法接收方通过字段采用多种拥塞控制算法，如慢启Advertised WindowTCP通知发送方自己的接收能力，发送方动、拥塞避免、快速重传和快速恢复根据接收方的接收能力控制发送速率，根据网络拥塞情况动态调整发送速滑动窗口机制实现了流量控制率，避免网络拥塞第六章应用层应用层是计算机网络体系结构中的最高层，负责为应用程序提供网络服务它通过各种应用协议实现不同的网络功能，如网页浏览、文件传输、电子邮件等应用层的协议是用户与网络交互的接口功能概述关键协议12应用层的主要功能包括提供网络服务、数据格式转换、身份应用层的关键协议包括协议、协议、协议HTTP FTPSMTP验证和授权等、协议等，这些协议定义了不同的网络应用服务DNS应用层概述应用层的功能客户端服务器模型应用层的目标-应用层的主要功能包括提供网络服务、客户端服务器模型是应用层常用的架应用层的目标是为应用程序提供便捷的-数据格式转换、身份验证和授权等构模式，客户端向服务器请求服务，服网络服务，实现用户与网络之间的交互务器响应客户端的请求应用是Web典型的客户端服务器模型-系统DNS域名结构解析过程DNS域名是由多个标签组成的层次结构，解析是将域名解析为地址的过DNS IP从右到左依次为顶级域名、二级域名程客户端向服务器发送域名查DNS、三级域名等域名用于标识网络中询请求，服务器递归或迭代查询DNS的主机和服务，最终返回地址IP协议HTTP请求响应模型HTTP客户端向服务器发送请求，服务器收到请求后进行处理，HTTP并返回响应请求和响应都包含首部和消息体HTTP HTTP状态码HTTP状态码用于表示服务器对请求的处理结果，如表示成HTTP200功，表示未找到，表示服务器内部错误状态码帮助404500客户端了解请求的处理状态协议的目标HTTP协议的目标是提供页面的传输服务，实现客户端与HTTP Web服务器之间的交互协议FTP工作原理主动模式与被动模式FTP文件传输协议，用于在客户端和服务器之间传输文件使用支持主动模式和被动模式两种数据连接方式主动模式下，FTP FTP协议进行可靠的数据传输，分为控制连接和数据连接服务器主动连接客户端的数据端口；被动模式下，客户端主动连TCP接服务器的数据端口和协议SMTP POP3电子邮件的工作原理和的区别SMTP POP3电子邮件通过协议发送，用于发送邮件，用于SMTP SMTPPOP3通过或协议接收电接收邮件协议负责将邮POP3IMAP SMTP子邮件系统包括邮件客户端、邮件从客户端发送到服务器，件服务器和邮件传输代理协议负责将邮件从服务器POP3下载到客户端电子邮件的优势电子邮件具有异步、可靠、方便等优点，是常用的通信方式第七章网络安全网络安全是指保护网络系统中的硬件、软件和数据免受未经授权的访问、使用、泄露、破坏或修改网络安全是保障网络正常运行和用户数据安全的重要组成部分重要性1网络安全对于保护用户数据、维护网络正常运行、防止网络攻击具有重要意义常见威胁2常见的网络威胁包括病毒、木马、蠕虫、黑客攻击、拒绝服务攻击等网络安全概述网络安全的重要性常见网络威胁网络安全的目标网络安全对于保护用户数据、维护网络常见的网络威胁包括病毒、木马、蠕虫网络安全的目标是保护网络系统中的硬正常运行、防止网络攻击具有重要意义、黑客攻击、拒绝服务攻击等件、软件和数据免受未经授权的访问、使用、泄露、破坏或修改加密技术对称加密非对称加密加密和解密使用相同的密钥，加密速加密和解密使用不同的密钥，加密速度快，但密钥管理困难常用的对称度慢，但密钥管理方便常用的非对加密算法包括和称加密算法包括和AES DESRSA ECC数字签名数字签名的原理发送方使用私钥对消息进行签名，接收方使用公钥验证签名数字签名可以保证消息的完整性和发送方的身份数字证书数字证书是由权威机构颁发的，用于证明公钥的合法性数字证书包含了公钥、证书颁发机构的信息和有效期等数字签名的目标数字签名的目标是保证消息的完整性和发送方的身份，防止消息被篡改或伪造防火墙防火墙的类型防火墙的工作原理防火墙分为硬件防火墙和软件防火墙硬件防火墙性能高，安全防火墙通过设置规则，控制网络流量的进出，过滤恶意流量，保性强，适用于大型网络；软件防火墙灵活性强，易于配置，适用护内部网络的安全防火墙可以基于地址、端口号、协议类型IP于小型网络等进行过滤入侵检测系统的分类的工作原理IDS IDS入侵检测系统分为基于主机的入侵检测系统通过分析网络流量IDS和基于网络的基于主机的或主机上的活动，检测是否存在IDS监控主机上的活动，基于网络入侵行为可以基于签名、异IDS IDS的监控网络流量常或协议分析进行检测IDS的目标IDS入侵检测系统的目标是及时发现网络入侵行为，并采取相应的措施，保护网络系统的安全技术VPN的概念的实现方式VPN VPN虚拟专用网络，通过在公共网络上建立加密隧道，实现安全的远程的实现方式包括、和VPN IPSecVPN SSL VPN PPTPVPN IPSec访问可以保护数据的机密性和完整性安全性高，适用于企业网络；易于部署，适用于VPN VPNSSLVPN应用；简单易用，但安全性较低Web PPTPVPN第八章无线网络无线网络是指利用无线电波作为传输介质进行数据传输的网络无线网络具有移动性、灵活性和易于部署等优点，广泛应用于移动通信、无线局域网和物联网等领域特点1无线网络具有移动性、灵活性和易于部署等优点，但也存在易受干扰、安全性较低等缺点分类2无线网络分为无线局域网（）、无线城域网（）和无线WLAN WMAN广域网（）等类型WWAN无线网络概述无线网络的特点无线网络的分类无线网络具有移动性、灵活性和无线网络分为无线局域网（易于部署等优点，但也存在易受）、无线城域网（WLAN WMAN干扰、安全性较低等缺点）和无线广域网（）等类WWAN型无线网络的目标无线网络的目标是在无线环境下提供数据传输服务，实现移动通信和无线互联技术Wi-Fi标准工作原理Wi-Fi Wi-Fi是一种无线局域网技术，基于设备通过无线电波进行通信，Wi-Fi Wi-Fi标准标准不断发采用协议进行介质访问控IEEE

802.11Wi-Fi CSMA/CA展，传输速率不断提高，安全性也不制网络通常由无线路由器和Wi-Fi断增强无线网卡组成蓝牙技术蓝牙协议栈蓝牙是一种短距离无线通信技术，采用分层协议栈，包括核心协议层、中间协议层和应用协议层蓝牙配对过程蓝牙设备之间需要进行配对才能建立连接配对过程包括设备发现、链路建立和安全认证等步骤蓝牙技术的应用蓝牙技术广泛应用于无线耳机、智能手表、无线键盘鼠标等设备移动通信网络技术演进蜂窝网络原理2G/3G/4G/5G移动通信技术经历了从到的演进过程，传输速率不断提高蜂窝网络将服务区域划分为多个小区，每个小区由一个基站覆盖2G5G，网络容量不断扩大，应用场景不断丰富移动设备在小区之间移动时，进行切换，保证通信的连续性物联网物联网架构技术RFID物联网是指通过网络连接物理设射频识别技术，通过无线电波识备，实现设备之间的互联互通别和跟踪目标技术广泛应RFID物联网架构包括感知层、网络层用于物流、仓储、零售等领域和应用层物联网的应用物联网广泛应用于智能家居、智能交通、智能医疗等领域，提高生活质量和生产效率第九章网络管理与优化网络管理是指对网络设备、网络资源和网络服务进行监控、配置和维护，以保证网络的正常运行和优化性能网络优化是指通过调整网络参数和配置，提高网络的传输效率、可靠性和安全性目标1网络管理的目标是保证网络的正常运行、优化网络性能、提高网络安全性功能2网络管理的功能包括配置管理、故障管理、性能管理、安全管理和计费管理网络管理概述网络管理的目标网络管理的功能网络管理的目标是保证网络的正网络管理的功能包括配置管理、常运行、优化网络性能、提高网故障管理、性能管理、安全管理络安全性和计费管理网络管理的重要性网络管理对于保证网络的稳定运行和提供高质量的网络服务至关重要协议SNMP的工作原理数据库SNMP MIB简单网络管理协议，用于管理网络设管理信息库，包含了网络设备的信息备使用客户端服务器模型，管理者通过查询数据库，获取SNMP-MIB管理者向设备发送请求，设备回复响设备的状态和配置信息应网络性能优化网络性能指标优化方法网络优化的目标网络性能指标包括带宽、延迟、丢包率网络优化方法包括流量整形、控制网络优化的目标是提高网络的传输效率QoS和吞吐量等这些指标反映了网络的传、负载均衡和拥塞控制等这些方法可、可靠性和安全性，为用户提供更好的输效率和质量以提高网络的传输效率和可靠性网络体验网络故障诊断常见网络故障故障排除方法常见的网络故障包括线路故障、设备故障、配置错误和安全攻击故障排除方法包括物理层检查、链路层测试、网络层诊断和应用等这些故障会导致网络中断或性能下降层分析等常用的故障排除工具包括、和ping traceroute等tcpdump课程总结知识点回顾学习资源推荐本课程主要介绍了计算机网络的推荐学习资源包括《计算机网络基本概念、体系结构、协议和应》谢希仁、《详解》系列TCP/IP用重点讲解了物理层、数据链书籍和网络安全相关书籍路层、网络层、传输层和应用层的功能和协议课程展望希望通过本课程的学习，学生能够掌握计算机网络的基础知识，为后续的学习和工作奠定坚实的基础。