《计算机网络原理与应用》课件

计算机网络原理与应用欢迎来到《计算机网络原理与应用》课程！课程介绍与大纲概览课程目标主要内容本课程旨在帮助学生掌握计算机网络的基本原理，了解各种网络课程涵盖了计算机网络的基础理论、网络协议、网络安全、应用协议和技术，并能运用这些知识解决实际网络问题层协议、网络性能分析、无线网络、云计算网络、物联网网络、5G网络、网络编程、网络管理等多个方面什么是计算机网络？计算机网络是指将多个计算机系统通过通信线路连接起来，并按照一定的协议进行数据传输和资源共享的系统它是一种由通信设备和计算机设备组成的系统，使得能够连接多个计算机，并实现信息的交换、资源共享以及协同工作计算机网络的发展历程年代19601ARPANET诞生，标志着互联网的起源年代19702TCP/IP协议诞生，为互联网发展奠定了基础年代19803个人计算机普及，互联网开始进入快速发展阶段年代19904万维网（WWW）出现，互联网应用进入爆发式增长年代至今20005移动互联网、云计算、物联网等新兴技术不断涌现，推动互联网进入新的发展阶段网络通信的基本概念数据传输数据在网络中以数据包的形式传输，每个数据包包含数据和控制信息网络协议网络协议是一套规则，定义了网络设备之间如何进行数据交换和通信网络拓扑网络拓扑是指网络中设备的物理连接方式，常见的拓扑结构包括星型、总线型、环型等网络地址网络地址用于标识网络中每个设备的唯一身份，常见的网络地址包括IP地址、MAC地址等网络分层模型参考模型OSI应用层提供用户与网络的交互接口，例如HTTP、FTP、SMTP等协议表示层负责数据格式的转换和加密解密，确保数据在不同系统之间能够正确传输会话层建立、管理和终止用户之间的通信会话，例如用户登录、数据传输控制等传输层提供端到端的可靠数据传输，例如TCP、UDP等协议网络层负责数据包的路由和转发，例如IP协议数据链路层在节点之间建立和维护可靠的数据链路，例如以太网协议物理层定义了数据在物理介质上的传输方式，例如电缆、光纤等协议簇详解TCP/IP协议IP提供网络层服务，负责数据包的路由和转发，确保数据包在网络中能够找到正确的路径协议TCP提供传输层服务，保证数据传输的可靠性，确保数据包能够完整、无误地到达目的地协议UDP提供传输层服务，提供无连接的数据传输，速度更快，但不保证数据传输的可靠性其他协议包括DNS、HTTP、FTP、SMTP等，分别负责域名解析、网页访问、文件传输、电子邮件发送等功能物理层技术基础传输介质信号编码物理层接口常见的传输介质包括双绞线、同轴电缆信号编码用于将数据转换为电信号或光物理层接口用于连接网络设备和传输介、光纤等，它们负责将数据信号在网络信号，以便在传输介质中传输常见的质，常见的物理层接口包括RJ-45接口、设备之间传输编码方式包括曼彻斯特编码、差分曼彻SFP接口等斯特编码等数据链路层原理地址MAC帧格式MAC地址用于标识网络设备的唯一身份1数据链路层将数据封装成帧，帧包含帧，在数据链路层使用MAC地址进行数据2头、数据部分和帧尾传输错误检测与纠正流量控制4数据链路层使用CRC校验码等技术，对数据链路层通过滑动窗口等机制，对数3数据进行错误检测，并采取相应的措施据传输速率进行控制，防止网络拥塞进行纠正以太网技术以太网标准1以太网标准定义了以太网数据帧格式、传输速率、物理层接口等以太网交换机2以太网交换机负责在局域网中转发数据，提高网络效率以太网网卡3以太网网卡用于连接计算机与以太网网络，实现数据的收发网络互连设备路由器交换机集线器路由器负责在不同的网络交换机负责在局域网中转集线器是简单的网络设备之间转发数据，实现网络发数据，提高网络效率，将多个设备连接在一起互连，但没有智能转发功能调制解调器调制解调器用于将数字信号转换为模拟信号，或将模拟信号转换为数字信号，以便在电话线或其他介质上进行传输交换机工作原理地址表MAC1交换机维护一个MAC地址表，记录每个连接设备的MAC地址和对应的端口帧转发2当交换机收到一个数据帧时，根据帧头中的目的MAC地址，查找MAC地址表，并将数据帧转发到对应的端口冲突域3交换机将网络划分为多个冲突域，每个冲突域只有一个设备可以同时发送数据路由器的功能与原理12路由表数据包转发路由器维护一个路由表，记录网络中不同网络之间的路由信息当路由器收到一个数据包时，根据数据包的目的IP地址，查找路由表，并将数据包转发到对应的网络34网络互连安全控制路由器连接不同的网络，实现网络之间的通信路由器可以执行访问控制、防火墙等安全功能，保护网络安全地址基础知识IPIPv4IPv6IP地址是网络层协议IP使用的地址，用于标识网络中每个设备的唯一身份IP地址分为IPv4和IPv6两种，IPv4地址由32位二进制数表示，IPv6地址由128位二进制数表示子网划分与子网掩码子网划分子网掩码将一个大的网络划分为多个小的子网，可以提高网络效率和安全子网掩码用于区分IP地址中的网络部分和主机部分，以便识别数据包的目标网络网络地址转换（）NAT原理功能NAT NATNAT是一种网络地址转换技术，用于将私有IP地址转换为公有IP NAT可以隐藏私有网络的IP地址，提高网络安全，同时可以节省地址，以便私有网络的设备能够访问互联网公有IP地址资源网络路由算法最短路径算法1例如Dijkstra算法，根据网络中节点之间的距离，计算出最短路径跳数算法2根据数据包经过的路由器数量，选择跳数最少的路径距离向量算法3每个路由器维护一个距离向量表，记录到其他网络的距离和下一个跳跃的路由器链路状态算法4每个路由器维护一个链路状态表，记录网络中所有链路的连接状态动态路由协议动态路由协议可以让路由器自动学习网络拓扑结构，更新路由表，无需人工配置常见的动态路由协议包括RIP、OSPF、BGP等，它们在网络中负责路由信息的传播和更新传输层协议TCP连接导向TCP协议是面向连接的协议，在数据传输之前，需要先建立连接可靠传输TCP协议保证数据传输的可靠性，确保数据包能够完整、无误地到达目的地流量控制TCP协议通过滑动窗口等机制，控制数据传输速率，防止网络拥塞拥塞控制TCP协议根据网络拥塞情况，调整数据传输速率，提高网络效率连接建立与终止TCP三次握手四次挥手1TCP连接建立过程需要三次握手，确保TCP连接断开过程需要四次挥手，确保2双方能够正常通信双方能够正常断开连接传输层协议UDP无连接不可靠传输低开销UDP协议是无连接的协议，不需要建UDP协议不保证数据传输的可靠性，UDP协议开销较小，传输速度快，适立连接，数据包可以立即发送数据包可能丢失、重复或乱序合实时性要求高的应用网络层协议IP地址IP1IP地址是网络层协议IP使用的地址，用于标识网络中每个设备的唯一身份数据包封装2IP协议将数据包封装成IP数据报，并添加IP头部信息，用于路由和转发路由选择3IP协议负责数据包的路由选择，确保数据包能够找到正确的路径网络安全基础防火墙加密技术病毒攻击黑客攻击防火墙是网络安全的重要组成加密技术可以将数据转换为密病毒攻击是指恶意程序入侵计黑客攻击是指利用漏洞非法入部分，用于阻止来自外部网络文，防止数据被窃取和篡改算机系统，窃取数据、破坏系侵计算机系统，窃取数据、破的攻击统或进行其他恶意行为坏系统或进行其他恶意行为防火墙技术包过滤防火墙1根据数据包的头部信息，例如IP地址、端口号等，对数据包进行过滤状态检测防火墙2记录网络连接的状态，对不符合状态的连接进行阻止应用层防火墙3对应用层协议进行过滤，例如对HTTP、FTP等协议进行安全检查加密与解密技术1对称加密加密和解密使用相同的密钥，例如DES、AES等算法2非对称加密加密和解密使用不同的密钥，例如RSA、ECC等算法3数字签名使用非对称加密技术，对数据进行数字签名，确保数据来源的真实性和完整性4数字证书数字证书用于验证网站或个人身份，确保数据安全和可信常见网络攻击类型拒绝服务攻击（DoS）通过向目标跨站脚本攻击（XSS）利用网页漏SQL注入攻击通过网页漏洞，将恶服务器发送大量请求，使其无法正常洞，将恶意脚本注入到网页中，攻击意SQL语句注入到数据库中，攻击数服务用户据库钓鱼攻击通过伪造网站或邮件，欺骗用户提供敏感信息蠕虫攻击恶意程序通过网络自动传播，感染其他计算机系统网络安全防御策略安装杀毒软件杀毒软件可以查杀病毒，保护计算机安全定期更新系统补丁系统补丁可以修复系统漏洞，提高系统安全使用强密码强密码可以防止密码被破解，提高账号安全谨慎点击链接不要点击不明来源的链接，防止被钓鱼攻击备份数据定期备份重要数据，防止数据丢失使用防火墙防火墙可以阻止来自外部网络的攻击开启安全软件安全软件可以提供更全面的安全保护，例如入侵检测、安全审计等应用层协议HTTP简介方法状态码HTTP HTTPHTTPHTTP（超文本传输协议）是用于从万维常见的HTTP方法包括GET、POST、HTTP状态码用于指示服务器对请求的处网服务器传输超文本到本地浏览器的传PUT、DELETE等，它们分别用于获取数理结果，例如200表示成功，404表示未送协议据、提交数据、更新数据和删除数据找到通信原理Web浏览器发送请求1浏览器向服务器发送HTTP请求，请求访问特定网页资源服务器处理请求2服务器接收请求，处理请求并生成响应数据服务器发送响应3服务器将响应数据发送回浏览器浏览器显示网页4浏览器接收响应数据，解析数据并显示网页域名系统（）DNS域名解析DNS系统负责将域名解析为IP地址，以便浏览器能够找到目标服务器服务器DNSDNS服务器存储域名和IP地址的映射关系，并负责处理域名解析请求查询过程DNS浏览器发送域名解析请求，DNS服务器通过递归查询找到对应的IP地址电子邮件协议SMTP POP3IMAPSMTP（简单邮件传输协议）用于发送POP3（邮局协议）用于接收电子邮件IMAP（互联网邮件访问协议）用于访电子邮件问电子邮件，可以对邮件进行管理、分类等操作网络性能分析1带宽网络带宽是指网络传输数据的能力，单位是bps2吞吐量网络吞吐量是指网络在单位时间内实际传输的数据量，单位是bps3延迟网络延迟是指数据包从源节点到目标节点的传输时间，单位是毫秒4抖动网络抖动是指数据包到达时间的不稳定性，单位是毫秒网络带宽与吞吐量Time BandwidthThroughput网络带宽是指网络的传输能力，而吞吐量是指网络实际传输的数据量吞吐量一般小于带宽，因为网络中存在数据包丢失、延迟等因素网络延迟与抖动延迟抖动网络延迟是指数据包从源节点到目标节点的传输时间，延迟过高网络抖动是指数据包到达时间的不稳定性，抖动过高会导致语音会导致网络应用的响应速度变慢通话、视频播放等应用出现卡顿或断续网络性能优化策略优化网络拓扑结构合理设计网络拓扑结构，可以减少网络延迟和数据包丢失使用高速网络设备使用高速网络设备，例如高速交换机、路由器等，可以提高网络带宽和传输速度优化网络协议选择合适的网络协议，例如TCP或UDP，可以提高网络性能使用网络优化工具使用网络优化工具，例如网络加速器、网络优化软件等，可以改善网络性能无线网络技术无线网络基础无线网络设备无线网络协议无线网络是指使用无线电波进行数据传无线网络设备包括无线路由器、无线网无线网络协议包括

802.11协议、蓝牙协输的网络，常见的无线网络技术包括Wi-卡等，用于建立和连接无线网络议等，它们定义了无线网络的通信标准Fi、蓝牙等和规范基础Wi-Fi标准无线接入点Wi-FiWi-Fi标准定义了无线网络的传输速率1无线接入点（AP）负责将无线信号转换、频率范围、安全性等2为有线信号，以便连接到有线网络无线安全无线网卡4常见的Wi-Fi安全机制包括WEP、WPA无线网卡用于连接计算机与无线网络，

3、WPA2等，它们可以保护无线网络的实现数据的收发安全移动通信网络移动通信技术移动通信技术包括GSM、CDMA、LTE、5G等，它们定义了移动网络的通信标准和1规范移动基站2移动基站负责将移动设备的无线信号转换为有线信号，以便连接到有线网络移动核心网3移动核心网负责处理移动网络的通信控制、数据传输等功能云计算网络架构云服务器云存储云网络云服务器是虚拟化后的云存储是一种基于云计云网络是一种基于云计服务器，提供计算、存算的存储服务，可以存算的网络服务，提供虚储、网络等服务储数据、备份数据等拟网络、网络安全等功能软件定义网络（）SDN控制平面SDN1SDN控制平面负责管理和控制网络设备，实现网络的集中化管理数据平面SDN2SDN数据平面负责数据包的转发和传输，遵循控制平面的指示优势SDN3SDN可以实现网络的灵活配置、快速部署、自动化管理等优势网络虚拟化技术123虚拟网络虚拟交换机虚拟路由器虚拟网络是指在物理网络基础上创建的虚虚拟交换机是软件实现的交换机，可以用虚拟路由器是软件实现的路由器，可以用拟网络，可以实现网络资源的隔离和共享于管理和转发虚拟网络中的数据包于管理和转发虚拟网络中的数据包物联网网络架构感知层负责收集和感知物联网设备网络层负责将感知层收集到的数据应用层负责对数据进行分析、处理产生的数据传输到云平台或其他应用系统和应用，提供各种物联网应用服务网络技术5G特点应用5G5G5G网络具有高带宽、低延迟、高可靠性等特点，可以支持各种5G网络可以应用于工业互联网、智慧城市、自动驾驶等领域新兴应用场景网络编程基础编程Socket1Socket编程是一种常用的网络编程技术，用于建立网络连接，发送和接收数据网络库2一些网络库提供了封装好的网络编程接口，简化网络程序开发过程网络程序设计3网络程序设计需要考虑网络协议、数据格式、并发处理等问题编程简介Socket概念类型Socket SocketSocket是一种抽象的通信接口，Socket类型包括TCP Socket和可以用于在网络设备之间建立通UDP Socket，分别对应TCP协信连接议和UDP协议操作Socket常见的Socket操作包括创建Socket、绑定地址、监听端口、建立连接、发送数据、接收数据等网络程序设计实践服务器端程序设计服务器端程序负责处理来自客户端的请求，并返回响应数据客户端程序设计客户端程序负责向服务器发送请求，接收服务器的响应数据并发处理网络程序需要处理来自多个客户端的请求，需要使用并发处理技术，例如多线程、多进程等网络调试与抓包技术网络调试工具抓包技术网络调试工具可以用于捕获网络数据包，分析网络流量，查找网抓包技术是指使用工具捕获网络数据包，并分析数据包的内容，络问题以便诊断网络问题网络监控工具网络监控工具可以监控网络设备的运行状态、网络流量、网络安全等信息常见的网络监控工具包括Wireshark、SolarWinds NetworkPerformanceMonitor等常见网络故障诊断网络连接问题例如无法连接到网络、连接速度慢、网络中断等问题网络访问问题例如无法访问网站、无法发送电子邮件等问题网络安全问题例如病毒攻击、黑客入侵、数据泄露等问题网络管理与维护网络配置1配置网络设备，例如路由器、交换机等，设置网络参数网络监控2监控网络设备的运行状态、网络流量、网络安全等信息网络故障排除3诊断和修复网络故障，保证网络的正常运行网络安全管理4制定网络安全策略，防范网络攻击，保障网络安全企业网络架构核心层汇聚层核心层负责连接不同网络，提供汇聚层负责将多个接入层网络汇高带宽、高可靠性的网络服务聚到核心层，进行流量控制和安全管理接入层接入层负责将用户设备连接到网络，提供网络访问服务数据中心网络设计网络虚拟化高可用性安全性使用虚拟化技术，可以提高数据中心的数据中心网络需要保证高可用性，防止数据中心网络需要采取安全措施，防止资源利用率和灵活度单点故障，保障数据中心的稳定运行网络攻击，保障数据中心的安全网络可靠性与容错冗余设计故障检测故障恢复使用冗余设计，例如双机热备、多路径使用监控工具，可以及时发现网络故障建立网络故障恢复机制，可以快速恢复路由等，可以提高网络的可靠性，并采取相应的措施进行修复网络服务，减少故障对业务的影响网络灾难恢复灾难演练灾难恢复计划定期进行灾难演练，检验灾难恢复计划的灾难备份制定灾难恢复计划，明确灾难发生时的应有效性，提高应急响应能力定期备份重要数据，例如数据库、应用程急措施和恢复步骤序等，以便在灾难发生后进行恢复新兴网络技术展望人工智能与网络人工智能技术将被应用于网络管理、安全防御、流量控制等领域量子网络技术量子网络技术可以实现更高效、更安全的通信，推动网络技术的发展边缘计算边缘计算将数据处理和计算能力推向网络边缘，可以实现更快的响应速度和更高的效率区块链技术区块链技术可以用于网络安全、数据存储、身份认证等领域，提高网络的安全性、可靠性和透明度人工智能与网络网络安全网络管理人工智能技术可以用于识别网络攻击，分析网络流量，提高网络人工智能技术可以用于自动化网络配置、故障诊断、性能优化等安全工作，减轻网络管理人员的工作量量子网络技术量子通信量子计算量子通信利用量子力学原理，可以实现更安全的通信，防止信息量子计算可以用于解决传统计算机无法解决的问题，例如药物研被窃取和篡改发、材料设计等课程总结与展望课程收获通过本课程的学习，学生将掌握计算机网络的基本原理，了解各种网络协议和技术，并能运用这些知识解决实际网络问题未来发展计算机网络技术不断发展，未来将出现更多新兴技术和应用，需要学生不断学习和探索未来网络发展趋势云计算与网络融合云计算将与网络技术深度融合，实现网络资源的云化，提高网络资源利用率和灵活度万物互联随着物联网技术的快速发展，万物互联将成为现实，网络将连接更多设备和传感器，实现数据采集、分析和应用网络安全挑战随着网络规模和复杂度的不断增加，网络安全挑战也将更加严峻，需要更加完善的安全技术和策略人工智能与网络人工智能技术将被应用于网络管理、安全防御、流量控制等领域，提高网络的智能化水平量子网络技术量子网络技术将实现更高效、更安全的通信，推动网络技术的发展。