《高级计算机网络》课件精讲

高级计算机网络计算机网络发展历史回顾早期网络互联网崛起移动互联网时代从20世纪60年代的ARPANET开始，计20世纪90年代，互联网的快速发展改变算机网络经历了从集中式到分布式的演了人们的生活方式随着Web技术的普变早期网络主要用于科研和军事领及，互联网已成为连接世界的重要平域，特点是规模较小、传输速率低台数据传输速率大幅提升，网络应用层出不穷七层模型详解OSI应用层表示层会话层123提供用户与网络之间的接口，例如负责数据的格式转换和加密解密，确建立、管理和终止用户之间的通信会HTTP、FTP、DNS等协议应用层负保数据在不同系统之间能够被正确理话会话层负责用户之间通信的连接责数据的最终处理，并与用户进行交解表示层主要关注数据格式的兼容建立和管理，以及数据的有序传输互性和安全性传输层网络层数据链路层456提供端到端的可靠数据传输，例如TCP负责数据的路由和寻址，例如IP协在物理层的基础上，提供节点之间可协议传输层负责将数据分割成数据议网络层负责将数据包从源主机传靠的数据传输，例如以太网协议数包，并确保数据包的正确传输和接送到目标主机，并选择合适的路径据链路层负责数据包的封装和解封收装，以及数据的错误检测和纠正物理层协议族概述TCP/IPTCP传输控制协议（TCP）是一种面向连接的协议，提供可靠的数据传输TCP确保数据按顺序到达，并提供流量控制和拥塞控制机制IP互联网协议（IP）是一种无连接的协议，负责数据包的路由和寻址IP协议定义了数据包的格式，并提供数据包的传输和地址解析功能UDP用户数据报协议（UDP）是一种无连接的协议，提供快速的数据传输，但没有提供可靠性保证UDP用于对传输速度要求较高，但对数据完整性要求不高的应用其他协议除了TCP、IP、UDP之外，TCP/IP协议族还包括许多其他协议，例如DHCP、DNS、HTTP等，这些协议共同构建了现代互联网的基础网络架构的演进传统网络1早期网络采用集中式架构，网络设备集中管理，但扩展性差，难以适应快速增长的数据流量云计算网络2随着云计算技术的兴起，网络架构向分布式演进，并引入虚拟化和自动化技术，提升网络的灵活性、可扩展性和可靠性软件定义网络3SDN将网络控制和数据转发分离，实现网络的集中管理和灵活配置，为网络创新和智能化发展奠定了基础未来网络4未来网络将更加智能化，融合5G、物联网、人工智能等新技术，提供更高速、更安全、更智能的网络服务现代网络面临的挑战数据安全网络攻击、数据泄露等安全威胁日益严重，网络安全问题成为现代网络面临的首要挑战网络性能随着数据流量的爆炸式增长，网络性能瓶颈日益突出，如何保证网络的稳定性和效率成为重要课题网络管理网络规模不断扩大，管理复杂度也随之增加，如何实现网络的自动化运维和智能化管理是关键新技术融合5G、物联网、人工智能等新技术不断涌现，如何将这些技术与网络融合，构建更智能的网络生态系统也是一大挑战网络性能指标分析丢包率抖动数据包在传输过程中丢失的比延迟网络延迟的波动程度，反映网络例，反映网络的可靠性丢包率吞吐量数据包从源节点发送到目的节点的稳定性抖动越小，网络越稳越低，网络可靠性越高单位时间内网络传输的数据量，的时间，反映网络的响应速度定反映网络的传输能力吞吐量越延迟越低，网络响应速度越快高，网络传输效率越高带宽与延迟的关系带宽延迟关系网络的传输能力，表示单位时间内网络数据包从源节点发送到目的节点的时带宽和延迟是两个重要的网络性能指可以传输的最大数据量带宽越高，网间，反映网络的响应速度延迟越低，标，它们之间存在着相互影响的关系络传输速度越快网络响应速度越快带宽越大，延迟通常越低，但并非绝对网络拥塞控制原理拥塞控制当检测到网络拥塞时，网络节点会采取2措施来降低网络负载，例如减少发送数拥塞检测据包的数量，或降低数据包发送速率1网络节点通过监控网络状态，例如丢包率、队列长度等，来判断网络是否出现拥塞恢复拥塞当网络拥塞缓解后，网络节点会逐渐恢复数据发送速率，直到达到网络的最佳3传输效率拥塞控制算法详解TCP慢启动TCP连接建立时，以较小的初始发送速率开始，并逐渐增加发送速率，直到达到网络的最佳传输效1率拥塞避免2当检测到网络拥塞时，TCP会降低发送速率，并进入拥塞避免阶段，以避免再次出现拥塞快速重传3当接收方没有收到数据包时，会发送一个快速重传请求，以快速恢复数据传输，减少网络延迟快速恢复4当检测到网络拥塞时，TCP会立即降低发送速率，并进入快速恢复阶段，以快速恢复数据传输，提高网络效率新型拥塞控制算法研究多路径拥塞控制1通过使用多条路径进行数据传输，可以分散网络流量，提高网络的吞吐量，并降低延迟基于机器学习的拥塞控制2利用机器学习算法，可以预测网络拥塞，并根据预测结果动态调整数据发送速率，提高网络性能自适应拥塞控制3根据网络环境的变化，自动调整拥塞控制参数，例如发送速率、超时时间等，以适应不同的网络环境软件定义网络基础SDN控制器数据平面应用程序SDN是一种新的网络架构，将网络控制平面和数据转发平面分离，实现网络的集中管理和灵活配置控制器负责制定网络策略，数据平面负责执行转发指令控制平面设计SDN集中式控制可编程性自动化管理控制器集中管理网络设备，并统一制定网控制器可以通过编程的方式定义网络行控制器可以自动化执行网络配置、故障诊络策略，实现对网络的全局控制为，实现网络的灵活配置，满足不同的应断、流量控制等操作，降低网络管理的复用需求杂度应用案例分析SDN12数据中心企业网络SDN在数据中心网络中应用广泛，可以SDN可以帮助企业构建灵活、可扩展的实现流量调度、负载均衡、安全策略等网络，并根据业务需求快速调整网络配功能，优化网络性能和效率置，提升网络管理效率3运营商网络SDN可以帮助运营商实现网络虚拟化、网络切片等功能，提供更灵活、更智能的网络服务网络虚拟化技术虚拟化网络虚拟化优势通过软件模拟硬件设备，将物理资源抽将网络设备和功能虚拟化，实现网络资提高网络资源利用率、降低成本、提高象成虚拟资源，实现资源的共享和隔源的灵活分配和动态配置，并提高网络网络灵活性、简化网络管理离的利用率架构与实现NFV架构NFV1网络功能虚拟化（NFV）将网络功能从专用的硬件设备迁移到通用服务器上，实现网络功能的虚拟化和软件化虚拟化基础设施2提供虚拟化环境，例如虚拟机、容器等，用于运行虚拟网络功能虚拟网络功能3实现网络功能的虚拟化，例如防火墙、路由器、负载均衡等功能，可以被动态部署和配置管理和编排4负责管理和编排虚拟网络功能，包括部署、配置、监控等功能云计算网络基础设施物理基础设施包括服务器、网络设备、存储设备等，为云计算服务提供物理支撑虚拟化基础设施提供虚拟化环境，将物理资源抽象成虚拟资源，实现资源的共享和隔离网络层负责数据包的路由和寻址，提供数据传输服务，并实现网络隔离和安全控制管理层负责云计算资源的管理和编排，包括资源分配、监控、故障处理等数据中心网络架构网络架构服务器存储数据中心网络通常采用层服务器是数据中心的核存储系统负责数据的存储级式架构，例如三层架心，提供计算、存储和网和管理，提供高性能、高构、两层架构等，以满足络服务，支持各种应用的可用性的数据存储服务不同的业务需求运行安全数据中心网络需要采用多种安全技术，例如防火墙、入侵检测系统等，保障数据安全和网络安全架构详解Spine-Leaf层层Spine Leaf连接数据中心的各个Leaf层，提供高速数连接服务器和网络设备，提供数据接入和转据转发和高可用性发功能12虚拟化控制SDN43Spine-Leaf架构通常与网络虚拟化技术结Spine-Leaf架构可以与SDN控制器结合，合，实现网络资源的灵活分配和动态配置实现网络的集中管理和自动化运维技术原理VXLAN隧道VXLANVXLAN通过在以太网帧内封装一个虚拟LAN，实现跨数据中心、跨云环境的网络连接虚拟网络隔离VXLAN可以创建多个虚拟网络，实现不同的虚拟网络之间的隔离，提高网络安全性灵活扩展VXLAN可以支持多达16777214个虚拟网络，满足大规模网络的扩展需求技术应用NVGRE隧道NVGRE1NVGRE通过在IP数据包内封装一个虚拟LAN，实现跨数据中心、跨云环境的网络连接虚拟网络隔离2NVGRE可以创建多个虚拟网络，实现不同的虚拟网络之间的隔离，提高网络安全性应用场景3NVGRE广泛应用于云计算、数据中心、虚拟化等领域，提供灵活、可扩展的网络连接服务网络安全威胁分析恶意软件1病毒、木马、蠕虫等恶意软件可以窃取数据、破坏系统、或控制网络设备网络攻击2DDoS攻击、SQL注入攻击、跨站脚本攻击等网络攻击可以瘫痪网络服务，或窃取敏感信息数据泄露3由于网络安全漏洞，数据可能被窃取或泄露，造成隐私侵犯和商业损失网络钓鱼4通过伪造邮件、网站等方式，诱骗用户提供敏感信息，例如账号密码、银行卡信息等网络攻击类型详解DDoS攻击1利用大量恶意请求，攻击目标服务器，使其无法提供正常服务SQL注入攻击2通过向数据库注入恶意代码，获取敏感信息，或控制数据库跨站脚本攻击3通过将恶意代码注入网页，攻击网站用户，窃取用户数据或控制用户行为中间人攻击4攻击者截取用户与服务器之间的通信，窃取用户数据或修改数据传输拒绝服务攻击5攻击目标服务器，使其无法提供正常服务，例如SYN洪水攻击攻击防御策略DDoS流量清洗1通过流量清洗设备，过滤掉恶意流量，保护目标服务器免受攻击负载均衡2将流量分配到多个服务器上，分散攻击压力，提高网络的抗攻击能力入侵检测系统3检测网络攻击行为，并发出警报，帮助管理员及时采取防御措施安全策略4制定有效的安全策略，例如限制访问次数、IP地址黑名单等，防止攻击者利用网络漏洞发动攻击防火墙技术进阶下一代防火墙云防火墙应用层防火墙NGFW结合了传统防火墙和入侵检测/防云防火墙是部署在云平台上的防火墙，应用层防火墙对网络应用进行过滤和控御系统的功能，提供更强大的安全防护提供灵活、可扩展的网络安全服务制，例如HTTP、FTP等协议，可以更有能力效地阻止应用层攻击入侵检测系统IDS网络入侵检测通过监控网络流量，检测潜在的入侵行为，并发出警报，提醒管理员及时采取防御措施主机入侵检测通过监控主机活动，检测潜在的入侵行为，并发出警报，提醒管理员及时采取防御措施优点可以及时发现入侵行为，并发出警报，帮助管理员采取防御措施，降低安全风险缺点不能主动阻止入侵行为，需要人工干预，可能无法及时阻止攻击入侵防御系统IPS主动防御实时监控攻击分析IPS可以主动阻止入侵IPS可以实时监控网络IPS可以分析攻击行行为，例如封锁恶意IP流量，并根据预定义的为，并提供攻击报告，地址，阻止恶意流量，规则，识别并阻止入侵帮助管理员了解攻击来保护网络安全行为，提供实时安全防源、攻击方式等信息，护提升安全防护能力零信任网络架构1信任最小化零信任架构不信任任何网络用户或设备，即使是在内部网络中，也需要进行严格的身份验证和访问控制2身份验证和授权所有用户和设备都需要进行身份验证，并根据其身份和权限进行访问控制，确保网络安全3数据加密所有网络数据都需要进行加密，防止数据在传输过程中被窃取或篡改，确保数据安全4持续监控零信任架构需要持续监控网络活动，及时发现异常行为，并采取相应的安全措施，保障网络安全身份认证与访问控制身份验证访问控制方法验证用户身份的真实性，确保只有授权根据用户的身份和权限，限制用户对网常见的身份验证和访问控制方法包括用的用户才能访问网络资源络资源的访问，确保网络安全户名密码、数字证书、生物识别等基础设施PKI证书PKI1PKI证书由权威机构颁发，用于验证用户身份，确保网络通信的安全证书颁发机构2负责颁发和管理PKI证书，确保证书的合法性和有效性证书管理系统3用于管理和维护PKI证书，例如证书的申请、颁发、更新、撤销等协议详解SSL/TLSSSL/TLS安全套接层/传输层安全协议，提供网络通信的加密和身份验证功能，确保数据传输的安全握手阶段客户端与服务器之间进行握手，协商加密算法、交换证书，并建立安全连接数据加密传输建立安全连接后，所有数据都将被加密传输，防止数据被窃取或篡改网络加密技术对称加密非对称加密使用相同的密钥进行加密和解使用不同的密钥进行加密和解密，例如AES算法密，例如RSA算法，可以用于数字签名和身份验证哈希算法将数据转换为固定长度的摘要信息，可以用于验证数据的完整性和真实性量子密码学前沿量子安全通信利用量子密码学技术，构建安全的网络2通信系统，抵御未来量子计算带来的安全威胁量子密钥分发1利用量子力学原理，生成无法被破解的密钥，确保网络通信的安全应用前景量子密码学在金融、军事、政府等领域具有广阔的应用前景，将极大地提升网3络通信的安全等级网络架构5G用户平面1负责数据传输，提供高速率、低延迟的数据传输服务控制平面2负责用户管理、资源管理、网络管理等功能，为用户提供连接和服务核心网3提供核心网络功能，例如用户身份认证、数据路由、流量控制等接入网4提供无线接入服务，连接用户终端和核心网核心网技术5G5GC15G核心网，提供核心网络功能，例如用户管理、资源管理、网络管理等UPF2用户平面功能，负责数据传输，提供高速率、低延迟的数据传输服务SMF3会话管理功能，负责管理用户会话，提供数据流量控制和QoS服务AMF4接入管理功能，负责用户接入控制，以及用户移动性管理网络切片技术网络切片优势应用场景将网络资源虚拟化成多个逻辑网络，满提高网络效率，满足不同应用的特定需网络切片在车联网、工业互联网、智慧足不同应用场景的需求，例如工业互联求，提供更灵活、更智能的网络服务城市等领域具有广阔的应用前景，将推网、智慧城市等动网络服务的定制化发展边缘计算网络边缘计算将计算能力和数据存储能力部署到网络边缘，靠近用户和数据源，提供低延迟、高带宽的网络服务，满足物联网、智能制造等应用的需求物联网通信协议MQTT CoAP消息队列遥测传输协议，是一种轻量级的发布/订阅协议，适用于约束应用程序协议，是一种基于UDP协议的轻量级协议，适用于物联网设备的通信资源受限的物联网设备的通信协议详解MQTT123发布订阅轻量级可靠性/MQTT采用发布/订阅模式，支持设备之间MQTT协议非常轻量级，适用于资源受限MQTT协议提供可靠的数据传输机制，确的一对多通信，适用于物联网设备的数据的物联网设备，例如传感器、执行器等保消息的可靠接收，适用于物联网设备的收集和控制实时数据传输协议应用CoAP资源受限设备应用场景RESTful APICoAP协议适用于资源受限的物联网设CoAP协议支持RESTful API，方便开发CoAP协议应用于智慧城市、智能家居、备，例如传感器、执行器等，提供低功者构建基于CoAP协议的物联网应用工业自动化等领域，提供物联网设备的耗、低延迟的通信服务通信和数据交换服务技术深度解析IPv6地址空间移动性IPv6拥有更大的地址空间，可以满足未来互联网规模扩张IPv6支持无状态地址自动配置，简化网络配置，并提高网的需求，解决IPv4地址枯竭的问题络的移动性1234安全机制服务质量IPv6提供了更强大的安全机制，例如IPsec协议，可以有IPv6支持流量分类和优先级控制，可以提供更好的服务质效地保护网络通信的安全量保证，满足不同应用的需求地址分配策略IPv6全球唯一性IPv6地址分配策略保证了每个IPv6地址的全球唯一性，避免地址冲突层次化管理IPv6地址分配采用层次化管理，将地址空间划分为不同的区域，便于管理和分配动态分配IPv6支持动态地址分配，可以根据需要分配地址，提高网络资源利用率地址聚合IPv6支持地址聚合，可以将多个连续的地址压缩成一个地址，简化网络配置过渡技术IPv6隧道技术双栈技术地址转换通过在IPv4网络中建立设备同时支持IPv4和将IPv6地址转换为IPv4IPv6隧道，实现IPv6与IPv6协议，实现IPv4与地址，或将IPv4地址转IPv4网络之间的互联互IPv6网络之间的共存换为IPv6地址，实现通IPv4与IPv6网络之间的互操作内容分发网络CDN1内容缓存CDN将内容缓存到靠近用户的边缘服务器上，减少用户访问内容的延迟，提高用户体验2负载均衡CDN通过负载均衡技术，将用户请求分配到不同的边缘服务器上，分散访问压力，提高网络的抗攻击能力3加速服务CDN可以加速网站、视频、游戏等多种网络服务的访问速度，提升用户体验4安全防护CDN可以提供多种安全防护功能，例如DDoS攻击防御、数据加密等，保障网络安全负载均衡技术CDN负载均衡负载均衡流量调度DNS HTTP根据用户的地理位置，将用户请求分配根据服务器的负载情况，将用户请求分CDN可以根据网络状况、服务器负载等到不同的边缘服务器上，实现负载均配到不同的边缘服务器上，实现负载均因素，动态调整流量分配策略，优化网衡衡络性能网络架构P2P对等连接1P2P网络中，每个节点都是对等的，可以同时作为服务器和客户端，直接与其他节点进行通信资源共享2P2P网络可以实现资源共享，例如文件共享、视频流媒体等，提高网络资源利用率应用场景3P2P网络广泛应用于文件共享、视频流媒体、在线游戏等领域，提供高效、便捷的网络服务区块链网络通信分布式账本共识机制区块链网络中的所有节点都维护一份相同的账本，记录所有交易区块链网络通过共识机制，例如工作量证明、权益证明等，达成信息，确保数据透明和不可篡改一致的网络状态，保证网络的安全性和稳定性加密技术应用场景区块链网络使用加密技术，例如数字签名、哈希算法等，保障数区块链网络应用于金融、物流、供应链等领域，提供安全、可信据安全和网络安全的网络服务，推动网络信任机制的建立人工智能在网络中的应用网络流量预测智能路由算法网络安全检测利用人工智能算法，分析根据网络流量、网络拓利用人工智能算法，分析网络流量历史数据，预测扑、用户需求等因素，智网络流量数据，检测异常未来网络流量变化趋势，能选择路由路径，优化网行为，识别网络攻击，提为网络管理提供参考络性能升网络安全防护能力网络自动化运维利用人工智能算法，自动执行网络配置、故障诊断、流量控制等操作，降低网络管理的复杂度网络流量预测历史数据分析预测模型预测结果收集并分析历史网络流量数据，识别网利用人工智能算法，例如时间序列分预测模型根据训练数据，预测未来网络络流量变化规律，为预测模型提供训练析、机器学习等，构建网络流量预测模流量变化趋势，为网络管理提供参考数据型智能路由算法路径选择1根据网络流量、网络拓扑、用户需求等因素，智能选择路由路径，优化网络性能流量控制2根据网络流量情况，动态调整路由路径，避免网络拥塞，保证网络的稳定性和效率故障容忍3当网络出现故障时，智能路由算法可以自动切换路由路径，保证网络服务的正常运行网络故障诊断网络监控实时监控网络设备和网络流量，及时发现网络故障，并记录故障信息故障分析根据监控数据和故障信息，分析故障原因，定位故障点，确定解决方法故障修复根据故障分析结果，采取相应的措施，例如重启设备、修改配置等，修复网络故障故障预防通过故障分析和预防措施，减少网络故障的发生，提高网络的稳定性和可靠性网络自动化运维自动化配置自动化监控自动化故障诊断自动执行网络设备的配自动监控网络设备和网根据监控数据和故障信置操作，例如添加设络流量，及时发现网络息，自动分析故障原备、修改配置、删除设故障，并发出警报，提因，定位故障点，确定备等，简化网络管理醒管理员及时采取措解决方法，提升故障诊施断效率服务质量保证QoS12流量分类优先级控制将网络流量划分不同的类别，例如语根据流量类别，设置不同的优先级，保音、视频、数据等，根据不同的应用需证重要流量的优先传输，提高网络服务求，提供不同的服务质量保证质量3带宽控制根据流量类别，分配不同的带宽资源，保证重要流量的带宽需求，提高网络服务质量技术应用MPLS标签交换流量工程VPNMPLS使用标签来标识数据包，并根据标MPLS可以根据流量需求，优化数据包的MPLS可以用于构建虚拟专用网络，提供签进行数据转发，提高网络转发效率转发路径，提高网络性能和利用率安全、可靠的网络连接服务，保证数据传输的安全性和可靠性技术深度解析VPN隧道技术1VPN使用隧道技术，将数据包封装在另一个协议中，例如IPsec协议，实现数据传输的安全性和隐私性身份验证2VPN使用身份验证机制，确保只有授权的用户才能访问网络资源，保障网络安全加密技术3VPN使用加密技术，例如对称加密、非对称加密等，保障数据传输的安全性和隐私性应用场景4VPN广泛应用于远程办公、远程访问、网络安全等领域，提供安全、可靠的网络连接服务网络测试与性能评估网络性能测试安全测试性能评估通过模拟实际网络环境，测试网络设测试网络安全防护能力，例如防火根据测试结果，评估网络性能，例如备和网络服务的性能，例如吞吐量、墙、入侵检测系统等，识别网络安全带宽利用率、延迟变化、丢包率等，延迟、丢包率等漏洞，并及时修复优化网络配置，提高网络性能网络监控工具使用流量监控设备监控安全监控监控网络流量，例如带监控网络设备的运行状监控网络安全状况，例宽使用情况、流量分态，例如CPU、内存、如入侵检测、病毒防布、异常流量等，分析磁盘等，及时发现设备护、数据泄露等，及时网络性能和安全状况故障，并采取措施进行发现安全风险，并采取处理措施进行防御网络协议分析工具抓包分析协议解码流量分析捕获网络数据包，并分析数据包的内解码网络数据包，将数据包转换为可读分析网络流量数据，例如流量分布、流容，例如源地址、目的地址、协议类型的格式，方便分析和理解网络通信过量趋势、异常流量等，帮助诊断网络性等，帮助理解网络通信过程程能问题和安全问题网络安全审计安全评估1评估网络安全状况，识别网络安全漏洞和风险，评估网络安全防护能力安全测试2对网络进行安全测试，例如渗透测试、漏洞扫描等，验证网络安全防护措施的有效性安全报告3根据评估和测试结果，生成网络安全审计报告，包括安全风险分析、漏洞评估、安全建议等安全改进4根据审计报告，采取相应的措施，例如修复漏洞、完善安全策略、加强安全防护等，提高网络安全水平网络管理最佳实践网络规划根据业务需求和未来发展趋势，制定合理的网络规划，确保网络架构的可靠性和可扩展性安全管理制定有效的安全策略，部署安全设备，例如防火墙、入侵检测系统等，保障网络安全性能优化定期监控网络性能，例如带宽利用率、延迟、丢包率等，优化网络配置，提高网络性能持续改进根据网络管理实践，不断优化网络管理流程，提高网络管理效率，提升网络服务质量。