《网络架构基础》课件

网络架构基础计算机网络体系结构作为现代信息技术的核心基础，构建了我们数字世界的通信骨架本课程将深入探讨网络通信的基本概念与原理，系统分析现代网络架构的核心组件与设计方法课程大纲基础理论篇技术实现篇计算机网络概述、网络体系结构物理层、数据链路层、网络层、与模型、协议标准化等核心概念传输层的技术原理与实现方法的建立应用发展篇第一部分计算机网络概述计算机网络的出现彻底改变了人类社会的信息交流方式从最初的ARPANET到今天的全球互联网，网络技术的发展历程见证了信息时代的变迁现代计算机网络不仅仅是技术的集合，更是支撑数字经济和智能社会的重要基础设施计算机网络的概念1地理分布性网络节点分散在不同的地理位置，突破了空间限制2功能独立性每个计算机系统都具有独立的处理能力和存储功能3协议互联通过标准化的通信协议实现不同系统间的互联互通4资源共享计算机网络的发展历程起源阶段1969年ARPANET诞生，标志着计算机网络时代的开始协议标准化1983年TCP/IP协议套件的正式采用，奠定了现代互联网的基础万维网时代1991年WWW的问世，使互联网走向大众化普及移动互联计算机网络在信息时代的作用全球连通性资源共享分布式处理信息共享打破地理界限，实现全硬件、软件和数据资源提高系统整体可靠性和球范围内的即时信息连的高效共享，降低整体处理能力，实现负载均接和交流系统成本衡计算机网络的组成部分协议规范1通信规则与数据格式标准网络软件2操作系统、管理软件与应用程序网络硬件3主机、传输介质与网络设备计算机网络的功能组成通信子网资源子网由传输介质、通信设备与网络协议组成，负责数据在网络中的传由提供资源共享服务的设备与软件组成，包括各种服务器、工作输、交换和路由选择通信子网是网络的基础设施，为上层应用站和应用程序资源子网为用户提供计算、存储、应用等各种网提供透明的数据传输服务络服务主要功能包括信号传输、数据交换、路由选择、流量控制和差错实现数据处理、信息存储、应用服务等高层功能，是网络价值的控制，确保数据能够准确、高效地在网络中传递直接体现，满足用户的各种应用需求网络交换技术电路交换为通信双方建立专用的物理连接通道，适用于电话网络等实时通信系统通信期间独占链路资源，但无法进行差错控制，资源利用率相对较低报文交换将完整的报文作为一个整体进行存储转发，适用于电报网络等非实时通信每个中继节点都要接收、存储并转发完整报文，时延较大但可靠性高分组交换将数据分割成固定或可变长度的分组进行传输，是现代计算机网络的基础技术能够实现统计复用，提高链路利用率，支持差错控制和流量控制计算机网络类别按覆盖范围按拓扑结构PAN个人网、LAN局域网、MAN城域总线型、星型、环型、网状结构等不同12网、WAN广域网、Internet互联网的物理连接方式按传输技术按使用者43广播式网络共享传输介质，点对点网络公共网络面向所有用户，专用网络服务专用连接特定组织计算机网络的性能指标1Gbps带宽数据传输能力的度量标准10ms时延数据传输所需的时间95%吞吐量实际的数据传输效率

0.1%丢包率数据传输中的丢失比例第二部分网络体系结构与模型网络体系结构是构建和理解复杂网络系统的基础框架通过分层的设计思想，将复杂的网络通信过程分解为若干个相对独立的功能模块，每一层都有明确的功能定义和接口规范这种模块化的设计方法不仅简化了网络系统的设计和实现过程，还提高了系统的可维护性和可扩展性标准化的网络模型为不同厂商的设备互联互通提供了基础，促进了网络技术的快速发展和广泛应用网络体系结构的概念基础框架为构建和理解网络通信提供统一的设计框架和指导原则分层组织通过分层方式组织网络的设计和实现，降低系统复杂性标准接口定义网络组成部分及其协同工作方式，提供标准化的通信接口协议规范建立统一的协议标准，确保不同系统间的互操作性网络体系结构的形成需求分析功能分解1网络通信需求的日益复杂化推动了体系采用模块化设计方法将复杂功能分解为2结构的发展简单组件分层优化标准化4分层结构提供了灵活性和可维护性的优建立开放系统互连标准确保设备间的兼3势容性协议与分层设计水平通信1对等层之间的逻辑通信层次接口2相邻层之间的服务访问点分层设计3复杂问题的结构化解决方案协议规则4通信实体之间的约定规则七层参考模型OSI应用层为应用程序提供网络服务接口，直接面向用户的网络应用表示层处理数据格式转换、加密解密、压缩解压等数据表示功能会话层管理应用程序之间的通信会话，建立、维护和终止会话传输层提供端到端的可靠数据传输服务和流量控制机制网络层实现网络寻址与路由选择，处理分组的转发和路径选择数据链路层提供可靠的点对点数据传输，处理帧的传输和差错控制物理层负责比特流在物理介质上的传输，定义电气和机械特性五层模型TCP/IP应用层1用户接口与应用协议传输层2端到端通信控制网络层3网络互连与路由数据链路层4介质访问与帧处理物理层5比特传输协议、服务与接口协议（）服务（）Protocol Service定义通信实体之间的规则与格下层向上层提供的功能和能力，式，包括语法、语义和时序规通过服务访问点向上层用户提供范协议规定了数据的格式、传特定的网络功能输方式和处理方法接口（）Interface层间交互的服务访问点，定义了上层如何使用下层提供的服务，包括原语和参数协议族TCP/IP应用层协议传输层协议HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS、TCP提供可靠连接，UDP提供无连接服务12DHCP等43网络接口层网络层协议以太网、Wi-Fi、PPP等物理网络技术IP、ICMP、IGMP、ARP等核心协议网络协议标准化组织IETF ISOIEEE ITU-TInternet工程任务组，国际标准化组织，制定电气电子工程师学会，国际电信联盟电信标准负责互联网核心协议的全球性的技术标准和规制定电子和通信技术标化部门，制定电信相关制定和维护范准标准第三部分物理层基础物理层是网络体系结构的最底层，负责在物理介质上传输原始的比特流它定义了网络设备之间的物理连接方式、信号特性和传输介质的规范物理层的主要任务是确保比特能够在发送端和接收端之间可靠地传输理解物理层的工作原理对于网络设计和故障排除至关重要从双绞线到光纤，从电信号到光信号，物理层技术的发展直接影响着网络的传输速度、距离和可靠性现代网络的高速发展离不开物理层技术的不断创新物理层的功能与定义1透明传输提供透明的比特传输通道，确保数据在物理介质上的准确传输2接口定义定义传输介质的机械、电气、功能和过程特性接口规范3信号处理规定信号的编码与调制方式，实现数字信号与模拟信号的转换4同步控制实现比特同步与时钟恢复，确保发送端和接收端的时序一致传输介质有线介质无线介质双绞线是最常用的局域网传输介质，成本低廉且易于安装同轴无线电波适用于移动通信和广播服务微波传输具有较高的频率电缆具有较好的抗干扰能力，适用于中距离传输光纤提供最高和带宽，适用于点对点长距离通信红外线通信安全性高但传输的传输速率和最远的传输距离距离有限•传输速率光纤同轴电缆双绞线•灵活性高，无需物理布线•抗干扰性光纤同轴电缆双绞线•覆盖范围广，支持移动性•成本双绞线同轴电缆光纤•易受环境干扰影响信号与数据信号类型编码技术模拟信号连续变化，数字信号离散取值，各有适用场景NRZ编码简单，曼彻斯特编码具有自同步特性1234传输方式调制技术基带传输直接传送数字信号，带通传输需要调制载波ASK、FSK、PSK、QAM等不同调制方式适用于不同场景数据传输速率与带宽物理层接口标准接口网络接口RS-232/RS-485USB RJ-45串行通信接口标准，广泛应用于工业控制通用串行总线，支持即插即用和多种设备以太网标准接口，支持双绞线网络连接和设备连接连接第四部分数据链路层技术数据链路层在物理层提供的比特传输服务基础上，为网络层提供可靠的数据传输服务它负责将来自网络层的数据组织成帧，并在相邻节点之间进行可靠传输数据链路层是确保网络通信质量的关键层次该层的主要功能包括成帧、差错控制、流量控制和访问控制通过这些机制，数据链路层能够检测和纠正传输错误，防止数据丢失，并协调多个设备对共享介质的访问现代以太网和无线网络技术都是基于数据链路层协议实现的数据链路层的功能成帧差错控制流量控制访问控制将比特流分割为离散的检测和纠正传输过程中协调发送方和接收方的管理多点链路上多个设帧，为上层提供有意义产生的比特错误，确保传输速度，避免接收方备的介质访问，避免冲的数据单元数据完整性缓冲区溢出突和竞争差错检测与纠正奇偶校验最简单的差错检测方法，通过添加校验位检测单比特错误成本低但检测能力有限，无法检测偶数位错误循环冗余校验（）CRC基于多项式除法的强大差错检测技术，能够检测突发错误和多比特错误广泛应用于以太网和其他数据链路协议中汉明码与前向纠错不仅能检测错误还能纠正错误的编码技术通过增加冗余信息，实现自动错误纠正，提高传输可靠性数据链路层协议点对点协议（）PPP广泛用于拨号连接和专线连接的点对点通信协议，支持多种网络层协议高级数据链路控制（）HDLC面向比特的同步数据链路协议，提供可靠的数据传输和流量控制机制停止等待协议-最简单的流量控制协议，发送方发送一帧后等待确认再发送下一帧滑动窗口协议包括Go-Back-N和选择性重传，提高信道利用率和传输效率介质访问控制信道划分随机访问FDMA频分、TDMA时分、CDMA码分多址ALOHA、CSMA/CD载波监听多路访问12技术43以太网机制轮询访问CSMA/CD冲突检测与退避算法令牌传递、集中控制的有序访问局域网技术有线局域网无线局域网以太网（IEEE

802.3）是最主流的有线局域网技术，从10Mbps无线局域网（IEEE

802.11）提供移动性和灵活部署采用发展到100Gbps采用CSMA/CD协议解决多路访问问题，支CSMA/CA协议避免冲突，支持多种安全机制如WPA2/WPA3持半双工和全双工通信加密令牌环网（IEEE

802.5）采用令牌传递机制，确保无冲突访问，虚拟局域网（VLAN）技术通过软件配置实现逻辑分段，提高网但已逐渐被以太网取代络安全性和管理效率数据链路层设备网络适配器网络交换机网卡是连接计算机与网络的接口二层交换机根据MAC地址表进行设备，实现物理层和数据链路层帧转发，提供全双工通信和线速功能负责帧的封装解封、MAC转发能力支持VLAN、QoS等地址处理和信号转换高级功能网桥设备连接不同网段的数据链路层设备，通过学习算法建立转发表，减少网络冲突域，提高整体性能第五部分网络层原理网络层是实现网络互连的关键层次，负责在不同网络间传递数据包它提供了端到端的数据传输服务，使得分布在不同地理位置的主机能够相互通信网络层的核心功能是路径选择和分组转发通过逻辑寻址机制，网络层为每台主机分配唯一的网络地址，并通过路由算法确定数据包在网络中的最佳传输路径现代互联网的全球连通性正是基于网络层协议实现的，IP协议作为网络层的核心协议，为数十亿设备提供了统一的寻址和路由服务网络层的功能逻辑寻址为网络中的每个设备分配唯一的逻辑地址，实现全网范围的设备标识路由选择根据网络拓扑和路由算法，为数据包选择从源到目的地的最佳路径分组转发根据路由表信息，将数据包从输入端口转发到正确的输出端口拥塞控制监控网络流量状况，采取措施防止和缓解网络拥塞问题地址与子网划分IP地址结构1IPv432位地址空间，分为A、B、C、D、E五类，支持约43亿个地址2子网划分通过子网掩码将网络划分为更小的子网，提高地址利用率表示法3CIDR无类域间路由，采用变长子网掩码，更灵活的地址分配方式4地址IPv6128位地址空间，解决IPv4地址枯竭问题，支持更多设备连接网络互连设备网关1协议转换与网络互连三层交换机2高速路由交换一体化设备路由器3网络层数据转发与路由选择的核心设备路由选择协议内部网关协议外部网关协议RIP协议基于距离向量算法，简单易实现但收敛速度慢OSPF BGP协议是互联网核心路由协议，采用路径向量算法支持丰富协议采用链路状态算法，收敛快速且支持多路径负载均衡的路由策略，确保自治系统间的可达性和策略执行•RIP跳数作为度量标准•路径向量算法避免环路•OSPF链路开销作为度量•支持复杂的路由策略•EIGRP复合度量标准•保证互联网的稳定性协议及相关技术IP数据报分片重组协议IP ICMPIPv4和IPv6报处理不同网络提供错误报告文格式定义了MTU差异，确和网络诊断功数据包的结构保大数据包能能，如ping和和字段含义够正确传输traceroute工具地址解析ARP和DHCP协议实现地址映射和自动配置功能网络层拥塞控制流量监测流量整形1实时监控网络流量状况和拥塞程度通过漏桶和令牌桶算法控制流量速率2服务质量拥塞避免43QoS机制保障关键应用的带宽和时延随机早期检测等主动队列管理机制第六部分传输层协议传输层是网络体系结构中承上启下的关键层次，它在网络层提供的主机到主机通信服务基础上，为应用层提供端到端的数据传输服务传输层负责建立、维护和终止端到端的连接，确保数据的可靠传输该层的主要协议包括TCP和UDP，分别提供可靠的连接型服务和高效的无连接服务传输层还负责端口管理、流量控制、拥塞控制和差错恢复等功能，为上层应用提供透明的、可靠的数据传输通道传输层的功能端到端控制提供应用进程间的直接通信控制和数据传输服务端口管理通过端口号实现多个应用进程的复用与分解连接管理建立、维护和释放传输连接，确保通信的有序进行可靠传输提供差错控制、流量控制和拥塞控制机制协议TCP拥塞控制1慢启动、拥塞避免、快重传算法流量控制2滑动窗口机制防止接收方溢出连接管理3三次握手建立、四次挥手释放连接可靠传输4面向连接的可靠数据传输服务TCP协议通过序列号、确认号和重传机制确保数据的可靠传输其拥塞控制算法能够动态调整发送速率，既保证网络稳定又提高传输效率滑动窗口机制实现了高效的流量控制，防止快速发送方压垮慢速接收方协议UDP端口与套接字0-1023系统端口知名端口，分配给系统服务1024-49151注册端口分配给用户应用程序49152-65535动态端口临时端口，供客户端使用65536端口总数16位端口号的最大值第七部分应用层服务应用层是网络体系结构的最高层，直接面向用户提供各种网络应用服务它基于传输层提供的端到端通信服务，实现具体的网络应用功能应用层协议定义了应用程序之间的通信规则和数据格式从万维网浏览到电子邮件发送，从文件传输到域名解析，应用层涵盖了用户日常使用的所有网络服务随着互联网技术的发展，应用层协议也在不断演进，云计算、移动互联网和物联网的兴起催生了许多新的应用模式和服务架构应用层协议概述客户端服务器模型点对点模型-传统的网络应用架构，服务器提供服务，客户端请求服务服务去中心化的网络应用架构，每个节点既是客户端也是服务器节器通常具有固定的IP地址和端口，提供持续的服务能力客户端点之间直接通信，共享资源和服务能力具有很好的可扩展性和主动发起连接请求容错性典型应用包括Web浏览、电子邮件、文件传输等这种模型结典型应用包括BitTorrent文件共享、区块链网络等这种模型能构清晰，易于管理和维护，但服务器可能成为性能瓶颈够充分利用网络中的分布式资源，但管理和安全控制较为复杂互联网核心应用万维网服务电子邮件系统域名解析服务HTTP/HTTPS协议支撑全球信息共SMTP负责邮件发送，POP3和IMAP协DNS提供域名到IP地址的映射服务，享，提供超文本传输和安全通信能议负责邮件接收支持附件传输、加采用分层分布式架构支持负载均力RESTful API设计模式促进了密通信和垃圾邮件过滤等高级功能衡、故障转移和安全扩展等功能Web服务的标准化发展网络应用新技术1云计算架构提供按需获取的计算资源和服务，支持弹性扩展和资源优化配置2内容分发网络CDN通过地理分布的缓存节点提供就近内容访问，提升用户体验3实时通信技术WebSocket协议支持全双工实时通信，广泛应用于在线游戏和协作应用4微服务架构API驱动的松耦合服务架构，提高系统的可维护性和可扩展性总结与展望网络架构演进从传统的分层架构向软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）转变，实现网络的灵活配置和统一管理网络特点5G超高速率、超低延迟、大规模连接的新一代移动通信网络，支持增强移动宽带、物联网和关键任务通信应用边缘计算融合计算能力向网络边缘下沉，结合云计算和边缘计算优势，为用户提供更低延迟的服务体验未来发展方向人工智能驱动的网络管理、量子通信技术、6G网络研究等将推动网络技术向更高水平发展，构建万物智联的数字世界。