《計算機網絡原理》（王磊）課件

《計算機網絡原理》課件課程簡介目標本課程旨在幫助學生理解計算機網絡的基本原理和關鍵技術，培養(yǎng)學生分析和解決網絡問題的能力。內容課程涵蓋網絡體系結構、網絡協議、網絡安全、網絡編程等重要內容，并結合實際案例進行講解。計算機網絡概述定義計算機網絡是由多個獨立的計算機互聯形成的系統，用于實現數據和資源共享。作用計算機網絡為信息傳遞、資源共享、協同工作和娛樂提供了便捷高效的方式。組成計算機網絡由硬件、軟件、協議和用戶組成，其中硬件是基礎，軟件是核心，協議是規(guī)范，用戶是目標。網絡的分類按范圍局域網（LAN）、城域網（MAN）、廣域網（WAN）按拓撲結構總線型、星型、環(huán)型、樹型、網狀型按傳輸介質有線網絡、無線網絡按傳輸方式廣播式網絡、點對點網絡網絡拓撲結構1總線型所有設備共用一條總線，數據沿總線傳播，簡單易于擴展，但可靠性較低。2星型所有設備連接到一個中心節(jié)點，中心節(jié)點負責數據轉發(fā)，易于管理，但中心節(jié)點故障會導致整個網絡癱瘓。3環(huán)型所有設備形成一個閉合環(huán)，數據沿環(huán)傳播，可靠性較高，但故障診斷困難。4樹型多個星型網絡連接在一起，形成樹狀結構，層次分明，易于管理，但擴展性有限。5網狀型每個設備與其他設備直接相連，可靠性最高，但成本高，維護困難。OSI參考模型1應用層2表示層3會話層4傳輸層5網絡層6數據鏈路層7物理層TCP/IP參考模型1應用層2傳輸層3網絡層4數據鏈路層5物理層物理層1傳輸介質雙絞線、同軸電纜、光纖2信號編碼曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼3物理接口RJ-45接口、USB接口、光纖接口數據鏈路層MAC地址用于識別網絡設備的物理地址，由48位二進制數表示，每臺設備獨一無二。幀格式數據鏈路層將數據封裝成幀，包含MAC地址、數據類型、數據內容等信息。網絡設備交換機、網橋，用于連接局域網中的設備，進行數據轉發(fā)和過濾。網絡層IP地址用于識別網絡中的主機，由32位二進制數表示，分為網絡號和主機號兩部分。路由協議RIP、OSPF、BGP，用于計算路由表，指導數據包的轉發(fā)路徑。數據包轉發(fā)路由器根據數據包的IP地址和路由表，將數據包轉發(fā)到目的地。IP地址IPv4由四個字節(jié)組成，例如IPv6由16個字節(jié)組成，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334地址分類A類、B類、C類、D類、E類地址分配靜態(tài)地址、動態(tài)地址（DHCP協議）路由協議RIP距離向量路由協議，簡單易于實現，適用于小型網絡，但效率較低。OSPF鏈路狀態(tài)路由協議，效率較高，適用于大型網絡，但配置復雜。BGP邊界網關協議，用于連接不同自治系統，實現跨域路由，是互聯網的基礎。傳輸層端口號用于識別應用程序，范圍為0-65535，分為知名端口、注冊端口和臨時端口。數據段傳輸層將數據封裝成數據段，包含端口號、校驗和、數據內容等信息。連接管理TCP提供面向連接的通信服務，UDP提供無連接的通信服務。UDPTCP1三次握手建立連接的過程，確保雙方都準備好進行數據傳輸。2四次揮手斷開連接的過程，確保雙方都已停止數據傳輸。3流量控制控制發(fā)送方的傳輸速率，避免接收方緩沖區(qū)溢出。4擁塞控制檢測網絡擁塞，并調整發(fā)送速率，避免網絡性能下降。應用層HTTP超文本傳輸協議，用于網頁瀏覽，提供網頁內容的獲取和傳輸。FTP文件傳輸協議，用于文件上傳和下載，提供可靠的文件傳輸服務。DNS域名系統，將域名轉換為IP地址，方便用戶訪問網站。SMTP簡單郵件傳輸協議，用于發(fā)送和接收電子郵件，提供電子郵件傳輸服務。HTTP協議1請求2響應3狀態(tài)碼4方法5頭信息FTP協議1控制連接用于傳輸命令和響應信息，使用TCP協議。2數據連接用于傳輸文件數據，可以使用TCP或UDP協議。3用戶認證用戶需要提供用戶名和密碼才能登錄FTP服務器。4文件操作支持上傳、下載、刪除、重命名等文件操作。DNS協議1域名解析將域名轉換為IP地址，例如解析為7。2層次結構DNS服務器構成一個樹狀結構，根服務器、頂級域名服務器、權威服務器。3緩存機制DNS服務器緩存解析結果，提高查詢效率。SMTP協議郵件發(fā)送郵件發(fā)送者使用SMTP協議將郵件發(fā)送到郵件服務器。郵件接收郵件接收者使用POP3或IMAP協議從郵件服務器接收郵件。郵件內容郵件內容包括發(fā)件人、收件人、主題、正文等信息。網絡安全1機密性保護信息不被未授權者訪問。2完整性確保信息不被篡改。3可用性保證信息可以被授權者訪問和使用。4可控性確保信息的使用符合預定的安全策略。防火墻包過濾根據IP地址、端口號等信息過濾數據包，是最基本的防火墻技術。狀態(tài)檢測記錄網絡連接狀態(tài)，阻止不符合狀態(tài)的通信，更加靈活和安全。應用代理代理應用程序的通信，對數據進行過濾和檢查，安全性最高，但性能較低。加密算法對稱加密使用同一個密鑰進行加密和解密，速度快，但密鑰管理困難。非對稱加密使用兩個密鑰，一個用于加密，一個用于解密，安全性高，但速度較慢。哈希算法將任意長度的數據轉換為固定長度的摘要信息，用于驗證數據完整性。網絡攻擊拒絕服務攻擊通過大量請求或數據包，使目標系統無法正常提供服務。惡意代碼攻擊通過病毒、木馬等惡意程序，竊取數據、破壞系統或控制設備。信息竊取攻擊通過監(jiān)聽網絡流量、破解密碼等手段，竊取敏感信息。病毒與木馬1病毒一種能夠自我復制的惡意程序，可以感染其他程序或系統。2木馬一種偽裝成正常程序的惡意程序，可以竊取信息、控制系統或執(zhí)行其他惡意操作。3蠕蟲一種能夠自我傳播的惡意程序，可以利用網絡漏洞進行攻擊。網絡編程基礎套接字網絡編程中用于進程之間通信的接口，分為流式套接字和數據報套接字。IP地址和端口號用于唯一標識網絡中的進程，用于建立網絡連接。網絡協議用于規(guī)定數據格式、傳輸方式和通信步驟，例如TCP、UDP、HTTP等。套接字編程連接建立使用socket()函數創(chuàng)建套接字，使用bind()函數綁定地址，使用connect()函數建立連接。數據傳輸使用send()函數發(fā)送數據，使用recv()函數接收數據。連接關閉使用close()函數關閉套接字，釋放資源。多線程網絡編程線程創(chuàng)建使用pthread_create()函數創(chuàng)建線程，每個線程處理一個連接。數據處理每個線程負責接收數據、處理數據和發(fā)送數據。線程同步使用互斥鎖、條件變量等機制同步線程之間的訪問，避免數據沖突。網絡通信模型客戶/服務器模型服務器提供服務，客戶端請求服務，例如網頁瀏覽、文件下載。點對點模型兩個設備之間直接通信，例如文件共享、聊天軟件。廣播模型一個設備向多個設備發(fā)送數據，例如網絡廣播。分布式系統定義分布式系統由多個獨立的計算機組成，協同完成任務，例如電子商務平臺、搜索引擎。優(yōu)勢高可用性、可擴展性、高性能。挑戰(zhàn)數據一致性、故障容錯、分布式事務處理。P2P網絡1特點去中心化，每個節(jié)點既是客戶端，又是服務器，例如BT下載、網絡電話。2優(yōu)勢資源共享、成本低廉、抗攻擊能力強。3挑戰(zhàn)安全風險、資源管理、數據一致性。云計算定義通過互聯網提供計算資源，例如服務器、存儲、數據庫、軟件等。服務模式IaaS、PaaS、SaaS優(yōu)勢降低成本、提高效率、提高可擴展性。物聯網定義通過網絡連接各種設備，實現萬物互聯，例如智能家居、智慧城市。特點海量數據、異構設備、實時性強。應用智能家居、智慧醫(yī)療、智能交通。5G通信技術高速率數據傳輸速度更快，例如下載一部電影只需要幾秒鐘。低