盧偉《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》thecomputernetwork-ch課件

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)歡迎來到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的世界！本演示文稿將帶您深入了解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心概念、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用。我們將從網(wǎng)絡(luò)概述開始，逐層剖析網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，探討物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的功能與協(xié)議。同時，我們將深入研究OSI參考模型和互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，幫助您全面掌握計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)概述網(wǎng)絡(luò)定義計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指將地理位置分散的多臺計算機(jī)通過通信線路互聯(lián)互通，并按照一定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和資源共享的計算機(jī)集合。網(wǎng)絡(luò)的主要目的是實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞。網(wǎng)絡(luò)類型根據(jù)覆蓋范圍，網(wǎng)絡(luò)可分為局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）和廣域網(wǎng)（WAN）。局域網(wǎng)通常覆蓋小型區(qū)域，如辦公室或家庭；城域網(wǎng)覆蓋城市范圍；廣域網(wǎng)則覆蓋更大的地理區(qū)域，如國家或全球。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑Ｒ姷木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型、環(huán)型、總線型和網(wǎng)狀型。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如，星型拓?fù)湟子诠芾?，但中心?jié)點(diǎn)故障會影響整個網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)分層分層設(shè)計網(wǎng)絡(luò)分層是一種將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能分解為多個層次的設(shè)計方法。每一層都有特定的功能和協(xié)議，通過層與層之間的接口進(jìn)行通信。分層設(shè)計簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和維護(hù)。協(xié)議棧協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)，它包括一系列協(xié)議，每一層使用不同的協(xié)議來完成特定的任務(wù)。例如，TCP/IP協(xié)議棧是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。優(yōu)勢分層設(shè)計的優(yōu)勢包括：簡化設(shè)計、易于維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)化接口、促進(jìn)互操作性和靈活性。通過分層，每一層可以獨(dú)立進(jìn)行修改和升級，而不會影響其他層的功能。物理層1功能物理層是網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的最底層，負(fù)責(zé)在物理介質(zhì)上傳輸原始比特流。它定義了物理接口、傳輸速率、信號類型和編碼方式等物理特性。2傳輸介質(zhì)常見的傳輸介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜和光纖。每種介質(zhì)都有其特點(diǎn)和適用場景。光纖具有高帶寬和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。3關(guān)鍵技術(shù)物理層的關(guān)鍵技術(shù)包括信號編碼、調(diào)制解調(diào)、傳輸速率控制和同步。這些技術(shù)保證了數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)上的可靠傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層功能數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在相鄰節(jié)點(diǎn)之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)幀。它將物理層提供的原始比特流封裝成幀，并進(jìn)行差錯檢測和糾正。MAC地址MAC地址是數(shù)據(jù)鏈路層中用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的唯一地址。每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有一個唯一的MAC地址，用于在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議常見的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議包括以太網(wǎng)協(xié)議、PPP協(xié)議和HDLC協(xié)議。以太網(wǎng)協(xié)議是局域網(wǎng)中最常用的協(xié)議，PPP協(xié)議用于點(diǎn)對點(diǎn)連接，HDLC協(xié)議用于廣域網(wǎng)連接。網(wǎng)絡(luò)層功能網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)在不同網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包。它使用IP地址作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯地址，并根據(jù)路由表選擇最佳路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。IP地址IP地址是網(wǎng)絡(luò)層中用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯地址。IPv4地址由32位組成，IPv6地址由128位組成。IP地址用于在互聯(lián)網(wǎng)上唯一標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。路由算法路由算法用于計算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的最佳路徑。常見的路由算法包括距離矢量路由算法和鏈路狀態(tài)路由算法。這些算法用于構(gòu)建路由表，指導(dǎo)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸層1功能傳輸層負(fù)責(zé)在應(yīng)用程序之間提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。它將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分割成段，并進(jìn)行流量控制和擁塞控制，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。2TCP協(xié)議TCP協(xié)議是一種面向連接的可靠傳輸協(xié)議。它提供三次握手建立連接，四次揮手釋放連接，并使用滑動窗口協(xié)議進(jìn)行流量控制和擁塞控制。3UDP協(xié)議UDP協(xié)議是一種無連接的不可靠傳輸協(xié)議。它提供簡單的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，適用于對實(shí)時性要求較高的應(yīng)用，如視頻會議和在線游戲。應(yīng)用層功能應(yīng)用層是網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的最頂層，負(fù)責(zé)為應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。它定義了各種應(yīng)用協(xié)議，如HTTP、SMTP、DNS和FTP等。HTTP協(xié)議HTTP協(xié)議是用于在Web瀏覽器和Web服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。它使用請求-響應(yīng)模型，瀏覽器發(fā)送HTTP請求，服務(wù)器返回HTTP響應(yīng)。SMTP協(xié)議SMTP協(xié)議是用于發(fā)送電子郵件的協(xié)議。它使用客戶端-服務(wù)器模型，客戶端將郵件發(fā)送到郵件服務(wù)器，郵件服務(wù)器再將郵件轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)郵件服務(wù)器。OSI參考模型應(yīng)用層1表示層2會話層3傳輸層4網(wǎng)絡(luò)層5數(shù)據(jù)鏈路層6物理層7OSI參考模型是一個七層網(wǎng)絡(luò)模型，用于描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)。它包括應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。OSI模型是一個理論模型，實(shí)際應(yīng)用中更多使用TCP/IP模型?；ヂ?lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1應(yīng)用層2傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層4數(shù)據(jù)鏈路層5物理層互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是一個五層網(wǎng)絡(luò)模型，是TCP/IP協(xié)議棧的具體實(shí)現(xiàn)。它包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層?；ヂ?lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。協(xié)議棧1應(yīng)用層2傳輸層3網(wǎng)絡(luò)層4數(shù)據(jù)鏈路層5物理層協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)，它包括一系列協(xié)議，每一層使用不同的協(xié)議來完成特定的任務(wù)。TCP/IP協(xié)議棧是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是通信的基本對象，可以是文本、圖像、音頻或視頻等。數(shù)據(jù)需要經(jīng)過編碼和調(diào)制才能在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。信號信號是數(shù)據(jù)的物理表示，可以是電信號、光信號或無線電信號。信號通過傳輸介質(zhì)傳播，將數(shù)據(jù)從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗?。通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)包括發(fā)送方、傳輸介質(zhì)和接收方。發(fā)送方將數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制成信號，通過傳輸介質(zhì)發(fā)送到接收方，接收方將信號解調(diào)和解碼成數(shù)據(jù)。信號、編碼和調(diào)制1編碼編碼是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號的過程。常見的編碼方式包括NRZ編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。不同的編碼方式具有不同的特性和適用場景。2調(diào)制調(diào)制是將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號的過程。常見的調(diào)制方式包括ASK、FSK和PSK。不同的調(diào)制方式具有不同的抗干擾能力和傳輸效率。3解調(diào)解調(diào)是將接收到的頻帶信號轉(zhuǎn)換回基帶信號的過程。解調(diào)是調(diào)制的逆過程，用于從接收到的信號中恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。數(shù)字傳輸技術(shù)PCM脈沖編碼調(diào)制（PCM）是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的技術(shù)。PCM通過采樣、量化和編碼三個步驟將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻和視頻傳輸。TDM時分復(fù)用（TDM）是一種將多個數(shù)字信號在同一信道中傳輸?shù)募夹g(shù)。TDM將信道分成多個時隙，每個時隙分配給一個信號，從而實(shí)現(xiàn)多個信號的并發(fā)傳輸。數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字信號調(diào)制成適合在信道中傳輸?shù)哪M信號的技術(shù)。常見的數(shù)字調(diào)制方式包括ASK、FSK和PSK。數(shù)字調(diào)制技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線通信和光纖通信。模擬傳輸技術(shù)AM調(diào)幅（AM）是一種通過改變載波信號的幅度來傳輸模擬信號的技術(shù)。AM具有簡單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但抗干擾能力較差。FM調(diào)頻（FM）是一種通過改變載波信號的頻率來傳輸模擬信號的技術(shù)。FM具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。PM調(diào)相（PM）是一種通過改變載波信號的相位來傳輸模擬信號的技術(shù)。PM與FM類似，也具有較強(qiáng)的抗干擾能力。傳輸介質(zhì)1雙絞線雙絞線是一種由兩根互相絞合的導(dǎo)線組成的傳輸介質(zhì)。雙絞線具有成本低廉、易于安裝的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中。2同軸電纜同軸電纜是一種由中心導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層和外護(hù)套組成的傳輸介質(zhì)。同軸電纜具有抗干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，曾廣泛應(yīng)用于有線電視網(wǎng)絡(luò)中。3光纖光纖是一種由玻璃或塑料制成的傳輸介質(zhì)。光纖具有帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸和長途通信中。信道復(fù)用技術(shù)FDM頻分復(fù)用（FDM）是一種將信道帶寬分成多個頻段，每個頻段分配給一個信號的技術(shù)。FDM適用于信號帶寬較窄、信號數(shù)量較多的場景。TDM時分復(fù)用（TDM）是一種將信道時間分成多個時隙，每個時隙分配給一個信號的技術(shù)。TDM適用于信號帶寬較寬、信號數(shù)量較少的場景。WDM波分復(fù)用（WDM）是一種將光纖信道分成多個波長，每個波長分配給一個信號的技術(shù)。WDM是光纖通信中常用的復(fù)用技術(shù)，可以大大提高光纖的傳輸容量。信道錯誤檢測和糾正奇偶校驗1CRC校驗2海明碼3信道中可能存在噪聲和干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯誤。錯誤檢測和糾正技術(shù)用于檢測和糾正這些錯誤，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。常見的錯誤檢測和糾正技術(shù)包括奇偶校驗、CRC校驗和海明碼。局域網(wǎng)技術(shù)1以太網(wǎng)2令牌環(huán)3FDDI局域網(wǎng)（LAN）是指覆蓋小型區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，如辦公室、家庭或?qū)W校。局域網(wǎng)技術(shù)用于在局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和資源共享。常見的局域網(wǎng)技術(shù)包括以太網(wǎng)、令牌環(huán)和FDDI。以太網(wǎng)1CSMA/CD2MAC地址3幀格式以太網(wǎng)是一種廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)的技術(shù)。它使用CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行介質(zhì)訪問控制，使用MAC地址進(jìn)行設(shè)備尋址，并定義了以太網(wǎng)幀的格式。以太網(wǎng)具有簡單易用、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，是目前最常用的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)物理層10Base-T100Base-TX1000Base-T10GBase-T以太網(wǎng)物理層定義了以太網(wǎng)的物理接口、傳輸介質(zhì)和信號類型。常見的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)包括10Base-T、100Base-TX、1000Base-T和10GBase-T。不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)具有不同的傳輸速率和傳輸距離。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層1MAC地址2VLAN3交換機(jī)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在相鄰節(jié)點(diǎn)之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)幀。它使用MAC地址進(jìn)行設(shè)備尋址，支持VLAN技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，并使用交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層是局域網(wǎng)的核心組成部分。無線局域網(wǎng)802.11Wi-FiWLAN無線局域網(wǎng)（WLAN）是指使用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的局域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)具有移動性強(qiáng)、易于部署的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室和公共場所。常見的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括802.11a/b/g/n/ac/ax，通常稱為Wi-Fi。無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)APClientESSID無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括接入點(diǎn)（AP）和無線客戶端。接入點(diǎn)提供無線網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，無線客戶端通過無線連接接入網(wǎng)絡(luò)。每個無線網(wǎng)絡(luò)都有一個唯一的ESSID（ExtendedServiceSetIdentifier），用于標(biāo)識無線網(wǎng)絡(luò)。無線物理層1OFDM2MIMO3信道編碼無線物理層定義了無線網(wǎng)絡(luò)的物理接口、傳輸介質(zhì)和信號類型。常見的無線物理層技術(shù)包括OFDM（正交頻分復(fù)用）和MIMO（多輸入多輸出）。無線物理層還需要進(jìn)行信道編碼，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴o線MAC層CSMA/CARTS/CTSACK無線MAC層負(fù)責(zé)控制無線信道的訪問。它使用CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/沖突避免）協(xié)議進(jìn)行介質(zhì)訪問控制，使用RTS/CTS（請求發(fā)送/允許發(fā)送）機(jī)制避免隱藏節(jié)點(diǎn)問題，并使用ACK（確認(rèn)）機(jī)制保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議1路由協(xié)議2ICMP協(xié)議3互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)在不同網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包。它使用IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的封裝和傳輸，使用路由協(xié)議進(jìn)行路由選擇，并使用ICMP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和管理?；ヂ?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是互聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分。IP地址1IPv42IPv63子網(wǎng)掩碼IP地址是網(wǎng)絡(luò)層中用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯地址。IPv4地址由32位組成，IPv6地址由128位組成。IP地址用于在互聯(lián)網(wǎng)上唯一標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。子網(wǎng)掩碼用于劃分IP地址的網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號。路由算法1距離矢量2鏈路狀態(tài)3路徑選擇路由算法用于計算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的最佳路徑。常見的路由算法包括距離矢量路由算法和鏈路狀態(tài)路由算法。距離矢量路由算法通過相鄰節(jié)點(diǎn)之間的信息交換來計算路徑，鏈路狀態(tài)路由算法通過收集整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔碛嬎懵窂?。路由協(xié)議RIPOSPFBGP路由協(xié)議是用于在路由器之間交換路由信息的協(xié)議。常見的路由協(xié)議包括RIP（路由信息協(xié)議）、OSPF（開放最短路徑優(yōu)先）和BGP（邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）。RIP適用于小型網(wǎng)絡(luò)，OSPF適用于中型網(wǎng)絡(luò)，BGP適用于大型網(wǎng)絡(luò)。傳輸層協(xié)議1TCP2UDP3端口號傳輸層協(xié)議負(fù)責(zé)在應(yīng)用程序之間提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。常見的傳輸層協(xié)議包括TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。TCP提供面向連接的可靠傳輸服務(wù)，UDP提供無連接的不可靠傳輸服務(wù)。端口號用于標(biāo)識應(yīng)用程序。UDP協(xié)議無連接不可靠簡單UDP協(xié)議是一種無連接的不可靠傳輸協(xié)議。它提供簡單的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，適用于對實(shí)時性要求較高的應(yīng)用，如視頻會議和在線游戲。UDP協(xié)議的頭部結(jié)構(gòu)簡單，開銷較小。TCP協(xié)議三次握手流量控制擁塞控制TCP協(xié)議是一種面向連接的可靠傳輸協(xié)議。它提供三次握手建立連接，四次揮手釋放連接，并使用滑動窗口協(xié)議進(jìn)行流量控制和擁塞控制，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。TCP協(xié)議的頭部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開銷較大。應(yīng)用層協(xié)議1HTTP2SMTP3DNS應(yīng)用層協(xié)議負(fù)責(zé)為應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。常見的應(yīng)用層協(xié)議包括HTTP（超文本傳輸協(xié)議）、SMTP（簡單郵件傳輸協(xié)議）和DNS（域名系統(tǒng)）。不同的應(yīng)用層協(xié)議提供不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。HTTP協(xié)議請求方法狀態(tài)碼頭部字段HTTP協(xié)議是用于在Web瀏覽器和Web服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。它使用請求-響應(yīng)模型，瀏覽器發(fā)送HTTP請求，服務(wù)器返回HTTP響應(yīng)。HTTP請求包括請求方法、URL和頭部字段，HTTP響應(yīng)包括狀態(tài)碼、頭部字段和響應(yīng)體。SMTP協(xié)議連接1發(fā)送2關(guān)閉3SMTP協(xié)議是用于發(fā)送電子郵件的協(xié)議。它使用客戶端-