《计算机网络原理》（王磊）课件

《计算机网络原理》课件课程简介目标本课程旨在帮助学生理解计算机网络的基本原理和关键技术，培养学生分析和解决网络问题的能力。内容课程涵盖网络体系结构、网络协议、网络安全、网络编程等重要内容，并结合实际案例进行讲解。计算机网络概述定义计算机网络是由多个独立的计算机互联形成的系统，用于实现数据和资源共享。作用计算机网络为信息传递、资源共享、协同工作和娱乐提供了便捷高效的方式。组成计算机网络由硬件、软件、协议和用户组成，其中硬件是基础，软件是核心，协议是规范，用户是目标。网络的分类按范围局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）按拓扑结构总线型、星型、环型、树型、网状型按传输介质有线网络、无线网络按传输方式广播式网络、点对点网络网络拓扑结构1总线型所有设备共用一条总线，数据沿总线传播，简单易于扩展，但可靠性较低。2星型所有设备连接到一个中心节点，中心节点负责数据转发，易于管理，但中心节点故障会导致整个网络瘫痪。3环型所有设备形成一个闭合环，数据沿环传播，可靠性较高，但故障诊断困难。4树型多个星型网络连接在一起，形成树状结构，层次分明，易于管理，但扩展性有限。5网状型每个设备与其他设备直接相连，可靠性最高，但成本高，维护困难。OSI参考模型1应用层2表示层3会话层4传输层5网络层6数据链路层7物理层TCP/IP参考模型1应用层2传输层3网络层4数据链路层5物理层物理层1传输介质双绞线、同轴电缆、光纤2信号编码曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码3物理接口RJ-45接口、USB接口、光纤接口数据链路层MAC地址用于识别网络设备的物理地址，由48位二进制数表示，每台设备独一无二。帧格式数据链路层将数据封装成帧，包含MAC地址、数据类型、数据内容等信息。网络设备交换机、网桥，用于连接局域网中的设备，进行数据转发和过滤。网络层IP地址用于识别网络中的主机，由32位二进制数表示，分为网络号和主机号两部分。路由协议RIP、OSPF、BGP，用于计算路由表，指导数据包的转发路径。数据包转发路由器根据数据包的IP地址和路由表，将数据包转发到目的地。IP地址IPv4由四个字节组成，例如IPv6由16个字节组成，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334地址分类A类、B类、C类、D类、E类地址分配静态地址、动态地址（DHCP协议）路由协议RIP距离向量路由协议，简单易于实现，适用于小型网络，但效率较低。OSPF链路状态路由协议，效率较高，适用于大型网络，但配置复杂。BGP边界网关协议，用于连接不同自治系统，实现跨域路由，是互联网的基础。传输层端口号用于识别应用程序，范围为0-65535，分为知名端口、注册端口和临时端口。数据段传输层将数据封装成数据段，包含端口号、校验和、数据内容等信息。连接管理TCP提供面向连接的通信服务，UDP提供无连接的通信服务。UDPTCP1三次握手建立连接的过程，确保双方都准备好进行数据传输。2四次挥手断开连接的过程，确保双方都已停止数据传输。3流量控制控制发送方的传输速率，避免接收方缓冲区溢出。4拥塞控制检测网络拥塞，并调整发送速率，避免网络性能下降。应用层HTTP超文本传输协议，用于网页浏览，提供网页内容的获取和传输。FTP文件传输协议，用于文件上传和下载，提供可靠的文件传输服务。DNS域名系统，将域名转换为IP地址，方便用户访问网站。SMTP简单邮件传输协议，用于发送和接收电子邮件，提供电子邮件传输服务。HTTP协议1请求2响应3状态码4方法5头信息FTP协议1控制连接用于传输命令和响应信息，使用TCP协议。2数据连接用于传输文件数据，可以使用TCP或UDP协议。3用户认证用户需要提供用户名和密码才能登录FTP服务器。4文件操作支持上传、下载、删除、重命名等文件操作。DNS协议1域名解析将域名转换为IP地址，例如解析为7。2层次结构DNS服务器构成一个树状结构，根服务器、顶级域名服务器、权威服务器。3缓存机制DNS服务器缓存解析结果，提高查询效率。SMTP协议邮件发送邮件发送者使用SMTP协议将邮件发送到邮件服务器。邮件接收邮件接收者使用POP3或IMAP协议从邮件服务器接收邮件。邮件内容邮件内容包括发件人、收件人、主题、正文等信息。网络安全1机密性保护信息不被未授权者访问。2完整性确保信息不被篡改。3可用性保证信息可以被授权者访问和使用。4可控性确保信息的使用符合预定的安全策略。防火墙包过滤根据IP地址、端口号等信息过滤数据包，是最基本的防火墙技术。状态检测记录网络连接状态，阻止不符合状态的通信，更加灵活和安全。应用代理代理应用程序的通信，对数据进行过滤和检查，安全性最高，但性能较低。加密算法对称加密使用同一个密钥进行加密和解密，速度快，但密钥管理困难。非对称加密使用两个密钥，一个用于加密，一个用于解密，安全性高，但速度较慢。哈希算法将任意长度的数据转换为固定长度的摘要信息，用于验证数据完整性。网络攻击拒绝服务攻击通过大量请求或数据包，使目标系统无法正常提供服务。恶意代码攻击通过病毒、木马等恶意程序，窃取数据、破坏系统或控制设备。信息窃取攻击通过监听网络流量、破解密码等手段，窃取敏感信息。病毒与木马1病毒一种能够自我复制的恶意程序，可以感染其他程序或系统。2木马一种伪装成正常程序的恶意程序，可以窃取信息、控制系统或执行其他恶意操作。3蠕虫一种能够自我传播的恶意程序，可以利用网络漏洞进行攻击。网络编程基础套接字网络编程中用于进程之间通信的接口，分为流式套接字和数据报套接字。IP地址和端口号用于唯一标识网络中的进程，用于建立网络连接。网络协议用于规定数据格式、传输方式和通信步骤，例如TCP、UDP、HTTP等。套接字编程连接建立使用socket()函数创建套接字，使用bind()函数绑定地址，使用connect()函数建立连接。数据传输使用send()函数发送数据，使用recv()函数接收数据。连接关闭使用close()函数关闭套接字，释放资源。多线程网络编程线程创建使用pthread_create()函数创建线程，每个线程处理一个连接。数据处理每个线程负责接收数据、处理数据和发送数据。线程同步使用互斥锁、条件变量等机制同步线程之间的访问，避免数据冲突。网络通信模型客户/服务器模型服务器提供服务，客户端请求服务，例如网页浏览、文件下载。点对点模型两个设备之间直接通信，例如文件共享、聊天软件。广播模型一个设备向多个设备发送数据，例如网络广播。分布式系统定义分布式系统由多个独立的计算机组成，协同完成任务，例如电子商务平台、搜索引擎。优势高可用性、可扩展性、高性能。挑战数据一致性、故障容错、分布式事务处理。P2P网络1特点去中心化，每个节点既是客户端，又是服务器，例如BT下载、网络电话。2优势资源共享、成本低廉、抗攻击能力强。3挑战安全风险、资源管理、数据一致性。云计算定义通过互联网提供计算资源，例如服务器、存储、数据库、软件等。服务模式IaaS、PaaS、SaaS优势降低成本、提高效率、提高可扩展性。物联网定义通过网络连接各种设备，实现万物互联，例如智能家居、智慧城市。特点海量数据、异构设备、实时性强。应用智能家居、智慧医疗、智能交通。5G通信技术高速率数据传输速度更快，例如下载一部电影只需要几秒钟。低