計算機科學北京大學計算機網(wǎng)絡課件

北京大學計算機網(wǎng)絡課程本課程將帶領(lǐng)您深入了解計算機網(wǎng)絡的原理、技術(shù)和應用。從網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)到網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡安全，以及未來的發(fā)展趨勢，我們將全面探索網(wǎng)絡世界。網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)物理層負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)和信號傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)幀的封裝和解封裝，以及網(wǎng)絡訪問控制。網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸和可靠性控制。物理層基礎1傳輸介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜、光纖等，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砻浇椤?信號編碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號或光信號以便在傳輸介質(zhì)上傳輸。3物理層接口連接網(wǎng)絡設備與傳輸介質(zhì)的接口，用于實現(xiàn)信號的收發(fā)。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議以太網(wǎng)局域網(wǎng)中常用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，定義了數(shù)據(jù)幀的格式和傳輸方式。MAC地址每個網(wǎng)絡接口卡的唯一標識，用于在局域網(wǎng)中識別設備。幀格式定義了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，包括MAC地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息。ARP協(xié)議用于將IP地址轉(zhuǎn)換為MAC地址，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備之間的通信。網(wǎng)絡層協(xié)議IP地址用于標識網(wǎng)絡設備在互聯(lián)網(wǎng)中的唯一地址。IP協(xié)議負責數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備之間的通信。子網(wǎng)掩碼用于區(qū)分網(wǎng)絡地址和主機地址，實現(xiàn)網(wǎng)絡的劃分。路由協(xié)議用于維護網(wǎng)絡拓撲信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由選擇。傳輸層協(xié)議1TCP協(xié)議面向連接的傳輸層協(xié)議，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。2UDP協(xié)議無連接的傳輸層協(xié)議，提供快速的數(shù)據(jù)傳輸服務，但不可靠。3端口號用于區(qū)分不同的應用程序，實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的訪問。應用層協(xié)議HTTP協(xié)議用于網(wǎng)頁瀏覽，實現(xiàn)客戶端與服務器之間的通信。FTP協(xié)議用于文件傳輸，實現(xiàn)文件上傳和下載。SMTP協(xié)議用于電子郵件發(fā)送，實現(xiàn)電子郵件的傳輸。DNS協(xié)議用于域名解析，將域名轉(zhuǎn)換為IP地址。網(wǎng)絡地址1IP地址用于標識網(wǎng)絡設備的唯一地址。2私有地址用于內(nèi)部網(wǎng)絡，不能在互聯(lián)網(wǎng)中使用。3公有地址用于互聯(lián)網(wǎng)，可以訪問外部網(wǎng)絡。4域名用于方便記憶的網(wǎng)絡地址。網(wǎng)絡設備1路由器用于連接不同的網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。2交換機用于連接局域網(wǎng)中的設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。3網(wǎng)關(guān)用于連接不同的網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的通信。4防火墻用于保護網(wǎng)絡安全，阻止來自外部的攻擊。路由算法1距離向量算法每個路由器維護一個距離向量，記錄到其他路由器的距離。2鏈路狀態(tài)算法每個路由器維護一個網(wǎng)絡拓撲圖，記錄所有路由器的狀態(tài)。網(wǎng)絡安全網(wǎng)絡攻擊包括病毒、木馬、蠕蟲、DDoS攻擊等，危害網(wǎng)絡安全。安全措施包括防火墻、入侵檢測系統(tǒng)、安全策略等，保護網(wǎng)絡安全。無線網(wǎng)絡網(wǎng)絡管理性能監(jiān)控監(jiān)控網(wǎng)絡流量、帶寬利用率、延遲等指標，確保網(wǎng)絡正常運行。故障診斷定位網(wǎng)絡故障，進行故障排除和恢復網(wǎng)絡服務。安全管理制定安全策略，配置防火墻、入侵檢測系統(tǒng)等安全設備，維護網(wǎng)絡安全。網(wǎng)絡建設挑戰(zhàn)網(wǎng)絡規(guī)模隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，給網(wǎng)絡管理帶來挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡安全網(wǎng)絡攻擊不斷升級，給網(wǎng)絡安全帶來巨大挑戰(zhàn)。技術(shù)創(chuàng)新網(wǎng)絡技術(shù)快速發(fā)展，需要不斷學習和更新，跟上時代步伐。未來網(wǎng)絡趨勢15G網(wǎng)絡提供高速率、低延遲、高可靠性的移動通信服務。2云計算將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源等集中管理，提供靈活的網(wǎng)絡服務。3物聯(lián)網(wǎng)將各種設備連接到網(wǎng)絡，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。4人工智能利用人工智能技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡性能，提高網(wǎng)絡效率。網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)客戶-服務器模型客戶端向服務器請求服務，服務器提供服務。對等模型網(wǎng)絡中的節(jié)點之間平等，相互之間可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?；旌夏Ｐ徒Y(jié)合客戶-服務器模型和對等模型，實現(xiàn)更靈活的網(wǎng)絡服務。網(wǎng)絡拓撲星型拓撲所有節(jié)點都連接到一個中心節(jié)點，例如集線器或交換機?？偩€型拓撲所有節(jié)點都連接到一條公共的總線上，數(shù)據(jù)廣播到所有節(jié)點。環(huán)型拓撲所有節(jié)點都連接到一個閉合的環(huán)上，數(shù)據(jù)沿著環(huán)路傳輸。網(wǎng)狀拓撲每個節(jié)點都與多個節(jié)點連接，形成一個網(wǎng)絡。網(wǎng)絡接口1物理接口連接網(wǎng)絡設備與傳輸介質(zhì)的接口，用于實現(xiàn)信號的收發(fā)。2邏輯接口網(wǎng)絡設備的軟件接口，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議的處理。幀格式前導碼用于同步發(fā)送端和接收端的時鐘。幀起始符標志數(shù)據(jù)幀的開始。目的MAC地址接收數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡接口卡的地址。源MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡接口卡的地址。ARP協(xié)議地址解析協(xié)議用于將IP地址轉(zhuǎn)換為MAC地址，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備之間的通信。ARP請求當網(wǎng)絡設備需要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個網(wǎng)絡設備時，首先發(fā)送ARP請求，查詢目標設備的MAC地址。ARP響應目標設備收到ARP請求后，會發(fā)送ARP響應，告知自己的MAC地址。IP協(xié)議1網(wǎng)絡層協(xié)議負責數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備之間的通信。2IP地址用于標識網(wǎng)絡設備在互聯(lián)網(wǎng)中的唯一地址。3數(shù)據(jù)報IP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位，包含數(shù)據(jù)包的源地址、目的地址、數(shù)據(jù)長度等信息。路由協(xié)議RIP協(xié)議距離向量路由協(xié)議，使用距離向量算法，維護到其他路由器的距離信息。OSPF協(xié)議鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，使用鏈路狀態(tài)算法，維護網(wǎng)絡拓撲圖。BGP協(xié)議邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，用于連接不同的自治系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的跨域路由。流控制1滑動窗口發(fā)送端維護一個滑動窗口，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?流量整形對網(wǎng)絡流量進行整形，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎湍Ｊ健?流量監(jiān)管對網(wǎng)絡流量進行監(jiān)管，識別和控制異常流量。擁塞控制慢啟動網(wǎng)絡擁塞時，降低數(shù)據(jù)傳輸速率，避免網(wǎng)絡擁塞加劇?？焖僦貍骶W(wǎng)絡擁塞時，快速重傳丟失的數(shù)據(jù)包，提高網(wǎng)絡效率。擁塞避免通過數(shù)據(jù)傳輸速率的調(diào)整，避免網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生。DNS服務域名系統(tǒng)用于將域名轉(zhuǎn)換為IP地址，實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的訪問。域名解析過程客戶端發(fā)送域名解析請求到DNS服務器，DNS服務器查找域名對應的IP地址，并返回給客戶端。DNS緩存DNS服務器緩存最近解析的域名和IP地址，提高域名解析效率。HTTP協(xié)議1超文本傳輸協(xié)議用于網(wǎng)頁瀏覽，實現(xiàn)客戶端與服務器之間的通信。2請求-響應模型客戶端發(fā)送請求到服務器，服務器返回響應給客戶端。3狀態(tài)碼服務器返回的響應狀態(tài)碼，用于指示請求處理的結(jié)果。FTP協(xié)議文件傳輸協(xié)議用于文件傳輸，實現(xiàn)文件上傳和下載。控制連接用于建立連接、發(fā)送命令、接收響應。數(shù)據(jù)連接用于傳輸文件數(shù)據(jù)。電子郵件協(xié)議SMTP協(xié)議用于電子郵件發(fā)送，實現(xiàn)電子郵件的傳輸。POP3協(xié)議用于電子郵件接收，實現(xiàn)電子郵件的下載。IMAP協(xié)議用于電子郵件接收，實現(xiàn)電子郵件的管理。網(wǎng)絡編程1套接字編程使用套接字接口進行網(wǎng)絡編程，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。2網(wǎng)絡庫使用網(wǎng)絡庫簡化網(wǎng)絡編程，提供更高層的網(wǎng)絡服務。3網(wǎng)絡框架使用網(wǎng)絡框架構(gòu)