計算機網(wǎng)絡技術基礎課件,高等教育出版社,第

計算機網(wǎng)絡技術基礎本課程將介紹計算機網(wǎng)絡技術的基礎知識，涵蓋網(wǎng)絡的基本概念、組成、拓撲結構、分類、協(xié)議標準化、OSI參考模型、TCP/IP參考模型、各層的功能、常用協(xié)議等內(nèi)容。通過學習本課程，你將掌握計算機網(wǎng)絡的基礎知識，為進一步學習網(wǎng)絡技術打下堅實基礎。計算機網(wǎng)絡的基本概念定義計算機網(wǎng)絡是指將geographically分散的計算機系統(tǒng)通過通信線路和通信設備連接在一起，并按照一定的協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和資源共享的系統(tǒng)。特點資源共享、數(shù)據(jù)通信、分布式處理、高可靠性、可擴展性。計算機網(wǎng)絡的組成計算機網(wǎng)絡中的節(jié)點，負責數(shù)據(jù)處理和存儲。通信線路用于連接網(wǎng)絡節(jié)點的物理介質(zhì)，負責數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡設備負責數(shù)據(jù)轉發(fā)和網(wǎng)絡管理，如路由器、交換機、網(wǎng)卡等。網(wǎng)絡軟件負責網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)通信，如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議棧等。計算機網(wǎng)絡的拓撲結構總線型所有節(jié)點連接到一條公共傳輸介質(zhì)上，數(shù)據(jù)在介質(zhì)上傳播，所有節(jié)點都能接收到數(shù)據(jù)。價格低廉，但容易發(fā)生沖突，效率較低。星型所有節(jié)點都連接到一個中央節(jié)點，數(shù)據(jù)通過中央節(jié)點進行轉發(fā)。便于管理，但依賴中央節(jié)點，若中央節(jié)點故障，則整個網(wǎng)絡癱瘓。環(huán)型所有節(jié)點連接成一個閉合環(huán)，數(shù)據(jù)沿環(huán)進行傳播?？煽啃愿?，但效率較低，需要特殊的傳輸協(xié)議。樹型以層次結構的方式連接節(jié)點，層級越高，節(jié)點數(shù)量越少。易于管理，但成本較高，需要特殊的路由算法。網(wǎng)狀型多個節(jié)點之間有多條連接，形成網(wǎng)絡網(wǎng)狀結構，可靠性高，但成本高，管理復雜。計算機網(wǎng)絡的分類按地理范圍局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）。按傳輸介質(zhì)有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡。按網(wǎng)絡拓撲總線型、星型、環(huán)型、樹型、網(wǎng)狀型。按網(wǎng)絡協(xié)議TCP/IP網(wǎng)絡、OSI網(wǎng)絡。網(wǎng)絡協(xié)議與標準化1協(xié)議的概念網(wǎng)絡協(xié)議是一套規(guī)則，定義了網(wǎng)絡設備之間進行數(shù)據(jù)交換的格式、順序和時序。它使不同類型的網(wǎng)絡設備能夠互相通信，并保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。2標準化的意義網(wǎng)絡協(xié)議的標準化有利于實現(xiàn)不同設備之間的互聯(lián)互通，促進網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，提高網(wǎng)絡效率和安全性。3常見網(wǎng)絡標準化組織IEEE、ISO、ITU-T、IETF等。OSI參考模型1應用層為用戶提供網(wǎng)絡服務，如電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。2表示層負責數(shù)據(jù)格式的轉換和編碼，確保不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)兼容性。3會話層負責建立、管理和終止網(wǎng)絡連接，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蚝蜁r序。4傳輸層負責數(shù)據(jù)的可靠傳輸，提供流量控制和差錯控制機制。5網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)的路由和尋址，選擇最佳路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標節(jié)點。6數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點之間的傳輸，提供流量控制和差錯控制機制。7物理層負責數(shù)據(jù)的物理傳輸，定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)和傳輸方式。TCP/IP參考模型應用層為用戶提供網(wǎng)絡服務，如電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。傳輸層負責數(shù)據(jù)的可靠傳輸，提供流量控制和差錯控制機制。網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)的路由和尋址，選擇最佳路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標節(jié)點。網(wǎng)絡接口層負責數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡介質(zhì)上的物理傳輸，對應OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層物理層的基本概念物理層是最底層，負責數(shù)據(jù)的物理傳輸，定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)、傳輸方式和信號編碼等。物理層的主要功能定義數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡介質(zhì)上的物理傳輸規(guī)則，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫涌?，進行信號的編碼和解碼。物理層的傳輸介質(zhì)雙絞線、同軸電纜、光纖、無線電波等。物理層的編碼和調(diào)制將數(shù)據(jù)轉換成適合物理介質(zhì)傳輸?shù)男盘?。物理層的基本概?比特數(shù)據(jù)的最小單位，用0或1表示。2信號物理層傳輸?shù)男盘?，可以是電壓、電流、光波等?傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ?，如雙絞線、光纖等。4編碼將比特數(shù)據(jù)轉換成適合傳輸?shù)男盘枴?調(diào)制將數(shù)字信號轉換成模擬信號，適合在無線介質(zhì)中傳輸。物理層的主要功能1234機械特性定義連接器的形狀、尺寸和引腳排列。電氣特性定義信號電壓、電流、阻抗等參數(shù)。功能特性定義信號的編碼方式、傳輸速率等參數(shù)。規(guī)程特性定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序和同步方式。物理層的傳輸介質(zhì)雙絞線由兩根絕緣導線相互纏繞而成，可以有效減少電磁干擾，價格低廉，應用廣泛。同軸電纜由一根中心導線和一根同軸外導線組成，外導線屏蔽中心導線的電磁干擾，傳輸距離較遠，但成本較高。光纖利用光信號進行數(shù)據(jù)傳輸，抗干擾能力強，傳輸速率快，成本相對較高。無線電波利用電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸，方便靈活，但受環(huán)境影響較大，傳輸距離有限。物理層的編碼和調(diào)制曼徹斯特編碼時鐘信號嵌入在數(shù)據(jù)信號中，無需單獨的時鐘信號，提高同步精度。差分曼徹斯特編碼在數(shù)據(jù)信號的邊沿添加時鐘信號，降低對傳輸介質(zhì)的要求，提高抗干擾能力。NRZ編碼用電平的高低代表0或1，簡單易實現(xiàn)，但容易受到干擾。AMI編碼用正負電平交替代表0或1，減少直流分量，適合遠距離傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念數(shù)據(jù)鏈路層是OSI模型的第二層，負責數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點之間的傳輸，提供數(shù)據(jù)幀的封裝、流量控制和差錯控制機制。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能將數(shù)據(jù)幀進行封裝，提供數(shù)據(jù)幀的傳輸和接收，進行流量控制和差錯控制。數(shù)據(jù)鏈路層的幀格式幀頭、數(shù)據(jù)部分、幀尾。數(shù)據(jù)鏈路層的流量控制防止數(shù)據(jù)發(fā)送過快，導致接收方來不及處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層的差錯控制確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不發(fā)生錯誤。數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念1數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，包含數(shù)據(jù)部分和控制信息。2幀頭包含幀起始標志、數(shù)據(jù)長度等控制信息。3幀尾包含幀結束標志、校驗碼等控制信息。4流量控制控制數(shù)據(jù)傳輸速率，避免接收方數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出。5差錯控制檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能幀封裝將數(shù)據(jù)封裝成幀，添加幀頭和幀尾，以便數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸。1幀傳輸將數(shù)據(jù)幀從一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點。2流量控制控制數(shù)據(jù)傳輸速率，避免數(shù)據(jù)發(fā)送過快，導致接收方來不及處理數(shù)據(jù)。3差錯控制檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，確保數(shù)據(jù)完整性和可靠性。4數(shù)據(jù)鏈路層的幀格式幀起始標志標識幀的開始，用于接收方識別幀的起始位置。數(shù)據(jù)長度指示數(shù)據(jù)部分的長度，方便接收方判斷數(shù)據(jù)部分的結束位置。數(shù)據(jù)部分包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，由上層協(xié)議提供。校驗碼用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中是否發(fā)生錯誤。幀結束標志標識幀的結束，用于接收方識別幀的結束位置。數(shù)據(jù)鏈路層的流量控制滑動窗口機制發(fā)送方維護一個滑動窗口，表示可以發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)量，接收方維護一個滑動窗口，表示可以接收的數(shù)據(jù)幀數(shù)量。發(fā)送方只能發(fā)送窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，接收方只能接收窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀。當窗口大小發(fā)生變化時，窗口會滑動，以控制數(shù)據(jù)傳輸速率。停止-等待協(xié)議發(fā)送方發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后，等待接收方的確認信息，才發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。效率低，但簡單易實現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層的差錯控制1奇偶校驗在數(shù)據(jù)幀中添加一個校驗位，使數(shù)據(jù)幀中1的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)，接收方根據(jù)奇偶性判斷數(shù)據(jù)是否出錯。只能檢測單個錯誤，不能糾正錯誤。2循環(huán)冗余校驗（CRC）根據(jù)數(shù)據(jù)計算出一個校驗碼，將校驗碼添加到數(shù)據(jù)幀中，接收方根據(jù)校驗碼判斷數(shù)據(jù)是否出錯?？梢詸z測多個錯誤，但不能糾正錯誤。3海明碼根據(jù)數(shù)據(jù)計算出多個校驗位，并將校驗位添加到數(shù)據(jù)幀中，接收方根據(jù)校驗位判斷數(shù)據(jù)是否出錯，并能糾正單個錯誤。成本較高，效率較低。網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層的基本概念網(wǎng)絡層是OSI模型的第三層，負責數(shù)據(jù)的路由和尋址，選擇最佳路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標節(jié)點。網(wǎng)絡層的主要功能進行邏輯尋址，選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑，負責數(shù)據(jù)包的路由和轉發(fā)。網(wǎng)絡層的邏輯尋址使用IP地址對網(wǎng)絡節(jié)點進行邏輯標識。網(wǎng)絡層的路由算法選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂?。網(wǎng)絡層的基本概念1數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，包含數(shù)據(jù)部分和控制信息。2IP地址網(wǎng)絡層使用IP地址對網(wǎng)絡節(jié)點進行邏輯標識。3路由器網(wǎng)絡層設備，負責數(shù)據(jù)包的路由和轉發(fā)。4路由表存儲IP地址和路由信息的表格，用于引導數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。5路由算法選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂降乃惴?。網(wǎng)絡層的主要功能邏輯尋址使用IP地址對網(wǎng)絡節(jié)點進行邏輯標識。1路由選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑，將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點路由到目標節(jié)點。2數(shù)據(jù)包轉發(fā)將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到下一個路由器，直到到達目標節(jié)點。3網(wǎng)絡互聯(lián)連接不同的網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸。4網(wǎng)絡層的邏輯尋址IP地址用于識別網(wǎng)絡中的每個節(jié)點，由網(wǎng)絡號和主機號組成，分為IPv4和IPv6兩種版本。子網(wǎng)掩碼用于區(qū)分IP地址中的網(wǎng)絡號和主機號。MAC地址物理地址，用于識別網(wǎng)絡接口卡，由數(shù)據(jù)鏈路層使用。網(wǎng)絡層的路由算法距離矢量路由算法每個路由器維護一個距離矢量表，記錄到其他路由器的距離和下一跳路由器。路由器將自己的距離矢量表發(fā)送給鄰居，并根據(jù)鄰居的距離矢量表更新自己的距離矢量表。鏈路狀態(tài)路由算法每個路由器維護一個鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，記錄到其他路由器的距離和鏈路狀態(tài)。路由器將自己的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫發(fā)送給所有路由器，并根據(jù)所有路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫計算最短路徑。傳輸層傳輸層的基本概念傳輸層是OSI模型的第四層，負責數(shù)據(jù)的可靠傳輸，提供流量控制和差錯控制機制，為應用層提供服務。傳輸層的主要功能進行端口尋址，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?，提供流量控制和差錯控制機制。傳輸層的流量控制控制數(shù)據(jù)傳輸速率，避免數(shù)據(jù)發(fā)送過快，導致接收方來不及處理數(shù)據(jù)。傳輸層的差錯控制確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不發(fā)生錯誤，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。傳輸層的基本概念1端口號用于識別網(wǎng)絡應用程序，每個網(wǎng)絡應用程序都有一個唯一的端口號。2數(shù)據(jù)段傳輸層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，包含數(shù)據(jù)部分和控制信息。3TCP傳輸控制協(xié)議，面向連接、可靠的傳輸協(xié)議。4UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，無連接、不可靠的傳輸協(xié)議。5流量控制控制數(shù)據(jù)傳輸速率，避免數(shù)據(jù)發(fā)送過快，導致接收方來不及處理數(shù)據(jù)。6差錯控制檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。傳輸層的主要功能端口尋址使用端口號識別網(wǎng)絡應用程序。1數(shù)據(jù)傳輸為應用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務，將數(shù)據(jù)從一個應用程序傳輸?shù)搅硪粋€應用程序。2流量控制控制數(shù)據(jù)傳輸速率，避免數(shù)據(jù)發(fā)送過快，導致接收方來不及處理數(shù)據(jù)。3差錯控制檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。4傳輸層的流量控制滑動窗口機制發(fā)送方維護一個滑動窗口，表示可以發(fā)送的數(shù)據(jù)段數(shù)量，接收方維護一個滑動窗口，表示可以接收的數(shù)據(jù)段數(shù)量。發(fā)送方只能發(fā)送窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)段，接收方只能接收窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)段。當窗口大小發(fā)生變化時，窗口會滑動，以控制數(shù)據(jù)傳輸速率。擁塞控制當網(wǎng)絡擁塞時，傳輸層會降低數(shù)據(jù)傳輸速率，以減輕網(wǎng)絡負擔。傳輸層的差錯控制1校驗和在數(shù)據(jù)段中添加一個校驗和，接收方根據(jù)校驗和判斷數(shù)據(jù)是否出錯。只能檢測單個錯誤，不能糾正錯誤。2重傳機制當接收方檢測到數(shù)據(jù)段出錯時，會向發(fā)送方發(fā)送確認信息，要求發(fā)送方重傳該數(shù)據(jù)段。確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。3序列號在數(shù)據(jù)段中添加一個序列號，用于保證數(shù)據(jù)段的順序，避免數(shù)據(jù)段在傳輸過程中丟失或亂序。應用層應用層的基本概念應用層是OSI模型的第七層，直接為用戶提供網(wǎng)絡服務，如電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。應用層的主要功能提供各種網(wǎng)絡服務，如電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等，與用戶進行交互，并將用戶的請求轉換成網(wǎng)絡協(xié)議。常見的應用層協(xié)議HTTP、FTP、SMTP、DNS、Telnet等。應用層的基本概念1網(wǎng)絡應用程序運行在應用層，提供各種網(wǎng)絡服務，如電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。2應用層協(xié)議定義網(wǎng)絡應用程序之間數(shù)據(jù)交換的格式、順序和時序。3用戶接口提供用戶與網(wǎng)絡應用程序交互的界面。4網(wǎng)絡服務應用層提供各種網(wǎng)絡服務，如電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。應用層的主要功能1234用戶交互提供用戶與網(wǎng)絡應用程序交互的界面。數(shù)據(jù)處理對用戶數(shù)據(jù)進行處理，并將用戶的請求轉換成網(wǎng)絡協(xié)議。網(wǎng)絡服務提供各種網(wǎng)絡服務，如電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。協(xié)議轉換將上層協(xié)議轉換成網(wǎng)絡協(xié)議，以便在網(wǎng)絡中傳輸。常見的應用層協(xié)議HTTP協(xié)議超文本傳輸協(xié)議，用于網(wǎng)頁瀏覽，支持網(wǎng)頁的請求和響應。FTP協(xié)議文件傳輸協(xié)議，用于文件上傳和下載，支持文件傳輸?shù)目刂坪蛿?shù)據(jù)傳輸。SMTP協(xié)議簡單郵件傳輸協(xié)議，用于電子郵件的發(fā)送和接收，支持電子郵件的發(fā)送和接收。DNS協(xié)議域名系統(tǒng)協(xié)議，用于將域名解析成IP地址，方便用戶訪問網(wǎng)站。Telnet協(xié)議遠程登錄協(xié)議，用于遠程登錄服務器，支持遠程操作服務器?？偨Y與展望總結計算機網(wǎng)絡技術是現(xiàn)代信息社會的基礎，其發(fā)展推動了信息技術和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。本課程介紹了計算機網(wǎng)絡技術的基礎知識，為進一步學習網(wǎng)絡技術打下了堅實基礎。展望