《層次網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)》課件

層次網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)探討計算機網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu)設(shè)計,涵蓋網(wǎng)絡(luò)參考模型、分層服務(wù)功能與協(xié)議等。幫助理解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理,掌握分層設(shè)計的優(yōu)點和關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述定義網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是描述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的概念模型。它定義了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信協(xié)議和軟件之間的關(guān)系。分層設(shè)計網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)采用分層設(shè)計,每一層負責特定的功能,相互獨立又相互協(xié)作,提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴展性。參考模型常見的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)參考模型有OSI參考模型和TCP/IP模型,它們定義了網(wǎng)絡(luò)通信的標準和規(guī)范。層次網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點1分層架構(gòu)層次網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)將整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為多個層次，每個層次具有獨立的功能和接口。2標準化每個層次都有相應(yīng)的標準協(xié)議，確保不同設(shè)備和軟件之間的互操作性。3封裝性上層協(xié)議無需了解下層協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)，可專注于自身的功能實現(xiàn)。4靈活性新的協(xié)議和技術(shù)可以被無縫集成到現(xiàn)有的層次體系中。層次結(jié)構(gòu)的分類水平分層水平分層劃分網(wǎng)絡(luò)功能,每層專注于特定任務(wù),解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。這樣可以簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),提高靈活性。垂直分層垂直分層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能和位置,將網(wǎng)絡(luò)劃分為核心層、匯聚層和接入層。這種分層可以提高網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性和可管理性。混合分層混合分層結(jié)合了水平分層和垂直分層的優(yōu)點,既有功能性分層,又有位置性分層。這種分層方式最為常見,能夠滿足各種網(wǎng)絡(luò)需求。物理層體系結(jié)構(gòu)1物理介質(zhì)包括電纜、光纖、無線電波等傳輸媒體2信號特性編碼、調(diào)制、同步、時序等信號特性3網(wǎng)絡(luò)拓撲總線、星型、環(huán)形等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)4接口標準針對不同物理介質(zhì)的接口規(guī)范物理層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),負責定義物理設(shè)備和傳輸媒體的特性,確保數(shù)據(jù)能夠在物理鏈路上可靠傳輸。它涉及信號編碼、調(diào)制、同步、拓撲結(jié)構(gòu)以及各種接口標準的規(guī)定,為上層協(xié)議提供可靠、高效的物理傳輸服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層體系結(jié)構(gòu)幀格式數(shù)據(jù)鏈路層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?包括起始標志、源地址、目標地址等字段。錯誤檢測和糾正使用校驗和、奇偶校驗等機制檢測和糾正傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤。流量控制采用滑動窗口協(xié)議等技術(shù),控制數(shù)據(jù)發(fā)送速率,避免接收端緩存溢出。訪問控制以CSMA/CD、CSMA/CA等機制協(xié)調(diào)多個設(shè)備對共享信道的訪問。信道復(fù)用通過頻分復(fù)用、時分復(fù)用等技術(shù),實現(xiàn)對信道的有效利用。網(wǎng)絡(luò)層體系結(jié)構(gòu)1路由功能網(wǎng)絡(luò)層負責在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中找到最佳路徑,實現(xiàn)數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端的可靠傳輸。2邏輯尋址網(wǎng)絡(luò)層定義了邏輯地址體系,如IP地址,用于標識網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。3分組交換網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)分割為較小的分組,并根據(jù)目的地址進行路由和轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸層體系結(jié)構(gòu)1多路復(fù)用將來自多個應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)復(fù)用到一個通信信道上傳輸2流量控制防止數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送過快,超過接收方的處理能力3錯誤控制檢測和糾正傳輸過程中的錯誤,確保數(shù)據(jù)完整性傳輸層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分,負責數(shù)據(jù)的可靠傳輸。它提供了多路復(fù)用、流量控制和錯誤控制等關(guān)鍵功能,確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的高效、安全傳輸。這些功能為上層應(yīng)用提供了穩(wěn)定的傳輸服務(wù),支撐了網(wǎng)絡(luò)的整體運行。會話層體系結(jié)構(gòu)1建立連接會話層負責在通信雙方之間建立、維護和同步通信連接。2檢查點會話層提供檢查點機制,以支持數(shù)據(jù)恢復(fù)和重傳。3同步控制會話層控制通信雙方的同步,確保數(shù)據(jù)得以正確傳輸。會話層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中負責管理通信會話的關(guān)鍵一層。它提供了建立連接、維護連接狀態(tài)以及同步通信的功能,確保應(yīng)用層數(shù)據(jù)能夠在端到端之間得到可靠傳輸。會話層的良好設(shè)計是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信高效性和可靠性的重要基礎(chǔ)。表示層體系結(jié)構(gòu)1數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換表示層負責確保不同計算機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)可以互相理解和傳輸。它提供了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和編碼/解碼功能。2數(shù)據(jù)加密和壓縮表示層還負責數(shù)據(jù)加密和壓縮,確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性和效率。3應(yīng)用程序接口表示層定義了應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)之間的接口,使應(yīng)用程序能夠透明地訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。應(yīng)用層體系結(jié)構(gòu)Web瀏覽應(yīng)用層提供web瀏覽、文件傳輸、電子郵件等常見的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能。即時通訊應(yīng)用層支持即時消息傳遞、視頻會議等實時交流應(yīng)用。遠程訪問應(yīng)用層協(xié)議如SSH、RDP等實現(xiàn)對遠程計算機的安全訪問。媒體流傳輸應(yīng)用層提供RTSP、RTMP等視頻音頻流傳輸服務(wù)。OSI參考模型與TCP/IP模型的比較特點OSI參考模型TCP/IP模型層數(shù)7層4層標準化由國際標準化組織(ISO)制定,具有較強的規(guī)范性由美國國防部制定,較為松散應(yīng)用范圍通用性強,適用于各種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)專門為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計,主要應(yīng)用于因特網(wǎng)實現(xiàn)難度較復(fù)雜,實現(xiàn)困難相對簡單,易于實現(xiàn)分組交換技術(shù)利用分組交換的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分組交換網(wǎng)絡(luò)由多個互連的交換節(jié)點組成,數(shù)據(jù)被分割成多個小分組并分別通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。這種結(jié)構(gòu)提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。分組交換的傳輸原理每個分組都附有目的地址信息,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)這些信息將分組轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。這種通過多條路徑傳輸?shù)姆绞教岣吡司W(wǎng)絡(luò)的吞吐量。分組交換技術(shù)的優(yōu)勢與電路交換相比,分組交換具有更高的資源利用率、更好的可擴展性和更強的容錯能力,因此廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)中。電路交換技術(shù)電路建立在通信過程中,通信雙方需先建立專用的物理電路,用于傳輸信息。這種建立起的物理電路稱為電路交換。固定帶寬電路交換技術(shù)在通信過程中占用固定的帶寬資源,即使在信息傳輸閑置時也會一直占用。可靠性高電路交換技術(shù)在通信過程中建立起專用的物理電路,傳輸信號不會受到干擾,可靠性相對較高。連接建立慢在電路交換技術(shù)中,通信雙方需要先建立專用電路,這個過程比較耗時,連接建立較慢。消息交換技術(shù)概念消息交換技術(shù)是一種通信方式,數(shù)據(jù)在發(fā)送方和接收方之間以離散的消息的形式進行傳輸。這種技術(shù)可以支持異步通信,提高系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。優(yōu)勢消息交換技術(shù)可以實現(xiàn)松耦合的系統(tǒng)架構(gòu),提高系統(tǒng)的靈活性和可維護性。同時,它可以確保消息的可靠傳輸,并提供可靠的隊列管理。應(yīng)用場景這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于分布式系統(tǒng)、企業(yè)應(yīng)用集成、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域,可以支持高并發(fā)和異步的通信需求。典型協(xié)議常見的消息交換協(xié)議包括AMQP、MQTT、JMS等,它們提供了消息隊列、訂閱發(fā)布等功能。IP地址分類A類地址第一個字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)號,其余三個字節(jié)表示主機號,適用于大型網(wǎng)絡(luò)。B類地址前兩個字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)號,后兩個字節(jié)表示主機號,適用于中型網(wǎng)絡(luò)。C類地址前三個字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)號,最后一個字節(jié)表示主機號,適用于小型網(wǎng)絡(luò)。D類地址用于組播,與單播和廣播不同,可以同時發(fā)往多個目標主機。IP地址路由1主機路由主機之間進行直接通信的路由方式2網(wǎng)絡(luò)路由將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò)的路由方式3默認路由當無法找到特定路由時使用的通用路由方式IP地址路由是網(wǎng)絡(luò)層中實現(xiàn)數(shù)據(jù)包從源地址傳送到目的地址的核心功能。根據(jù)IP地址的組成和路由信息的不同，可分為主機路由、網(wǎng)絡(luò)路由和默認路由等方式。這些路由方式共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)層的路由機制，確保數(shù)據(jù)包能夠在網(wǎng)絡(luò)中順利傳輸。子網(wǎng)劃分確定網(wǎng)絡(luò)地址根據(jù)給定的IP地址和子網(wǎng)掩碼,確定網(wǎng)絡(luò)地址。劃分子網(wǎng)將可用的網(wǎng)絡(luò)地址劃分為多個子網(wǎng),每個子網(wǎng)有獨立的網(wǎng)絡(luò)地址。分配子網(wǎng)掩碼對每個子網(wǎng)分配合適的子網(wǎng)掩碼,以確定每個子網(wǎng)的主機地址范圍。分配IP地址按照子網(wǎng)劃分的結(jié)果,分配IP地址給每個主機和設(shè)備。地址解析協(xié)議地址解析協(xié)議原理地址解析協(xié)議(ARP)用于將IP地址轉(zhuǎn)換為物理地址,通過廣播方式在局域網(wǎng)內(nèi)尋找目標主機的MAC地址。ARP請求和響應(yīng)主機首先廣播ARP請求,待目標主機收到請求后,會單播回一個ARP響應(yīng)報文,其中包含自己的MAC地址。ARP緩存管理主機將獲取的MAC地址存儲在ARP緩存表中,下次發(fā)送數(shù)據(jù)時可直接查找,避免重復(fù)廣播。動態(tài)主機配置協(xié)議1自動分配IP地址DHCP可以自動為客戶端分配IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù),減輕網(wǎng)絡(luò)管理員的負擔。2即插即用DHCP支持即插即用功能,用戶可以隨時連接網(wǎng)絡(luò)而無需手動配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。3集中管理DHCP服務(wù)器可集中管理IP地址池,動態(tài)分配和收回IP地址,提高IP地址利用率。4靈活性強DHCP可根據(jù)客戶端需求動態(tài)分配IP地址,靈活適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化。網(wǎng)際控制報文協(xié)議網(wǎng)絡(luò)診斷ICMP協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)診斷,可以檢測網(wǎng)絡(luò)連通性并排查故障。錯誤處理ICMP協(xié)議可以處理各種網(wǎng)絡(luò)錯誤,如目的地不可達、超時等。路由控制ICMP協(xié)議通過路由控制消息實現(xiàn)動態(tài)路由調(diào)整和優(yōu)化。參數(shù)配置ICMP協(xié)議提供了網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)的動態(tài)設(shè)置功能,提高網(wǎng)絡(luò)靈活性。傳輸控制協(xié)議面向連接的傳輸協(xié)議TCP提供可靠的、面向連接的傳輸服務(wù),確保數(shù)據(jù)能正確傳輸?shù)侥繕酥鳈C。數(shù)據(jù)段封裝格式TCP數(shù)據(jù)段包含源端口號、目標端口號、序號、確認號等重要控制信息。流量控制機制TCP通過滑動窗口機制實現(xiàn)流量控制,以防止發(fā)送方過快而導(dǎo)致接收方緩存溢出。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議數(shù)據(jù)報傳輸UDP以非連接的方式傳輸數(shù)據(jù)報,每個數(shù)據(jù)報獨立送達目的地。無需建立連接,效率高但可靠性較差。不可靠交付UDP不保證數(shù)據(jù)報一定能到達目的地,也不保證到達的順序。適用于對實時性要求高的應(yīng)用。最大數(shù)據(jù)報長度UDP數(shù)據(jù)報長度限制為65535字節(jié),超過這個長度將被分片傳輸。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量可靠性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)必須保證在各種情況下都能正常運行,達到可靠、穩(wěn)定的目標。響應(yīng)時間網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要快速響應(yīng)用戶需求,實現(xiàn)即時可用、延遲低的體驗。帶寬保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)提供充足的帶寬資源,確保數(shù)據(jù)傳輸過程中不出現(xiàn)擁塞或丟包。安全性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)必須具有防火墻、加密等安全機制,保護用戶隱私和數(shù)據(jù)安全。網(wǎng)絡(luò)安全概述網(wǎng)絡(luò)安全的重要性隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為社會關(guān)注的重點問題,關(guān)系到個人隱私、企業(yè)利益和國家安全。網(wǎng)絡(luò)安全威脅網(wǎng)絡(luò)犯罪、病毒木馬、黑客攻擊等問題給網(wǎng)絡(luò)安全帶來嚴重威脅,需要采取有效措施加以防范。網(wǎng)絡(luò)安全體系通過制定安全策略、建立安全防護機制、實施安全管理流程等手段來構(gòu)建完善的網(wǎng)絡(luò)安全體系。安全技術(shù)密碼技術(shù)、防火墻、入侵檢測等多種安全技術(shù)是應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)安全威脅的有效手段。身份驗證技術(shù)密碼驗證最常見的身份驗證方式,用戶輸入用戶名和密碼進行身份確認。需定期更改密碼以提升安全性。生物特征驗證利用個人獨有的生物特征如指紋、虹膜、人臉等進行驗證。更加安全可靠,但需要額外的硬件設(shè)備。令牌驗證使用動態(tài)令牌生成器產(chǎn)生一次性密碼進行驗證,增強安全性。但需要配備專門的硬件設(shè)備。短信驗證碼通過手機短信發(fā)送一次性驗證碼進行身份確認。簡單易用,但存在被攔截的安全隱患。訪問控制技術(shù)認證通過驗證用戶身份來確認其合法性，確保只有授權(quán)用戶才能訪問系統(tǒng)資源。授權(quán)根據(jù)用戶的身份和權(quán)限設(shè)置,決定其可以訪問和操作的系統(tǒng)資源。審計記錄用戶的訪問行為,以便追溯和監(jiān)控可疑操作。隔離通過物理或邏輯隔離,將不同安全等級的系統(tǒng)資源和用戶分開,防止越權(quán)訪問。加密技術(shù)密碼學(xué)密碼學(xué)是一門利用數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)原理,保護信息安全的技術(shù)。它可以確保信息的保密性、完整性和可認證性。對稱加密算法對稱加密算法使用相同的密鑰對數(shù)據(jù)進行加密和解密,如AES和DES算法。它運算速度快,但需要安全地分發(fā)密鑰。公鑰加密算法公鑰加密算法使用一對密鑰:公鑰用于加密,私鑰用于解密。它無需安全地分發(fā)密鑰,但運算速度較慢。防火墻技術(shù)網(wǎng)絡(luò)防護防火墻是網(wǎng)絡(luò)安全的第一道防線,能有效阻擋非法訪問和惡意流量,保護內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全。數(shù)據(jù)包過濾