計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的原理

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的原理演講人：日期：CATALOGUE目錄計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述01定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由多臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)通過(guò)通信設(shè)備和線路連接起來(lái)，在軟件支持下實(shí)現(xiàn)資源共享和數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。發(fā)展歷程從20世紀(jì)60年代的ARPANET到如今的Internet，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)、從低速到高速、從單一數(shù)據(jù)通信到多媒體通信的發(fā)展歷程。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義與發(fā)展

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本組成網(wǎng)絡(luò)硬件包括計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、傳輸介質(zhì)等。網(wǎng)絡(luò)軟件包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理軟件等。網(wǎng)絡(luò)資源包括數(shù)據(jù)、軟件、硬件等共享資源。123局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）。按地理范圍分類(lèi)有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。按傳輸介質(zhì)分類(lèi)星型網(wǎng)絡(luò)、總線型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等。按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類(lèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)02負(fù)責(zé)傳輸比特流，提供為建立、維護(hù)和拆除物理鏈路所需要的機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。物理層負(fù)責(zé)將比特組合成字節(jié)，再將字節(jié)組合成幀，使用鏈路層地址（以太網(wǎng)使用MAC地址）來(lái)訪問(wèn)介質(zhì)，并進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址，并決定如何將數(shù)據(jù)從發(fā)送方路由到接收方。網(wǎng)絡(luò)層OSI七層模型ABCDOSI七層模型傳輸層提供端到端的通信服務(wù)，確保數(shù)據(jù)在發(fā)送方和接收方之間的可靠傳輸。表示層負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和轉(zhuǎn)換，以確保發(fā)送方和接收方之間的數(shù)據(jù)格式一致。會(huì)話層負(fù)責(zé)建立、管理和終止會(huì)話。應(yīng)用層為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。TCP/IP四層模型網(wǎng)絡(luò)接口層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層對(duì)應(yīng)于OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。對(duì)應(yīng)于OSI的網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址，并決定如何將數(shù)據(jù)從發(fā)送方路由到接收方。對(duì)應(yīng)于OSI的傳輸層，提供端到端的通信服務(wù)，確保數(shù)據(jù)在發(fā)送方和接收方之間的可靠傳輸。對(duì)應(yīng)于OSI的會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。物理層負(fù)責(zé)傳輸比特流，提供為建立、維護(hù)和拆除物理鏈路所需要的機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。負(fù)責(zé)將比特組合成字節(jié)，再將字節(jié)組合成幀，使用鏈路層地址（以太網(wǎng)使用MAC地址）來(lái)訪問(wèn)介質(zhì)，并進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址，并決定如何將數(shù)據(jù)從發(fā)送方路由到接收方。該層協(xié)議包括IP、ICMP、IGMP等。提供端到端的通信服務(wù)，確保數(shù)據(jù)在發(fā)送方和接收方之間的可靠傳輸。該層協(xié)議包括TCP、UDP等。為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。該層協(xié)議包括HTTP、FTP、SMTP、DNS等。數(shù)據(jù)鏈路層傳輸層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層五層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物理層03物理層的主要功能為數(shù)據(jù)端設(shè)備提供傳送數(shù)據(jù)的通路；傳輸數(shù)據(jù)，物理層要形成適合數(shù)據(jù)傳輸需要的實(shí)體，為數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。物理層的定義物理層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的最底層，負(fù)責(zé)建立、管理和釋放物理連接，實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸。物理層的服務(wù)物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù)，其主要服務(wù)包括物理連接、物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元傳輸、物理層管理等。物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型01包括信源、信宿、信道、發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備等部分，描述了數(shù)據(jù)通信的基本過(guò)程。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)02模擬信號(hào)是連續(xù)變化的電磁波，數(shù)字信號(hào)則是離散的電信號(hào)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理的是數(shù)字信號(hào)，而傳輸時(shí)通常需要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸。調(diào)制與解調(diào)03調(diào)制是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程，解調(diào)則是將模擬信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。常見(jiàn)的調(diào)制方式有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制等。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)物理層設(shè)備主要包括中繼器、集線器等，用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)距離和連接多個(gè)設(shè)備。傳輸介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜、光纖等，用于在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。工作方式物理層設(shè)備通過(guò)接口與數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。在傳輸過(guò)程中，物理層設(shè)備會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形等處理，以確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。同時(shí)，物理層設(shè)備還會(huì)對(duì)傳輸介質(zhì)進(jìn)行管理，如檢測(cè)介質(zhì)故障、維護(hù)介質(zhì)連接等。物理層設(shè)備與工作方式數(shù)據(jù)鏈路層04數(shù)據(jù)鏈路層是OSI七層模型中的第二層，負(fù)責(zé)在物理層提供的比特流的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立數(shù)據(jù)鏈路連接，進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的定義數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能包括數(shù)據(jù)鏈路連接的建立、維持和釋放，以及數(shù)據(jù)幀的傳輸和流量控制、差錯(cuò)控制等。數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備主要包括網(wǎng)卡、網(wǎng)橋和交換機(jī)等。數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念流量控制是數(shù)據(jù)鏈路層的一項(xiàng)重要功能，用于防止發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率超過(guò)接收方的處理能力，從而避免數(shù)據(jù)丟失或溢出。常見(jiàn)的流量控制方法包括停止-等待協(xié)議、滑動(dòng)窗口協(xié)議等。流量控制差錯(cuò)控制是數(shù)據(jù)鏈路層的另一項(xiàng)重要功能，用于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。常見(jiàn)的差錯(cuò)控制方法包括奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）等。差錯(cuò)控制流量控制與差錯(cuò)控制PPP協(xié)議PPP（Point-to-PointProtocol）協(xié)議是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，主要用于撥號(hào)上網(wǎng)等場(chǎng)景。PPP協(xié)議具有簡(jiǎn)單、靈活、可配置等優(yōu)點(diǎn)，支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。HDLC協(xié)議HDLC（High-LevelDataLinkControl）協(xié)議是一種高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，主要用于廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸。HDLC協(xié)議具有高效、可靠、安全等特點(diǎn)，支持多種數(shù)據(jù)傳輸模式。以太網(wǎng)協(xié)議以太網(wǎng)協(xié)議是一種局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，廣泛應(yīng)用于企業(yè)、學(xué)校等場(chǎng)景。以太網(wǎng)協(xié)議具有簡(jiǎn)單、高效、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，支持多種傳輸介質(zhì)和傳輸速率。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議舉例網(wǎng)絡(luò)層0503IP協(xié)議的作用IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議，負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)分配IP地址，實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間的通信。01網(wǎng)絡(luò)層的功能網(wǎng)絡(luò)層是OSI七層模型中的第三層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。02路由器的工作原理路由器是網(wǎng)絡(luò)層的核心設(shè)備，根據(jù)路由表信息進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇。網(wǎng)絡(luò)層的基本概念靜態(tài)路由與動(dòng)態(tài)路由靜態(tài)路由是手動(dòng)配置的路由信息，而動(dòng)態(tài)路由是通過(guò)路由協(xié)議自動(dòng)學(xué)習(xí)和更新路由信息。常見(jiàn)的路由協(xié)議常見(jiàn)的路由協(xié)議包括RIP、OSPF、BGP等，分別適用于不同規(guī)模和類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)。路由選擇算法常見(jiàn)的路由選擇算法包括最短路徑算法、洪泛算法、距離矢量算法等，用于確定數(shù)據(jù)包從源主機(jī)到目的主機(jī)的最佳路徑。路由選擇算法與路由協(xié)議IPv4與IPv6地址結(jié)構(gòu)IPv4地址由32位二進(jìn)制數(shù)表示，分為4個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)之間用點(diǎn)分隔。IPv4地址分為五類(lèi)，分別是A、B、C、D、E類(lèi)。IPv6地址結(jié)構(gòu)IPv6地址由128位二進(jìn)制數(shù)表示，采用16進(jìn)制表示法，分為8組，每組之間用冒號(hào)分隔。IPv6地址具有更大的地址空間和更高的安全性。IPv4與IPv6的過(guò)渡技術(shù)為了解決IPv4地址耗盡的問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)向IPv6的過(guò)渡，出現(xiàn)了多種過(guò)渡技術(shù)，如雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)、NAT技術(shù)等。IPv4地址結(jié)構(gòu)傳輸層06010203傳輸層的功能傳輸層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵層次之一，主要負(fù)責(zé)向兩個(gè)主機(jī)中運(yùn)行的應(yīng)用進(jìn)程提供通信服務(wù)。它使用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)，將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)報(bào)文封裝成傳輸層的數(shù)據(jù)報(bào)文，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行傳輸。端口的概念端口是傳輸層協(xié)議用來(lái)識(shí)別應(yīng)用進(jìn)程的標(biāo)識(shí)，不同的應(yīng)用進(jìn)程通過(guò)不同的端口號(hào)進(jìn)行區(qū)分。端口號(hào)是一個(gè)16位的數(shù)字，其取值范圍是0~65535。傳輸層協(xié)議傳輸層主要有兩個(gè)協(xié)議，分別是傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。TCP協(xié)議提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而UDP協(xié)議則提供無(wú)連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。傳輸層的基本概念TCP協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。它在通信過(guò)程中管理數(shù)據(jù)段的排序和流量控制，以確保數(shù)據(jù)能夠可靠地傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)。TCP協(xié)議的特點(diǎn)TCP的連接建立過(guò)程包括三次握手，即SYN、SYN+ACK和ACK三個(gè)步驟。在連接建立之后，TCP協(xié)議就可以開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。TCP的連接建立過(guò)程TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)分成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)段都包含一個(gè)序號(hào)和確認(rèn)號(hào)，以確保數(shù)據(jù)的順序和完整性。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，TCP協(xié)議還使用滑動(dòng)窗口機(jī)制進(jìn)行流量控制和擁塞控制。TCP的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程TCP的連接釋放過(guò)程包括四次揮手，即FIN、ACK、FIN和ACK四個(gè)步驟。在連接釋放之后，TCP協(xié)議將釋放相關(guān)的資源。TCP的連接釋放過(guò)程TCP協(xié)議詳解要點(diǎn)三UDP協(xié)議的特點(diǎn)UDP協(xié)議是一種無(wú)連接的、不可靠的、基于數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層通信協(xié)議。它不保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，也不進(jìn)行數(shù)據(jù)的排序和流量控制。要點(diǎn)一要點(diǎn)二UDP的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都包含發(fā)送端和接收端的端口號(hào)以及數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，UDP協(xié)議不進(jìn)行數(shù)據(jù)的確認(rèn)和重傳，因此可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或亂序的情況。UDP的應(yīng)用場(chǎng)景由于UDP協(xié)議具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，因此它通常被用于一些實(shí)時(shí)性要求較高或者對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景，如音視頻通話、實(shí)時(shí)游戲等。要點(diǎn)三UDP協(xié)議詳解應(yīng)用層07應(yīng)用層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的最高層，負(fù)責(zé)直接為用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。應(yīng)用層協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)程間通信的規(guī)則和約定，包括消息格式、通信方式和通信過(guò)程等。常見(jiàn)的應(yīng)用層協(xié)議有HTTP、FTP、SMTP、DNS等，分別用于Web瀏覽、文件傳輸、電子郵件和域名解析等。應(yīng)用層的基本概念DNS域名系統(tǒng)是一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，用于將用戶可讀的域名轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的IP地址。DNS解析過(guò)程包括遞歸查詢(xún)和迭代查詢(xún)兩種方式，通常由本地DNS服務(wù)器發(fā)起查詢(xún)請(qǐng)求。DNS服務(wù)器之間通過(guò)高速緩存和相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)域名解析的高效和可靠性。DNS域名系統(tǒng)解析過(guò)程HTTP協(xié)議詳解及Web應(yīng)用HTTP協(xié)議是一種無(wú)狀態(tài)的、基于請(qǐng)求/響