【大學(xué)課件】計算機網(wǎng)絡(luò)與通信

計算機網(wǎng)絡(luò)與通信本課程將帶您深入了解計算機網(wǎng)絡(luò)和通信的奧秘，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到網(wǎng)絡(luò)安全，為您構(gòu)建堅實的網(wǎng)絡(luò)知識基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)概述互聯(lián)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)由多個設(shè)備組成，例如計算機、手機、服務(wù)器等，通過通信線路相互連接。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)允許設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過各種協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。資源共享網(wǎng)絡(luò)可以共享硬件資源，例如打印機、存儲設(shè)備，以及軟件資源，例如應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)的定義相互連接的設(shè)備集合，用于數(shù)據(jù)交換。通過通信線路和協(xié)議，設(shè)備之間共享信息。支持不同類型的數(shù)據(jù)傳輸，如文字、圖像、音頻等。網(wǎng)絡(luò)分類和特點按范圍分類局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、城域網(wǎng)(MAN)按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類總線型、星型、環(huán)型、樹型、網(wǎng)狀型按傳輸介質(zhì)分類有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)按網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分類TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、OSI網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的藍(lán)圖，它描述了網(wǎng)絡(luò)的組織方式和各組件之間的交互關(guān)系。合理的體系結(jié)構(gòu)可以提升網(wǎng)絡(luò)性能、可靠性和可擴展性，方便網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)。OSI參考模型1物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)上的傳輸，定義了信號的電氣特性、機械特性和過程特性。2數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在兩個相鄰節(jié)點之間建立、維護(hù)和拆除連接，并確保數(shù)據(jù)幀的可靠傳輸。3網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，并提供尋址和數(shù)據(jù)包分割功能。4傳輸層負(fù)責(zé)端到端的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)流控制，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。5會話層負(fù)責(zé)在應(yīng)用程序之間建立、管理和終止會話，并提供對話控制功能。6表示層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和編碼，以及數(shù)據(jù)的加密和解密，以保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的安全性和完整性。7應(yīng)用層負(fù)責(zé)向用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括電子郵件、文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽等。TCP/IP協(xié)議棧傳輸控制協(xié)議(TCP)面向連接的協(xié)議，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)無連接的協(xié)議，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由物理層數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)傳輸介質(zhì)、信號編碼、數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)字傳輸技術(shù)脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖編碼調(diào)制（PCM）物理層設(shè)備集線器、中繼器、網(wǎng)卡數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)通信涉及信息的傳輸，包括數(shù)字信號和模擬信號。數(shù)字信號由離散的電平表示，而模擬信號則連續(xù)變化。通信介質(zhì)常見的通信介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜、光纖和無線電波。每種介質(zhì)具有不同的特性，如帶寬、抗干擾能力和傳輸距離。編碼和調(diào)制編碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男盘?，而調(diào)制則將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，以便通過模擬介質(zhì)傳輸。數(shù)字傳輸技術(shù)1數(shù)字信號數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號表示，每個信號代表一個離散值。2編碼數(shù)字信號通過編碼轉(zhuǎn)換成適合在物理介質(zhì)上傳輸?shù)男问健?調(diào)制編碼后的數(shù)字信號調(diào)制到載波信號上，以方便傳輸。4解調(diào)接收端解調(diào)信號，恢復(fù)原始的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。物理層設(shè)備集線器最簡單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將多個設(shè)備連接到同一個網(wǎng)絡(luò)。交換機學(xué)習(xí)并記錄設(shè)備的MAC地址，實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。路由器連接不同網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)路由表選擇最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在相鄰節(jié)點之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)幀，構(gòu)建局域網(wǎng)。通過MAC地址進(jìn)行物理尋址，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的直接通信。幀格式幀頭：包含源地址、目標(biāo)地址、幀類型等信息。數(shù)據(jù)字段：包含網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)，例如IP數(shù)據(jù)報。幀尾：包含CRC校驗碼，用于檢測傳輸過程中的錯誤。錯誤檢測和糾正奇偶校驗最簡單的錯誤檢測方法，通過添加一個額外的奇偶校驗位來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生錯誤。循環(huán)冗余校驗更強大的錯誤檢測方法，使用多項式除法生成校驗碼，并能檢測出多種類型的錯誤。糾錯碼不僅可以檢測錯誤，還能根據(jù)校驗碼修復(fù)部分錯誤，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＞钟蚓W(wǎng)技術(shù)以太網(wǎng)以太網(wǎng)是最常見的局域網(wǎng)技術(shù)，使用銅纜或光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)使用無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提供靈活性和移動性。光纖網(wǎng)絡(luò)光纖網(wǎng)絡(luò)使用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提供更高的帶寬和更長的傳輸距離。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的第三層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從源主機傳輸?shù)侥繕?biāo)主機。它主要負(fù)責(zé)以下功能：1數(shù)據(jù)包路由根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址將數(shù)據(jù)包發(fā)送到正確的目的地。2網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換將邏輯地址（IP地址）轉(zhuǎn)換為物理地址（MAC地址）。3數(shù)據(jù)包分片和重組將過大的數(shù)據(jù)包拆分成多個數(shù)據(jù)片，并在目的地進(jìn)行重組。IP協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，定義了網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包格式。尋址系統(tǒng)IP地址是用來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的唯一標(biāo)識符。路由機制IP協(xié)議通過路由器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞。路由算法1最短路徑算法例如Dijkstra算法，尋找網(wǎng)絡(luò)中兩點之間的最短路徑，以優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路線。2距離矢量算法例如RIP協(xié)議，每個路由器都維護(hù)一個距離矢量，記錄到其他路由器的距離，并通過廣播方式進(jìn)行更新。3鏈路狀態(tài)算法例如OSPF協(xié)議，每個路由器都維護(hù)一個完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，通過鏈路狀態(tài)信息來計算最佳路徑。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備路由器連接不同網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)路由表決定數(shù)據(jù)包的最佳路徑。交換機連接同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。防火墻控制網(wǎng)絡(luò)流量，阻止非法訪問，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。傳輸層傳輸層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的第四層，它負(fù)責(zé)在端到端之間提供可靠的通信服務(wù)。端到端通信傳輸層直接與應(yīng)用程序進(jìn)行交互，為它們提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分段和重組。流量控制傳輸層負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)傳輸速率，防止接收端被過多的數(shù)據(jù)淹沒。錯誤控制傳輸層確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有丟失或損壞，并負(fù)責(zé)重傳丟失的數(shù)據(jù)。端到端通信數(shù)據(jù)流傳輸層負(fù)責(zé)將來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)分成數(shù)據(jù)包，并將其傳送到網(wǎng)絡(luò)層?？煽總鬏攤鬏攲訁f(xié)議確保數(shù)據(jù)包按順序到達(dá)目的地，并處理數(shù)據(jù)包丟失或損壞的情況。端口號傳輸層使用端口號來標(biāo)識不同的應(yīng)用程序，以便數(shù)據(jù)包可以正確地路由到目標(biāo)應(yīng)用程序。TCP協(xié)議1可靠傳輸TCP確保數(shù)據(jù)可靠傳遞，解決網(wǎng)絡(luò)丟包問題。2面向連接建立連接才能傳輸數(shù)據(jù)，確?？煽客ㄐ?。3流量控制避免接收方數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出，提高傳輸效率。UDP協(xié)議無連接UDP不建立連接，數(shù)據(jù)包直接發(fā)送，速度快，適合實時應(yīng)用。不可靠UDP不保證數(shù)據(jù)包到達(dá)，可能丟失，適合對數(shù)據(jù)可靠性要求不高的應(yīng)用。應(yīng)用層應(yīng)用層是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中最靠近用戶的一層，提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的服務(wù)。電子郵件SMTP,POP3,IMAP網(wǎng)頁瀏覽HTTP,HTTPS文件傳輸FTP,TFTPDNS域名解析將域名轉(zhuǎn)換為IP地址，方便計算機識別和訪問。網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)利用層次結(jié)構(gòu)管理域名，提高域名管理效率。全球分布分布在全球各地的DNS服務(wù)器，確保域名解析的快速和穩(wěn)定性。HTTP瀏覽器與服務(wù)器HTTP協(xié)議用于瀏覽器與服務(wù)器之間通信，是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的核心。請求與響應(yīng)瀏覽器發(fā)送請求，服務(wù)器返回響應(yīng)，實現(xiàn)信息交換。協(xié)議層HTTP建立在TCP協(xié)議之上，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。電子郵件協(xié)議SMTP簡單郵件傳輸協(xié)議，用于發(fā)送電子郵件。POP3郵局協(xié)議，用于接收電子郵件。IMAP互聯(lián)網(wǎng)郵件訪問協(xié)議，用于管理電子郵件。無線及移動網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)是指使用無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。移動網(wǎng)絡(luò)是指使用無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，并且能夠在移動設(shè)備之間進(jìn)行通信。無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點靈活性和便攜性成本效益覆蓋范圍廣移動網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點隨時隨地連接移動數(shù)據(jù)傳輸多種應(yīng)用服務(wù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍蜂窩網(wǎng)絡(luò)利用多個基站覆蓋廣闊區(qū)域，提供廣泛的無線通信服務(wù)。頻率復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用頻率復(fù)用技術(shù)，將有限的無線頻譜資源分配給多個用戶，提高頻譜利用率。移動性用戶可以在移動過程中保持連接，系統(tǒng)會自動切換到信號最強的基站。無線局域網(wǎng)無線路由器無線路由器負(fù)責(zé)將互聯(lián)網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換為無線信號，并將無線信號廣播到附近的設(shè)備。無線網(wǎng)絡(luò)適配器大多數(shù)筆記本電腦和手機都內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)適配器，用于接收無線信號并連接到互聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用場景無線局域網(wǎng)在家庭、辦公室、學(xué)校、咖啡館等各種場所廣泛應(yīng)用，方便人們隨時隨地訪問互聯(lián)網(wǎng)。移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)12GGSM、CDMA、TDMA等技術(shù)，主要用于語音通話和短信服務(wù)。23GWCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等技術(shù)，提供更高速率的數(shù)據(jù)傳輸，支持互聯(lián)網(wǎng)接入。34GLTE、WiMAX等技術(shù)，實現(xiàn)高速率、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，支持高清視頻通話和在線游戲。45G提供超高速率、超低延遲和高容量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，支持物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等新應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)安全是保護(hù)計算機網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)資源免受未經(jīng)授權(quán)的訪問、使用、披露、破壞、修改或拒絕服務(wù)的實踐。1數(shù)據(jù)泄露未經(jīng)授權(quán)訪問或披露敏感信息，例如個人數(shù)據(jù)或商業(yè)機密。2惡意軟件攻擊病毒、蠕蟲、木馬等惡意軟件，可導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)崩潰或性能下降。3拒絕服務(wù)攻擊通過向目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)送大量請求，使其無法正常提供服務(wù)。安全威脅病毒惡意軟件，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)崩潰。黑客攻擊未經(jīng)授權(quán)訪問網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)，可能竊取敏感信息。間諜活動收集信息，用于競爭或政治目的，可能損害國家安全。安全機制防