計(jì)算機(jī)科學(xué)北京大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件

北京大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程本課程將帶領(lǐng)您深入了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的原理、技術(shù)和應(yīng)用。從網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全，以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，我們將全面探索網(wǎng)絡(luò)世界。網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)和信號(hào)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝和解封裝，以及網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸和可靠性控制。物理層基礎(chǔ)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(hào)編碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或光信號(hào)以便在傳輸介質(zhì)上傳輸。3物理層接口連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與傳輸介質(zhì)的接口，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(gè)網(wǎng)絡(luò)接口卡的唯一標(biāo)識(shí)，用于在局域網(wǎng)中識(shí)別設(shè)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(lèi)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP地址用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)中的唯一地址。IP協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。子網(wǎng)掩碼用于區(qū)分網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的劃分。路由協(xié)議用于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，?shí)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(wù)。2UDP協(xié)議無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，提供快速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，但不可靠。3端口號(hào)用于區(qū)分不同的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的訪問(wèn)。應(yīng)用層協(xié)議HTTP協(xié)議用于網(wǎng)頁(yè)瀏覽，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的通信。FTP協(xié)議用于文件傳輸，實(shí)現(xiàn)文件上傳和下載。SMTP協(xié)議用于電子郵件發(fā)送，實(shí)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(luò)地址1IP地址用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的唯一地址。2私有地址用于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，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(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)。4域名用于方便記憶的網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1路由器用于連接不同的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。2交換機(jī)用于連接局域網(wǎng)中的設(shè)備，實(shí)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(luò)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。4防火墻用于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，阻止來(lái)自外部的攻擊。路由算法1距離向量算法每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)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(gè)路由器維護(hù)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，記錄所有路由器的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)攻擊包括病毒、木馬、蠕蟲(chóng)、DDoS攻擊等，危害網(wǎng)絡(luò)安全。安全措施包括防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)、安全策略等，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理性能監(jiān)控監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量、帶寬利用率、延遲等指標(biāo)，確保網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。故障診斷定位網(wǎng)絡(luò)故障，進(jìn)行故障排除和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。安全管理制定安全策略，配置防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)等安全設(shè)備，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，給網(wǎng)絡(luò)管理帶來(lái)挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)攻擊不斷升級(jí)，給網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。技術(shù)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，需要不斷學(xué)習(xí)和更新，跟上時(shí)代步伐。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)15G網(wǎng)絡(luò)提供高速率、低延遲、高可靠性的移動(dòng)通信服務(wù)。2云計(jì)算將計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等集中管理，提供靈活的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。3物聯(lián)網(wǎng)將各種設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。4人工智能利用人工智能技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，提高網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)客戶-服務(wù)器模型客戶端向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)，服務(wù)器提供服務(wù)。對(duì)等模型網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(wù)器模型和對(duì)等模型，實(shí)現(xiàn)更靈活的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切屯負(fù)渌泄?jié)點(diǎn)都連接到一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，例如集線器或交換機(jī)?？偩€型拓?fù)渌泄?jié)點(diǎn)都連接到一條公共的總線上，數(shù)據(jù)廣播到所有節(jié)點(diǎn)。環(huán)型拓?fù)渌泄?jié)點(diǎn)都連接到一個(gè)閉合的環(huán)上，數(shù)據(jù)沿著環(huán)路傳輸。網(wǎng)狀拓?fù)涿總€(gè)節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)接口1物理接口連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與傳輸介質(zhì)的接口，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。2邏輯接口網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件接口，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理。幀格式前導(dǎo)碼用于同步發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘。幀起始符標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。目的MAC地址接收數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)接口卡的地址。源MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。ARP請(qǐng)求當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)，首先發(fā)送ARP請(qǐng)求，查詢目標(biāo)設(shè)備的MAC地址。ARP響應(yīng)目標(biāo)設(shè)備收到ARP請(qǐng)求后，會(huì)發(fā)送ARP響應(yīng)，告知自己的MAC地址。IP協(xié)議1網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。2IP地址用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)中的唯一地址。3數(shù)據(jù)報(bào)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(zhǎng)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(hù)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(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的跨域路由。流控制1滑動(dòng)窗口發(fā)送端維護(hù)一個(gè)滑動(dòng)窗口，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?流量整形對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行整形，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎湍Ｊ健?流量監(jiān)管對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行監(jiān)管，識(shí)別和控制異常流量。擁塞控制慢啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，降低數(shù)據(jù)傳輸速率，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞加劇。快速重傳網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，快速重傳丟失的數(shù)據(jù)包，提高網(wǎng)絡(luò)效率。擁塞避免通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸速率的調(diào)整，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。DNS服務(wù)域名系統(tǒng)用于將域名轉(zhuǎn)換為IP地址，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的訪問(wèn)。域名解析過(guò)程客戶端發(fā)送域名解析請(qǐng)求到DNS服務(wù)器，DNS服務(wù)器查找域名對(duì)應(yīng)的IP地址，并返回給客戶端。DNS緩存DNS服務(wù)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(yè)瀏覽，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的通信。2請(qǐng)求-響應(yīng)模型客戶端發(fā)送請(qǐng)求到服務(wù)器，服務(wù)器返回響應(yīng)給客戶端。3狀態(tài)碼服務(wù)器返回的響應(yīng)狀態(tài)碼，用于指示請(qǐng)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(shí)現(xiàn)文件上傳和下載?？刂七B接用于建立連接、發(fā)送命令、接收響應(yīng)。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(shí)現(xiàn)電子郵件的傳輸。POP3協(xié)議用于電子郵件接收，實(shí)現(xiàn)電子郵件的下載。IMAP協(xié)議用于電子郵件接收，實(shí)現(xiàn)電子郵件的管理。網(wǎng)絡(luò)編程1套接字編程使用套接字接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。2網(wǎng)絡(luò)庫(kù)使用網(wǎng)絡(luò)庫(kù)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)編程，提供更高層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。3網(wǎng)絡(luò)框架使用網(wǎng)絡(luò)框架構(gòu)