《层次网络体系结构》课件

层次网络体系结构探讨计算机网络的分层架构设计,涵盖网络参考模型、分层服务功能与协议等。帮助理解网络体系结构的设计原理,掌握分层设计的优点和关键技术。网络体系结构概述定义网络体系结构是描述网络系统结构和功能的概念模型。它定义了网络设备、通信协议和软件之间的关系。分层设计网络体系结构采用分层设计,每一层负责特定的功能,相互独立又相互协作,提高了网络的灵活性和扩展性。参考模型常见的网络体系结构参考模型有OSI参考模型和TCP/IP模型,它们定义了网络通信的标准和规范。层次网络体系结构的特点1分层架构层次网络体系结构将整个网络系统划分为多个层次，每个层次具有独立的功能和接口。2标准化每个层次都有相应的标准协议，确保不同设备和软件之间的互操作性。3封装性上层协议无需了解下层协议的实现细节，可专注于自身的功能实现。4灵活性新的协议和技术可以被无缝集成到现有的层次体系中。层次结构的分类水平分层水平分层划分网络功能,每层专注于特定任务,解耦网络设计。这样可以简化网络架构,提高灵活性。垂直分层垂直分层根据网络设备的功能和位置,将网络划分为核心层、汇聚层和接入层。这种分层可以提高网络的可伸缩性和可管理性。混合分层混合分层结合了水平分层和垂直分层的优点,既有功能性分层,又有位置性分层。这种分层方式最为常见,能够满足各种网络需求。物理层体系结构1物理介质包括电缆、光纤、无线电波等传输媒体2信号特性编码、调制、同步、时序等信号特性3网络拓扑总线、星型、环形等网络拓扑结构4接口标准针对不同物理介质的接口规范物理层是网络体系结构的基础,负责定义物理设备和传输媒体的特性,确保数据能够在物理链路上可靠传输。它涉及信号编码、调制、同步、拓扑结构以及各种接口标准的规定,为上层协议提供可靠、高效的物理传输服务。数据链路层体系结构帧格式数据链路层定义了数据传输的帧格式,包括起始标志、源地址、目标地址等字段。错误检测和纠正使用校验和、奇偶校验等机制检测和纠正传输过程中产生的错误。流量控制采用滑动窗口协议等技术,控制数据发送速率,避免接收端缓存溢出。访问控制以CSMA/CD、CSMA/CA等机制协调多个设备对共享信道的访问。信道复用通过频分复用、时分复用等技术,实现对信道的有效利用。网络层体系结构1路由功能网络层负责在异构网络中找到最佳路径,实现数据包从发送端到接收端的可靠传输。2逻辑寻址网络层定义了逻辑地址体系,如IP地址,用于标识网络中的设备。3分组交换网络层将数据分割为较小的分组,并根据目的地址进行路由和转发。传输层体系结构1多路复用将来自多个应用程序的数据复用到一个通信信道上传输2流量控制防止数据发送方发送过快,超过接收方的处理能力3错误控制检测和纠正传输过程中的错误,确保数据完整性传输层是网络体系结构的关键部分,负责数据的可靠传输。它提供了多路复用、流量控制和错误控制等关键功能,确保数据在网络中的高效、安全传输。这些功能为上层应用提供了稳定的传输服务,支撑了网络的整体运行。会话层体系结构1建立连接会话层负责在通信双方之间建立、维护和同步通信连接。2检查点会话层提供检查点机制,以支持数据恢复和重传。3同步控制会话层控制通信双方的同步,确保数据得以正确传输。会话层是网络体系结构中负责管理通信会话的关键一层。它提供了建立连接、维护连接状态以及同步通信的功能,确保应用层数据能够在端到端之间得到可靠传输。会话层的良好设计是实现网络通信高效性和可靠性的重要基础。表示层体系结构1数据格式转换表示层负责确保不同计算机系统之间的数据可以互相理解和传输。它提供了数据格式转换和编码/解码功能。2数据加密和压缩表示层还负责数据加密和压缩,确保数据在传输过程中的安全性和效率。3应用程序接口表示层定义了应用程序与网络之间的接口,使应用程序能够透明地访问网络服务。应用层体系结构Web浏览应用层提供web浏览、文件传输、电子邮件等常见的网络应用功能。即时通讯应用层支持即时消息传递、视频会议等实时交流应用。远程访问应用层协议如SSH、RDP等实现对远程计算机的安全访问。媒体流传输应用层提供RTSP、RTMP等视频音频流传输服务。OSI参考模型与TCP/IP模型的比较特点OSI参考模型TCP/IP模型层数7层4层标准化由国际标准化组织(ISO)制定,具有较强的规范性由美国国防部制定,较为松散应用范围通用性强,适用于各种网络体系结构专门为互联网设计,主要应用于因特网实现难度较复杂,实现困难相对简单,易于实现分组交换技术利用分组交换的网络结构分组交换网络由多个互连的交换节点组成,数据被分割成多个小分组并分别通过网络传输。这种结构提高了网络的灵活性和可靠性。分组交换的传输原理每个分组都附有目的地址信息,网络设备根据这些信息将分组转发到目的地。这种通过多条路径传输的方式提高了网络的吞吐量。分组交换技术的优势与电路交换相比,分组交换具有更高的资源利用率、更好的可扩展性和更强的容错能力,因此广泛应用于现代互联网等网络中。电路交换技术电路建立在通信过程中,通信双方需先建立专用的物理电路,用于传输信息。这种建立起的物理电路称为电路交换。固定带宽电路交换技术在通信过程中占用固定的带宽资源,即使在信息传输闲置时也会一直占用。可靠性高电路交换技术在通信过程中建立起专用的物理电路,传输信号不会受到干扰,可靠性相对较高。连接建立慢在电路交换技术中,通信双方需要先建立专用电路,这个过程比较耗时,连接建立较慢。消息交换技术概念消息交换技术是一种通信方式,数据在发送方和接收方之间以离散的消息的形式进行传输。这种技术可以支持异步通信,提高系统的可靠性和可扩展性。优势消息交换技术可以实现松耦合的系统架构,提高系统的灵活性和可维护性。同时,它可以确保消息的可靠传输,并提供可靠的队列管理。应用场景这种技术广泛应用于分布式系统、企业应用集成、物联网等领域,可以支持高并发和异步的通信需求。典型协议常见的消息交换协议包括AMQP、MQTT、JMS等,它们提供了消息队列、订阅发布等功能。IP地址分类A类地址第一个字节表示网络号,其余三个字节表示主机号,适用于大型网络。B类地址前两个字节表示网络号,后两个字节表示主机号,适用于中型网络。C类地址前三个字节表示网络号,最后一个字节表示主机号,适用于小型网络。D类地址用于组播,与单播和广播不同,可以同时发往多个目标主机。IP地址路由1主机路由主机之间进行直接通信的路由方式2网络路由将数据包转发到目的网络的路由方式3默认路由当无法找到特定路由时使用的通用路由方式IP地址路由是网络层中实现数据包从源地址传送到目的地址的核心功能。根据IP地址的组成和路由信息的不同，可分为主机路由、网络路由和默认路由等方式。这些路由方式共同构成了网络层的路由机制，确保数据包能够在网络中顺利传输。子网划分确定网络地址根据给定的IP地址和子网掩码,确定网络地址。划分子网将可用的网络地址划分为多个子网,每个子网有独立的网络地址。分配子网掩码对每个子网分配合适的子网掩码,以确定每个子网的主机地址范围。分配IP地址按照子网划分的结果,分配IP地址给每个主机和设备。地址解析协议地址解析协议原理地址解析协议(ARP)用于将IP地址转换为物理地址,通过广播方式在局域网内寻找目标主机的MAC地址。ARP请求和响应主机首先广播ARP请求,待目标主机收到请求后,会单播回一个ARP响应报文,其中包含自己的MAC地址。ARP缓存管理主机将获取的MAC地址存储在ARP缓存表中,下次发送数据时可直接查找,避免重复广播。动态主机配置协议1自动分配IP地址DHCP可以自动为客户端分配IP地址、子网掩码、默认网关等网络参数,减轻网络管理员的负担。2即插即用DHCP支持即插即用功能,用户可以随时连接网络而无需手动配置网络参数。3集中管理DHCP服务器可集中管理IP地址池,动态分配和收回IP地址,提高IP地址利用率。4灵活性强DHCP可根据客户端需求动态分配IP地址,灵活适应网络环境的变化。网际控制报文协议网络诊断ICMP协议用于网络诊断,可以检测网络连通性并排查故障。错误处理ICMP协议可以处理各种网络错误,如目的地不可达、超时等。路由控制ICMP协议通过路由控制消息实现动态路由调整和优化。参数配置ICMP协议提供了网络配置参数的动态设置功能,提高网络灵活性。传输控制协议面向连接的传输协议TCP提供可靠的、面向连接的传输服务,确保数据能正确传输到目标主机。数据段封装格式TCP数据段包含源端口号、目标端口号、序号、确认号等重要控制信息。流量控制机制TCP通过滑动窗口机制实现流量控制,以防止发送方过快而导致接收方缓存溢出。用户数据报协议数据报传输UDP以非连接的方式传输数据报,每个数据报独立送达目的地。无需建立连接,效率高但可靠性较差。不可靠交付UDP不保证数据报一定能到达目的地,也不保证到达的顺序。适用于对实时性要求高的应用。最大数据报长度UDP数据报长度限制为65535字节,超过这个长度将被分片传输。网络服务质量可靠性网络服务必须保证在各种情况下都能正常运行,达到可靠、稳定的目标。响应时间网络服务需要快速响应用户需求,实现即时可用、延迟低的体验。带宽保证网络服务应提供充足的带宽资源,确保数据传输过程中不出现拥塞或丢包。安全性网络服务必须具有防火墙、加密等安全机制,保护用户隐私和数据安全。网络安全概述网络安全的重要性随着信息技术的快速发展,网络安全已经成为社会关注的重点问题,关系到个人隐私、企业利益和国家安全。网络安全威胁网络犯罪、病毒木马、黑客攻击等问题给网络安全带来严重威胁,需要采取有效措施加以防范。网络安全体系通过制定安全策略、建立安全防护机制、实施安全管理流程等手段来构建完善的网络安全体系。安全技术密码技术、防火墙、入侵检测等多种安全技术是应对网络安全威胁的有效手段。身份验证技术密码验证最常见的身份验证方式,用户输入用户名和密码进行身份确认。需定期更改密码以提升安全性。生物特征验证利用个人独有的生物特征如指纹、虹膜、人脸等进行验证。更加安全可靠,但需要额外的硬件设备。令牌验证使用动态令牌生成器产生一次性密码进行验证,增强安全性。但需要配备专门的硬件设备。短信验证码通过手机短信发送一次性验证码进行身份确认。简单易用,但存在被拦截的安全隐患。访问控制技术认证通过验证用户身份来确认其合法性，确保只有授权用户才能访问系统资源。授权根据用户的身份和权限设置,决定其可以访问和操作的系统资源。审计记录用户的访问行为,以便追溯和监控可疑操作。隔离通过物理或逻辑隔离,将不同安全等级的系统资源和用户分开,防止越权访问。加密技术密码学密码学是一门利用数学和计算机科学原理,保护信息安全的技术。它可以确保信息的保密性、完整性和可认证性。对称加密算法对称加密算法使用相同的密钥对数据进行加密和解密,如AES和DES算法。它运算速度快,但需要安全地分发密钥。公钥加密算法公钥加密算法使用一对密钥:公钥用于加密,私钥用于解密。它无需安全地分发密钥,但运算速度较慢。防火墙技术网络防护防火墙是网络安全的第一道防线,能有效阻挡非法访问和恶意流量,保护内部网络安全。数据包过滤