《网络体系结构》课件

网络体系结构网络体系结构是指构成网络系统的各种硬件和软件组件以及它们之间的关系。了解网络的体系结构有助于我们更好地理解网络的工作原理和设计方式。课程简介系统性本课程从网络体系结构的整体结构出发,采用自上而下的方式,全面介绍了网络层次结构的各个层次的功能、协议和技术。实用性课程内容紧密结合实际应用,涵盖了从局域网到广域网、从有线到无线等各种网络技术,为学生进入网络工程领域奠定基础。前沿性课程重点关注当前最新的网络技术发展趋势,包括云计算、软件定义网络、5G等前沿领域,让学生了解网络技术的未来走向。网络的定义和分类网络概念网络是互联的计算机和其他设备的集合,通过通信媒体和协议实现信息交换和资源共享。网络拓扑网络拓扑指网络中节点和链路的几何排列方式,决定了信息传输的方式和效率。网络分类按传输介质、覆盖范围、用途等维度可将网络划分为局域网、广域网、无线网络等不同类型。网络拓扑结构网络拓扑结构描述了网络中各种网络设备和链路的物理布局。常见的拓扑结构有总线型、星型、环型、网状型等。每种拓扑结构都有其独特的特点,适用于不同的应用场景。正确选择网络拓扑结构对网络的可靠性、扩展性和管理效率有重要影响。网络体系结构的分层模型1分层设计网络体系结构采用分层模型,将复杂的网络功能划分为独立的层级,提高了系统的模块化和可扩展性。2标准化接口各层之间通过标准化接口进行交互,使得不同层级的实现可以独立进行,提高了灵活性。3功能隔离分层模型将网络功能划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等,各层之间相互独立。物理层信号传输物理层负责在网络节点之间传输比特流,定义了电气、机械、功能和程序特性。物理接口物理层定义了数据链路层和物理设备之间的物理连接,如连接器、电缆、接口标准等。编码与调制物理层将数字信号转换为适合传输介质的模拟信号,采用编码和调制技术。同步与时序物理层保证接收方能够正确识别和解码发送方传输的数据比特流。数据链路层1帧格式化数据链路层将上层传输的数据封装成帧,包括添加帧头和帧尾等信息。2错误检测与纠正使用校验和等机制,检测和纠正在传输过程中产生的错误。3访问控制当多个设备共享同一个信道时,需要进行媒体访问控制,如CSMA/CD。4流量控制防止发送方发送数据过快,导致接收方来不及处理而丢失数据。网络层定义网络层是整个计算机网络体系结构中最关键的一层,负责数据包在不同网络间的路径选择和转发。它采用IP协议,是internet的核心所在。功能网络层主要负责逻辑地址寻址、路由选择、数据包转发等功能,确保数据包能够顺利抵达目的地。IP协议IP协议是网络层的主要协议,提供了无连接的数据报传输服务。IP地址是逻辑地址,用于标识网络中的主机。路由协议网络层还包括一些主要的路由协议,如RIP、OSPF和BGP,用于计算最佳转发路径并实现数据包的转发。传输层可靠性传输层负责确保数据能够准确无误地从源头传输到目的地。流控制传输层提供流控制机制,防止发送方过快导致接收方处理不过来。多路复用传输层支持同时传输多个应用程序数据,实现网络资源的高效利用。错误控制传输层提供差错检测和纠正机制,确保数据完整性。会话层会话控制会话层负责建立、维护和同步通信会话。它提供了检查点、恢复和重启机制,确保数据传输的完整性。对话同步会话层协调通信双方的活动,确保双方以正确的顺序交换数据,防止数据丢失或重复。会话管理会话层管理通信会话的状态,跟踪连接的开始、中间状态和结束,为上层应用提供可靠的通信环境。安全性会话层提供加密和认证机制,保护通信内容不被窃取或篡改。表示层数据格式表示层负责处理不同应用程序之间数据格式的转换和解码。它确保数据格式的标准化和兼容性。加解密表示层负责提供数据加密和解密功能,确保网络通信的安全性。数据压缩表示层可对数据进行压缩和解压缩,提高传输效率和网络带宽利用率。应用层1Web浏览应用层协议HTTP/HTTPS用于互联网中的内容浏览和传输。2电子邮件SMTP/POP3/IMAP等协议确保电子邮件在全球范围内高效传输。3即时通讯应用层协议SIP/XMPP/MQTT用于实现实时的聊天和消息传递。4文件传输FTP/TFTP等协议提供可靠的文件上传和下载服务。TCP/IP协议簇协议分层TCP/IP协议簇采用分层设计,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,各层负责不同的功能。协议标准TCP/IP协议簇涵盖了一系列标准化的协议,如IP、TCP、UDP、HTTP、SMTP等,广泛应用于互联网。网络通信TCP/IP协议簇提供了端到端的网络通信服务,确保数据在互联网上的可靠、无误传输。物理层协议标准OSI物理层标准IEEE802.3有线以太网标准IEEE802.11无线LAN标准定义了网络硬件的物理特性,如电压、频率、信号等参数为有线以太网网络定义了物理层标准,如线缆、接口等为无线LAN网络定义了物理层标准,如频率、调制、编码等物理层协议标准是确保不同制造商生产的硬件设备能够互联互通的基础,为网络硬件的物理特性和互连接口提供了规范。主要包括OSI参考模型的物理层、有线以太网IEEE802.3标准、无线LANIEEE802.11标准等。数据链路层协议标准数据链路层协议是实现数据在节点间的可靠传输的关键。主要包括以太网协议(IEEE802.3)、无线局域网协议(IEEE802.11)、蓝牙协议(IEEE802.15)等。这些协议定义了数据链路层的寻址、错误检测、访问控制等机制,确保了数据的安全高效传输。可见以太网协议在各种网络中应用最为广泛,是数据链路层最重要的标准之一。网络层协议标准3主要协议IP协议、ICMP协议和ARP协议200+RFCs网络层标准由众多RFCs定义4重要特性寻址、路由转发、数据包分片与重组网络层是网络体系结构的关键部分,负责主机间的数据包转发和路由。主要协议包括IP、ICMP和ARP,由200多个RFCs标准定义。网络层提供了寻址、路由转发、数据包分片与重组等重要功能,确保数据能正确传输到目的地。传输层协议标准2主要协议TCP和UDP是最常用的传输层协议100+应用范围广覆盖从小型局域网到全球互联网5核心功能数据传输、流量控制、错误纠正传输层协议标准主要包括TCP和UDP两种,为上层应用程序提供可靠或不可靠的数据传输服务。TCP提供面向连接的可靠传输,而UDP则提供无连接的不可靠传输,适用于对时延敏感的应用。这两种协议广泛应用于从小型局域网到全球互联网的各种网络环境中。应用层协议标准HTTP超文本传输协议，Web网页浏览的基础FTP文件传输协议，用于在客户端和服务器之间传输文件SMTP简单邮件传输协议，用于发送和接收电子邮件POP3邮局协议第3版，用于从邮件服务器下载邮件IMAP互联网邮件访问协议，提供了更丰富的邮件管理功能DNS域名系统协议，将域名转换为IP地址网络访问技术无线网络接入通过无线路由器和网卡,可以实现移动设备的无线上网,为用户提供更加灵活方便的网络访问。有线网络接入以光纤和电缆网线为代表的有线网络技术,能够提供稳定、高速的网络连接,满足对带宽要求高的应用。移动网络接入5G等新一代移动网络技术,为用户带来了更快、更广覆盖的网络接入体验,满足移动互联网时代的需求。局域网技术以太网以太网是最广泛应用的局域网技术,采用CSMA/CD协议实现多设备共享网络带宽。无线局域网无线局域网(WLAN)使用无线电波在设备之间传输数据,提供灵活的联网方式。交换机技术网络交换机可高效连接多设备,使用MAC地址实现精确的数据转发。网桥技术网桥用于互联不同局域网段,实现数据透明转发,扩展网络覆盖范围。广域网技术1广域网的定义广域网是指覆盖较大地理区域,通常跨越城市或国家的计算机网络。2广域网的特点广域网具有较高的成本、数据传输速度较慢、对网络故障敏感等特点。3广域网的主要技术主要包括电话线路、光纤、卫星通信等,每种技术都有其优缺点。4广域网的应用领域广域网广泛应用于企业、政府、教育等领域,支持各类远程服务和资源共享。无线网络技术WiFi技术WiFi是最广泛使用的无线局域网技术,提供快速、稳定的无线连接。目前已发展到WiFi6,具有更高的速度和覆盖范围。蓝牙技术蓝牙是一种低功耗的短距离无线通信技术,广泛应用于移动设备、物联网设备的互联互通。5G技术5G是下一代移动通信技术,提供超高速、超低延迟、海量连接的特点,为智能城市、工业物联网等应用场景提供支撑。物联网技术物联网利用无线传感器、RFID等技术将各种物品连接到网络,实现智能监测和控制。多媒体网络技术多媒体流传输多媒体网络技术支持高质量的语音、视频和图像传输,实现实时交互和无缝体验。它利用压缩算法和网络优化技术来提高传输效率和质量。虚拟现实与增强现实多媒体网络技术驱动了虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的应用,为用户提供身临其境的沉浸式体验。它利用图形渲染、传感器融合和实时数据传输等技术。远程协作和会议多媒体网络技术支持高质量的视频会议和远程协作,实现人员分布式工作的无缝连接。它利用视频编解码、音频处理和网络优化等技术。智能家居和物联网多媒体网络技术无处不在,支撑智能家居、智慧城市和物联网的各种应用,实现家电、安防、健康监测等功能的高度集成。下一代网络技术5G技术5G网络通过更高的带宽和更低的延迟,为未来网络应用提供了新的可能性,如自动驾驶、远程医疗等。物联网技术物联网通过将各种设备互联,实现远程监控和自动控制,为生活、工业等领域带来了智能化变革。云计算技术云计算通过提供灵活、按需的计算资源,大大提升了网络应用的扩展性和弹性,推动了云服务的快速发展。云计算与网络云计算基础云计算是一种按需提供和使用计算资源的模式,可实现IT资源的按需分配与弹性扩展。网络架构支撑云计算依赖于健全的网络基础设施,包括高速网络链路和智能路由设备等。数据安全保障云计算需要提供可靠的数据安全机制,确保用户数据的隐私性和完整性。弹性伸缩能力云计算平台要能根据用户需求自动调配资源,实现IT基础设施的弹性伸缩。软件定义网络灵活性与可编程性软件定义网络(SDN)将网络控制和转发功能分离,使网络设备可以通过软件编程和控制,大大提高网络的灵活性和可编程性。集中式控制SDN采用集中式控制平面设计,将网络逻辑控制集中在一个中央控制器上,提高网络整体性能和效率。动态调整SDN能够根据流量和网络状况动态调整网络行为,提高资源利用率和服务质量。简化网络管理SDN将网络管理自动化,简化了网络部署和维护,提高了网络效率和响应速度。网络虚拟化技术虚拟网络将物理网络分割为多个逻辑网络,提高资源利用率和灵活性。网络功能虚拟化将网络功能如路由、防火墙等进行虚拟化,实现软件化和灵活部署。软件定义网络通过软件控制网络服务和资源,提高网络性能和管理效率。云计算网络利用云平台提供的网络虚拟化服务,实现按需、弹性的网络资源。网络安全技术1防火墙防火墙用于监控和控制网络流量,阻止未经授权的访问。它是网络安全的重要基础。2加密和认证加密算法和认证机制可以保护网络通信的机密性和完整性。这是确保网络安全的关键技术。3入侵检测和预防入侵检测系统可以监测异常网络活动,并自动采取预防措施。这有助于及时发现和阻止网络攻击。4虚拟专用网络虚拟专用网络可以建立安全的加密通道,为远程用户访问提供隐私保护。这是常见的远程接入解决方案。网络运维管理网络监控持续监控网络状态和性能指标,及时发现并解决问题,确保网络稳定运行。配置管理规范化管理网络设备和系统的配置,确保一致性和可重复性,提高变更