计算机网络与通信工程作业指导书

计算机网络与通信工程作业指导书TOC\o"1-2"\h\u28507第一章计算机网络基础 2279551.1计算机网络概述 2290371.2计算机网络体系结构 326219第二章数据通信技术 3208992.1数据通信基本概念 39802.2数据通信协议 4231382.3数据通信设备 430022第三章网络拓扑结构与网络设备 5223043.1网络拓扑结构 5121433.2网络设备概述 5114203.3常见网络设备介绍 625523第四章网络协议与标准 7122314.1网络协议概述 7163724.2常见网络协议 763684.3网络标准与组织 732182第五章网络安全 873195.1网络安全概述 8172085.1.1网络安全的定义 8172095.1.2网络安全的重要性 8118955.1.3网络安全的主要内容 856735.2网络安全策略 8248935.2.1防御策略 8159255.2.2主动策略 9242275.3网络攻击与防护 9167775.3.1常见网络攻击类型 9198925.3.2防护措施 918000第六章传输层与网络层 946246.1传输层概述 9100526.2传输层协议 9293766.3网络层概述 10209136.4网络层协议 102208第七章应用层与网络应用 10247707.1应用层概述 10145897.2应用层协议 11184527.3常见网络应用 1126215第八章网络管理 12122468.1网络管理概述 1242898.2网络管理协议 12304728.3网络管理技术 1310000第九章通信工程概述 13134609.1通信工程基本概念 1383549.2通信工程设计与实施 1457229.3通信工程验收与维护 1424700第十章现代通信技术 151366710.1光通信技术 151567210.1.1概述 152888110.1.2光通信系统的基本组成 15631710.1.3光通信技术的应用 151160310.2无线通信技术 15362010.2.1概述 15130710.2.2无线通信系统的基本组成 151302710.2.3无线通信技术的应用 15529610.35G通信技术 15110410.3.1概述 151306410.3.25G通信技术的关键技术 161434010.3.35G通信技术的应用 16第一章计算机网络基础1.1计算机网络概述计算机网络是现代信息技术的重要组成部分，它将分布在不同地理位置的计算机设备通过通信设备和传输介质连接起来，实现信息传递、资源共享和协同工作的功能。计算机网络的发展经历了多个阶段，从早期的点到点通信到现在的全球化网络，其技术不断革新，应用领域日益广泛。计算机网络按照覆盖范围可分为局域网、城域网和广域网。局域网（LAN）通常局限于一个较小的地理范围，如一个办公室、一栋楼或一个校园；城域网（MAN）覆盖一个城市或地区；广域网（WAN）则跨越较大的地理范围，甚至全球。计算机网络的目的是实现数据传输、资源共享、分布式处理和通信服务。其主要功能包括：（1）数据传输：计算机网络可以快速、可靠地传输数据，包括文本、图片、音频和视频等多种类型。（2）资源共享：通过计算机网络，用户可以访问远程计算机上的资源，如文件、数据库、应用程序等。（3）分布式处理：计算机网络可以实现分布式计算，将任务分散到多个计算机上进行处理，提高计算效率。（4）通信服务：计算机网络为用户提供实时通信服务，如邮件、即时通讯、网络电话等。1.2计算机网络体系结构计算机网络体系结构是指计算机网络中各层功能及其相互关系的规范。它为计算机网络的设计、实现和发展提供了统一的标准和框架。计算机网络体系结构主要包括以下两个层次：（1）物理层：物理层负责在物理媒体上实现原始的比特流传输。其主要功能包括传输介质的连接、信号传输、信号调制与解调等。物理层的设备有调制解调器、网络接口卡、传输介质（如双绞线、光纤等）等。（2）数据链路层：数据链路层负责在相邻节点之间建立可靠的数据链路，实现数据帧的传输和错误检测。其主要功能包括帧同步、差错控制、流量控制等。数据链路层的设备有交换机、网桥、路由器等。除了上述两个基本层次外，计算机网络体系结构还包括以下层次：（3）网络层：网络层负责在多个网络之间建立路径，实现数据包的传输。其主要功能包括路由选择、拥塞控制、数据包转发等。网络层的设备有路由器、三层交换机等。（4）传输层：传输层负责提供端到端的数据传输服务。其主要功能包括数据段传输、错误检测、流量控制等。传输层的协议有TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）等。（5）应用层：应用层为用户提供网络应用服务，如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）等。应用层协议定义了数据格式、传输方式等，以满足不同应用的需求。计算机网络体系结构的层次划分使得网络协议的设计和实现更加模块化，便于管理和维护。各层之间通过接口进行通信，实现了不同网络设备之间的互联互通。网络技术的发展，计算机网络体系结构也在不断优化和完善。第二章数据通信技术2.1数据通信基本概念数据通信是指利用电子信号在两个或多个通信设备之间传输数据的过程。在数据通信系统中，数据以二进制的形式表示，并通过物理媒介进行传输。数据通信技术是计算机网络和通信工程的基础，涉及到许多基本概念，如信号、信道、带宽、传输速率等。信号：信号是数据通信中的基本信息载体，它可以表示为电压、电流、光波等物理量。信号分为模拟信号和数字信号两种类型。模拟信号是连续变化的信号，而数字信号是离散的信号。信道：信道是数据传输的通道，它可以是物理媒介，如双绞线、同轴电缆、光纤等，也可以是无线传输媒介，如无线电波、微波等。带宽：带宽是指信道传输信号的能力，通常以赫兹（Hz）为单位。带宽决定了信道的数据传输速率和信号质量。传输速率：传输速率是指单位时间内传输的数据量，通常以比特每秒（bps）为单位。传输速率分为波特率和比特率两种，波特率是指每秒传输的符号数，而比特率是指每秒传输的比特数。2.2数据通信协议数据通信协议是计算机网络和通信系统中设备之间进行数据交换的规则和约定。协议规定了数据传输的格式、传输速率、错误检测和纠正方法等。按照不同的层次和功能，数据通信协议可分为以下几类：物理层协议：物理层协议规定了数据传输的物理媒介和电气特性，如RS232、RJ45等。数据链路层协议：数据链路层协议负责在相邻节点之间建立可靠的数据链路，并进行数据帧的封装和拆封。常见的数据链路层协议有HDLC、PPP等。网络层协议：网络层协议负责在多个网络之间进行数据传输，实现数据包的路由和转发。典型的网络层协议有IP、ICMP等。传输层协议：传输层协议负责提供端到端的数据传输服务，保证数据传输的可靠性。常见的传输层协议有TCP、UDP等。应用层协议：应用层协议是为特定应用场景设计的，如HTTP、FTP、SMTP等。2.3数据通信设备数据通信设备主要包括以下几类：（1）传输设备：传输设备负责将数据从一个节点传输到另一个节点。常见的传输设备有调制解调器、光纤收发器、无线接入点等。（2）交换设备：交换设备负责在多个网络之间进行数据交换。常见的交换设备有交换机、路由器、三层交换机等。（3）终端设备：终端设备是数据通信的终点，如计算机、手机、平板电脑等。（4）配线设备：配线设备用于连接各种通信设备，如双绞线、同轴电缆、光纤等。（5）网络管理设备：网络管理设备用于对整个网络进行监控和管理，如网络管理系统、网管软件等。通过以上各类数据通信设备的应用，可以实现计算机网络和通信工程中的数据传输、交换和管理等功能。第三章网络拓扑结构与网络设备3.1网络拓扑结构网络拓扑结构是指计算机网络中各个节点（如计算机、服务器、路由器等）的连接方式。根据连接方式的不同，网络拓扑结构可以分为有向图和无向图两种类型。常见的网络拓扑结构有星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树形拓扑和网状拓扑等。星形拓扑：各节点通过中心节点（如交换机或集线器）连接，形成一个星形结构。中心节点负责数据转发，各节点之间不直接通信。总线拓扑：所有节点都连接在一条主干线上，形成一个线性结构。数据在总线上广播传输，节点通过监听总线上的数据来判断是否接收。环形拓扑：各节点按照一定顺序连接，形成一个环形结构。数据在环中单向传输，每个节点对数据帧进行检查，若目标地址与自身地址匹配，则接收该数据帧。树形拓扑：节点按照层次结构连接，形成一个树状结构。树形拓扑可以看作是星形拓扑的扩展，适用于大规模网络。网状拓扑：各节点之间相互连接，形成一个复杂的网状结构。网状拓扑具有较高的可靠性和冗余性，但管理和维护成本较高。3.2网络设备概述网络设备是计算机网络中实现数据传输、处理和交换的关键组件。常见的网络设备包括交换机、路由器、集线器、网关、防火墙等。交换机：交换机是一种基于MAC地址表的数据链路层设备，用于连接局域网内的计算机和其他网络设备。交换机通过学习MAC地址表，实现数据帧的转发和过滤。路由器：路由器是一种基于IP地址的网络层设备，用于连接不同网络。路由器根据路由表进行数据包的转发，实现不同网络之间的通信。集线器：集线器是一种物理层设备，用于连接局域网内的计算机和其他网络设备。集线器对数据帧进行广播，无法实现数据帧的过滤和转发。网关：网关是一种实现不同网络协议转换的设备，用于连接不同类型的网络。网关可以实现对数据包的解析、重组和转发。防火墙：防火墙是一种网络安全设备，用于保护网络内部不受外部网络的攻击。防火墙通过监控和控制数据流，实现对网络资源的保护。3.3常见网络设备介绍交换机：以太网交换机：以太网交换机是基于以太网技术的交换机，支持多种网络协议，如TCP/IP、UDP等。千兆交换机：千兆交换机支持千兆以太网传输速率，适用于高速网络环境。路由器：静态路由器：静态路由器手动配置路由表，适用于网络结构简单的场景。动态路由器：动态路由器自动计算路由表，适用于网络结构复杂且经常变化的场景。集线器：普通集线器：普通集线器支持10/100Mbps自适应传输速率，适用于小规模网络。堆叠式集线器：堆叠式集线器支持多台集线器堆叠，扩展网络规模。网关：协议转换网关：协议转换网关实现不同网络协议之间的转换，如TCP/IP与OSI之间的转换。应用层网关：应用层网关实现对特定应用协议的支持，如HTTP、FTP等。防火墙：包过滤防火墙：包过滤防火墙基于IP地址、端口号等参数进行数据包过滤。应用层防火墙：应用层防火墙基于应用协议进行数据包过滤，如HTTP、FTP等。第四章网络协议与标准4.1网络协议概述网络协议是计算机网络中通信双方必须遵守的规则和约定。它定义了数据通信过程中的信息格式、传输方式、错误处理方法等方面的标准，保证了不同设备之间能够有效地进行信息交换。网络协议通常包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层等多个层次。4.2常见网络协议（1）HTTP协议：超文本传输协议（HTTP）是互联网上应用最为广泛的网络协议之一，主要用于Web浏览器与服务器之间的信息传输。（2）TCP协议：传输控制协议（TCP）是一种面向连接的、可靠的传输层协议，用于保证数据的可靠传输。（3）UDP协议：用户数据报协议（UDP）是一种无连接的、不可靠的传输层协议，适用于对实时性要求较高的应用场景。（4）IP协议：互联网协议（IP）是一种用于路由和寻址的网络层协议，负责将数据包从源主机传输到目的主机。（5）ICMP协议：互联网控制消息协议（ICMP）用于传输控制消息，如ping命令就是基于ICMP协议实现的。4.3网络标准与组织网络标准是为了保证不同设备和系统能够互相兼容、互联互通而制定的一系列规范。以下是一些重要的网络标准与组织：（1）国际标准化组织（ISO）：ISO是一个全球性的非组织，负责制定和发布国际标准。（2）国际电信联盟（ITU）：ITU是联合国下属的专门机构，负责制定全球电信领域的标准。（3）互联网工程任务组（IETF）：IETF是一个开放性的国际组织，主要负责制定互联网相关的技术标准。（4）美国电气和电子工程师协会（IEEE）：IEEE是一个全球性的专业组织，涉及电气、电子、计算机等多个领域的标准制定。（5）中国通信标准化协会（CCSA）：CCSA是我国通信行业的标准化组织，负责制定和推广通信行业标准。第五章网络安全5.1网络安全概述5.1.1网络安全的定义网络安全是指在网络环境下，采取各种安全措施，保证网络系统的正常运行，保护网络数据的安全性和完整性，防止网络资源被非法访问、篡改和破坏的一种状态。5.1.2网络安全的重要性互联网的普及和信息技术的发展，网络安全已经成为国家安全、经济发展和社会稳定的重要组成部分。网络安全问题不仅关系到个人隐私和企业利益，还可能对国家政治、经济、文化等领域产生严重影响。5.1.3网络安全的主要内容网络安全主要包括以下几个方面：（1）网络设备安全：保护网络设备免受攻击，保证网络设备的正常运行。（2）数据安全：保护网络数据不被非法访问、篡改和破坏。（3）网络服务安全：保证网络服务的正常运行，防止网络服务被非法中断。（4）用户安全：保护用户隐私，防止用户信息泄露。（5）应用安全：保证网络应用的安全，防止恶意代码传播和攻击。5.2网络安全策略5.2.1防御策略（1）防火墙：部署防火墙，对网络流量进行过滤，阻止非法访问。（2）入侵检测系统：实时监控网络流量，发觉并报警潜在的攻击行为。（3）安全审计：对网络设备和系统进行安全审计，发觉安全隐患。（4）数据加密：对敏感数据进行加密，保护数据安全。（5）安全更新：及时更新操作系统、网络设备和应用程序的安全补丁。5.2.2主动策略（1）安全培训：加强网络安全意识，提高员工的安全技能。（2）安全策略制定：制定网络安全政策，明确网络安全目标和要求。（3）安全风险管理：识别网络安全隐患，评估风险，制定风险应对措施。（4）安全演练：定期开展网络安全演练，提高应对网络安全事件的能力。5.3网络攻击与防护5.3.1常见网络攻击类型（1）DDoS攻击：通过大量虚假请求占用网络资源，导致合法用户无法正常访问网络服务。（2）Web攻击：针对Web应用程序的攻击，如SQL注入、跨站脚本攻击等。（3）恶意代码攻击：通过恶意代码传播病毒、木马等，窃取用户信息。（4）社交工程攻击：利用人性的弱点，诱骗用户泄露敏感信息。5.3.2防护措施（1）网络隔离：将内部网络与外部网络进行隔离，降低攻击面。（2）安全防护设备：部署安全防护设备，如防火墙、入侵检测系统等。（3）安全配置：优化网络设备和系统的安全配置，减少攻击面。（4）安全监测：实时监控网络流量和系统日志，发觉异常行为。（5）应急响应：建立应急响应机制，及时处理网络安全事件。第六章传输层与网络层6.1传输层概述传输层是计算机网络体系结构中的第四层，主要负责在源节点与目的节点之间提供端到端的通信服务。传输层的主要功能包括数据传输、数据分段与重组、流量控制、错误检测和纠正等。传输层为上层应用层提供了可靠的数据传输基础，保证数据的正确性和有效性。6.2传输层协议传输层协议主要包括以下几种：（1）传输控制协议（TCP）：TCP是一种面向连接的、可靠的传输层协议。它通过建立连接、维护连接和终止连接来保证数据传输的可靠性。TCP协议采用三次握手建立连接，四次挥手终止连接。在数据传输过程中，TCP通过序列号、确认应答、重传机制等保证数据的正确性和完整性。（2）用户数据报协议（UDP）：UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议。它主要用于实时性要求较高的应用，如语音和视频通信。UDP协议不保证数据传输的可靠性，但传输延迟较低。（3）实时传输协议（RTP）：RTP是一种实时传输协议，主要用于实时音视频通信。RTP协议将数据封装成RTP包，包含序列号、时间戳等字段，用于保证音视频数据的同步和顺序。6.3网络层概述网络层是计算机网络体系结构中的第三层，主要负责将数据从源节点传输到目的节点。网络层通过路由算法确定数据传输的最佳路径，实现不同网络之间的互连。网络层的主要功能包括路由选择、转发、拥塞控制等。6.4网络层协议网络层协议主要包括以下几种：（1）互联网协议（IP）：IP是一种无连接的、不可靠的网络层协议。它通过IP地址实现不同网络之间的通信。IP协议负责将数据包从源节点发送到目的节点，但并不保证数据包的顺序和可靠性。（2）互联网控制消息协议（ICMP）：ICMP是一种用于传输控制消息的网络层协议。它主要用于报告网络错误、诊断网络问题等。ICMP协议包括ICMP请求和ICMP响应两种类型。（3）路由选择协议：路由选择协议用于在互联网中实现路由器的路由选择。常见的路由选择协议包括静态路由、动态路由、距离向量路由协议和链路状态路由协议等。（4）网络层安全协议：网络层安全协议主要包括IPsec、SSL/TLS等。这些协议用于保障网络数据传输的安全性，防止数据泄露、篡改等安全问题。第七章应用层与网络应用7.1应用层概述应用层是计算机网络体系结构中的最高层，它直接为用户的应用程序提供服务。应用层通过一系列协议，使得不同计算机之间的应用程序能够实现通信。应用层协议负责处理数据的表示、编码、压缩、加密等任务，以及提供文件传输、邮件、网络管理等网络服务。应用层的作用主要体现在以下几个方面：（1）为用户提供网络服务：应用层通过不同的协议，为用户提供文件传输、邮件、网络浏览等网络服务。（2）实现数据表示和编码：应用层负责将用户数据转换为适合网络传输的格式，同时将接收到的数据还原为用户可理解的形式。（3）实现数据加密与安全：应用层通过加密算法，保护数据在传输过程中的安全性。7.2应用层协议应用层协议是指网络中传输数据的规则和标准，它保证了不同计算机之间应用程序的通信。以下是一些常见的应用层协议：（1）HTTP（超文本传输协议）：用于在Web浏览器和服务器之间传输网页内容。（2）SMTP（简单邮件传输协议）：用于邮件的发送和接收。（3）FTP（文件传输协议）：用于在网络中传输文件。（4）DNS（域名系统）：用于将域名转换为IP地址，便于用户访问网络资源。（5）SNMP（简单网络管理协议）：用于网络设备的管理和监控。7.3常见网络应用互联网的发展，网络应用日益丰富，以下是一些常见的网络应用：（1）网络浏览：通过Web浏览器访问互联网上的信息资源，如新闻、视频、音乐等。（2）邮件：使用邮件客户端发送和接收邮件，实现文本、图片、附件等多种信息的传输。（3）网络聊天：通过即时通讯软件，实现实时文本、语音、视频通信。（4）文件传输：使用FTP等协议，实现计算机之间文件的传输。（5）网络游戏：通过网络连接，实现多人在线互动游戏。（6）远程教育：通过网络平台，实现远程教学、在线学习等教育服务。（7）网络购物：通过电子商务平台，实现线上购物、支付、售后服务等消费行为。应用层作为计算机网络体系结构中的最高层，为用户提供了丰富的网络应用。掌握应用层协议和常见网络应用，有助于我们更好地理解计算机网络的工作原理和应用场景。第八章网络管理8.1网络管理概述网络管理是指对计算机网络进行有效监控、维护和优化的一系列活动。网络管理的目标是保证网络系统的正常运行，提高网络功能，降低网络故障率，为用户提供高效、稳定、安全的网络服务。网络管理主要包括以下几个方面：（1）网络设备管理：包括交换机、路由器、防火墙等网络设备的管理，保证设备正常运行，及时处理故障。（2）网络配置管理：对网络设备进行配置，包括IP地址分配、路由策略设置、安全策略设置等，以满足不同业务需求。（3）网络功能管理：对网络功能进行监测，分析网络流量、延迟、带宽利用率等指标，优化网络功能。（4）网络故障管理：对网络故障进行检测、定位和排除，保证网络稳定运行。（5）网络安全管理：保护网络系统免受非法访问、攻击和破坏，保证数据安全。8.2网络管理协议网络管理协议是网络管理的基础，用于实现网络设备之间的通信。以下几种常见的网络管理协议：（1）简单网络管理协议（SNMP）：SNMP是一种基于TCP/IP的网络管理协议，用于收集网络设备的功能信息和配置信息。它包括三个组成部分：管理站、代理和MIB（管理信息库）。（2）通用网管信息协议（CMIP）：CMIP是一种面向对象的网络管理协议，具有较强的安全性。它采用请求/响应模式，支持多种网络管理操作。（3）网络管理协议（NMP）：NMP是一种专用于DECnet网络的管理协议，用于收集网络设备的功能信息和配置信息。（4）远程监控协议（RMON）：RMON是一种基于SNMP的扩展协议，用于实现远程监控功能。它包括多个功能组，如统计组、历史组、告警组等。8.3网络管理技术网络管理技术包括以下几个方面：（1）网络监控技术：通过网络监控工具，实时监测网络设备的工作状态、网络功能指标等，为网络管理员提供决策依据。（2）故障检测与定位技术：通过故障检测系统，对网络设备进行实时监测，发觉故障后进行定位，以便及时排除。（3）配置管理技术：通过配置管理工具，对网络设备进行统一配置，提高网络管理效率。（4）功能优化技术：通过分析网络功能数据，找出网络瓶颈，采取相应的优化措施，提高网络功能。（5）安全防护技术：通过安全防护措施，如防火墙、入侵检测系统等，保护网络系统免受攻击和破坏。（6）数据备份与恢复技术：对网络系统中的重要数据进行备份，以便在数据丢失或损坏时进行恢复。（7）自动化运维技术：通过自动化运维工具，实现网络设备的自动部署、监控和故障处理，降低运维成本。第九章通信工程概述9.1通信工程基本概念通信工程，作为计算机网络与通信领域的重要组成部分，旨在通过构建、优化和维护通信系统，实现信息的有效传递。通信工程基本概念包括以下几个方面：（1）通信系统：由信息源、传输介质、接收端和处理设备组成的整体，用于实现信息的传输、处理和存储。（2）通信方式：根据传输介质的不同，通信方式可分为有线通信和无线通信。有线通信包括双绞线、同轴电缆、光纤等；无线通信包括无线电波、微波、卫星等。（3）通信协议：通信双方在信息传输过程中遵循的一套规则，以保证信息的正确传输和接收。（4）通信设备：包括传输设备、交换设备、接入设备等，用于实现通信系统的构建和运行。9.2通信工程设计与实施通信工程设计与实施是通信工程的核心环节，主要包括以下几个方面：（1）需求分析：了解用户需求，明确通信工程的目标、规模和功能要求。（2）方案设计：根据需求分析结果，设计合理的通信系统方案，包括设备选型、网络拓扑、传输介质等。（3）技术论证：对设计方案进行技术可行性分析，保证方案的合理性、可靠性和先进性。（4）施工图设计：根据设计方案，绘制通信工程的施工图纸，为施工提供依据。（5）施工组织与管理：制定施工计划，组织施工队伍，保证施工进度和质量。（6）设备调试与优化：在工程完成后，对通信设备进行调试，保证系统正常运行，并根据实际情况进行优化。9.3通信工程验收与维护通