计算机网络与通信作业指导书

计算机网络与通信作业指导书TOC\o"1-2"\h\u22176第一章计算机网络基础 295351.1计算机网络的定义与发展 251501.2计算机网络的体系结构 3247661.3计算机网络协议与标准 3293981.4计算机网络的功能评价 318838第二章数据通信基础 4326272.1数据通信的基本概念 4194462.2数据通信系统模型 417382.3数据传输技术 4299842.4传输介质与传输设备 53543第三章网络体系结构与协议 561353.1网络体系结构概述 5159953.2开放系统互联(OSI)模型 5305223.3传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)模型 659663.4常用网络协议介绍 610892第四章网络设备与网络互联 6243374.1网络设备的分类与功能 6237294.2交换机与路由器 783114.3网络互联技术 7134754.4网络地址转换与路由选择 822875第五章网络安全与防护 821605.1网络安全概述 883605.2常见网络安全威胁与防护措施 9122965.3防火墙技术 9246995.4加密与认证技术 916219第六章网络管理 9282246.1网络管理概述 9272516.2网络管理协议 10227526.3网络管理工具与平台 10111306.4网络功能监控与优化 1017721第七章局域网技术 11168377.1局域网概述 11131737.1.1定义与特点 1167467.1.2局域网的组成 1171657.2以太网技术 11300957.2.1概述 1123287.2.2以太网的物理层标准 11314087.2.3以太网帧结构 12149717.3令牌环网技术 12127567.3.1概述 1226387.3.2令牌环网的物理结构 12238727.3.3令牌环网的工作原理 12182977.4无线局域网技术 12140967.4.1概述 1259417.4.2无线局域网的物理层标准 13319977.4.3无线局域网的安全机制 1316428第八章广域网技术 13172728.1广域网概述 1350508.2电话网络与帧中继 1347228.3异步传输模式(ATM) 1435908.4光纤通信与DWDM技术 148580第九章互联网应用与服务 15194679.1互联网应用概述 15303049.2邮件与即时通讯 15119839.3网络购物与电子商务 15326839.4互联网娱乐与在线教育 1532080第十章未来网络技术与发展趋势 162244110.15G网络技术 16895110.2物联网技术 163006110.3网络虚拟化与云计算 162216610.4网络安全与隐私保护趋势 16第一章计算机网络基础1.1计算机网络的定义与发展计算机网络是指将地理位置分散的计算机系统通过通信设备和传输介质相互连接，实现信息交换和资源共享的系统。自20世纪60年代以来，计算机网络经历了从简单到复杂、从低速到高速、从专用到公用的演变过程。计算机网络的发展可以分为以下几个阶段：（1）单机阶段：早期的计算机系统采用单机模式，各个计算机之间无法进行直接通信。（2）主机终端阶段：20世纪60年代，计算机系统开始采用主机终端模式，通过电话线实现远程终端与主机之间的通信。（3）局域网阶段：20世纪70年代，计算机技术的快速发展，出现了局域网技术，使得计算机之间能够在较短的距离内实现高速通信。（4）广域网阶段：20世纪80年代，通信技术的进步，广域网技术逐渐成熟，实现了不同地区计算机之间的互联。（5）互联网阶段：20世纪90年代，互联网技术的出现，使得全球范围内的计算机实现了广泛互联，标志着计算机网络发展进入了一个新的历史阶段。1.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构是指网络中各个组成部分的层次结构和功能划分。常见的网络体系结构有以下几种：（1）OSI七层模型：国际标准化组织（ISO）提出的OSI七层模型，将网络通信划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。（2）TCP/IP四层模型：美国国防部提出的TCP/IP四层模型，包括网络接口层、网络层、传输层和应用层。（3）五层模型：在OSI七层模型的基础上，简化为五层，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。1.3计算机网络协议与标准计算机网络协议是指网络中各个设备之间进行通信时所遵循的规则和约定。常见的网络协议有：（1）TCP/IP协议：传输控制协议/互联网协议（TCP/IP）是互联网中最核心的协议，负责实现不同网络之间的互联和通信。（2）HTTP协议：超文本传输协议（HTTP）是互联网上应用最广泛的协议，用于实现Web页面的传输和浏览。（3）FTP协议：文件传输协议（FTP）用于实现计算机之间文件的传输。（4）SMTP协议：简单邮件传输协议（SMTP）用于实现邮件的发送和接收。国际标准化组织还制定了一系列网络标准，如IEEE802.3（以太网标准）、IEEE802.11（无线局域网标准）等。1.4计算机网络的功能评价计算机网络的功能评价主要包括以下几个方面：（1）带宽：带宽是指网络传输数据的速率，通常以比特每秒（bps）表示。（2）延迟：延迟是指数据从发送端传送到接收端所需的时间，包括传播延迟、处理延迟、排队延迟和传输延迟。（3）丢包率：丢包率是指数据包在传输过程中丢失的概率。（4）吞吐量：吞吐量是指网络在单位时间内成功传输的数据量。（5）网络负载：网络负载是指网络中正在传输的数据量与网络容量之比。通过对计算机网络的功能进行评价，可以为网络的设计、优化和管理提供依据。第二章数据通信基础2.1数据通信的基本概念数据通信是指利用电子设备，通过传输介质将数据信息从一个地点传输到另一个地点的过程。在这个过程中，数据以二进制的形式表示，并在发送端和接收端之间进行传输。数据通信的基本目的是实现信息的快速、准确、可靠和安全传输。2.2数据通信系统模型数据通信系统模型是描述数据通信过程中各个组成部分及其相互关系的抽象模型。常见的数据通信系统模型包括以下三个部分：（1）信息源：产生数据信息的设备或系统，如计算机、手机等。（2）传输介质：连接发送端和接收端的物理通道，如双绞线、光纤、无线电波等。（3）信息接收端：接收并处理数据信息的设备或系统，如计算机、手机等。数据通信系统模型还包括以下几个关键要素：（1）编码器：将信息源产生的数据信息转换为适合传输的信号。（2）解码器：将接收到的信号还原为原始数据信息。（3）信号调制与解调：将数字信号转换为模拟信号进行传输，并在接收端将模拟信号还原为数字信号。（4）错误检测与纠正：检测并纠正数据传输过程中产生的错误。2.3数据传输技术数据传输技术是指数据在传输过程中所采用的技术和方法。以下介绍几种常见的数据传输技术：（1）并行传输：将数据多位同时传输，每位数据使用一条传输线路。（2）串行传输：将数据逐位顺序传输，使用一条传输线路。（3）异步传输：发送端和接收端不需要严格的时钟同步，数据传输过程中插入起始位和停止位进行标识。（4）同步传输：发送端和接收端需要严格的时钟同步，数据传输过程中不需要插入起始位和停止位。2.4传输介质与传输设备传输介质是连接发送端和接收端的物理通道，以下是几种常见的传输介质：（1）双绞线：由两根绝缘导线绞合而成，用于传输电话、网络等信号。（2）同轴电缆：由一根中心导线和外部导体构成，用于传输高频信号。（3）光纤：利用光波传输数据，具有传输速率高、抗干扰能力强等优点。（4）无线电波：通过无线电波传输数据，适用于无线通信。传输设备是数据通信系统中用于发送、接收和转换信号的设备，以下是几种常见的传输设备：（1）调制解调器（Modem）：将数字信号转换为模拟信号进行传输，并在接收端将模拟信号还原为数字信号。（2）网络交换机：连接多个网络设备，实现数据包的转发和路由。（3）路由器：连接不同网络，实现数据包在不同网络之间的传输。（4）无线接入点（AP）：将无线信号转换为有线信号，实现无线网络与有线网络的连接。第三章网络体系结构与协议3.1网络体系结构概述网络体系结构是计算机网络中的关键概念，它定义了计算机网络中各个层次的功能以及相互之间的关系。网络体系结构的作用在于简化网络的设计、实现和维护，使得不同厂商的设备能够相互兼容，实现高效的通信。网络体系结构通常包括多个层次，每个层次负责完成特定的功能。这些层次按照一定的顺序排列，形成一个分层的体系结构。在分层体系结构中，每个层次只与相邻的上下两层进行通信，而无需关心其他层次的具体实现。3.2开放系统互联(OSI)模型开放系统互联(OSI)模型是由国际标准化组织(ISO)提出的一种网络体系结构模型，它将网络通信划分为七层，从低到高分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。（1）物理层：负责传输原始的比特流，实现物理设备之间的连接，如电缆、光纤等。（2）数据链路层：负责在相邻节点之间提供可靠的数据传输，包括帧同步、差错控制等功能。（3）网络层：负责在多个网络之间建立路径，实现数据包的传输和转发。（4）传输层：负责提供端到端的通信服务，如可靠的数据传输、流量控制等。（5）会话层：负责建立、管理和终止会话，如数据交换的同步和会话控制。（6）表示层：负责数据的表示和转换，如加密、压缩等。（7）应用层：为应用程序提供网络服务，如HTTP、FTP等。3.3传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)模型TCP/IP模型是一种广泛应用的计算机网络体系结构，它将网络通信划分为四层，从低到高分别为：网络接口层、互联网层、传输层和应用层。（1）网络接口层：负责传输原始的比特流，实现物理设备之间的连接。（2）互联网层：负责将数据包从一个网络传输到另一个网络，如IP协议。（3）传输层：负责提供端到端的通信服务，如TCP和UDP协议。（4）应用层：为应用程序提供网络服务，如HTTP、FTP等。3.4常用网络协议介绍（1）HTTP协议：超文本传输协议，用于在互联网输Web页面和资源。（2）FTP协议：文件传输协议，用于在互联网输文件。（3）SMTP协议：简单邮件传输协议，用于在互联网上发送邮件。（4）DNS协议：域名系统协议，用于将域名解析为IP地址。（5）TCP协议：传输控制协议，提供可靠的端到端数据传输服务。（6）UDP协议：用户数据报协议，提供无连接的数据传输服务。（7）IP协议：互联网协议，负责在互联网输数据包。（8）ARP协议：地址解析协议，用于将IP地址解析为物理地址。（9）RARP协议：反向地址解析协议，用于将物理地址解析为IP地址。第四章网络设备与网络互联4.1网络设备的分类与功能网络设备是计算机网络中不可或缺的组成部分，主要负责数据传输、处理和路由等功能。根据功能和用途的不同，网络设备可分为以下几类：（1）传输设备：包括双绞线、同轴电缆、光纤等，用于实现数据信号的传输。（2）交换设备：包括交换机、集线器等，用于实现数据帧的转发和过滤。（3）路由设备：包括路由器、三层交换机等，用于实现数据包的路由和转发。（4）接入设备：包括调制解调器、宽带接入器等，用于实现用户接入网络。（5）安全设备：包括防火墙、入侵检测系统等，用于保障网络安全。（6）管理设备：包括网络管理系统、网管软件等，用于对网络设备进行监控和管理。4.2交换机与路由器交换机和路由器是网络设备中的核心设备，分别承担着数据帧转发和路由选择的重要任务。（1）交换机：交换机是一种基于MAC地址表进行数据帧转发的网络设备。它具有以下特点：采用存储转发方式，提高数据传输效率；支持全双工通信，提高网络带宽；支持VLAN划分，实现网络隔离和优化；支持端口镜像、风暴控制等功能，便于网络管理和维护。（2）路由器：路由器是一种基于IP地址进行数据包转发的网络设备。它具有以下特点：支持多种路由协议，实现不同网络之间的互联；提供路由选择功能，优化数据传输路径；支持访问控制列表，实现网络安全防护；支持QoS，实现网络带宽管理。4.3网络互联技术网络互联技术是指将不同网络进行连接和通信的技术。以下为几种常见的网络互联技术：（1）局域网互联：通过交换机、集线器等设备实现同一局域网内不同设备之间的通信。（2）广域网互联：通过路由器、光纤等设备实现不同局域网、城域网、广域网之间的通信。（3）互联网互联：通过互联网关、域名解析等手段实现全球范围内不同网络之间的互联。（4）无线网络互联：通过无线接入点、无线网桥等设备实现无线网络与其他网络的互联。4.4网络地址转换与路由选择网络地址转换（NAT）是一种将私有地址转换为公有地址的技术，用于实现内部网络与外部网络的互联。NAT技术有以下优点：节省公有IP地址资源；提高网络安全性；实现内部网络与外部网络的透明通信。路由选择是指路由器根据路由表和路由协议，为数据包选择最佳传输路径的过程。以下为几种常见的路由选择算法：（1）静态路由：手动配置路由表，适用于网络结构简单的场景。（2）动态路由：根据网络拓扑变化自动调整路由表，适用于网络结构复杂的场景。（3）负载均衡路由：根据网络负载情况动态分配数据传输路径，提高网络带宽利用率。（4）策略路由：根据特定策略（如优先级、带宽等）进行路由选择，实现网络资源优化。第五章网络安全与防护5.1网络安全概述互联网技术的迅猛发展和网络应用的广泛普及，网络安全问题日益凸显。网络安全是指保护网络系统免受非法侵入、破坏、篡改、泄露等威胁，保证网络信息传输的保密性、完整性和可用性。网络安全不仅关乎个人信息的保护，更是国家安全的重要组成部分。在这一章节中，我们将对网络安全的基本概念、目标、策略进行详细介绍，并探讨网络安全的发展趋势。5.2常见网络安全威胁与防护措施网络安全威胁多种多样，包括但不限于恶意软件攻击、网络钓鱼、DDoS攻击、社交工程等。本节将详细介绍这些常见威胁的特点和攻击手段，并针对每种威胁提出相应的防护措施。例如，针对恶意软件攻击，可以采取定期更新操作系统和软件、使用杀毒软件、定期进行安全扫描等措施；针对网络钓鱼，可以提高用户的安全意识，不轻易不明，输入个人信息。5.3防火墙技术防火墙是网络安全中的一种重要技术，主要用于阻止非法访问和攻击，同时允许合法的通信通过。本节将详细介绍防火墙的基本概念、工作原理、分类和配置方法。我们将讨论基于包过滤的防火墙、基于状态的防火墙以及应用层防火墙等不同类型的防火墙，并探讨如何根据网络环境和安全需求选择合适的防火墙技术。5.4加密与认证技术加密和认证技术是保障网络安全的关键技术。加密技术可以保护数据在传输过程中的安全性，防止数据被窃取或篡改。本节将介绍常见的加密算法，如对称加密、非对称加密和哈希算法，并讨论它们的应用场景。同时认证技术用于验证通信双方的身份，保证数据来源的可靠性和完整性。我们将探讨数字签名、数字证书、身份认证协议等认证技术，并分析它们在网络通信中的应用。第六章网络管理6.1网络管理概述网络管理是保证计算机网络正常运行、提高网络功能、保障网络安全的重要环节。它涉及对网络设备、网络资源和网络服务的全面监控、配置、维护和优化。网络管理主要包括以下几个方面：（1）网络设备管理：对网络交换机、路由器、防火墙等设备进行配置、监控和维护。（2）网络资源管理：对网络带宽、IP地址、子网划分等资源进行合理分配和调度。（3）网络服务管理：对网络服务如DNS、DHCP、HTTP等进行配置、监控和维护。（4）网络安全管理：对网络进行安全防护，预防网络攻击和病毒传播。（5）网络功能管理：对网络功能进行实时监控，发觉并解决网络瓶颈问题。6.2网络管理协议网络管理协议是网络管理的基础，它规定了网络管理信息的传输方式、格式和内容。常见的网络管理协议有以下几种：（1）简单网络管理协议（SNMP）：一种基于TCP/IP的网络管理协议，用于收集网络设备的状态信息和配置信息。（2）常用网管协议（CMIP）：一种面向对象的网络管理协议，具有较好的通用性和扩展性。（3）网络管理信息协议（NMIP）：一种基于OSI模型的管理协议，适用于多种网络环境。（4）远程监控协议（RMON）：一种用于远程监控网络功能的协议，支持对网络数据流量的实时监控。6.3网络管理工具与平台网络管理工具与平台是网络管理人员进行网络管理的重要手段，以下是一些常见的网络管理工具与平台：（1）SNMP工具：用于收集和显示网络设备的状态信息，如MIB浏览器、SNMP探针等。（2）网络分析仪：用于分析网络流量和功能，如Wireshark、TCPdump等。（3）配置管理工具：用于批量配置网络设备，如Ansible、Netmiko等。（4）监控平台：用于实时监控网络功能和设备状态，如Zabbix、Nagios等。（5）安全管理工具：用于检测和预防网络攻击，如入侵检测系统（IDS）、防火墙等。6.4网络功能监控与优化网络功能监控与优化是网络管理的重要内容，主要包括以下几个方面：（1）网络流量监控：通过实时监控网络流量，了解网络中数据传输的规律和趋势，为网络优化提供依据。（2）网络设备功能监控：对网络设备的CPU利用率、内存使用率、接口流量等功能指标进行监控，发觉功能瓶颈。（3）网络延迟和丢包监控：对网络延迟和丢包情况进行监控，分析原因并采取措施进行优化。（4）网络服务质量（QoS）监控：对网络中不同业务流量的优先级和带宽进行监控，保证关键业务得到足够的带宽保障。（5）网络优化措施：根据监控结果，采取调整网络拓扑、优化路由策略、升级网络设备等措施，提高网络功能。第七章局域网技术7.1局域网概述7.1.1定义与特点局域网（LocalAreaNetwork，简称LAN）是指在一定的地理范围内，将多个计算机和其他设备连接起来，实现数据传输和资源共享的计算机网络。局域网通常具有以下特点：覆盖范围较小，传输速率高，误码率低，易于管理和维护。7.1.2局域网的组成局域网主要由以下几个部分组成：（1）网络传输介质：如双绞线、同轴电缆、光纤等。（2）网络设备：如交换机、路由器、网桥等。（3）计算机及外部设备：如服务器、工作站、打印机等。（4）网络协议：如TCP/IP、IPX/SPX等。7.2以太网技术7.2.1概述以太网（Ethernet）是一种广泛应用的局域网技术，由Xerox公司于1973年发明。以太网采用载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）的介质访问控制方法。7.2.2以太网的物理层标准以太网的物理层标准主要包括以下几种：（1）10BaseT：采用双绞线作为传输介质，传输速率为10Mbps。（2）100BaseT：采用双绞线作为传输介质，传输速率为100Mbps。（3）1000BaseT：采用双绞线作为传输介质，传输速率为1000Mbps。（4）10GBaseT：采用双绞线作为传输介质，传输速率为10Gbps。7.2.3以太网帧结构以太网帧结构包括以下部分：（1）前导码：用于同步接收方的时钟。（2）目的MAC地址：接收方的物理地址。（3）源MAC地址：发送方的物理地址。（4）类型/长度字段：表示帧中数据类型或长度。（5）数据字段：携带传输的数据。（6）循环冗余校验（CRC）字段：用于检测帧在传输过程中是否发生错误。7.3令牌环网技术7.3.1概述令牌环网（TokenRing）是一种局域网技术，由IBM公司于1984年推出。令牌环网采用令牌传递机制实现介质访问控制。7.3.2令牌环网的物理结构令牌环网的物理结构主要包括以下部分：（1）环形拓扑结构：所有节点通过环接口连接成一个闭环。（2）令牌：一个特殊的控制帧，用于在环中传递介质访问权限。（3）环接口：连接节点和环的设备，负责发送和接收数据帧。7.3.3令牌环网的工作原理令牌环网的工作原理如下：（1）初始化时，环中一个令牌在循环。（2）当一个节点需要发送数据时，它会捕获令牌，并将数据帧附加在令牌后面发送出去。（3）数据帧在环中传播，经过每个节点时，节点会检查目的地址，若与自己相符，则接收数据。（4）数据帧到达源节点后，源节点会移除数据帧，并释放令牌。7.4无线局域网技术7.4.1概述无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，简称WLAN）是一种利用无线通信技术实现局域网功能的技术。无线局域网具有安装方便、移动性强、覆盖范围广等优点。7.4.2无线局域网的物理层标准无线局域网的物理层标准主要包括以下几种：（1）802.11b：采用直接序列扩频（DSSS）技术，传输速率为11Mbps。（2）802.11g：采用正交频分复用（OFDM）技术，传输速率为54Mbps。（3）802.11n：采用多输入多输出（MIMO）技术，传输速率可达600Mbps。（4）802.11ac：采用更高阶的OFDM技术，传输速率可达数Gbps。7.4.3无线局域网的安全机制无线局域网的安全机制主要包括以下几种：（1）加密算法：如WEP、WPA、WPA2等。（2）认证协议：如802.1X、PEAP等。（3）防火墙和入侵检测系统：用于保护网络不受非法访问和攻击。通过以上对局域网技术的介绍，我们可以了解到各种局域网技术的特点、工作原理及在实际应用中的优缺点。这对于我们深入了解局域网技术，选择合适的局域网解决方案具有重要意义。第八章广域网技术8.1广域网概述广域网（WideAreaNetwork，简称WAN）是一种跨越较大地理范围的计算机网络，它将不同地理位置的局域网（LocalAreaNetwork，简称LAN）或终端设备连接起来，实现信息的远程传输与共享。广域网技术是现代通信技术的重要组成部分，广泛应用于各个领域。广域网的特点包括：（1）跨越较大的地理范围，可达数千甚至数万公里；（2）采用多种传输介质，如电话线、光纤、无线电波等；（3）传输速率相对较低，通常在64kbps至2Mbps之间；（4）可靠性较高，误码率较低；（5）采用公共网络，如电话网络、光纤通信网络等。8.2电话网络与帧中继电话网络是一种传统的广域网传输技术，它通过电话线将用户终端设备连接起来。电话网络的主要优点是覆盖范围广泛，接入方便。但是电话网络的传输速率较低，无法满足高速数据传输的需求。帧中继（FrameRelay）是一种基于分组交换的广域网技术，它在电话网络的基础上进行了改进。帧中继具有以下特点：（1）传输速率较高，可达2Mbps；（2）采用分组交换技术，提高了传输效率；（3）网络时延较小，适用于实时传输；（4）网络可靠性较高，误码率较低。8.3异步传输模式(ATM)异步传输模式（AsynchronousTransferMode，简称ATM）是一种基于信元的广域网技术。ATM将数据划分为固定长度的信元，实现高速、高效的数据传输。ATM技术具有以下特点：（1）传输速率高，可达2.5Gbps；（2）采用信元交换技术，提高了传输效率；（3）支持多种业务类型，如数据、语音、视频等；（4）网络时延较小，适用于实时传输；（5）网络可靠性较高，误码率较低。8.4光纤通信与DWDM技术光纤通信是一种利用光纤作为传输介质的通信技术。光纤具有传输速率高、带宽大、抗干扰能力强等优点，已成为现代通信网络的主要传输方式。光纤通信的关键技术包括：（1）光源：用于产生光信号的设备，如激光器、LED等；（2）光纤：用于传输光信号的介质，具有损耗低、带宽大的特点；（3）光放大器：用于放大光信号的设备，提高传输距离；（4）光接收器：用于接收光信号的设备，将光信号转换为电信号。DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，密集波分复用）技术是一种在单根光纤上实现多路信号传输的技术。DWDM技术具有以下特点：（1）传输速率高，可达Tbps级别；（2）带宽利用率高，可充分利用光纤带宽；（3）网络扩展性强，易于升级；（4）适用于长距离、高速传输；（5）可靠性较高，误码率较低。，第九章互联网应用与服务9.1互联网应用概述互联网作为现代信息技术的核心，已经深入到社会生活的各个领域。互联网应用指的是在互联网环境下，通过网络协议和计算机程序，为用户提供各种信息和服务的过程。互联网应用可以分为多种类型，包括但不限于信息检索、在线交流、电子商务、在线娱乐等。这些应用不仅极大地丰富