【大学课件】计算机通信及计算机网络知识结构

计算机通信及计算机网络知识结构本课程将深入探讨计算机通信和网络的核心概念、技术和应用。我们将从基础开始，逐步深入到复杂的网络架构和协议。课程概述与学习目标掌握网络基础知识理解计算机网络的基本概念和工作原理。熟悉网络协议深入了解OSI模型、TCP/IP协议族等核心网络协议。实践网络技术学习配置网络设备，解决常见网络问题。探索未来趋势了解网络技术的最新发展和未来方向。计算机网络的基本概念网络定义互连的计算机系统集合，实现资源共享和信息交换。通信过程数据从源节点到目标节点的传输和处理过程。网络协议规定数据交换格式、传输顺序、错误处理等规则。网络分类及体系结构按覆盖范围分类个人区域网（PAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。按拓扑结构分类总线型、星型、环型、网状、树形等网络结构。按传输技术分类广播式网络和点对点网络。OSI参考模型及其特点1应用层为应用程序提供网络服务2表示层数据格式转换、加密解密3会话层建立、管理和终止会话4传输层端到端的可靠数据传输5网络层路由选择和寻址OSI模型还包括数据链路层和物理层，共七层结构。它提供了网络通信的标准化框架。TCP/IP分层体系结构1应用层HTTP、FTP、SMTP等协议2传输层TCP、UDP协议3网络层IP协议、ICMP协议4网络接口层以太网、Wi-Fi等TCP/IP模型是互联网的基础，它简化了OSI模型，更适合实际应用。物理层的主要功能及技术比特传输将数字信号转换为物理信号，实现比特流的传输。物理接口特性定义网络设备的机械、电气、功能和过程特性。传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线电波等。信号编码使用不同的编码技术，如曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。数据链路层的主要功能及技术成帧将比特流分割成帧，便于传输和错误检测。差错控制使用CRC等技术检测和纠正传输错误。流量控制调节发送速率，防止接收方缓冲区溢出。访问控制协调多个节点对共享介质的访问。局域网技术标准及应用以太网最广泛使用的局域网技术，包括10Base-T、100Base-TX等标准。无线局域网基于IEEE802.11标准，包括Wi-Fi4（n）、Wi-Fi5（ac）、Wi-Fi6（ax）等。令牌环网使用令牌传递机制，虽然使用较少，但在某些特定环境中仍有应用。广域网技术标准及应用PPP（点对点协议）用于在两个网络节点之间建立直接连接的数据链路层协议。HDLC高级数据链路控制，是一种面向比特的数据链路层协议。帧中继一种分组交换技术，用于连接局域网和其他远程设备。ATM异步传输模式，支持多种类型的业务，如语音、视频和数据。网络接入技术及发展趋势1DSL技术利用现有电话线提供高速数据传输。2光纤接入FTTH和FTTB等技术，提供更高带宽和更低延迟。35G网络高速移动通信技术，支持物联网和智能城市等应用。4卫星互联网如Starlink，为偏远地区提供高速互联网接入。网络设备的基本功能路由器在网络层工作，负责数据包的转发和路由选择。交换机在数据链路层工作，实现局域网内的数据交换。防火墙过滤进出网络的数据流，提供安全保护。网关连接不同网络，实现协议转换和数据转发。路由协议的分类及特点静态路由手动配置路由表，适用于小型网络。管理简单，但不能自动适应网络变化。动态路由自动更新路由表，分为距离矢量和链路状态两类。适应性强，但消耗更多资源。内部网关协议如RIP、OSPF，用于自治系统内部路由。外部网关协议如BGP，用于自治系统之间的路由。常见路由协议详解RIP距离矢量协议，适用于小型网络。使用跳数作为度量。OSPF链路状态协议，适用于大型网络。使用带宽作为度量。BGP路径矢量协议，用于互联网骨干网路由。支持复杂的路由策略。IP地址的基本概念及分类IP地址定义用于标识网络中设备的唯一地址。IPv4地址32位地址，格式为点分十进制。IPv6地址128位地址，格式为冒号分隔的十六进制。公网地址和私网地址公网地址全球唯一，私网地址用于局域网。IPv4地址及其分配管理地址类别A类、B类、C类、D类（多播）和E类（保留）。子网划分使用子网掩码将大型网络分割成小型子网。CIDR无类域间路由，提高地址分配效率。NAT技术网络地址转换，解决IPv4地址短缺问题。IPv6地址及其分配管理地址格式8组16位十六进制数，用冒号分隔。地址类型单播、多播、任播地址。地址简化省略前导零，使用双冒号表示连续的零组。过渡技术双栈、隧道、转换等技术实现IPv4到IPv6的过渡。网络服务模型及其特点尽力而为服务不保证服务质量，但实现简单，如IP服务。面向连接服务建立连接后传输数据，可靠性高，如TCP。无连接服务直接发送数据，速度快但可靠性低，如UDP。服务质量保证提供带宽、延迟等质量保证，如MPLS。传输层协议的基本概念多路复用允许多个应用程序共享网络连接。分段将大的数据流分割成小的数据段。流量控制调节数据传输速率，避免接收方缓冲区溢出。错误控制检测和纠正传输错误，确保数据完整性。TCP协议的特点及工作原理1连接建立三次握手过程。2数据传输使用序列号和确认机制。3流量控制滑动窗口机制。4拥塞控制慢启动、拥塞避免等算法。5连接终止四次挥手过程。UDP协议的特点及应用场景无连接不需要建立连接就可以直接发送数据。不可靠传输不保证数据的可靠到达，没有重传机制。低开销头部简单，只有8字节，传输效率高。应用场景适用于实时应用，如视频流、在线游戏、DNS查询等。应用层常见协议简介HTTP超文本传输协议，用于Web浏览。FTP文件传输协议，用于文件上传下载。SMTP简单邮件传输协议，用于发送电子邮件。DNS域名系统，用于域名解析。Web工作原理及相关技术客户端请求浏览器发送HTTP请求到服务器。服务器处理Web服务器接收请求，处理并生成响应。响应返回服务器将HTML、CSS、JavaScript等资源发送回客户端。客户端渲染浏览器解析接收到的资源，渲染网页。网络安全概述及威胁恶意软件病毒、蠕虫、木马等威胁系统安全。网络攻击DDoS攻击、中间人攻击等破坏网络正常运行。社会工程学钓鱼、欺骗等手段获取敏感信息。数据泄露未经授权的数据访问和传播。网络安全技术及应用防火墙过滤网络流量，阻止未授权访问。加密技术保护数据传输和存储的机密性。VPN通过公共网络建立安全的私有连接。入侵检测系统监控网络活动，识别可疑行为。网络攻击及防御策略DDoS攻击防御：流量清洗、CDN分发、增加带宽。SQL注入防御：参数化查询、输入验证、最小权限原则。跨站脚本（XSS）防御：输出编码、内容安全策略（CSP）。中间人攻击防御：使用HTTPS、证书验证、VPN。网络监控与性能优化1网络流量分析使用流量监控工具识别异常流量和瓶颈。2性能指标监控跟踪延迟、吞吐量、丢包率等关键指标。3负载均衡通过分散流量提高网络效率和可靠性。4缓存策略使用CDN和本地缓存减少网络负载。行业应用案例分析智慧城市物联网技术和5G网络支持智能交通、环境监测等应用。远程医疗高速网络实现远程诊断、手术指导等医疗服务。工业互联网工业4.0中的网络技术应用，提高生产效率和自动化水平。未来网络发展趋势分析6G技术更高速度、更低延迟，支持全息通信。量子通信利用量子纠缠实现绝对安全的通信。边缘计算将计