計算機網(wǎng)絡(第02章)計算機網(wǎng)絡概述物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層應用層目錄CONTENT計算機網(wǎng)絡概述01計算機網(wǎng)絡是由多臺地理上分散的、具有獨立功能的計算機通過通信設備和線路連接起來，在相應軟件支持下實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享的系統(tǒng)。從20世紀60年代的ARPANET開始，經(jīng)歷了從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)、從低速到高速、從單一數(shù)據(jù)通信到多媒體通信的發(fā)展歷程。計算機網(wǎng)絡的定義與發(fā)展發(fā)展歷程定義組成計算機網(wǎng)絡由資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)兩部分組成。資源子網(wǎng)負責信息處理，通信子網(wǎng)負責信息傳輸。結構計算機網(wǎng)絡結構包括網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡協(xié)議結構、網(wǎng)絡設備結構和網(wǎng)絡軟件結構等。其中，網(wǎng)絡拓撲結構有星型、環(huán)型、總線型、樹型和網(wǎng)狀型等。計算機網(wǎng)絡的組成與結構計算機網(wǎng)絡具有數(shù)據(jù)通信、資源共享、分布式處理、負載均衡等功能。功能計算機網(wǎng)絡在各個領域都有廣泛應用，如辦公自動化、電子商務、遠程教育、遠程醫(yī)療、智能制造等。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡的應用前景將更加廣闊。應用計算機網(wǎng)絡的功能與應用物理層02物理層的定義01物理層是計算機網(wǎng)絡體系結構中的最低層，它負責在傳輸介質上提供可靠的、透明的比特流傳輸服務。物理層的主要功能02物理層的主要功能包括機械特性、電氣特性、功能特性和規(guī)程特性的規(guī)定與實現(xiàn)。物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的關系03物理層為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，數(shù)據(jù)鏈路層則建立在物理連接之上，通過物理層提供的服務來實現(xiàn)相鄰節(jié)點間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括信源、信宿、信道和噪聲源等基本要素，其中信道是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，噪聲源則會對數(shù)據(jù)傳輸造成干擾。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本模型模擬信號是連續(xù)變化的電磁波，數(shù)字信號則是離散的二進制序列。在計算機網(wǎng)絡中，數(shù)字信號具有更高的抗干擾能力和更遠的傳輸距離。模擬信號與數(shù)字信號數(shù)據(jù)通信方式包括并行通信和串行通信、同步通信和異步通信、單工通信、半雙工通信和全雙工通信等。不同的通信方式具有不同的特點和適用場景。數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信基礎中繼器中繼器是一種簡單的網(wǎng)絡互聯(lián)設備，用于在兩個網(wǎng)絡實體間建立、管理和釋放物理連接，并對物理信號進行放大、整形和轉發(fā)。集線器集線器是一種多端口的中繼器，它以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，所有端口都能接收并轉發(fā)數(shù)據(jù)。集線器在局域網(wǎng)中起到擴展網(wǎng)絡范圍和增加網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)的作用。網(wǎng)卡網(wǎng)卡是計算機與網(wǎng)絡相連的接口電路，它負責將計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉換為適合在網(wǎng)絡上傳輸?shù)母袷?，并通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上。同時，網(wǎng)卡也負責接收網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)，并將其轉換為計算機能夠處理的格式。物理層設備數(shù)據(jù)鏈路層03數(shù)據(jù)鏈路層是OSI七層模型中的第二層，負責在物理層提供的比特流的基礎上，通過建立數(shù)據(jù)鏈路連接，進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的定義數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能包括幀同步、差錯控制、流量控制和鏈路管理等。數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層的設備主要包括網(wǎng)卡、網(wǎng)橋和交換機等。數(shù)據(jù)鏈路層的設備數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念幀同步幀同步是指在數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收方能夠準確地識別出每個幀的起始和終止位置。常見的幀同步方法有字節(jié)計數(shù)法和字符填充法等。差錯控制差錯控制是指在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過采用一定的編碼和解碼技術，實現(xiàn)對傳輸錯誤的檢測和糾正。常見的差錯控制方法有奇偶校驗、循環(huán)冗余校驗（CRC）等。幀同步與差錯控制PPP協(xié)議PPP協(xié)議是一種點對點的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，廣泛應用于撥號上網(wǎng)等場景。PPP協(xié)議具有簡單、靈活和可擴展等優(yōu)點，支持多種網(wǎng)絡層協(xié)議。HDLC協(xié)議HDLC協(xié)議是一種高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，適用于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)等多種網(wǎng)絡環(huán)境。HDLC協(xié)議具有高效、可靠和安全等特點，支持多種數(shù)據(jù)傳輸模式。以太網(wǎng)協(xié)議以太網(wǎng)協(xié)議是一種局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，廣泛應用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡等場景。以太網(wǎng)協(xié)議具有簡單、高效和低成本等優(yōu)點，支持多種傳輸速率和傳輸模式。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議網(wǎng)絡層04網(wǎng)絡層的功能網(wǎng)絡層是OSI參考模型中的第三層，負責在網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)。它的主要功能是路由選擇和邏輯地址尋址，確保數(shù)據(jù)能夠從源主機傳輸?shù)侥繕酥鳈C。邏輯地址和物理地址在網(wǎng)絡層，設備使用邏輯地址（如IP地址）進行通信。邏輯地址與物理地址（如MAC地址）不同，物理地址由數(shù)據(jù)鏈路層使用。路由器的工作原理路由器是網(wǎng)絡層的核心設備，它根據(jù)路由表將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡轉發(fā)到另一個網(wǎng)絡。路由器通過解析數(shù)據(jù)包中的目標邏輯地址，查找路由表并確定最佳路徑，然后將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到相應的接口。網(wǎng)絡層的基本概念要點三靜態(tài)路由算法靜態(tài)路由算法是一種手動配置的路由算法，管理員需要手動指定目標網(wǎng)絡和下一跳地址或出口接口。靜態(tài)路由算法簡單、穩(wěn)定，但缺乏靈活性和可擴展性。要點一要點二動態(tài)路由算法動態(tài)路由算法能夠自動學習和更新路由信息。常見的動態(tài)路由算法包括距離矢量路由算法（如RIP）和鏈路狀態(tài)路由算法（如OSPF）。這些算法通過交換路由信息來構建網(wǎng)絡拓撲圖，并計算出最佳路徑。負載均衡和路徑備份為了提高網(wǎng)絡的可靠性和性能，可以使用負載均衡技術將流量分配到多條路徑上。同時，為了實現(xiàn)路徑備份，可以配置備用路徑，在主路徑出現(xiàn)故障時自動切換到備用路徑。要點三路由選擇算法IP協(xié)議IP協(xié)議是網(wǎng)絡層的核心協(xié)議，負責在網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)。它提供了無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)報服務，并使用邏輯地址進行尋址。IP協(xié)議包括IPv4和IPv6兩個版本，其中IPv6具有更大的地址空間和更高的安全性。ICMP協(xié)議ICMP協(xié)議是IP協(xié)議的輔助協(xié)議，用于在主機和路由器之間傳遞控制消息。它可以用于診斷網(wǎng)絡問題、報告錯誤情況等。ARP協(xié)議ARP協(xié)議用于將32位的IP地址映射為MAC地址。當主機需要與另一個主機通信時，它首先會發(fā)送ARP請求來獲取目標主機的MAC地址，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到該MAC地址。網(wǎng)絡層協(xié)議傳輸層05傳輸層的基本概念傳輸層的功能傳輸層是計算機網(wǎng)絡體系結構中的一個重要層次，它負責向兩個主機中進程之間的通信提供服務。傳輸層的主要功能是復用和分用、連接管理、流量控制和差錯控制等。傳輸層的服務傳輸層向應用層提供兩種服務，即面向連接的傳輸服務（TCP）和無連接的傳輸服務（UDP）。TCP服務提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而UDP服務則不保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。TCP（TransmissionControlProtocol，傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。TCP在通信過程中管理數(shù)據(jù)段的順序和流量控制，以確保數(shù)據(jù)能夠可靠地傳輸?shù)侥繕?。TCP協(xié)議UDP（UserDatagramProtocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）是一種無連接的傳輸層協(xié)議。與TCP不同，UDP在傳輸數(shù)據(jù)前不需要建立連接，也不提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。它主要用于那些不需要可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?，如實時音視頻傳輸?shù)?。UDP協(xié)議傳輸層協(xié)議網(wǎng)關網(wǎng)關又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉換器，是一種充當轉換重任的計算機系統(tǒng)或設備。它用于在網(wǎng)絡層以上實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，不過僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡。路由器路由器是連接因特網(wǎng)中各局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的設備，它會根據(jù)信道的情況自動選擇和設定路由，以最佳路徑，按前后順序發(fā)送信號。路由器具有判斷網(wǎng)絡地址和選擇IP路徑的功能，它能在多網(wǎng)絡互聯(lián)環(huán)境中，建立靈活的連接。傳輸層設備應用層0603常見的應用層協(xié)議有HTTP、FTP、SMTP、DNS等。01應用層是計算機網(wǎng)絡體系結構中的最高層，負責為用戶提供各種網(wǎng)絡服務。02應用層協(xié)議定義了網(wǎng)絡應用進程間通信的規(guī)則和約定，包括消息格式、通信流程等。應用層的基本概念DNS是互聯(lián)網(wǎng)使用的命名系統(tǒng)，用來把人們使用的機器名字（域名）轉換為IP地址。DNS采用層次結構的命名方法，域名由多個標號組成，各標號之間用點隔開，分別代表不同級別的域名。DNS服務器根據(jù)域名解析出對應的IP地址，實現(xiàn)域