本書是面向普通高等學校本科及研究生教育的計算機網(wǎng)絡教材。全書以TCP/IP體系結(jié)構(gòu)為主線,采用循序漸進的方式,系統(tǒng)地介紹了計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),以及物理網(wǎng)絡、網(wǎng)絡互聯(lián)、端到端傳輸、應用層服務所涉及的基本概念、原理和典型協(xié)議,并在各部分的內(nèi)容中融入了計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展。全書共分為5章,每章均給出了動手實踐內(nèi)容,以及思考與練習。本書內(nèi)容豐富、邏輯清晰、論述嚴謹,知識點討論具體、深入,在介紹計算機網(wǎng)絡基本原理的同時注重探討因特網(wǎng)發(fā)展過程中所面臨的問題及解決策略。本書可供計算機類、電子信息類專業(yè)的大學本科生和研究生使用,也可作為計算機網(wǎng)絡培訓或工程技術(shù)人員自學的參考書。
本書是面向普通高等學校本科生及研究生的計算機網(wǎng)絡教材。全書以TCP/IP體系結(jié)構(gòu)為主線、以互聯(lián)網(wǎng)為實例,系統(tǒng)地介紹了計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),以及物理網(wǎng)絡、網(wǎng)絡互連、路徑選擇與路由、端到端傳輸、網(wǎng)絡擁塞控制、應用層協(xié)議與服務等所涉及的基本概念、原理和典型的協(xié)議,并在部分章節(jié)中融入了計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展。全書共分5章,每章均給出了動手實踐內(nèi)容,以及思考和練習題。
前言
網(wǎng)絡強國是我國的發(fā)展戰(zhàn)略,是習近平新時代中國特色社會主義思想的重要組成部分。我國自1994年接入因特網(wǎng)以來,互聯(lián)網(wǎng)在中國已經(jīng)實現(xiàn)了30多年的高速發(fā)展,中國已成為名副其實的網(wǎng)絡大國;ヂ(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動了經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型和升級,改變了人們的生活方式,促進了教育的普及和化,加速了文化的交流與融合。如今的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為國家基礎設施的重要組成部分,與國計民生息息相關(guān)。黨的“二十大”報告指出: “科技是優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)力,人才是優(yōu)質(zhì)資源,創(chuàng)新是優(yōu)質(zhì)動力。”在從網(wǎng)絡大國走向網(wǎng)絡強國的征途中,計算機網(wǎng)絡人才的培養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新至關(guān)重要。
各類高等院校都將計算機網(wǎng)絡列為計算機類專業(yè)的核心主干課程,以培養(yǎng)計算機網(wǎng)絡方面的創(chuàng)新型或技能型人才。計算機網(wǎng)絡課程經(jīng)過多年的發(fā)展,目前基本形成了以TCP/IP體系結(jié)構(gòu)為核心、以因特網(wǎng)為實例的內(nèi)容組織模式。計算機網(wǎng)絡課程所選用的教材主要包含國外引進的教材和國內(nèi)自主編寫的教材。國外計算機網(wǎng)絡教材的主要特點是內(nèi)容涵蓋量大,涉及的知識點較為龐雜,對于本科生來說較難掌握,比較適合作參考書或研究生教材。國內(nèi)計算機網(wǎng)絡教材主要分為兩類: 一類以知識傳授為主,主要講解計算機網(wǎng)絡的基本原理和協(xié)議; 另一類以計算機網(wǎng)絡技術(shù)的實際應用為主,理論知識講解較少。兩類教材較好地適應研究型大學計算機網(wǎng)絡課程的教學需求,但作為研究型大學的一線教師,更深知教材在計算機網(wǎng)絡教學中的重要性,因此在總結(jié)多年理論教學和實踐教學經(jīng)驗的基礎上,完成了本書的寫作。
本書以TCP/IP體系結(jié)構(gòu)為主線,基于涵蓋經(jīng)典、結(jié)合實際、觸及前沿的基本思想對內(nèi)容進行選取和組織,既能夠計算機網(wǎng)絡知識體系的完整性,又可以展現(xiàn)計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。本書采用循序漸進的方式,系統(tǒng)地介紹了計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),以及物理網(wǎng)絡、網(wǎng)絡互聯(lián)、端到端傳輸、應用層服務所涉及的基本概念、原理和典型協(xié)議,并在各部分的內(nèi)容中融入了計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。
本書共分為5章,各章所涵蓋的主要內(nèi)容如下。
第1章從整體角度粗線條地勾勒了計算機網(wǎng)絡的概貌,介紹了因特網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)及發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù),描述了計算機網(wǎng)絡的分層模型,并討論了著名的ISO/OSI參考模型和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)。
第2章從只有兩個節(jié)點和一條物理鏈路的簡單物理網(wǎng)絡入手,分析需要解決的基本問題和解決問題的方法,并以廣泛使用的以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)為例,探討多節(jié)點連接的具體方法,以及需要解決的附加問題,最后對典型的接入網(wǎng)絡進行了簡要介紹。
第3章以IP協(xié)議為核心,詳細介紹了IP數(shù)據(jù)包格式、IP地址結(jié)構(gòu)、IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程,以及IPv6的新特征,探討了幾種典型的路由算法和路由協(xié)議的工作機制,并對軟件定義網(wǎng)絡(SDN)和多協(xié)議標簽交換(MPLS)的基本思想進行了簡要介紹。
第4章討論了端到端傳輸協(xié)議需要解決的基本問題,介紹了TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中的兩個核心的端到端傳輸協(xié)議UDP和TCP,討論了TCP面臨的問題和優(yōu)化策略,最后對運行在UDP之上的端到端傳輸協(xié)議RTP/RTCP進行了簡要介紹。
第5章介紹了應用進程的兩種交互模式,詳細討論了因特網(wǎng)域名系統(tǒng)的基本工作原理,介紹了電子郵件系統(tǒng)、WWW服務的基本工作機制及相關(guān)協(xié)議,最后對內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡的工作機制以及典型的流媒體傳輸協(xié)議進行了簡要介紹。
本書內(nèi)容豐富、邏輯清晰、論述嚴謹,知識點討論具體、深入,在介紹計算機網(wǎng)絡基本原理的同時注重探討因特網(wǎng)發(fā)展過程中所面臨的問題及解決策略。本書的各章均列出了知識目標、能力目標和素質(zhì)目標,同時也給出了動手實踐內(nèi)容和思考練習。讀者可以通過完成實踐內(nèi)容,深入理解核心知識點; 可以通過完成思考練習,檢查學習效果和對相應知識的理解程度。
作者參閱了大量的RFC文檔和相關(guān)標準以本書內(nèi)容的正確性。但限于作者的學術(shù)水平,加之時間倉促,在本書的選材、內(nèi)容安排上如有不妥之處,懇請讀者批評指正。
作者
2025年7月于南開園
徐敬東,南開大學計算機學院教授、博士生導師、南開大學教學名師,高校計算機專業(yè)教師。多年來一直從事計算機網(wǎng)絡方面的教學和研究工作。承擔國家自然、天津市科技重大專項等項目,發(fā)表科研論文60余篇。主講“計算機網(wǎng)絡”“網(wǎng)絡技術(shù)與應用”“移動計算與無線網(wǎng)絡”等課程,其中“網(wǎng)絡技術(shù)與應用”入選一流本科課程,“計算機網(wǎng)絡”入選天津市一流本科課程。發(fā)表教學研究論文8篇,編寫計算機網(wǎng)絡類教材10余部,其中多部入選規(guī)劃教材。獲天津市教學成果一等獎1項、特等獎2項。張建忠,南開大學網(wǎng)絡空間安全學院教授、博士生導師、南開大學教學名師。多年來一直從事計算機網(wǎng)絡方面的教學和研究工作。承擔國家重點研發(fā)計劃、國家242信息安全計劃等項目,發(fā)表科研論文50余篇。主講“計算機網(wǎng)絡”“網(wǎng)絡技術(shù)與應用”等課程,其中“網(wǎng)絡技術(shù)與應用”入選一流本科課程,“計算機網(wǎng)絡”入選天津市一流本科課程。發(fā)表教學研究論文8篇,編寫計算機網(wǎng)絡類教材10余部,其中多部入選規(guī)劃教材。獲天津市教學成果一等獎1項、特等獎2項。
目錄
第1章計算機網(wǎng)絡概述
1.1計算機網(wǎng)絡的連接方式
1.1.1直接連接方式
1.1.2交換式連接方式
1.1.3多物理網(wǎng)絡互聯(lián)
1.2因特網(wǎng)及其發(fā)展
1.2.1因特網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)
1.2.2因特網(wǎng)發(fā)展中的幾個關(guān)鍵技術(shù)
1.3計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)
1.3.1計算機網(wǎng)絡的分層模型
1.3.2ISO/OSI參考模型
1.3.3TCP/IP體系結(jié)構(gòu)
1.3.4IEEE 802體系結(jié)構(gòu)
1.4網(wǎng)絡標準化組織
動手實踐: 利用Wireshark觀察數(shù)據(jù)包的封裝層次
思考與練習
第2章物理網(wǎng)絡
2.1點到點直連
2.1.1傳輸介質(zhì)與信道
2.1.2編碼與調(diào)制
2.1.3差錯檢測與糾正
2.1.4幀與幀定界
2.1.5可靠傳輸
2.1.6點對點協(xié)議實例
2.2以太網(wǎng)
2.2.1以太網(wǎng)基礎
2.2.2共享式以太網(wǎng)
2.2.3交換式以太網(wǎng)
2.2.4虛擬局域網(wǎng)
2.3無線局域網(wǎng)
2.3.1IEEE 802.11標準與WiFi
2.3.2無線局域網(wǎng)組網(wǎng)模式
2.3.3無線局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)
2.3.4MAC幀格式與介質(zhì)訪問控制方法
2.3.5基本服務集的建立與加入
2.4接入網(wǎng)絡
2.4.1傳統(tǒng)接入技術(shù)
2.4.2無源光網(wǎng)絡
2.4.3移動蜂窩網(wǎng)絡
動手實踐: 數(shù)據(jù)幀的捕獲與分析
思考與練習
第3章網(wǎng)絡互聯(lián)
3.1網(wǎng)絡互聯(lián)概述
3.2TCP/IP互聯(lián)層
3.3IPv4協(xié)議
3.3.1IP數(shù)據(jù)包格式
3.3.2IP地址
3.3.3IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)
3.3.4IP地址問題分析及解決策略
3.3.5IP地址到物理地址映射
3.3.6ICMP
3.4IPv6協(xié)議
3.4.1IPv6的新特征
3.4.2IPv6數(shù)據(jù)包格式
3.4.3IPv6地址
3.4.4ICMPv6協(xié)議
3.5路由的建立與更新
3.5.1網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的抽象描述
3.5.2距離向量路由算法與協(xié)議
3.5.3鏈路狀態(tài)路由算法及協(xié)議
3.5.4邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議
3.6軟件定義網(wǎng)絡
3.6.1SDN體系結(jié)構(gòu)
3.6.2OpenFlow流表結(jié)構(gòu)
3.6.3OpenFlow通道
3.6.4基于流表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)
3.7多協(xié)議標簽交換
3.7.1MPLS標簽格式
3.7.2MPLS基本工作原理
3.7.3MPLS流量工程
3.7.4MPLS虛擬專用網(wǎng)
動手實踐: 簡單路由器程序設計
思考與練習
第4章端到端傳輸協(xié)議
4.1用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議
4.1.1UDP數(shù)據(jù)報
4.1.2多路復用和分用
4.1.3差錯檢測
4.2傳輸控制協(xié)議
4.2.1TCP段
4.2.2TCP連接管理
4.2.3TCP可靠數(shù)據(jù)傳輸
4.2.4TCP擁塞控制
4.3TCP擴展與替代協(xié)議
4.3.1MPTCP
4.3.2QUIC
4.4實時傳輸協(xié)議
4.4.1RTP設計
4.4.2RTP傳輸控制協(xié)議
4.4.3RTCP報告分組的使用
動手實踐: 簡單可靠傳輸程序設計
思考與練習
第5章應用層服務與協(xié)議
5.1應用進程交互模式
5.1.1客戶端/服務器模式
5.1.2對等模式
5.2域名系統(tǒng)
5.2.1DNS命名機制
5.2.2域名解析
5.2.3資源記錄
5.2.4DNS報文格式
5.2.5DNS緩存機制
5.3電子郵件服務及協(xié)議
5.3.1電子郵件系統(tǒng)
5.3.2簡單郵件傳輸協(xié)議
5.3.3郵件訪問協(xié)議
5.3.4電子郵件格式
5.4WWW服務及協(xié)議
5.4.1Web客戶端/服務器模型
5.4.2Web頁面結(jié)構(gòu)及標識方法
5.4.3超文本傳輸協(xié)議
5.4.4Web緩存機制
5.5內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡
5.5.1CDN的基本工作機制
5.5.2請求重定向機制
5.5.3CDN節(jié)點選擇策略
5.6流媒體傳輸協(xié)議
5.6.1基于HTTP的流媒體傳輸
5.6.2DASH基本工作原理
5.6.3媒體內(nèi)容描述
5.6.4自適應碼率
動手實踐: 簡單Web服務器程序設計
思考與練習
參考文獻