编辑推荐
本书特色:
注重讲述网络的基本概念和原理,它们是学习和掌握网络技术的最重要的知识点和最重要的环节;同时也力图反映计算机网络发展的新技术。
本书首先介绍计算机网络的体系结构,然后以物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五层体系结构层为主线讲述计算机网络的基本原理和核心技术,最后介绍网络安全技术。
为方便教堂和学习,本书配套出版《计算机网络(第3版)习题解答与实验指导》,通过习题和实验进一步加深读者对计算机网络基本原理、技术的理解和掌握。
内容简介
本书是在前两版的基础上,根据计算机网络的发展形势,精简了部分内容,增加了新的技术,全面讲述计算机网络技术。首先介绍计算机网络的体系结构,然后以物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五层体系结构层为主线讲述计算机网络的基本原理和核心技术,最后介绍网络安全技术。
本书注重讲述网络的基本概念和原理,它们是学习网络技术最重要的知识点,同时也是力图反映计算机网络发展的新技术。
本书主要针对高等院校理工科类专业本科生计算机网络课程的教学,也可作为其他专业和其他授课对象的教材以及工程技术人员从事开发研究工作的参考书。
内页插图
目录
第1章 概述1
1.1 计算机网络的基本概念1
1.1.1 什么是计算机网络1
1.1.2 计算机网络的分类和网络结构2
1.1.3 计算机网络的性能指标7
1.2 计算机网络的发展历程8
1.2.1 计算机网络产生的背景9
1.2.2 计算机网络的产生10
1.2.3 计算机网络的飞速发展11
1.2.4 Internet时代13
1.2.5 计算机网络在我国的发展14
1.3 计算机网络体系结构15
1.3.1 OSI体系结构15
1.3.2 TCP/IP体系结构18
1.3.3 五层体系结构19
1.4 计算机网络的标准化工作22
1.4.1 标准化组织22
1.4.2 RFC文档22
思考题23
第2章 物理层25
2.1 概述25
2.2 频带传输技术27
2.2.1 什么是频带传输27
2.2.2 调制解调技术27
2.3 基带传输技术29
2.3.1 什么是基带传输29
2.3.2 编码解码技术29
2.3.3 信道的极限传输速率33
2.4 信道复用技术34
2.4.1 概述34
2.4.2 频分复用(FDM)34
2.4.3 时分复用(TDM)和统计时分复用(STDM)35
2.4.4 准同步数字系列(PDH)36
2.4.5 同步数字系列(SDH)38
2.4.6 波分复用(WDM)41
2.5 宽带接入技术42
2.5.1 概述42
2.5.2 数字用户线xDSL42
2.5.3 混合光纤同轴电缆网(HFC)44
2.6 传输媒体47
2.6.1 双绞线47
2.6.2 同轴电缆48
2.6.3 光纤48
2.6.4 无线传输50
思考题52
第3章 数据链路层54
3.1 概述54
3.2 帧同步和透明传输55
3.2.1 帧同步55
3.2.2 透明传输56
3.3 差错检验57
3.3.1 差错检验方法57
3.3.2 循环冗余检验(CRC)58
3.4 数据链路控制60
3.4.1 数据链路控制的基本思想60
3.4.2 数据链路控制的基本机制60
3.4.3 自动请求重传(ARQ)62
3.5 高级数据链路控制规程(HDLC)67
3.6 点对点协议(PPP)67
3.6.1 PPP及其帧格式67
3.6.2 PPP运行状态图68
3.6.3 PPP的身份认证69
思考题69
第4章 局域网71
4.1 概述71
4.2 IEEE802局域网体系结构72
4.2.1 IEEE802局域网参考模型72
4.2.2 媒体接入控制子层73
4.2.3 逻辑链路控制子层75
4.3 以太网工作原理76
4.3.1 以太网技术的发展76
4.3.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD78
4.3.3 以太网传输特点84
4.3.4 以太网信道利用率85
4.3.5 以太网帧格式86
4.4 传统以太网88
4.4.1 物理层88
4.4.2 网络接口卡(NIC)89
4.4.3 中继器和集线器89
4.4.4 传统以太网及其网络结构90
4.5 高速以太网92
4.5.1 100BaseT92
4.5.2 千兆以太网96
4.5.3 万兆以太网99
4.6 交换式以太网102
4.6.1 概述102
4.6.2 网桥102
4.6.3 交换机104
4.6.4 交换式以太网及其特点105
4.7 虚拟局域网(VLAN)107
4.7.1 VLAN及其特点107
4.7.2 VLAN划分107
4.7.3 VLAN帧格式108
4.7.4 VLAN运行109
4.8 无线局域网(WLAN)112
4.8.1 IEEE802.1 1WLAN112
4.8.2 IEEE802.1 1物理层标准114
4.8.3 IEEE802.1 1MAC层帧和帧格式117
4.8.4 IEEE802.1 1MAC层DCF119
4.8.5 IEEE802.1 1MAC层PCF125
4.8.6 WLAN管理125
思考题127
第5章 网络层130
5.1 概述130
5.1.1 网络互联130
5.1.2 分组交换131
5.1.3 路由器132
5.1.4 Internet网际层133
5.2 网际协议(IP)134
5.2.1 分类IPv4地址及划分子网134
5.2.2 IP数据报格式137
5.2.3 IP差错检验算法139
5.2.4 IP数据报的分片与重组140
5.2.5 IP数据报转发141
5.2.6 IP数据报选项146
5.3 地址解析协议(ARP)147
5.3.1 概述147
5.3.2 ARP地址解析机制148
5.4 因特网控制报文协议(ICMP)150
5.4.1 ICMP及其报文格式150
5.4.2 ICMP报文151
5.5 无类别域间路由选择(CIDR)153
5.5.1 CIDR编址153
5.5.2 构造超网155
5.5.3 最长前缀匹配155
5.6 路由选择协议156
5.6.1 概述156
5.6.2 路由信息协议(RIP)158
5.6.3 开放最短路径优先协议(OSPF)161
5.6.4 边界网关协议(BGP)167
5.7 IP多播170
5.7.1 概述170
5.7.2 因特网组管理协议(IGMP)172
5.7.3 距离矢量多播路由选择协议(DVMRP)174
5.8 下一代的网际协议IPv6178
5.8.1 概述178
5.8.2 IPv6地址178
5.8.3 IPv6数据报格式180
5.8.4 IPv4向IPv6过渡182
5.9 IP主干网185
5.9.1 异步传输模式(ATM)185
5.9.2 IPoverATM193
5.9.3 多协议标记交换(MPLS)194
5.9.4 IPoverSDH195
5.9.5 IPoverWDM196
思考题197
第6章 传输层201
6.1 概述201
6.2 传输层端口202
6.2.1 端口及其作用202
6.2.2 两类端口203
6.3 用户数据报协议(UDP)203
6.3.1 UDP用户数据报203
6.3.2 UDP伪报头204
6.3.3 UDP的特点204
6.4 传输控制协议(TCP)205
6.4.1 TCP的编号与确认205
6.4.2 TCP报文段206
6.4.3 TCP连接管理209
6.4.4 TCP重传机制212
6.4.5 TCP流量控制215
6.4.6 TCP拥塞控制218
6.5 多媒体传输224
6.5.1 概述224
6.5.2 一个多媒体传输的例子225
6.5.3 实时传输协议(RTP)226
6.5.4 实时传输控制协议(RTCP)229
6.5.5 实时流式协议(RTSP)230
思考题231
第7章 应用层233
7.1 网络应用进程的交互模式233
7.2 域名系统(DNS)234
7.2.1 Internet域名结构234
7.2.2 域名解析236
7.3 文件传输协议(FTP)240
7.3.1 FTP工作机制240
7.3.2 FTP访问控制241
7.4 电子邮件(E-mail)241
7.4.1 概述241
7.4.2 电子邮件系统242
7.4.3 电子邮件的信息格式243
7.4.4 简单的邮件传送协议(SMTP)246
7.4.5 邮局协议(POP)247
7.5 万维网(WWW)247
7.5.1 概述247
7.5.2 万维网工作机制248
7.5.3 统一资源定位符(URL)250
7.5.4 超文本传输协议(HTTP)251
7.5.5 超文本标记语言(HTML)252
7.5.6 动态网页技术255
7.6 动态主机配置协议(DHCP)257
7.6.1 概述257
7.6.2 DHCP工作机理257
7.7 SNMP网络管理系统259
7.7.1 概述259
7.7.2 简单网络管理协议(SNMP)261
7.7.3 管理信息结构(SMI)264
7.7.4 管理信息库(MIB)267
思考题269
第8章 网络安全271
8.1 概述271
8.1.1 网络安全的重要性271
8.1.2 网络攻击和网络安全服务271
8.2 两种密码体制272
8.2.1 密码学基础272
8.2.2 对称密钥密码体制与公开密钥密码体制274
8.2.3 对称密钥密码体制的经典算法DES275
8.2.4 公开密钥密码体制的经典算法RSA280
8.3 数字签名和报文摘要281
8.3.1 数字签名281
8.3.2 报文摘要283
8.4 身份认证和密钥分发284
8.4.1 概述284
8.4.2 基于对称密钥的身份认证和密钥分发285
8.4.3 基于公钥的身份认证和公钥分发287
8.5 Internet网络安全技术288
8.5.1 网际层安全技术288
8.5.2 传输层安全技术292
8.5.3 应用层安全技术293
8.6 防火墙295
8.6.1 概述295
8.6.2 防火墙技术295
8.6.3 防火墙系统297
8.7 虚拟专用网(VPN)299
8.7.1 概述299
8.7.2 VPN隧道和隧道协议300
8.7.3 L2TPVPN301
8.7.4 IPSecVPN305
思考题306
参考文献308
精彩书摘
第1章 概 述
1.1 计算机网络的基本概念
1.1.1 什么是计算机网络
计算机网络的产生和发展在现代科学技术史上具有划时代的意义。因特网(Internet)彻底改变了人们的工作和生活方式,改变了企事业单位的运营和管理方式。电子邮件、IP电话成为人们重要的交流方式;Web浏览成为人们获取信息的主要渠道;网上办公、电子商务、网络金融、网络会议、远程教育、远程生产监控等迅速步入现代社会各个角落,成为人们日常工作和活动不可或缺的方式。
什么是计算机网络(computer network)?目前还没有一个权威的定义。荷兰阿姆斯特丹Vrije大学计算机科学系教授、荷兰皇家艺术与科学院院士Andrew S.Tanenbaum言简意赅的提法得到了广泛的认同:计算机网络是指自治的计算机互连起来的集合。计算机之间相互连接并能相互交换信息则称为互连,自治是指计算机是能够独立进行处理的设备,而不是无自行处理能力的附属设备(如终端)。
上述定义概括地给出计算机网络的概念,要具体地说明它的内涵,可以从计算机网络的组成和应用两个方面去描述。
1.计算机网络的组成
计算机网络的组成包括硬件和软件两部分。
(1)硬件(hardware)
·计算机。按着ARPANET沿用下来的术语也称为主机(host),可以是个人计算机(即PC)、大型计算机、客户机(client)或称工作站(workstation)、服务器(server)等,在网络中它们称为端系统(End Systems,ES)。
·通信设备。即中间系统(Intermediate Systems,IS),如交换机(switch)和路由器(router)等,其功能主要为主机转发数据。端系统和中间系统在网络中称为结点(node,或结点)。
·接口设备。网络接口卡(Network Interface Card,NIC),如调制解调器(Modem)等,作为计算机与网络的接口。
·传输媒体或称传输介质(medium),如双绞线、同轴电缆、光纤、无线电和卫星链路等。
前言/序言
计算机网络的产生和发展在现代科学技术史上具有划时代的意义,计算机网络教学越来越受到教育部门的高度重视。作者多年在清华大学承担计算机网络、企业网络等教学和科研工作,在此基础上编写了《计算机网络》教材,本书是第3版,第2版曾被评为“2006年北京高等教育精品教材”。在前两版的基础上,本书进一步梳理了章节安排,突出了计算机网络五层体系结构的主线;精简了部分内容,增加了新技术的讲解;内容上更加注重深入浅出,大部分章节前都增加了概述,以便读者对相关技术的脉络先有一个概括的了解。
本书围绕计算机网络的原理、技术和应用来组织本书的内容,共分8章:
第1章介绍计算机网络的基本概念、发展历程和计算机网络的体系结构,使读者对计算机网络的基本概念有一个初步的认识,对计算机网络系统的总体层次结构和各层的功能有一个全局性的了解,以便进一步学习。
第2章到第7章以物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五层体系结构为主线,讲述计算机网络的基本原理和核心技术,这是目前国际上计算机网络教材编排的主流层次结构。第2、3章分别讲述五层体系结构的物理层和数据链路层的各种通用技术;第4章介绍局域网,它们处于五层体系结构的下两层;第5~7章则分别讲述五层体系结构的上三层(即网络层、传输层和应用层)的协议和技术,它们包含了Internet的核心技术。
第8章介绍网络安全技术。随着网络经济时代的到来,网络安全是人们面对的巨大挑战。
本书注重讲述计算机网络的基本概念和原理。虽然网络技术发展迅速,各种技术层出不穷,但是其基本概念和原理,是学习网络技术的最重要的知识点和基础。与此同时,本书也力图反映计算机网络发展的新技术,跟随网络技术飞速发展的潮流。
本书目录中标示出了基本部分和可扩展部分(带“*”为可扩展部分),教学中可以根据授课对象的层次、专业和学时等具体情况,对教学内容进行适当组合。本书每章均配有思考题,以供练习思考。
本书的重要专业术语,一般依据全国科学技术名词审查委员会公布的《计算机科学技术名词(第二版)》(科学出版社,2002年)给出中文,并注明英文。
本书由张曾科和吉吟东共同编写。由于作者的学识和水平有限,加之计算机网络技术发展迅速,书中难免存在错误和疏漏之处,期盼广大读者斧正。
作者2009年2月于清华园
《计算机网络(第3版)》:洞悉数字世界的基石 在信息爆炸、万物互联的数字时代,计算机网络已不再是少数专业人士的专属领域,而是构成现代社会运行的不可或缺的底层架构。从您日常浏览网页、收发邮件,到企业间的数据交换、远程协作,乃至物联网的蓬勃发展,一切都离不开计算机网络的支撑。本课程教材《计算机网络(第3版)》正是旨在为您揭示这门学科的奥秘,带您深入理解网络世界的运作原理,掌握构建、管理和优化网络的能力,为您的学习、研究乃至未来的职业生涯奠定坚实的基础。 本教材以清华大学计算机基础教育课程体系为依托,秉承严谨求实的治学精神,力求在内容深度与广度之间取得最佳平衡,既能满足初学者建立系统认知需求,又能为有一定基础的学习者提供更深入的探讨视角。第三版教材在内容上紧密跟进计算机网络技术的最新发展,并在教学方法上不断创新,旨在以更清晰、更生动、更易于理解的方式,将复杂的网络概念呈现给读者。 一、 导论:认识计算机网络的世界 课程伊始,我们将从宏观层面勾勒出计算机网络的整体图景。什么是计算机网络?它为何如此重要?我们将探讨计算机网络的定义、发展历程及其在现代社会中的关键作用。您将了解到,计算机网络并非单一的技术集合,而是由硬件、软件、协议以及用户共同构成的复杂系统。我们将剖析网络的分类方式,如按照地理范围(局域网LAN、城域网MAN、广域网WAN)、按照传输技术(如以太网、Wi-Fi)等,帮助您建立起对不同类型网络的直观认识。同时,本章还将介绍网络工程师、网络管理员等相关职业的角色与职责,为有志于投身网络领域的学习者提供初步的职业规划指引。 二、 网络体系结构:分层设计的智慧 计算机网络设计的核心思想在于“分层”。为了简化复杂性、实现模块化和促进标准化,网络通信过程被划分为若干个逻辑层,每一层都负责特定的功能,并通过标准化的接口与其他层进行通信。本教材将详细介绍当前最主流的网络体系结构——TCP/IP协议簇。您将系统地学习到TCP/IP模型中的各个层次: 应用层 (Application Layer): 这是用户直接交互的层面,负责为应用程序提供网络服务。我们将深入探讨一系列重要的应用层协议,例如: HTTP (Hypertext Transfer Protocol): 您上网浏览网页时所使用的协议,它定义了浏览器和Web服务器之间如何进行信息交换。我们将分析HTTP请求和响应的报文结构,理解GET、POST等请求方法的含义,以及Cookie、Session等实现状态管理的技术。 FTP (File Transfer Protocol): 用于文件传输的协议,我们将了解其控制连接和数据连接的工作方式,以及安全FTP(FTPS)的优势。 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)、POP3 (Post Office Protocol version 3)、IMAP (Internet Message Access Protocol): 这三者共同构成了电子邮件系统的基础。您将学习到邮件是如何从发送方传输到接收方的,以及客户端如何访问和管理邮件。 DNS (Domain Name System): 互联网的“电话簿”,负责将人类易于记忆的域名(如www.example.com)解析为机器可识别的IP地址。我们将探讨DNS的层级结构、查询过程以及缓存机制。 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): 自动为网络设备分配IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器地址的协议,极大地简化了网络管理。 Telnet/SSH: 远程登录协议,SSH作为Telnet的安全替代品,我们将了解SSH如何通过加密保障远程通信的安全。 传输层 (Transport Layer): 负责在源主机和目标主机之间提供端到端的通信服务。本章的重点将是两个核心传输层协议: TCP (Transmission Control Protocol): 一种面向连接的、可靠的传输协议。您将深入理解TCP的连接建立(三次握手)和断开(四次挥手)过程,体会其如何通过序列号、确认应答、超时重传、流量控制和拥塞控制等机制来保证数据的可靠传输。我们将分析TCP滑动窗口的工作原理,以及慢启动、拥塞避免等拥塞控制算法。 UDP (User Datagram Protocol): 一种无连接的、不可靠的传输协议。虽然它不保证可靠性,但其传输效率高,非常适合对实时性要求极高的应用,如在线游戏、视频直播等。我们将对比TCP和UDP的优缺点,并介绍UDP在DNS、DHCP等场景下的应用。 网络层 (Network Layer): 负责将数据包从源主机路由到目标主机,即使它们位于不同的网络。本章的核心是: IP (Internet Protocol): 互联网的核心协议,定义了数据包的格式和寻址机制。您将详细学习IPv4地址的分类(A、B、C类)、子网划分、CIDR(无类别域间路由)的概念,以及IPv6相对于IPv4的优势和演进。 路由选择: 网络层路由器如何根据IP地址选择最佳路径将数据包转发到目的地。我们将介绍静态路由和动态路由的概念,并重点讲解RIP、OSPF、BGP等经典的路由协议的工作原理。 ICMP (Internet Control Message Protocol): 用于网络诊断和错误报告的协议,如Ping命令的实现就依赖于ICMP。 ARP (Address Resolution Protocol): 将IP地址映射到MAC地址的协议,它是实现IP数据包在局域网内传输的关键。 数据链路层 (Data Link Layer): 负责在相邻的节点之间可靠地传输数据帧。本章将深入探讨: MAC地址 (Media Access Control): 设备的物理地址,全球唯一。 介质访问控制方法: 如何在共享的传输介质上避免数据冲突,如CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)在以太网中的应用。 错误检测与纠正: 如何检测和处理传输过程中产生的错误,如校验和(CRC)。 以太网帧格式: 数据在局域网内传输的基本单位——帧的结构。 交换机 (Switch): 工作在数据链路层的网络设备,能够根据MAC地址实现帧的转发,提高网络效率。 物理层 (Physical Layer): 负责在物理介质上传输比特流。本章将介绍: 传输介质: 如双绞线、同轴电缆、光纤以及无线电波等,及其特性。 信号的表示: 如何将数字信号编码为模拟信号以便在介质上传输。 连接器和接口标准: 如RJ45接口、USB接口等。 三、 网络设备与实现:构建真实的通信世界 理论知识的学习离不开对实际网络设备的理解。本教材将详细介绍各类网络设备及其在网络中的作用: 路由器 (Router): 连接不同网络的关键设备,负责在网络层进行数据包的转发和路由选择。我们将分析路由器的基本组成(硬件和软件)、工作原理以及在广域网中的核心地位。 交换机 (Switch): 在局域网内连接多个设备,根据MAC地址进行帧的转发,实现高效的数据交换。您将了解不同类型的交换机(如二层交换机、三层交换机)及其功能。 集线器 (Hub): 早期用于连接设备的设备,采用广播方式,效率较低,在现代网络中已较少使用。 无线接入点 (Access Point, AP): 提供Wi-Fi无线连接的网络设备,是构建无线局域网的关键。 防火墙 (Firewall): 部署在网络边界,用于隔离和保护内部网络,控制数据流量的安全设备。我们将探讨不同类型的防火墙(如包过滤防火墙、状态检测防火墙、应用层防火墙)及其工作原理。 四、 网络安全:守护数字世界的安全 在信息时代,网络安全的重要性不言而喻。本教材将专门辟出章节,深入探讨网络安全的基本概念、威胁与防护策略。您将学习到: 常见的网络安全威胁: 如病毒、蠕虫、木马、拒绝服务攻击(DoS/DDoS)、SQL注入、跨站脚本攻击(XSS)等。 加密技术: 如对称加密、非对称加密、数字签名和数字证书,理解它们在保障数据机密性、完整性和认证性方面的作用。 身份认证与访问控制: 如何验证用户身份并授权其访问资源。 防火墙与入侵检测/防御系统 (IDS/IPS): 如何构建多层次的安全防护体系。 VPN (Virtual Private Network): 如何构建虚拟专用网络,实现安全可靠的远程访问。 网络安全策略与最佳实践: 如何制定和执行有效的安全策略,提高整体网络安全水平。 五、 无线网络与移动通信:连接无处不在 随着移动设备的普及,无线网络已成为现代通信的重要组成部分。本教材将涵盖: Wi-Fi 标准: 如802.11a/b/g/n/ac/ax等,了解不同标准在速率、覆盖范围和安全性上的差异。 蜂窝移动通信技术: 如2G、3G、4G、5G,了解其演进历程、关键技术和未来发展趋势。 无线局域网的安全: 如WEP、WPA、WPA2/3等安全协议。 移动IP: 在移动设备切换网络时如何保持其IP地址的连贯性。 六、 网络管理与性能优化:提升网络效能 构建一个稳定、高效的网络还需要精细化的管理和持续的优化。本章将介绍: 网络管理协议: 如SNMP (Simple Network Management Protocol),用于远程监控和管理网络设备。 网络性能指标: 如带宽、延迟、丢包率、吞吐量等,以及如何度量和分析它们。 网络故障排除: 常见的网络问题及其诊断和解决思路。 网络性能优化技术: 如负载均衡、流量整形、QoS (Quality of Service) 等。 七、 新兴网络技术展望 计算机网络技术发展日新月异,本教材将在结尾部分展望一些前沿领域,如: 软件定义网络 (SDN): 将网络控制平面与数据平面分离,实现网络的编程化和智能化。 网络功能虚拟化 (NFV): 将网络功能从专用硬件设备转移到通用服务器上运行。 物联网 (IoT): 传感器、设备等互联互通,构建智能生活。 下一代互联网技术。 学习目标与方法: 通过学习本教材,您将能够: 1. 理解计算机网络的基本概念、原理和模型。 2. 掌握TCP/IP协议簇各层协议的工作原理。 3. 熟悉常见的网络设备及其功能。 4. 了解网络安全的基本概念、威胁与防护措施。 5. 具备分析和解决简单网络问题的能力。 6. 为进一步深入学习计算机网络、网络工程、网络安全等专业领域打下坚实基础。 本教材配备了丰富的例题、习题以及实验指导,鼓励读者在理论学习的同时,积极动手实践,通过搭建小型网络、配置网络设备、分析网络抓包数据等方式,将理论知识转化为实践能力。 《计算机网络(第3版)》不仅仅是一本教材,更是您探索数字世界、理解信息时代运作机制的得力助手。无论您是计算机科学与技术专业的学生,还是对网络技术充满好奇的求知者,都能从中获益匪浅,踏上通往数字世界的精彩旅程。