本书是面向普通高等学校本科及研究生教育的计算机网络教材。全书以TCP/IP体系结构为主线,采用循序渐进的方式,系统地介绍了计算机网络体系结构,以及物理网络、网络互联、端到端传输、应用层服务所涉及的基本概念、原理和典型协议,并在各部分的内容中融入了计算机网络技术的发展。全书共分为5章,每章均给出了动手实践内容,以及思考与练习。本书内容丰富、逻辑清晰、论述严谨,知识点讨论具体、深入,在介绍计算机网络基本原理的同时注重探讨因特网发展过程中所面临的问题及解决策略。本书可供计算机类、电子信息类专业的大学本科生和研究生使用,也可作为计算机网络培训或工程技术人员自学的参考书。
本书是面向普通高等学校本科生及研究生的计算机网络教材。全书以TCP/IP体系结构为主线、以互联网为实例,系统地介绍了计算机网络体系结构,以及物理网络、网络互连、路径选择与路由、端到端传输、网络拥塞控制、应用层协议与服务等所涉及的基本概念、原理和典型的协议,并在部分章节中融入了计算机网络技术的发展。全书共分5章,每章均给出了动手实践内容,以及思考和练习题。
前言
网络强国是我国的发展战略,是习近平新时代中国特色社会主义思想的重要组成部分。我国自1994年接入因特网以来,互联网在中国已经实现了30多年的高速发展,中国已成为名副其实的网络大国。互联网的发展推动了经济的转型和升级,改变了人们的生活方式,促进了教育的普及和化,加速了文化的交流与融合。如今的互联网已经成为国家基础设施的重要组成部分,与国计民生息息相关。党的“二十大”报告指出: “科技是优质生产力,人才是优质资源,创新是优质动力。”在从网络大国走向网络强国的征途中,计算机网络人才的培养和技术创新至关重要。
各类高等院校都将计算机网络列为计算机类专业的核心主干课程,以培养计算机网络方面的创新型或技能型人才。计算机网络课程经过多年的发展,目前基本形成了以TCP/IP体系结构为核心、以因特网为实例的内容组织模式。计算机网络课程所选用的教材主要包含国外引进的教材和国内自主编写的教材。国外计算机网络教材的主要特点是内容涵盖量大,涉及的知识点较为庞杂,对于本科生来说较难掌握,比较适合作参考书或研究生教材。国内计算机网络教材主要分为两类: 一类以知识传授为主,主要讲解计算机网络的基本原理和协议; 另一类以计算机网络技术的实际应用为主,理论知识讲解较少。两类教材较好地适应研究型大学计算机网络课程的教学需求,但作为研究型大学的一线教师,更深知教材在计算机网络教学中的重要性,因此在总结多年理论教学和实践教学经验的基础上,完成了本书的写作。
本书以TCP/IP体系结构为主线,基于涵盖经典、结合实际、触及前沿的基本思想对内容进行选取和组织,既能够计算机网络知识体系的完整性,又可以展现计算机网络的发展。本书采用循序渐进的方式,系统地介绍了计算机网络体系结构,以及物理网络、网络互联、端到端传输、应用层服务所涉及的基本概念、原理和典型协议,并在各部分的内容中融入了计算机网络的发展。
本书共分为5章,各章所涵盖的主要内容如下。
第1章从整体角度粗线条地勾勒了计算机网络的概貌,介绍了因特网的组织结构及发展中的关键技术,描述了计算机网络的分层模型,并讨论了著名的ISO/OSI参考模型和TCP/IP体系结构。
第2章从只有两个节点和一条物理链路的简单物理网络入手,分析需要解决的基本问题和解决问题的方法,并以广泛使用的以太网和无线局域网为例,探讨多节点连接的具体方法,以及需要解决的附加问题,最后对典型的接入网络进行了简要介绍。
第3章以IP协议为核心,详细介绍了IP数据包格式、IP地址结构、IP数据包转发过程,以及IPv6的新特征,探讨了几种典型的路由算法和路由协议的工作机制,并对软件定义网络(SDN)和多协议标签交换(MPLS)的基本思想进行了简要介绍。
第4章讨论了端到端传输协议需要解决的基本问题,介绍了TCP/IP体系结构中的两个核心的端到端传输协议UDP和TCP,讨论了TCP面临的问题和优化策略,最后对运行在UDP之上的端到端传输协议RTP/RTCP进行了简要介绍。
第5章介绍了应用进程的两种交互模式,详细讨论了因特网域名系统的基本工作原理,介绍了电子邮件系统、WWW服务的基本工作机制及相关协议,最后对内容分发网络的工作机制以及典型的流媒体传输协议进行了简要介绍。
本书内容丰富、逻辑清晰、论述严谨,知识点讨论具体、深入,在介绍计算机网络基本原理的同时注重探讨因特网发展过程中所面临的问题及解决策略。本书的各章均列出了知识目标、能力目标和素质目标,同时也给出了动手实践内容和思考练习。读者可以通过完成实践内容,深入理解核心知识点; 可以通过完成思考练习,检查学习效果和对相应知识的理解程度。
作者参阅了大量的RFC文档和相关标准以本书内容的正确性。但限于作者的学术水平,加之时间仓促,在本书的选材、内容安排上如有不妥之处,恳请读者批评指正。
作者
2025年7月于南开园
徐敬东,南开大学计算机学院教授、博士生导师、南开大学教学名师,高校计算机专业教师。多年来一直从事计算机网络方面的教学和研究工作。承担国家自然、天津市科技重大专项等项目,发表科研论文60余篇。主讲“计算机网络”“网络技术与应用”“移动计算与无线网络”等课程,其中“网络技术与应用”入选一流本科课程,“计算机网络”入选天津市一流本科课程。发表教学研究论文8篇,编写计算机网络类教材10余部,其中多部入选规划教材。获天津市教学成果一等奖1项、特等奖2项。张建忠,南开大学网络空间安全学院教授、博士生导师、南开大学教学名师。多年来一直从事计算机网络方面的教学和研究工作。承担国家重点研发计划、国家242信息安全计划等项目,发表科研论文50余篇。主讲“计算机网络”“网络技术与应用”等课程,其中“网络技术与应用”入选一流本科课程,“计算机网络”入选天津市一流本科课程。发表教学研究论文8篇,编写计算机网络类教材10余部,其中多部入选规划教材。获天津市教学成果一等奖1项、特等奖2项。
目录
第1章计算机网络概述
1.1计算机网络的连接方式
1.1.1直接连接方式
1.1.2交换式连接方式
1.1.3多物理网络互联
1.2因特网及其发展
1.2.1因特网的组织结构
1.2.2因特网发展中的几个关键技术
1.3计算机网络体系结构
1.3.1计算机网络的分层模型
1.3.2ISO/OSI参考模型
1.3.3TCP/IP体系结构
1.3.4IEEE 802体系结构
1.4网络标准化组织
动手实践: 利用Wireshark观察数据包的封装层次
思考与练习
第2章物理网络
2.1点到点直连
2.1.1传输介质与信道
2.1.2编码与调制
2.1.3差错检测与纠正
2.1.4帧与帧定界
2.1.5可靠传输
2.1.6点对点协议实例
2.2以太网
2.2.1以太网基础
2.2.2共享式以太网
2.2.3交换式以太网
2.2.4虚拟局域网
2.3无线局域网
2.3.1IEEE 802.11标准与WiFi
2.3.2无线局域网组网模式
2.3.3无线局域网体系结构
2.3.4MAC帧格式与介质访问控制方法
2.3.5基本服务集的建立与加入
2.4接入网络
2.4.1传统接入技术
2.4.2无源光网络
2.4.3移动蜂窝网络
动手实践: 数据帧的捕获与分析
思考与练习
第3章网络互联
3.1网络互联概述
3.2TCP/IP互联层
3.3IPv4协议
3.3.1IP数据包格式
3.3.2IP地址
3.3.3IP数据包转发
3.3.4IP地址问题分析及解决策略
3.3.5IP地址到物理地址映射
3.3.6ICMP
3.4IPv6协议
3.4.1IPv6的新特征
3.4.2IPv6数据包格式
3.4.3IPv6地址
3.4.4ICMPv6协议
3.5路由的建立与更新
3.5.1网络结构的抽象描述
3.5.2距离向量路由算法与协议
3.5.3链路状态路由算法及协议
3.5.4边界网关协议
3.6软件定义网络
3.6.1SDN体系结构
3.6.2OpenFlow流表结构
3.6.3OpenFlow通道
3.6.4基于流表的数据转发
3.7多协议标签交换
3.7.1MPLS标签格式
3.7.2MPLS基本工作原理
3.7.3MPLS流量工程
3.7.4MPLS虚拟专用网
动手实践: 简单路由器程序设计
思考与练习
第4章端到端传输协议
4.1用户数据报协议
4.1.1UDP数据报
4.1.2多路复用和分用
4.1.3差错检测
4.2传输控制协议
4.2.1TCP段
4.2.2TCP连接管理
4.2.3TCP可靠数据传输
4.2.4TCP拥塞控制
4.3TCP扩展与替代协议
4.3.1MPTCP
4.3.2QUIC
4.4实时传输协议
4.4.1RTP设计
4.4.2RTP传输控制协议
4.4.3RTCP报告分组的使用
动手实践: 简单可靠传输程序设计
思考与练习
第5章应用层服务与协议
5.1应用进程交互模式
5.1.1客户端/服务器模式
5.1.2对等模式
5.2域名系统
5.2.1DNS命名机制
5.2.2域名解析
5.2.3资源记录
5.2.4DNS报文格式
5.2.5DNS缓存机制
5.3电子邮件服务及协议
5.3.1电子邮件系统
5.3.2简单邮件传输协议
5.3.3邮件访问协议
5.3.4电子邮件格式
5.4WWW服务及协议
5.4.1Web客户端/服务器模型
5.4.2Web页面结构及标识方法
5.4.3超文本传输协议
5.4.4Web缓存机制
5.5内容分发网络
5.5.1CDN的基本工作机制
5.5.2请求重定向机制
5.5.3CDN节点选择策略
5.6流媒体传输协议
5.6.1基于HTTP的流媒体传输
5.6.2DASH基本工作原理
5.6.3媒体内容描述
5.6.4自适应码率
动手实践: 简单Web服务器程序设计
思考与练习
参考文献