前言

第1章  計算機網絡和協議

1.1  計算機網絡在當今社會的作用1

1.2  認識網絡2

1.2.1  網絡和互聯網絡2

1.2.2  的互聯網—因特網3

1.2.3  企業組建的互聯網5

1.2.4  家庭組建的互聯網6

1.3  開放繫統互連模型—OSI參考模型8

1.3.1  分層的方法8

1.3.2  OSI參考模型詳解10

1.3.3  計算機通信分層的好處12

1.4  理解OSI參考模型13

1.4.1  理解表示層14

1.4.2  安裝抓包工具查看數據包內容16

1.4.3  學以致用—傳輸層連接19

1.4.4  用分層的思想考慮問題21

1.4.5  OSI參考模型與排錯21

1.5  TCP/IP協議24

1.5.1  通信協議24

1.5.2  TCP/IP通信過程25

1.5.3  網絡設備和分層27

1.6  計算機網絡的性能指標28

1.6.1  速率28

1.6.2  帶寬29

1.6.3  吞吐量31

1.6.4  時延32

1.6.5  時延帶寬積34

1.6.6  往返時間35

1.6.7  利用率36

1.7  網絡分類36

1.7.1  按網絡的範圍進行分類36

1.7.2  按網絡的使用者進行分類37

1.8  企業局域網設計37

1.8.1  二層結構的局域網37

1.8.2  三層結構的局域網38

習題1  38

第2章  物理層

2.1  物理層的基本概念41

2.2  數據通信基礎41

2.2.1  數據通信模型41

2.2.2  數據通信一些常用術語42

2.2.3  模擬信號和數字信號43

2.2.4  模擬信號轉換成數字信號45

2.3  信道和調制46

2.3.1  信道46

2.3.2  單工和半雙工以及全雙工通信47

2.3.3  調制47

2.3.4  信道極限容量49

2.4  傳輸媒體51

2.4.1  導向傳輸媒體52

2.4.2  非導向傳輸媒體55

2.5  信道復用技術59

2.5.1  頻分復用60

2.5.2  時分復用60

2.5.3  波分復用62

2.5.4  碼分復用63

2.6  寬帶接入技術65

2.6.1  銅線接入技術65

2.6.2  HFC技術68

2.6.3  光纖接入技術69

2.6.4  移動互聯網接入技術69

習題2  71

第3章  GNS3網絡模擬器

3.1  安裝和配置GNS374

3.1.1  GNS3概述74

3.1.2  安裝抓包工具74

3.1.3  安裝GNS376

3.1.4  啟動和配置GNS378

3.2  搭建學習環境83

3.2.1  路由器和虛擬機的網絡連接84

3.2.2  規劃虛擬機網絡的IP地址85

3.2.3  添加路由器設備88

3.2.4  添加交換機設備90

3.2.5  連接網絡設備94

3.2.6  顯示接口編號95

3.2.7  增加注釋和區域標識96

3.2.8  配置路由器接口地址97

3.3  配置虛擬機網絡100

3.4  捕獲數據包104

3.5  給項目快照和保存項目107

第4章  數據鏈路層

4.1  數據鏈路層三個基本問題110

4.1.1  數據鏈路和幀110

4.1.2  數據鏈路層三個基本問題111

4.2  點到點信道的數據鏈路115

4.2.1  PPP協議的特點116

4.2.2  PPP協議的組成117

4.2.3  同步傳輸和異步傳輸117

4.2.4  抓包查看PPP的幀119

4.2.5  PPP協議幀格式121

4.2.6  PPP幀填充方式121

4.3  廣播信道的數據鏈路123

4.3.1  廣播信道的局域網123

4.3.2  以太網標準124

4.3.3  CSMA/CD協議125

4.3.4  以太網短幀125

4.3.5  衝突解決方法—退避算法127

4.3.6  以太網幀格式128

4.3.7  以太網信道利用率131

4.3.8  網卡的作用132

4.3.9  MAC地址133

4.3.10  實戰：查看和更改MAC地址134

4.4  擴展以太網135

4.4.1  集線器135

4.4.2  計算機數量和距離上的擴展136

4.4.3  使用網橋優化以太網137

4.4.4  網橋自動構建MAC地址表139

4.4.5  多接口網橋—交換機140

4.4.6  實戰：查看交換機MAC地址表142

4.4.7  實戰：驗證交換機端口安全146

4.4.8  實戰：驗證集線器不安全147

4.4.9  生成樹協議149

4.5  高速以太網152

4.5.1  100M以太網152

4.5.2  吉比特以太網153

4.5.3  10吉比特以太網155

習題4  156

第5章  IP地址和子網劃分

5.1  學習IP地址預備知識158

5.1.1  二進制和十進制159

5.1.2  二進制數的規律160

5.2  理解IP地址161

5.2.1  MAC地址和IP地址161

5.2.2  IP地址的組成162

5.2.3  IP地址格式163

5.2.4  子網掩碼的作用163

5.3  IP地址分類166

5.3.1  A類地址166

5.3.2  B類地址167

5.3.3  C類地址167

5.3.4  D類和E類地址167

5.3.5  保留的IP地址168

5.3.6  實戰：本地環回地址169

5.3.7  實戰：給本網段發送廣播171

5.4  私網地址和公網地址172

5.4.1  公網地址172

5.4.2  私網地址174

5.5  子網劃分175

5.5.1  地址浪費175

5.5.2  等長子網劃分175

5.5.3  B類網絡子網劃分179

5.5.4  A類地址子網劃分180

5.6  變長子網劃分181

5.6.1  變長子網劃分181

5.6.2  點到點網絡的子網掩碼182

5.6.3  子網掩碼另一種表示方法—CIDR183

5.6.4  判斷IP地址所屬的網段184

5.6.5  子網劃分需要注意幾個問題185

5.7  超網合並網段186

5.7.1  合並網段186

5.7.2  不是任何連續的網段都能合並188

5.7.3  哪些連續的網段能夠合並188

5.7.4  網段合並的規律190

5.7.5  判斷一個網段是超網還是子網190

習題5  191

第6章  靜態路由和動態路由

6.1  路由—網絡層實現的功能195

6.1.1  網絡暢通的條件196

6.1.2  靜態路由197

6.2  實戰：配置靜態路由199

6.2.1  查看路由表200

6.2.2  添加靜態路由200

6.2.3  測試網絡是否暢通202

6.2.4  刪除靜態路由202

6.3  路由彙總203

6.3.1  通過路由彙總簡化路由表203

6.3.2  路由彙總例外205

6.3.3  無類域間路由（CIDR）206

6.4  默認路由207

6.4.1  全球的網段207

6.4.2  使用默認路由作為指向Internet的路由207

6.4.3  讓默認路由代替大多數網段的路由208

6.4.4  默認路由和環狀網絡209

6.4.5  默認路由造成的往復轉發210

6.4.6  使用默認路由和路由彙總簡化路由表211

6.4.7  Windows上的默認路由和網關212

6.5  網絡排錯案例216

6.5.1  站在全局的高度排除網絡故障216

6.5.2  計算機網關也很重要217

6.6  動態路由—RIP協議218

6.6.1  RIP協議219

6.6.2  RIP協議工作原理219

6.6.3  在路由器上配置RIP協議220

6.6.4  查看路由表222

6.6.5  觀察RIP協議路由更新活動224

6.6.6  測試RIP協議健壯性225

6.6.7  RIP協議排錯226

6.6.8  RIP協議數據包報文格式227

6.7  動態路由—OSPF協議229

6.7.1  什麼是短路徑優先229

6.7.2  OSPF術語231

6.7.3  OSPF協議工作過程232

6.7.4  OSPF的5種報文233

6.7.5  OSPF支持多區域234

6.8  配置OSPF協議235

6.8.1  配置OSPF協議235

6.8.2  查看OSPF協議三張表237

6.8.3  監控OSPF協議的活動241

6.8.4  驗證OSPF協議健壯性242

6.8.5  OSPF協議配置排錯243

習題6  244

第7章  網絡層協議

7.1  網絡層251

7.1.1  抓包查看網絡層251

7.1.2  網絡層格式252

7.1.3  實戰：查看協議版本和長度254

7.1.4  實戰：給數據包設置區分服務字段258

7.1.5  數據分片詳解262

7.1.6  實戰：捕獲並觀察數據包分片263

7.1.7  實戰：查看和配置鏈路MTU267

7.1.8  數據包生存時間（TTL）詳解268

7.1.9  實戰：指定ping命令發送數據包的TTL值270

7.1.10  實戰：抓包查看數據包的

TTL變化272

7.2  ICMP協議274

7.2.1  抓包查看ICMP報文格式274

7.2.2  ICMP報文格式277

7.2.3  ICMP差錯報告報文—TTL過期277

7.2.4  ICMP差錯報告報文—目標主機不可到達279

7.2.5  ICMP差錯報告報文—路由重定向279

7.2.6  ICMP差錯報告報文—給程序返回錯誤消息282

7.3  使用ICMP排除網絡故障案例284

7.3.1  使用ping命令診斷網絡故障284

7.3.2  使用ping斷定哪一段鏈路出現故障285

7.3.3  使用tracert跟蹤數據包路徑287

7.3.4  使用pathping跟蹤數據包路徑289

7.4  ARP協議289

7.4.1  ARP協議的工作過程和安全隱患291

7.4.2  ARP欺騙之“網絡執法官”292

7.4.3  判斷和防止ARP欺騙的方法296

7.5  IGMP協議297

7.5.1  什麼是組播298

7.5.2  組播IP地址298

7.5.3  組播MAC地址299

7.5.4  組播管理協議（IGMP）300

7.6  實戰：跨網段觀看組播視頻301

7.6.1  搭建流媒體服務器301

7.6.2  點播視頻304

7.6.3  訪問多播視頻306

7.6.4  跨網段多播314

習題7  318

第8章  傳輸層

8.1  傳輸層的兩個協議322

8.1.1  TCP和UDP協議的應用場景322

8.1.2  傳輸層協議和應用層協議之間的關繫324

8.1.3  服務和端口之間的關繫326

8.1.4  實戰：服務器端口衝突造成服務啟動失敗336

8.1.5  實戰：更改服務使用的默認端口337

8.1.6  端口和網絡安全的關繫340

8.1.7  實戰：Windows防火牆和TCP/IP篩選實現網絡安全342

8.2  用戶數據報協議（UDP）347

8.2.1  UDP協議的特點347

8.2.2  UDP的格式348

8.3  傳輸控制協議（TCP）350

8.3.1  TCP協議的主要特點350

8.3.2  TCP報文的格式351

8.4  可靠傳輸356

8.4.1  TCP可靠傳輸的實現—停止等待協議356

8.4.2  連續ARQ協議和滑動窗口協議—改進的停止等待協議358

8.4.3  以字節為單位的滑動窗口技術詳解359

8.4.4  改進的確認—選擇確認（SACK）361

8.4.5  超時重傳的時間調整361

8.5  流量控制365

8.6  擁塞控制367

8.6.1  擁塞控制的原理367

8.6.2  擁塞控制方法—慢開始和擁塞避免367

8.6.3  擁塞控制方法—快重傳和快恢復371

8.6.4  發送窗口的上限372

8.7  TCP連接管理373

8.7.1  TCP的連接建立373

8.7.2  TCP連接釋放376

8.7.3  實戰：查看TCP釋放連接的數據包378

8.7.4  實戰：SYN攻擊379

習題8  381

第9章  應用層

9.1  域名繫統DNS386

9.1.1  什麼是域名386

9.1.2  域名的結構387

9.1.3  Internet中的域名服務器390

9.1.4  域名解析過程391

9.1.5  實戰1：搭建企業內網的DNS服務393

9.1.6  實戰2：測試域名解析399

9.1.7  實戰3：抓包分析域名解析的過程402

9.2  動態主機配置協議DHCP403

9.2.1  靜態地址和動態地址應用場景403

9.2.2  DHCP地址租約404

9.2.3  DHCP租約生成過程405

9.2.4  DHCP地址租約更新406

9.2.5  實戰1：安裝和配置DHCP服務407

9.2.6  實戰2：查看、刷新、釋放租約412

9.2.7  實戰3：跨網段分配IP地址414

9.3  Telnet協議415

9.3.1  Telnet協議工作方式416

9.3.2  實戰：Telnet管理Windows繫統417

9.3.3  實戰：Telnet管理網絡設備420

9.4  遠程桌面協議RDP421

9.5  超文本傳輸協議HTTP424

9.5.1  創建網頁424

9.5.2  統一資源定位符URL426

9.5.3  路徑和相對路徑426

9.5.4  創建Web站點427

9.5.5  HTTP協議版本431

9.5.6  HTTP請求報文和響應報文433

9.5.7  HTTP響應報文436

9.5.8  Cookie437

9.5.9  通過代理服務器訪問網站439

9.6  文件傳輸協議FTP443

9.6.1  FTP主動模式和被動模式443

9.6.2  安裝和創建FTP站點445

9.6.3  訪問FTP服務器447

9.6.4  FTP命令訪問FTP服務器448

9.7  電子郵件450

9.7.1  電子郵件發送和接收過程450

9.7.2  電子郵件信息格式452

9.7.3  SMTP協議453

9.7.4  POP3協議和IMAP協議456

9.7.5  部署企業內部郵件服務器457

9.8  實戰：在內網部署郵件服務器向Internet發送郵件458

9.8.1  安裝郵件服務器459

9.8.2  在DNS服務器上添加MX記錄460

9.8.3  為用戶創建郵箱462

9.8.4  配置SMTP服務允許向Internet發送電子郵件463

9.8.5  配置郵件客戶端連接郵件服務器465

9.8.6  向Internet發送電子郵件468

9.9  總結471

習題9 471

參考文獻475

我不知道社會上有多少人想學精通計算機網絡原理，也不知道我講的計算機網絡原理有什麼過人之處。直到有一天，我把在軟件學院隨堂錄制的計算機網絡視頻放到51CTO學院，看到了幾十萬訪問量和眾多的好評，纔知道原來有那麼多人在互聯網上苦苦尋找好的教程，纔知道學生喜歡我的這種授課方式。

高校計算機專業的學生大多需要學習“計算機網絡原理”這門課程，很多學校還是必修課。很多非計算機專業的學生，想轉行進入IT領域發展，想打好扎實的基礎，也都知道應該掌握計算機網絡原理。

當前有關計算機網絡的圖書分兩大類，一類是網絡設備廠商考證的教程，比如思科網絡工程師教程CCNA、CCNP，華為認證網絡工程師HCNA、HCNE等；另一類就是高校的計算機網絡原理的教材，代表教材就是謝希仁編著的《計算機網絡》。

然而這些廠商認證的教材，其目的隻是為了培養能夠熟練操作和配置其網絡設備的工程師，對計算機網絡通信原理和過程並沒有進行深入細致的講解，重點是如何配置網絡設備。而高校計算機網絡原理教材，則深入講解了計算機通信過程和各層協議，並沒給學生講解如何使用具體的網絡設備配置來驗證所學的理論，更沒有進一步擴展這些理論可以應用在哪些場景，讓學生感覺空洞和學無所用，隻感覺到這些理論的抽像。很多老師在講授這門課程時，不但學生感覺沒意思，自己也覺得沒意思。

我從事IT企業培訓和企業IT技術支持15年，積累了大量的實戰經驗，在河北師大軟件學院以謝希仁編著的《計算機網絡》為教程講授計算機網絡原理7年，在授課過程中增加了大量的案例，設計了合適的實驗來驗證所學的理論。不僅給學生講清楚了計算機各層通信協議，還捕獲了數據包，讓學生看到數據包的結構，看到每一層的封裝；網絡層不僅教會網絡暢通的條件，還能在思科路由器上配置靜態路由和動態路由；不僅教會傳輸層協議和應用層協議之間的關繫，還能設置Windows服務器實現網絡安全；不僅講解了常見的應用層協議，還能使用抓包工具捕獲客戶端和服務器之間交互的數據包，會分析各種應用層協議數據包格式。

2016年，時機成熟，我決心編寫計算機網絡原理教程，以謝希仁編著的《計算機網絡》（第六版）為藍本，繪制大量插圖展示所講理論，每一段理論結束後，緊跟著就是如何使用這些理論來解決實際中的問題，對知識進一步擴展。力求對書中內容的安排恰到好處，設計了經典的實驗，做到了讓理論不再抽像，讓課程充滿趣味，讓學習充滿樂趣。

本書主要內容

第1章  本章是整本書的概覽，先介紹計算機網絡在當今信息時代的作用，接著介紹了網絡和互聯網以及的互聯網Internet。為了讓大家感覺網絡不那麼抽像，以一個企業的網絡為例給大家展示了局域網和廣域網。接著介紹了國際標準化組織對計算機通信過程的分層，即OSI（開放繫統互連）參考模型，同時列舉了一些案例以加深大家對OSI參考模型的理解和應用。

第2章  本章講解計算機網絡通信的物理層，先講解通信方面的知識，也就是如何在各種介質（光纖，銅線）中更快地傳遞數字信號和模擬信號。涉及到的通信概念有：模擬信號、數字信號、全雙工通信、半雙工通信、單工通信、常用編碼方式和調制方式，信道的極限容量。

第3章  本章不屬於計算機網絡原理的內容，但要想更好地理解後面講到的計算機網絡原理，更具體地探索計算機通信過程，還需要捕獲數據包，分析數據包的數據鏈路層、網絡層、傳輸層以及應用層協議。這就需要使用網絡設備來搭建學習環境。本章講解如何在Windows 7操作繫統上安裝GNS3，設置GNS3運行環境，搭建學習環境。

第4章  不同的網絡類型有不同的通信機制（即數據鏈路層協議），數據包在傳輸過程中通過不同類型的網絡，就要使用該網絡使用的通信協議，同時數據包也要重新封裝成該網絡的幀格式。本章先講述數據鏈路層要解決的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸、差錯檢驗；再講述兩種類型的數據鏈路層：點到點鏈路的數據鏈路層和廣播信道的數據鏈路層，這兩種數據鏈路層的通信機制不一樣，使用的協議也不一樣，點到點鏈路使用PPP協議（Point
to Point Protocol），廣播信道使用帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）協議。

第5章  本章講解IP地址格式、子網掩碼的作用、IP地址的分類以及一些特殊的地址。介紹什麼是公網地址和私網地址，以及私網地址如何通過NAT訪問Internet；講解如何進行等長子網劃分和變長子網劃分。當然，如果一個網絡中的計算機數量非常多，有可能一個網段的地址塊容納不下，我們也可以將多個網段合並成一個大的網段，這個大的網段就是超網。後還講了子網劃分的規律和合並網絡的規律。

第6章  網絡層的功能是為數據包選擇轉發路徑。本章講述網絡暢通的條件，給路由器配置靜態路由和動態路由，通過合理規劃IP地址可以使用路由彙總和默認路由簡化路由表。作為擴展知識，本章還講解排除網絡故障的方法，使用ping命令測試網絡是否暢通，使用pathping和tracert命令跟蹤數據包的路徑。同時也講解了Windows操作繫統中的路由表，以及給Windows繫統添加路由。

第7章  本章講解網絡層第三部分內容—網絡層協議。講解網絡層，當然要講網絡層，路由器就是根據網絡層轉發數據包的，可見網絡層各字段就是為了實現網絡層功能。除了講解網絡層，還講解TCP/IP協議棧網絡層的4個協議：IP協議、ICMP協議、IGMP協議和ARP協議。

第8章  本章講解TCP/IP協議棧傳輸層的兩個協議TCP和UDP，首先介紹這兩個協議的應用場景，再講解傳輸層協議和應用層協議之間的關繫、端口和服務之間的關繫。搞清這些關繫後，自然就會明白設置服務器防火牆實現網絡安全的道理。傳輸層要實現傳輸層的功能，而TCP和UDP兩個協議實現的功能不同，因此這兩個協議的傳輸層也不同，需要分別講解。本章的重點是TCP協議，將詳細講解TCP協議如何實現可靠傳輸、流量控制、擁塞避免和連接管理。

第9章  本章講解應用層，就是講幾種標準的應用層協議，應用層協議定義了服務器和客戶機之間如何交換信息、服務器和客戶端之間進行哪些交互、命令的交互順序，規定了信息的格式以及每個字段的意義。不同的應用實現的功能不一樣，比如訪問網站和收發電子郵件實現的功能就不一樣，因此就需要有不同的應用層協議。

本書適合於：

計算機專業的大學生。

想從事IT方面的工作，繫統學習IT技術的有夢想的人。

打算考取思科或華為網絡工程師認證的人。