1章計算機網絡概述1

1.1計算機網絡的概述1

1.1.1計算機網絡概念1

1.1.2計算機網絡發展的階段2

1.1.3計算機網絡在信息時代的作用3

1.1.4計算機網絡的硬件和軟件4

1.1.5計算機網絡的分類5

1.2互聯網概述6

1.2.1互聯網概念6

1.2.2互聯網的邊緣部分7

1.2.3互聯網的核心部分9

1.3計算機網絡性能指標11

1.3.1速率11

1.3.2帶寬12

1.3.3吞吐量12

1.3.4時延12

1.3.5時延帶寬積14

1.3.6往返時間14

1.3.7利用率15

習題16

2章計算機網絡協議和體繫結構18

2.1計算機網絡協議18

2.1.1計算機網絡協議概念18

2.1.2計算機網絡協議分層與協議簇19

2.1.3計算機網絡協議的格式21

2.2計算機網絡的體繫結構21

2.2.1計算機網絡體繫結構的定義21

2.2.2具有五層協議的體繫結構22

2.2.3實體、協議、服務和訪問點24

2.3網絡中傳輸數據25

2.3.1數據在各層之間傳遞過程25

2.3.2數據封裝與解封26

2.4TCP/IP體繫結構26

習題27

3章物理層29

3.1物理層的基本概念29

3.2數據通信基礎知識30

3.2.1數據通信模型30

3.2.2數據通信的一些常用術語31

3.2.3物理層信號和編碼31

3.2.4信道和調制33

3.3物理層下面傳輸媒體35

3.3.1導向型傳輸媒體35

3.3.2非導向型傳輸媒體39

3.4寬帶接入技術43

3.4.1光纖接入技術43

3.4.2移動互聯技術44

3.4.3HFC技術45

習題46

4章數據鏈路層48

4.1數據鏈路層概述48

4.1.1數據鏈路層基礎知識48

4.1.2鏈路、數據鏈路和幀50

4.1.3數據鏈路層的三個基本問題51

4.2點對點協議55

4.2.1點對點協議的特點56

4.2.2點對點協議的組成57

4.2.3同步傳輸和異步傳輸57

4.2.4點對點協議的幀格式59

4.2.5點對點幀的填充方式59

4.3廣播信道數據鏈路層60

4.3.1廣播信道局域網60

4.3.2以太網標準62

4.3.3CSMA/CD協議62

4.3.4以太網信道利用率66

4.3.5以太網MAC層67

4.4擴展以太網73

4.4.1在物理層擴展以太網73

4.4.2基於交換機以太網擴展75

4.5虛擬局域網82

4.5.1虛擬局域網概念82

4.5.2劃分虛擬局域網優點82

4.5.3VLAN劃分方法83

4.6高速以太網85

4.6.1100BASET以太網86

4.6.2吉比特以太網86

4.6.310吉比特以太網88

4.7企業局域網89

4.7.1二層結構的局域網89

4.7.2三層網絡90

習題91

5章IP地址95

5.1IP編址簡介95

5.1.1理解IP地址95

5.1.2IP地址組成965.2IPv4地址97

5.2.1分類的IP地址97

5.2.2IPv4 單播、廣播和組播101

5.2.3子網劃分103

5.2.4子網掩碼105

5.2.5無分類域間路由選擇109

5.3私網地址與公網地址113

5.3.1公網地址113

5.3.2私網地址114

5.3.3網絡地址轉換NAT115

5.4IPv6地址117

5.4.1IPv6地址簡介117

5.4.2IPv6單播地址120

5.4.3IPv6單播地址配置123

5.4.4IPv6組播地址128

習題130

6章網絡層134

6.1網絡層概述134

6.1.1網絡層功能134

6.1.2網絡層協議136

6.2IPv4 數據報138

6.2.1IPv4數據報格式138

6.2.2IP層轉發分組流程142

6.3ARP146

6.3.1IP地址與物理地址映146

6.3.2地址解析協議148

6.3.3ARP使用舉例150

6.4互聯網控制報文協議152

6.4.1ICMPv4協議格式及類型153

6.4.2ICMPv6154

6.4.3ICMP應用舉例157

6.5IGMP159

6.5.1多播及多播IP地址160

6.5.2多播MAC地址162

6.5.3互聯網多播管理協議163

6.6IPv6報文格式164

6.6.1IPv6基本164

6.6.2IPv6擴展165

習題167

7章路由與路由選擇協議170

7.1路由器170

7.1.1路由器結構170

7.1.2路由器在網絡互聯中的作用171

7.2路由選擇協議概念174

7.2.1路由及路由表174

7.2.2路由選擇協議的幾個基本概念176

7.3靜態路由177

7.3.1靜態路由概念177

7.3.2配置靜態路由180

7.4動態路由選擇協議184

7.4.1RIP185

7.4.2在路由器上配置RIP188

7.5OSPF協議193

7.5.1OSPF協議工作原理193

7.5.2在路由器上配置OSPF協議199

7.6外部網關協議204

習題208

8章運輸層213

8.1運輸層概述213

8.1.1運輸層功能213

8.1.2運輸層的兩個協議214

8.1.3運輸層端口216

8.1.4端口和服務的關繫217

8.1.5端口和網絡安全的關繫218

8.2用戶數據報協議219

8.2.1UDP的特點219

8.2.2UDP的格式220

8.3TCP概述222

8.3.1TCP的特點222

8.3.2TCP的報文段格式223

8.4可靠傳輸227

8.4.1停止等待協議227

8.4.2連續ARQ協議229

8.4.3以字節為單位的滑動窗口230

8.4.4選擇確認SACK232

8.4.5時重傳時間選擇234

8.5流量控制235

8.6擁塞控制236

8.6.1擁塞控制的原理236

8.6.2慢開始與擁塞避免238

8.6.3快重傳和快恢復240

8.6.4發送窗口的上限242

8.7TCP連接管理242

8.7.1TCP連接的建立242

8.7.2TCP連接的釋放244

習題247

9章應用層251

9.1域名繫統251

9.1.1域名繫統結構252

9.1.2域名服務器254

9.1.3域名解析過程256

9.2動態主機配置協議258

9.2.1DHCP258

9.2.2DHCP地址租約259

9.2.3DHCP地址租約更新261

9.2.4DHCP中繼代理261

9.3萬維網與HTTP262

9.3.1萬維網概述262

9.3.2統一資源定位符263

9.3.3文本傳輸協議264

9.3.4HTTP請求與響應報文268

9.3.5狀態信息和Cookie270

9.4文件傳輸協議271

9.4.1FTP概述271

9.4.2FTP工作原理272

9.4.3客戶端應用程序275

9.5電子郵件276

9.5.1電子郵件概述276

9.5.2SMTP279

9.5.3郵件讀取協議POP3和IMAP283

9.5.4基於萬維網的郵件284

9.5.5通用郵件擴充MIME285

9.6Telnet協議289

習題290

10章雲計算技術294

10.1雲計算基本概念與特征294

10.1.1雲計算定義294

10.1.2雲計算基本特征295

10.2雲計算架構296

10.2.1雲架構基本層次296

10.2.2雲架構的服務層次298

10.3雲計算核心技術299

10.3.1虛擬化技術299

10.3.2分布式數據存儲技術302

10.3.3編程模式306

10.3.4大規模數據管理307

10.3.5分布式資源管理技術309

10.3.6雲計算ping臺管理312

10.3.7信息安全315

10.4主流雲ping臺315

10.4.1國外雲ping臺315

10.4.2國內典型雲ping臺319

習題323

附錄A網絡協議分析器Wireshark 325

互聯網已經極大地改變了人們的生產、生活方式。今天，人們根本無法想像回到一個沒有網絡，不能隨時隨地與朋友聊天、展示圖片、觀看視頻或者在線購物的時代將會是什麼樣子。在計算機網絡已經成為社會基礎設施的這個時代，對計算機網絡的理論、技術和應用的了解、學習和掌握成為人們的基本需求，計算機網絡課程也成為高等學校IT類專業的核心專業基礎課，以及理工類和經濟管理類專業的必修課。
應用型本科人纔培養強調實踐性、應用性和技術性。應用型本科計算機網絡教學的主要任務是講授計算機網絡的基本原理、相關技術與應用，在學生對計算機網絡基本原理和協議掌握的基礎上，提高學生的網絡分析能力和工程應用能力，培養學生成為知識與能力並重的一專多能的復合型人纔，實現理論、應用、技術三位一體的計算機網絡教學。
作者從事應用型本科計算機網絡教學近二十年，選用過多本國內教材，在教學過程中發現學生在學習過程中普遍感覺到計算機網絡課程過於理論化，並不能真正地理解計算機網絡課程中的理論知識的實際應用價值。因此，在講授過程中，作者力圖增加大量案例。在講授各層協議原理時，利用協議分析軟件捕獲數據包，目的是讓學生看到各層數據包結構，看到每一層的封裝，加深學生對各層協議及網絡原理的理解，培養學生的網絡分析與糾錯能力。在實踐教學內容上，通過融入網絡工程實例，培養學生網絡工程的應用能力，實現理論、應用、技術三位一體的計算機網絡教學。作者基於對應用型本科計算機網絡的知識模塊、教學目標、教學內容的理解，參照國內部分計算機網絡經典教材，編寫了本書。
本書主要內容如下。
第1 章是計算機網絡概述。首先介紹計算機網絡的定義、計算機網絡的性能指標以及計算機網絡的分類。接著介紹了互聯網的概念、互聯網的組成以及分組交換網的原理。後討論了計算機網絡的幾個性能指標。
第2章討論了計算機網絡協議、體繫結構以及相關的基本概念。簡要介紹了國際標準化組織和TCP/IP對計算機網絡的分層結構。討論了五層體繫結構的基本功能，分析了數據在五層體繫結構之間的傳遞過程。
第3章介紹了計算機網絡通信的物理層。主要介紹了物理層的基本概念、數據通信的基礎知識和各種傳輸介質，討論了幾種常用的寬帶接入技術。介紹了雙絞線RJ45頭的制作方法和步驟。
第4章首先介紹數據鏈路層基礎知識和需要解決的三個基本問題： 封裝成幀、透明傳輸、差錯檢測。接著講述兩種類型的數據鏈路層，即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，使用協議也不一樣： 點到點鏈路使用PPP；廣播信道使用帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD協議）。本章重點介紹了基於廣播信道的以太網技術，包括以太網標準、以太網原理、虛擬局域網及以太網相關配置技術。
第5章主要介紹了IPv4和IPv6地址。針對IPv4，主要講述了IPv4地址格式、子網掩碼的作用、IPv4地址分類以及子網劃分，還介紹了公網地址和私網地址；基於IPv6，講述了IPv6地址結構、類型以及一些特殊的IPv6的地址。
第6章講述了網絡層。講解網絡層首先要理解虛擬網絡的概念，因此首先介紹了虛擬網的概念。由於路由器是根據網絡層轉發數據包的，可見網絡層各字段是為了實現網絡層功能。除了講解網絡層，本章還講解了TCP/IP協議棧網絡層的四個協議： IP、ICMP、IGMP和ARP。
第7章講述了路由選擇。路由選擇是網絡層的一個重要功能，在本章的學習中既要理解路由選擇的含義、功能及相關原理，又要掌握基本路由配置技術。本章主要講述了路由器功能、路由選擇概念、自治繫統概念、靜態路由及動態路由選擇協議。為了更深入地理解相關概念和原理，基於思科路由器，本章還介紹了靜態路由和動態路由的相關配置技術。
第8章講解了TCP/IP運輸層的兩個協議TCP和UDP。首先講述了傳輸層與應用層之間的關繫、端口與服務之間的關繫，根據它們之間的關繫，進一步讓學生明白設置防火牆實現網絡安全的道理。運輸層有 TCP和UDP兩個協議，本章講解了這兩個協議的和功能，重點介紹了TCP如何實現可靠傳輸、流量控制、擁塞避免和連接管理。
第9章介紹了應用層。應用層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。本章講述了幾種標準的應用層協議，由於不同的應用實現的功能不一樣，如訪問網站和收發電子郵件的實現功能不一樣，因此需要不同的應用層協議。
第10章講解了雲計算。本章為網絡技術的應用擴展。作為一種新興的網絡技術和商業計算模型，雲計算是基於網絡將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使用戶能夠借助網絡按需獲取計算力、存儲空間和信息服務。雲計算融合了大量的革新技術，它不僅是技術革新驅動商業模式變革的產物，也是用戶需求驅動的結果。本章主要介紹了雲計算的基本概念、雲計算服務架構、雲計算關鍵技術和國內外主流的雲平臺技術，目的是讓讀者對雲平臺有一個初步認識。
由於計算機網絡知識和內容十分豐富，為便於讀者理解基礎的網絡知識，本書力求與身邊的計算機網絡應用相聯繫，把計算機網絡的原理、技術與應用融合在一起；通過捕獲和分析協議包，使讀者感受網絡協議，理解網絡協議的功能，感覺到計算機網絡和網絡協議不再抽像；在數據鏈路層、網絡層及應用層引入相關網絡技術，使讀者真正體會網絡的應用，目的是讓讀者從理論、技術與應用三方面理解計算機網絡原理。
本書由山東交通學院王守強教授主筆，在編寫過程中得到了山東交通學院信息科學與電氣工程學院和齊魯工業大學計算機學院的大力支持。齊魯工業大學的唐為方編寫了第1、2章，山東交通學院的史士英編寫了第3章，王守強編寫了第4～7章，山東交通學院的亓江濤編寫了第8章，山東交通學院的楊光編寫了第9章，齊魯工業大學的王新剛編寫了第10章。
由於作者水平有限，書中難免存在疏漏或不妥之處，懇請讀者批評指正，並對閱讀和使用本書的任課教師、學生和讀者表示感謝。

作者2021年10月