计算机网络教程（第2版）

《计算机网络教程》由清华大学黄永峰、李星教授等编著，第1版获中国电子教育学会优秀教材一等奖。本书具有如下特点： 

本书以互联网TCP/IP协议体系为线索，系统介绍了计算机网络的物理层、链路层、网络层、传输层和应用层的基础知识和热点技术。重点介绍网络层路由协议，网络安全等相关知识。同时，跟踪了互联网*技术，简要介绍了软件定义网络、内容中心网络、云网络、可表述网络和移动网络等新型网络架构。
本书在知识结构上注重系统性，在内容组织上追求新颖性，在教学安排上力求时效性。本书适合作为计算机、信息与通信等学科的本科生、研究生“计算机网络”相关课程教材或参考书，也可供相关领域工程技术人员参考。

 

 

 

 

 

 

目录

 

 

 

第1章概论

 

1．1通信和互联网技术的发展

 

1．1．1通信技术发展的三次革命

 

1．1．2互联网的发展过程和未来趋势

 

1．1．3我国互联网发展的概况

 

1．2计算机网络的基本概念

 

1．2．1计算机网络的定义和功能

 

1．2．2计算机网络的类型

 

1．2．3计算机网络的性能指标

 

1．3计算机网络的体系结构

 

1．3．1网络体系结构的概念

 

1．3．2OSI/RM网络体系结构

 

1．3．3TCP/IP体系结构

 

1．3．4TCP/IP参考模型和OSI参考模型的比较

 

练习题

 

第2章物理层

 

2．1物理层的基本概念

 

2．2数字通信的基本概念

 

2．2．1通信系统的基本概念

 

2．2．2数字通信的基础理论

 

2．2．3数据传输同步和交换方式

 

2．3传输媒介

 

2．3．1传输介质性能指标

 

2．3．2同轴电缆

 

2．3．3双绞线

 

2．3．4光缆

 

2．3．5无线传输

 

2．4物理层的标准举例

 

2．4．1RS232C标准

 

2．4．2RS449标准

 

练习题

 

第3章数据链路控制及其协议

 

3．1数据链路层的定义和功能

 

3．1．1数据链路层的定义

 

3．1．2数据链路实现的功能

 

3．2错误检测和纠正

 

3．2．1纠错码

 

3．2．2检错码

 

3．3基本的数据链路层协议

 

3．3．1无约束单工协议

 

3．3．2单工停等协议

 

3．3．3有噪声信道的单工协议

 

3．3．4停等协议的吞吐量分析

 

3．4滑动窗口协议

 

3．4．1一比特滑动窗口协议

 

3．4．2后退n帧协议

 

3．4．3选择重传协议

 

3．5协议说明与验证

 

3．5．1有限状态机模型

 

3．5．2Petri网模型简介

 

3．6常用的数据链路层协议

 

3．6．1高级数据链路控制规程

 

3．6．2Internet数据链路层协议简介

 

练习题

 

第4章网络层

 

4．1概述

 

4．2IP协议

 

4．2．1IP分类编址

 

4．2．2IP地址与硬件地址

 

4．2．3IP数据报

 

4．3子网、超网和无分类编址

 

4．3．1子网划分

 

4．3．2超网

 

4．3．3IP无分类编址

 

4．4网络层的相关协议

 

4．4．1互联网控制报文协议ICMP

 

4．4．2IP组播与互联网组管理协议IGMP

 

4．4．3地址解析协议ARP

 

4．4．4逆地址解析协议RARP

 

4．5移动IP

 

4．5．1移动IP的工作原理

 

4．5．2移动IP的缺陷及对策

 

4．6IP多播

 

4．6．1IP多播的基本概念

 

4．6．2局域网上的物理多播

 

4．6．3多播路由选择协议

 

4．7计算机局域网LAN

 

4．7．1LAN的拓扑结构

 

4．7．2LAN的体系结构

 

4．7．3LAN的介质访问控制技术

 

4．8以太网

 

4．8．1以太网原理

 

4．8．2以太网MAC层

 

4．8．3以太网连接方法

 

4．9高速局域网

 

4．9．1快速以太网

 

4．9．2吉比特以太网

 

4．9．310吉比特以太网

 

4．9．4光纤分布式数据接口

 

4．10虚拟局域网VLAN

 

4．10．1VLAN的基本概念

 

4．10．2IEEE 802．1q VLAN标准

 

4．10．3VLAN的优点

 

4．11无线局域网

 

4．11．1IEEE 802．11无线局域网的体系结构

 

4．11．2IEEE 802．11无线局域网的物理层

 

4．11．3IEEE 802．11标准的MAC子层

 

4．11．4IEEE 802．11的MAC管理子层

 

 

练习题

 

第5章路由协议

 

5.1路由协议概述

 

5.1.1互联网络路由体系结构

 

5.1.2动态路由协议

 

5.2内部路由协议

 

5.2.1RIP协议

 

5.2.2OSPF协议

 

5.3外部路由协议

 

5.3.1BGP路由协议

 

5.3.2BGP报文格式

 

5.3.3BGP路径属性

 

5.3.4BGP路由选择的算法

 

5.3.5BGP联盟和BGP反射器

 

练习题

 

第6章传输层

 

6.1传输层概述

 

6.2UDP协议

 

6.2.1UDP协议的特点

 

6.2.2UDP的报头结构

 

6.3TCP协议

 

6.3.1TCP协议的特点

 

6.3.2TCP头部格式

 

6.3.3TCP连接的建立和解除

 

6.3.4TCP数据传输与流量控制

 

6.3.5TCP的超时重传和拥塞控制

 

6.3.6TCP协议的选项

 

练习题

 

第7章应用层

 

7.1域名系统

 

7.1.1域名系统介绍

 

7.1.2域名解析过程

 

7.2文件传输

 

7.2.1文件传输协议FTP

 

7.2.2小文件传输协议TFTP

 

7.3电子邮件的工作原理

 

7.3.1电子邮件的格式与简单邮件传输协议SMTP

 

7.3.2邮件读取协议POP与IMAP

 

7.4万维网

 

7.4.1统一资源定位符URL

 

7.4.2超文本传输协议HTTP

 

7.4.3标记语言

 

7.5网络管理

 

7.5.1网络管理功能

 

7.5.2简单网络管理协议SNMP

 

7.6流媒体与IP电话

 

7.6.1流媒体

 

7.6.2IP电话

 

练习题

 

第8章下一代网络技术

 

8.1IPv6

 

8.1.1IPv6地址结构

 

8.1.2IPv6的首部

 

8.1.3ICMPv6

 

8.1.4IPv4向IPv6的过渡

 

8.2移动IPv6概述

 

8.2.1移动IPv6的工作过程

 

8.2.2移动IPv6的代理发现过程

 

8.2.3移动IPv6的通告过程

 

8.2.4移动IPv6的数据传送过程

 

8.3多协议标记交换MPLS

 

8.3.1MPLS的产生背景

 

8.3.2MPLS的工作原理

 

8.3.3MPLS首部的位置与格式

 

8.4新型网络架构

 

8.4.1软件定义网络SDN

 

8.4.2内容中心网络CCN

 

8.4.3云网络

 

8.4.4可表述网络XIA

 

8.4.5移动网络

 

练习题

 

第9章网络安全

 

9.1信息安全基础

 

9.1.1密钥密码学

 

9.1.2公钥密码学

 

9.1.3哈希函数

 

9.1.4数字签名

 

9.1.5密钥的发布和管理

 

9.1.6公钥基础设施——PKIX

 

9.2TCP/IP协议的安全问题

 

9.2.1网络层及其以下各层的安全问题

 

9.2.2路由协议的安全问题

 

9.2.3TCP的安全问题

 

9.2.4应用层服务

 

9.3安全协议

 

9.3.1IP层安全IPSec

 

9.3.2传输层安全SSL和TLS

 

9.3.3应用层的安全协议

 

9.4网络安全防护体系

 

9.4.1防火墙

 

9.4.2互联网攻击检测

 

9.4.3紧急响应和恢复

 

9.4.4虚拟专网VPN

 

9.4.5网络隐蔽通信及其检测技术

 

9.4.6互联网IP劫持防范技术

 

9.4.7身份认证和访问控制

 

9.4.8垃圾邮件防范技术

 

练习题

 

附录A实验教学内容

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前言

 

 

 

随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅速发展和相互渗透，计算机网络已成为当今最重要的技术之一。在21世纪，计算机网络尤其是互联网技术改变了人们的生活、学习、工作乃至思维方式，并对科学、技术、政治、经济乃至整个社会产生了巨大的影响，国家的经济建设、社会稳定、国家安全乃至政府的高效运转都将越来越依赖互联网。

我们曾经做过调查,几乎所有的高等学校都将“计算机网络”作为信息技术相关专业的专科生、本科生和研究生的必修课程，而且授课学时都很多。例如，斯坦福大学的电机系给本科生和研究生同时开设“计算机网络体系结构和协议”，76学时，讲授内容主要是计算机网络的概念、原理和实践，重点介绍互联网技术和TCP/IP协议；
南加州大学的电机工程系开设的“计算机通信网络分析和设计”，70学时，讲授内容主要是互联网的基本原理、概念和相关协议，以及计算机网络的分层模型（OSI模型），重点是TCP/IP协议，并注重介绍网络新技术。另外，我们还对国内的主要大学也做过调查，例如，北京大学给研究生开设的“计算机网络原理”，72学时，3学分；
中国科技大学开设的“信息通信网”，72学时，3学分。上述各校所开设的网络课程名称尽管有所不同，但内容都是围绕“互联网络技术”主题。

综合国内外高校的计算机网络开设情况，同时结合我们多年来对计算机网络原理与技术的教学和科研体会，我们在《计算机网络教程》（第1版）的基础上进行了修订，形成了《计算机网络教程》（第2版）。希望新版本能更适合作为各类大学信息技术相关专业的本科生和研究生的计算机网络课程教材或教学参考书。与上一版相比，除补充了宽带接入方式、IP多播、虚拟局域网、IP电话等计算机网络重要概念外，本版教材还介绍了软件定义网络、内容中心网络、云网络、可表述网络和移动网络等新型网络架构；
对网络安全防护体系部分的内容进行了更新，在原有防火墙、紧急响应和恢复内容的基础上，增加了互联网攻击检测、虚拟专网、隐蔽通信及其检测技术、互联网IP劫持防范技术、身份认证和访问控制、垃圾邮件防范技术等内容；
在计算机网络五层协议的体系结构的基础上，在网络层后，将路由协议作为单独的一章，将重点内容重点叙述。

本版教材具有如下特点：

（1) 对计算机网络和电信网络的知识进行了高度的融合，覆盖面广，同时重点分析互联网技术，并以一种清晰且易于接受的方式将深奥的互联网技术问题表达给不同基础的学生，使他们对计算机网络的基本概念和基本原理有更深入、更全面的理解。

（2) 在注重学生的计算机网络和通信理论基础的同时，尤其强调培养学生的网络工程实际动手、分析与开发能力。因此，在内容组织上，既讲述基本概念和原理，又注重介绍具有实用价值的网络技术。

（3) 及时地跟踪了网络发展的新技术，剔除了一些已经过时老旧的技术，引入了一些计算机网络方面新的技术概念。我们以特有的方法把技术上的准确性和当前网络的研究热点完美地结合起来，充分体现了网络技术发展的时效性。

（4) 全书内容结构清晰，重点突出，对于读者而言，容易由点到面，形成知识体系。

　本教材的参考教学学时为72学时，全书分为9章，每章之后均附有习题。

参加本书第1版编写的还有吴晓军和张千里两位博士；
本书得到了中国电子教育学会同行们的支持和肯定，获得了中国电子教育学会优秀教材一等奖。在第2版修订过程中也得到许多同行和同事的帮助和指导。在此，一并表示由衷的感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在一些缺点和不妥之处，殷切希望各位读者批评与指正。

 

 

作者，于清华园2018年1月20日

 

 

 

 

 

 

 

第5章路由协议路由协议是构建互连网络的核心技术，是实现网络互连的基础。路由协议是基于路由器实现的，是网络层所规定的主要功能。在本章中将介绍互联网络中路由系统的核心元件——路由器，在此基础上，将进一步介绍路由系统中最重要的问题，即路由协议。5.1路由协议概述我们知道，通过集线器或者交换机，都可以把局域网互相连接起来。那么，为什么还需要引入路由协议呢？这是因为，一方面，这种互联的方法不能够很好地处理其他的各种网络，除了以太网络之外，事实上还存在很多种其他的网络，而将来也会不断出现新的网络，不同种网络之间，就无法通过集线器或者交换机这些设备进行互联了。而另外一方面，这些方法也不适用于大的物理范围。互联网的一个重要的特点，就是在设计时就充分考虑到了这种扩展性和多样性，从而迅速成为今天遍布全球的一个超大规模网络。在建成之初，互联网就遵循了如下几个重要的原则： (1) IP over everything。作为互联网络层，IP掩盖了下面物理网络的具体细节，抽象出数据报进行路由时所必需的一些信息，从而简化了数据报的路由过程。每个主机，无论所处的物理网络是什么，都必须实现IP层，主机系统通过IP地址进行定位，IP层成了互联网络中容忍多样性的根本原因。(2) 尽力而为的原则。由于采用了尽力而为的原则，所有的数据报都可以同等对待，而不必处理各种复杂的服务要求，也不需要路由器接入进行数据的恢复和重传，这样减轻了路由器的负担，降低了路由器的成本，方便了大规模网络的建设。(3) 端对端的原则。端对端的原则，就是将可靠性、拥塞控制等复杂的功能，都转移到通信的源和目的端进行。我们看到，通过这几个设计准则，简化了路由器的功能，方便了大规模网络之间的互联，同时，通信的源和目的系统有充分的自由实现各种服务，从而能够实现各种不同的用途。互联网络产生之后，规模迅速扩大，上层新的应用层出不穷，都得益于这些原则的引入。当然，这些设计原则也带来了一些问题，包括： (1) 恶意或者是非友好流的问题。在互联网络设计时，一个基本原则就是互联网络上对话的各方之间都是友好合作的，这在互联网络早期确实如此，但是随着互联网络规模的不断扩大，这一假定事实上已经不成立了。由于互联网络中，路由器对于所有的数据报都基本同等对待，恶意的流可以占用大量的带宽从而造成拒绝服务攻击，非友好的流可以采用更为激进的方法挤占TCP流的带宽。(2) 管理、审计和计费。由于互联网络在设计之初没有特别关注这一问题，使得互联网络的管理、审计和计费成为另外一个重要的难题。5.1.1互联网络路由体系结构在互联网络中传输IP数据报时，当IP数据报形成之后，就要面临如何到达目的端的问题。我们知道，在一个共享公共信道的广播物理子网内不存在寻径问题，如以太网，通过arp协议得到目的端的以太网地址之后，就可以完成IP数据报的发送了。但是对于存储转发的点对点网络，就要面临寻径的问题，怎样选择一条正确、高效的路径，就成了一个重要的问题。在TCP/IP网络寻径中，路径选择这一过程是由通信双方和路由器共同作用完成的。首先，信源系统通过本机自己的路由信息将数据报发送出去，一般说来，由于主机系统的路由信息比较简单，因此，经常使用默认路由进行简化。也就是说，除了本物理子网范围内的主机，其他主机都通过一个固定的默认网关进行转发。默认路由也是一种在路由器的路由表中常见的项目，在互联网络中，大部分的路由器或者是主机都只包含部分寻径信息，除此之外的路由，则依赖于上一级路由器来进行。在这时，就可以使用默认路由，除了显示规定的路径之外，发往其他目的端的数据报都会由这一默认路由来处理。使用默认路由，最大的优点在于减少了路由表的规模，因此得到了广泛的应用。例如，主机的IP地址为192.168.1.10，子网掩码为255.255.255.0，默认网关为192.168.1.1，则形成路由表如表51所列。