计算机网络原理与应用（第2版）

《计算机网络原理与应用（第2版）》结合行业新技术发展，在保留第1版教材主要内容与特色的前提下，对内容进行了调整、补充和优化。本书包括计算机网络基本理论、网络体系结构、TCP/IP网络、网络设备、TCP/IP应用、Internet、网络管理技术、新型网络技术等8章内容，每章都配有实训项目，可以让读者在做实训项目的过程中逐渐领悟相关的背景知识。 

《计算机网络原理与应用（第2版）》在第1版教材得到各高职院校教师和学生欢迎和使用的基础上，结合行业新技术发展，在保留原教材主要内容与特色的前提下，对内容进行了调整、补充和优化。本书不奢求读者能完全精通网络理论，力求能够让读者了解行业背景，增强对网络技术的求知欲，切实提高常用的实际网络应用能力。本书包括计算机网络基本理论、网络体系结构、TCP/IP网络、网络设备、TCP/IP应用、Internet、网络管理技术、新型网络技术等8章内容，每章都配有实训项目，可以让读者在做实训项目的过程中逐渐领悟相关的背景知识。
《计算机网络原理与应用（第2版）》可作为高等职业院校计算机相关专业的计算机网络技术基础教材，也可以作为网络技术人员的技术参考资料。

目    录
 
第1章  计算机网络基本理论    1
1.1  计算机网络概述    1
1.1.1  认识计算机网络    1
1.1.2  计算机网络的定义及组成    5
1.1.3  计算机网络的分类    7
1.2  计算机网络的拓扑结构    10
1.2.1  星型拓扑网络    11
1.2.2  树型拓扑网络    11
1.2.3  总线型拓扑网络    12
1.2.4  环型拓扑网络    12
1.2.5  网状型拓扑网络    13
1.3  网络传输介质的应用    13
1.3.1  双绞线    13
1.3.2  同轴电缆    14
1.3.3  光导纤维    15
1.3.4  无线传输    16
1.3.5  常用各种传输介质的比较    18
1.4  网络协议和标准化组织    19
1.4.1  网络协议    19
1.4.2  标准化组织    19
1.5  数据通信基础    20
1.5.1  基本概念    20
1.5.2  数据通信的主要技术指标    24
1.6  以太网    27
1.6.1  以太网的发展历程    27
1.6.2  以太网标准系列    28
1.6.3  以太网的原理和技术    34
1.6.4  全双工以太网的基本原理
和特点    37
1.7  网络操作系统概述    38
1.7.1  网络操作系统的作用    38
1.7.2  常见网络操作系统简介    39
1.8  本章小结    40
1.9  实践训练    40
1.10  专业术语解释    44
习题    48
第2章  网络体系结构    52
2.1  网络体系结构概述    52
2.1.1  分层结构的意义    52
2.1.2  开放系统互联参考模型    56
2.1.3  数据封装与解封装    56
2.2  物理层    58
2.2.1  物理层的功能    58
2.2.2  典型协议及接口标准    58
2.3  数据链路层    60
2.3.1  数据链路层的功能    60
2.3.2  数据链路层的帧格式    61
2.3.3  典型协议及应用    62
2.4  网络层    63
2.4.1  网络层的功能    64
2.4.2  路由选择算法    64
2.5  传输层    67
2.5.1  传输层的功能    67
2.5.2  传输层协议的分类    67
2.6  高层    68
2.6.1  会话层    68
2.6.2  表示层    68
2.6.3  应用层    69
2.7  本章小结    69
2.8  实践训练    69
2.9  专业术语解释    73
习题    73
第3章  TCP/IP网络    75
3.1  TCP/IP体系结构    75
3.1.1  TCP/IP的基本概念    75
3.1.2  TCP/IP协议集    76
3.2  IP地址    78
3.2.1  IP地址    78
3.2.2  IP地址的组成与类别    79
3.2.3  IP子网的划分与配置    81
3.2.4  VLSM和CIDR    83
3.3  TCP/IP网络层协议    85
3.3.1  IP协议    85
3.3.2  地址解析协议ARP和反向
地址解析协议RARP    88
3.3.3  ICMP    89
3.4  TCP/IP传输层协议    90
3.4.1  传输控制协议(TCP)    90
3.4.2  用户数据报协议    94
3.4.3  端口号    95
3.5  TCP/IP网络的信息传送    96
3.6  本章小结    98
3.7  实践训练    99
3.8  专业术语解释    105
习题    105
第4章  网络设备    107
4.1  物理层设备    107
4.1.1  中继器    107
4.1.2  集线器    108
4.2  数据链路层设备    109
4.2.1  网桥    109
4.2.2  交换机    110
4.2.3  交换机的应用    113
4.3  网络层设备    117
4.3.1  路由器的组件及功能    117
4.3.2  路由器的基本应用    120
4.4  其他网络设备    121
4.4.1  服务器    121
4.4.2  防火墙    122
4.4.3  入侵检测系统    124
4.4.4  入侵防御系统    125
4.4.5  安全管理平台    126
4.5  本章小结    127
4.6  实践训练    127
4.7  专业术语解释    128
习题    129
第5章  TCP/IP应用    131
5.1  域名系统    131
5.1.1  域名和域名解析    131
5.1.2  DNS的应用    132
5.2  DHCP服务    134
5.3  远程登录    135
5.4  文件传输协议(FTP和TFTP)    136
5.5  简单邮件传输协议    137
5.6  简单网络管理协议    138
5.7  超文本传输协议(HTTP)和
万维网(WWW)    139
5.8  网络地址转换(NAT)    140
5.9  本章小结    141
5.10  实践训练    141
5.11  专业术语解释    145
习题    145
第6章  Internet    147
6.1  Internet基础知识    147
6.1.1  Internet的发展与现状    147
6.1.2  Internet的基本概念    150
6.2  Internet的入网方式    151
6.2.1  PSTN    152
6.2.2  ISDN    153
6.2.3  DDN    154
6.2.4  ADSL    154
6.2.5  FTTX    156
6.2.6  光纤同轴混合    157
6.3  Intranet和Extranet    158
6.4  Internet网络服务    160
6.4.1  基础应用类    160
6.4.2  网络金融类    164
6.4.3  网络娱乐类    165
6.4.4  商务交易类    166
6.4.5  公共服务类    167
6.5  本章小结    167
6.6  实践训练    168
6.7  专业术语解释    170
习题    171
第7章  网络管理技术    172
7.1  网络管理的基本概念    172
7.2  网络管理的任务与目标    173
7.2.1  故障管理    173
7.2.2  性能管理    173
7.2.3  计费管理    174
7.2.4  配置管理    174
7.2.5  安全管理    174
7.3  网络管理的协议原理    175
7.3.1  SNMP协议    175
7.3.2  CMIP协议    178
7.3.3  其他网络管理协议    180
7.4  常见网络管理工具的使用    180
7.4.1  常用网络管理命令    180
7.4.2  常用网络管理工具    184
7.5  本章小结    187
7.6  实训项目    187
7.7  专业术语解释    191
习题    191
第8章  新型网络技术    192
8.1  下一代网际协议IPv6    192
8.1.1  IPv6的优势    192
8.1.2  IPv6的表示形式    193
8.1.3  IPv6的地址类型    193
8.1.4  IPv6的安装    194
8.1.5  IPv4到IPv6的过渡技术    195
8.2  云计算    198
8.2.1  云计算概念与特点    198
8.2.2  云计算的服务模式    199
8.2.3  云计算的部署模式    200
8.2.4  云计算的优势    200
8.3  移动互联网    201
8.3.1  移动互联网的概念与术语    201
8.3.2  无线网络的配置    202
8.3.3  移动互联网的应用    204
8.4  物联网    204
8.4.1  物联网的基本概念    204
8.4.2  物联网的典型应用    205
8.5  本章小结    206
8.6  实践训练    206
8.7  专业术语解释    209
习题    210
附录A  综合练习    211
综合练习一    211
综合练习二    216
综合练习三    219
综合练习四    223
参考文献    227

 

第2版前言
本书是在《计算机网络原理与应用》第1版的基础上经过补充和完善后再版发行的。由于计算机网络的基本原理相对比较成熟且稳定，因此本书中介绍基本原理的内容改动不大，仅在细节上做了修订和完善。
本书有以下一些改动。第1章(计算机网络基础理论)主要是对传输介质、以太网及网络操作系统部分内容进行了补充完善和修订。第3章(TCP/IP网络)重点对IP地址及子网划分进行了重新梳理。第4章(网络设备)部分新增入侵防御系统和安全管理平台，并对可网管交换机的串口管理和Telnet管理对于不同操作系统的操作进行了补充说明。第8章(新型网络技术)删除下一代网络内容，新增移动互联网、云计算和物联网，并将原无线网络部分内容并入移动互联网。第2、6、7章内容上也做了些许改动和更新。此外，还纠正了第1版书中的几处内容及排版上的失误。
全书分为8章和一个综合练习，其中，第1章全面介绍网络技术的基本理论；第2章重点介绍了网络体系结构；第3章介绍TCP/IP网络相关技术与协议；第4章介绍常见的网络设备的功能与应用；第5章详细介绍TCP/IP网络各种服务及应用；第6章介绍互联网基本知识及应用；第7章介绍网络管理的基本知识及常用网管工具；第8章介绍一些热门的新型网络技术。
本书由北京经济管理职业学院王艳淼、袁礼、王黎担任主编，吕梁职业技术学院魏扬和北京经济管理职业学院刘学工、郝强、张丽娟担任副主编，参编的还有宋少阳(河南宝通信息安全测评有限公司)。其中第1章由王黎、张丽娟编写，第2章由王艳淼、魏扬编写，第3章由刘学工、魏扬编写，第4章由袁礼编写，第5章由刘学工编写，第6、7章由郝强、王艳淼编写，第8章由宋少阳编写，综合练习题由王艳淼整理。全书由王艳淼负责统稿，袁礼、宋少阳审阅。本书的修订是在第1版基础上进行的，在此向对原书的出版工作做出重大贡献的邱冬、李平、刘建(天津理工大学)及赵梅叶(中原油田培训中心)表示衷心的感谢。本书在编写过程中参考了大量的资料，得到了很多网络行业技术专家朋友的帮助，在此也一并表示诚挚的谢意。
由于计算机网络技术发展迅速，加之编者水平有限，书中难免存在疏漏和不足，恳请读者批评指正。

编  者  
   
 
第1版前言
计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，自产生以来发展迅速，应用范围比较广泛。现在，网络的应用已经渗透到各行各业，社会对网络人才的需求也越来越多。几乎所有的高等院校都开设了计算机网络类专业，而且不仅是计算机类专业开设了网络技术类课程，很多非计算机类专业也逐渐开设了网络课程。
高等职业教育是高等教育的一种重要类型。实际上，高职教育是就业导向的教育，并且这一培养目标相对于一般本科院校而言是显性存在的，它既体现在工学结合、校企合作等宏观层面，又体现在专业建设的职业分析，课程开发的工作过程导向，教学实施的行动学习、实习、实训的职业情境，学习评价的需求定向和师资培养的“双师”结构等微观层面。教材作为教师课程开发的重要蓝本和学生学习的重要资料，其理念与质量的优劣会直接影响教学效果。
本教材定位于高等职业院校职业教育的需求，在对计算机类专业，特别是对计算机网络技术专业的计算机网络课程理论、专业技术、应用能力和岗位需求等方面进行全面深入研究的基础上，考虑到本课程主要是作为低年级技术基础课程，我们终确定了本教材要解决的问题是让读者全面熟悉网络行业技术背景，提高网络实际应用能力。本书在编写过程中吸纳了编者们多年的一线教学经验及行业实际工作经验，既确保读者能够全面了解网络技术的内涵，又精简了大量比较高深而实际意义并不大的理论知识。
全书分为8章和1个综合练习，其中：第1章全面介绍了网络技术的基本理论；第2章重点介绍了网络体系结构；第3章介绍了TCP/IP网络相关技术与协议；第4章介绍了常见网络设备的功能与应用；第5章详细介绍了TCP/IP网络的各种服务及应用；第6章介绍了因特网的基本知识及应用；第7章介绍了网络管理的基本知识及常用的网管工具；第8章介绍了一些热门的新型网络技术。
本书由北京经济管理职业学院袁礼和李平老师担任主编，刘学工、邱冬和刘建(天津理工大学)老师担任副主编，其他参编的老师还有王艳淼、郝强、赵梅叶(中原油田培训中心)等。其中，第1章由李平、刘建编写，第2章由王艳淼编写，第3、5章由刘学工编写，第4、8章由袁礼和赵梅叶编写，第6、7章由郝强编写，综合练习由李平整理。全书由邱冬、袁礼负责统稿。本书在编写过程中参考了大量的资料，并且得到了很多网络行业技术专家朋友的帮助，在此表示衷心的感谢。
由于计算机网络技术发展迅速，加之编者水平有限，书中难免存在疏漏和不足，恳请读者批评指正。

编   者    

第1章  计算机网络基本理论
教学提示
本章内容为计算机网络的基本理论，重点是掌握与网络技术有关的基本概念，对网络技术有个初步的认识，为后续各章的学习打下良好的基础，并通过两个实训项目掌握网络的基本构成和双绞线的使用方法。
教学目标
通过对本章内容的学习，要求掌握基本的一些计算机网络概念，为后续的学习打下良好的基础。要求了解计算机网络的发展过程，掌握计算机网络的组成和分类、计算机网络拓扑结构及其特点以及网络传输介质的应用，特别是掌握双绞线的应用，了解通信协议的概念和标准化组织，掌握网络通信的基本概念和主要参数、以太网的基本内容以及网络操作系统的概念，了解常用的网络操作系统。
1.1  计算机网络概述
本节从计算机网络技术的发展过程开始，介绍计算机网络技术的形成和发展，重点讲述计算机网络的定义、功能、组成和分类。
1.1.1  认识计算机网络
1. 计算机网络的发展
计算机网络从形成、发展到广泛应用已经历了60余年，大体可以分为下述四代。
1) 代计算机网络
20世纪50年代中后期，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，从而出现了代计算机网络。它是以单个计算机为中心的远程联机系统。代网络的典型应用是美国航空公司与IBM在20世纪50年代初开始联合研究，20世纪60年代投入使用的飞机订票系统SABRE-I，它由一台计算机和全美范围内2000个终端组成(这里的终端是指由一台计算机外部设备组成的简单计算机，有点类似现在所提的“瘦客户机”，仅包括CRT控制器、键盘，没有CPU、内存和硬盘)。
随着远程终端的增多，为了提高通信线路的利用率并减轻主机负担，已经使用了多点通信线路、终端集中器、前端处理机(Front-End Processor，FEP)，这些技术对以后计算机网络发展有着深刻影响，以多点线路连接的终端和主机间的通信建立过程，可以用主机对各终端轮询或者由各终端连接成雏菊链的形式实现。考虑到远程通信的特殊情况，对传输的信息还要按照一定的通信规程进行特别的处理。图1.1所示为单计算机为中心的联机终端系统。
 
    
图1.1  单计算机为中心的联机终端系统
当时的计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，以实现远程信息处理或进一步达到资源共享的计算机系统”，这样的计算机系统具备了通信的雏形。
2) 第二代计算机网络
20世纪60年代后期，出现了大型主机，因而也提出了对大型主机资源远程共享的要求，以程控交换为特征的电信技术的发展为这种远程通信需求提供了实现手段。第二代网络以多个主机通过通信线路互联，为用户提供服务。但这种网络中主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机(IMP)或通信控制处理机(CCP)转接后互联。IMP或CCP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。图1.2所示为多处理机网络。
 
图1.2  多处理机网络
现代意义上的第二代计算机网络是从1969年美国国防部高级研究计划署(Defense Advanced Research Project Agency，DARPA)建成的ARPANet实验网开始的，该网络当时只有4个节点，以电话成路为主干网络，两年后建成15个节点，进入工作阶段，此后规模不断扩大，20世纪70年代后期，网络节点超过60个，主机100多台，地理范围跨越美洲大陆，连通了美国东部和西部的许多大学和研究机构，而且通过通信卫星与夏威夷和欧洲地区的计算机网络相互连通。其特点主要是资源共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议，这些特点被认为是现代计算机网络的一般特征。
第二代计算机网络以通信子网为中心，这时的网络定义为“以能够相互共享资源为目的，互联起来的具有独立功能的计算机的集合体”。
3) 第三代计算机网络
随着计算机网络技术的成熟，网络应用越来越广泛，网络规模也不断扩大，通信变得越来越复杂。于是，各大计算机公司纷纷制定了自己的网络技术标准。IBM公司于1974年推出了系统网络体系结构(System Network Architecture，SNA)，为用户提供了能够互联的成套通信产品。1975年DEC公司发布了自己的数字网络体系结构(Digital Network Architecture，DNA)。1976年UNIVAC宣布了该公司的分布式通信体系结构(Distributed Communication Architecture，DCA)。这些网络技术标准只是在一个公司范围内有效，遵从某种标准的、能够互联的网络通信产品，只是同一公司生产的同构型设备。网络通信市场这种各自为政的状况使得用户在投资方向上无所适从，也不利于各厂商之间的公平竞争。1977年，国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)的TC97(计算机与信息处理标准化技术委员会)下属的SC16分技术委员会开始着手制定开放系统互联参考模型(Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM，也称开放系统互联参考模型)。
OSI参考模型的建立标志着第三代计算机网络的诞生。此时的计算机网络在共同遵循OSI标准的基础上，形成了一个具有统一网络体系结构，并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。OSI/RM参考模型把网络划分为7个层次，并规定计算机之间只能在对应层进行通信，大大简化了网络通信原理，是公认的新一代计算机网络体系结构的基础，为普及局域网奠定了基础。
4) 第四代计算机网络
20世纪80年代末，局域网技术发展成熟，出现了光纤及高速网络技术，整个网络就像一个对用户透明的、庞大的计算机系统，发展以Internet为代表的全球互联网，这就是直到现在的第四代计算机网络时期。
此时计算机网络定义为“将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统”。事实上，对于计算机网络从未有过一个标准的定义。
计算机网络是互联网、移动通信网络、固定电话通信网络的融合，是IP网络和光网络的融合，是可以提供包括语音、数据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架，是业务驱动、业务与呼叫控制分离、呼叫与承载分离的网络，是基于统一协议的、基于分组的网络。
2. 计算机网络体系标准的形成
经过20世纪60年代和70年代前期的发展，人们对网络技术、方法和理论的研究日趋成熟。为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定自己的网络技术标准，终促成国际标准的制定，遵循网络体系结构标准建成的网络称为第三代网络。
标准化建设经历了以下两个阶段。
1) 各计算机制造厂商网络结构标准化
例如，IBM公司的SNA，DEC公司的DNA，UNIVAC公司的DCA，Burroughs公司的BNA。这类标准只在一个公司范围内有效，也就是说，遵从某种标准的、能够互联的网络通信产品，也只限于同一公司生产的同构型设备。
2) 国际网络体系结构标准化
国际标准化组织为适应网络向标准化发展的需要，成立了TC97(计算机与信息处理标准化技术委员会)下属的SC16(开放系统互联分技术委员会)，在研究、吸收各计算机制造厂家的网络体系结构标准化经验的基础上，开始着手制定开放系统互联的一系列标准，旨在方便异种计算机互联。该委员会制定了“开放系统互联参考模型 (OSI/RM)”，简称OSI模型。
OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通信产品都是开放系统，而符合OSI标准的网络也被称为第三代计算机网络。
目前，几乎所有网络产品厂商都在生产符合国际标准的产品，而这种统一的、标准化的产品互相竞争市场，也给网络技术的发展带来了更大的繁荣。
3. Internet的产生
20世纪60年代开始，美国国防部高级研究计划署建立阿帕网(ARPANet)，向美国国内大学和一些公司提供经费，以促进计算机网络和分组交换技术的研究。
1969年12月，ARPANet投入运行，建成了一个实验性的由4个节点连接的网络。到1983年，ARPANet已连接了300多台计算机，供美国各研究机构和政府部门使用。
1983年，ARPANet分为ARPANet和军用MilNet(Military Network)，两个网络之间可以进行通信和资源共享。由于这两个网络都是由许多网络互联而成的，因此它们都被称为Internet，所以ARPANet也就是Internet的前身。
1986年，美国国家科学基金会 (National Science Foundation，NSF)建立了自己的计算机通信网络。NSFNet将美国各地的科研人员连接到分布在美国不同地区的超级计算机中心，并将按地区划分的计算机广域网与超级计算机中心相连(实际上它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所)。初，NSFNet的主干网的速率不高，仅为56kb/s。在1989－1990年，NSFNet主干网的速率提高到1.544Mb/s，并且成为Internet中的主要部分。NSFNet逐渐取代了ARPANet在Internet的地位，到了1990年，鉴于ARPANet的实验任务已经完成，ARPANet正式宣布关闭。
随着NSFNet的建设和开放，网络节点数和用户数迅速增长。以美国为中心的Internet网络互联也迅速向全球发展，世界上的许多国家纷纷接入Internet，使网络上的通信量急剧飙升。
1992年，Internet上的主机超过100万台。1993年，Internet主干网的速率提高到45Mb/s。到1996年速率为155Mb/s的主干网建成。1999年，MCI和WorldCom公司将美国的Internet主干网速率提高到2.5Gb/s。到1999年年底，Internet上注册的主机已超过1000万台。
Internet的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW被广泛使用在Internet上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为Internet发展的指数级增长的主要驱动力。
在Internet飞速发展与广泛应用的同时，高速网络的发展也引起了人们越来越多的注意。高速网络技术发展主要表现在高速局域网、交换局域网与虚拟网络、宽带综合业务数据网(B-ISDN)和异步传输模式(ATM)等。
20世纪90年代，世界经济已经进入了一个全新的发展阶段。世界经济的发展推动着信息产业的发展，信息技术与网络的应用已成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标准。人们开始认识到信息技术的应用与信息产业的发展将会对各国经济发展产生重要的作用，很多国家纷纷开始制订各自的信息高速公路建设计划。
建设信息高速公路就是为了满足人们在未来随时随地对信息交换的需要，在此基础上人们相应地提出了个人通信与个人通信网的概念，它将终实现全球有线网与无线网的互联、邮电通信网与电视通信网的互联、固定通信与移动通信的结合。在现有电话交换网(PSTN)、公共数据网(PDN)、广播电视网、宽带综合业务数据网(B-ISDN)的基础上，利用无线通信、蜂窝移动电话、卫星移动通信、有线电视网等通信手段，终实现“任何人在任何地方、在任何时间里使用任一种通信方式，实现任何业务的通信”。