计算机网络原理及应用

《计算机网络原理及应用》全面系统地介绍了计算机网络的原理、体系结构和发展以及数据通信基础、物理层、数据链路层、局域网技术、网络层、传输层、应用层、网络安全以及综合性网络实验等内容。 

本书面向新经济产业需求，从工程实践的角度出发，按照教育部关于全面推进新工科建设的要求对计算机网络教材进行改革，结合当前网络技术的发展变化而编写，主要讲述计算机网络的基本原理和实践应用，注重创新和前沿技术。全书共分为10章，内容包括计算机网络概述、数据通信基础与物理层、数据链路层、局域网技术、网络层、网络互联与互联设备、传输层、应用层、计算机网络安全以及综合网络实验。内容组织上注重基础知识与新技术的结合，在清楚地阐述计算机网络原理基础知识的基础上，同时介绍计算机网络新技术的发展和应用。
本书适合作为应用型高等院校本科计算机专业、信息技术及电子信息等相关专业的网络课程教材或参考资料，也可作为相关专业工程技术人员继续教育的培训教材，还可以作为广大网络管理人员或工程技术人员学习网络知识的技术参考书。

目录

第1章计算机网络概述

1．1计算机网络的产生与发展

1．1．1网络的网络

1．1．2计算机网络的产生

1．1．3计算机网络的发展

1．2计算机网络的定义和功能

1．2．1计算机网络的定义

1．2．2计算机网络的功能

1．2．3计算机网络的应用

1．3计算机网络的分类

1．3．1按照地理覆盖范围分类

1．3．2按传输介质分类

1．3．3按网络的拓扑结构来分

1．3．4按服务方式来分

1．3．5其他分类方法

1．4Internet概述

1．4．1Internet在我国的发展

1．4．2Internet的组成

1．5网络性能指标

1．5．1计算机网络的性能指标

1．5．2计算机网络的非性能指标

1．6计算机网络的体系结构

1．6．1网络体系结构的含义

1．6．2ISO/OSI体系结构标准

1．6．3TCP/IP体系结构标准

1．6．45层协议的体系结构

习题

第2章数据通信基础与物理层

2．1数据通信的基础知识

2．1．1数据通信基本概念

2．1．2数据通信系统模型

2．1．3数据通信的主要技术指标

2．2数字传输与模拟传输

2．2．1模拟数据在模拟信道上传输

2．2．2模拟数据在数字信道上传输

2．2．3数字数据在模拟信道上传输

2．2．4数字数据在数字信道上传输

2．3数据传输方式

2．3．1并行、串行传输

2．3．2单工、半双工与全双工

2．3．3异步传输与同步传输

2．4多路复用技术

2．4．1频分多路复用

2．4．2时分多路复用

2．4．3波分多路复用

2．4．4码分多路复用

2．5传输介质

2．5．1双绞线

2．5．2同轴电缆

2．5．3光纤

2．5．4无线传输媒介

2．6物理层的基本概念

习题

第3章数据链路层

3．1数据链路层概述

3．1．1数据链路层的必要性

3．1．2数据链路层的功能

3．1．3数据链路层所提供的服务

3．2帧与成帧

3．2．1帧的基本格式

3．2．2封装成帧

3．3帧定界

3．4差错检测

3．4．1奇偶校验码

3．4．2循环冗余校验码

3．5点对点协议

3．5．1PPP的特点

3．5．2PPP的帧格式

3．5．3PPP的工作状态

习题

第4章局域网技术

4．1IEEE 802标准

4．1．1局域网概述

4．1．2IEEE 802系列标准

4．1．3局域网体系结构

4．2介质访问控制

4．2．1CSMA/CD原理

4．2．2争用期与最短帧长概念

4．2．3二进制指数退避算法

4．3以太网技术标准

4．3．1十兆以太网标准

4．3．2快速以太网标准

4．3．3千兆以太网标准

4．3．4万兆以太网标准

4．4虚拟局域网

4．4．1虚拟局域网的定义与特性

4．4．2虚拟局域网的划分

4．4．3IEEE 802．1q协议

4．4．4虚拟局域网的配置

4．5无线局域网及IEEE 802．11协议

4．5．1无线网的介质访问控制方法及分类

4．5．2无线局域网技术与IEEE 802．11标准

4．5．3无线Ad hoc网络技术

4．5．4蓝牙技术

4．5．5无线应用协议WAP技术

4．5．6无线局域网的应用领域

习题

第5章网络层

5．1网络层的功能及服务

5．1．1网络层的功能

5．1．2提供的服务

5．1．3网络层的协议

5．2IPv4协议

5．2．1协议概述

5．2．2协议格式

5．2．3IP地址

5．2．4子网划分和子网掩码

5．2．5VLSM和CIDR

5．3IPv6协议

5．3．1IPv6地址分类和格式

5．3．2IPv6报文头部

5．3．3IPv6扩展头部

5．4ARP与RARP

5．4．1ARP

5．4．2RARP

5．5ICMP

5．5．1报文的格式

5．5．2协议的应用

5．6路由与路由协议

5．6．1路由选择

5．6．2静态路由

5．6．3动态路由

5．6．4距离矢量算法和RIP

5．6．5链路状态算法和OSPF协议

习题

第6章网络互联与互联设备

6．1网络互联

6．1．1网络互联的概念

6．1．2网络互联原则和必须考虑的问题

6．2物理层互联设备

6．2．1调制解调器

6．2．2中继器

6．2．3集线器

6．2．4中继器和集线器的54321规则

6．3数据链路层互联设备

6．3．1网络适配器

6．3．2第二层设备与冲突域划分

6．3．3网桥

6．3．4交换机

6．4网络层互联设备

6．4．1路由器

6．4．2网关

习题

第7章传输层

7．1传输层概述

7．1．1传输层的作用

7．1．2传输层的两个主要协议

7．1．3传输层的端口

7．2无连接的UDP

7．2．1UDP概述

7．2．2UDP报文段结构

7．2．3UDP的工作过程

7．3面向连接的TCP概述

7．3．1TCP最主要的特点

7．3．2TCP连接

7．3．3TCP报文段格式

7．4可靠数据传输原理

7．4．1停止等待协议

7．4．2连续ARQ协议

7．4．3TCP可靠传输的实现

7．5TCP的流量控制

7．5．1滑动窗口协议

7．5．2利用滑动窗口实现流量控制

7．6TCP连接管理

7．6．1TCP的连接建立

7．6．2TCP的连接释放

7．7TCP拥塞控制

7．7．1拥塞的原因及代价

7．7．2拥塞控制的一般原理

7．7．3TCP的拥塞控制方法

习题

第8章应用层

8．1DNS服务

8．1．1域名系统概述

8．1．2Internet域名结构

8．1．3域名服务器

8．1．4DNS域名解析过程

8．2Web服务

8．2．1万维网概述

8．2．2万维网的工作方式

8．2．3万维网必须解决的问题

8．3Telnet服务

8．3．1基本概念

8．3．2Telnet命令

8．3．3Telnet选项及协商

8．3．4Telnet子选项协商

8．3．5Telnet操作模式

8．4文件传输协议

8．4．1FTP概述

8．4．2FTP的基本工作原理

8．4．3简单文件传输协议

习题

第9章计算机网络安全

9．1网络安全问题概述

9．1．1计算机网络安全

9．1．2网络所面临的安全威胁

9．2计算机病毒

9．2．1计算机病毒概述

9．2．2计算机病毒的特征

9．2．3计算机网络病毒

9．2．4计算机病毒检测方法

9．2．5计算机病毒的防范

9．3防火墙

9．3．1什么是防火墙

9．3．2防火墙的类型

9．4木马防治

9．4．1木马的由来

9．4．2木马的特征与危害

9．5网络入侵检测技术

9．5．1常见的网络入侵类型

9．5．2入侵检测和防范技术

习题

第10章综合网络实验

10．1双绞线的制作

10．1．1实验目的

10．1．2实验要求

10．1．3实验环境

10．1．4实验内容和步骤

10．2Wireshark分析协议

10．2．1实验目的

10．2．2实验要求

10．2．3实验内容和步骤

10．3交换机基本配置

10．3．1实验目的

10．3．2实验要求

10．3．3实验内容和步骤

10．4VLAN划分及VLAN间通信

10．4．1实验目的

10．4．2实验要求

10．4．3实验内容和步骤

10．5交换机生成树协议配置

10．5．1实验目的

10．5．2实验要求

10．5．3实验内容和步骤

10．6路由器基本配置

10．6．1实验目的

10．6．2实验要求

10．6．3路由器的模式

10．6．4实验内容和步骤

10．7静态路由配置

10．7．1实验目的

10．7．2实验要求

10．7．3实验内容和步骤

10．8动态路由RIP配置

10．8．1实验目的

10．8．2实验要求

10．8．3实验内容和步骤

10．9动态路由OSPF配置

10．9．1实验目的

10．9．2实验要求

10．9．3实验内容和步骤

10．10访问控制列表配置

10．10．1实验目的

10．10．2实验要求

10．10．3实验内容和步骤

10．11地址转换配置

10．11．1实验目的

10．11．2实验要求

10．11．3实验内容和步骤

参考文献

前言

随着计算机技术、信息技术和通信技术的飞速发展，网络应用的普及程度已经成为衡量国家发展程度的一个重要标志。计算机网络技术已经渗透到国家的各个领域，可以说，计算机网络正在迅速改变着人们的工作和生活方式，成为一个国家重要的基础设施。然而，与迅速发展的网络技术相比，计算机网络技术方面的人才仍然比较匮乏。为了满足社会对计算机网络技术人才的需求，适应新经济快速发展的要求，立足于培养21世纪具有创新精神的工程应用型高级专门人才，我们组织多名常年讲授计算机网络课程的一线教师，编写了这本适合在校学生和广大计算机网络爱好者使用的教材。
本书的特色是理论与实践相结合，在清楚地阐述计算机网络基本原理的基础上，介绍网络新技术的发展，突出网络的创新应用，根据工程实际需要，将计算机网络中常用的技术进行深入的剖析并且设计了经典的实验，主要配置命令都结合技术要点和理论进行分析，对读者的知识和能力起到了巩固、拓宽和提高的作用。综合网络实验的所有配置过程和命令均结合理论，分步骤、分批次进行讲解，且全部在实际设备中通过调试。不仅能使读者知道相关的配置命令，还能帮助读者从更深层次理解网络工程中使用的理论与技术，达到举一反三、触类旁通的效果。
此外，支持重点内容知识点的可视化是本书的另一主要特色。本书支持通过动画对“计算机网络原理”课程中的重要知识点可视化学习，在计算机网络原理及应用纸质教材的基础上加入视频、音频、动画等多媒体元素，实现“纸质 ”教材，即建设计算机网络原理及应用的多媒体数字教材。本书旨在培养学生对网络基本原理的理解，更重要的是帮助学生运用所学基本知识进行中小型局域网的组建、管理和维护，培养学生根据任务需求分析问题和解决问题的能力，重点培养学生的创造能力和开发能力。
全书共分为10章，各章讨论内容如下。
第1章是计算机网络概述，包括计算机网络的产生与发展、计算机网络的定义和功能、分类和应用以及计算机网络的体系结构。
第2章介绍数据通信基础与物理层知识，如数据通信模型、数据传输技术、信道复用技术、物理层基本功能、传输介质等，重点介绍双绞线、光纤和同轴电缆等传输介质的制作和布线规则。
第3章以数据链路层的帧为核心，重点介绍了帧定界、差错检测技术、点对点协议。
第4章介绍局域网的有关知识，包括IEEE 802模型体系结构、介质访问控制方法、各种类型以太网、无线局域网以及虚拟局域网等。
第5章介绍网络层相关内容，包括网络层功能、拥塞控制以及新技术IPv6，重点介绍IP协议和路由协议。
第6章介绍网络互联和互联设备的主要内容，包括中继器、集线器、交换机以及路由器等。
第7章介绍传输层相关内容，包括传输层的功能、UDP和TCP，重点介绍TCP连接的建立、滑动窗口协议和TCP的流量控制。
第8章介绍应用层的相关内容，重点介绍DNS域名机制、Web服务以及FTP。
第9章介绍计算机网络安全方面的知识。
第10章介绍典型的交换机和路由器配置实验，给出详细的实验目的、实验要求、实验环境、实验内容以及步骤。

本书适合作为应用型高等院校本科计算机专业、信息技术及电子信息等相关专业的网络课程教材或参考资料，也可作为相关专业工程技术人员继续教育的培训教材，还可以作为广大网络管理人员或工程技术人员学习网络知识的技术参考书。
本书第1章、第6章、第7章、第10章由王辉编著，第2章、第3章由洪波编著，第4章、第8章由田鹏辉编著，第5章、第9章由赵宇峰编著，全书由王辉、雷聚超主编并负责统稿和定稿。本书配套的所有动画由雷聚超负责完成。所有电子课件、动画视频均可以通过网站http://222.25.4.124/免费浏览学习。
本书在编写过程中，得到许多应用型本科计算机教研室老师的指导和审阅，他们提出了许多宝贵的修改意见，在此表示衷心的感谢！尽管在编写本书的过程中尽了最大努力，但由于编者水平有限、时间仓促，书中不足和疏漏之处在所难免，恳请广大专家和读者批评指正。
编者
2018年9月

第3章数据链路层
数据链路层是物理层的上层，仍属于计算机网络的低层。物理层是把计算机连接起来的物理手段，它主要规定了网络的一些电气属性，其作用是负责传送0和1的电信号，数据链路层的作用就是确定0和1的分组方式。本章就详细介绍数据链路层的相关知识，包括数据链路层的功能以及实现这些功能的相应机制。

3．1数据链路层概述

3．1．1数据链路层的必要性
首先要明确链路和数据链路是两个不同的概念。链路(Link)是指从一个节点到相邻节点的一段物理线路(有线或无线)，而中间没有任何其他的交换节点。在进行数据通信时，两台计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路，可见链路只是一条路径的组成部分。数据链路(Data Link)则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了一条物理链路外，还需要加上一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。若把这些实现协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用网络适配器(既有硬件，也包括软件)来实现这些协议的硬件和软件，一般的适配器都包括数据链路层和物理层这两层功能。
也有人采用另外的术语，把链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面说的链路，而逻辑链路就是上面说的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。早期的数据通信协议曾叫做通信规程(Procedure)。因此，在数据链路层，规程和协议是同义语。
至少有两个理由可用来说明数据链路层存在的必要性。首先是数据传输过程中的损坏与丢失问题，尽管物理层采取了一些必要的措施来减少信号传输过程中的噪声，但是，数据在物理传输过程中仍然可能被损坏或丢失。由于物理层只关心原始比特流的传送，不考虑也不可能考虑所传输信号的意义和信息结构，所以物理层不可能识别或判断数据在传输过程中是否出现了损坏或丢失，从而也谈不上采取相应的机制或方法进行补救。其次是收发双方的接收和发送速率不匹配引发的数据丢失问题。当数据发送方的发送能力大于接收方的数据接收能力时，接收方会因为来不及接收处理而产生数据溢出导致数据丢失。然而，物理层并不考虑发送站点与接收站点速度不匹配问题，必然要采取一些策略来控制发送站点的发送速度，避免接收站点来不及处理而丢失数据。可见只有物理层的功能是不够的，位于物理层之上的数据链路层就是为了克服物理层的这些不足而建立的。
数据链路层旨在实现网络上两个相邻节点之间的无差错传输。它利用了物理层提供的原始比特流传输服务，检测并校正物理层的传输差错，控制数据的传输流量，使在相邻节点之间构成一条无差错的链路，从而向网络层提供可靠的数据传输服务。
下面通过图31介绍两台主机通过Internet进行通信时数据链路层所处的地位。

图31主机A向主机B 发送数据

图31表示用户主机A通过电话线上网，中间经过三个路由器(R1，R2和R3)连接到远程主机B。经过的网络可以是多种多样的，如电话网、局域网和广域网。
当主机A向B发送数据时，从协议的层次上看，数据的流动如图32所示。

图32数据链路层A向B数据的流动

主机A和B都有完整的5层协议栈，但路由器在转发分组时使用的协议栈只有下面三层。数据进入路由器后要先从物理层上到网络层，在转发表中找到下一跳的地址后，再下到物理层转发出去。因此，数据从主机A传送到主机B需要在路径中的各节点的协议栈向上和向下流动多次，如图中的实线箭头所示。然而，当我们专门研究数据链路层的问题时，在许多情况下我们可以只关心在协议栈中水平方向的各数据链路层。于是，当主机A向主机B发送数据时，我们可以想象数据就是在数据链路层从左向右沿水平方向传送的，如图32中从左到右的虚线箭头所示，即通过以下这样的链路：
主机A的链路层→R1的链路层→R2的链路层→R3的链路层→B的链路层
从图32中的数据链路层来看，A到B的通信可以看成由4段不同的链路层通信组成，即： A→R1，R1→R2，R2→R3，R3→B。这4段不同的数据链路层可能采用不同的数据链路层协议。
3．1．2数据链路层的功能
数据链路层肩负着上接网络层，下连物理层的中介作用，还需要处理其间的数据传输故障等。数据链路层主要有三个目的： 为IP模块发送和接收IP数据报； 为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答； 为RARP发送RARP请求和接收RARP应答。事实上，数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输，该层的作用包括： 物理地址寻址，数据的成帧，流量控制，数据的检错重发等。
1． 成帧
为了向网络层提供服务，数据链路层必须使用物理层提供的服务。而物理层是以比特流进行传输的，这种比特流并不保证在数据传输过程中没有错误，接收到的位数量可能少于、等于或者多于发送的位数量。而且它们还可能有不同的值。这时数据链路层为了能实现有效的差错控制，就采用了一种“帧”的数据块进行传输。而要采用帧格式传输，就必须有相应的帧同步技术，这就是数据链路层的“成帧”功能。
采用帧传输方式的好处是在发现有数据传送错误时，只需将有差错的帧再次传送，而不需要将全部数据的比特流进行重传，这在传送效率上将大大提高。
然而，采用帧传输方式带来了以下两方面的问题。
(1) 如何识别帧的开始与结束？
(2) 在夹杂着重传的数据帧中，接收方在接收到重传的数据帧时是识别成新的数据帧，还是识别成重传帧呢？这就要靠数据链路层的各种“帧同步”技术来识别了。“帧同步”技术既可使接收方能从并不是完全有序的比特流中准确地区分出每一帧的开始和结束，同时还可识别重传帧。
2． 差错控制
在数据通信过程中可能会因物理链路性能和网络通信环境等因素，出现一些传送错误，但为了确保数据通信的准确，又必须使得这些错误发生的概率尽可能低，就需要“差错控制”功能。
在数字或数据通信系统中，通常利用抗干扰编码进行差错控制。一般分为4类： 前向纠错(FEC)、反馈检测(ARQ)、混合纠错(HEC)和信息反馈(IRQ)。
FEC方式是在信息码序列中，以特定结构加入足够的冗余位——称为“监督元”(或“校验元”)。接收端解码器可以按照双方约定的这种特定的监督规则，自动识别出少量差错，并能予以纠正。FEC最适合于实时的高速数据传输的情况。
在非实时数据传输中，常用ARQ差错控制方式。解码器对接收码组逐一按编码规则检测其错误。如果无误，向发送端反馈“确认”ACK信息； 如果有错，则反馈ANK信息，以表示请求发送端重复发送刚刚发送过的这一信息。ARQ方式的优点在于编码冗余位较少，可以有较强的检错能力，同时编解码简单。由于检错与信道特征关系不大，在非实时通信中具有广泛应用价值。
HEC方式是上述两种方式的有机结合，即在纠错能力内，实行自动纠错； 而当超出纠错能力的错误位数时，可以通过检测而发现错码，不论错码多少都可以利用ARQ方式进行纠错。
IRQ方式是一种全回执式最简单差错控制方式。在该检错方式中，接收端将收到的信码原样转发回发送端，并与原发送信码相比较，若发现错误，则发送端再进行重发。IRQ只适于低速非实时数据通信，是一种较原始的做法。
3． 流量控制
在双方的数据通信中，如何控制数据通信的流量同样非常重要。它既可以确保数据通信的有序进行，还可避免通信过程中不会出现因为接收方来不及接收而造成的数据丢失。这就是数据链路层的“流量控制”功能。
数据的发送与接收必须遵循一定的传送速率规则，可以使得接收方能及时地接收发送方发送的数据。并且当接收方来不及接收时，就必须及时控制发送方数据的发送速率，使两方面的速率基本匹配。
4． 链路控制
数据链路层的“链路管理”功能包括数据链路的建立、维持和释放三个主要方面。
当网络中的两个节点要进行通信时，数据的发送方必须确知接收方是否已处在准备接收的状态。为此通信双方必须先要交换一些必要的信息，以建立一条基本的数据链路。在传输数据时要维持数据链路，而在通信完毕时要释放数据链路。
5． MAC寻址
这是数据链路层中的MAC子层主要功能。这里所说的“寻址”与“IP地址寻址”是完全不一样的，因为此处所寻找的地址是计算机网卡的MAC地址，也称“物理地址”“硬件地址”，而不是IP地址。
在以太网中，采用媒体访问控制(Media Access Control, MAC)地址进行寻址，MAC地址被烧入每个以太网网卡中。这在多点连接的情况下非常必需，因为在这种多点连接的网络通信中，必须保证每一帧都能准确地送到正确的地址，接收方也应知道发送方是哪一个站。
6． 区分数据和控制信息
由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中，因此一定要有相应的措施使接收方能够将它们区分开来，以便向上传送仅是真正需要的数据信息。
7． 帧定界
帧定界就是标识帧的开始与结束，目的是让接收方能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止。
在以上7大功能中，主要的还是前面的5项，后面两项功能是在前5项功能中附带实现的，无需另外的技术，所以在此仅介绍前面5项功能。
3．1．3数据链路层所提供的服务
数据链路层的设计目标就是为网络层提供各种需要的服务。实际的服务随系统的不同而不同，但是一般情况下，数据链路层会向网络层提供以下三种类型的服务。
1． 无确认的无连接服务
“无确认的无连接服务”是指源计算机向目标计算机发送独立的帧，目标计算机并不对这些帧进行确认。这种服务，事先无须建立逻辑连接，事后也不用解释逻辑连接。正因如此，如果由于线路上的原因造成某一帧的数据丢失，则数据链路层并不会检测到这样的丢失帧，也不会恢复这些帧。出现这种情况的后果是可想而知的，当然在错误率很低，或者对数据的完整性要求不高的情况下(如话音数据)，这样的服务还是非常有用的，因为这样简单的错误可以交给OSI上面的各层来恢复。如大多数局域网在数据链路层所采用的服务也是无确认的无连接服务。
2． 有确认的无连接服务
为了解决以上“无确认的无连接服务”的不足，提高数据传输的可靠性，引入了“有确认的无连接服务”。在这种连接服务中，源主机数据链路层必须对每个发送的数据帧进行编号，目的主机数据链路层也必须对每个接收的数据帧进行确认。如果源主机数据链路层在规定的时间内未接收到所发送的数据帧的确认，那么它需要重发该帧。 这样发送方知道每一帧是否正确地到达对方。这类服务主要用于不可靠信道，如无线通信系统。它与下面将要介绍的“有确认的面向连接服务”的不同之处在于它不需要在帧传输之前建立数据链路，也不需要在帧传输结束后释放数据链路。
3． 有确认的面向连接服务
大多数数据链路层都采用向网络层提供面向连接确认服务。利用这种服务，源计算机和目标计算机在传输数据之前需要先建立一个连接，该连接上发送的每一帧也都被编号，数据链路层保证每一帧都会被接收到，而且它还保证每一帧只被按正常顺序接收一次。这也正是面向连接服务与前面介绍的“有确认无连接服务”的区别，在无连接有确认的服务中，在没有检测到确认时，系统会认为对方没收到，于是会重发数据，而由于是无连接的，所以这样的数据可能会复发多次，对方也可能接收多次，造成数据错误。这种服务类型存在三个阶段，即： 数据链路建立、数据传输、数据链路释放阶段。每个被传输的帧都被编号，以确保帧传输的内容与顺序的正确性。大多数广域网的通信子网的数据链路层采用面向连接确认服务。