计算机通信网（第二版）

译  者  序
当今高度信息化的社会中，信息技术日新月异、信息通信与交换的业务量和业务类型都在持续暴涨。作为信息通信与交换的承载体，计算机网络也在持续不断地更新和发展，网络新技术新功能的触角已经进入信息处理领域和操作系统领域。这对于学习和研究计算机网络理论与技术的人员提出了更高的要求。我们希望有这样的网络方面的图书来帮助网络学习和研究者：首先，它不仅应包含传统的主流网络技术，还应包含当代的代表性的先进网络技术；其次，它既要有网络的理论基础知识，也要有网络的工程化技术内容；第三，它应能够提供大量的练习题，还能够提供大部分章节内容的仿真实验项目；后，它应能够作为教材适应大学不同阶段的教学和学习——应该足够基础，适合本科阶段入门级网络知识的学习，同时也要有足够的深度，为硕士研究生提供较深入的理论知识和高级技术的思维拓展或课题研讨。Nader F. Mir的著作Computer and Communication Networks, Second Editon（《计算机通信网（第二版）》）正好包含了这四个方面的要素，是一本目前在全球范围内广泛采用的大学教材和参考书。我们特别向广大读者推荐本书，期望本书能对学习和研究计算机网络的读者有所帮助。
本书的特色主要在于内容组成结构合理、内容展现形式新颖、习题与仿真项目丰富三个方面。
在内容组成结构方面，由基础网络知识和先进网络技术两大部分组成。基础网络知识部分共10章，其内容涵盖了目前市面上大部分计算机网络图书的内容。本书有价值的是先进网络技术部分，共有12章，每章具体翔实地讲解一个高级技术主题，包括隧道技术与MPLS网络、全光网络、无线自组织网络、无线传感器网络等高级网络技术，以及软件定义网络（SDN）、云计算与网络虚拟化、基于云的多媒体网络等信息交换与处理相结合的现代网络技术。现有的大多数计算机网络图书鲜有对网络高级技术如此全面、翔实的阐述。因此本书对网络研究和网络工程技术人员具有良好的参考价值。
在内容展现形式方面，本书不同于现有大部分计算机网络图书采用的以网络层次结构模型为主线展开，以逐层讲解网络技术的形式进行展现。本书采用的是以网络技术或网络功能为主线的展现形式：每章关注一种网络技术或功能，如分组交换网络（第1章）、连网设备概述（第2章）、数据链路与链路接口（第3章）、局域网和LAN网络（第4章），等等，内容由浅入深，知识衔接自然，能够为读者提供更好的阅读体验，也使读者更易理解和学习。
在习题与仿真项目方面，每章都有大量习题，大部分章节的习题接近或超过20道题，习题基本上以计算型或推演型的题目为主，这对于各章内容的学习和训练有很大的帮助。同时，每章还有一至两道仿真项目，这是本书独具的特色，也是译者极为看重的内容。仿真项目给定了具体的仿真目标、仿真参数、仿真方法，以及采用的仿真工具如C、C  、Java或网络仿真平台如ns3的建议，可操作性很强。通过仿真项目的训练，对深刻理解章节知识的关键内容、提高实验实践能力等方面都有很大的帮助。
译者建议，本书作为相关专业本科教材使用时，以前10章内容为主，后面的章节作为延伸与扩展的阅读材料；作为研究生教材使用时，根据具体需要，从第11章至第22章中选择适当的章节，开展新技术的探讨与拓展课题的研讨。
本书的翻译由电子科技大学毛玉明教授、杨宁副教授、刘强副教授和黄晓燕副教授通力合作完成，杨宁对全书进行核对、统一风格和术语等，并终审定全稿。对博士生杜昊、陈笑沙、陈怡瑾、刘铭、王翔、毛笋、赵全鑫、熊凯、乔冠华、徐良在本书翻译中做出的贡献，马立香副教授在本书出版过程中的协调工作，电子工业出版社杨博编辑的支持和建议，徐萍编辑以及出版社其他工作人员的辛勤付出，在此一并表示衷心的感谢！
译文中疏漏和不当之处难免，恳请读者不吝指正，深表谢意！
    译  者     
2020年10月  
 
前    言
本书的内容，是我十多年工作的结晶。从我作为一名电信工程师，到我后来成为大学教授的这段时间里，数据通信和计算机网络的知识领域已经发生了很大的变化，一些内容已经陈旧并被丢弃。本书的内容涵盖了计算机通信和网络的基本原理与的前沿技术。
互联网是一种革命性的通信工具，我们每天都通过它方便地进行通信或从事商务交易等活动。由于在硬件和软件层面的复杂性，对于那些想研究这个领域的人来说，互联网是一个挑战，而通信业务的数量和种类的持续增长，也给计算机网络专家们带来了更多的挑战。他们还需要得到一些有参考价值的东西，包括体系结构、系统描述等，以便进行深层次的权衡分析，更好地设计新兴的通信网络。本书填补了现有网络书籍的这些空白。
本书的目的
本书包含了计算机网络的理论、体系结构与应用几方面的内容。由于现有计算机通信网的图书对有线和无线通信技术没有提供适度详细的计算分析，这就促使我写了这本书。本书的主要目的是帮助读者学习计算机和通信网络的基本原理和一些先进概念。书中使用了一套统一的符号，而且编写内容上顺应了计算机通信科学与工程急剧膨胀的学习需求。
本书以两类人群为对象。对于学术界人士，如果是本科生和研究生水平，本书提供了通信网络全面的设计和性能评估内容；如果是研究人员，本书提供了分析和仿真复杂通信网络的能力训练。对于想在通信和网络行业工作、需要获得涵盖计算机网络全方位的参考内容的工程师，本书提供了各种学习技术：练习、案例研究和计算机模拟项目，让工程师在学习和回味有关网络可靠性所涉及的各种概念和性能模型时，变得简单而有趣。
本书的组织结构
本书中的主题内容可使教师在授课时按实际需求进行选择和裁剪。除了每章中的解释性内容，读者能学习到如何模型化通信网络，如何对其进行数学分析。读者从每章的理论与应用的结合中受益，对理论感兴趣的读者还可以挑战每章中较多的理论部分。
本书分为两部分，共有22章。部分共10章，内容涵盖了计算机网络的基础知识，每一章的内容都是后续章节的基础。本部分内容从组网技术的概述开始，重点关注TCP/IP技术，描述常规网络和无线网络的路由技术与多播技术，后讨论网络应用、P2P组网、网络管理和网络安全。部分的内容适合初次接触到计算机通信网技术的读者。第二部分共12章，内容覆盖详细的问题分析和更细致地展现先进的联网协议、路由器和交换机的体系结构、光网络、云计算、SDN、数据压缩、IP语音(Voice over IP，VoIP)、多媒体网络、自组织网络及传感器网络。所有22章的内容概述如下：
第1章  分组交换网络。介绍计算机网络，了解网络的需求，解释分组交换网络的相关技术，以及互联网的现状。定义了一些基本概念，如数据、分组和帧，以及分组交换与电路交换的对比。定义了分组交换网络的各种类型，解释面向连接网络或无连接网络是如何处理消息的。该章的后半部分介绍了五层和七层互联网协议参考模型的基本概念，以及互联网的编址方案。另外，该章还给出了分组长度的详细分析和长度优化的内容。
第2章  连网设备概述。全面介绍常规连网和无线连网的设备架构。该章从网络接口卡(Network Interface Card，NIC)开始，然后是交换和路由设备，如集线器(hub)、网桥(bridge)、交换机(switch)和路由器(router)。这些设备把分组从一条线路传递到另一条线路上，它们包含有线和无线的形式，都可用在用户、服务器及网络设备上。连网调制解调器用于远程或驻地区域对互联网的访问。后，是可出现在网络各层次上的多路复用功能，用于将来自多条流的分组合并到一条流上。
第3章  数据链路和链路接口。主要关注连网的两个基本元素—— 链路和传输接口。该章讲述的内容有：首先介绍有线和无线链路，描述它们的特性、优点和信道访问方法；各种链路级的检错和纠错技术，讨论传输数据的完整性问题；链路层停等和滑动窗口通信协议。然后，讨论有线环境和无线环境中的链路方法和多用户信道访问方法。后，还讨论了链路聚合方法，该方法聚合了多条网络链路来实现比单条链路更大的吞吐率，链路聚合的第二个好处是当链路出现故障时，有冗余的链路可保障链路的正常通信。在此，我们介绍了著名的链路聚合控制协议(Link Aggregation Control Protocol，LACP)。
第4章  局域网和LAN网络。利用第1、2、3章的基本协议、设备和链路等基本知识，探索小型网络的具体实现。该章提供了通过连接这些设备来构建网络的要点，给出多个局域网(Local Area Network，LAN)的实例，解释这些LAN是如何互连形成网络的。然后，该章讨论了第2层地址和第3层地址相互转换的地址转换协议，以及非常重要的生成树协议(Spanning-Tree Protocol，STP)。STP防止帧或分组在网络中的环路上无穷次地转圈。接下来的主题是虚拟局域网(Virtual LAN，VLAN)。VLAN技术将单个LAN划分成虚拟分离的多个LAN。后，为读者提供了无线局域网的概述，包括WiFi、无线LAN和相关的协议标准，如IEEE 802.11。
第5章  广域路由选择和网络互联。主要介绍广域网(Wide Area Network，WAN)中的路由选择技术和相关的路由选择算法与协议。该章从IP分组格式和基本的路由选择原则开始，介绍了互联网控制消息协议(Internet Control Message Protocol，ICMP)、动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)和网络地址转换(Network Address Translation，NAT)。接着讲述路由选择算法，如开放短路径优先协议(Open Shortest Path First，OSPF)和路由选择信息协议(Routing Information Protocol，RIP)，以及域间路由协议，主要是包含了内部BGP(inter

本书主要讲述现代网络与通信技术，全书分为基础知识和先进网络技术两个层次。基础知识部分包括：网络协议与设备、局域网/广域网、无线广域网络和LTE、网络应用与管理、网络安全等。先进网络技术部分对网络分析和先进的网络协议进行了深入探究：先进的路由器/交换机体系结构、云计算与网络虚拟化、软件定义网络（SDN）、基于分布式/云的多媒体网络、无线传感器网络等。本书旨在帮助读者分析和模拟复杂网络，设计满足需求的高性价比网络架构，平衡基础知识和先进技术，并包含丰富的案例研究、实例、习题和直观的插图。

Nader F. Mir 博士，美国加利福尼亚州圣何塞州立大学查尔斯?W. 戴维森工程学院电气工程系教授、副主任。Mir 博士是通信、电信和计算机网络领域著名的专利与技术诉讼专家，曾担任谷歌、思科、Netflix、索尼、Tekelec 和YouTube等业内著名公司的专利咨询专家。他还是IEEE高级会员，曾多次在国际会议上发表演讲，并发表了超过100篇被引用的论文，目前任IEEE Communications Magazine的技术编辑。他曾获得一项美国专利，多项/校级奖励，是学校教学优秀奖和科研优秀奖获得者，并承担过多项研究课题。
Nader F. Mir 博士，美国加利福尼亚州圣何塞州立大学查尔斯·W. 戴维森工程学院电气工程系教授、副主任。Mir 博士是通信、电信和计算机网络领域著名的专利与技术诉讼专家，曾担任谷歌、思科、Netflix、索尼、Tekelec 和YouTube等业内著名公司的专利咨询专家。他还是IEEE高级会员，曾多次在国际会议上发表演讲，并发表了超过100篇被引用的论文，目前任IEEE Communications Magazine的技术编辑。他曾获得一项美国专利，多项/校级奖励，是学校教学优秀奖和科研优秀奖获得者，并承担过多项研究课题。

目 录 
第 一 部 分 

第1章 分组交换网络 1 
1.1 网络中的基本定义 1 
1.1.1 分组交换与电路交换的对比 2 
1.1.2 数据、分组和帧 2 
1.1.3 互联网和ISP 3 
1.1.4 ISP的分类 5 
1.2 分组交换网的类型 6 
1.2.1 无连接网络 6 
1.2.2 面向连接网络 7 
1.3 分组长度和优化 8 
1.4 网络协议基础 9 
1.4.1 五层TCP/IP协议模型 10 
1.4.2 七层OSI模型 11 
1.5 互联网中的编址方案 11 
1.5.1 IP编址方案 12 
1.5.2 子网编址和掩码 14 
1.5.3 无类别域间路由选择 15 
1.6 等长分组模型 16 
1.7 总结 16 
1.8 习题 17 
1.9 计算机仿真项目 20 
第2章 连网设备概述 21 
2.1 网络接口卡 22 
2.2 交换和路由设备 23 
2.2.1 一层设备 23 
2.2.2 二层设备 24 
2.2.3 三层设备 25 
2.3 无线交换和路由设备 27 
2.3.1 无线接入点和基站 27 
2.3.2 无线路由器和交换机 28 
2.3.3 无线设备的天线 28 
2.4 调制解调器 29 
2.4.1 基本调制技术：ASK、FSK和 
PSK 29 
2.4.2 实用的调制技术：4-QAM和 
QPSK 31 
2.4.3 DSL调制解调器 32 
2.4.4 电缆调制解调器 32 
2.5 复用器 33 
2.5.1 频分复用 33 
2.5.2 时分复用 35 
2.6 总结 38 
2.7 习题 38 
2.8 计算机仿真项目 39 
第3章 数据链路和链路接口 40 
3.1 数据链路 40 
3.1.1 数据链路类型 41 
3.2 链路编码器 42 
3.3 链路上的检错和纠错 43 
3.3.1 检错方法 44 
3.3.2 CRC算法 44 
3.4 链路上的流量控制 48 
3.4.1 停等流量控制 48 
3.4.2 滑动窗口流量控制协议 50 
3.5 多用户链路访问 53 
3.5.1 CSMA 53 
3.6 多用户无线信道访问 56 
3.6.1 FDMA 56 
3.6.2 TDMA 56 
3.6.3 OFDMA 57 
3.6.4 SC-FDMA 57 
3.6.5 CDMA 57 
3.6.6 其他多路访问技术 60 
3.7 链路聚合 61 
3.7.1 链路聚合的应用 61 
3.7.2 LACP 62 
3.8 总结 62 
3.9 习题 63 
3.10 计算机仿真项目 65 
第4章 局域网和LAN网络 66 
4.1 LAN和基本拓扑结构 66 
4.2 LAN协议 67 
4.2.1 逻辑链路控制 67 
4.2.2 介质访问控制 68 
4.3 LAN网络 69 
4.3.1 用第1层设备互连LAN 70 
4.3.2 用第2层设备互连LAN 70 
4.3.3 用第2层和第3层设备连网 74 
4.4 MAC/IP地址转换协议 75 
4.4.1 ARP 75 
4.4.2 RARP 76 
4.5 生成树协议 77 
4.6 虚拟局域网 79 
4.6.1 VLAN交换机 80 
4.6.2 VLAN中继协议和 
IEEE 802.1Q 80 
4.7 无线局域网 80 
4.7.1 红外局域网 81 
4.7.2 扩频局域网 82 
4.7.3 窄带射频局域网 82 
4.7.4 家庭射频和蓝牙局域网 82 
4.8 IEEE 802.11无线局域网标准 82 
4.8.1 IEEE 802.11物理层 83 
4.8.2 802.11 MAC层 84 
4.8.3 WiFi网络 86 
4.9 案例研究：有线电视协议 
DOCSIS 88 
4.10 总结 88 
4.11 习题 89 
4.12 计算机仿真项目 91 
第5章 广域路由选择和网络互联 92 
5.1 IP分组和基本路由选择策略 92 
5.1.1 分组的分片和重组 94 
5.1.2 ICMP 95 
5.1.3 获取和分配IP地址 96 
5.1.4 DHCP 97 
5.1.5 NAT 98 
5.1.6 UPnP 100 
5.2 路径选择算法 100 
5.2.1 Dijkstra算法 101 
5.2.2 Bellman-Ford算法 102 
5.2.3 分组洪泛算法 103 
5.2.4 偏转路由选择算法 103 
5.3 域内路由选择协议 104 
5.3.1 OSPF 104 
5.3.2 RIP 107 
5.4 域间路由选择协议 109 
5.4.1 AS 110 
5.4.2 BGP 110 
5.5 IPv6 114 
5.5.1 IPv6地址格式 114 
5.5.2 扩展 115 
5.5.3 分组分片 115 
5.5.4 IPv6的其他特性 115 
5.6 网络层拥塞控制 115 
5.6.1 单向拥塞控制 117 
5.6.2 双向拥塞控制 118 
5.6.3 随机早期检测 118 
5.6.4 链路阻塞的快速评估 120 
5.6.5 Lee’s串行和并行连接规则 120 
5.7 总结 121 
5.8 习题 122 
5.9 计算机仿真项目 124 
第6章 多播路由选择和协议 126 
6.1 基本定义和技术 126 
6.1.1 IP多播地址 127 
6.1.2 基本多播树算法 128 
6.1.3 多播协议分类 129 
6.2 本地和成员多播协议 129 
6.2.1 IGMP 129 
6.3 域内多播协议 131 
6.3.1 MBone 131 
6.3.2 DVMRP 131 
6.3.3 MOSPF协议 132 
6.3.4 PIM 133 
6.3.5 CBT协议 134 
6.4 域间多播协议 134 
6.4.1 MBGP 134 
6.4.2 MSDP 135 
6.4.3 BGMP 136 
6.5 总结 137 
6.6 习题 137 
6.7 计算机仿真项目 139 
第7章 无线广域网和LTE技术 140 
7.1 无线网络的基础设施 140 
7.2 蜂窝网络 141 
7.2.1 蜂窝网络设备和操作 142 
7.2.2 切换 146 
7.3 蜂窝网络中的移动IP管理 149 
7.3.1 家乡代理和外地代理 149 
7.3.2 代理发现阶段 150 
7.3.3 注册 150 
7.3.4 移动IP路由 151 
7.3.5 历代蜂窝网络 153 
7.4 LTE技术 154 
7.4.1 LTE组网设备 154 
7.4.2 LTE小区中的呼叫建立 155 
7.4.3 LTE中的切换 156 
7.4.4 LTE的上/下行链路方案 157 
7.4.5 频率复用 157 
7.5 与LTE结合的无线网状网 160 
7.5.1 网状网的应用 160 
7.5.2 WMN的物理层和MAC层 161 
7.6 无线信道特性 161 
7.6.1 无线信道的容量 163 
7.6.2 信道编码 163 
7.6.3 平坦衰落对策 164 
7.6.4 码间串扰对策 164 
7.7 总结 164 
7.8 习题 165 
7.9 计算机仿真项目 166 
第8章 传送和端到端协议 167 
8.1 传送层概况 167 
8.1.1 传送层与相邻层的相互 
作用 168 
8.1.2 传送层协议 170 
8.2 用户数据报协议 170 
8.2.1 UDP数据段 170 
8.2.2 UDP的应用 172 
8.3 传输控制协议 172 
8.3.1 TCP数据段 172 
8.3.2 TCP连接 174 
8.3.3 TCP中基于窗口的传输和 
滑动窗口 176 
8.3.4 TCP的应用 177 
8.4 移动传送协议 177 
8.4.1 用于移动的UDP 177 
8.4.2 用于移动的TCP 177 
8.5 TCP拥塞控制 178 
8.5.1 加法增大、乘法减小控制 178 
8.5.2 慢启动方法 179 
8.5.3 快速重传和快速恢复方法 180 
8.6 总结 182 
8.7 习题 182 
8.8 计算机仿真项目 183 
第9章 基本网络应用和管理 184 
9.1 应用层概述 184 
9.1.1 客户机/服务器模型 185 
9.1.2 图形用户界面 185 
9.2 DNS 186 
9.2.1 域名空间 186 
9.2.2 名字/地址映射 187 
9.2.3 DNS报文格式 189 
9.3 电子邮件(E-mail) 189 
9.3.1 基本的E-mail结构和定义 190 
9.3.2 简单邮件传输协议(SMTP) 191 
9.3.