网络协议—分析、设计与

进入21世纪以来，人类社会的信息化程度不断升级。信息技术的高度应用与信息资源的高度共享，为工业、经济和人类社会向更高层次发展提供了良好的环境支撑。信息成为社会活动的战略资源和重要财富，信息技术成为推动社会进步的主导技术，信息技术人员成为领导社会变革的中坚力量。“充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共享，提高经济增长质量，推动经济社会发展转型”成为我国新时期国家信息化发展战略的主要目标。以因特网为核心的计算机网络技术在信息化进程中扮演着非常重要的角色，培养掌握计算机网络基础理论和关键技术的高水平人才是高等学校责无旁贷的任务，“计算机网络”也成为国内外各个高校不同专业培养方案中的主要课程。
国内讲述计算机网络原理的教材非常丰富，这些教材从理论角度很好地解释了各种网络协议的设计思想、工作原理及其所解决的问题，但是原理解释太过抽象，导致学习者无法在短时间内领会网络协议的精髓。为此，有少量教材试图通过分析伪代码达到对网络协议的深层次解释，但对读者的算法和程序设计基础有较高要求。笔者通过长期的教学和科研实践发现，计算机网络学习的关键在于理解网络协议在真实网络中的实现细节和运行过程。为了使广大计算机网络技术学习者能够快速、低成本地对因特网核心协议有更加深入的理解，对网络协议认识完成从抽象到具象的转变，笔者在对西安邮电大学课程建设项目成果总结的基础上编写了本书。
本书在内容选取和编排上充分考虑了学习的递进性和应用的广泛性。在内容上，考虑到网络协议的复杂性和多变性，选取了因特网中基础、使用较多、代表性的协议，采用理论和实践相结合的形式进行描述。在编排上，由浅入深按照3个层次递进展开: ①学习仿真和分析工具，掌握网络环境建模和网络协议的分析及性能测试方法； ②自底向上进行因特网网络模型构建，使用协议分析工具完成对真实网络中数据包的捕获、（统计）分析及协议流的跟踪； ③学习协议设计的准则和一般方法。
全书共10章，第1章对网络体系结构、典型的参考模型及因特网标准进行概述;第2章对本书用到的3款工具（GNS3、Wireshark和NS3）的安装和使用方法进行详细讲解，目的是让读者对网络协议概念及仿真分析方法有初步了解，以利于后续章节内容的学习；第3～8章围绕因特网核心协议展开，首先参考相关标准对各层协议内容进行解释，然后采用工具逐层构建模拟网络，并演示和讲解协议运行的细节。具体包括数据链路层的PPP、以太网和IEEE 802.11等协议，互联网层用于分组传递的IP、ARP、ICMP、NDP、PMTU等协议和用于路由管理的RIP2、OSPF2和BGP4等协议，传输层的UDP和TCP协议，以及DNS、DHCP、FTP、SMTP、POP3和HTTP等经典的应用服务协议和SNMP网络管理协议；第9章简单介绍网络协议设计的基本内容、基本方法及差错和流量控制设计；第10章简单介绍使用有限状态机、Petri网和SDL语言进行网络协议形式化描述的一般方法。
本书的建议讲授课时为32～48学时，并建议在计算机网络基础或原理课程学习完成后进行，也可以根据需要直接设课。本书对于理论课或集中实践课都是适合的教材。
本书根据编者多年的教学经验编写，其的特色在于选择了开源软件作为搭建模拟环境平台的工具，使读者不用担心工具软件的获取和版权问题。此外，教材中的所有案例都由编者亲自设计并完成测试，不用担心实验的可复现问题。为方便采用本书教学，编者还制作了PPT和微课视频，建立了测试题库，读者可以在清华大学出版社官网搜索下载。此外，编者还在超星学习通平台建立了教学示范包，可以联系作者索取使用。
参与本书编写的有西安邮电大学的谢晓燕、孙韩林、李刚和王晓梅4位老师，其中谢晓燕编写第1章，孙韩林编写第2、4和5章，李刚编写第6、8、9和10章，王晓梅编写第3、7章，全书由谢晓燕和李刚统稿。
计算机网络是一个飞速发展的技术领域，网络协议在工业界也有不同的解释方法。由于编者水平有限，书中可能存在欠妥或不足之处，恳请各位专家和读者批评指正。我们将在吸取大家的意见和建议的基础上，在适当的时候进行修订和补充。

编者2021年3月

本书围绕因特网体系结构详细介绍了网络协议的设计思想、运行机制及仿真分析方法。首先详细介绍了网络协议分析及仿真工具的建模步骤和使用方法，然后围绕因特网中基础、使用较多、**代表性的协议展开分析，包括数据链路层的PPP、以太网和IEEE 802.11等协议，互联网层用于分组传递的IP、ARP、ICMP、NDP、PMTU等协议和用于路由管理的RIP2、OSPF2和BGP4等协议，传输层的UDP和TCP协议，以及DNS、DHCP、FTP、SMTP、POP3和HTTP等经典的应用服务协议和SNMP网络管理协议，后介绍了网络协议设计和形式化描述的一般原则和方法。 本书所有的案例都基于GNS3、Wireshark和NS3等开源工具，而且对涉及的每一种协议都详细给出了其特定网络环境的建模和分析方法，使读者在学习时可以方便地复现。 本书主要用作网络工程、信息安全、数据科学和物联网等专业的本科生课程教学，也可供通信或计算机网络技术领域的研究生课程教学使用。此外，本书不仅是广大网络和信息技术领域工程技术研究人员的参考工具书，对从事互联网通信系统设计或网络协议设计的读者也有很高的参考价值。

谢晓燕，女，西安邮电大学计算机学院教授，硕士生导师。陕西省教学名师，CCF互联网专家委员委员，CCF容错计算专家委员会委员，*高校计算机类教指委网络工程专业工作组委员，信息技术新工科产学研联盟网络工程工作委员会委员，陕西省教学指导委员会课程工委委员。计算机网络》核心课程负责人，主讲《计算机网络》、《网络安全技术》、《网络规划与设计》、《多媒体数据处理》等课程。长期从事智能计算、多媒体数据处理等方向科研工作，先后承担国家自然科学基金5项，国家863计划2项；主持及承担陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基金等项目10余项。授权国家发明专利9项、集成电路布图保护1项，软件著作权1项；出版教材4部，参与编写出版了*高等学校网络工程专业规范、地方院校网络工程应用人才培养指导意见，发表论文40余篇。先后获得陕西省教学成果二等奖2项、陕西省高等学校科学技术奖4项。

第1章网络协议概述/1
1.1网络体系结构及网络互联1
1.1.1网络协议2
1.1.2分层的网络体系结构2
1.1.3服务与协议的关系4
1.1.4网络互联6
1.2OSI/RM参考模型7
1.3因特网体系结构9
1.4因特网标准12
第2章网络协议分析/15
2.1网络协议分析概述15
2.2GNS3简介16
2.2.1GNS3安装16
2.2.2GNS3的简单使用16
2.3Wireshark简介26
2.3.1分组嗅探器的工作原理26
2.3.2GNS3中Wireshark的使用27
2.3.3过滤器28
2.4NS3简介35
2.4.1NS3网络模型35
2.4.2NS3安装36
2.4.3NS3网络模拟过程39
2.4.4日志系统和追踪系统43
第3章数据链路层协议/47
3.1数据链路层协议概述47
3.2PPP协议分析48
3.2.1PPP协议概述48
3.2.2PPP协议分析61
3.2.3PPP协议仿真72
3.3以太网协议分析77
3.3.1以太网概述77
3.3.2以太网协议分析81
3.3.3以太网协议仿真83
3.4IEEE 802.11协议分析88
3.4.1IEEE 802.11协议概述88
3.4.2IEEE 802.11仿真94
网络协议——分析、设计与仿真目录第4章IP层协议/102
4.1IP层协议概述102
4.1.1IP协议在网络互联中的地位和作用102
4.1.2IPv4协议102
4.1.3IPv6协议103
4.2IPv4协议分析103
4.2.1IPv4地址结构103
4.2.2IPv4分组格式105
4.2.3IPv4协议分析110
4.2.4IPv4协议模拟117
4.3IPv6协议分析121
4.3.1IPv6地址结构121
4.3.2IPv6分组格式125
4.3.3IPv6协议分析131
4.3.4IPv6协议模拟134
4.4ARP协议分析140
4.4.1ARP协议概述140
4.4.2ARP协议分析142
4.4.3ARP协议模拟144
4.5ICMP协议分析147
4.5.1ICMPv4协议147
4.5.2ICMPv6协议150
4.5.3IPv6邻居发现协议153
4.5.4IPv6路径MTU发现协议162
4.5.5ICMPv4协议分析163
4.5.6ICMPv6协议分析169
4.5.7ICMPv4协议模拟173
4.5.8ICMPv6协议模拟176
第5章IP路由协议/182
5.1路由协议概述182
5.1.1IP路由原理及路由表182
5.1.2IP路由协议分类182
5.2RIP协议分析183
5.2.1RIP基本工作原理184
5.2.2距离向量算法184
5.2.3RIP协议的改进185
5.2.4RIP2报文格式187
5.2.5RIP2协议分析189
5.3OSPF协议分析192
5.3.1链路状态选路算法192
5.3.2OSPF协议工作原理193
5.3.3OSPF2协议报文格式199
5.3.4OSPF2协议分析208
5.4BGP协议分析228
5.4.1BGP协议工作原理228
5.4.2BGP4报文格式229
5.4.3BGP协议分析234
第6章传输层协议/242
6.1传输层协议概述242
6.1.1传输层的地位和作用242
6.1.2传输层的两个主要协议243
6.1.3端口243
6.1.4多路复用和多路分解244
6.2UDP协议分析244
6.2.1UDP协议概述244
6.2.2UDP协议分析246
6.2.3UDP协议仿真249
6.3TCP协议分析254
6.3.1TCP协议概述254
6.3.2TCP协议分析262
6.3.3TCP协议仿真266
第7章应用层协议/283
7.1因特网应用系统服务283
7.2DNS系统协议分析284
7.2.1DNS系统组成及工作过程284
7.2.2DNS协议分析292
7.3DHCP系统协议分析294
7.3.1DHCP系统组成及工作过程294
7.3.2DHCP协议分析301
7.4FTP系统协议分析305
7.4.1FTP系统组成及工作过程305
7.4.2FTP协议分析310
7.5邮件系统协议分析313
7.5.1邮件系统组成及工作过程314
7.5.2SMTP协议分析328
7.5.3POP3协议分析331
7.6WWW系统协议分析334
7.6.1WWW系统组成及工作过程335
7.6.2HTTP协议分析341
第8章网络管理SNMP协议/344
8.1网络管理概述344
8.2SNMP体系结构345
8.2.1网络管理者和被管网络实体346
8.2.2SNMP管理组件346
8.3SMI347
8.3.1管理对象命名规则348
8.3.2管理对象的数据类型348
8.3.3编码方法350
8.4MIB352
8.4.1MIB概述352
8.4.2MIB变量的访问355
8.4.3字典式排序357
8.5SNMP358
8.5.1PDU概述358
8.5.2PDU格式362
8.5.3SNMP报文格式365
8.5.4SNMP端口367
8.5.5SNMP安全策略369
8.6SNMP协议分析369
8.6.1总体思路369
8.6.2网络环境搭建369
8.6.3数据捕获371
第9章网络协议设计技术/374
9.1网络协议设计的基本内容374
9.1.1网络协议的通信环境374
9.1.2网络协议提供的服务376
9.1.3网络协议功能377
9.1.4网络协议元素380
9.1.5网络协议组织382
9.1.6网络协议文本383
9.2网络协议设计的基本方法383
9.2.1网络协议设计原则383
9.2.2分层次的网络协议设计384
9.2.3自顶向下的网络协议设计385
9.2.4自底向上的网络协议设计385
9.3差错控制技术的设计386
9.3.1差错类型386
9.3.2差错检测技术387
9.3.3差错控制技术391
9.3.4差错控制的网络层次393
9.4流量控制技术的设计394
9.4.1Xon/Xoff协议395
9.4.2滑动窗口协议395
第10章网络协议形式化描述技术/397
10.1网络协议形式化描述的基本概念397
10.2有限状态机与网络协议形式化描述398
10.2.1有限状态机的基本概念398
10.2.2有限状态机的简化400
10.2.3有限状态机的合并401
10.2.4扩展的有限状态机（EFSM）403
10.3Petri网与网络协议形式化描述404
10.3.1Petri网的基本概念404
10.3.2Petri网的扩充407
10.3.3Petri网的性质408
10.3.4Petri网在协议描述中的应用410
10.4SDL语言与网络协议形式化描述411
10.4.1SDL语言概述411
10.4.2SDL的结构413
10.4.3SDL的进程行为415
10.4.4SDL的通信机制415
10.4.5SDL的数据416
10.4.6SDL在协议描述中的应用420
参考文献/424

本书围绕因特网体系结构详细介绍了网络协议的设计思想、运行机制及仿真分析方法。首先详细介绍了网络协议分析及仿真工具的建模步骤和使用方法，然后围绕因特网中基础、使用较多、**代表性的协议展开分析，包括数据链路层的PPP、以太网和IEEE 802.11等协议，互联网层用于分组传递的IP、ARP、ICMP、NDP、PMTU等协议和用于路由管理的RIP2、OSPF2和BGP4等协议，传输层的UDP和TCP协议，以及DNS、DHCP、FTP、SMTP、POP3和HTTP等经典的应用服务协议和SNMP网络管理协议，后介绍了网络协议设计和形式化描述的一般原则和方法。 本书所有的案例都基于GNS3、Wireshark和NS3等开源工具，而且对涉及的每一种协议都详细给出了其特定网络环境的建模和分析方法，使读者在学习时可以方便地复现。 本书主要用作网络工程、信息安全、数据科学和物联网等专业的本科生课程教学，也可供通信或计算机网络技术领域的研究生课程教学使用。此外，本书不仅是广大网络和信息技术领域工程技术研究人员的参考工具书，对从事互联网通信系统设计或网络协议设计的读者也有很高的参考价值。

谢晓燕，女，西安邮电大学计算机学院教授，硕士生导师。陕西省教学名师，CCF互联网专家委员委员，CCF容错计算专家委员会委员，*高校计算机类教指委网络工程专业工作组委员，信息技术新工科产学研联盟网络工程工作委员会委员，陕西省教学指导委员会课程工委委员。计算机网络》核心课程负责人，主讲《计算机网络》、《网络安全技术》、《网络规划与设计》、《多媒体数据处理》等课程。长期从事智能计算、多媒体数据处理等方向科研工作，先后承担国家自然科学基金5项，国家863计划2项；主持及承担陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基金等项目10余项。授权国家发明专利9项、集成电路布图保护1项，软件著作权1项；出版教材4部，参与编写出版了*高等学校网络工程专业规范、地方院校网络工程应用人才培养指导意见，发表论文40余篇。先后获得陕西省教学成果二等奖2项、陕西省高等学校科学技术奖4项。