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。

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；最后，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。本书最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，并最终审定全稿。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最新的前沿技术。 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。第一部分共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，最后讨论网络应用、P2P组网、网络管理和网络安全。第一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。最后，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。最后，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。最后，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，如开放最短路径优先协议(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(internal BGP，iBGP)和外部BGP(external BGP，eBGP)的边界网关协议(Border Gateway Protocol，BGP)。然后，该章介绍了IPv6和它的分组格式。该章最后的内容是拥塞控制和链路流量控制技术，专门讨论拥塞控制中的随机早期检测技术，讲解了一个用于估计链路阻塞概率的有用技术。 第6章 多播路由选择和协议。该章内容覆盖了互联网中路由选择协议的多播扩展。首先，该章定义了基本术语和算法：多播组、多播地址、多播树算法，它们构成了理解互联网中分组多播技术的基础。该章讨论两类协议：实现域内多播分组的域内多播路由选择协议，以及管理域间多播分组的域间多播路由选择协议。 第7章 无线广域网和LTE技术。讲述基本的无线广域网。该章讨论无线网络在设计中所面临的挑战：移动性管理、网络可靠性和频率复用。然后，书中内容跳转到蜂窝网络，它是无线广域网的主要主干基础架构。我们讨论了蜂窝网中的移动IP技术，它使得用户能在改变自己位置的同时实现数据通信；接着讨论了无线网状网(Wireless Mesh Network，WMN)技术；最后，讨论了称为长期演进计划(Long-Term Evolution，LTE)的第4代无线广域网。 第8章 传送和端到端协议。首先从文件的简单传送过程来看传送层处理数据传送的细节。讨论传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)拥塞控制的多种技术，接着是拥塞避免技术，以及一些防止可能出现拥塞的算法。最后是拥塞控制方法的一些讨论。 第9章 基本网络应用和管理。讲述了应用层的一些基本原理和用户的应用如何使用网络的情况。其中的应用有域名系统(Domain Name System，DNS)、E-mail协议(如SMTP和网页邮件)、万维网(World Wide Web，WWW)、远程登录、文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)，以及对等(Peer-to-Peer，P2P)网络。该章最后的内容是网络管理技术和协议。 第10章 网络安全。关注网络安全方面的一些技术。在介绍了网络存在的风险、黑客和网络攻击后，该章讨论了密码技术：公开和对称密钥协议、加密标准、密钥交换算法、认证方法、数字签名和安全连接、防火墙、IPsec，以及用于虚拟专用网的安全技术。该章还介绍了无线网络安全方面的一些内容。 第11章 网络队列和延迟分析。作为本书第二部分的开始一章，讨论分组在缓冲区中是如何排队的。讲述基本排队的一些模型，如Little定理、生灭过程和马尔可夫链定理等。给出了几种场景下的排队节点模型：有限与无限队列容量、一个服务台与多个服务台、马尔可夫与非马尔可夫系统。很多网络应用中的基本流量模型都是非马尔可夫的，如多媒体流就不能用马尔可夫模型描述。此外，对基于网络排队的延迟分析进行了讨论。Burke定理可用于串行和并行排队节点，Jackson定理可用于一个分组多次进入一个特定队列造成环路或反馈的情况。 第12章 高级路由器和交换机架构。研究高级互联网设备(如交换机和路由器)的内部结构。首先介绍了交换机和路由器的常规特点与组成框图，然后介绍作为中央控制和交换引擎(switch fabric)的接口处理器：输入端口处理器(Input Port Processor，IPP)和输出端口处理器(Output Port Processor，OPP)。IPP和OPP的细节与路由表、分组解析器和分组分割器等常规的IPv4与IPv6组件块一起介绍。几种交换引擎结构的介绍从交叉开关(crossbar)交换引擎组件块开始。该章的最后一个案例研究结合了一些缓冲交叉点形成缓冲交叉开关。对其他的一些交换结构，如阻塞式和非阻塞式、共享内存、基于集中和基于扩展的交换网络也进行了介绍。该章还介绍了交换机和路由器硬件中使用的分组多播技术和算法。 第13章 服务质量和路由器的调度。该章涵盖网络中的服务质量问题。讨论了两个大类QoS，分别是为需要在交换节点中维护某些功能的网络提供服务质量的综合服务方法，以及基于为广泛的应用程序提供服务质量支持的区分服务方法(DiffServ)。这两类服务质量技术包含了多种QoS协议和架构，如流量整形、准入控制、分组调度、预留方法、资源预留协议(Resource Reservation Protocol，RSVP)，以及流量调节器和带宽代理方法。该章还讲解了网络中资源分配的基础知识。 第14章 隧道技术、VPN和MPLS网络。介绍一种有用的互联网技术，称为隧道技术，用于高级、安全、高速的网络。该章解释了如何将网络隧道化，从而产生了专用部门实体通过在公共网络基础设施上建立隧道来维护专用连接的虚拟专用网(Virtual Private Network，VPN)。该章的另一个相关主题是多协议标签交换(Multiprotocol Label Switching，MPLS)网络，它采用标签和隧道来加速路由选择。 第15章 全光网络、WDM和GMPLS。介绍了光纤通信和全光交换网络的基本原理。光纤通信技术利用光可在玻璃中传输的原理，光信号比电信号携带更多的信息，并且光在玻璃中的传播距离比电信号在铜线或同轴电缆中的传播距离更远。该章讲解了基本的光设备，如光滤波器、波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)、光交换机、光缓存器和光延迟线。在详细介绍了使用路由设备的光网络之后，该章讨论了波长重用和分配的全光网络链路。全光网络中采用的通用多协议标签交换(Generalized Multiprotocol Label Switching，GMPLS)技术与第14章研究的MPLS类似，该章也对此进行了研究。该章最后以光交换网络作为研究案例，提出了一种新的拓扑结构：球形交换网络(Spherical Switching Network，SSN)。 第16章 云计算和网络虚拟化。该章包含云计算、大型数据中心、数据中心网络、网络虚拟化等方面的内容。数据中心和云计算体系结构支持数万台服务器、超大容量存储、每秒兆比特的通信流量、数万个租户。该章首先定义了一些基本术语，如虚拟化、虚拟机等，讲解了用刀片式服务器和大型数据库构成的数据中心组成结构，然后介绍了数据中心网络(Data Center Network，DCN)。在数据中心，采用分组交换机和路由器将服务器和存储资源连接起来构成DCN。 第17章 软件定义网络及其进展。该章主要包括先进的网络控制和管理范例。互联网在应用和基础设施方面的不断增长，使得互联网相关产业的技术生态环境发生了翻天覆地的变化。软件定义网络(Software-Defined Networking，SDN)是一种通过称为“控制器”(或SDN控制器)的集中式软件决定和控制整个网络行为的网络模式，潜在改进了网络性能。该章主要关注SDN的基本原理和几个对网络特性具有创新思想的技术，描述了相关的OpenFlow交换机和交换机中的流表的一些细节。另外，还介绍了其他先进网络控制和管理技术，如网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization，NFV)和信息中心网络(Information-Centric Networking，ICN)。最后，该章介绍了网络模拟器，如Mininet仿真器。 第18章 IP语音信令。介绍了IP语音(Voice over IP，VoIP)电话和多媒体网络中使用的信令协议。该章首先回顾了传统的公共交换电话网(Public Switched Telephone Network，PSTN)中呼叫和控制信令的基本知识，然后讲解了VoIP的两个重要协议—— 会话发起协议(Session Initiation Protocol，SIP)和H.323系列协议，它们是互联网中用于提供实时通信服务的协议。最后，向读者展示了不同网络服务、不同协议和不同电话用户之间的一系列联网实例。 第19章 媒体交换和语音/视频压缩。该章关注语音和视频的数据压缩技术，以形成多媒体网络的数字语音和视频。该章首先分析了信源的基本原理、信源编码和数据压缩的限制，然后解释了从原始语音到压缩二进制形式的所有转换步骤，如采样、量化和编码。该章还总结了压缩的限制，并描述了静态图像和视频压缩技术的典型过程，如JPEG、MPEG和MP3。 第20章 分布式和基于云的多媒体网络。该章介绍了多媒体网络中实时语音、视频和数据的传输。首先介绍了为实时传输设计的协议，如实时传输协议(Real-time Transport Protocol，RTP)，然后讨论了基于HTTP的流传输，它是一种可靠的基于TCP的流传输，还讨论了流控制传输协议(Stream Control Transmission Protocol，SCTP)，它提供了流式通信的通用传输协议。接着介绍了使用内容分发网络(Content Distribution Network，CDN)的视频流传输，然后是IP电视(Internet Protocol Television，IPTV)，IPTV是通过互联网传送电视业务的系统。该章描述了唯一具有IPTV特性的视频点播(Video on Demand，VoD)，以及基于云的多媒体网络，这种类型的网络由语音、视频和数据业务的分布式联网组成。例如，VoIP、视频流或用于识别人类语音的交互式语音应答(Interactive Voice Response，IVR)，这些应用都可以分布在各种服务云中。最后，该章用自相似理论对流式业务进行了建模分析。 第21章 移动自组织网络。介绍了一种特殊的无线网络，称为移动自组织网络(Mobile Ad-Hoc Network，MANET)。自组织网络不依赖任何基础设施就能运行，网络中不存在有线基础设施，可在动态网络拓扑场景下工作。该章描述了移动用户如何承担路由节点的功能，以及分组在没有固定路由节点的情况下是如何从源节点传向目的节点的。该章还讨论了表驱动路由选择协议，如DSDV、CGSR和WRP，以及源启动路由选择协议，如DSR、ABR、TORA和AODV。最后，讨论了自组织网络的安全性问题。 第22章 无线传感器网络。该章给出传感器网络的概况，描述了智能传感节点和传感器网络的协议栈。首先讲解了能量因素是造成传感器网络路由选择协议有别于其他计算机网络路由选择协议的原因，并描述了传感器网络中的聚类协议。这些协议将传感器节点划分成互不重叠的分级簇型拓扑结构。然后介绍了传感器网络的一个典型路由选择协议，并据此对聚类协议的实现进行了案例研究。最后介绍了基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术。这个技术使用了低功耗节点，是一个典型的低功耗标准。 习题和计算机仿真项目 每章结尾都有一些习题。这些习题需要读者在相应的章节中努力找出有指导意义的内容来完成解答。习题的解答可能有一定难度，但这正是网络的真实和实用问题的典型表现。这些问题促使读者再回到书中，并找出指导老师认为有意义的内容。 除了典型的习题，还有许多人希望将项目纳入课程中。计算机仿真项目通常是编程项目，但是读者也可以选择仿真工具来完成项目。每章末尾列出的仿真项目有计算机仿真，还有部分与硬件设计相结合的仿真。 附录 本书的附录比较完备。附录A：缩略语表，定义了缩略语。附录B：RFC，鼓励读者通过查阅RFC参考资料更深入地研究书中涉及的每个协议。附录C：概率和随机过程，回顾了概率、随机变量和随机过程。附录D：爱尔兰B阻塞概率表，提供了第11章中给出的爱尔兰公式的数值扩展版本，该表在许多章节中用来估计流量阻塞概率，这是设计计算机网络的主要因素之一。 教学补充说明 本书有多种用途。第一部分的内容可作为本科高年级或研究生一年级的网络课程教材，第二部分的内容可作为研究生的计算机网络高级课程。教师可根据实际需要结合教材内容选择所需的章节。以下是五种不同课程选择章节的建议： l 本科计算机网络课程：第1～5章，以及第6、7、8或9章中的一章。 l 研究生一年级计算机网络课程：第1～10章，其中第1、2章略讲。 l 研究生二年级计算机网络高级课程：第11～17章。 l 研究生数据汇聚、IP语音和视频类课程：第7、9、16、18、19和20章。 l 研究生无线网络课程：第2、3、4、7、9、16、21和22章，以及各章中介绍的其他无线网络示例，如第18章中介绍的无线VoIP信令。 本书配套的教师手册和其他教学材料，如PowerPoint演示文稿，可以提供给教师 。 致谢 一本书的出版绝不是一个人可以完成的。许多来自工业界和学术界的专家慷慨地提供了帮助。我非常感谢他们的支持。他们中的许多人在这个项目中给了我宝贵的建议和支持。我应该感谢所有帮助我完成这个项目的科学家、数学家、教授、工程师、作家和出版商。 我很荣幸能在世界上伟大的Prentice Hall出版公司出版这本书。我要向所有努力使这个项目成功的人表示深深的谢意。特别是，我要感谢总编辑Mark L. Taub和高级策划编辑Trina MacDonald的所有建议。Trina凭借她卓越的专业才华，为我提供了宝贵的信息，并指引我走向这个伟大而富有挑战性的项目的终点。我还要感谢执行编辑John Fuller、产品服务经理Julie Nahil、开发编辑Songlin Qiu、自由项目经理Vicki Rowland、自由文字编辑/校对员Andrea Fox和所有其他专家，感谢他们出色的工作，但在本节中我没有机会点名向他们致谢，包括营销经理、排版员、索引员和封面设计师，非常感谢大家。最后同样重要的是，我要感谢Pearson销售代表Ellen Wynn热情地向出版商介绍了我手稿的第一版。 我非常感谢本书的技术编辑和所有顾问委员会成员。特别感谢George Scheets教授、Zongming Fei教授和Parviz Yegani博士提出的建设性建议，帮助我将本书重塑为现在的形式。另外，我想特别认识下面的人，他们在本书的第一版和第二版的写作阶段不时地提供宝贵的反馈。我认真对待他们所有的评论，并将它们编入手稿。我非常感谢他们在这个项目上所花的时间。 Professor Nirwan Ansari (New Jersey Institute of Technology) Professor Mohammed Atiquzzaman (University of Oklahoma) Dr. Radu Balan (Siemens Corporate Research) Dr. Greg Bernstein (Grotto Networking) R. Bradley (About.com) Deepak Biala (OnFiber Communications) Dr. Robert Cane (VPP, United Kingdom) Kevin Choy (Atmel, Colorado) Dr. Kamran Eftekhari (University of California, San Diego) Professor Zongming Fei (University of Kentucky) Dr. Carlos Ferari (JTN-Network Solutions) Dr. Jac Grolan (Alcatel) Professor Jim Griffioen (University of Kentucky) Ajay Kalambor (Cisco Systems) Parviz Karandish (Softek, Inc.) Aurna Ketaraju (Intel) Dr. Hardeep Maldia (Sermons Communications) Will Morse (Texas Safe-Computing) Professor Sarhan Musa (P. V. Texas A＆M University) Professor Achille Pattavina (Politecnico di Milano TNG) Dr. Robert J. Paul (NsIM Communications) Bala Peddireddi (Intel) Christopher H. Pham (Cisco Systems) Jasmin Sahara (University of Southern California) Dipti Sathe (Altera Corporation) Dr. Simon Sazeman (Sierra Communications and Networks) Professor George Scheets (Oklahoma State University) Professor Mukesh Singhal (University of Kentucky) Professor Kazem Sohraby (University of Arkansas) Dr. Richard Stevensson (BoRo Comm) Professor Jonathan Turner (Washington University) Kavitha Venkatesan (Cisco Systems) Dr. Belle Wei (California State University, Chico) Dr. Steve Willmard (SIM Technology) Dr. Parviz Yegani (Juniper Networks) Dr. Hemeret Zokhil (JPLab) 我要感谢我的研究生，他们帮助我准备了本书的手稿。在过去的几年中，112位以上的研究生阅读了本书的各个部分，并做出了建设性的评论。针对课堂上使用的本书的早期版本，他们给予了真诚的支持和建设性的意见。我特别感谢以下研究生，他们在我的网络课程中自愿复习了书的某些部分：Howard Chan、Robert Bergman、Eshetie Liku、Andrew Cole、Jonathan Hui、Lisa Wellington和Sitthapon Pumpichet。特别感谢Marzieh Veyseh为第22章提供了所有关于传感器网络的可用信息。 最后，我感谢我的父母，他们为我打开了接受最好教育的大门，支持了我一辈子；最重要的是，我要感谢我的家人，他们支持和鼓励了我，尽管写这本书让我经常不在他们身边。对他们来说，这是一段漫长而艰难的旅程。 联系作者 任何时候都可以与我联系，地址是Department of Electrical Engineering, Charles W. Davidson College of Engineering, San Jose State University, San Jose, California 95192, U.S.A.，E-mail地址是nader.mir@sjsu.edu。我希望收到你们的来信，尤其是对本书有帮助的建议。我会仔细阅读并回复。在www.engr.sjsu.edu/nmir的网站上有关于我更详细的信息。希望你能从这本书中获得快乐并感受到一丝我对计算机通信与网络的热爱。 —Nader F. Mir San Jose, California

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 扩展首部 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 9.3.3 第3版邮局协议(POP3) 192 9.3.4 互联网邮件访问协议 (IMAP) 192 9.4 万维网(WWW) 192 9.4.1 超文本传输协议(HTTP) 193 9.4.2 Web缓存(代理服务器) 196 9.4.3 Webmail 196 9.5 远程登录协议 197 9.5.1 TELNET协议 197 9.5.2 安全外壳协议(SSH) 198 9.6 文件传输和FTP 199 9.6.1 文件传输协议(FTP) 199 9.6.2 安全复制协议(SCP) 199 9.7 对等网络 199 9.7.1 P2P文件共享协议 200 9.7.2 P2P数据库共享协议 203 9.7.3 对等节点连接效率估计 205 9.8 网络管理 205 9.8.1 网络管理要素 206 9.8.2 管理信息结构(SMI) 206 9.8.3 管理信息库(MIB) 207 9.8.4 简单网络管理协议(SNMP) 207 9.9 总结 209 9.10 习题 209 9.11 计算机仿真项目 211 第10章 网络安全 212 10.1 网络安全概况 212 10.1.1 网络安全要素 212 10.1.2 网络攻击分类 213 10.2 安全方法 215 10.3 对称密钥密码 216 10.3.1 数据加密标准(DES) 217 10.3.2 高级加密标准(AES) 218 10.4 公钥密码 218 10.4.1 RSA算法 219 10.4.2 Diffie-Hellman密钥交换 协议 220 10.5 认证 220 10.5.1 哈希函数 220 10.5.2 安全哈希算法(SHA) 221 10.6 数字签名 222 10.7 IP和无线网络的安全 223 10.7.1 IP安全和IPsec 223 10.7.2 无线网络和IEEE 802.11的 安全 224 10.8 防火墙和分组过滤 225 10.8.1 分组过滤 226 10.8.2 代理服务器 227 10.9 总结 227 10.10 习题 228 10.11 计算机仿真项目 229 第 二 部 分 第11章 网络队列和延迟分析 230 11.1 Little定理 230 11.2 生灭过程 232 11.3 排队规则 233 11.4 马尔可夫FIFO排队系统 233 11.4.1 M/M/1排队系统 233 11.4.2 有限排队空间系统： M/M/1/b 236 11.4.3 M/M/a排队系统 237 11.4.4 延迟敏感流量模型： M/M/a/a 241 11.4.5 M/M/∞队系统 242 11.5 非马尔可夫和自相似模型 243 11.5.1 波拉切克-欣钦(Pollaczek- Khinchine，P-K)公式和 M/G/1 243 11.5.2 M/D/1模型 245 11.5.3 自相似和批到达模型 245 11.6 队列网络 245 11.6.1 Burke定理 245 11.6.2 Jackson定理 248 11.7 总结 251 11.8 习题 252 11.9 计算机仿真项目 255 第12章 高级路由器和交换机架构 256 12.1 路由器结构 256 12.2 输入端口处理器 257 12.2.1 分组解析器 258 12.2.2 分组分割器 258 12.2.3 输入缓冲区 259 12.2.4 路由表(IPv4和IPv6) 259 12.2.5 多播调度器 260 12.2.6 转发表和分组封装器 260 12.3 输出端口处理器 260 12.3.1 输出缓冲区 261 12.3.2 重组器和重排序器 261 12.3.3 差错控制 261 12.4 中央控制器 261 12.4.1 竞争消除单元 262 12.4.2 拥塞控制器 263 12.5 交换引擎 263 12.5.1 交换引擎的复杂度 264 12.5.2 交叉开关交换引擎 264 12.5.3 Clos交换引擎 265 12.5.4 集中型和扩展型交换 引擎 267 12.5.5 共享内存交换引擎 270 12.5.6 提升交换引擎的性能 270 12.6 路由器中的多播分组 274 12.6.1 基于树的多播算法 275 12.6.2 分组再循环多播算法 276 12.7 总结 277 12.8 习题 278 12.9 计算机仿真项目 279 第13章 服务质量和路由器的调度 280 13.1 服务质量概述 280 13.2 综合服务QoS 280 13.2.1 流量整形 281 13.2.2 准入控制 285 13.2.3 资源预留协议(RSVP) 286 13.3 区分服务QoS 286 13.3.1 逐跳行为(PHB) 287 13.4 资源分配 287 13.4.1 资源管理 288 13.4.2 资源分配方案分类 288 13.4.3 资源预留的公平性 289 13.5 分组调度 289 13.5.1 先进先出调度器 290 13.5.2 优先级排队调度器 290 13.5.3 公平排队调度器 293 13.5.4 加权公平排队调度器 293 13.5.5 差额循环调度器 295 13.5.6 最早截止期优先调度器 296 13.6 总结 296 13.7 习题 296 13.8 计算机仿真项目 299 第14章 隧道技术、VPN和MPLS 网络 300 14.1 隧道技术 300 14.1.1 点到点协议(PPP) 301 14.1.2 IPv6隧道技术和轻量级 双栈 302 14.2 VPN 302 14.2.1 远程接入VPN 304 14.2.2 站点间VPN 304 14.2.3 VPN的安全性 305 14.3 MPLS 305 14.3.1 标签和标签交换路由器 306 14.3.2 标签绑定与交换 307 14.3.3 MPLS域内路由选择 309 14.3.4 MPLS分组格式 310 14.3.5 多重隧道路由 311 14.3.6 流量工程 312 14.3.7 基于MPLS的VPN 313 14.4 总结 313 14.5 习题 313 14.6 计算机仿真项目 315 第15章 全光网络、WDM和 GMPLS 316 15.1 光网络概述 316 15.1.1 光纤链路 317 15.1.2 SONET/SDH标准 317 15.1.3 通用MPLS协议 317 15.1.4 无源光网络 319 15.2 基本的光网络设备 320 15.2.1 可调谐激光器 320 15.2.2 光缓存器或延迟元件 320 15.2.3 光放大器 320 15.2.4 光滤波器 320 15.2.5 WDM 321 15.2.6 光交换机 322 15.3 大规模光交换机 323 15.3.1 交叉开关光交换机 323 15.3.2 Spanke-Bene?光交换机 324 15.4 OXC结构 324 15.4.1 波长路由节点结构 325 15.5 全光网络中的路由 326 15.5.1 波长路由与广播 326 15.5.2 光路阻塞估计 327 15.6 网络中的波长分配 328 15.6.1 无相关性的波长分配 329 15.6.2 有相关性的波长分配 329 15.7 案例研究：全光交换 329 15.7.1 SSN中的自路由 330 15.7.2 SSN中的波长分配 331 15.8 总结 331 15.9 习题 331 15.10 计算机仿真项目 333 第16章 云计算和网络虚拟化 334 16.1 云计算和数据中心 334 16.1.1 平台和API 336 16.1.2 云计算服务模型 336 16.1.3 数据中心 337 16.1.4 数据中心虚拟化 338 16.2 数据中心网络(DCN) 340 16.2.1 负载均衡器 341 16.2.2 流量工程 341 16.2.3 DCN体系结构 342 16.2.4 多播方式 344 16.3 网络虚拟化 344 16.3.1 网络虚拟化组件 345 16.4 覆盖网络 347 16.5 总结 348 16.6 习题 348 16.7 计算机仿真项目 350 第17章 软件定义网络及其进展 351 17.1 软件定义网络(SDN) 351 17.1.1 控制和数据平面的分离 352 17.1.2 控制平面的可编程性 353 17.1.3 应用编程接口的标准化 354 17.2 基于SDN的网络模型 354 17.2.1 控制平面 355 17.2.2 数据平面接口(OpenFlow 协议) 355 17.3 小型SDN架构 358 17.3.1 SDN的扩展性 358 17.3.2 SDN网络的多播 358 17.4 云的SDN架构 358 17.4.1 软件定义的计算与存储 359 17.4.2 SDN在数据中心提供的 应用程序 359 17.5 网络功能虚拟化(NFV) 360 17.5.1 NFV的抽象模型 360 17.5.2 分布式NFV网络 361 17.5.3 虚拟化服务 362 17.6 信息中心网络(ICN) 362 17.6.1 命名对象 363 17.6.2 ICN路由选择和网络 管理 363 17.6.3 ICN安全 365 17.7 高级网络的网络模拟器 365 17.7.1 Mininet 365 17.8 总结 367 17.9 习题 368 17.10 计算机仿真项目 369 第18章 IP语音信令 370 18.1 公共交换电话网(PSTN) 370 18.1.1 SS7网络 371 18.1.2 电路交换网 373 18.2 VoIP概述 375 18.3 H.323协议 376 18.3.1 H.323协议的主要组件 376 18.3.2 H.323协议架构 377 18.3.3 RAS信令 378 18.3.4 呼叫信令 380 18.3.5 控制信令 382 18.3.6 使用H.323协议的电话 会议 384 18.4 会话发起协议(SIP) 384 18.4.1 SIP的主要组件 385 18.4.2 SIP消息 386 18.4.3 SIP协议架构 387 18.4.4 注册过程 388 18.4.5 呼叫建立 389 18.4.6 功能和扩展 389 18.5 软交换技术和MGCP 392 18.6 VoIP和多媒体互联 392 18.6.1 SIP和H.323的互联 392 18.6.2 SIP和PSTN的互联 394 18.6.3 无线蜂窝多媒体互联 395 18.7 总结 396 18.8 习题 396 18.9 计算机仿真项目 399 第19章 媒体交换和语音/视频压缩 401 19.1 数据压缩概述 401 19.2 数字语音压缩 402 19.2.1 采样 402 19.2.2 量化和编码 403 19.3 静态图像和JPEG压缩 406 19.3.1 原图采样和DCT 406 19.3.2 量化 408 19.3.3 编码 409 19.4 运动图像和MPEG压缩 409 19.4.1 MP3和音频流 410 19.5 有损压缩方法 410 19.5.1 信息论基础 411 19.5.2 信息熵 411 19.5.3 香农编码定理 412 19.5.4 压缩率和编码效率 412 19.6 无损压缩方法 413 19.6.1 游程编码 413 19.6.2 霍夫曼编码 414 19.6.3 Lempel-Ziv编码 414 19.7 扫描文档压缩 415 19.8 总结 416 19.9 习题 416 19.10 计算机仿真项目 419 第20章 分布式和基于云的多媒体 网络 420 20.1 实时媒体交换协议 420 20.1.1 实时传输协议(RTP) 421 20.1.2 RTP流量中的抖动分析 423 20.1.3 实时传输控制协议 (RTCP) 424 20.1.4 实时流协议(RTSP) 425 20.1.5 流控制传输协议(SCTP) 425 20.1.6 基于HTTP的流传输 428 20.2 分布式多媒体网络 429 20.2.1 CDN 429 20.2.2 IPTV和VoD 432 20.2.3 在线游戏 435 20.3 基于云的多媒体网络 435 20.3.1 分布式媒体迷你云 435 20.3.2 基于云的交互式语音 应答(IVR) 436 20.4 自相似性和非马尔可夫流 438 20.4.1 批量到达模型的 自相似性 438 20.5 总结 440 20.6 习题 440 20.7 计算机仿真项目 442 第21章 移动自组织网络 443 21.1 无线自组织网络概述 443 21.2 自组织网络中的路由选择 444 21.2.1 路由选择协议的分类 444 21.3 自组织路由选择协议 445 21.3.1 目的序列距离向量(DSDV) 协议 445 21.3.2 簇首网关交换路由选择 (CGSR)协议 446 21.3.3 无线路由选择协议 (WRP) 447 21.3.4 动态源路由选择协议 (DSR) 448 21.3.5 临时按序路由选择算法 (TORA) 448 21.3.6 基于关联性的路由选择 协议(ABR) 449 21.3.7 自组织按需距离向量(AODV) 协议 450 21.4 自组织网络安全 453 21.4.1 攻击类型 454 21.4.2 安全路由选择协议准则 454 21.5 总结 455 21.6 习题 455 21.7 计算机仿真项目 456 第22章 无线传感器网络 457 22.1 传感器网络和协议结构 457 22.1.1 传感器网络的聚类 457 22.1.2 协议栈 458 22.1.3 传感器节点结构 459 22.2 通信能量模型 460 22.3 聚类协议 463 22.3.1 聚类协议的类型 463 22.3.2 LEACH算法 463 22.3.3 DEEP协议 464 22.3.4 重新聚类 465 22.4 路由选择协议 466 22.4.1 簇内路由选择协议 466 22.4.2 簇间路由选择协议 467 22.5 其他相关技术 469 22.5.1 ZigBee技术和IEEE 802.15.4 469 22.6 案例研究：传感器网络仿真 469 22.6.1 簇首节点星座和负载 分布 469 22.6.2 簇首的最优百分比 470 22.7 总结 470 22.8 习题 471 22.9 计算机仿真项目 471 附录A 缩略语表 472 附录B RFC 477 附录C 概率和随机过程 480 附录D 爱尔兰B阻塞概率表 487