本书从思维能力、创新能力、系统能力培养出发，以建构型、设计型、创新型思维引导学生从无到有设计计算机网络。本书首先从需求出发，明确计算机网络应满足的要求和约束条件以及可用的设计方法，然后将计算机连接成小型网络，进而将小型网络互联成大型网络，实现任意计算机及应用程序之间数据的可靠传输；之后设计计算机网络服务和应用，并设计服务质量保证机制、网络安全机制和网络自动管理机制；最后讨论面向未来的新型网络技术。
本书适合作为研究型大学计算机相关专业计算机网络课程的教材，也适合计算机网络领域的技术人员参考。

黄传河　武汉大学计算机学院教授、博士生导师，武汉大学物联网工程专业负责人，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会物联网工程专业教学研究专家组委员。长期从事计算机网络、网络安全、高性能计算领域的研究和教学工作。主讲“计算机网络与通信”（湖北省精品课程）、“分布并行计算机技术”（武汉大学精品课程）、“高性能计算”等课程。主持和参与多项国家自然科学基金、国家重点研发计划、863及省级重点项目，曾获国家级教学成果一等奖、湖北省教学成果一等奖、教育部科技进步二等奖、华为优秀研究生管理干部奖等。
杜瑞颖 武汉大学国家网络安全学院教授、博士生导师，研究方向为网络安全、隐私保护。

张健　武汉大学计算机学院教授、博士生导师，研究方向为物联网、机器学习与智能交互、计算机网络、云计算与大数据处理、大数据挖掘管理与分析等。

目　　录<br />丛书序言<br />前言<br />第1章　计算机网络设计方法学　1<br />1.1　计算机网络设计需求　2<br />1.1.1　计算机网络应用模式　2<br />1.1.2　计算机网络设计需求与<br />　　　?约束　4<br />1.1.3　计算机网络主要性能<br />　　　?指标　5<br />1.1.4　设计的综合平衡　7<br />1.2　网络服务模型与传输模式设计　7<br />1.2.1　网络服务模型　7<br />1.2.2　数据传输模式　8<br />1.3　网络连接方式设计　9<br />1.3.1　直接连接　9<br />1.3.2　多跳转发连接　10<br />1.4　网络拓扑结构设计　10<br />1.4.1　拓扑结构设计　10<br />1.4.2　网络覆盖性设计　12<br />1.4.3　通信模式设计　13<br />1.5　数据交换方式设计　13<br />1.5.1　电路交换　13<br />1.5.2　包交换　13<br />1.5.3　广播交换　14<br />1.5.4　包交换的实现方式　14<br />1.6　网络设计模式　18<br />1.6.1　网络体系结构分层设计<br />　　　?模式　18<br />1.6.2　协议、接口与服务　19<br />1.6.3　数据的封装与传输　22<br />1.6.4　ISO分层模型示例—<br />　　　?OSI参考模型　23<br />1.6.5　因特网分层模型示例—<br />　　　?TCP/IP参考模型　24<br />1.6.6　虚拟层次模型　25<br />1.6.7　从单网到多网互联的<br />　　　?增量设计　26<br />1.7　计算机网络构成要素设计　26<br />1.7.1　计算机网络硬件　26<br />1.7.2　计算机网络软件　27<br />1.7.3　计算机网络应用　27<br />习题　28<br />第2章　基本网络设计　29<br />2.1　传输介质　29<br />2.1.1　传输介质的类别与特性　29<br />2.1.2　有线传输介质　30<br />2.1.3　无线传输介质　34<br />2.1.4　传输介质的传输能力　36<br />2.1.5　Wi-Fi无线信号的功率　37<br />2.2　数据通信系统与物理层　38<br />2.2.1　数据通信系统模型　38<br />2.2.2　数据传输模式　38<br />2.2.3　信号编码与调制　41<br />2.3　保证传输正确性的方法与数据链<br />　　?路层　49<br />2.3.1　介质接入控制　49<br />2.3.2　组帧　53<br />2.3.3　检错与纠错　55<br />2.3.4　可靠性与应答机制　57<br />2.3.5　同步方式　65<br />2.4　提高传输性能的方法　68<br />2.4.1　多路复用　68<br />2.4.2　认知无线电　72<br />2.4.3　网络编码　73<br />2.5　局域网设计　73<br />2.5.1　局域网设计思想　73<br />2.5.2　局域网示例—以太网　74<br />2.5.3　百兆以太网　80<br />2.5.4　千兆以太网　83<br />2.5.5　万兆以太网　87<br />2.5.6　40Ge/100Ge以太网　90<br />2.5.7　25Ge以太网　91<br />2.5.8　50Ge/100Ge/200Ge<br />　　　?以太网　91<br />2.5.9　200Ge/400Ge以太网　91<br />2.5.10　800Ge以太网　92<br />2.5.11　网卡设计　92<br />2.5.12　交换机设计　94<br />2.5.13　VLAN　100<br />2.6　无线局域网设计　101<br />2.6.1　无线局域网设计要点　101<br />2.6.2　无线局域网示例—<br />　　　?Wi-Fi　103<br />2.6.3　Wi-Fi 6如何实现高<br />　　　?性能　108<br />2.6.4　Wi-Fi 7前瞻　114<br />2.6.5　无线AP设计　114<br />2.6.6　LiFi　116<br />2.7　个域网与体域网设计　116<br />2.7.1　个域网与体域网的一般<br />　　　?结构　116<br />2.7.2　个域网示例—蓝牙<br />　　　??网络　117<br />2.8　广域网设计　119<br />2.8.1　广域网设计思想　119<br />2.8.2　广域网示例—SDH　120<br />2.8.3　广域网示例—OTN　124<br />2.8.4　广域网示例—5G/6G<br />　　　?移动网络　134<br />2.9　接入网设计　137<br />2.9.1　接入网的一般结构　137<br />2.9.2　接入网技术示例—<br />　　　?PON　137<br />2.9.3　接入网应用示例—<br />　　　?FTTH/FTTR　141<br />习题　142<br />第3章　网络互联机制设计　143<br />3.1　网络互联的方法　143<br />3.1.1　网络互联的需求　143<br />3.1.2　网络互联的一般方法　144<br />3.2　路由算法　146<br />3.2.1　研究方法—图论方法　147<br />3.2.2　路由算法分类　148<br />3.2.3　随机路由算法　149<br />3.2.4　洪泛路由算法　149<br />3.2.5　热土豆路由算法　150<br />3.2.6　距离向量路由算法　150<br />3.2.7　链路状态路由算法　153<br />3.2.8　广播路由算法　154<br />3.2.9　组播路由算法　155<br />3.2.10　泛播路由算法　155<br />3.2.11　层次路由选择算法　156<br />3.2.12　多目标QoS路由<br />　　　??算法　156<br />3.3　网络互联协议示例—IPv4及<br />　　?相关协议　157<br />3.3.1　IP数据报　158<br />3.3.2　IP数据报的封装与分片　160<br />3.3.3　IP地址与子网　161<br />3.3.4　IP包传递流程　164<br />3.3.5　IP路由协议—RIP　165<br />3.3.6　IP路由协议—OSPF　168<br />3.3.7　边界网关协议—BGP　171<br />3.3.8　组播协议—PIM与<br />　　　MOSPF　173<br />3.3.9　地址解析与反向地址<br />　　　解析—ARP与RARP　174<br />3.3.10　控制报文协议—<br />　　　???ICMP　176<br />3.3.11　自动地址分配—<br />　　　???DHCP　178<br />3.3.12　地址不足的解决方案之一<br />　　　???—无分类域间路由　181<br />3.3.13　地址不足的解决方案之二<br />　　　???—网络地址转换　182<br />3.4　网络互联协议示例—IPv6及<br />　　?相关协议　183<br />3.4.1　IPv6的设计理念　184<br />3.4.2　IPv6包格式　184<br />3.4.3　IPv6地址　188<br />3.4.4　IPv6地址自动配置　192<br />3.4.5　邻节点发现过程　193<br />3.4.6　IPv6控制报文协议—<br />　　　ICMPv6　194<br />3.4.7　IPv6包转发过程　195<br />3.4.8　IPv4向IPv6过渡　196<br />3.5　移动互联　198<br />3.5.1　移动性管理　198<br />3.5.2　移动IPv4　199<br />3.5.3　移动IPv6　202<br />3.6　分段路由—SRv6　205<br />3.6.1　IPv4/IPv6的困境　205<br />3.6.2　SRv6解决方案　205<br />3.7　路由器设计　207<br />3.7.1　路由器设计需求　207<br />3.7.2　路由器的结构　209<br />3.7.3　路由器处理流程　212<br />3.7.4　路由器关键技术　213<br />习题　213<br />第4章　端到端数据传输方法<br />　　　　?设计　215<br />4.1　端到端的数据传输服务　215<br />4.1.1　为什么需要端到端传输<br />　　　?服务　215<br />4.1.2　传输服务类别及实现策略　216<br />4.1.3　端到端传输服务的一般<br />　　　?模式　216<br />4.2　端到端不可靠传输协议示例—<br />　　?UDP　217<br />4.2.1　UDP的设计目标　217<br />4.2.2　UDP应用和端口　218<br />4.2.3　UDP报文格式　218<br />4.2.4　UDP工作流程　219<br />4.2.5　UDP校验和的计算　219<br />4.3　端到端可靠传输服务示例—<br />　　?TCP　219<br />4.3.1　TCP的设计目标　220<br />4.3.2　端口与套接字　221<br />4.3.3　TCP报文格式　221<br />4.3.4　TCP建立与终止连接<br />　　　?机制　225<br />4.3.5　TCP定时管理自适应<br />　　　?重传机制　229<br />4.3.6　滑动窗口机制　230<br />4.3.7　TCP优先数据传送　232<br />4.3.8　移动TCP优化　232<br />4.3.9　星际TCP优化　232<br />4.3.10　多路TCP　233<br />4.3.11　取代TCP的QUIC　233<br />4.4　实时传输协议示例—RTP　234<br />4.4.1　RTP的功能与需求　234<br />4.4.2　RTP报文格式　234<br />4.4.3　实时传输控制协议—<br />　　　?RTCP　235<br />习题　235<br />第5章　网络公共服务设计　237<br />5.1　网络公共服务　237<br />5.1.1　公共服务分类　237<br />5.1.2　公共服务的提供形式　238<br />5.1.3　因特网公共服务　239<br />5.2　DNS　239<br />5.2.1　DNS的功能及原理　239<br />5.2.2　因特网的域名结构　239<br />5.2.3　资源记录　241<br />5.2.4　域名服务器　242<br />5.2.5　域名解析—递归解析　244<br />5.2.6　域名解析—迭代查询　245<br />5.2.7　利用缓存提高查询速度　246<br />5.2.8　DNS报文格式　246<br />5.3　文件传输协议　247<br />5.3.1　FTP的工作过程　248<br />5.3.2　FTP的工作模式　250<br />5.3.3　FTP的登录鉴别与匿名<br />　　　?访问　251<br />5.3.4　FTP的命令与应答　251<br />5.3.5　FTP的实现与工具　255<br />5.3.6　FTP工具的改进　255<br />5.4　Web与HTTP　255<br />5.4.1　Web资源组织方式　256<br />5.4.2　Web文档格式与HTML　258<br />5.4.3　HTTP概述　261<br />5.4.4　HTTP通信过程　263<br />5.4.5　HTTP报文　264<br />5.4.6　状态保存　267<br />5.4.7　提高应答速度的方法　268<br />5.4.8　HTTP 2.0　270<br />5.4.9　HTTP 3.0　273<br />5.4.10　浏览器　273<br />5.4.11　Web的发展　274<br />5.5　电子邮件协议　275<br />5.5.1　电子邮件系统架构　275<br />5.5.2　邮件格式　276<br />5.5.3　邮件传输协议—<br />　　　?SMTP　277<br />5.5.4　邮件接收协议—<br />　　　?POP3　281<br />5.5.5　邮件访问协议—<br />　　　?IMAP4　283<br />5.5.6　POP3与IMAP4的比较　285<br />5.6　远程终端协议Telnet　285<br />5.6.1　Telnet的设计目的　285<br />5.6.2　Telnet的基本内容　286<br />5.6.3　Telnet的关键方案　287<br />5.6.4　Telnet的重要规定　288<br />5.6.5　基于Telnet的工具　291<br />习题　291<br />第6章　网络应用设计　292<br />6.1　搜索引擎　292<br />6.1.1　搜索引擎的设计思想　292<br />6.1.2　信息收集与存储　293<br />6.1.3　信息的快速检索　294<br />6.1.4　信息推荐　294<br />6.2　即时通信系统　295<br />6.2.1　即时通信系统与系统<br />　　　?组成　295<br />6.2.2　IM示例—QQ　298<br />6.3　网络电视与视频服务　302<br />6.3.1　音视频编码　302<br />6.3.2　流式音视频传输　304<br />6.3.3　应用层组播　306<br />6.3.4　网络电视　307<br />6.4　电子商务　308<br />6.4.1　电子商务系统架构　308<br />6.4.2　电子支付协议　309<br />6.4.3　移动支付　309<br />6.5　工业互联网　310<br />习题　311<br />第7章　网络服务质量　312<br />7.1　网络性能评价　312<br />7.1.1　综合性能评价　312<br />7.1.2　排队论模型　313<br />7.1.3　利用排队论分析网络<br />　　　?系统的性能　316<br />7.2　网络资源优化分配　318<br />7.2.1　资源类别与分配原则　318<br />7.2.2　典型的优化方法　318<br />7.3　拥塞控制的一般方法　319<br />7.3.1　拥塞控制的目标　319<br />7.3.2　拥塞控制的原理　320<br />7.3.3　拥塞控制的方法　321<br />7.4　拥塞控制示例—TCP与IP<br />　　?拥塞控制方案　325<br />7.4.1　加增乘减　325<br />7.4.2　慢启动和拥塞避免　327<br />7.4.3　快重传和快恢复　328<br />7.4.4　CUBIC　330<br />7.4.5　TCP的性能优化　332<br />7.4.6　IP层随机早期检测　332<br />7.4.7　因特网拥塞控制机制<br />　　　?讨论　333<br />7.5　服务质量与体验质量　334<br />7.5.1　服务质量概述　334<br />7.5.2　QoS示例—IntServ　335<br />7.5.3　QoS示例—DiffServ　337<br />7.5.4　QoS示例—MPLS　338<br />7.6　流量工程　340<br />习题　341<br />第8章　网络安全　342<br />8.1　网络安全风险　342<br />8.1.1　网络面临的主要安全风险　342<br />8.1.2　网络安全风险的根源　345<br />8.1.3　网络安全的目标　345<br />8.1.4　网络攻击与防御的主要<br />　　　?技术　346<br />8.2　网络攻击　346<br />8.2.1　网络探测　346<br />8.2.2　拒绝服务攻击　349<br />8.2.3　缓冲区溢出攻击　352<br />8.2.4　恶意程序攻击　354<br />8.2.5　程序漏洞攻击　355<br />8.2.6　渗透攻击与欺骗攻击　358<br />8.3　网络防护　359<br />8.3.1　加密　359<br />8.3.2　防篡改　362<br />8.3.3　数字签名　363<br />8.3.4　认证　363<br />8.3.5　访问控制　366<br />8.3.6　防火墙　372<br />8.3.7　入侵检测与入侵防护　379<br />8.3.8　VPN与NVo3　384<br />8.3.9　物理网络安全　390<br />8.4　网络安全通信协议示例　392<br />8.4.1　HTTPS　392<br />8.4.2　TLS与SSL　394<br />8.4.3　IPSec　399<br />8.4.4　电子邮件安全协议　399<br />8.4.5　安全外壳协议　400<br />8.4.6　无线安全协议　402<br />8.5　网络系统安全保证体系　403<br />8.5.1　网络安全评估标准　403<br />8.5.2　公钥基础设施　407<br />8.6　区块链　409<br />8.6.1　区块链的原理　409<br />8.6.2　区块链的应用　411<br />8.7　暗网　411<br />习题　412<br />第9章　网络管理　413<br />9.1　网络管理需求　413<br />9.1.1　为什么需要网络管理　413<br />9.1.2　网络管理的功能需求　414<br />9.1.3　网络管理的性能需求　417<br />9.1.4　网络管理体系结构　418<br />9.2　管理信息的组织与表示　422<br />9.2.1　信息组织方案示例—<br />　　　?SMI　422<br />9.2.2　信息表示方案示例—<br />　　　?MIB　424<br />9.3　网络管理协议—SNMP　428<br />9.3.1　SNMP的设计理念　428<br />9.3.2　SNMPv1　429<br />9.3.3　SNMPv2　432<br />9.3.4　SNMPv3　433<br />9.3.5　SNMP的应用　433<br />9.4　网络管理协议—NETCONF　434<br />9.4.1　NETCONF的设计理念　434<br />9.4.2　NETCONF的主要内容　435<br />9.4.3　YANG模型　439<br />9.5　网络管理协议—OpenConf?ig　439<br />9.5.1　OpenConf?ig的设计理念　439<br />9.5.2　OpenConf?ig的主要内容　440<br />9.6　网络测量　440<br />9.6.1　网络拓扑测量　440<br />9.6.2　网络性能测量　442<br />9.6.3　网络流量测量　443<br />9.7　网络管理系统示例—iMaster <br />　　?NCE　444<br />9.7.1　iMaster NCE的设计<br />　　　?思想　444<br />9.7.2　iMaster NCE的系统<br />　　　?组成　444<br />习题　448<br />第10章　新型网络技术　449<br />10.1　软件定义网络　449<br />10.1.1　SDN的设计思想　449<br />10.1.2　OpenFlow协议　452<br />10.1.3　OpenFlow交换机　458<br />10.1.4　OpenFlow控制器　460<br />10.1.5　SDN开源系统　461<br />10.1.6　SD-WAN　463<br />10.2　网络功能虚拟化　464<br />10.2.1　NFV原理　464<br />10.2.2　网络切片　466<br />10.2.3　FlexE　468<br />10.3　数据中心网络　470<br />10.3.1　数据中心网络的设计<br />　　　??需求　470<br />10.3.2　数据中心网络架构　470<br />10.3.3　Inf?iniBand网络　472<br />10.3.4　RoCE网络　473<br />10.4　物联网　473<br />10.4.1　物联网架构　474<br />10.4.2　物品联网方法与典型<br />　　　??协议　476<br />10.4.3　对象名称服务/标识<br />　　　??解析服务　476<br />10.4.4　物联网应用示例—<br />　　　??VANET　477<br />10.5　时间敏感网络　477<br />10.5.1　TSN的设计要求　477<br />10.5.2　TSN的主要技术　478<br />10.6　卫星互联网　481<br />10.6.1　卫星互联网的轨道　481<br />10.6.2　卫星互联网的星座　481<br />10.6.3　卫星互联网的关键<br />　　　??技术　482<br />10.6.4　卫星互联网的局限　483<br />10.6.5　主要的卫星互联网<br />　　　??系统　483<br />10.6.6　空天地一体化网络　485<br />10.7　命名数据网络　486<br />10.7.1　命名数据网络的体系<br />　　　??结构　486<br />10.7.2　内容命名与缓存方法　489<br />10.7.3　内容路由方法　490<br />10.8　网络中的人工智能方法　490<br />习题　492<br />参考文献　493<br />缩略词　495