计算机通信网(第2版)

Computer and Communication Networks, Second Edition

本书主要讲述现代网络与通信技术，全书分为基础知识和优选网络技术两个层次。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。优选网络技术部分对网络分析和优选的网络协议进行了深入探究：优选的路由器/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，平衡基础知识和优选技术，并包含丰富的案例研究、实例、习题和直观的插图。本书可供计算机、通信、信息技术等相关专业的本科生和研究生使用，同时对于从事网络相关技术研究和网络应用开发的广大科研工作者也具有参考价值。

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ISP3
1．1．4ISP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
1．5．1IP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PSK29
2．4．2实用的调制技术：4-QAM和QPSK31
2．4．3DSL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
3．3．2CRC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
3．5．1CSMA53
3．6多用户无线信道访问56
3．6．1FDMA56
3．6．2TDMA56
3．6．3OFDMA57
3．6．4SC-FDMA57
3．6．5CDMA57
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
3．7．2LACP62
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
4．1LAN和基本拓扑结构66
4．2LAN协议67
4．2．1逻辑链路控制67
4．2．2介质访问控制68
4．3LAN网络69
4．3．1用第1层设备互连LAN70
4．3．2用第2层设备互连LAN70
4．3．3用第2层和第3层设备连网74
4．4MAC/IP地址转换协议75
4．4．1ARP75
4．4．2RARP76
4．5生成树协议77
4．6虚拟局域网79
4．6．1VLAN交换机80
4．6．2VLAN中继协议和IEEE802．1Q80
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
4．8IEEE802．11无线局域网标准82
4．8．1IEEE802．11物理层83
4．8．2802．11MAC层84
4．8．3WiFi网络86
4．9案例研究：有线电视协议DOCSIS88
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
5．1IP分组和基本路由选择策略92
5．1．1分组的分片和重组94
5．1．2ICMP95
5．1．3获取和分配IP地址96
5．1．4DHCP97
5．1．5NAT98
5．1．6UPnP100
5．2路径选择算法100
5．2．1Dijkstra算法101
5．2．2Bellman-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
5．3．1OSPF104
5．3．2RIP107
5．4域间路由选择协议109
5．4．1AS110
5．4．2BGP110
5．5IPv6114
5．5．1IPv6地址格式114
5．5．2扩展首部115
5．5．3分组分片115
5．5．4IPv6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
5．6．5Lee’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
6．1．1IP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
6．2．1IGMP129
6．3域内多播协议131
6．3．1MBone131
6．3．2DVMRP131
6．3．3MOSPF协议132
6．3．4PIM133
6．3．5CBT协议134
6．4域间多播协议134
6．4．1MBGP134
6．4．2MSDP135
6．4．3BGMP136
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
7．4LTE技术154
7．4．1LTE组网设备154
7．4．2LTE小区中的呼叫建立155
7．4．3LTE中的切换156
7．4．4LTE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
7．5．2WMN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
8．2．1UDP数据段170
8．2．2UDP的应用172
8．3传输控制协议172
8．3．1TCP数据段172
8．3．2TCP连接174
8．3．3TCP中基于窗口的传输和滑动窗口176
8．3．4TCP的应用177
8．4移动传送协议177
8．4．1用于移动的UDP177
8．4．2用于移动的TCP177
8．5TCP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
9．2DNS186
9．2．1域名空间186
9．2．2名字/地址映射187
9．2．3DNS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
9．4．2Web缓存(代理服务器)196
9．4．3Webmail196
9．5远程登录协议197
9．5．1TELNET协议197
9．5．2安全外壳协议(SSH)198
9．6文件传输和FTP199
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
9．7．1P2P文件共享协议200
9．7．2P2P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
10．4．1RSA算法219
10．4．2Diffie-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
10．7IP和无线网络的安全223
10．7．1IP安全和IPsec223
10．7．2无线网络和IEEE802．11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
11．1Little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
11．4．1M/M/1排队系统233
11．4．2有限排队空间系统：M/M/1/b236
11．4．3M/M/a排队系统237
11．4．4延迟敏感流量模型：M/M/a/a241
11．4．5M/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/1243
11．5．2M/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
11．6．1Burke定理245
11．6．2Jackson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
12．5．3Clos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QoS280
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QoS286
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优选先出调度器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
14．1．2IPv6隧道技术和轻量级双栈302
14．2VPN302
14．2．1远程接入VPN304
14．2．2站点间VPN304
14．2．3VPN的安全性305
14．3MPLS305
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
14．3．3MPLS域内路由选择309
14．3．4MPLS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VPN313
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GMPLS316
15．1光网络概述316
15．1．1光纤链路317
15．1．2SONET/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
15．2．5WDM321
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
15．3．2Spanke-Bene?光交换机324
15．4OXC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
15．7．1SSN中的自路由330
15．7．2SSN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API336
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
16．2．3DCN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
17．3．1SDN的扩展性358
17．3．2SDN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
17．4．2SDN在数据中心提供的应用程序359
17．5网络功能虚拟化(NFV)360
17．5．1NFV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
17．6．2ICN路由选择和网络管理363
17．6．3ICN安全365
17．7高级网络的网络模拟器365
17．7．1Mininet365
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
18．1．1SS7网络371
18．1．2电路交换网373
18．2VoIP概述375
18．3H．323协议376
18．3．1H．323协议的主要组件376
18．3．2H．323协议架构377
18．3．3RAS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
18．4．1SIP的主要组件385
18．4．2SIP消息386
18．4．3SIP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MGCP392
18．6VoIP和多媒体互联392
18．6．1SIP和H．323的互联392
18．6．2SIP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DCT406
19．3．2量化408
19．3．3编码409
19．4运动图像和MPEG压缩409
19．4．1MP3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
19．6．3Lempel-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
20．1．2RTP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
20．2．1CDN429
20．2．2IPTV和VoD432
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
22．3．2LEACH算法463
22．3．3DEEP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
22．5．1ZigBee技术和IEEE802．15．4469
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簇首的很优百分比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BRFC477
附录C概率和随机过程480
附录D爱尔兰B阻塞概率表487