前 言 学习目标 通信网目前正处于转变的时期，即从基于电话结构和标准的网络转向基于IP结构的网络。导致这种转变的主要原因是，Internet已经延伸到了全球电话网的每一个角落，我们可以利用Internet进一步拓展高速率的新业务和新应用。对于学生而言，许多新的业务和应用都是显而易见的。例如，除了电子邮件和Web浏览，还可以在Internet上购买或出售商品，交换MP3和其他文件(如Napster、KaZaA)以及交互式游戏、视频流(CNN)和基于IP的语音会话(网络会议、ICQ)等。其他许多应用和业务也正给商业、制造业、国际商务、医疗以及政府管理带来深远的影响。 在开展新业务的迫切压力下，通信网的基础结构正经历着巨大的变革，而科技的不断创新使得这种变革得以实现。新一代无线设备结合了便携式电话、个人数字助理，甚至数码相机等各种设备，正在实现一种新的移动通信模式，如短信传送、事件通告、电子邮件和Web浏览。这些无线设备将为通信的发展开辟一条新的道路，即从传统电话转向基于IP的多媒体通信模式。当然，用于实现蜂窝网和电话网所有功能的信令系统也将不可避免地被基于IP的更加通用的信令所替代。新一代基于IP的协议将用于控制和管理下一代网络的资源。 令人兴奋的是，本书包含了新业务和正在兴起的下一代网络体系结构的内容。本书的目的主要是为了介绍基本网络体系结构的概念和原理以及它们在现有和新兴网络中的应用。我们着重强调了IP协议在未来网络中的关键作用，并同时给出了网络基本概念的广阔应用范围。我们希望读者了解不同的网络设计方案，从而对未来网络的不断变化做好充分的准备。 适用课程 本书可用于计算机网络和通信网的入门性课程，适用于电气工程、计算机科学专业的高年级本科生和研究生一年级的学生。本书涵盖了计算机网络和通信网课程中一个学期所要学习的全部基本内容，在后续章节中还包含了一些附加内容和高级主题，因此本书也可用于两个学期的连续课程。由于书中包含了新兴网络体系结构的最新内容，所以也适用于工程技术和计算机方面的专业人员。 作为先决条件，本书假定读者具备计算机系统方面的常识，在某些可选章节中，读者还需要具备程序设计、初等概率论和初等微积分学的知识。这些章节前已标注有*号，学生在阅读本书时可以跳过相关内容。 方法和内容 本书共分为三个部分。第一部分介绍了网络的演变历程，介绍构成分层网络体系结构基础的主要概念和功能。我们给出研究者所熟悉的网络业务和应用示例(如Web浏览、电子邮件和电话)，并说明网络是怎样支持这些业务的。本书构建出一幅网络“全局图”，以帮助学生理解网络体系结构的各个部分是怎样协同工作，从而组成一个整体的。 第一部分 网络的总体描述(第1、2章)： ● 电报网、电话网和计算机网等概念的演变 ● 业务和应用怎样促进网络体系结构的发展 ● 不同层之间怎样协作以提供业务 ● 应用层、传输层和套接字 ● 实验准备：网络协议分析器、IP实用程序和套接字程序设计 第二部分介绍了网络体系结构的基本概念，并着重介绍协议栈中较低的4层。我们首先逐步介绍基本概念和原理，然后再举出具体示例来说明其应用。例如，在介绍ARQ的时候，首先把它作为对等协议的一个具体示例来进行详细说明，然后讨论它在TCP可靠流服务和流量控制中的应用。这部分的内容不仅涵盖了基本的计算机网络论题，还进一步论述了接入网和传输网、电话和蜂窝业务及其信令。这些附加的内容是可选的，本书之所以包含这些内容，是因为我们相信在不久的将来，网络体系结构的发展势必会将IP协议的应用扩展到传统的网络和业务中。 第二部分 网络体系结构的基本概念(第3~7章)： ● 数字传输；铜线、电缆、无线电和光介质 ● SONET和光网络 ● 电路交换、信令、电话业务和移动性 ● 对等协议设计；PPP、HDLC、POS和GFP ● 介质访问控制；以太网和802.11无线局域网 ● 语音和数字蜂窝网 ● 分组交换、路由、拥塞控制和QoS 第三部分和附录论述了重要的网络体系结构、其他高级主题和下一代网络，以及塑造于下一代网络的协议和标准。 第三部分 重要体系结构、高级主题和下一代网络(第8~12章及附录)： ● IPv4和IPv6；TCP、UDP；RIP、OSPF、BGP；DHCP和移动IP ● ATM网络 ● 新的体系结构：IntServ、RSVP、DiffServ、对等和重叠模式的网络互联、MPLS和GMPLS、RTP、SIP和H.323 ● 网络安全：DES和AES、RSA、IPSec、SSL、TLS和802.11 ● 多媒体标准：JPEG、MPEG、音频应用、MP3和IP语音会话 ● 网络管理和性能建模 本书试图以一种平衡的视角来考虑所有重要的网络基本元素。对于一个学期的介绍性课程来说，因为课时有限，所以对这些重要的网络原理做到面面俱到就显得比较困难。我们对本书的内容做了较好的组织，尽量以最少的文字来详细说明所有相关的论题。本书的附加内容用于教师进一步深入地研究某些论题。后文还将介绍各章节之间的相关性。 相对于第一版的改动 在第2版中最重要的改动是，在网络协议教学中广泛应用的开放源码式的Ethereal网络协议分析器。Ethereal允许任何PC机捕捉实时的网络流量，并分析第二层被捕获的信息流和更高层的头部及净荷。Ethereal用于以下几种情况： ● 利用Ethereal抓包机示例来说明协议的操作，如HTTP、SMTP、Telnet、SIP、RSVP、 RTP、DNS、TCP、UDP、OSPF、IP、ARP、Ethernet、802.11、PPP、LCP、IPCP、SSL和TLS等的操作。 ● 习题部分的某些练习要求学生自己来实现抓包机，利用真实的网络流量来检验和分析协议的操作。 本书的第2版在组织结构和内容上也存在不少变化。下面，我们将列出本书相对于第1版在结构和内容上的主要改变： ● 我们已对本书内容做了重新编排，在阅读的时候可以跳过部分选读章节，而不会影响主题内容的连续性。包含可选读内容的章节用星号(*)在标题处标识出来。 ● 缩减了第1章的内容，简化了有关网络发展历程的讨论，在讨论网络演变的同时介绍网络每一层的功能。 ● 在第2章讨论所有的层怎样协同工作时，引入了几个使用Ethereal进行分组捕捉的示例，对该问题的论述做了进一步改进。此外，我们对讨论应用层协议的章节进行了扩展，并新增加了一节内容来介绍网络协议分析器。 ● 将对PCM语音编码的论述从第12章移到了第3章。 ● 第4章中，我们对SONET和光传输网做了更为详细的介绍，删除了卫星蜂窝网的内容。 ● 第5章现在包含两部分内容。第Ⅰ部分使用可靠数据传输协议作为示例来介绍对等协议，另外还包括TCP可靠字节流服务的内容。第Ⅱ部分集中介绍数据链路层协议，且增加一节内容来介绍成帧技术。 ● 第6章也被分为两部分。第Ⅰ部分介绍介质访问控制协议的原理，第Ⅱ部分介绍局域网。我们简化了介质访问控制的数学讨论，并用单独的一节对其进行详细讨论。 ● 在第7章中，我们简化了分组网的讨论，并详细地单独介绍了目前较为先进的流量管理技术。 ● 第8章使用了分组捕捉的示例来说明TCP/IP协议的操作。 ● 第10章的章名是“现代网络体系结构”，我们对该章内容做了较大改动。把原来讨论ATM over IP的部分删除掉，取而代之的是对用于网络互联的重叠模型和对等模型的讨论。该章还介绍了虚拟网络和GMPLS，更新了RTP和SIP的内容，并把它们从第12章移到本章。 ● 第11章的内容有所更新，简要讨论了高级加密标准和802.11的安全机制。 各章节的相关性 本书的编写是为了用于计算机和通信网方面的各种入门课程。通过适当地选择章节，教师可以有自己授课的侧重点，也可以根据学生的具体情况适当地调整内容。图1是本书各章节之间相关性的流程图。其中，实线表明了主题的顺序，这些主题形成了大多数入门课程的核心。虚线表明了可以在各主题区域内进行进一步深入讨论的小节。圆括号中的小节号表示仅子节存在相关性。第8章之后(包括第8章)各章间的相关性较小。第11章仅在IPv4和IPv6的头结构部分与第8章关联；第12章仅与3.1节和3.2节相关；附录A中的排队模型为4.7节、5.7节和6.5节提供了参考资料，因为这些小节都涉及到了性能建模。 图1 各章节间的相关性(实线箭头说明了核心主题的顺序) 教学工具 在本书中，我们对第1版所使用的教学工具进行了改进，并应用了一些新的教学工具。 ● Ethereal虚拟实验室。实验是对课堂上所学概念加深理解的最有效手段。在物理层有多种工具(如示波镜、频谱仪、分析器、误比特率装置)，不仅可以用来调试系统，还可以在实验室中用于教学和演示实际系统中各种原理和概念的应用。Jacobson、Leres和McCanne编写的tcpdump程序已成为许多网络协议分析器的基础。目前在实际环境和实验室里，网络协议分析器被用来调试网络系统中所使用的协议。开放源码的Ethereal工具就是一种网络分析器，它支持大量的网络协议，并由一个巨大的开发者团队对其进行不断更新。我们已经在课堂上和实验中采用Ethereal来讲解协议，发现采用Ethereal可以有效地把协议的原理和概念生动地展现在学生面前。 图2显示了采用Ethereal进行分组捕捉的示例，学生可以很容易地在家中从PC机上捕捉到类似的视图。在该图中，最上面的窗格显示了学生在点击一个网络链接后所产生的分组序列：DNS查询和应答；TCP通过三次握手建立连接；HTTP请求，然后依次是TCP确认应答和HTTP开始响应。通过这种方式，我们可以分析多种类型协议分组顺序的交换。中间的窗格使得使用者可以深入研究第二层及其上层的任何协议数据单元头部的详细信息，另外，它还显示了IP、UDP和DNS头部的详细内容。底部的窗格使用户可以有针对地研究头部和净荷中比特和字节的内容。Ethereal已经开发出一系列丰富的功能，用于在实验室开发和实际环境下调试协议，这使得Ethereal成为功能强大的教学工具。 图2 Ethereal示例窗口 本书使用Ethereal来分析PPP、HDLC、Ethernet、MPLS、IP、IPv6、OSPF、UDP、 TCP、DNS、HTTP、RTP、SIP、H.323、SSL和TLS。本书还介绍了一些网络应用程序，如PING、IPconfig、netstat和traceroute，这些程序都可以用在需要Ethereal分组捕捉的练习中。 另外本书还采用如下内容来帮助读者更透彻地理解所学知识。 ● 大量的图表，如网络示意图、时间图、性能图解和状态转换图。这些图在说明网络的原理和概念时都是必不可少的有效工具。 ● 大量的示例。在讨论基本概念和原理的同时，会结合具体示例来说明这些概念和原理在实际环境中的应用。在可能的情况下，原文中还将包括用数字表示的示例。 ● 注意部分。注意部分用来论述网络的发展趋势以及业界所关注的发展状况，并预测网络未来的发展，激发新的研究课题。 ● 习题。作者坚信在学习的过程中必定包含疑难问题的解决。本书大约含有600道习题。每一章的习题包括从概念和原理的简单应用到各种原理和问题的研究、开发或详细阐述，难度深浅不一。定量分析的习题包含从简单的计算到某些算法、技术或网络的各个方面简要的论文研究。我们也在相关的章节中安排了一些涉及到套接字和TCP/IP应用程序的程序设计题。 ● 章首简介。每一章都包含一段介绍性的文字，概述了该章和网络“全局图”上下文所包含的内容。 ● 章尾的总结和重要术语列表。每一章都包含一段结束语，总结说明了该章中最重要的概念和原理。重要术语的列表有助于学生复习书中的内容。 ● 数学论证。重要的数学结论一般都放在正文中做概要论述。数学论证小节(可选)则包含更为详细的数学论述或是这些结论的数学推导。 ● 进阶读物。每一章都包含一个进阶读物列表。对于给定的介绍性文本，进阶读物多是一些内容更为前沿的资料。在本书的有些内容，尤其是较新论题的研究中需要参考Internet工程任务组(IETF)相应的RFC文档和研究论文。 ● 网站。网站可以链接到以下教学资源： 教师解答指南 为教师提供的补充问题、习题和实验 学生使用的部分习题的答案 生动的PowerPoint授课文稿和演示文稿 到一些有用、有趣网站的链接