作者吳功宜在40年前大學(xué)畢業(yè)留校參加工作時，曾經(jīng)向一位老先生請教如何教好一門課。老先生送給作者的一句話是：“你要給學(xué)生一勺水，那么你自己就需要準(zhǔn)備一桶水”。多年的教學(xué)實踐使作者深刻地體會到：要教好一門課，教師需要通過教學(xué)研究，深入理解課程的精髓，掌握教學(xué)規(guī)律；通過科研來提高自身的學(xué)術(shù)水平，提高理論聯(lián)系實際的能力。有以上兩點還不夠，還需要在教學(xué)的過程中，不斷地向?qū)W生學(xué)習(xí)，了解初學(xué)者對某些問題的認識過程與規(guī)律，搞懂初學(xué)者對哪些問題不容易掌握，以及為什么不容易掌握。

　　在規(guī)劃教材體系建設(shè)時，注意到理論知識學(xué)習(xí)和實際能力培養(yǎng)的關(guān)系問題。主教材內(nèi)容定位與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的總體水平，力求做到知識體系設(shè)計合理，難易程度適中，配套教材齊全，能夠適應(yīng)我國不同地區(qū)、不同學(xué)校和專業(yè)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的基本要求。經(jīng)過十多年的努力，基本形成了由“一本主教材、四本輔助教材和一個電子教案”構(gòu)成的教材體系，為計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革提供了一個良好的平臺。

　　主教材《計算機網(wǎng)絡(luò)（第4版）》的特點是：

　　*，打牢網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

　　在知識結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，堅持以支撐互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的共性技術(shù)為主線，每一章內(nèi)容力求集中回答其中一個基本的問題。

　　通過剖析常用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例，對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法進行討論，幫助讀者漸進、潛移默化地接受前人成熟的研究方法與成果，為繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

　　第二，貼近技術(shù)發(fā)展前沿。

　　計算機網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中發(fā)展*為迅速的技術(shù)之一，也是計算機應(yīng)用中一個空前活躍的領(lǐng)域。作者潛心研讀了近年來國內(nèi)外計算機網(wǎng)絡(luò)的重要著作、文獻，并結(jié)合個人與科研團隊的研究工作，貼近技術(shù)發(fā)展前沿，探討計算機網(wǎng)絡(luò)知識體系中“變”與“不變”的關(guān)系，分析學(xué)生學(xué)習(xí)過程中“難點”和為什么會成為難點的問題,突出計算機專業(yè)的特點,對相關(guān)章節(jié)內(nèi)容做出了適當(dāng)?shù)厝∩?相對較多地增加了無線網(wǎng)絡(luò)的份量,形成第4版的知識體系。

　　第三，以“系統(tǒng)觀”的思路組織網(wǎng)絡(luò)知識體系。

　　計算機專業(yè)學(xué)生需要更強調(diào)計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力的核心是培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計和構(gòu)建以計算技術(shù)為核心、新的應(yīng)用系統(tǒng)的能力，而網(wǎng)絡(luò)知識是計算機系統(tǒng)能力的重要組成部分。因此，計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)要將計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)看成一個有機的整體，引導(dǎo)學(xué)生用計算機組成原理、操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，去理解計算機網(wǎng)絡(luò)基本工作原理，學(xué)會用軟件編程的方法去實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，使得學(xué)生能夠準(zhǔn)確描述與構(gòu)建出真實網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的模型，以及有效地構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的能力。教程在組織每一章、每一個知識點，以及習(xí)題、網(wǎng)絡(luò)軟件編程與硬件訓(xùn)練，都力求做到這一點。

　　第四，貫徹“以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向”的教學(xué)理念。

　　計算機網(wǎng)絡(luò)是一門應(yīng)用性與實踐性很強的課程。學(xué)生只有通過系統(tǒng)地訓(xùn)練，才有可能真正掌握和深入理解網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本理論與方法。教學(xué)團隊在規(guī)劃教材體系建設(shè)時，堅持“以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向”的指導(dǎo)思想，經(jīng)過近二十年的努力，形成了由“一本主教材、四本輔助教材和一個電子教案”構(gòu)成的教材體系。

　　清華大學(xué)出版社為《計算機網(wǎng)絡(luò)（第4版）》在線教學(xué)版配套開發(fā)了豐富的在線教學(xué)資源，可以在清華大學(xué)出版社的在線教學(xué)平臺上進行練習(xí)與測試，實現(xiàn)教學(xué)互動、智能學(xué)習(xí)。

　　本書可以供計算機、軟件工程、信息安全、物聯(lián)網(wǎng)工程、傳感網(wǎng)技術(shù)、通信工程與電子信息等相關(guān)專業(yè)的本科與碩士研究生作為計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教材或教學(xué)參考書，也可以作為從事信息技術(shù)的工程技術(shù)人員與技術(shù)管理人員學(xué)習(xí)、研究網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的參考書。

　　如果將“分組交換”概念的提出與ARPANET的出現(xiàn)作為計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起點，那么計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的發(fā)展歷程�；仡櫨W(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展的歷程，可以清晰地看到它是沿著“互聯(lián)網(wǎng)—移動互聯(lián)網(wǎng)—物聯(lián)網(wǎng)”的軌跡，“由小到大”一步一步地發(fā)展、壯大，“由表及里”地滲透到社會的各行各業(yè)與各個領(lǐng)域。

　　作者記得1984年*次在南開大學(xué)計算機系開設(shè)“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程時，計算機系一屆的百名學(xué)生中只有7位學(xué)生選修了這門課程，人們對計算機網(wǎng)絡(luò)都很陌生。30多年過去了，計算機網(wǎng)絡(luò)*成功的應(yīng)用——互聯(lián)網(wǎng)——已經(jīng)成為人們生活與工作環(huán)境的重要組成部分。互聯(lián)網(wǎng)正在改變著人們的生活方式、工作方式與思維方式，也正在改變著世界經(jīng)濟與社會發(fā)展的進程�，F(xiàn)在談到計算機網(wǎng)絡(luò)時,人們自然會聯(lián)想到當(dāng)前社會熱議的幾個關(guān)鍵詞——“網(wǎng)絡(luò)強國”“互聯(lián)網(wǎng)+” 與“網(wǎng)絡(luò)空間安全”。

　　作者在多年的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與科研工作中，跟蹤著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與應(yīng)用的發(fā)展，見證了計算機網(wǎng)絡(luò)從互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展過程。1995年作者參與研究并起草“天津市信息港工程規(guī)劃綱要”，至今也是20年前的事了。在這20多年里，作者見證了我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、社會信息化與信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程；在參與和主持城市信息化建設(shè)“九五”、“十五”與“十一五”發(fā)展規(guī)劃的研究工作中，作者見證了我國互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的快速增長與互聯(lián)網(wǎng)概念逐漸被社會大眾接受的過程，學(xué)會從宏觀的角度去認識網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，體會網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對信息產(chǎn)業(yè)與社會經(jīng)濟發(fā)展的重大影響。這些經(jīng)歷使得作者逐漸對計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有了更加深刻、全面的認識。我國是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的大國，但不是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)強國。要實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)強國”之夢，要通過“互聯(lián)網(wǎng)+”的路徑來推進我國經(jīng)濟發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型，要捍衛(wèi)我國“網(wǎng)絡(luò)空間安全”，就必須培養(yǎng)出大批的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)精英，大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)應(yīng)該在培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高水平人才方面發(fā)揮重要的作用。

　　出于這樣的認識，作者在修訂《計算機網(wǎng)絡(luò)》的第4版時，注意解決以下幾個的問題。

　　*，打牢網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

　　根據(jù)作者科研和教學(xué)工作體會，在第4版的寫作中力求做到“結(jié)構(gòu)清晰，環(huán)環(huán)相扣，逐步遞進；語言流暢，圖文并茂，易讀易懂”。在知識結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，堅持每一章內(nèi)容力求集中回答計算機網(wǎng)絡(luò)中一些基本的問題。這些問題是：

　　第1章基本概念： 什么是計算機網(wǎng)絡(luò)？

　　第2章物理層： 網(wǎng)絡(luò)中比特流傳輸是如何實現(xiàn)的？

　　第3章數(shù)據(jù)鏈路層： 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性是如何保證的？前言計算機網(wǎng)絡(luò)（第4版）第4章介質(zhì)訪問子層： *常用的Ethernet與Wi�睩i的網(wǎng)絡(luò)功能是如何實現(xiàn)的？

　　第5章網(wǎng)絡(luò)層： 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是如何實現(xiàn)的？

　　第6章傳輸層： 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式進程通信是如何實現(xiàn)的？

　　第7章應(yīng)用層： 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)是如何設(shè)計與實現(xiàn)的？

　　第8章網(wǎng)絡(luò)安全： 如何保證網(wǎng)絡(luò)安全？

　　為了達到“打牢網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)基礎(chǔ)”的目標(biāo)，本書堅持加強“基礎(chǔ)與方法論”的教學(xué)，在后續(xù)章節(jié)不斷深化，并通過剖析常用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例，對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計方法進行總結(jié)，幫助讀者漸進地、潛移默化地接受前人成熟的研究方法與成果，為進一步學(xué)習(xí)和研究網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

　　第二，貼近技術(shù)發(fā)展前沿。

　　計算機網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中發(fā)展*為迅速的技術(shù)之一，也是計算機應(yīng)用中一個空前活躍的領(lǐng)域。如果說廣域網(wǎng)擴大了信息社會中資源共享的廣度，城域網(wǎng)擴大了用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的范圍，局域網(wǎng)擴大了信息資源共享的深度，個人區(qū)域網(wǎng)與人體區(qū)域網(wǎng)增強了人類共享信息資源的靈活性，那么物聯(lián)網(wǎng)就是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用RFID和各種感知技術(shù)自動獲取物理世界的信息，構(gòu)建覆蓋世界上人與人、人與物、物與物的各種智能信息系統(tǒng)。今后計算機與各種智能手機、PDA、傳感器、射頻標(biāo)簽(RFID)與移動智能終端設(shè)備都會連接到網(wǎng)絡(luò)之中。

　　隨著無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)+、移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)也面臨著一個快速變化的局面。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與知識更新的速度也會進一步加快，這就給從事計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的教師提供了更大的發(fā)展空間，要求我們更快地改進網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)內(nèi)容與方法。這是一個艱苦的過程。因為做“加法”的前提是要做好“減法”。增加新技術(shù)的內(nèi)容比較容易，但是做“減法”時，刪除過渡性技術(shù)與陳舊內(nèi)容的過程的確很難。作者潛心研讀了近年來國內(nèi)外計算機網(wǎng)絡(luò)的重要文獻，并結(jié)合個人與科研團隊的研究工作，認真探討計算機網(wǎng)絡(luò)知識體系中“變”與“不變”的關(guān)系，分析學(xué)生學(xué)習(xí)過程中“難點”和為什么會成為難點的問題。對相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容做出了適當(dāng)取舍。

　　第三，以“系統(tǒng)觀”的思路組織網(wǎng)絡(luò)知識體系。

　　計算機專業(yè)學(xué)生需要更強調(diào)計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。計算機系統(tǒng)能力的核心是培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計和構(gòu)建以計算技術(shù)為核心、新的應(yīng)用系統(tǒng)的能力，而網(wǎng)絡(luò)知識是計算機系統(tǒng)能力的重要組成部分。因此，計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)要將計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)視為一個有機的整體，引導(dǎo)學(xué)生用計算機組成原理、操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，去理解計算機網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理，學(xué)會用軟件編程的方法去實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，使得學(xué)生能夠準(zhǔn)確描述與構(gòu)建出真實網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模型，以及有效地構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能力。本書在組織每一章、每一個知識點，以及習(xí)題、網(wǎng)絡(luò)軟件編程與硬件訓(xùn)練都力求做到這一點。在第7章“應(yīng)用層”中，作者選取了代表性的Internet應(yīng)用——E�瞞ail、Web，尤其是FTP應(yīng)用，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、軟件編程與操作系統(tǒng)進程通信交互過程的角度，采用“系統(tǒng)觀”的方法對前5章描述的計算機網(wǎng)絡(luò)的概念、原理與實現(xiàn)方法進行了概括和總結(jié)。

　　第四，貫徹“以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向”的教學(xué)理念。

　　“計算機網(wǎng)絡(luò)”是一門應(yīng)用性與實踐性很強的課程。學(xué)生只有通過系統(tǒng)地訓(xùn)練，才有可能真正掌握和深入理解網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本理論與方法。教學(xué)團隊在規(guī)劃教材體系建設(shè)時，堅持“以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向”的指導(dǎo)思想，經(jīng)過20多年的努力，基本形成了由“1本主教材、4本輔助教材、1個電子教案和1個題庫”構(gòu)成的教材體系。與主教材配套的有《計算機網(wǎng)絡(luò)教師用書》(第4版)、《計算機網(wǎng)絡(luò)實驗指導(dǎo)書》(第3版)、《計算機網(wǎng)絡(luò)軟件編程指導(dǎo)》、《計算機網(wǎng)絡(luò)習(xí)題集與習(xí)題解析》(第2版)和“計算機網(wǎng)絡(luò)題庫”。

　　《計算機網(wǎng)絡(luò)實驗指導(dǎo)書》(第3版)編寫了16個網(wǎng)絡(luò)實驗。該書作者總結(jié)了多年指導(dǎo)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)硬件實驗課程的教學(xué)經(jīng)驗，參考了國際著名的網(wǎng)絡(luò)公司的認證考試內(nèi)容，設(shè)計了覆蓋物理層到數(shù)據(jù)傳輸，從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)安全的網(wǎng)絡(luò)實驗課題，實驗內(nèi)容覆蓋了從基本的組網(wǎng)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置，簡單的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境編程到網(wǎng)絡(luò)仿真的基本要求。每個實驗給出了進一步掌握該實驗內(nèi)容的練習(xí)與思考題。實驗所要求的設(shè)備相對比較簡單，目前大多數(shù)學(xué)校都具備基本的實驗要求。

　　《計算機網(wǎng)絡(luò)軟件編程指導(dǎo)》構(gòu)思了13個網(wǎng)絡(luò)軟件編程題目。網(wǎng)絡(luò)軟件編程的選題考慮到不同層次網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的覆蓋，同時將編程題目分為三個難度級，讀者可以參考選題指導(dǎo)，根據(jù)不同的要求和不同的基礎(chǔ)，有選擇地、循序漸進地完成網(wǎng)絡(luò)軟件編程訓(xùn)練，配合主教材的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生“通過實際編程問題的訓(xùn)練，達到加深理解網(wǎng)絡(luò)基本工作原理，掌握網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中軟件編程方法，提高網(wǎng)絡(luò)軟件編程能力”的目的。

　　《計算機網(wǎng)絡(luò)習(xí)題集與習(xí)題解析》(第2版)主要研究和參考了Cisco等重要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商認證培訓(xùn)大綱與試題、計算機專業(yè)研究生入學(xué)統(tǒng)考大綱與試題、全國計算機等級考試(四級)網(wǎng)絡(luò)工程師考試大綱與試題，并從網(wǎng)上收集了一些計算機、通信與軟件產(chǎn)業(yè)人員的招聘考題，在系統(tǒng)地分析、比較的基礎(chǔ)上，按照主教材的體系與教學(xué)要求，編寫了習(xí)題解析與同步練習(xí)。該書的特點是： 教師可以使用或參考書中提供的習(xí)題作為課后練習(xí)；學(xué)生可以隨著教學(xué)進度，自我檢查知識掌握情況；可以作為計算機及相關(guān)專業(yè)學(xué)生準(zhǔn)備參加計算機專業(yè)碩士研究生全國統(tǒng)考、求職考試的復(fù)習(xí)參考書。

　　《計算機網(wǎng)絡(luò)教師用書》(第4版)具有三個特點： 一是對主教材的知識體系及每一章的知識點的結(jié)構(gòu)均做出了分析，幫助任課教師對全局與局部內(nèi)容的關(guān)系有準(zhǔn)確地把握；二是作者根據(jù)多年的教學(xué)、科研積累，針對主教材各章節(jié)重要的知識點、難點，總結(jié)出300多道任課教師或?qū)W生曾經(jīng)提出的問題，并逐一做出了解答；三是為了幫助教師組織好教學(xué)過程，教師用書將主教材每一章中較難的練習(xí)題都給出了解析，供任課教師參考。

　　按照主教材的體系，作者在“計算機網(wǎng)絡(luò)題庫”中收集、整理和補充了1000多道網(wǎng)絡(luò)習(xí)題，并進行了詳細的解析。

　　《計算機網(wǎng)絡(luò)》的第1版于2003年出版，經(jīng)過多年的努力，形成了比較完備的教學(xué)與教學(xué)資源體系。主教材于2007年修訂出版了第2版；2011年修訂出版了第3版。其中，第2版被評為普通高等教育“十一五”*規(guī)劃教材；第3版被評為“十二五”普通高等教育本科*規(guī)劃教材；第2版被評為2008年度“普通高等教育精品教材”。但是，作者自知“盛名之下，其實難符”。為了不辜負廣大讀者的期望，作者與團隊成員多年來參照國內(nèi)外知名大學(xué)教材，研究知名大學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)內(nèi)容、教材與主要參考書、作業(yè)與實驗，以及教學(xué)方法改革的動向；選擇國際上*流行的教材為參照系，結(jié)合團隊成員的科研與教學(xué)研究體會，使修訂出版的《計算機網(wǎng)絡(luò)》(第4版)在水平與質(zhì)量上具有可比性。

　　教材的寫作得到南開大學(xué)劉瑞挺教授、徐敬東教授、張建忠教授、吳英副教授、張玉副教授和許昱瑋老師以及網(wǎng)絡(luò)實驗室很多學(xué)生的幫助。吳英副教授編著完成了書中的插圖與習(xí)題，修改了第7章、第8章。劉立新老師幫助在網(wǎng)上查找了很多習(xí)題，作者在此表示感謝。同時，作者也非常感謝夫人牛秀卿教授，正是有她的理解和支持，才使作者能夠安心研究和寫作。

　　面對計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速更新和發(fā)展，要完成這樣一個高標(biāo)準(zhǔn)的寫作任務(wù)，作者感到壓力很大。限于作者的學(xué)術(shù)水平，書中難免有錯誤與不妥之處，誠懇地希望讀者批評指正。對于在使用前幾版教材并提出過寶貴意見和建議的老師們深表感謝，也希望諸位繼續(xù)關(guān)注和指教，共同為提高我國“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)水平而努力。

　　吳功宜

　　2017年1月

　　吳功宜，南開大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。長期從事互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與信息安全方向的教學(xué)與研究工作。歷任南開大學(xué)計算機系主任、研究生院常務(wù)副院長、信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院院長。從1984年開始為本科生和研究生講授“計算機網(wǎng)絡(luò)”等課程，連續(xù)從事“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)30年；在計算機網(wǎng)絡(luò)與信息安全方向招收和指導(dǎo)碩士、博士研究生；主持和參加完成計算機網(wǎng)絡(luò)與信息安全方向的科研項目20余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇；參加編著和出版的教材、專著共30余部，其中《計算機網(wǎng)絡(luò)》被評為教育部高等教育精品教材、教育部“十二五”高等教育本科*規(guī)劃教材；《計算機網(wǎng)絡(luò)高級教程（第2版）》、《計算機網(wǎng)絡(luò)高級軟件編程技術(shù)（第2版）》與《網(wǎng)絡(luò)安全高級軟件編程技術(shù)》為“十一五”國家重點圖書、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科前沿叢書與研究生系列教材（中文版）；《物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論》為“十二五”國家重點圖書、教育部“十二五”高等教育本科*規(guī)劃教材；主持教育部考試中心《全國計算機等級考試（四級）網(wǎng)絡(luò)工程師》大綱制定與教材編寫任務(wù)。2000年獲南開大學(xué)優(yōu)秀教師特等獎；2003年獲天津市“十五”立功獎?wù)拢?009年“以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體系建設(shè)”項目獲天津市教學(xué)成果一等獎；享受國務(wù)院政府特殊津貼。

　　吳英，南開大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院副教授、博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)存儲，主持與參加科研項目8項，近年發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇；編著與出版教材、譯著共10部。多年來一直從事計算機網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論與軟件編程教學(xué)工作；曾獲天津市教學(xué)成果一等獎1項。

第1章計算機網(wǎng)絡(luò)概論1 

1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展1 

1.1.1計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段的劃分1 

1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展2 

1.1.3Internet的高速發(fā)展10 

1.1.4寬帶城域網(wǎng)與三網(wǎng)融合技術(shù)的發(fā)展10 

1.1.5物聯(lián)網(wǎng)的形成與發(fā)展11 

1.2計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的三條主線12 

1.2.1*條主線: 從ARPANET到Internet12 

1.2.2第二條主線: 從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)13 

1.2.3第三條主線: 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)13 

1.3計算機網(wǎng)絡(luò)定義與分類14 

1.3.1計算機網(wǎng)絡(luò)定義14 

1.3.2我們生活與工作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境15 

1.3.3廣域網(wǎng)18 

1.3.4城域網(wǎng)20 

1.3.5局域網(wǎng)23 

1.3.6個人區(qū)域網(wǎng)23 

1.3.7人體區(qū)域網(wǎng)25 

1.4計算機網(wǎng)絡(luò)的組成與結(jié)構(gòu)26 

1.4.1早期計算機網(wǎng)絡(luò)的組成與結(jié)構(gòu)26 

1.4.2ISP的層次結(jié)構(gòu)26 

1.4.3Internet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)27 

1.5計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)29 

1.5.1計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲的定義29 

1.5.2計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲的分類與特點29 

1.6分組交換技術(shù)的基本概念30 

1.6.1數(shù)據(jù)交換方式的分類30 

1.6.2線路交換的特點31 

1.6.3分組交換的特點32 

1.6.4數(shù)據(jù)報方式與虛電路方式34 

1.6.5分組交換網(wǎng)中的延時36 

1.6.6面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)40 

1.7網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議42 

1.7.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念42 

1.7.2OSI參考模型46 

1.7.3TCP/IP參考模型50 

1.7.4OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較52 

1.7.5網(wǎng)絡(luò)與Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化組織和管理機構(gòu)53 

1.7.6一種建議的參考模型55 

小結(jié)56 

習(xí)題56 

第2章物理層58 

2.1物理層與物理層協(xié)議的基本概念58 

2.1.1物理層的基本服務(wù)功能58 

2.1.2物理層協(xié)議的類型59 

2.1.3物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)60 

2.2數(shù)據(jù)通信的基本概念61 

2.2.1信息、數(shù)據(jù)與信號61 

2.2.2數(shù)據(jù)通信方式62 

2.2.3傳輸介質(zhì)的主要類型與特性66 

2.2.4數(shù)據(jù)編碼分類73 

2.3頻帶傳輸技術(shù)74 

2.3.1頻帶傳輸?shù)幕�本概�?4 

2.3.2模擬數(shù)據(jù)信號編碼方法74 

2.3.3波特率的定義75 

2.4基帶傳輸技術(shù)77 

2.4.1基帶傳輸?shù)亩�義77 

2.4.2數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法77 

2.4.3脈沖編碼調(diào)制方法78 

2.4.4比特率的定義80 

2.4.5奈奎斯特準(zhǔn)則與香農(nóng)定理81 

2.5多路復(fù)用技術(shù)81 

2.5.1多路復(fù)用的基本概念81 

2.5.2時分多路復(fù)用83 

2.5.3頻分多路復(fù)用84 

2.5.4波分多路復(fù)用85 

2.6同步光纖網(wǎng)與同步數(shù)字體系85 

2.6.1SONET與SDH的基本概念85 

2.6.2基本速率標(biāo)準(zhǔn)的制定86 

2.6.3SDH速率體系86 

2.7接入技術(shù)88 

2.7.1接入技術(shù)的分類88 

2.7.2ADSL接入技術(shù)89 

2.7.3HFC接入技術(shù)91 

2.7.4光纖接入技術(shù)93 

2.7.5移動通信接入技術(shù)95 

小結(jié)98 

習(xí)題98 

第3章數(shù)據(jù)鏈路層100 

3.1差錯產(chǎn)生的原因與差錯控制方法100 

3.1.1設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路層的原因100 

3.1.2差錯產(chǎn)生的原因和差錯類型101 

3.1.3誤碼率的定義102 

3.1.4檢錯碼與糾錯碼102 

3.1.5循環(huán)冗余編碼工作原理102 

3.1.6差錯控制機制105 

3.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念106 

3.2.1鏈路與數(shù)據(jù)鏈路106 

3.2.2數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能106 

3.2.3數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層、物理層的關(guān)系107 

3.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的演變與發(fā)展109 

3.3.1面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的特點109 

3.3.2面向比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的特點112 

3.4點�颤c協(xié)議115 

3.4.1PPP協(xié)議的主要特點115 

3.4.2PPP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)116 

3.4.3PPP協(xié)議工作過程117 

小結(jié)120 

習(xí)題120

　　第3章數(shù)據(jù)鏈路層

　　本章將從差錯產(chǎn)生的原因與差錯控制方法入手，討論基于點.點通信線路的數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念與服務(wù)功能，以及典型的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。本章教學(xué)要求

　　理解: 數(shù)據(jù)傳輸過程中差錯產(chǎn)生的原因與性質(zhì)。

　　掌握: 誤碼率的定義與差錯控制方法。

　　掌握: 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念。

　　了解: 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的分類方法。

　　掌握: 典型的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議——PPP基本工作原理。

　　3.1差錯產(chǎn)生的原因與差錯控制方法[*4/5]3.1.1設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路層的原因在討論數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念與協(xié)議前，需要討論一個問題，那就是為什么要設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路層？這個問題可以從以下三個方面來回答。

　　（1） 物理線路由傳輸介質(zhì)與通信設(shè)備組成。在物理線路上傳輸數(shù)據(jù)信號是存在差錯的。誤碼率是指二進制比特在數(shù)據(jù)傳輸過程中被傳錯的概率。在實際物理線路的傳輸過程中，人們需要進行大量測試，求出各種物理線路的平均誤碼率，或者給出某些特殊情況下的平均誤碼率。測試結(jié)果表明: 電話線路的傳輸速率在300～2400bps時，平均誤碼率在10-4～10-6之間；傳輸速率在4800～9600bps時，平均誤碼率在10-2～10-4之間。由于計算機網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)通信的要求是平均誤碼率必須低于10-9，因此普通電話線路不采取差錯控制措施就不能滿足計算機網(wǎng)絡(luò)的要求。

　　（2） 設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的是在有差錯的物理線路的基礎(chǔ)上，采取差錯檢測、差錯控制與流量控制等方法，將有差錯的物理線路改進成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路，向網(wǎng)絡(luò)層提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

　　（3） 從參考模型的角度來看，物理層以上的各層都有改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的責(zé)任，數(shù)據(jù)鏈路層是*重要的一層。

　　3.1.2差錯產(chǎn)生的原因和差錯類型

　　我們將通過物理線路傳輸之后接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象稱為傳輸差錯（簡稱差錯）。差錯的產(chǎn)生是不可避免的，我們的任務(wù)是分析差錯產(chǎn)生的原因與類型，研究檢查是否出現(xiàn)差錯以及如何糾正差錯的差錯控制方法。

　　差錯的產(chǎn)生過程如圖3.1所示。其中，圖3.1（a）表示的是數(shù)據(jù)通過通信信道的過程；圖3.1（b）表示的是數(shù)據(jù)傳輸過程中噪聲的影響。

　　圖3.1差錯的產(chǎn)生過程

　　數(shù)據(jù)鏈路層第 3 章計算機網(wǎng)絡(luò)（第4版）當(dāng)數(shù)據(jù)信號從發(fā)送端出發(fā)經(jīng)過物理線路時，由于物理線路存在著噪聲，因此數(shù)據(jù)信號通過物理線路傳輸?shù)浇邮斩藭r，接收信號必然是數(shù)據(jù)信號與噪聲信號電平的疊加。在接收端接收電路在取樣時對疊加后的信號進行判斷，以確定數(shù)據(jù)的0、1值。如果噪聲對信號疊加的結(jié)果在電平判決時引起錯誤，這時就會產(chǎn)生傳輸數(shù)據(jù)的錯誤。

　　物理線路的噪聲分為兩類: 熱噪聲和沖擊噪聲。其中，熱噪聲是由傳輸介質(zhì)導(dǎo)體的電子熱運動產(chǎn)生的。熱噪聲的特點是: 時刻存在，幅度較小，強度與頻率無關(guān)，但是頻譜很寬。熱噪聲是一種隨機的噪聲，由熱噪聲引起的差錯是一種隨機差錯。

　　沖擊噪聲是由外界電磁干擾引起的。與熱噪聲相比，沖擊噪聲的幅度比較大，它是引起傳輸差錯的主要原因。沖擊噪聲持續(xù)時間與數(shù)據(jù)傳輸中每比特的發(fā)送時間相比可能較長，因此沖擊噪聲引起的相鄰多個數(shù)據(jù)位出錯呈突發(fā)性。沖擊噪聲引起的傳輸差錯是一種突發(fā)差錯。引起突發(fā)差錯比特位的長度稱為突發(fā)長度。通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構(gòu)成的。

　　3.1.3誤碼率的定義

　　誤碼率是指二進制比特在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，它在數(shù)值上近似等于Pe = Ne/N。其中，N為傳輸?shù)亩�進制比特總數(shù)，Ne為被傳錯的比特數(shù)。

　　在理解誤碼率的定義時，需要注意以下幾個問題。

　　（1） 誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)。數(shù)據(jù)信號在物理線路傳輸過程中一定會因為噪聲、干擾等原因出現(xiàn)錯誤，傳輸錯誤是正常并且是不可避免的，但是一定要控制在一個允許的范圍內(nèi)。

　　（2） 對于一個實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據(jù)實際傳輸要求提出誤碼率要求。在數(shù)據(jù)傳輸速率確定后，要求傳輸系統(tǒng)的誤碼率越低，則傳輸系統(tǒng)的設(shè)備就會越復(fù)雜，相應(yīng)造價也就越高。

　　（3） 對于實際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌�進制數(shù)，需要折合成二進制數(shù)來計算。

　　（4） 差錯的出現(xiàn)具有隨機性，在實際測量一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進制位數(shù)越大，才會越接近真實的誤碼率值。

　　3.1.4檢錯碼與糾錯碼

　　在計算機通信中，研究檢測與糾正比特流傳輸錯誤的方法稱為差錯控制。差錯控制的目的是減少物理線路的傳輸錯誤，目前還不可能做到檢測和校正所有的差錯。人們在設(shè)計差錯控制方法時提出以下兩種策略。

　　（1） *種策略是采用糾錯碼。糾錯碼為每個傳輸單元加上足夠多的冗余信息，以便接收端能夠發(fā)現(xiàn)，并能夠自動糾正傳輸差錯。

　�。�2） 第二種策略采用檢錯碼。檢錯碼為每個傳輸單元加上一定的冗余信息，接收端可以根據(jù)這些冗余信息發(fā)現(xiàn)傳輸差錯，但是不能確定是哪一位或哪些位出錯，并且自己不能夠自動糾正傳輸差錯。

　　糾錯碼方法雖然有優(yōu)越之處，但是實現(xiàn)起來困難，在一般的通信場合不易采用。檢錯碼方法雖然需要通過重傳機制達到糾錯目的，但是工作原理簡單，實現(xiàn)起來容易，因此得到了廣泛的使用。

　　3.1.5循環(huán)冗余編碼工作原理

　　常用的檢錯碼主要有奇偶校驗碼和循環(huán)冗余編碼。奇偶校驗碼是一種*常見的檢錯碼，它分為垂直奇偶校驗、水平奇偶校驗與水平垂直奇偶校驗（即方陣碼）。奇偶校驗方法簡單，但檢錯能力差，一般只用于通信要求較低的環(huán)境。目前，循環(huán)冗余編碼（cyclic redundancy code，CRC）是應(yīng)用*廣泛的檢錯碼編碼方法，它具有檢錯能力強與實現(xiàn)容易的特點。

　　1. CRC的基本工作原理

　　CRC檢錯方法的工作原理可以從發(fā)送端與接收端兩個方面進行描述。

　�。�1） 發(fā)送端將發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列當(dāng)作一個多項式f(x)，用雙方預(yù)先約定的生成多項式G(x)去除，求得一個余數(shù)多項式R(x)。將余數(shù)多項式加到數(shù)據(jù)多項式之后，一起發(fā)送到接收端。

　�。�2） 接收端用同樣的生成多項式G(x)去除接收到的數(shù)據(jù)多項式f′(x），得到計算余數(shù)多項式R′(x)。如果計算余數(shù)多項式R′(x)與接收余數(shù)多項式R(x)相同，表示傳輸無差錯；否則，表示傳輸有差錯。出現(xiàn)差錯，通知發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)，直至正確為止。

　　圖3.2給出了CRC檢錯方法的工作原理示意圖。

　　圖3.2CRC校驗工作原理示意圖

　　CRC生成多項式G(x)由協(xié)議來規(guī)定，G(x)的結(jié)構(gòu)及檢錯效果是經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)分析與實驗后確定的。目前，已有多種生成多項式列入國際標(biāo)準(zhǔn)，例如:

　　CRC.12G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1

　　CRC.16G(x)=x16+x15+x2+1

　　CRC.CCITTG(x)=x16+x12+x5+1

　　CRC.32G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10

　　+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

　　2. CRC校驗的工作過程

　　CRC校驗的工作過程如下。

　　（1） 發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)多項式f(x)·xk，其中k為生成多項式的*高冪值。對于二進制乘法來說，f(x)·xk的意義是將發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列左移k位，用來放入余數(shù)。

　　（2） 將f(x)·xk除以生成多項式G（x），得f(x)·xk/G(x)=Q(x)+R(x)/G(x)其中，式中R(x)為余數(shù)多項式。

　　（3） 將f(x)·xk+R(x)作為整體，發(fā)送到接收端。

　�。�4） 接收端對接收到的數(shù)據(jù)多項式f′(x)采用同樣的運算，即f ′(x)·xk/G(x)=Q(x)+ R′(x)/G(x)求得計算余數(shù)多項式R′(x)。

　　（5） 如果計算余數(shù)多項式R′(x)等于接收余數(shù)多項式R(x)，表示發(fā)送過程中沒有出現(xiàn)差錯；如果計算余數(shù)多項式R′(x)不等于接收余數(shù)多項式R(x)，表示發(fā)送過程中出現(xiàn)了差錯。

　　3. CRC檢錯方法的舉例

　　實際的CRC校驗碼生成是采用二進制的模二算法（即減法不借位、加法不進位）計算出來的，這是一種異或操作。下面通過一些例子來進一步解釋CRC的基本工作原理。

　�。�1） 需要注意的問題

　　在用模二算法生成CRC校驗碼時，需要注意以下問題。

　　① 以CRC.12為例，G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1，可以寫為

　　G(x)=1×x12+1×x11+0×x10+0×x9+0×x8+0×x7+0×x6+0×x5

　　+0×x4＋1×x3+1×x2+1×x+1×x0

　　盡管CRC.12的*高位是x12，k=12。而實際上用二進制表示時，它的位數(shù)N=13，也就是說用二進制表示G(x)應(yīng)該是: 1100000001111。k=13－1=12。

　�、� 如果在例子中給出生成多項式比特序列為11001，那么寫成生成多項式應(yīng)該為

　　G(x)=1×x4+1×x3+0×x2+0×x1+1×x0

　　生成多項式的N=5，k=5－1=4。

　�。�2） 舉例

　　下面舉一個例子來具體說明CRC校驗碼的生成過程。

　�、� 發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列為110011（6比特）。

　�、� 生成多項式比特序列為11001（N=5，k=4）。

　�、� 將發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列乘以24，那么產(chǎn)生的乘積應(yīng)為1100110000。

　　④ 將乘積用生成多項式比特序列去除，按模二算法求得余數(shù)比特序列為1001。

　　……