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推荐语：真实应用实践案例为引导的计算机网络教材

作者：郭浩,赵铭伟,陈玉华,季晓玉

出版社：人民邮电出版社

出版时间：2017-08-01

书籍编号：30481452

ISBN：9787115459657

正文语种：中文

字数：174795

版次：1

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：计算机网络技术及应用

作者：郭浩

ISBN：9787115459657

出版社：人民邮电出版社

出版日期：2017-08-01

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内容提要

本书共7章，系统地介绍了计算机网络的基础知识、基本原理和应用案例。主要内容包括：计算机网络概述、数据通信基本知识、计算机网络体系结构、局域网原理和技术、Internet技术与应用、信息安全基础及实验案例。其中在“实验案例”部分集中讲解了各种网络设计、构建、配置的应用，有助于学生理解计算机网络的理论知识，并把理论知识融会贯通到实际应用中，培养学生的实践操作能力。

本书适合作为高等学校非计算机类专业“计算机网络技术”课程的教材，也可作为计算机相关人员的培训教材和学习参考书。

前言

计算机网络技术及其应用是大学本科计算机基础教学培养方案中最重要的技术课程之一。本书是参照教育部高等学校非计算机专业计算机基础教学指导分委会发布的《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见》中“网络技术与应用”课程的基本要求编写的教材。

本书由多年从事计算机网络技术理论和实践教学的教师精心编写而成，全书共分为7章，结合目前国内高校各类非计算机专业计算机网络技术教学的实际，融合计算机网络技术的最新发展，系统地阐述了计算机网络的概念和知识、数据通信基本知识、网络体系结构、局域网原理和技术、Internet技术与应用和网络安全及实验案例等。每章都附有若干练习题，并在本书最后部分给出了参考答案，便于学生自学及复习。本书的教学参考学时数为32~36学时，建议授课22学时，实验10~14学时。

作为面向高校非计算机类专业计算机网络技术课程的教材，本书在保证关于网络技术基本理论知识的论述简明扼要、通俗易懂等优点的基础上，着力突出了以下两个特点。

（1）为了体现教育部关于强化实践教学环节的培养目标，本书以应用为导向，以实践为基础，在内容编排上突出对学生实践动手能力的培养。在书中第7章（实验案例）集中讲解了各种网络设计、构建和配置的应用案例，有助于学生理解网络理论知识，并把理论知识融会贯通到实际应用中。

（2）为了体现网络技术发展的时代感，本书介绍了网络发展的一些前沿技术及理念。在第1章（计算机网络概述）介绍了关于Internet发展过程中从Web 1.0至Web 3.0各个阶段内容；在第5章（Internet技术与应用）介绍了移动互联网和基于IPv6的互联网的实际部署状况两部分内容；在第6章（网络信息安全与网络管理），对2010～2016年出现的一些网络安全事件等内容进行了描述。

全书由郭浩主持编写，并负责汇总和统稿工作。本书编写分工如下：第1章、第2章、第4章和第5章由郭浩编写；第3章由郭浩、陈玉华和赵铭伟共同编写；第6章由赵铭伟和季晓玉共同编写；第7章由陈玉华编写。

虽然本书全体编写人员尽心尽力，但由于时间仓促，新的知识和技术资料不断涌现，加之编者水平有限，书中难免有疏漏和不妥之处，敬请广大师生及各位读者给予批评和指正。

第1章 计算机网络概述

1.1 什么是计算机网络

自20世纪90年代起，以互联网（Internet）为代表的计算机网络得到了飞速发展，已从最初的教育科研网络发展成为商业网络，人类社会也逐步进入了信息化时代。近年来，随着互联网和移动互联网技术的进一步发展，数据量的激增和类型的多样化，促使现代信息社会进入了大数据时代。互联网的快速发展产生大数据，大数据反过来驱动互联网各类应用的加速演进。计算机网络已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。

1.1.1 计算机网络的定义

计算机网络就是将分散在不同地理位置的具有独立功能的计算机系统通过通信设备和传输介质相互连接，在网络软件的支持下实现相互通信、资源共享和协调工作的系统。

从逻辑功能上看，计算机网络是以传输信息为基础目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合，一个计算机网络组成包括传输介质和通信设备。

从用户角度看，计算机网络是这样定义的：存在着一个能为用户自动管理的网络操作系统。由它调用完成用户所调用的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样，对用户是透明的。

计算机网络应该具备以下基本特征。

（1）实现资源共享，这也是建立计算机网络的主要目的。所谓资源是指计算机系统中的硬件、软件和数据。资源共享的意义是：网络用户不仅可以使用本地计算机资源，而且可以访问网络上的远程计算机资源，还可以调用网络中几台不同的计算机共同完成某项任务。

（2）联网的计算机分布在不同的地理位置，同一网络中的计算机可能远在天涯，也可能近在咫尺。

（3）联网的计算机是具有独立功能的自治系统。互联的计算机之间没有明确的主从关系，每台计算机既可以联网工作，也可以脱离网络独立工作；联网计算机既可以为本地用户提供服务，也可以为网络上的远程用户提供网络服务。

（4）联网的计算机之间相互通信时所使用的通信手段可以采用不同的形式，既可以是普通电话网、专用数字通信网，也可以是无线通信网等。

（5）联网的计算机必须遵循全网统一的网络协议。为保证网络中计算机之间的数据交换能正确地、有条不紊地实现，就要求网络中的每台设备在通信过程中必须共同遵守预定的网络通信规则、标准与约定。这种为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准与约定就称为网络协议。

1.1.2 计算机网络的逻辑结构

计算机网络从逻辑结构上分为资源子网和通信子网两部分，以便实现数据处理与数据通信两大基本功能。通信子网面向通信控制和通信处理，是负责通信传输的子网，资源子网是面向用户的，是负责数据处理的子网。网络的逻辑结构如图1-1所示。

图1-1 计算机网络的逻辑结构示意图

通信子网由通信处理机（Node Computer，NC）、通信线路、信号变化设备及其他通信设备组成，完成数据的传输、交互以及通信控制等功能。

资源子网包括拥有资源的用户主机、请求资源的用户终端以及各种软件资源与信息资源。资源子网的主要任务是提供资源共享所需的硬件、软件及数据等资源，提供访问计算机网络和处理数据的能力。

1.1.3 计算机网络的功能

计算机网络的功能主要体现在以下几方面。

1.信息交换及通信

为分布在世界各地的用户提供了比传统通信手段更为方便、快捷、有力的信息交换方式和人际交互手段。如通过网络交换各种文档、图片，收发电子邮件，进行在线聊天，发布新闻等。

2.资源共享

能够使用户摆脱地理位置的束缚去使用网络上的硬件、软件和数据资源。硬件资源主要包括计算机的处理能力、输入/输出设备和大容量存储设备等。软件资源主要包括数据库管理系统、应用软件、开发工具和服务器软件等。数据资源主要包括数据文件、数据库和光盘所保存的各种数据等。通过资源共享，增加了网上计算机的处理能力，提高了软件、硬件资源的利用率。

3.提高可靠性

计算机网络中拥有可替代的资源，从而提高了整个系统的可靠性。例如，网络中的多台计算机可以通过网络彼此间相互备用，一旦某台计算机出现故障，其任务可由其他计算机代其处理；存储在一台计算机中的文件损坏了，在网络的其他计算机中仍可找到副本供使用。

4.分布处理与负载均衡

对于大型综合性计算问题，可采用适当的算法将任务分散到多台计算机进行分布式处理。多台计算机相互协调、均衡负载，扩大了计算机的综合处理能力。

1.1.4 计算机网络的基本组成

完整的计算机网络系统是由网络硬件系统和网络软件系统两部分组成的。

1.计算机网络的硬件组成

网络硬件是计算机网络系统的物质基础。构成一个计算机网络，首先要使计算机及其附属硬件设备通过传输介质与网络中的其他计算机系统连接起来，即实现物理连接。网络硬件包括网络设备和传输介质等。

（1）网络服务器和工作站

计算机是网络中最主要的元素，根据它们在网络中的作用，可将其分为网络服务器和网络工作站。

服务器通常是一台高性能的微型计算机或专用服务器，它的功能是提供网络资源和网络管理，根据网络工作站提出的请求，对网络用户提供服务。

连接到网络上的用户使用的个人计算机，都可以称为工作站。用户通过工作站使用服务器提供的服务和网络资源。

（2）网络传输介质

网络传输介质是实现网络物理连接的线路。传输介质可分为有线和无线两大类。常用的有线传输介质是同轴电缆、双绞线和光导纤维电缆（简称光纤或光缆）等。常用的无线传输介质有微波、短波、红外线和激光4类。

（3）网络设备

网络设备是指网络中计算机之间的通信设备和连接设备，包括网络接口适配器（网卡）、调制解调器、中继器、集线器、交换机、网桥、路由器和网关等。

2.计算机网络的软件组成

计算机网络的软件系统用来实现对网络的控制和管理、网络通信、资源共享等，是实现网络功能不可缺少的软环境。计算机网络的软件系统通常包括网络操作系统、协议软件、管理软件和网络应用程序。

（1）网络操作系统

网络操作系统是网络软件系统的基础，它建立在单机操作系统之上，增加了网络管理功能，用以实现对网络的管理和控制，如能够提供资源的共享、数据的传输，同时能够提供对资源的排他访问等。根据网络类型的不同，网络操作系统可以分为传统互联网操作系统和移动互联网操作系统两大类。目前比较流行的几类传统互联网网络操作系统是Windows、UNIX和Linux。比较流行的移动互联网操作系统主要有苹果的iOS、谷歌的Android、微软的Windows phone和阿里的阿里云系统等。

• Windows系统

Microsoft公司的Windows系统不仅在个人操作系统中占有绝对优势，在网络操作系统中也具有非常强劲的力量。随着计算机硬件和软件的不断升级，Windows系统的架构从16位到32位再到64位，版本从最初的Windows 1.0到大家熟知的Windows 95、Windows 98、Windows ME、Windows 2000、Windows 2003、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8、Windows 10和Windows Server服务器企业级操作系统。它的优点是配置简单、应用方便，功能上能够满足局域网的管理需求及中小型的网络应用服务。但其稳定性能不如UNIX系统。

• UNIX系统

UNIX是一种集中式分时多用户体系结构的计算机操作系统。UNIX原本是针对小型机主机环境开发的操作系统，经过多年的不断发展，现在是PC服务器、中小型机、工作站、大型机及集群、SMP、MPP上全系列通用的操作系统。目前常用的UNIX系统版本主要有：Sun的Solaris UNIX、IBM的AIX和惠普的HP-UX等。

UNIX系统具有高可靠性、开放、高效和稳定的优点。UNIX系统对各种数据库，特别是关系型数据库管理系统提供了强大的支持能力，因此主要的数据库厂家，包括Oracle、Informix和Sybase等都将UNIX作为优选的运行平台。所以UNIX系统一般应用于高端、关键应用场合。

• Linux系统

Linux是从UNIX发展而来的，可以认为它是UNIX系统的一个变种，因而UNIX的优良特点，如可靠性、稳定性以及强大的网络功能、强大的数据库支持能力以及良好的开放性等都在Linux系统上体现出来。Linux最大的特点在于它是开放源码的自由软件，在其上运行的许多应用程序可以免费获得，同时Linux系统以高效性和灵活性而著称，它能够在计算机上实现全部的UNIX特性，具有多任务、多用户的特点。

Linux操作系统发展迅猛，尤其是在中高端服务器上得到了广泛的应用，国际上很多知名的软硬件厂商都毫无例外地与之结盟、捆绑，将之用作自己的操作系统。

• iOS系统

iOS是由苹果公司开发的移动操作系统。苹果公司最早于2007年1月的Macworld大会上公布这个系统，最初是设计给iPhone使用的，称为iPhone OS，后来陆续套用到iPod touch、iPad以及Apple TV等产品上。2010年6月苹果公司将iPhone OS正式改名为iOS。iOS与苹果的Mac OS操作系统一样，属于类Unix的商业操作系统。

• Android系统

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统。Android操作系统最初由Andy Rubin开发，主要支持手机。2005年8月由Google收购注资。2007年11月Google与84家硬件制造商、软件开发商及电信运营商组建开放手机联盟共同研发改良Android系统。第一部Android智能手机发布于2008年10月。Android逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。2011年8月起，Android占据全球智能移动终端市场的份额跃居全球第一。

（2）协议软件

协议软件是计算机网络中通信的各个节点之间所必须遵守的规则的集合。它定义了通信各节点之间交换信息的顺序、格式和词汇。协议软件是计算机网络软件中最重要、最核心的部分。协议软件的种类很多，不同体系结构的网络系统都有支持自身系统的协议软件，最典型的协议软件是TCP/IP协议簇。

（3）管理软件

管理软件用于管理计算机网络的用户与网络的接入、认证，维护计算机网络的安全，掌握网络运行状态等。

（4）网络应用程序

网络应用程序面向用户，计算机网络通过它为用户提供网络服务。典型的网络应用软件有电子邮件、WWW服务及移动端的Apps应用等。

1.2 计算机网络的发展过程

1.2.1 从计算机网络的起源到Internet的建立

从计算机网络的起源到Internet的建立大致经历了4个阶段。

1.以单机为中心的远程联机系统

20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）的开发开始了计算机与通信技术相结合的尝试。该系统将远程的雷达和其他测量设备的信息通过通信线路传送到一台IBM计算机上，实现集中的处理与控制，该系统被誉为计算机通信发展史上的里程碑，在这一阶段以单机为中心的远程联机系统是早期计算机网络的主要形式，如图1-2（a）所示。在这种系统中，一台计算机（主机，Host）是网络的中心和控制者，终端（键盘和显示器，Terminal）分布在各地并与中心计算机相连，系统中除了这台中心计算机外，其余终端不具备存储和数据处理能力，用户通过本地的终端使用远程的中心计算机。所以这个阶段的计算机网络又称为“面向终端的计算机网络”。

20世纪60年代初，面向终端的计算机网络有了新的发展。为了减轻中心计算机与终端间的通信负担，在中心计算机前面增设了前端处理机（Front-End Processor，FEP），专门负责通信控制。为了提高线路的利用率、降低成本，在终端聚集处设置了集中器，用低速线路将各终端汇集到集中器，再通过高速线路与计算机相连，如图1-2（b）所示。

图1-2 以单机为中心的远程联机系统

2.多台主机互联的通信系统

20世纪60年代后期出现了多个主机互联的系统。这种网络利用通信线路将分散在不同地点的具有自主处理能力的计算机连接起来，主机之间没有主从关系，用户通过终端不仅可以共享本主机上的软硬件资源，还可以共享网络中其他主机上的软硬件资源。不同主机之间的互联形式有两种。

第一种形式是通过通信线路将主机直接互联起来，主机既承担数据处理任务，又承担通信工作，如图1-3（a）所示。

第二种形式是把通信从主机中分离出来，设置专门的通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP），主机间的通信通过CCP的中继功能间接进行，如图1-3（b）所示。

图1-3 多台主机互联的通信系统

现代意义上的计算机网络是从美国国防部高级研究计划局（DARPA）建成的试验网开始的。1968年，美国国防部高级研究计划局组建了一个计算机网，名为“阿帕网”（ARPANET）。新生的阿帕网获得了美国国会批准的520万美元的筹备金及两亿美元的项目总预算，这是当年我国国家外汇储备的3倍。时逢美苏冷战最激烈的阶段，美国国防部认为，如果仅有一个集中的军事指挥中心，万一被苏联摧毁，全国的军事指挥将处于瘫痪状态，所以需要设计一个分散的指挥系统。它由一个个分散的节点组成，当部分指挥点被摧毁后其他指挥点仍然能正常工作，而这些分散的节点又能通过某种形式的通信网取得联系。

1969年阿帕网第一期投入使用，有4个节点。位于各个节点的大型计算机采用分组交换技术和层次结构的网络协议，通过专门的通信交换机（IMP）和专门的通信线路相互连接。1973年阿帕网跨越大西洋利用卫星技术与英国、挪威实现连接，扩展到了世界范围。1975年阿帕网由美国国防部通信处接管。在全球已有大量新的网络出现，如计算机科学研究网络（CSNET）、加拿大网络（CSNET）和因时网（BITNET）等。1982年中期阿帕网被停用过一段时间，直到1983年阿帕网被分成两个部分，即用于军事和国防部门的军事网（MILNET）以及用于民用的阿帕网版本。用于民用的阿帕网改名为互联网。ARPANET是计算机网络技术发展中的一个里程碑，它的研究成果对促进网络技术发展和理论体系的研究产生了重要作用，并为因特网（Internet）的形成奠定了基础。

3.国际标准化的计算机网络

经过20世纪60年代到70年代前期的发展，人们对组网技术、组网方法和组网理论的研究日趋成熟。为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定了自己的网络技术标准，发展各自的计算机网络系统。然而这些标准只在一个公司范围内有效，即遵从一个标准、能够互联的网络通信产品，只是同一公司的同构型产品，不同标准之间的转换非常困难。针对这种情况，国际标准化组织（ISO）于1977年设立了一个委员会，专门研究网络互联的标准体系结构，并于1983年颁布了世界范围内的网络互联标准，称为开放式系统互联参考模型（OSI/RM）。

OSI参考模型的提出，为计算机网络的互联奠定了理论基础，极大地促进了计算机网络技术的发展。然而OSI在实施时受到了诸多因素的制约，最终没有成为产品，而TCP/IP体系的发展和应用都远远超过了OSI，成为了事实上的标准。

早在ARPANET的实验性阶段，研究人员就开始了TCP/IP雏形的研究，TCP/IP即传输控制协议/网际协议，是互联网最基本的协议，主要由网络层协议IP和传输层协议TCP组成。TCP/IP协议簇定义了电子设备如何连入Internet，以及数据如何在它们之间传输。1974年TCP/IP问世，之后被插入UNIX系统内核中。1983年TCP/IP成为ARPANET的标准协议。由于ARPANET与UNIX系统的迅速发展，TCP/IP逐渐得到了工业界、学术界及政府机构的认可，从而获得了进一步的发展。随着Internet的高速发展，TCP/IP协议簇与体系结构已成为业内公认的标准，全球的通信设施使用了同一种语言。

20世纪80年代，随着微型计算机的广泛使用，以微机为主要建网对象的局域网迅速发展。美国电气与电子工程师协会（IEEE）于1980年成立了IEEE802局域网标准委员会，并制定了一系列局域网标准。其中IEEE802.3（以太网）成为局域网技术的主流。

1987年9月20日20点55分，按照TCP/IP协议，中国兵器工业计算机应用研究所成功地发送了中国第一封电子邮件，这封邮件以英德两种文字书写，内容是：“Across the GreatWall we can reach every corner in the world（穿越长城，走向世界）”，标志着中国与国际计算机网络已经成功连接。

4.Internet的建立

20世纪80年代到90年代初，是互联网飞速发展的阶段，Internet的快速发展和广泛应用使计算机网络进入了崭新的阶段。

1986年，美国国家科学基金会利用TCP/IP通信协议，在5个科研教育服务超级计算机中心的基础上建立了NSFNET广域网。美国很多大学、研究机构纷纷把自己的网络并入NSFNET。那时ARPANET的军用部分已脱离母网，建立了自己的网络MILNET，ARPANET逐渐被NSFNET替代，从而开始了Internet的真正快速发展阶段。

在20世纪90年代以前，Internet的使用一直仅限于研究与学术领域。到20世纪90年代后，开始向商业机构开放。由于大量商业公司接入Internet，网络通信量迅猛增长，NSFNET不堪重负。为解决这一问题，美国政府决定将Internet主干网交给私人公司来经营。1990年9月由IBM、MCI和Merit三家公司联合组建了高级网络服务公司（ANS），建立了一个覆盖全美的ANSNET网，其目的不仅在于支持研究教育工作，还为商业客户提供网络服务。到1991年底，NSFNET的全部主干网实现了与ANS主干网相通，并以45Mbit/s的速率传送数据。与此同时，世界上许多国家先后建立了本国的主干网，并与美国的Internet相连，Internet从此逐渐形成全球性的互联网。因此说，Internet的商业化带来了Internet发展史上的又一次飞跃。

1991年8月6日，万维网的发明人蒂姆·伯纳斯·李将万维网项目简介的文章贴上了alt.hypertext新闻组，通常认为这一天万维网公共服务在互联网上首次亮相。万维网是环球信息网（World Wide Web，简称WWW）的缩写，有时也称之为Web或W3，中文名字为“万维网”“环球网”等。WWW可以让Web客户端（浏览器）访问浏览Web服务器上的页面。

1993年，美国公布了国家信息基础设施（NII）建设计划，NII被形象地称为信息高速公路，由此推动了国际范围内的网络发展热潮。

1993年，由欧洲原子核研究组织（CERN）开发的万维网被应用于Internet上，该组织宣布万维网对任何人免费开放，并不收取任何费用。蒂姆·伯纳斯·李放弃了专利申请，将自己的创造无偿地贡献给了全人类。

1.2.2 Internet的发展

如图1-4所示，从1994年真正接入世界互联网开始，互联网经历了1994—2004年的大门户时代（Web 1.0）、2004—2009年的网络互动时代（Web 2.0），在2009年之后，互联网迎来了一个全新的移动互联网时代。移动互联网是移动和互联网融合的产物，它继承了移动随时随地随身和互联网分享、开放、互动的优势，是整合二者优势的“升级版本”，移动互联网就是下一代互联网（Web 3.0）。

图1-4 互联网发展至今经历的三个时代

1.Web1.0（1994—2004年）

在第一代互联网Web 1.0时代，Netscape研发出第一个大规模商用浏览器，Yahoo提出了互联网黄页，而Google则推出了大受欢迎的搜索服务。概括起来Web 1.0具有如下特点。

• Web 1.0采用的是技术创新主导模式，信息技术的变革对于网站的新生与发展起到了关键性的作用。新浪最初就是以技术平台起家，搜狐以搜索技术起家，腾讯以即时通信技术起家，盛大以网络游戏起家，在这些网站的创始阶段基本上依赖于技术创新主导模式。

• Web 1.0的盈利模式都依赖于巨大的点击流量。无论是早期融资还是后期获利，依托的都是为数众多的用户和点击率，以点击率为基础上市或开展增值服务，受众群众的关注度，决定了盈利的水平和速度。

• Web 1.0的发展出现了向综合门户网站合流的现象。新浪、搜狐、网易等继续坚持着门户网站的道路，而腾讯、MSN、Google等也纷纷走向了门户网络，尤其关注于新闻信息。这一情况的出现，在于门户网站本身的盈利空间更加广阔，盈利模式更加多元化，占据网站平台，可以更加有效地实现增值意图，并延伸出主营业务之外的各类服务。

• Web 1.0合流的同时，还形成了主营与兼营结合的明晰产业结构。新浪以新闻和广告为主，网易拓展游戏，各家以主营作为突破口，以兼营作为补充点。

• 在Web 1.0时代，以论坛等为代表的动态网站已广泛应用。

2.Web 2.0（2004—2009年）

2004年，互联网进入Web 2.0时代。这是一个利用Web平台，由用户主导生成内容的互联网产品模式，为了区别传统由网站雇员主导生成内容模式而定义为第二代互联网，即Web 2.0。Web 2.0模式下的互联网应用具有以下显著特点。

• 用户分享。在Web 2.0模式下，可以不受时间和地域的限制分享各种观点。用户可以得到自己需要的信息也可以发布自己的观点。

• 信息聚合。信息在网络上不断积累，不会丢失。

• 出现了以兴趣为聚合点的社区。在Web 2.0模式下，聚集的是对某个或者某些问题感兴趣的群

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