目录

第1章网络体系结构(Network Architecture)1

1.1信息传输单位(Information Transfer Unit)1

1.1.1信息、数据和信号(Information,Data and Signal)2

1.1.2码元和比特(Symbol and Bit)3

1.1.3帧、数据报、报文段和报文(Frame,Datagram,

Segment and Message)4

1.1.4信道、信源与信宿(Information Channel,Source 

and Destination)5

1.2网络和协议(Network and Protocol) 6

1.2.1网络定义(Definition of Network)6

1.2.2网络协议(Protocol)7

1.2.3协议数据单元(Protocol Data Unit)8

1.3OSI网络体系结构(OSI Architecture)8

1.3.1OSI参考模型的制定(Design OSI Reference Model)9

1.3.2OSI各层的主要功能(Functions of all OSI Layers)9

1.4TCP/IP网络体系结构(TCP/IP Architecture)11

1.5现场总线网络(Field Bus)13

1.5.1总线定义及分类(Bus Definition and Classes)13

1.5.2现场总线定义和分类(Definition and Classes of 

Field Bus)14

1.5.3现场总线的功能和体系结构(Function and 

Architecture of Field Bus)16

1.6网络分类、历史和发展(Networks Classes,History and Future 

Development)17

1.6.1网络分类(Networks Classes)17

1.6.2分组交换的产生(Packet Switching)20

1.6.3计算机网络的发展(Development of Computer 

Network)23

习题126

实验指导11常用网络调试命令27

计算机网络技术与设计目录实验指导1

2认识网络体系结构及协议29

第2章物理层(Physical Layer)31

2.1信号(Signal)32

2.1.1有线电信号(Wire Signal)32

2.1.2光纤信号传输(Optical Fiber Signal)32

2.1.3无线信号(Wireless Signal)34

2.2传输介质(Transfer Media)35

2.2.1双绞线(Twist Pair)35

2.2.2同轴电缆(Coaxial Cable)35

2.2.3光缆(Optical Cable)36

2.2.4无线通信(Wireless Communication)37

2.3编码技术(Encoding Technology)39

2.3.1频带编码(Frequency Band Encoding)39

2.3.2基带编码(Baseband Encoding)40

2.3.34B/5B和8B/10B编码(4B/5B and 8B/10B Encoding)41

2.4信道复用(Multiplex Channel)43

2.4.1时分多路复用TDMA(Time Division Multiplex Access)43

2.4.2频分多路复用FDMA(Frequency Division Multiplex Access)44

2.4.3码分多路复用CDMA(Code Division Multiplex Access)45

2.5信息传输速率指标(Transfer Ratio)46

2.5.1带宽和速率(Bandwidth and Rate)46

2.5.2奈氏定律(Nyquist Formula)47

2.5.3香农公式(Claude E. Shannon Equation)48

2.5.4带宽与傅里叶分析(Bandwidth and Fourier Analysis)49

2.6物理层常用标准(Physical Layer Standards)50

2.6.1信号传输类型(Signal Transmission Classes)50

2.6.2串行传输技术(Serial Transmission)52

2.6.3EIA RS232接口标准(RS232 Interface Standard)53

2.6.4EIA RS485接口标准(RS485 Interface Standard)54

2.6.5USB总线的电气特性(USB Bus Electrical Characteristics)55

2.6.6CAN总线的电气特性(CAN Bus Electrical Characteristics)57

2.7以太网的物理层(Physical Layer of Ethernet)58

2.7.1802.3局域网的几种传输媒体(Transmission Media of 802.3 LAN)58

2.7.2以太网编码方法(Ethernet Coding Way)59

2.7.3802.11无线传输物理层(Physical Layer)62

2.8MODEM和xDSL(MODEM and x Digital Subscriber Line)63

2.8.1xDSL技术原理(xDSL Tech Principle)64

2.8.2对称DSL技术(Symmetrical DSL Tech)65

2.8.3非对称DSL技术(Non Symmetrical DSL Tech)65

2.9物理层网络设备(Device of Physical Layer)66

2.9.1网络拓扑结构(Network Topology)66

2.9.2中继器(Repeater)67

2.9.3集线器(Hub)68

2.9.4光纤模块(Optical Fibre Module)68

习题272

实验指导21CDMA编解码程序设计73

实验指导22双绞线RJ45接口制作74

实验指导23RS232串口通信实验76

实验指导24RS485通信实验78

第3章数据链路层(Data Link Layer)80

3.1链路、组帧及同步(Link,Framing and Sync)81

3.1.1组帧(Framing)82

3.1.2同步通信与异步通信(Synchronous Communication and 

Asynchronous Communication)83

3.1.3帧格式(Frame Format)84

3.2链路层协议算法(Link Protocol Algorithm)85

3.2.1可靠性保证及帧校验(Reliability Assurance and Check)85

3.2.2简单流量控制(Simple Flow Control)86

3.2.3停止等待协议(StopandWait Protocol)87

3.2.4自动重发请求ARQ(Automatic Repeat reQuest)88

3.2.5流量控制(Flow Control)90

3.2.6信道共享算法(Channel Sharing Algorithm)92

3.3传统的链路层协议HDLC和PPP(Traditional LinkLayer Protocol）96

3.3.1面向比特的同步协议HDLC(BitOriented Synchronous Protocols)96

3.3.2点到点协议PPP帧(PPP Protocol)98

3.4CSMA/CD协议(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)99

3.4.1IEEE 802.3标准(Standard)99

3.4.2CSMA/CD协议算法(Protocol)100

3.4.3MAC帧的有效性(Effectiveness of MAC Frame)102

3.5CSMA/CA协议(CSMA/CA Protocol)104

3.5.1IEEE 802.11的工作方式(Working Method)104

3.5.2IEEE 802.11数据链路层冲突避免(Data Link Layer Collision 

Avoidance)105

3.5.3IEEE 802.11数据链路层实现(Data Link Layer Implementation)107

3.6以太网和令牌网(Ethernet & Token net)108

3.6.1广播协议(Broadcast Protocol)108

3.6.2以太网帧格式及MAC地址(Ethernet Frame Format and MAC 

Address)108

3.6.3令牌环媒体访问控制(Token Ring)111

3.6.4交换技术(Switch Technology)113

3.6.5网桥的工作原理(Working Principle of Network Bridges)114

3.6.6交换式以太网(Switched Ethernet)116

3.6.7以太网接口设计(Network Interface Circuit)117

3.7串口Modbus协议(Modbus Protocol for Serial Port)120

3.7.1Modbus协议简介(Modbus Protocol Introduction)120

3.7.2两种传输方式(Two Transmission Ways)121

3.7.3Modbus报文帧(Modbus Message Frame)122

3.8现场总线(Field Bus)CAN126

3.8.1CAN帧结构(CAN Frame Form)126

3.8.2CAN控制器(CAN Controller Introduction)128

3.8.3CAN通信结构设计(CAN Communication Hardware Design)131

习题3131

实验指导31帧校验编程134

实验指导32数据链路层协议分析135

实验指导33Modbus协议编程136

实验指导34CAN协议编程138

第4章网络层(Network Layer)140

4.1IP协议组成(IP Protocol Form)140

4.1.1IP数据报的分片与重组(IP Datagram Fragment and Recombination)143

4.1.2IP首部校验和(IP Header Checksum)145

4.2IP地址计算(IP Address Compute)145

4.2.1IP地址格式(IP Address Format)145

4.2.2网络掩码(Net Mask)148

4.2.3无类域间路由CIDR (Classless InterDomain Routing)149

4.2.4网络地址计算(Network Address Calculation)150

4.2.5直接、有限广播和回送地址(Direct and Finite Broadcast,Echo 

Address)152

4.3路由计算(Static Routing)153

4.3.1虚电路服务与数据报服务(Virtual Circuit and Datagram)153

4.3.2数据报转发(Datagram Forwarding)155

4.3.3路由表的建立过程(Setup Route List)157

4.4动态路由协议(Dynamic Routing Protocol)159

4.4.1理想的路由算法(Ideal Routing Algorithm)160

4.4.2路由选择的不同策略(Routing of Different Strategies)160

4.4.3路由信息协议RIP(Routing Information Protocol)161

4.4.4开放最短路径优先协议OSPF(Open Shortest Path First)164

4.4.5边缘网关协议BGPv4(Border Gateway Protocol Version 4)165

4.5路由器(Router)166

4.5.1路由器的工作原理(Router Principle)166

4.5.2第三层交换机(Third Layer Switch)167

4.6IPv6169

4.6.1IPv6的特点(Characteristics of IPv6)169

4.6.2IPv6地址空间(IPv6 Address Space)170

4.7ARP及ICMP协议(ARP and ICMP Protocol)173

4.7.1地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)174

4.7.2反向地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)174

4.7.3控制报文协议ICMP (Internet Control Message Protocol)175

4.8NAT技术(Network Address Transmission Protocol)176

4.8.1NAT技术的原理和类型(Principle and Type of NAT)176

4.8.2应用NAT安全策略(Security Policy Using NAT)177

4.9虚拟专用网VPN(Virtual Private Network)179

4.9.1虚拟专用网原理(Principle of VPN)179

4.9.2隧道技术(Tunnel Technology)181

4.10IP多播和组管理协议IGMP(IP Multicast and Group Management 

Protocol)182

4.10.1IP多播的概念(IP Multicast Concepts)182

4.10.2因特网组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)183

习题4184

实验指导41网络层协议分析188

实验指导42IP地址获取189

实验指导43路由器配置190

第5章传输层(Transmission Layer)191

5.1传输层的特征(Characteristic of Transport Layer)193

5.1.1端口(Port)193

5.1.2连接技术(Connection Modes)194

5.1.3套接字(Socket)195

5.1.4TCP和UDP协议的网络层次(Net Level of TCP and UDP 

Protocol)196

5.2传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)197

5.2.1TCP段头结构(TCP Section Header)197

5.2.2编号与确认(Number and Confirmation)200

5.2.3流量控制(Flow Control)200

5.2.4拥塞避免(Congestion Avoidance)201

5.2.5重发机制(Retransmission Mechanism)202

5.3TCP的传输连接管理(TCP Connection Setup )202

5.3.1建立连接(TCP Setup Transport Connection)203

5.3.2释放连接(TCP Release Transport Connection)204

5.4用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)205

5.4.1UDP用户数据报的首部格式(UDP Header)205

5.4.2UDP应用于RPC(UDP Used In RPC)206

5.5网关及网络设备(Gateway and Network Devices)206

5.5.1网关的工作原理(Principle of Gateway)206

5.5.2网络互连设备比较(Comparison of Network Interconnection 

Devices)208

5.6网络编程(Network Programing)209

5.6.1WinSock API接口(WinSock Application Program Interface)209

5.6.2WinSock编程(WinSock Programming)210

5.6.3客户机/服务器模式 (Client/Server Model)212

5.7实时传输协议RTP(Realtime Transport Protocol)213

5.7.1连续媒体数据基本特征(Continuous Media Data Basic 

Characteristics)214

5.7.2UDP应用于RTP(UDP Used In RTP)217

5.7.3RTP协议结构及工作机制(Format and Mechanism of RTP 

Protocol)218

习题5220

实验指导51TCP/UDP协议分析223

实验指导52TCP协议通信过程分析224

实验指导53基于Socket的传输层网络编程225

第6章加密安全(Encryption & Security)228

6.1网络安全分类(Security Classes)229

6.1.1安全攻击(Safety Attack)229

6.1.2安全服务(Safety Service)230

6.1.3安全机制(Safety Mechanism)232

6.2对称数据加密(Symetric Data Encryption)233

6.2.1DES算法(Algorithm)233

6.2.23DES算法235

6.2.3AES和IDEA235

6.3RSA公钥密码体制(Rivest,Shamir & Adleman Public Key)236

6.3.1公开密钥体制的提出(The Public Key Infrastructure Was 

Proposed)236

6.3.2公钥体制工作原理(Principle of Public Key Infrastruction)237

6.3.3RSA算法(RSA Algorithm)238

6.4报文鉴别(Message Authenticating)241

6.4.1报文鉴别的意义(Purpose of Message Authenticating)241

6.4.2报文鉴别码(Message Authentication Code)241

6.4.3MD5报文摘要算法(MD5 Message Digest Algorithm)242

6.5数字签名及公钥管理(Digital Signature and Public Key Management)243

6.5.1数字签名(Digital Signature)243

6.5.2数字证书和公钥基础设施PKI(Certificate and Public Key 

Infrastructure)244

6.6防火墙(Firewall)245

6.6.1防火墙的概念(Fundamental Concepts of Firewall)246

6.6.2防火墙的类型(Classification of Firewall)246

习题6248

实验指导61网络常规加密DES249

实验指导62网络公钥加密RSA252

第7章应用层(Application Layer)255

7.1C/S、B/S和P2P技术256

7.1.1C/S和B/S的概念(C/S and B/S Concept)256

7.1.2P2P技术(Peer to Peer)259

7.2HTML、HTTP和Web(Hyper Text Markup Language,Hyper Text 

Transport Protocol & Web)261

7.2.1HTML(HyperText Markup Language)262

7.2.2HTTP(HyperText Transfer Protocol) 264

7.2.3Web设计流程(Flow of Web Design)267

7.3嵌入式Web技术(Embedded Web)268

7.3.1传统控制与Web控制系统比较(Traditional vs. Web Control 

System)268

7.3.2嵌入式与标准Web服务器的差别(Embedded vs. Standard

 Web Server)269

7.3.3嵌入式Web的实现方式(Implement Way of Embedded Web 

Technology)270

7.4DNS和DHCP(DNS and Dynamic Host Contribution Protocol)272

7.4.1因特网的域名结构(Internet Domain Name Structure)272

7.4.2域名高速缓存(Cache of Domain Name)273

7.4.3DNS 域名解析工作过程273

7.4.4引导程序协议BOOTP(Boot Protocol)274

7.4.5动态主机配置协议DHCP(Dynamic Host Contribution Protocol)274

7.4.6RARP、BOOTP和DHCP的区别275

7.5FTP、TFTP、Telnet和SNMP协议276

7.5.1文件传送协议FTP(File Transfer Protocol)276

7.5.2简单文件传送协议TFTP(Trivial File Transfer Protocol)277

7.5.3远程登录协议Telnet(Remote Login Protocol Telnet)277

7.5.4简单网络管理协议SNMP(Simple Network Management 

Protocol)278

7.6SMTP、POP3和IMAP邮件协议279

7.6.1简单邮件传送协议SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 279

7.6.2POP3协议280

7.6.3IMAP协议280

7.7现场总线应用层协议(Field Bus Application Layer Protocol)281

7.7.1CANopen协议结构(CANopen Protocol Structure)281

7.7.2CANopen通信对象(CANopen Communication Objective)282

7.7.3标识符的地址分配(Address Allocation of Identifier)283

习题7284

实验指导71网络服务器管理实验285

实验指导72HTML设计实验286

实验指导73嵌入式Web服务器实验288

第8章嵌入、移动和物联网(Embedded,Mobile & IOT)289

8.1嵌入式网络(Embedded Access Network)289

8.1.1嵌入式系统的组成(Form of Embedded Access Network)290

8.1.2以太网和CAN现场总线比较(Ethernet and CAN Comparison)291

8.1.3嵌入式TCP/IP协议栈(Embedded TCP/IP Protocol Stack)293

8.1.4嵌入网络的上位机通信(Communication of Embedded Network 

With PC)296

8.2无线传感器网络——ZigBee(Wireless Sensor Network—ZigBee)297

8.2.1ZigBee概述(ZigBee Introduction)297

8.2.2ZigBee设备节点(ZigBee Device Node)299

8.2.3ZigBee网络拓扑结构(ZigBee Network Topology)299

8.3蜂窝移动通信(Cellular Mobile Communication)301

8.3.1GSM蜂窝移动通信(GSM Cellular Mobile Communication)301

8.3.2第三代移动通信(3G)303

8.3.3TDSCDMA技术305

8.3.4第四代移动通信的关键技术(4G Key Technology)307

8.4物联网(Internet of Things)309

8.4.1物联网定义(Definition of Internet of Things)309

8.4.2物联网关键技术(Key Technology of Internet of Things)310

习题8311

实验指导81ZigBee仿真实验312

附录314

附录A网络协议分析工具Wireshark314

A.1什么是Wireshark314

A.2Wireshark安装315

附录B路由交换仿真工具NetSim315

附录C网络协议仿真工具NS2316

附录D网络常见英语缩略词汇317

附录E网络常用标准325

参考文献327