计算机网络

本书讲述计算机网络和控制网络的基本原理、技术与应用。全书分为两篇。第1篇介绍计算机网络技术，首先介绍计算机网络的体系结构，然后以物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五层体系结构层为主线进行讲述，最后介绍计算机网络的规划与设计。第2篇介绍控制网络技术，首先介绍控制网络的构成、特点和参考模型，然后重点讨论了一种典型的控制网络 FF，并介绍了几种被列入ISO、IEC国际标准的控制网络。 全书注重讲述网络的基本概念和原理，它们是学习网络技术的最重要的知识点。同时，本书也力图反映计算机网络和控制网络发展的新技术。 本书可以作为高等院校自动化类专业和其他理工科专业本科生及研究生计算机网络和控制网络课程的教材，也可供广大工程技术人员参考。本书还将配套出版习题集和实验指导书。

　　张曾科，男，河北唐山人，清华大学大学自动化系教授，博士生导师。多年从事计算机控制、智能控制、系统集成和计算机网络等方面的科研与教学工作。在上述领域，发表学术论文80余篇，编写出版著作3本，获国家科技进步三等奖1项、国家教委科技进步二等奖2项、国家级教学成果二等奖1项、北京市教学成果一等奖和二等奖各1项、清华大学优秀教学成果奖多项。

第1篇计算机网络技术
第1章计算机网络概述31.1计算机网络的基本概念3
1.1.1什么是计算机网络3
1.1.2计算机网络的分类5
1.2计算机网络的发展历程11
1.2.1计算机网络的产生11
1.2.2分组交换网的出现12
1.2.3计算机网络体系结构的形成14
1.2.4局域网的产生与发展15
1.2.5Internet时代16
1.3计算机网络技术国际标准化组织19
习题21
第2章计算机网络体系结构23
2.1ISO/OSI体系结构概述23
2.1.1开放系统互连参考模型（OSI/RM）23
2.1.2ISO/OSI的一些基本概念25
2.1.3ISO/OSI各层基本功能28
2.2TCP/IP体系结构概述31
2.2.1TCP/IP及其发展31
2.2.2TCP/IP体系结构32
2.3五层体系结构34
习题34
第3章物理层37
3.1概述37
3.2数据通信系统的性能指标39
3.2.1信息传输速率与码元传输速率39
3.2.2时延和时延带宽积41
3.2.3误码率和误比特率42
3.2.4奈奎斯特准则与香农定理43
3.3数据传输方式44
3.3.1单工、全双工和半双工传输44
3.3.2异步传输和同步传输45
3.3.3频带传输和基带传输48
3.4调制解调技术49
3.4.1幅移键控（ASK）50
3.4.2频移键控（FSK）50
3.4.3相移键控（PSK）50
3.4.4多级调制和幅相键控（APK）50
3.5编码解码技术51
3.5.1不归零制编码52
3.5.2曼彻斯特编码52
3.5.3差分曼彻斯特编码53
3.5.4mB/nB编码53
3.5.5多进制编码54
3.6信道复用技术55
3.6.1频分复用（FDM）56
3.6.2时分复用（TDM）56
3.6.3统计时分复用（STDM）57
3.6.4准同步数字系列（PDH）58
3.6.5同步数字系列（SDH/SONET）60
3.6.6波分复用（WDM/DWDM/CWDM）63
3.7传输媒体64
3.7.1双绞线64
3.7.2同轴电缆65
3.7.3光纤66
3.7.4无线传输67
习题70
计算机网络
···················目录
···············第4章数据链路层74
4.1数据链路控制机制74
4.1.1引言74
4.1.2滑动窗口机制76
4.1.3停等ARQ77
4.1.4回退N ARQ79
4.1.5选择重传ARQ81
4.2差错校验82
4.2.1奇偶校验82
4.2.2循环冗余校验83
4.2.3校验和85
4.3高级数据链路控制（HDLC）86
4.3.1HDLC链路配置和工作模式86
4.3.2HDLC帧格式和传输控制87
4.4Internet数据链路控制协议PPP90
习题93
第5章局域网96
5.1IEEE802局域网体系结构96
5.1.1IEEE802局域网参考模型96
5.1.2媒体接入控制子层98
5.1.3逻辑链路控制子层101
5.2以太网的发展103
5.3以太网媒体接入控制方式CSMA/CD105
5.3.1随机接入技术先驱ALOHA105
5.3.2CSMA工作机理107
5.3.3CSMA/CD工作机理109
5.3.4CSMA/CD以太网传输特点117
5.3.5CSMA/CD以太网性能118
5.4以太网帧格式和数据封装121
5.4.1以太网帧格式121
5.4.2以太网数据封装123
5.5传统以太网125
5.5.1物理层、网络接口卡和中继器125
5.5.2粗缆以太网10Base5128
5.5.3细缆以太网10Base2128
5.5.4双绞线以太网10BaseT130
5.5.5光纤以太网10BaseF133
5.6高速以太网133
5.6.1100BaseT134
5.6.2千兆以太网139
5.6.3万兆以太网143
5.7全双工以太网146
5.7.1全双工以太网的特点146
5.7.2全双工以太网的流量控制147
5.8交换式以太网148
5.8.1网桥149
5.8.2交换机152
5.8.3交换式以太网及其特点154
5.9非主流局域网156
5.9.1令牌环156
5.9.2令牌总线159
5.9.3光纤分布数据接口（FDDI）160
5.10无线局域网（WLAN）162
5.10.1IEEE802.11 WLAN网络结构162
5.10.2IEEE802.11 WLAN物理层163
5.10.3IEEE802.11 WLAN MAC层164
5.11虚拟局域网（VLAN）170
5.11.1VLAN及其特点170
5.11.2VLAN划分171
5.11.3VLAN帧格式172
5.11.4VLAN运行173
习题174
第6章广域网183
6.1广域网传输控制机制183
6.1.1数据交换技术183
6.1.2分组转发和动态路由187
6.1.3拥塞控制190
6.2帧中继193
6.2.1帧中继交换193
6.2.2帧中继体系结构194
6.3异步传输模式（ATM）196
6.3.1信元交换196
6.3.2ATM协议模型197
6.3.3ATM服务质量和服务类型204
6.3.4ATM通信量控制206
习题208
第7章网络层211
7.1网络互联与路由器211
7.1.1网络互联211
7.1.2路由器212
7.2网际协议（IP）214
7.2.1网际层的服务和协议214
7.2.2分类IPv4地址及子网划分215
7.2.3地址解析协议（ARP）219
7.2.4IP数据报格式223
7.2.5IP数据报分片与重组225
7.2.6IP数据报转发228
7.2.7IP数据报选项233
7.2.8Internet控制报文协议(ICMP)235
7.2.9无类别域间路由(CIDR)239
7.3路由算法和路由协议242
7.3.1Internet两类路由协议242
7.3.2距离矢量路由算法244
7.3.3最短路径优先路由算法(SPF)246
7.3.4路由信息协议(RIP)249
7.3.5开放最短路径优先协议(OSPF)255
7.3.6边界网关协议(BGP)261
7.4Internet组管理协议(IGMP)266
7.4.1多播266
7.4.2IP多播组地址及其转换267
7.4.3IGMP协议268
7.4.4距离矢量多播路由协议(DVMRP)270
习题276
第8章传输层286
8.1传输层端口286
8.1.1端口及其作用286
8.1.2传输层的复用和解复用288
8.2用户数据报协议(UDP)289
8.2.1UDP用户数据报289
8.2.2UDP伪报头290
8.2.3UDP的特点290
8.3传输控制协议(TCP)291
8.3.1TCP的编号与确认291
8.3.2TCP报文段293
8.3.3TCP连接管理297
8.3.4TCP重传机制301
8.3.5TCP流量控制305
8.3.6TCP拥塞控制309
习题313
第9章应用层317
9.1网络应用模式317
9.1.1客户服务器模式317
9.1.2浏览器服务器模式319
9.2域名系统（DNS）320
9.2.1Internet的域名结构320
9.2.2域名解析322
9.3文件传送协议（FTP）326
9.3.1FTP的客户服务器模式327
9.3.2FTP的访问控制329
9.4电子邮件329
9.4.1电子邮件系统概述329
9.4.2电子邮件的信息格式332
9.4.3简单的电子邮件传送协议（SMTP）335
9.4.4邮局协议（POP）336
9.5万维网（WWW）337
9.5.1万维网工作原理337
9.5.2统一资源定位符（URL）343
9.5.3超文本传送协议（HTTP）344
9.5.4超文本标记语言（HTML）346
9.5.5动态Web文档技术349
9.5.6活动Web文档技术352
9.6动态主机配置协议（DHCP）354
9.7简单网络管理协议（SNMP）356
9.7.1SNMP网络管理系统组成356
9.7.2SNMP协议358
9.7.3管理信息结构（SMI）360
9.7.4管理信息库（MIB）364
习题366
第10章Socket网络应用编程369
10.1套接字Socket369
10.1.1网络应用程序编程接口369
10.1.2Socket机制370
10.2Socket网络通信程序设计371
10.2.1Socket的创建与关闭371
10.2.2绑定本地地址373
10.2.3建立连接374
10.2.4数据的发送与接收377
10.2.5客户服务器模式的Socket实现框架380
习题383
第11章网络安全384
11.1密码学基础385
11.1.1概述385
11.1.2对称密钥密码体制与DES算法386
11.1.3公开密钥密码体制与RSA算法390
11.2数字签名和报文摘要393
11.2.1数字签名393
11.2.2报文摘要394
11.3身份认证和密钥分发396
11.3.1基于对称密钥的认证和密钥分发396
11.3.2基于公钥的认证和公钥分发398
11.4Internet网络安全技术400
11.4.1防火墙技术400
11.4.2网际层安全技术405
11.4.3传输层安全技术408
11.4.4应用层安全技术409
11.4.5虚拟专用网（VPN）412
习题413
第12章Internet的发展417
12.1下一代网际协议IPv6417
12.1.1IPv6产生的背景和特点417
12.1.2IPv6数据报格式418
12.1.3IPv6地址421
12.1.4IPv4向IPv6过渡425
12.2IP over ATM、SDH和DWM428
12.2.1IP over ATM428
12.2.2多协议标记交换（MPLS）431
12.2.3IP over SDH434
12.2.4IP over WDM435
12.3宽带接入网436
12.3.1非对称数字用户线（ADSL）437
12.3.2混合光纤同轴电缆网（HFC）439
12.4多媒体传输442
12.4.1多媒体及其传输442
12.4.2实时传输协议（RTP）与实时传输控制协议（RTCP）445
12.4.3H.323和会话发起协议（SIP）451
12.5QoS控制456
12.5.1综合服务（IntServ）与资源预留协议（RSVP）456
12.5.2区分服务（DiffServ）463
习题466
第13章计算机网络规划与设计469
13.1计算机网络规划概述469
13.1.1计算机网络规划的作用469
13.1.2网络工程的基本内容470
13.1.3网络系统集成的层面472
13.1.4网络规划设计的基本原则474
13.2计算机网络的规划设计与实施476
13.2.1需求分析及可行性分析476
13.2.2计算机网络总体设计478
13.2.3网络分层拓扑结构的规划设计479
13.2.4网络设备的选型与比较481
13.2.5网络管理设计485
13.2.6网络安全系统设计485
13.2.7综合布线系统486
13.2.8网络工程实施与测试487
13.3接入网与网络互联技术488
13.3.1接入网技术概念488
13.3.2接入网承载的业务与接入类型489
13.3.3ISDN接入方案490
13.3.4宽带接入网490
13.4企业网络互联方式492
13.5网络系统集成案例495
13.5.1小型企业网络方案495
13.5.2大型企业园区网方案495
13.5.3电子政务网络方案497
13.5.4电子商务网络方案497
13.5.5校园网络方案498
13.5.6企业内联网方案499
习题500
第2篇控制网络技术
第14章控制网络概述505
14.1控制网络的构成与特点505
14.1.1控制网络的特点505
14.1.2控制网络的结点506
14.1.3控制网络的实时性与环境适应性506
14.1.4现场总线技术及其发展508
14.1.5几种控制网络的通信参考模型510
14.2控制网络与网络化控制系统512
14.2.1控制系统的新型结构512
14.2.2网络化控制系统的特点514
14.2.3控制系统对网络的要求515
14.3控制网络在企业网络系统中的地位与作用516
14.3.1企业网络系统的层次结构516
14.3.2控制网络的地位与作用517
14.3.3控制网络与上层网络的连接方式518
习题519
第15章FF控制网络520
15.1FF的技术特色520
15.1.1FF的主要技术520
15.1.2FF通信系统的主要组成521
15.1.3H1协议数据的构成与层次523
15.1.4FF通信中的虚拟通信关系524
15.2H1网段的物理连接526
15.2.1H1网段的物理信号波形526
15.2.2H1网段的信号编码527
15.2.3H1网段的传输介质与拓扑结构529
15.3H1网段的链路活动调度530
15.3.1链路活动调度器（LAS）及其功能531
15.3.2通信设备类型531
15.3.3链路活动调度器的工作过程533
15.3.4链路时间534
15.4H1网段的网络管理535
15.4.1网络管理者与网络管理代理535
15.4.2网络管理代理的虚拟现场设备536
15.4.3通信实体537
15.5H1网段的系统管理540
15.5.1系统管理概述540
15.5.2系统管理的作用542
15.5.3系统管理信息库及其访问543
15.5.4SMK状态545
15.5.5系统管理服务和作用过程545
15.5.6地址与地址分配549
15.6FF的功能块551
15.6.1功能块的内部结构与功能块连接551
15.6.2功能块中的用户应用块554
15.6.3块参数556
15.6.4功能块服务561
15.6.5功能块对象字典563
15.6.6功能块应用564
15.7H1网段的构成与连接565
15.7.1H1网段的构成565
15.7.2网段长度567
习题569
第16章几种其他的控制网络572
16.1几种控制网络的性能比较572
16.2基于CAN的控制网络572
16.2.1CAN通信技术572
16.2.2SAE J1939581
16.2.3汽车电子网络的体系结构586
16.2.4DeviceNet588
16.3工业以太网593
16.3.1工业以太网简介593
16.3.2工业以太网解决非确定性问题的措施595
16.3.3以太网的通信帧结构与Tunneling技术597
16.3.4高速以太网（HSE）598
16.3.5基于Web技术的远程监控601
16.4Controlnet605
16.4.1并行时间域多路存取605
16.4.2Controlnet 的MAC帧结构605
16.4.3通信调度的时间分片方法607
16.4.4Controlnet的虚拟令牌608
16.4.5Controlnet的显性报文与隐性报文608
16.5ASI控制网络609
16.5.1ASI的网络构成609
16.5.2ASI的主从通信610
16.5.3ASI的报文格式611
16.5.4主节点的通信功能612
16.5.5从节点的通信接口613
16.6PROFIBUS615
16.6.1PROFIBUS概述615
16.6.2PROFIBUS的协议结构616
16.6.3PROFIBUS网段的物理连接617
16.6.4PROFIBUS的总线访问控制618
16.6.5PROFIBUSDP的系统配置620
16.6.6设备数据库文件622
习题624
附录A英文缩写词625
参考文献632