计算机网络原理及应用

服务国家战略，产教融合校企双元，编写阵容强

强化素质教育，目标聚焦同向同行，协同效应好

创新编写体例，从扶到放循序渐进，借鉴价值高

创新教材形态，多元结合资源立体，使用价值高

前 言

党的二十大报告提出：坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。2024 年，是网络强国战略目标提出10周年，也是我国全功能接入国际互联网30周年。今天，计算机网络与各个行业有机融合，新产业、新技术、新业态不断涌现，计算机网络也迎来了更加广阔的发展空间。与此同时，社会对计算机网络人才的需求也越来越迫切。我国要实现从“网络大国”到“网络强国”的飞跃，人才是关键，而教育又是人才培养的关键。计算机网络基础课程在网络人才的教育中发挥着重要作用，它已成为计算机类专业及相关专业的学生必须掌握的基础知识，同时也是广大从事计算机应用和信息管理的人员应该掌握的基本知识。

本书依据“面向基础、面向实际应用、面向未来发展”的理念，立足于高层次技术技能人才的培养需求。本书主要内容包括计算机网络的基本概念、协议与体系结构、局域网技术、网络互联与路由等，覆盖全国研究生入学考试计算机学科专业基础综合考试（408）计算机网络课程的考核点。全书规划为6个模块，具体如下：

模块1：介绍计算机网络的基本概念、性能、组成、分类和发展趋势，这是全书的基本内容。

模块2：介绍计算机网络的体系结构，对OSI参考模型与TCP/IP参考模型进行了比较和分析，介绍了IP地址的基本概念，使学生对计算机网络体系结构有一个初步了解。

模块3：介绍数据通信的基本概念、数据传输介质、数据编码技术、信道复用技术、宽带接入技术等，为初学者学习数据通信技术奠定基础。

模块4：介绍局域网、以太网、介质访问控制、可靠传输机制、虚拟局域网、无线局域网技术等，为学生构建主流网络提供了保障。

模块 5：介绍网络互联的基本概念、类型、互联网络协议TCP/IP、虚拟网络的概念及与之配合使用的ARP、ICMP等协议的作用，重点介绍了IP地址与硬件地址的关系、IP层转发分组的流程、子网与子网掩码等关键技术，以及NAT、IPv6、移动IP、SDN等扩展IP技术等，学生可以切实地了解因特网是怎样工作的。

模块6：介绍传输层的基本概念，比较深入地讨论了TCP和UDP这两种协议，详细地阐述了应用层的服务及其工作原理，主要包括Web服务、FTP服务、Telnet、DHCP、电子邮件、SNMP等服务类型，为学生提供系统的网络应用技术知识和应用指导。

本书的编写团队在进行课程研究的同时，探索出一种让课程素养新理念“进教材、进课堂、进头脑”的教学思路，以全面贯彻党的教育方针，落实立德树人的根本任务，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。本书在编写过程中体现了以下4个特色。

1．服务国家战略，产教融合校企双元，编写阵容强

教材由学校和企业共同开发，深化产教融合，强调从理论知识到实践案例再到迁移应用，适合职业院校学生认知水平。学习模块设计的学习情境、学习提示（含学习路线）、学习目标、课前评估、课堂同步、动手实践、课后检测、拓展提高等环节，实现了素质、知识、能力培养的有机统一。

2．强化素质教育，目标聚焦同向同行，协同效应好

以习近平新时代中国特色社会主义思想为引领，落实立德树人的根本任务和社会主义核心价值观“三进”要求。本书结合“网络的产生源于生产生活的实际需求，其原理与生活中的各种道理息息相通”的课程特点，引导学生从中华优秀文化思想和哲学思维的高度去认识计算机网络，不仅利于学生掌握网络知识和网络技术，还能够帮助学生树立正确的价值观。

3．创新编写体例，从扶到放循序渐进，借鉴价值高

本书构建了 6 个模块，内容上从介绍一个最简单的网络—双机互联开始，涵盖了计算机网络规划、建设、应用和管理的全过程。每个模块规划多个教学主题，以每个主题为授课单元。教师可以根据教学时长、专业方向和学生的职业兴趣进行选择性教学，满足不同专业学习“计算机网络原理”“计算机网络基础”课程的不同需要。

4．创新教材形态，多元结合资源立体，使用价值高

运用现代信息技术创新教材呈现形式，将传统教材、课堂、教学资源融合为新形态一体化教材，建立了线上与线下学习有机结合、理论学习与实践学习一体、自学与自测兼备的多元立体资源。对于比较抽象的知识点、技能点，制作短小精炼的动画、微课视频，将这些信息化资源以二维码形式嵌入教材，帮助学生更好地理解知识，直观体验复杂的工作过程，满足其随时随地进行自主学习的需要，为学生提供可听可看可感的学习体验。

本书由重庆电子科技职业大学唐继勇、叶坤、孙梦娜任主编，重庆电子科技职业大学刘思伶、北京神州数码云科信息有限公司吴翰青、重庆电子科技职业大学龚云平、何云乾任副主编。其中，模块1由何云乾编写，模块2由刘思伶编写，模块3由孙梦娜编写，模块4由吴翰青、龚云平编写，模块5由唐继勇编写，模块6由叶坤编写。

限于编者水平，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者不吝赐教，以便编者对本书进行修正。编者联系方式：402316186@qq.com。

编 者

2024年8月

前言

模块1 走进网络精彩世界—计算机网络概述 1
主题1 认识计算机网络 1
1.1 信息交互方式概述 3
1.2 信息网络交互的特点 3
1.3 计算机网络的概念 3
1.3.1 计算机网络的定义 3
1.3.2 计算机网络的功能 4
1.4 计算机网络的性能指标 5
1.4.1 速率 5
1.4.2 带宽 6
1.4.3 吞吐量 7
1.4.4 时延 7
1.4.5 往返时间 8
1.4.6 时延带宽积 8
1.4.7 利用率 9
主题2 计算机网络的表示 10
1.5 计算机网络拓扑结构的概念 11
1.6 计算机网络拓扑结构的表示 11
1.7 计算机网络拓扑结构的分类 13
1.7.1 总线拓扑结构 13
1.7.2 星形拓扑结构 14
1.7.3 环形拓扑结构 14
1.7.4 网状拓扑结构 15
主题3 计算机网络的组成和分类 15
1.8 计算机网络的物理构成 17
1.8.1 终端设备 17
1.8.2 中间设备 17
1.8.3 传输介质 17
1.9 计算机网络的逻辑组成 17
1.9.1 资源子网 18
1.9.2 通信子网 18
1.10 Internet的网络组成 18
1.10.1 边缘部分 19
1.10.2 核心交换部分 19
1.11 计算机网络的分类 19
1.11.1 按数据传输方式 19
1.11.2 按覆盖的地理范围 20
1.11.3 按数据交换方式 23
主题4 计算机网络的发展和趋势 25
1.12 计算机网络的发展过程 26
1.12.1 数据通信型网络阶段 26
1.12.2 资源共享型网络阶段 26
1.12.3 标准系统型网络阶段 26
1.12.4 高速综合型网络阶段 26
1.13 因特网的标准化工作和管理机构 27
1.13.1 标准化委员会 27
1.13.2 因特网的标准化工作 27
1.13.3 因特网的管理机构 27
1.14 计算机网络的发展趋势 28
1.14.1 超高清视频与互联网融合
催生新的应用场景 28
1.14.2 互联网虚拟现实与增强现实
技术丰富用户体验 29
1.14.3 无线传输介质成为主流 29
1.14.4 智能化网络的构建 30
模块2 规划网络宏伟蓝图—网络体系结构 32
主题1 计算机网络协议分层结构 33
2.1 层次结构 34
2.2 网络协议及协议栈 35
2.2.1 网络协议的概念 35
2.2.2 网络协议的要素 35
2.2.3 网络协议栈 36
2.2.4 网络协议的格式 37
2.3 计算机网络体系结构 37
主题2 计算机网络模型 38
2.4 OSI参考模型 39
2.4.1 OSI参考模型的基本概念 40
2.4.2 OSI参考模型的层次结构 40
2.4.3 OSI参考模型的各层功能 41
2.5 TCP/IP模型 41
2.5.1 TCP/IP模型概述 41
2.5.2 TCP/IP模型各层功能 42
2.5.3 5层参考模型 43
2.5.4 5层参考模型的各层协议
数据单元 43
主题3 计算机网络IP地址 44
2.6 IP编址方式 46
2.6.1 IP地址的表示 46
2.6.2 IP地址的结构 46
2.7 IP地址的分类 47
2.8 掩码的作用 48
2.8.1 掩码的概念 48
2.8.2 默认掩码 48
2.9 默认网关 49
2.10 IP地址的配置管理 49
模块3 构筑网络高速公路—数据通信基础 51
主题1 数据通信方式 52
3.1 并行通信与串行通信 53
3.1.1 并行通信 53
3.1.2 串行通信 54
3.2 通信双方的交互方向 55
3.2.1 单工通信 55
3.2.2 半双工通信 55
3.2.3 全双工通信 56
3.3 异步传输与同步传输 56
3.3.1 异步传输 56
3.3.2 同步传输 57
主题2 常见传输介质 58
3.4 传输介质的特性 59
3.5 双绞线 60
3.5.1 双绞线的分类 60
3.5.2 双绞线的特性 61
3.5.3 网线连接组件 61
3.5.4 网线的制作标准 62
3.5.5 3种网线类型及其作用 62
3.6 同轴电缆 63
3.6.1 基带同轴电缆 63
3.6.2 宽带同轴电缆 63
3.7 光纤 64
3.7.1 光电转换 64
3.7.2 光纤分类 64
3.7.3 光纤特性 65
3.7.4 光纤的连接组件 65
主题3 数据编码技术 66
3.8 基带编码 68
3.8.1 不归零编码 68
3.8.2 曼彻斯特编码 69
3.8.3 差分曼彻斯特编码 69
3.9 频带调制 69
3.9.1 幅移键控 70
3.9.2 频移键控 70
3.9.3 相移键控 70
3.10 混合调制 70
3.10.1 多进制调制 70
3.10.2 正交振幅调制 71
3.11 信道的极限容量 72
3.11.1 奈奎斯特定理 72
3.11.2 香农定理 73
主题4 信道复用技术 74
3.12 频分多路复用 75
3.13 时分多路复用 76
3.13.1 同步时分多路复用 76
3.13.2 异步时分多路复用 76
3.14 波分多路复用 77
3.15 码分复用 78
3.15.1 CDM的工作原理 78
3.15.2 CDM的特性 79
主题5 网络互联实体 80
3.16 RS-232C接口标准简介 81
3.16.1 RS-232C的机械特性 82
3.16.2 RS-232C的电气特性 82
3.16.3 RS-232C的功能特性 82
3.16.4 RS-232C的规程特性 83
3.17 组帧 83
3.17.1 字节计数法 83
3.17.2 带字节填充的首位标识法 84
3.17.3 带比特填充的首位标识法 84
3.17.4 编码违例法 85
3.18 高级数据链路控制 86
3.18.1 HDLC概述 86
3.18.2 HDLC帧格式 87
3.19 点到点协议 88
3.19.1 PPP帧格式 88
3.19.2 PPP的工作原理 89
3.20 以太网上的点到点协议 89
主题6 宽带接入技术 90
3.21 传统电话接入技术 91
3.22 ADSL接入技术 92
3.23 混合光纤同轴接入技术 93
3.24 光纤接入技术 94
3.25 以太网接入技术 95
3.26 无线接入技术 95
模块4 构建网络共享平台—局域网技术 97
主题1 局域网体系结构 98
4.1 局域网概述 99
4.1.1 网络拓扑结构 99
4.1.2 网络传输技术 99
4.1.3 介质访问方法 99
4.2 以太网的发展 99
4.3 IEEE 802实现模型 100
4.3.1 物理层的主要功能 100
4.3.2 数据链路层的主要功能 101
4.3.3 IEEE 802系列标准 101
主题2 介质访问技术 102
4.4 CSMA/CD协议 104
4.4.1 CSMA/CD的工作原理 104
4.4.2 CSMA/CD的工作流程 106
4.4.3 总线以太网的信道利用率 107
4.4.4 CSMA/CD的应用场合 107
4.5 以太网网卡简介 108
4.5.1 网卡与传输介质的接口 108
4.5.2 网卡与主机的接口 108
4.5.3 以太网数据链路控制器 108
4.6 MAC地址的基本概念 108
4.6.1 MAC地址的定义 109
4.6.2 MAC地址的组成 109
4.6.3 MAC地址的类型 110
4.6.4 MAC地址的管理 110
4.6.5 MAC地址的作用 110
主题3 以太网帧格式与操作 111
4.7 以太网帧结构 112
4.8 差错控制 113
4.8.1 差错控制方法 113
4.8.2 海明码 114
4.8.3 奇偶校验码 116
4.8.4 循环冗余码 117
4.9 流量控制 118
4.9.1 基本停—等流量控制 118
4.9.2 滑动窗口流量控制 119
4.10 可靠传输控制 120
4.10.1 差错控制停—等协议 121
4.10.2 连续ARQ协议 122
4.10.3 选择重传ARQ协议 123
主题4 以太网技术 125
4.11 以太网的组网规范 125
4.11.1 以太网的命名原则 126
4.11.2 物理层组网设备介绍 126
4.11.3 以太网物理层标准 127
4.12 快速以太网技术 127
4.12.1 100Mbit/s以太网标准 128
4.12.2 100Mbit/s以太网应用举例 128
4.13 1000Mbit/s以太网技术 128
4.13.1 1000Mbit/s以太网标准 129
4.13.2 1000Mbit/s以太网应用举例 129
4.14 10Gbit/s以太网技术 129
4.15 40/100Gbit/s以太网技术 130
4.15.1 40/100Gbit/s以太网的特点 130
4.15.2 40/100Gbit/s以太网技术的应用 130
4.16 交换式以太网 130
4.16.1 交换式以太网的基本概念 130
4.16.2 交换式以太网的应用实例 131
主题5 交换式局域网 132
4.17 交换机的工作原理 133
4.18 交换机的数据转发方式 133
4.18.1 直通交换 134
4.18.2 存储转发交换 134
4.18.3 无（免）碎片交换 134
4.19 交换机与集线器的区别 134
4.19.1 工作层次不同 135
4.19.2 转发机制不同 135
4.19.3 带宽分配方式不同 135
4.19.4 通信方式不同 135
4.20 交换机的连接方式 135
4.20.1 级联 135
4.20.2 堆叠 135
4.20.3 级联和堆叠的区别 136
主题6 虚拟局域网 137
4.21 冲突域与广播域 137
4.21.1 冲突和冲突域 137
4.21.2 广播和广播域 138
4.21.3 冲突域与广播域比较 138
4.22 虚拟局域网技术 139
4.22.1 VLAN的优点 140
4.22.2 VLAN的分类 140
主题7 无线局域网 141
4.23 无线局域网简介 142
4.23.1 WLAN协议栈 142
4.23.2 CSMA/CA的工作原理 144
4.23.3 WLAN的常用组件 146
4.23.4 WLAN实现举例 147
模块5 扩展网络立体空间—网络互联技术 149
主题1 网络互联 150
5.1 网络互联概述 151
5.2 IP协议简介 152
5.3 ARP 153
5.3.1 ARP的作用 153
5.3.2 ARP的工作过程 154
5.4 ICMP 155
5.4.1 ICMP报文类型 156
5.4.2 ICMP报文格式 156
5.4.3 ICMP的典型应用 156
主题2 IP数据包格式 158
5.5 IP数据包 159
5.5.1 首部字段功能说明 159
5.5.2 分片与重组 161
5.5.3 IP数据包分片操作举例 162
主题3 定长子网掩码划分 164
5.6 划分子网的概念 165
5.6.1 划分子网的原因 165
5.6.2 划分子网的定义 166
5.7 子网掩码的概念 166
5.7.1 子网掩码的表示方法 166
5.7.2 子网掩码的作用 167
5.8 定长子网掩码划分方法 167
主题4 变长子网掩码划分 170
5.9 变长子网掩码的基本概念 171
5.9.1 定长子网掩码划分方法的不足 171
5.9.2 变长子网掩码的定义 171
5.9.3 变长子网掩码划分方法 171
5.10 CIDR技术 173
5.10.1 CIDR的表示方法 173
5.10.2 CIDR的使用条件 174
5.11 网络地址转换技术 175
5.11.1 NAT的工作过程 176
5.11.2 NAT的实现方式 176
5.12 移动IP技术 177
5.12.1 移动IP的概念 177
5.12.2 移动IP的通信过程 177
主题5 扩展IP技术 179
5.13 IPv4协议的主要问题 179
5.14 IPv6协议的改进措施 180
5.15 IPv6协议数据单元 181
5.16 IPv6地址表示 182
5.17 IPv6地址类型 183
5.18 IPv6过渡技术 184
5.18.1 双栈技术 185
5.18.2 隧道技术 185
5.19 IP多播技术 186
5.19.1 IP多播技术的概念 186
5.19.2 IP多播地址 187
5.19.3 局域网上的硬件多播 187
5.19.4 IP多播需要的两种协议 188
5.20 软件定义网络 188
5.20.1 SDN概述 189
5.20.2 SDN架构 189
5.20.3 SDN的工作流程 190
主题6 互联设备 192
5.21 互联设备比较 193
5.22 路由器的基本概念 193
5.23 路由器的组成部件 194
5.23.1 硬件组成 194
5.23.2 软件组成 195
5.24 路由器的工作原理 196
5.24.1 路由表 196
5.24.2 路由器的工作过程 196
5.25 路由器的基本配置 197
5.25.1 路由器的配置方法 197
5.25.2 路由器的工作模式 198
主题7 静态路由配置 199
5.26 静态路由 200
5.26.1 静态路由的概念 200
5.26.2 直连路由 201
5.26.3 静态路由配置命令介绍 201
5.26.4 默认路由 202
主题8 动态路由协议 202
5.27 动态路由协议概述 203
5.27.1 动态路由协议的度量值 204
5.27.2 动态路由协议的工作过程 205
5.27.3 动态路由协议的分类 205
5.27.4 距离矢量路由协议 206
5.27.5 链路状态路由协议 206
5.27.6 边界网关协议 208
5.27.7 管理距离 210
模块6 续写网络美丽篇章—Internet的应用 213
主题1 传输层概述 214
6.1 传输层协议概述 215
6.1.1 传输层的地位和上下层之间的
关系 215
6.1.2 传输层的功能 215
6.1.3 传输层提供的服务 216
主题2 传输层的连接管理和控制技术 218
6.2 传输层的端口 219
6.3 传输控制协议 221
6.3.1 TCP的主要功能 221
6.3.2 TCP数据段的格式 222
6.3.3 TCP连接的建立 223
6.3.4 TCP连接的释放 224
6.4 用户数据报协议 225
6.4.1 UDP概述 225
6.4.2 UDP报文格式 225
6.4.3 基于TCP与UDP的一些
典型应用 226
6.5 TCP的可靠传输 226
6.5.1 序号机制 226
6.5.2 确认机制 227
6.5.3 重传机制 227
6.6 TCP流量控制 228
6.6.1 滑动窗口机制 229
6.6.2 发送方缓存与窗口之间的关系 229
6.6.3 接收方缓存与窗口之间的关系 229
6.6.4 利用滑动窗口机制实现流量
控制的过程 230
6.6.5 可能出现的死锁问题 231
6.7 TCP的拥塞控制机制 232
6.7.1 拥塞控制概述 232
6.7.2 拥塞控制机制 233
主题3 搭建网络应用平台 236
6.8 C/S工作模式与P2P工作模式 237
6.8.1 C/S工作模式 237
6.8.2 P2P工作模式 238
6.9 动态主机配置协议 238
6.9.1 使用DHCP的主要目的 238
6.9.2 DHCP的工作过程 239
6.10 Web服务 240
6.10.1 Web服务器 240
6.10.2 Web浏览器 240
6.10.3 页面地址 241
6.10.4 超文本标记语言 241
6.11 域名系统 241
6.11.1 域名的层次命名结构 242
6.11.2 域名的表示方法 243
6.11.3 域名服务器和域名解析过程 243
6.11.4 域名、端口号、IP地址、MAC
地址之间的关系 244
主题4 网络资源共享服务 245
6.12 E-mail服务 245
6.12.1 电子邮件系统 245
6.12.2 电子邮件的传送过程 246
6.12.3 电子邮件地址 246
6.13 文件传送服务 247
6.13.1 FTP 247
6.13.2 FTP的工作过程 247
6.14 远程登录服务 248
6.14.1 Telnet的工作原理 248
6.14.2 Telnet的使用 249

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19. 大学生职业发展与就业指导 [主编　刘志坚]
20. 高级办公应用项目教程 [主编 屈晶 赵成丽]
21. 微信小程序开发项目实战（微课版） [主编 黄龙泉 郭峰 朱倩]
22. 企业档案工作实战宝典百问百答 [华俊 卢秀英 邵甜甜 著]
23. 大学生创业基础 [主编 王丽莉 王 杨]
24. 船舶辅机 [主编 王连海 于洋 姜淑翠]
25. 大学生就业指导 [主编 王丽莉 董宴廷]
26. 系统架构设计师章节习题与考点特训 [主编 薛大龙 邹月平]
27. 高校学生工作探索与实践 [郭亮 著]
28. 大学生情商管理 [方雄 著]
29. 2023年长沙市会展业发展报告 [主编 周栋良]
30. 2023年长沙市金融业发展报告 [主编 任璐 王志辉]