通信网路已进入了变革的时代,在这个时代中,市场和管理的活力最终是源于有关技术的发展,这可明显地体现在下列几方面:

 多媒体个人计算机与全球资讯网的迅速发展,证明了网路服务的价值。

 电信行业开放新型接入网技术,如数字蜂窝系统、线缆数据机、高速数字用户线(DSL)数据机、直播卫星系统、卫星网路与宽频无线接入系统等,这些将促进电信基础设施演变为灵活的分组主干网技术。

 由于採用光传输技术和出现了新的国家与全球主干网服务提供商,使可用频宽急剧加大。

 网际网路协定族可作为基本、有效的工具,提供网路间广泛的互联。

 由于数据业务将超过话音业务,因此未来网路将主要针对数据进行设计,而电话业务最终必然要在网际网路上传送。

这样,在今后10年,网路的主要构成单元将会有明显的变化。本书的目的是让电气工程、计算机工程和计算机科学专业的学生掌握基本的网路结构概念及网路套用的知识。

本书适应的课程

本书是通信网方面课程的一学期或一学年导论性教科书,是为高年级本科生和一年级研究生的教学计画而编写的。本书的后半部分涉及当前网路结构的细节,可用作更高级课程的教材。本书也可供工程与计算机方面的专业人员选作网路概论性的教材。

学习本书时应具备计算机系统与编程的一般知识及基本的计算能力。在某些部分,初等机率知识是有用的,但不是必要的。

方法与内容

网路是由许多完成不同工作的部件所构成的极为複杂的系统。为了便于理解网路,必须先使学生了解网路的巨观情况,了解网路中各个部分是如何构成一个整体的。我们在组织本书时就考虑在刚开始先给学生一个大致的概念,然后让学生逐步深入此书中的各个论题。

本书试图均衡地安排有关网路的重要单元内容,在一学期的有限时间内学完本课程也是一种很大的挑战。我们在组织本书时,儘量将有关的论题描述得简明、实用,有些附加的材料可能难度较大,可由教师选用。

本书内容包括3个部分,第一部分为总体描述;第二部分介绍某些基本概念;第三部分讨论一些先进的论题和详细的网路结构;书后的两个附录提供了重要的技术支持材料。

网路、服务与层次结构

本书的第一部分从第1章开始讨论基于网路的套用，如学生所熟悉的全球资讯网、电子邮件、电话呼叫及家庭影视娱乐等。利用这些例子是为了强调现代网路的设计必须支持广泛的套用。然后我们将讨论电报、电话和计算机网直到网际网路（Internet）的发展与变革。通过这种发展历史的讨论，可以认识到其中一些基本功能对所有网路都是通用的。我们将说明通常可有几种方法来实现一种功能，例如可利用无连线分组交换和电路交换两种方式进行信息的传送；可通过当时的技术、市场、管理等方面因素的综合来确定一种所需的网路结构。

第2章从服务提供商的角度来介绍网路，讲述电子邮件和Web浏览器套用，并说明支持这些套用的协定，即超文本传输协定（HTTP）、简单邮件传输协定（SMTP）和域名服务（DNS）等。我们也将说明这些协定如何利用传输控制协定（TCP）与用户数据报协定（UDP）来提供传送服务。通过这些套用，可以对层次的概念以及开放系统互连（OSI）的参考模型有个基本了解。书中还利用详细的例子说明乙太网（Ethernet）、点到点协定（PPP）、网际协定（IP）、TCP与UDP如何共同工作，以支持套用层的协定，在这些实例中还介绍了定址与封装的主要概念。第2章中包括可选读的2.4和2.5两节，其内容为套接字及其他套用层协定与几种TCP/IP实用软体的简介。我们相信学生能够熟悉某些套用层方面的内容，从而可把第2章作为学习有关网路内部操作的一些论题的桥樑。套接字和TCP/IP实用软体为今后一些有用的练习与实践打下基础，这些练习与实践能使学生获得某些常用的网路知识。

基本的网路体系结构概念

第二部分将介绍网路体系结构的基本概念，主要讨论物理层到网路层，并探讨网路结构的发展趋势。

第3章主要介绍数字传输（包括检错）技术。我们介绍网路套用对比特率的要求及网路的传输能力，介绍频宽与比特率、信噪比之间的关係，并以数据机标準作为例子，介绍基本的数字传输技术。然后讨论各种介质或媒体（如铜线、同轴电缆、无线电、光纤）的特性及在接入网中的套用。本章比一般导论性课程包含更多的内容，教师可根据需要选用。

第4章讨论数字传输系统与电话网。前几节涉及当前和新出现的光网路，介绍数字复用等级和同步光网路（SONET）标準及SONET环的自恢复能力，并着重说明SONET光网路在软体控制下构建任意逻辑拓扑的能力。然后，我们引入波分复用（WDM）的概念，并说明WDM光网路如何共享SONET灵活的网路配置特性。接着讨论用于传统电话网和未来光网路的电路交换机。后几节涉及电话网，重点是实现电话服务及有关增值业务，如呼叫身份认证和集中付费业务（800号业务）等所需的信令系统。介绍电话网及其信令系统的分层结构，讨论频率重複利用的概念及其在电话和卫星蜂窝网路中的套用。

第5章讨论数据链路控制。我们先不马上涉及这个问题，而首先引入对等层协定和服务模型表示。作为对等层协定的例子，详细介绍提供可靠传送服务的自动重发请求（ARQ）协定。通过这种讨论可使学生对协定的具体实现有一个基本的了解。将端到端和逐跳方式与对等层协定进行比较，并用附加的对等层协定示例来说明流量控制与定时恢复问题。我们还能提前了解一下由TCP提供的可靠信息流服务方面的内容。然后描述高级数据链路控制（HDLC）与PPP等数据链路层标準的细节，讨论多个分组流共享一条数据链路和复用增益的问题。

第6章以区域网路（LAN）和无线网作为例子，说明经共享介质的信息传送问题。我们先简单介绍广播式网路和介质共享技术，然后描述LAN的功能及其在OSI参考模型中的位置。介绍在共享介质上传送分组所採用的随机访问和预约方法。讨论延时频宽乘积对性能的影响，并说明为什幺乙太网从共享介质访问演进到交换方式。除令牌环和光纤分散式数据接口（FDDI）LAN外，我们也详细讨论无线区域网路的IEEE 802.11标準。我们还讨论共享介质的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等信道复用方式及其在各种蜂窝无线网路中的套用。我们尽力使CDMA这一难题易于让学生理解与接受。

第7章讨论分组交换网。为便于理解本章的内容，我们先介绍通过网际网路的端到端分组传送，然后以IP与异步转移模式（ATM）作为例子，介绍数据报和虚电路分组交换的概念。讲述分组交换机与路由器的基本设计方法，在其后介绍网路中路由选择所常用的最短路径算法以及链路状态与距离矢量方法。介绍ATM与标籤交换的概念，讨论服务质量（QoS）与流量整形、调度、呼叫接纳控制之间的关係。本章的讨论还包括TCP和ATM的拥塞控制问题。

主要的网路体系结构与先进技术

第三部分介绍基本的网路概念是如何体现在ATM与TCP/IP这两种主要的网路体系结构中。在该部分中也涉及ATM与TCP/IP网的互连及增强TCP/IP的效能，以提供安全、有效的通信。

第8章详细介绍TCP/IP协定。内容包括IP层结构分析、IP位址、路由选择、分段与重组、IPv6的发展动力和特点以及UDP。本章还详细分析了TCP是如何通过无连线的分组网路实现端到端可靠信息流服务与流量控制的，并简单介绍了路由信息协定（RIP）、开放式最短路径优先（OSPF）协定和边界网关协定（BGP），以说明在网际网路中建立路由表的过程，同时也引入组播路由的概念。

第9章讨论ATM网路的结构。介绍ATM层、QoS与ATM网业务类型，接着讨论ATM适配层（AAL）的各种协定及ATM信令和PNNI路由选择技术。

第10章讨论IP与ATM网的互动工作及建议的IP功能增强。介绍在ATM网运行IP的多种方案，然后介绍多协定标籤交换（MPLS）技术及其他的链路层协定，目前MPLS是在ATM网上运行IP最有前途的一种方式。最后，我们讨论资源预留协定（RSVP）、综合服务IP与区分服务IP，它们共同提供IP的服务质量保证机制。

第11章简单介绍网路安全协定。在网路中可能出现各种威胁，相应也需要採取多种安全措施进行防御。本章介绍秘密密钥与公开密钥加密技术及它们在网路安全方面的套用，讨论提供网路安全性的协定与建立安全连线和管理密钥的协定。然后将这些通用协定与IP安全协定、传输层安全协定联繫起来。

第12章介绍多媒体信息及其网路技术。我们先简单介绍图像、音频和视频信号的特性，讨论为实现有效的数字表示而採用的各种压缩方案及有关的压缩标準。然后我们再返回来讨论简易老式电话业务（POTS）的各种信令协定，这些协定经发展可支持一般的多媒体通信，特别是在网际网路上的IP电话。

本书结尾讨论网路体系结构的发展趋势及影响未来网路发展的几个方面。

附录

附录A给出网路性能模型。网路性能是网路设计和运行的主要部分与总体性要求。本书利用定量的实例说明在多种情况下所做的折衷考虑。我们对性能问题主要关心感性认识，而不想陷入数学推导之中。延迟与损耗特性在涉及复用、中继连线和介质访问控制等部分中引入，在这些部分中描述了这些特性的动态情况和所引起的主要特性。附录A的目的是对书中所引用的性能模型进行分析，这些分析方法与结果可融入到更高级的通信网路课程中。

附录B简要介绍网路管理。讨论网路管理系统的基本功能与结构及简单网路管理协定（SNMP），介绍描述管理信息的规则及对象的集合（称为管理信息库），它由SNMP进行管理。我们也介绍远程网路监控（RMON），它可提供广泛的网路诊断、规划和性能信息。

如何利用本书

本书在组织上能够适应各种导论性计算机与通信网课程的需要。教师通过选用适当的章节来调整重点，可满足不同学生背景的实际要求。第1~8章包括了一般计算机网路导论性课程所覆盖的核心内容（可能还多一些），例如在多伦多（Toronto）大学，40学时的本科生计算机网路课包括第1章（全部）、第2章（全部，含利用套接字的一系列实际练习）、第3章（3.1、3.2、3.5、3.6及3.8.1~3.8.5节）、第4章（4.1~4.3节）、第5章（全部）、第6章（6.1~6.4及6.6.1、6.6.2节）、第7章（全部）、第8章（8.1~8.5节）。若想多花点儿时间学习第8章或其后的内容，可以略去第3、4章。本书的内容足够两个学期的课程，可作为计算机网路的导论性课程，之后应开设网路协定方面的课程。

教学元素

本书包含下列教学元素：

 大量图。为有效地理解有关网路的概念，书中提供了大量必要的网路图、时间图、特性曲线和状态转换图。

 大量实例。在讨论基本概念时，利用各种有关的例子实际说明所阐述的概念。在书中也儘可能地包含了一些数值例子。

 带框的文字说明。利用框内注释来说明网路的发展趋势、重要进展，并探讨未来发展和一些新的论题。

 习题。要掌握学习内容必须做习题。本书每章习题的难度範围都从概念的简单套用到研究、开发或探索各种问题。定量性的习题範围从简单的计算到某些算法、技术或网路问题的研究。其中也适当地包含一些套接字与TCP/IP实用软体的简单编程练习。

 每章有一小结和主要术语表。在小结中重複说明一些最重要的概念，主要术语表可帮助学生回顾一下有关的内容。

 参考读物。每章有一参考读物清单，可对学习书中内容起一定的引导作用，主要提供进一步学习的材料。某些方面特别是较新的论题可参考网际网路工程任务组（IETF）的相关RFC档案与研究论文。

译者序Ⅰ

前言Ⅲ

第1章通信网及其业务1

1.1网路与业务1

1.2网路设计的方法6

1.2.1网路功能与网路拓扑7

1.2.2报文交换、分组交换与电路交换10

1.2.3电报网与报文交换11

1.2.4电话网与电路交换12

1.2.5网际网路与分组交换14

1.2.6关于交换方式的讨论20

1.3通信网发展的关键因素21

1.3.1技术的作用21

1.3.2政策的作用22

1.3.3市场的作用23

1.3.4标準的作用23

1.4本书概述24

主要术语表26

参考读物27

习题28

第2章套用与层次体系结构31

2.1层次举例32

2.2OSI参考模型36

2.2.1层次、协定与服务36

2.2.27层协定模型38

2.3TCP/IP网路体系结构概述41

2.3.1TCP/IP协定43

2.4套用编程接口46

2.4.1套接字系统调用48

2.4.2网路的实用功能51

2.5套用协定与TCP/IP实用软体61

2.5.1远程登录61

2.5.2档案传送协定62

2.5.3IP实用软体64

小结66

主要术语表66

参考读物67

习题68

第3章数字传输基础73

3.1信息的数位化表示74

3.1.1不同信息类型的二进制表示74

3.1.2各种信息类型对网路的要求77

3.2为什幺需要数位化传输79

3.2.1数字传输系统的基本特性81

3.3信道特性84

3.3.1频域特性84

3.3.2时域特性87

3.4数字传输的基本限制88

3.4.1奈奎斯特速率88

3.4.2香农信道容量90

3.5线路编码92

3.6Modem与数字调製94

3.6.1信号星座图与电话Modem标準98

3.7介质与数字传输系统的特性100

3.7.1双绞线101

3.7.2同轴电缆104

3.7.3光纤107

3.7.4无线电传输110

3.7.5红外光113

3.8检错与纠错113

3.8.1检错114

3.8.2二维奇偶校验117

3.8.3网际网路校验和117

3.8.4多项式码119

3.8.5标準的多项式码121

3.8.6多项式码的检错能力122

3.8.7线性码123

3.8.8纠错128

小结131

主要术语表132

参考读物134

习题134

附录3A异步数据传输139

附录3B傅立叶级数140

第4章传输系统与电话网142

4.1复用142

4.1.1频分复用143

4.1.2时分复用144

4.2SONET146

4.2.1SONET复用技术147

4.2.2SONET的帧结构151

4.3波分复用154

4.4电路交换器156

4.4.1空分交换器157

4.4.2时分交换器159

4.5电话网162

4.5.1传输系统164

4.5.2端到端的数字业务167

4.6信令168

4.6.17号信令系统的体系结构171

4.7电话网中的话务量与过载控制172

4.7.1集中器172

4.7.2路由控制175

4.7.3过载控制176

4.8蜂窝电话网178

4.9卫星蜂窝网182

小结185

主要术语表185

参考读物187

习题188

第5章对等层协定195

5.1对等层协定和服务模型196

5.1.1服务模型199

5.1.2端到端请求和适配功能200

5.1.3端到端法与逐跳法之间的比较202

5．2ARQ协定203

5.2.1停止|等待式ARQ协定204

5.2.2后退N帧的ARQ208

5.2.3选择性重发ARQ214

5.2.4ARQ协定的传输效率217

5.3其他适配功能223

5.3.1滑动窗流量控制223

5.3.2同步业务的定时恢复224

5．3．3可靠的信息流服务227

5．4数据链路控制228

5.4.1HDLC数据链路控制228

5.4.2点到点协定234

5.5使用分组复用的链路共享236

5.5.1统计复用236

5.5.2语音内插和分组化语音的复用242

小结246

主要术语表247

参考读物248

习题249

第6章区域网路与介质访问控制协定257

6．1多路访问通信258

6．2区域网路264

6．2．1区域网路的结构264

6．2．2介质访问控制子层265

6．2．3逻辑链路控制层267

6．3随机访问268

6．3．1ALOHA269

6．3．2分隙ALOHA271

6．3．3CSMA272

6．3．4CSMACD274

6．4介质访问控制的预约方式277

6.4.1预定系统277

6.4.2轮询279

6.4.3令牌传送环282

6.4.4介质访问控制的预约方式比较287

6.4.5随机访问和预约式介质访问控制的比较287

6.5信道化288

6.5.1FDMA288

6.5.2TDMA289

6.5.3CDMA290

6.5.4蜂窝电话网路中的信道化296

6.5.5信道化技术在突髮型业务方面的性能301

6.6区域网路标準303

6.6.1乙太网和IEEE802.3LAN标準303

6．6．2令牌环和IEEE802.5LAN标準310

6．6．3FDDI315

6．6．4无线区域网路和IEEE802.11标準317

6．7区域网路网桥332

6．7．1透明网桥334

6．7．2源路由网桥339

6．7．3混合介质网桥342

小结342

主要术语表343

参考读物346

习题346

第7章分组交换网352

7．1网路服务和网路的内部操作353

7．2分组网路的拓扑结构356

7．3数据报和虚电路361

7．3．1交换机/路由器的结构361

7．3．2无连线的分组交换363

7．3．3虚电路分组交换367

7．4分组网路中的路由选择370

7．4．1路由算法的分类371

7．4．2路由表372

7．4．3分级路由选择374

7．4．4链路状态路由算法与距离矢量路由算法375

7．5最短路径算法375

7．5．1BellmanFord算法376

7．5．2Dijkstra算法381

7．5．3其他路由算法383

7．6ATM网路386

7．7流量管理和QoS390

7．7．1FIFO和优先权伫列391

7．7．2公平伫列392

7．8拥塞控制397

7．8．1开环控制398

7．8．2闭环控制405

小结411

主要术语表411

参考读物413

习题413

第8章TCP/IP419

8．1TCP/IP体系结构420

8．2网际协定422

8．2．1IP分组422

8．2．2IP位址424

8．2．3子网地址425

8．2．4IP路由427

8．2．5无类域间路由429

8．2．6地址解析430

8．2．7反向地址解析430

8．2．8分段和重组431

8．2．9ICMP：差错和控制讯息432

8．3IPv6433

8．3．1报头格式434

8．3．2网路地址434

8．3．3扩展报头437

8．4用户数据报协定439

8．5传输控制协定440

8．5．1TCP的可靠流服务440

8．5．2TCP操作440

8．5．3TCP协定444

8．6DHCP和移动IP454

8．6．1动态主机配置协定454

8．6．2移动IP454

8．7网际网路路由协定457

8．7．1路由信息协定458

8．7．2开放式最短路径优先459

8．7．3边界网关协定465

8．8组播路由473

8．8．1反向路径广播474

8．8．2网际网路组管理协定476

8．8．3反向路径组播477

8．8．4距离矢量组播路由协定477

小结478

主要术语表479

参考读物481

习题482

第9章ATM网路487

9．1为什幺需要ATM487

9．2BISDN参考模型488

9．3ATM层491

9．3．1ATM信头492

9．3．2虚连线493

9．3．3QoS参数494

9．3．4流量描述器495

9．3．5ATM业务类型496

9．3．6流量契约、连线接纳控制和流量管理497

9．4ATM适配层498

9．4．1AAL1499

9．4．2AAL2501

9．4．3AAL3/4504

9．4．4AAL5506

9．4．5信令AAL507

9．4．6套用、AAL以及ATM业务类型508

9．5ATM信令511

9．5．1ATM地址511

9．5．2UNI信令512

9．5．3PNNI信令515

9.6PNNI路由选择516

小结519

主要术语表519

参考读物520

习题520

第10章现代网路结构524

10.1IP传送体系524

10.2重叠模型525

10.2.1经典ATM上的IP525

10.2.2区域网路仿真527

10.2.3NHRP528

10.2.4MPOA530

10.3MPLS532

10.3.1标籤的基本原理533

10.3.2标籤栈534

10.3.3虚连线的合併535

10.3.4标籤分配协定536

10.3.5流量工程的显式路由537

10.3.6MPLS对虚拟网的支持538

10.4网际网路上的综合服务539

10．4．1确保服务540

10．4．2负荷受控服务540

10.5RSVP540

10．5．1接收端启动的预留542

10．5．2预留合併543

10．5．3预留方式543

10．5．4软状态545

10．5．5RSVP讯息结构545

10.6区分服务548

10．6．1DS栏位548

10．6．2逐跳处理549

10．6．3流量调节551

10.6.4频宽代理552

小结552

主要术语表553

参考读物554

习题555

第11章网路安全协定558

11.1安全与加密算法558

11．1．1密码系统在网路安全性中的套用560

11.1.2密钥分配564

11.2安全协定566

11．2．1套用场合566

11．2．2服务类型568

11.2.3建立一个安全连线570

11.2.4IPSec572

11.2.5安全套接层和传输层安全574

11.3加密算法578

11.3.1DES578

11.3.2RSA580

小结581

主要术语表582

参考读物583

习题584

第12章多媒体信息与网路587

12.1无损数据压缩587

12.1.1哈夫曼编码588

12.1.2游程编码591

12.1.3自适应编码595

12.2模拟信号的数位化表示597

12.2.1模拟信号的性质597

12.2.2模拟到数字的转换598

12.2.3模拟信号的数字传输600

12.2.4量化器的信噪比性能604

·12.3增大压缩率的技术605

12.3.1预测编码607

12.3.2变换编码608

12.3.3子带编码609

12.3.4离散余弦变换编码610

12.3.5JPEG图像编码标準610

12.3.6视频信号的压缩613

12.3.7MPEG视频编码标準615

12.3.8MPEG多路复用617

12.4实时传输协定618

12.4.1RTP场景及术语619

12.4.2RTP分组格式620

12.4.3RTP控制协定620

12.5会话控制协定621

12.5.1会话初始化协定621

12.5.2H.323多媒体通信系统623

12.5.3媒质网关控制协定624

小结625

主要术语表626

参考读物627

习题628

结束语——网路体系结构的发展趋势633

附录A延迟和丢失性能635

附录B网路管理651