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本書圍繞因特網(wǎng)體系結構詳細介紹了網(wǎng)絡協(xié)議的設計思想、運行機制及仿真分析方法。首先詳細介紹了網(wǎng)絡協(xié)議分析及仿真工具的建模步驟和使用方法，然后圍繞因特網(wǎng)中基礎、使用較多、**代表性的協(xié)議展開分析，包括數(shù)據(jù)鏈路層的PPP、以太網(wǎng)和IEEE 802.11等協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)層用于分組傳遞的IP、ARP、ICMP、NDP、PMTU等協(xié)議和用于路由管理的RIP2、OSPF2和BGP4等協(xié)議，傳輸層的UDP和TCP協(xié)議，以及DNS、DHCP、FTP、SMTP、POP3和HTTP等經(jīng)典的應用服務協(xié)議和SNMP網(wǎng)絡管理協(xié)議，后介紹了網(wǎng)絡協(xié)議設計和形式化描述的一般原則和方法。本書所有的案例都基于GNS3、Wireshark和NS3等開源工具，而且對涉及的每一種協(xié)議都詳細給出了其特定網(wǎng)絡環(huán)境的建模和分析方法，使讀者在學習時可以方便地復現(xiàn)。本書主要用作網(wǎng)絡工程、信息安全、數(shù)據(jù)科學和物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)的本科生課程教學，也可供通信或計算機網(wǎng)絡技術領域的研究生課程教學使用。此外，本書不僅是廣大網(wǎng)絡和信息技術領域工程技術研究人員的參考工具書，對從事互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設計或網(wǎng)絡協(xié)議設計的讀者也有很高的參考價值。

進入21世紀以來，人類社會的信息化程度不斷升級。信息技術的高度應用與信息資源的高度共享，為工業(yè)、經(jīng)濟和人類社會向更高層次發(fā)展提供了良好的環(huán)境支撐。信息成為社會活動的戰(zhàn)略資源和重要財富，信息技術成為推動社會進步的主導技術，信息技術人員成為領導社會變革的中堅力量。充分利用信息技術，開發(fā)利用信息資源，促進信息交流和知識共享，提高經(jīng)濟增長質(zhì)量，推動經(jīng)濟社會發(fā)展轉型成為我國新時期國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的主要目標。以因特網(wǎng)為核心的計算機網(wǎng)絡技術在信息化進程中扮演著非常重要的角色，培養(yǎng)掌握計算機網(wǎng)絡基礎理論和關鍵技術的高水平人才是高等學校責無旁貸的任務，計算機網(wǎng)絡也成為國內(nèi)外各個高校不同專業(yè)培養(yǎng)方案中的主要課程。
國內(nèi)講述計算機網(wǎng)絡原理的教材非常豐富，這些教材從理論角度很好地解釋了各種網(wǎng)絡協(xié)議的設計思想、工作原理及其所解決的問題，但是原理解釋太過抽象，導致學習者無法在短時間內(nèi)領會網(wǎng)絡協(xié)議的精髓。為此，有少量教材試圖通過分析偽代碼達到對網(wǎng)絡協(xié)議的深層次解釋，但對讀者的算法和程序設計基礎有較高要求。筆者通過長期的教學和科研實踐發(fā)現(xiàn)，計算機網(wǎng)絡學習的關鍵在于理解網(wǎng)絡協(xié)議在真實網(wǎng)絡中的實現(xiàn)細節(jié)和運行過程。為了使廣大計算機網(wǎng)絡技術學習者能夠快速、低成本地對因特網(wǎng)核心協(xié)議有更加深入的理解，對網(wǎng)絡協(xié)議認識完成從抽象到具象的轉變，筆者在對西安郵電大學課程建設項目成果總結的基礎上編寫了本書。
本書在內(nèi)容選取和編排上充分考慮了學習的遞進性和應用的廣泛性。在內(nèi)容上，考慮到網(wǎng)絡協(xié)議的復雜性和多變性，選取了因特網(wǎng)中基礎、使用較多、代表性的協(xié)議，采用理論和實踐相結合的形式進行描述。在編排上，由淺入深按照3個層次遞進展開: ①學習仿真和分析工具，掌握網(wǎng)絡環(huán)境建模和網(wǎng)絡協(xié)議的分析及性能測試方法； ②自底向上進行因特網(wǎng)網(wǎng)絡模型構建，使用協(xié)議分析工具完成對真實網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包的捕獲、（統(tǒng)計）分析及協(xié)議流的跟蹤； ③學習協(xié)議設計的準則和一般方法。
全書共10章，第1章對網(wǎng)絡體系結構、典型的參考模型及因特網(wǎng)標準進行概述;第2章對本書用到的3款工具（GNS3、Wireshark和NS3）的安裝和使用方法進行詳細講解，目的是讓讀者對網(wǎng)絡協(xié)議概念及仿真分析方法有初步了解，以利于后續(xù)章節(jié)內(nèi)容的學習；第3～8章圍繞因特網(wǎng)核心協(xié)議展開，首先參考相關標準對各層協(xié)議內(nèi)容進行解釋，然后采用工具逐層構建模擬網(wǎng)絡，并演示和講解協(xié)議運行的細節(jié)。具體包括數(shù)據(jù)鏈路層的PPP、以太網(wǎng)和IEEE 802.11等協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)層用于分組傳遞的IP、ARP、ICMP、NDP、PMTU等協(xié)議和用于路由管理的RIP2、OSPF2和BGP4等協(xié)議，傳輸層的UDP和TCP協(xié)議，以及DNS、DHCP、FTP、SMTP、POP3和HTTP等經(jīng)典的應用服務協(xié)議和SNMP網(wǎng)絡管理協(xié)議；第9章簡單介紹網(wǎng)絡協(xié)議設計的基本內(nèi)容、基本方法及差錯和流量控制設計；第10章簡單介紹使用有限狀態(tài)機、Petri網(wǎng)和SDL語言進行網(wǎng)絡協(xié)議形式化描述的一般方法。
本書的建議講授課時為32～48學時，并建議在計算機網(wǎng)絡基礎或原理課程學習完成后進行，也可以根據(jù)需要直接設課。本書對于理論課或集中實踐課都是適合的教材。
本書根據(jù)編者多年的教學經(jīng)驗編寫，其的特色在于選擇了開源軟件作為搭建模擬環(huán)境平臺的工具，使讀者不用擔心工具軟件的獲取和版權問題。此外，教材中的所有案例都由編者親自設計并完成測試，不用擔心實驗的可復現(xiàn)問題。為方便采用本書教學，編者還制作了PPT和微課視頻，建立了測試題庫，讀者可以在清華大學出版社官網(wǎng)搜索下載。此外，編者還在超星學習通平臺建立了教學示范包，可以聯(lián)系作者索取使用。
參與本書編寫的有西安郵電大學的謝曉燕、孫韓林、李剛和王曉梅4位老師，其中謝曉燕編寫第1章，孫韓林編寫第2、4和5章，李剛編寫第6、8、9和10章，王曉梅編寫第3、7章，全書由謝曉燕和李剛統(tǒng)稿。
計算機網(wǎng)絡是一個飛速發(fā)展的技術領域，網(wǎng)絡協(xié)議在工業(yè)界也有不同的解釋方法。由于編者水平有限，書中可能存在欠妥或不足之處，懇請各位專家和讀者批評指正。我們將在吸取大家的意見和建議的基礎上，在適當?shù)臅r候進行修訂和補充。

編者2021年3月

第1章網(wǎng)絡協(xié)議概述/1
1.1網(wǎng)絡體系結構及網(wǎng)絡互聯(lián)1
1.1.1網(wǎng)絡協(xié)議2
1.1.2分層的網(wǎng)絡體系結構2
1.1.3服務與協(xié)議的關系4
1.1.4網(wǎng)絡互聯(lián)6
1.2OSI/RM參考模型7
1.3因特網(wǎng)體系結構9
1.4因特網(wǎng)標準12
第2章網(wǎng)絡協(xié)議分析/15
2.1網(wǎng)絡協(xié)議分析概述15
2.2GNS3簡介16
2.2.1GNS3安裝16
2.2.2GNS3的簡單使用16
2.3Wireshark簡介26
2.3.1分組嗅探器的工作原理26
2.3.2GNS3中Wireshark的使用27
2.3.3過濾器28
2.4NS3簡介35
2.4.1NS3網(wǎng)絡模型35
2.4.2NS3安裝36
2.4.3NS3網(wǎng)絡模擬過程39
2.4.4日志系統(tǒng)和追蹤系統(tǒng)43
第3章數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議/47
3.1數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議概述47
3.2PPP協(xié)議分析48
3.2.1PPP協(xié)議概述48
3.2.2PPP協(xié)議分析61
3.2.3PPP協(xié)議仿真72
3.3以太網(wǎng)協(xié)議分析77
3.3.1以太網(wǎng)概述77
3.3.2以太網(wǎng)協(xié)議分析81
3.3.3以太網(wǎng)協(xié)議仿真83
3.4IEEE 802.11協(xié)議分析88
3.4.1IEEE 802.11協(xié)議概述88
3.4.2IEEE 802.11仿真94
網(wǎng)絡協(xié)議分析、設計與仿真目錄第4章IP層協(xié)議/102
4.1IP層協(xié)議概述102
4.1.1IP協(xié)議在網(wǎng)絡互聯(lián)中的地位和作用102
4.1.2IPv4協(xié)議102
4.1.3IPv6協(xié)議103
4.2IPv4協(xié)議分析103
4.2.1IPv4地址結構103
4.2.2IPv4分組格式105
4.2.3IPv4協(xié)議分析110
4.2.4IPv4協(xié)議模擬117
4.3IPv6協(xié)議分析121
4.3.1IPv6地址結構121
4.3.2IPv6分組格式125
4.3.3IPv6協(xié)議分析131
4.3.4IPv6協(xié)議模擬134
4.4ARP協(xié)議分析140
4.4.1ARP協(xié)議概述140
4.4.2ARP協(xié)議分析142
4.4.3ARP協(xié)議模擬144
4.5ICMP協(xié)議分析147
4.5.1ICMPv4協(xié)議147
4.5.2ICMPv6協(xié)議150
4.5.3IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議153
4.5.4IPv6路徑MTU發(fā)現(xiàn)協(xié)議162
4.5.5ICMPv4協(xié)議分析163
4.5.6ICMPv6協(xié)議分析169
4.5.7ICMPv4協(xié)議模擬173
4.5.8ICMPv6協(xié)議模擬176
第5章IP路由協(xié)議/182
5.1路由協(xié)議概述182
5.1.1IP路由原理及路由表182
5.1.2IP路由協(xié)議分類182
5.2RIP協(xié)議分析183
5.2.1RIP基本工作原理184
5.2.2距離向量算法184
5.2.3RIP協(xié)議的改進185
5.2.4RIP2報文格式187
5.2.5RIP2協(xié)議分析189
5.3OSPF協(xié)議分析192
5.3.1鏈路狀態(tài)選路算法192
5.3.2OSPF協(xié)議工作原理193
5.3.3OSPF2協(xié)議報文格式199
5.3.4OSPF2協(xié)議分析208
5.4BGP協(xié)議分析228
5.4.1BGP協(xié)議工作原理228
5.4.2BGP4報文格式229
5.4.3BGP協(xié)議分析234
第6章傳輸層協(xié)議/242
6.1傳輸層協(xié)議概述242
6.1.1傳輸層的地位和作用242
6.1.2傳輸層的兩個主要協(xié)議243
6.1.3端口243
6.1.4多路復用和多路分解244
6.2UDP協(xié)議分析244
6.2.1UDP協(xié)議概述244
6.2.2UDP協(xié)議分析246
6.2.3UDP協(xié)議仿真249
6.3TCP協(xié)議分析254
6.3.1TCP協(xié)議概述254
6.3.2TCP協(xié)議分析262
6.3.3TCP協(xié)議仿真266
第7章應用層協(xié)議/283
7.1因特網(wǎng)應用系統(tǒng)服務283
7.2DNS系統(tǒng)協(xié)議分析284
7.2.1DNS系統(tǒng)組成及工作過程284
7.2.2DNS協(xié)議分析292
7.3DHCP系統(tǒng)協(xié)議分析294
7.3.1DHCP系統(tǒng)組成及工作過程294
7.3.2DHCP協(xié)議分析301
7.4FTP系統(tǒng)協(xié)議分析305
7.4.1FTP系統(tǒng)組成及工作過程305
7.4.2FTP協(xié)議分析310
7.5郵件系統(tǒng)協(xié)議分析313
7.5.1郵件系統(tǒng)組成及工作過程314
7.5.2SMTP協(xié)議分析328
7.5.3POP3協(xié)議分析331
7.6WWW系統(tǒng)協(xié)議分析334
7.6.1WWW系統(tǒng)組成及工作過程335
7.6.2HTTP協(xié)議分析341
第8章網(wǎng)絡管理SNMP協(xié)議/344
8.1網(wǎng)絡管理概述344
8.2SNMP體系結構345
8.2.1網(wǎng)絡管理者和被管網(wǎng)絡實體346
8.2.2SNMP管理組件346
8.3SMI347
8.3.1管理對象命名規(guī)則348
8.3.2管理對象的數(shù)據(jù)類型348
8.3.3編碼方法350
8.4MIB352
8.4.1MIB概述352
8.4.2MIB變量的訪問355
8.4.3字典式排序357
8.5SNMP358
8.5.1PDU概述358
8.5.2PDU格式362
8.5.3SNMP報文格式365
8.5.4SNMP端口367
8.5.5SNMP安全策略369
8.6SNMP協(xié)議分析369
8.6.1總體思路369
8.6.2網(wǎng)絡環(huán)境搭建369
8.6.3數(shù)據(jù)捕獲371
第9章網(wǎng)絡協(xié)議設計技術/374
9.1網(wǎng)絡協(xié)議設計的基本內(nèi)容374
9.1.1網(wǎng)絡協(xié)議的通信環(huán)境374
9.1.2網(wǎng)絡協(xié)議提供的服務376
9.1.3網(wǎng)絡協(xié)議功能377
9.1.4網(wǎng)絡協(xié)議元素380
9.1.5網(wǎng)絡協(xié)議組織382
9.1.6網(wǎng)絡協(xié)議文本383
9.2網(wǎng)絡協(xié)議設計的基本方法383
9.2.1網(wǎng)絡協(xié)議設計原則383
9.2.2分層次的網(wǎng)絡協(xié)議設計384
9.2.3自頂向下的網(wǎng)絡協(xié)議設計385
9.2.4自底向上的網(wǎng)絡協(xié)議設計385
9.3差錯控制技術的設計386
9.3.1差錯類型386
9.3.2差錯檢測技術387
9.3.3差錯控制技術391
9.3.4差錯控制的網(wǎng)絡層次393
9.4流量控制技術的設計394
9.4.1Xon/Xoff協(xié)議395
9.4.2滑動窗口協(xié)議395
第10章網(wǎng)絡協(xié)議形式化描述技術/397
10.1網(wǎng)絡協(xié)議形式化描述的基本概念397
10.2有限狀態(tài)機與網(wǎng)絡協(xié)議形式化描述398
10.2.1有限狀態(tài)機的基本概念398
10.2.2有限狀態(tài)機的簡化400
10.2.3有限狀態(tài)機的合并401
10.2.4擴展的有限狀態(tài)機（EFSM）403
10.3Petri網(wǎng)與網(wǎng)絡協(xié)議形式化描述404
10.3.1Petri網(wǎng)的基本概念404
10.3.2Petri網(wǎng)的擴充407
10.3.3Petri網(wǎng)的性質(zhì)408
10.3.4Petri網(wǎng)在協(xié)議描述中的應用410
10.4SDL語言與網(wǎng)絡協(xié)議形式化描述411
10.4.1SDL語言概述411
10.4.2SDL的結構413
10.4.3SDL的進程行為415
10.4.4SDL的通信機制415
10.4.5SDL的數(shù)據(jù)416
10.4.6SDL在協(xié)議描述中的應用420
參考文獻/424

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