世界著名計算機教材精選：通信網基本概念與主體結構

《世界著名計算機教材精選：通信網基本概念與主體結構》是2003年清華大學出版社出版的圖書，譯者是樂正友。

本書將通信技術與網路技術的知識有機結合，介紹通信網的基本概念、套用、結構、相關協定和技術，介紹ATM網和IP網的融合技術、網路安全、多媒體信息的基本特徵和網路技術。

本書將通信技術與網路技術的知識有機結合，介紹通信網的基本概念、套用、結構、相關協定和技術，介紹ATM網和IP網的融合技術、網路安全、多媒體信息的基本特徵和網路技術。

基本介紹

• 書名：世界著名計算機教材精選：通信網基本概念與主體結構
• 譯者：樂正友
• ISBN：9787302060505
• 定價：68元
• 出版社：華大學出版社
• 出版時間：2003年

前言

通信網路已進入了變革的時代,在這個時代中,市場和管理的活力最終是源於有關技術的發展,這可明顯地體現在下列幾方面:

 多媒體個人計算機與全球資訊網的迅速發展,證明了網路服務的價值。

 電信行業開放新型接入網技術,如數字蜂窩系統、線纜數據機、高速數字用戶線(DSL)數據機、直播衛星系統、衛星網路與寬頻無線接入系統等,這些將促進電信基礎設施演變為靈活的分組主幹網技術。

 由於採用光傳輸技術和出現了新的國家與全球主幹網服務提供商,使可用頻寬急劇加大。

 網際網路協定族可作為基本、有效的工具,提供網路間廣泛的互聯。

 由於數據業務將超過話音業務,因此未來網路將主要針對數據進行設計,而電話業務最終必然要在網際網路上傳送。

這樣,在今後10年,網路的主要構成單元將會有明顯的變化。本書的目的是讓電氣工程、計算機工程和計算機科學專業的學生掌握基本的網路結構概念及網路套用的知識。

本書適應的課程

本書是通信網方面課程的一學期或一學年導論性教科書,是為高年級本科生和一年級研究生的教學計畫而編寫的。本書的後半部分涉及當前網路結構的細節,可用作更高級課程的教材。本書也可供工程與計算機方面的專業人員選作網路概論性的教材。

學習本書時應具備計算機系統與編程的一般知識及基本的計算能力。在某些部分,初等機率知識是有用的,但不是必要的。

方法與內容

網路是由許多完成不同工作的部件所構成的極為複雜的系統。為了便於理解網路,必須先使學生了解網路的巨觀情況,了解網路中各個部分是如何構成一個整體的。我們在組織本書時就考慮在剛開始先給學生一個大致的概念,然後讓學生逐步深入此書中的各個論題。

本書試圖均衡地安排有關網路的重要單元內容,在一學期的有限時間內學完本課程也是一種很大的挑戰。我們在組織本書時,儘量將有關的論題描述得簡明、實用,有些附加的材料可能難度較大,可由教師選用。

本書內容包括3個部分,第一部分為總體描述;第二部分介紹某些基本概念;第三部分討論一些先進的論題和詳細的網路結構;書後的兩個附錄提供了重要的技術支持材料。

網路、服務與層次結構

本書的第一部分從第1章開始討論基於網路的套用，如學生所熟悉的全球資訊網、電子郵件、電話呼叫及家庭影視娛樂等。利用這些例子是為了強調現代網路的設計必須支持廣泛的套用。然後我們將討論電報、電話和計算機網直到網際網路（Internet）的發展與變革。通過這種發展歷史的討論，可以認識到其中一些基本功能對所有網路都是通用的。我們將說明通常可有幾種方法來實現一種功能，例如可利用無連線分組交換和電路交換兩種方式進行信息的傳送；可通過當時的技術、市場、管理等方面因素的綜合來確定一種所需的網路結構。

第2章從服務提供商的角度來介紹網路，講述電子郵件和Web瀏覽器套用，並說明支持這些套用的協定，即超文本傳輸協定（HTTP）、簡單郵件傳輸協定（SMTP）和域名服務（DNS）等。我們也將說明這些協定如何利用傳輸控制協定（TCP）與用戶數據報協定（UDP）來提供傳送服務。通過這些套用，可以對層次的概念以及開放系統互連（OSI）的參考模型有個基本了解。書中還利用詳細的例子說明乙太網（Ethernet）、點到點協定（PPP）、網際協定（IP）、TCP與UDP如何共同工作，以支持套用層的協定，在這些實例中還介紹了定址與封裝的主要概念。第2章中包括可選讀的2.4和2.5兩節，其內容為套接字及其他套用層協定與幾種TCP/IP實用軟體的簡介。我們相信學生能夠熟悉某些套用層方面的內容，從而可把第2章作為學習有關網路內部操作的一些論題的橋樑。套接字和TCP/IP實用軟體為今後一些有用的練習與實踐打下基礎，這些練習與實踐能使學生獲得某些常用的網路知識。

基本的網路體系結構概念

第二部分將介紹網路體系結構的基本概念，主要討論物理層到網路層，並探討網路結構的發展趨勢。

第3章主要介紹數字傳輸（包括檢錯）技術。我們介紹網路套用對比特率的要求及網路的傳輸能力，介紹頻寬與比特率、信噪比之間的關係，並以數據機標準作為例子，介紹基本的數字傳輸技術。然後討論各種介質或媒體（如銅線、同軸電纜、無線電、光纖）的特性及在接入網中的套用。本章比一般導論性課程包含更多的內容，教師可根據需要選用。

第4章討論數字傳輸系統與電話網。前幾節涉及當前和新出現的光網路，介紹數字復用等級和同步光網路（SONET）標準及SONET環的自恢復能力，並著重說明SONET光網路在軟體控制下構建任意邏輯拓撲的能力。然後，我們引入波分復用（WDM）的概念，並說明WDM光網路如何共享SONET靈活的網路配置特性。接著討論用於傳統電話網和未來光網路的電路交換機。後幾節涉及電話網，重點是實現電話服務及有關增值業務，如呼叫身份認證和集中付費業務（800號業務）等所需的信令系統。介紹電話網及其信令系統的分層結構，討論頻率重複利用的概念及其在電話和衛星蜂窩網路中的套用。

第5章討論數據鏈路控制。我們先不馬上涉及這個問題，而首先引入對等層協定和服務模型表示。作為對等層協定的例子，詳細介紹提供可靠傳送服務的自動重發請求（ARQ）協定。通過這種討論可使學生對協定的具體實現有一個基本的了解。將端到端和逐跳方式與對等層協定進行比較，並用附加的對等層協定示例來說明流量控制與定時恢復問題。我們還能提前了解一下由TCP提供的可靠信息流服務方面的內容。然後描述高級數據鏈路控制（HDLC）與PPP等數據鏈路層標準的細節，討論多個分組流共享一條數據鏈路和復用增益的問題。

第6章以區域網路（LAN）和無線網作為例子，說明經共享介質的信息傳送問題。我們先簡單介紹廣播式網路和介質共享技術，然後描述LAN的功能及其在OSI參考模型中的位置。介紹在共享介質上傳送分組所採用的隨機訪問和預約方法。討論延時頻寬乘積對性能的影響，並說明為什麼乙太網從共享介質訪問演進到交換方式。除令牌環和光纖分散式數據接口（FDDI）LAN外，我們也詳細討論無線區域網路的IEEE 802.11標準。我們還討論共享介質的頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）等信道復用方式及其在各種蜂窩無線網路中的套用。我們盡力使CDMA這一難題易於讓學生理解與接受。

第7章討論分組交換網。為便於理解本章的內容，我們先介紹通過網際網路的端到端分組傳送，然後以IP與異步轉移模式（ATM）作為例子，介紹數據報和虛電路分組交換的概念。講述分組交換機與路由器的基本設計方法，在其後介紹網路中路由選擇所常用的最短路徑算法以及鏈路狀態與距離矢量方法。介紹ATM與標籤交換的概念，討論服務質量（QoS）與流量整形、調度、呼叫接納控制之間的關係。本章的討論還包括TCP和ATM的擁塞控制問題。

主要的網路體系結構與先進技術

第三部分介紹基本的網路概念是如何體現在ATM與TCP/IP這兩種主要的網路體系結構中。在該部分中也涉及ATM與TCP/IP網的互連及增強TCP/IP的效能，以提供安全、有效的通信。

第8章詳細介紹TCP/IP協定。內容包括IP層結構分析、IP位址、路由選擇、分段與重組、IPv6的發展動力和特點以及UDP。本章還詳細分析了TCP是如何通過無連線的分組網路實現端到端可靠信息流服務與流量控制的，並簡單介紹了路由信息協定（RIP）、開放式最短路徑優先（OSPF）協定和邊界網關協定（BGP），以說明在網際網路中建立路由表的過程，同時也引入組播路由的概念。

第9章討論ATM網路的結構。介紹ATM層、QoS與ATM網業務類型，接著討論ATM適配層（AAL）的各種協定及ATM信令和PNNI路由選擇技術。

第10章討論IP與ATM網的互動工作及建議的IP功能增強。介紹在ATM網運行IP的多種方案，然後介紹多協定標籤交換（MPLS）技術及其他的鏈路層協定，目前MPLS是在ATM網上運行IP最有前途的一種方式。最後，我們討論資源預留協定（RSVP）、綜合服務IP與區分服務IP，它們共同提供IP的服務質量保證機制。

第11章簡單介紹網路安全協定。在網路中可能出現各種威脅，相應也需要採取多種安全措施進行防禦。本章介紹秘密密鑰與公開密鑰加密技術及它們在網路安全方面的套用，討論提供網路安全性的協定與建立安全連線和管理密鑰的協定。然後將這些通用協定與IP安全協定、傳輸層安全協定聯繫起來。

第12章介紹多媒體信息及其網路技術。我們先簡單介紹圖像、音頻和視頻信號的特性，討論為實現有效的數字表示而採用的各種壓縮方案及有關的壓縮標準。然後我們再返回來討論簡易老式電話業務（POTS）的各種信令協定，這些協定經發展可支持一般的多媒體通信，特別是在網際網路上的IP電話。

本書結尾討論網路體系結構的發展趨勢及影響未來網路發展的幾個方面。

附錄

附錄A給出網路性能模型。網路性能是網路設計和運行的主要部分與總體性要求。本書利用定量的實例說明在多種情況下所做的折衷考慮。我們對性能問題主要關心感性認識，而不想陷入數學推導之中。延遲與損耗特性在涉及復用、中繼連線和介質訪問控制等部分中引入，在這些部分中描述了這些特性的動態情況和所引起的主要特性。附錄A的目的是對書中所引用的性能模型進行分析，這些分析方法與結果可融入到更高級的通信網路課程中。

附錄B簡要介紹網路管理。討論網路管理系統的基本功能與結構及簡單網路管理協定（SNMP），介紹描述管理信息的規則及對象的集合（稱為管理信息庫），它由SNMP進行管理。我們也介紹遠程網路監控（RMON），它可提供廣泛的網路診斷、規劃和性能信息。

如何利用本書

本書在組織上能夠適應各種導論性計算機與通信網課程的需要。教師通過選用適當的章節來調整重點，可滿足不同學生背景的實際要求。第1~8章包括了一般計算機網路導論性課程所覆蓋的核心內容（可能還多一些），例如在多倫多（Toronto）大學，40學時的本科生計算機網路課包括第1章（全部）、第2章（全部，含利用套接字的一系列實際練習）、第3章（3.1、3.2、3.5、3.6及3.8.1~3.8.5節）、第4章（4.1~4.3節）、第5章（全部）、第6章（6.1~6.4及6.6.1、6.6.2節）、第7章（全部）、第8章（8.1~8.5節）。若想多花點兒時間學習第8章或其後的內容，可以略去第3、4章。本書的內容足夠兩個學期的課程，可作為計算機網路的導論性課程，之後應開設網路協定方面的課程。

教學元素

本書包含下列教學元素：

 大量圖。為有效地理解有關網路的概念，書中提供了大量必要的網路圖、時間圖、特性曲線和狀態轉換圖。

 大量實例。在討論基本概念時，利用各種有關的例子實際說明所闡述的概念。在書中也儘可能地包含了一些數值例子。

 帶框的文字說明。利用框內注釋來說明網路的發展趨勢、重要進展，並探討未來發展和一些新的論題。

 習題。要掌握學習內容必須做習題。本書每章習題的難度範圍都從概念的簡單套用到研究、開發或探索各種問題。定量性的習題範圍從簡單的計算到某些算法、技術或網路問題的研究。其中也適當地包含一些套接字與TCP/IP實用軟體的簡單編程練習。

 每章有一小結和主要術語表。在小結中重複說明一些最重要的概念，主要術語表可幫助學生回顧一下有關的內容。

 參考讀物。每章有一參考讀物清單，可對學習書中內容起一定的引導作用，主要提供進一步學習的材料。某些方面特別是較新的論題可參考網際網路工程任務組（IETF）的相關RFC檔案與研究論文。

圖書目錄

譯者序Ⅰ

前言Ⅲ

第1章通信網及其業務1

1.1網路與業務1

1.2網路設計的方法6

1.2.1網路功能與網路拓撲7

1.2.2報文交換、分組交換與電路交換10

1.2.3電報網與報文交換11

1.2.4電話網與電路交換12

1.2.5網際網路與分組交換14

1.2.6關於交換方式的討論20

1.3通信網發展的關鍵因素21

1.3.1技術的作用21

1.3.2政策的作用22

1.3.3市場的作用23

1.3.4標準的作用23

1.4本書概述24

主要術語表26

參考讀物27

習題28

第2章套用與層次體系結構31

2.1層次舉例32

2.2OSI參考模型36

2.2.1層次、協定與服務36

2.2.27層協定模型38

2.3TCP/IP網路體系結構概述41

2.3.1TCP/IP協定43

2.4套用編程接口46

2.4.1套接字系統調用48

2.4.2網路的實用功能51

2.5套用協定與TCP/IP實用軟體61

2.5.1遠程登錄61

2.5.2檔案傳送協定62

2.5.3IP實用軟體64

小結66

主要術語表66

參考讀物67

習題68

第3章數字傳輸基礎73

3.1信息的數位化表示74

3.1.1不同信息類型的二進制表示74

3.1.2各種信息類型對網路的要求77

3.2為什麼需要數位化傳輸79

3.2.1數字傳輸系統的基本特性81

3.3信道特性84

3.3.1頻域特性84

3.3.2時域特性87

3.4數字傳輸的基本限制88

3.4.1奈奎斯特速率88

3.4.2香農信道容量90

3.5線路編碼92

3.6Modem與數字調製94

3.6.1信號星座圖與電話Modem標準98

3.7介質與數字傳輸系統的特性100

3.7.1雙絞線101

3.7.2同軸電纜104

3.7.3光纖107

3.7.4無線電傳輸110

3.7.5紅外光113

3.8檢錯與糾錯113

3.8.1檢錯114

3.8.2二維奇偶校驗117

3.8.3網際網路校驗和117

3.8.4多項式碼119

3.8.5標準的多項式碼121

3.8.6多項式碼的檢錯能力122

3.8.7線性碼123

3.8.8糾錯128

小結131

主要術語表132

參考讀物134

習題134

附錄3A異步數據傳輸139

附錄3B傅立葉級數140

第4章傳輸系統與電話網142

4.1復用142

4.1.1頻分復用143

4.1.2時分復用144

4.2SONET146

4.2.1SONET復用技術147

4.2.2SONET的幀結構151

4.3波分復用154

4.4電路交換器156

4.4.1空分交換器157

4.4.2時分交換器159

4.5電話網162

4.5.1傳輸系統164

4.5.2端到端的數字業務167

4.6信令168

4.6.17號信令系統的體系結構171

4.7電話網中的話務量與過載控制172

4.7.1集中器172

4.7.2路由控制175

4.7.3過載控制176

4.8蜂窩電話網178

4.9衛星蜂窩網182

小結185

主要術語表185

參考讀物187

習題188

第5章對等層協定195

5.1對等層協定和服務模型196

5.1.1服務模型199

5.1.2端到端請求和適配功能200

5.1.3端到端法與逐跳法之間的比較202

5．2ARQ協定203

5.2.1停止\|等待式ARQ協定204

5.2.2後退N幀的ARQ208

5.2.3選擇性重發ARQ214

5.2.4ARQ協定的傳輸效率217

5.3其他適配功能223

5.3.1滑動窗流量控制223

5.3.2同步業務的定時恢復224

5．3．3可靠的信息流服務227

5．4數據鏈路控制228

5.4.1HDLC數據鏈路控制228

5.4.2點到點協定234

5.5使用分組復用的鏈路共享236

5.5.1統計復用236

5.5.2語音內插和分組化語音的復用242

小結246

主要術語表247

參考讀物248

習題249

第6章區域網路與介質訪問控制協定257

6．1多路訪問通信258

6．2區域網路264

6．2．1區域網路的結構264

6．2．2介質訪問控制子層265

6．2．3邏輯鏈路控制層267

6．3隨機訪問268

6．3．1ALOHA269

6．3．2分隙ALOHA271

6．3．3CSMA272

6．3．4CSMACD274

6．4介質訪問控制的預約方式277

6.4.1預定系統277

6.4.2輪詢279

6.4.3令牌傳送環282

6.4.4介質訪問控制的預約方式比較287

6.4.5隨機訪問和預約式介質訪問控制的比較287

6.5信道化288

6.5.1FDMA288

6.5.2TDMA289

6.5.3CDMA290

6.5.4蜂窩電話網路中的信道化296

6.5.5信道化技術在突髮型業務方面的性能301

6.6區域網路標準303

6.6.1乙太網和IEEE802.3LAN標準303

6．6．2令牌環和IEEE802.5LAN標準310

6．6．3FDDI315

6．6．4無線區域網路和IEEE802.11標準317

6．7區域網路網橋332

6．7．1透明網橋334

6．7．2源路由網橋339

6．7．3混合介質網橋342

小結342

主要術語表343

參考讀物346

習題346

第7章分組交換網352

7．1網路服務和網路的內部操作353

7．2分組網路的拓撲結構356

7．3數據報和虛電路361

7．3．1交換機/路由器的結構361

7．3．2無連線的分組交換363

7．3．3虛電路分組交換367

7．4分組網路中的路由選擇370

7．4．1路由算法的分類371

7．4．2路由表372

7．4．3分級路由選擇374

7．4．4鏈路狀態路由算法與距離矢量路由算法375

7．5最短路徑算法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網路386

7．7流量管理和QoS390

7．7．1FIFO和優先權佇列391

7．7．2公平佇列392

7．8擁塞控制397

7．8．1開環控制398

7．8．2閉環控制405

小結411

主要術語表411

參考讀物413

習題413

第8章TCP/IP419

8．1TCP/IP體系結構420

8．2網際協定422

8．2．1IP分組422

8．2．2IP位址424

8．2．3子網地址425

8．2．4IP路由427

8．2．5無類域間路由429

8．2．6地址解析430

8．2．7反向地址解析430

8．2．8分段和重組431

8．2．9ICMP：差錯和控制訊息432

8．3IPv6433

8．3．1報頭格式434

8．3．2網路地址434

8．3．3擴展報頭437

8．4用戶數據報協定439

8．5傳輸控制協定440

8．5．1TCP的可靠流服務440

8．5．2TCP操作440

8．5．3TCP協定444

8．6DHCP和移動IP454

8．6．1動態主機配置協定454

8．6．2移動IP454

8．7網際網路路由協定457

8．7．1路由信息協定458

8．7．2開放式最短路徑優先459

8．7．3邊界網關協定465

8．8組播路由473

8．8．1反向路徑廣播474

8．8．2網際網路組管理協定476

8．8．3反向路徑組播477

8．8．4距離矢量組播路由協定477

小結478

主要術語表479

參考讀物481

習題482

第9章ATM網路487

9．1為什麼需要ATM487

9．2BISDN參考模型488

9．3ATM層491

9．3．1ATM信頭492

9．3．2虛連線493

9．3．3QoS參數494

9．3．4流量描述器495

9．3．5ATM業務類型496

9．3．6流量契約、連線接納控制和流量管理497

9．4ATM適配層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業務類型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路由選擇516

小結519

主要術語表519

參考讀物520

習題520

第10章現代網路結構524

10.1IP傳送體系524

10.2重疊模型525

10.2.1經典ATM上的IP525

10.2.2區域網路仿真527

10.2.3NHRP528

10.2.4MPOA530

10.3MPLS532

10.3.1標籤的基本原理533

10.3.2標籤棧534

10.3.3虛連線的合併535

10.3.4標籤分配協定536

10.3.5流量工程的顯式路由537

10.3.6MPLS對虛擬網的支持538

10.4網際網路上的綜合服務539

10．4．1確保服務540

10．4．2負荷受控服務540

10.5RSVP540

10．5．1接收端啟動的預留542

10．5．2預留合併543

10．5．3預留方式543

10．5．4軟狀態545

10．5．5RSVP訊息結構545

10.6區分服務548

10．6．1DS欄位548

10．6．2逐跳處理549

10．6．3流量調節551

10.6.4頻寬代理552

小結552

主要術語表553

參考讀物554

習題555

第11章網路安全協定558

11.1安全與加密算法558

11．1．1密碼系統在網路安全性中的套用560

11.1.2密鑰分配564

11.2安全協定566

11．2．1套用場合566

11．2．2服務類型568

11.2.3建立一個安全連線570

11.2.4IPSec572

11.2.5安全套接層和傳輸層安全574

11.3加密算法578

11.3.1DES578

11.3.2RSA580

小結581

主要術語表582

參考讀物583

習題584

第12章多媒體信息與網路587

12.1無損數據壓縮587

12.1.1哈夫曼編碼588

12.1.2遊程編碼591

12.1.3自適應編碼595

12.2模擬信號的數位化表示597

12.2.1模擬信號的性質597

12.2.2模擬到數字的轉換598

12.2.3模擬信號的數字傳輸600

12.2.4量化器的信噪比性能604

·12.3增大壓縮率的技術605

12.3.1預測編碼607

12.3.2變換編碼608

12.3.3子帶編碼609

12.3.4離散餘弦變換編碼610

12.3.5JPEG圖像編碼標準610

12.3.6視頻信號的壓縮613

12.3.7MPEG視頻編碼標準615

12.3.8MPEG多路復用617

12.4實時傳輸協定618

12.4.1RTP場景及術語619

12.4.2RTP分組格式620

12.4.3RTP控制協定620

12.5會話控制協定621

12.5.1會話初始化協定621

12.5.2H.323多媒體通信系統623

12.5.3媒質網關控制協定624

小結625

主要術語表626

參考讀物627

習題628

結束語——網路體系結構的發展趨勢633

附錄A延遲和丟失性能635

附錄B網路管理651