極深入卻極清楚：電腦網路原理從OSI實體層到應用層

很多大學生在學校學習電腦網路時，對網路一無所知，分不清路由器和交換機，甚至沒有見過網路裝置。然而不少大專院校的「電腦網路原理」課程第 1 章就講解諸如 OSI 參考模型、電腦通訊使用的協定、對等實體、服務、封包和解封包等概念，這對學生無疑是「當頭棒喝」，學生頓覺霧裡看花。

本書打破正常，開門見山，引入電腦通訊使用的協定，直接從應用程式通訊使用的協定入手，封包截取分析應用程式用戶端和伺服器的互動順序和封包格式，讓學生一下子能夠了解電腦通訊使用的協定和互動過程。由於應用層協定可見、可操作、比較具體，因此本書先從應用層協定開始講解；後續章節按照協定分層從高到低的順序來講解，依次是傳輸層、網路層、資料連結層、物理層，把比較抽象的 OSI 參考模型放到後面講解；最後兩章講解IPv6和網路安全。

大專院校電腦專業的學生大多需要學習「電腦網路原理」課程，它在很多學校還是必修課。很多非電腦專業的學生想轉行進入 IT 領域發展，想打好紮實的基礎，也應該掌握電腦網路原理。對於那些在職的軟體開發人員、軟體測試人員，以及從事雲端運算、巨量資料、人工智慧的人員，「電腦網路原理」也是必須掌握的一門課程。

當前有關電腦網路的圖書分兩大類：一類是網路裝置廠商認證的教材，如思科認證網路工程師 CCNA、CCNP 等；另一類就是大專院校的「電腦網路原理」課的教材。

然而這些廠商認證的教材，其目的是培養能夠熟練操作和設定其網路裝置的工程師，對電腦網路通訊的原理和過程並沒有進行深入細緻的講解，重點是如何設定網路裝置。而大專院校「電腦網路原理」課的教材，則深入講解電腦通訊的過程和各層協定，並沒講解如何設定具體的網路裝置來驗證所學的理論，更沒有對這些理論可以應用在哪些場景做進一步擴充。

▅▆▇ 本書組織結構
本書共分為 10 章，每章講解的主要內容如下。
第 1 章，應用層協定，主要講解幾個常見的應用層協定，應用層協定定義了伺服器和用戶端之間如何交換資訊、伺服器和用戶端之間進行哪些互動、命令的互動順序，規定了資訊的格式以及每個欄位的意義。不同的應用實現的功能不一樣，舉例來說，存取網站和收發電子郵件實現的功能就不一樣，因此需要有不同的應用層協定。本章是整本書的概覽，先介紹電腦網路在當今資訊時代的作用，接著介紹網路、網際網路以及最大的網際網路 —— Internet。為了讓讀者覺得網路不那麼抽象，本章以一個企業的網路為例展示區域網和廣域網路。

第 2 章，傳輸層協定，講解 TCP/IP 協定層傳輸層的兩個協定 TCP 和 UDP。首先介紹這兩個協定的應用場景，再講解傳輸層協定和應用層協定之間的關係、服務和通訊埠之間的關係。理清這些關係後，自然就會明白設定伺服器防火牆實現網路安全的道理。傳輸層表頭要實現傳輸層的功能，TCP 和 UDP 兩個協定實現的功能不同，因此這兩個協定的傳輸層表頭也不同，需要分別講解。本章的重點是 TCP，將詳細講解 TCP 如何實現可靠傳輸、流量控制、壅塞避免和連接管理。

第 3 章，IP 位址和子網路劃分，講解 IP 位址格式、子網路遮罩的作用、IP 位址的分類以及一些特殊的位址；介紹什麼是公網位址和私網位址，以及私網位址如何透過 NAT 存取 Internet；講解如何進行等長子網路劃分和變長子網路劃分。當然，如果一個網路中的電腦數量非常多，有可能一個網段的位址區塊容納不下，我們也可以將多個網段合併成一個大的網段，這個大的網段就是超網。最後講解子網路劃分的規律和合併網段的規律。

第 4 章，靜態路由和動態路由，講解網路暢通的條件，給路由器設定靜態路由和動態路由，透過合理規劃IP位址使用路由整理和預設路由簡化路由表。作為擴充知識，本章還講解了一些排除網路故障的方法，例如使用 ping 命令測試網路是否暢通，使用 pathping 和 tracert 命令追蹤資料封包的路徑。同時講解 Windows 作業系統中的路由表，以及給 Windows 作業系統增加路由的方法。

第 5 章，網路層協定，講解網路層第三部分的內容 —— 網路層協定。講解網路層，當然要講網路層表頭，路由器就是根據網路層表頭轉發資料封包的，可見網路層表頭各欄位就是用於實現網路層功能的。除了講解網路層表頭，還講解了 TCP/IP 協定層網路層的4個協定 —— IP、ICMP、IGMP和ARP。

第 6 章，資料連結層協定。不同的網路類型有不同的通訊機制（資料連結層協定），資料封包在傳輸過程中要透過不同類型的網路，就要使用對應網路的通訊協定，同時資料封包也要重新封裝成該網路的框架格式。本章先講解資料連結層要解決的3個基本問題 —— 封裝成幀、透明傳輸、差錯檢驗；再講解兩種類型的資料連結層 —— 點到點通道的資料連結層和廣播通道的資料連結層，這兩種資料連結層的通訊機制不一樣，使用的協定也不一樣，點到點通道使用點對點通訊協定（Point to Point Protocol，PPP），廣播通道使用帶衝突檢測的載體監聽多路存取（CSMA/CD）協定。

第 7 章，物理層，講解電腦網路通訊的物理層。本章先講解通訊方面的知識，也就是如何在各種媒體（光纖、銅線）中更快地傳遞數位訊號和類比訊號。相關的通訊概念有類比訊號、數位訊號、全雙工通訊、半雙工通訊、單工通訊、常用的編碼方式和調變方式、通道的極限容量等。

第 8 章，電腦網路和協定。國際標準組織將電腦通訊的過程分為 7 層，即 OSI 參考模型。本章講解 OSI 參考模型和 TCP/IP 的關係，用圖示的方式向讀者展示了電腦使用 TCP/IP 通訊的過程、資料封裝和解封的過程，同時講解集線器、交換機和路由器這些網路裝置分別工作在 OSI 參考模型的哪一層。最後講解電腦網路的性能指標 —— 速率、頻寬、傳輸量、延遲、延遲頻寬積、往返時間和網路使用率，以及電腦網路的分類和企業區域網的設計。

第 9 章，IPv6，介紹 IPv6 相對於 IPv4 有哪些方面的改進、IPv6 表頭、IPv6 的位址系統、IPv6 下的電腦位址設定方式、IPv6 靜態路由和動態路由，以及 IPv6 和 IPv4 共存技術、雙重堆疊技術、6to4 隧道技術和 NATPT 技術。

第 10 章，網路安全，本章中的網路安全只專注於資料在傳輸過程中的安全，提到應用層安全協定（如發送數位簽章的電子郵件、發送加密的電子郵件）、在傳輸層和應用層之間增加的安全通訊端層（如存取網站使用 HTTPS）、在網路層實現的安全（IPSec）等。

▅▆▇ 本書受眾
★ 電腦專業的大學生
★ 電腦專業的研究所考生
★ 想從事 IT 方面的工作，或想系統學習 IT 技術的人
★ 思科認證網路工程師的考生

韓立剛

很多大學生在學校學習電腦網路時，對網路一無所知，分不清路由器和交換機，甚至沒有見過網路裝置。然而不少大專院校的「電腦網路原理」課程第 1 章就講解諸如 OSI 參考模型、電腦通訊使用的協定、對等實體、服務、封包和解封包等概念，這對學生無疑是「當頭棒喝」，學生頓覺霧裡看花。

本書打破正常，開門見山，引入電腦通訊使用的協定，直接從應用程式通訊使用的協定入手，封包截取分析應用程式用戶端和伺服器的互動順序和封包格式，讓學生一下子能夠了解電腦通訊使用的協定和互動過程。由於應用層協定可見、可操作、比較具體，因此本...

01 應用層協定
1.1 了解應用程式通訊使用的
1.2 HTTP
1.3 使用 Wireshark 封包截取工具篩選資料封包
1.4 FTP
1.5 DNS協定
1.6 DHCP
1.7 SMTP 和 POP3
1.8 習題

02 傳輸層協定
2.1 傳輸層的兩個協定
2.2 UDP
2.3 TCP
2.4 可靠傳輸
2.5 TCP流量控制
2.6 TCP壅塞控制
2.7 TCP連接管理
2.8 習題

03 IP位址和子網路劃分
3.1 學習 IP 位址基礎知識
3.2 了解 IP 位址
3.3 IP 位址詳解
3.4 公網位址和私網位址
3.5 子網路劃分
3.6 變長子網路劃分
3.7 超網
3.8 習題

04 靜態路由和動態路由
4.1 路由——網路層實現的功能
4.2 設定靜態路由
4.3 路由整理
4.4 預設路由
4.5 動態路由——RIP
4.6 動態路由——OSPF協定
4.7 設定 OSPF 協定
4.8 習題

05 網路層協定
5.1 網路層表頭
5.2 ICMP
5.3 使用 ICMP 排除網路故障的案例
5.4 ARP
5.5 IGMP
5.6 習題

06 資料連結層協定
6.1 資料連結層的 3 個基本問題
6.2 點到點通道的資料連結
6.3 廣播通道的資料連結
6.4 擴充乙太網
6.5 高速乙太網
6.6 習題

07 物理層
7.1 物理層的基本概念
7.2 資料通訊基礎
7.3 通道和調變
7.4 傳輸媒體
7.5 通道重複使用技術
7.6 寬頻連線技術
7.7 習題

08 電腦網路和協定
8.1 認識網路
8.2 開放式系統互聯（OSI）參考模型
8.3 TCP / IP
8.4 電腦網路的性能指標
8.5 網路分類
8.6 企業區域網設計
8.7 習題

09 IPv6
9.1 IPv6 詳解
9.2 IPv6 編址
9.3 給電腦設定 IPv6 位址的方法
9.4 設定 IPv6 路由
9.5 IPv6 和 IPv4 共存技術
9.6 習題

10 網路安全
10.1 網路安全概述
10.2 對稱加密和非對稱加密
10.3 安全通訊端層
10.4 網路層安全 IPSec
10.5 習題

01 應用層協定
1.1 了解應用程式通訊使用的
1.2 HTTP
1.3 使用 Wireshark 封包截取工具篩選資料封包
1.4 FTP
1.5 DNS協定
1.6 DHCP
1.7 SMTP 和 POP3
1.8 習題

02 傳輸層協定
2.1 傳輸層的兩個協定
2.2 UDP
2.3 TCP
2.4 可靠傳輸
2.5 TCP流量控制
2.6 TCP壅塞控制
2.7 TCP連接管理
2.8 習題

03 IP位址和子網路劃分
3.1 學習 IP 位址基礎知識
3.2 了解 IP 位址
3.3 IP 位址詳解
3.4 公網位址和私網位址
3.5 子網路劃分
3.6 變長子網路劃分
3.7 超網
3.8 習題

04 靜態路由和動態路由
4.1 路由——網路層實...