本书为“十四五”高等学校新工科计算机类专业系列教材之一，面向计算机网络综合设计需要，融入安全技术，涵盖了网络设计基础、网络协议模拟和安全编程三部分。 网络设计基础包括网络测量基础、局域网络设计和网络协议抓包分析；网络协议模拟包括组帧技术、CSMA/ CD协议、CSMA/ CA 协议、透明网桥自学习算法和 ARP 等实现案例；网络安全编程包括 IP 地址校验、IP 首部校验和计算、UDP 报文校验和封装、TCP 报文校验和封装、网络主机与端口扫描程序设计、网络抓包编程等。
全书技术性和实用性强，突出工程能力培养，设计案例具有很好的参考价值。 本书适合作为高等院校计算机科学与技术、网络工程、信息安全、通信工程、软件工程等专业教材，也可以作为高等院校计算机网络课程设计和专业综合实训的教材或参考书。

       网络综合设计是计算机类专业的实践性教学课程，通常以两到三周的集中授课形式开展。 要真正深入掌握某一种网络协议及其数据安全传输，最好的解决办法就是开展网络应用系统的设计和实现。 基于网络安全和工程能力的不断提升要求，本书针对局域网络工程设计、协议仿真和网络安全编程都做了精心设计，主要表现为以下方面：
       1. 教学思路
       以网络协议的模拟设计为核心，以工程实践能力提高为目标，构建网络操作性、设计性和安全性设计项目，满足网络原理配套实验的需求，特别是网络课程设计和综合实践项目需求。
       2. 体系设计
       （1）网络设计基础：包括网络环境搭建和网络协议分析，给出了具体的实践案例，可以安排为计算机网络原理课的综合实验。 前者包括网络命令操作、小型局域网设计、无线网配置等。 对于网络协议分析，给出了完整的应用实例，涵盖了 ICMP、IP、TCP、UDP、FTP 等协议的数据包分析。
       （2）网络协议安全编程设计项目：以数据链路层、网络层和传输层为重点，阐述了重要的网络协议模拟设计要点和安全编程技术，提供了多套设计案例。 在网络协议方面，包括组帧技术实现、ARP 程序设计、CSMA/ CD 协议模拟设计、CSMA/ CA 协议模拟设计、透明网桥算法的编程实现。 在网络协议安全实现方面，包括 IP / TCP / UDP 数据的校验程序设计、主机扫描、网络端口扫描、网络抓包程序设计等。
       （3）配套资料：每章末尾都有“习题”，既与正文技术案例相呼应，又有新的设计要求，便于读者参考和选用。
3. 教学条件
       一方面，本书的设计类习题具有通用性，书中所用工具软件全部来源于开放环境，便于读者自学，如 Wireshark 抓包软件、网络调试助手、抓包编程组件等都可以免费下载；另一方面，系统设计的编程环境可自由选择。 书中程序以 C#为主，同时还有 Python、C++、Java 语言和 Matlab 工具的程序示例。
       本书的设计案例主要来自编著者的教学设计和实践指导。 本书也包含北京石油化工学院计算机网络课程组教师的积极实践和反馈，在此特表感谢。
       尽管反复斟酌与修改，但因时间仓促、水平有限，书中仍难免存在疏漏与不足，望广大读者提出宝贵意见和建议，以便修订时更正。

       编著 者
       2024年12月

第1章 网络测量基础1
1.1网络应用典型案例1
1.1.1高校组网案例1
1.1.2工业应用组网案例1
1.2常用网络命令及其应用3
1.2.1 ping3
1.2.2 tracert4
1.2.3 netstat4
1.2.4 ipconfig6
1.3网络测量概述7
1.3.1网络测量的含义7
1.3.2网络测量的研究方向8
1.3.3几款网络测量工具介绍9
1.4网络测量指标和计算方法11
1.4.1主要测量指标11
1.4.2时延计算13
1.4.3 ICMP时间戳请求与应答15
小结16
习题16
第2章 局域网络设计17
2.1局域网络配置基础17
2.1.1局域网的拓扑结构18
2.1.2网络设备18
2.1.3传输媒体18
2.2基于双绞线的小型局域网设计案例20
2.2.1设计需求描述20
2.2.2局域网络拓扑设计要点20
2.2.3局域网络拓扑设计案例21
2.2.4实验室布局设计22
2.2.5网络工程概算案例25
2.3无线局域网配置27
2.3.1实验准备27
2.3.2基本配置27
2.3.3连通强度测试与计算27
2.3.4无线网扩展方法28
2.3.5基于WDS的无线网络扩展配置案例31
小结32
习题33
第3章 网络协议抓包分析34
3.1数据包捕获基础34
3.1.1数据包嗅探器原理34
3.1.2 Wireshark工具介绍35
3.2数据包捕获实验项目描述39
3.2.1实验目的39
3.2.2实验准备39
3.2.3实验内容、要求和步骤39
3.2.4实验思考与分析40
3.3 Wireshark工具应用案例40
3.3.1 ping命令的数据包捕获分析40
3.3.2 tracert命令数据捕获41
3.3.3端口扫描数据捕获与分析44
3.3.4 FTP包的捕获与分析46
3.3.5 HTTP包的捕获与分析49
小结51
习题51
第4章 组帧技术及其实现53
4.1几种组帧技术比较53
4.1.1广域网的四种组帧方法53
4.1.2局域网的组帧技术55
4.1.3无线局域网的帧结构56
4.2组帧程序设计57
4.2.1几种帧的差异分析57
4.2.2组帧程序设计思路58
4.3循环冗余码及其程序设计59
4.3.1循环冗余校验码介绍59
4.3.2 CRC计算的编程方法61
4.3.3 CRC编程示例66
小结66
习题67
第5章 局域网协议仿真设计与实现68
5.1 CSMA/CD协议的模拟实现68
5.1.1 CSMA/CD协议的工作原理68
5.1.2以太网结点的数据发送程序设计69
5.2 CSMA/CA的模拟设计72
5.2.1 CSMA/CA的工作原理72
5.2.2 CSMA/CA的模拟程序设计73
5.3透明网桥78
5.3.1透明网桥的自学习算法78
5.3.2透明网桥自学习算法的C语言实现79
5.3.3透明网桥自学习算法的C#语言实现83
小结87
习题87
第6章 ARP分析与程序设计89
6.1 ARP格式89
6.1.1 ARP包格式89
6.1.2 ARP的工作原理90
6.2 ARP包分析92
6.2.1 ARP命令操作92
6.2.2 ARP包分析过程92
6.2.3 ARP包间接交付93
6.2.4 ARP包案例94
6.3 ARP编程97
6.3.1通过ARP由IP地址获取MAC地址97
6.3.2完整的ARP包收发程序设计99
小结108
习题108
第7章 网络协议校验与传输程序设计109
7.1 IP地址的合法性检验109
7.1.1标准划分110
7.1.2子网与超网编址方法111
7.1.3 IP地址检验的程序设计方法111
7.2 IP包分析112
7.3 IP的首部校验和计算114
7.3.1设计需求案例114
7.3.2首部校验和计算程序设计116
7.3.3校验和计算编程案例一116
7.3.4校验和计算编程案例二118
7.4 UDP报文封装程序设计122
7.4.1 UDP报文格式122
7.4.2 UDP的校验和计算方法123
7.4.3 UDP报文封装编程示例124
7.4.4 UDP报文发送编程案例125
7.5 TCP报文封装程序设计126
7.5.1 TCP报文段的首部格式126
7.5.2 TCP报文的校验和计算程序设计127
小结129
习题130
第8章 网络主机与端口扫描程序设计131
8.1 ICMP报文131
8.1.1 ICMP格式131
8.1.2 ICMP报文分析132
8.2基于ICMP的主机扫描程序设计134
8.2.1主机扫描流程设计135
8.2.2主机扫描程序设计136
8.3网络端口扫描原理140
8.3.1网络进程通信原理140
8.3.2端口扫描技术分析141
8.4网络端口扫描程序设计143
8.4.1端口扫描流程设计143
8.4.2指定端口扫描入门143
8.4.3具有人机界面的端口扫描程序144
8.4.4多线程端口扫描程序设计案例145
小结148
习题148
第9章 网络抓包程序设计150
9.1网络抓包软件体系结构分析150
9.1.1网络抓包技术分析150
9.1.2 WinPcap的体系结构151
9.2基于WinPcap的抓包程序设计152
9.2.1 WinPcap编程基础152
9.2.2 WinPcap应用案例155
9.3基于SharpCap的抓包程序设计161
9.3.1 SharpCap应用入门161
9.3.2常用数据结构和函数162
9.4基于原始套接字的抓包程序设计164
9.4.1设计案例说明165
9.4.2关键代码分析166
小结170
习题170
参考文献171

张晓明，教授，北京石油化工学院，主讲计算机网络、计算机网络编程、计算机网络课程设计、数据库系统原理、大数据技术开发、计算机专业导论、大数据专业导论等。其中，“计算机网络”获评2020年北京高校优质本科课程。主编10余部教材，其中《计算机网络教程（第2版）》荣获2021年北京高校重点优质本科教材，《大数据技术与机器学习Python实战》获得2018年教育部产学合作协同育人项目资助。发表教学研究论文10余篇，荣获2017年北京市教学成果一等奖。2019年北京市高等学校教学名师，2019年北京市高等学校继续教育高水平教学团队带头人。

（1）以网络协议的模拟设计为核心，以工程实践能力提高为目标，构建网络操作性、设计性和安全性设计项目，满足网络原理配套实验、特别是网络课程设计和综合实践项目需要。
（2）针对网络设计基础内容给出了具体的实践案例，可以安排为计算机网络原理课的综合实验。
（3）在阐述重要的网络协议模拟设计要点和安全编程技术的同时，提供了网络协议安全编程设计示例。
（4）每章末尾设置习题，既与正文技术案例相呼应，又有新的设计要求，便于读者参考和选用。
（5）教材章节后的设计题具有通用性，文中所用工具软件全部来源于开放环境，利于读者自学。
（6）系统设计的编程环境可自由选择。文中程序以C#为主，同时还有Python、C++、Java语言和Matlab工具。