圖解TCP/IP網路通訊協定(涵蓋IPv6)2021修訂版

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井上直也
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具体描述

日本銷售逾30萬冊,TCP/IP經典入門書

  在TCP/IP出現之前,網路的目的是連接電腦,進行資料交換,以讓有限設備之間彼此通訊的電腦網路為主,進行開發。不僅可連線的設備有限,用法也有限制,與現在的網路相比,並不方便。在這種背景下,為了能更自由、輕易連接大量設備,才開發出TCP/IP。如今,除了電腦之外,車子、相機、家電產品等也可以使用TCP/IP連線。電腦系統的虛擬化、雲端等結構也都把TCP/IP當作核心網路技術。現在使用TCP/IP的網路已經運用在各種設備控制或資料傳輸上,進化成為重要的社會基礎。

  本書以豐富的圖例說明,帶領讀者了解TCP/IP的運作方式與應用領域。

來自讀者的讚譽

  「細讀本書,讓我對複雜的網路有了輪廓清晰的全面性了解。」
  「內容豐富,而且與時俱進。連最新的Wifi 6也有介紹」
  「簡單易懂的解釋,就算是完全沒有基礎,讀起來也不會有壓力」
網路架構與作業系統核心原理:從底層到應用 本書旨在深入探討現代網路架構的基石,並剖析作業系統如何管理這些網路資源。內容聚焦於傳統網路協議棧的底層實現、作業系統核心層的網路介面管理,以及應用層軟體如何與之互動,從而構成一個完整且高效能的通訊生態系統。 第一部:網路硬體與訊號層基礎 (Physical and Link Layers Revisited) 本部分將詳細解析網路數據在物理介質上傳輸的機制,重點關注乙太網路 (Ethernet) 和無線網路 (Wi-Fi) 的底層細節,而不涉及上層的IP定址或協定邏輯。 第一章:數據編碼與訊號完整性 深入探討如何在物理層面上將數位資料轉換為可傳輸的訊號。內容涵蓋曼徹斯特編碼 (Manchester Encoding) 及更現代的線碼技術,例如 8B/10B 編碼在光纖和高速銅纜中的應用。討論訊號衰減、雜訊對數據的影響,以及如何利用均衡器和再生器維持訊號完整性。 第二章:介質存取控制 (MAC) 與衝突避免 聚焦於區域網路 (LAN) 中多個設備共享同一物理介質時的協調機制。詳細分析 CSMA/CD (載波偵聽多重存取/衝突檢測) 的運作流程,包括載波偵聽的精確時序、碰撞窗口的計算以及指數退避演算法的實施細節。同時,探討在交換式網路中,MAC 地址學習表(CAM 表)的建立、老化與轉發決策的內部邏輯。對於無線網路,則深入探討 CSMA/CA (衝突避免) 中 RTS/CTS 握手機制在解決隱藏終端問題上的作用,以及不同加密協議(如 WPA2/3)在鏈路層的初步整合點。 第三章:線纜與物理拓樸 本章不討論 IP 位址分配,而是專注於物理層的介質選擇和拓樸結構的實際影響。探討雙絞線(Cat5e, Cat6A)的絞距設計如何減少串擾(Crosstalk)。分析光纖網路(多模與單模)的傳輸損耗特性、色散現象,以及不同光模組(如 SFP, QSFP)的電氣和光學介面規範。討論星型、網狀拓樸的實際部署考量,特別是在機房環境中,對延遲和可靠性的影響。 --- 第二部:作業系統核心的網路堆疊實現 (Kernel Network Stack Internals) 本部分完全繞開應用層對 Socket API 的使用,專注於作業系統(以類 Unix 系統為例)如何從硬體接收數據幀,並將其處理、封裝並遞交給上層協議棧的內部結構。 第四章:網路設備驅動介面與中斷處理 探討作業系統核心如何與網路介面卡 (NIC) 進行通訊。詳述中斷請求 (IRQ) 的處理機制,以及如何透過硬體中斷消減 (Interrupt Coalescing) 技術來優化 CPU 使用率。深入研究 Ring Buffer(環形緩衝區)在描述符(Descriptor)結構中的設計,包括如何區分已傳輸與待處理數據。分析零拷貝 (Zero-Copy) 技術在 DMA(直接記憶體存取)操作中的關鍵作用,以最小化數據在核心空間與使用者空間間的移動開銷。 第五章:核心數據結構與協議處理流程 詳解作業系統核心內部用於組織網路數據的核心結構。重點分析 `sk_buff` (Socket Buffer) 結構體在 Linux 網路棧中的精妙設計,包括其頭部管理、多重鏈結列表的運用,以及數據的動態擴展與收縮機制。追蹤一個數據包從硬體層進入核心,經過链路層解析、核心內建的 ARP/NDP 緩存查找、以及如何遞交至更高層協議處理單元(如 ICMP 處理程序或核心級的 TCP/UDP 模組)的完整路徑。 第六章:核心級的流量控制與擁塞避免 本章專注於核心層對傳輸速率的內部調節,而非應用層的速率限制。詳細分析核心內部實現的流量整形演算法,如令牌桶 (Token Bucket) 和漏桶 (Leaky Bucket) 在數據包排隊和發送速率控制中的具體代碼邏輯。探討作業系統如何管理發送佇列(Send Queue)和接收佇列(Receive Queue),以及在核心級別實現的緩衝區管理策略,包括記憶體池分配和過載時的數據丟棄決策標準。 --- 第三部:系統級的網路效能優化與診斷 (System-Level Performance Tuning) 本部分關注系統管理員和開發者如何通過調整核心參數和使用系統工具,來優化網路效能,但這些工具和調整參數並不直接是協定規格本身。 第七章:核心參數調優與系統調校 探討 `/proc/sys/net/` 目錄下關鍵系統參數的實際影響。例如,調整 TCP 接收窗口 (RWIN) 和發送窗口 (SNDBUF) 的上限值,如何影響長距離高頻寬網路 (Latency Bandwidth Product, LBP) 環境下的吞吐量。分析 Netfilter/IPTables 框架在核心層級的過濾規則如何影響數據包處理的延遲,並探討連接追蹤表(Conntrack Table)的大小限制對高併發伺服器的影響。 第八章:網路診斷工具的底層原理 解析常用系統診斷工具在幕後的工作原理,而非僅僅展示命令輸出。例如,`tcpdump`/`Wireshark` 如何透過 BPF (Berkeley Packet Filter) 介面,在核心層級捕獲和過濾數據包,以及這個過濾過程對原始捕獲性能的影響。分析 `netstat` 命令如何查詢核心內部的各種統計結構(如 TCP 連線狀態表、路由緩存),以及這些結構的更新頻率與系統負載的關係。 第九章:進階網路虛擬化與容器隔離 本章探討如何在單一作業系統實例內,通過核心功能實現多個獨立的網路環境。深入解析 Linux 命名空間 (Namespaces) 如何隔離網路介面、路由表和連接狀態,以及 Cgroups (控制組) 如何限制特定進程組可以使用的網路頻寬和連接數。討論虛擬網路介面(如 Veth Pair)在核心層面的建立和橋接 (Bridging) 機制,如何形成容器間或容器與外部網路的連通性。 --- 總結而言,本書提供了一幅從訊號進入物理網卡,經過作業系統核心的複雜數據結構處理,最終到達應用程式的詳盡藍圖,專注於底層實現細節、核心數據結構和系統效能調優的內部機制。

著者信息

作者簡介

竹下隆史(たけした たかふみ)


  生於1965年
  Net One Systems(股)公司

村山公保(むらやま ゆきお)

  生於1967年
  倉敷藝術科學大學危機管理學院
  危機管理系 教授

荒井 透(あらい とおる)

  生於1958年
  Net One Systems(股)公司

苅田幸雄(かりた ゆきお)

  生於1949年
  高能量加速器研究機構
  計算科學中心

井上直也

  生於1974年
  Net One Systems(股)公司

图书目录

第1章 網路的基礎知識
1.1 電腦網路的歷史背景
1.2 電腦與網路發展的七個階段
1.3 何謂協定?
1.4 協定是誰制定的?
1.5 協定的層級化與OSI參考模型
1.6 利用OSI參考模型進行通訊處理的範例
1.7 通訊方式的種類
1.8 何謂位址?
1.9 網路的構成元素
1.10 現在的網路態勢

第2章 TCP/IP的基礎知識
2.1 TCP/IP的出現背景與歷史
2.2 TCP/IP的標準化
2.3 網際網路的基礎知識
2.4 TCP/IP協定的層級模型
2.5 TCP/IP的層級模型與通訊範例

第3章 資料連結
3.1 資料連結的功用
3.2 資料連結的技術
3.3 乙太網路(Ethernet)
3.4 無線通訊
3.5 PPP(Point-to-Point Protocol)
3.6 其他資料連結
3.7 公共網路

第4章 IP協定
4.1 IP是網際網路層的協定
4.2 IP的基礎知識
4.3 IP位址的基礎知識
4.4 路由控制(Routing)
4.5 IP的分割處理與重組
4.6 IPv6(IP version 6)
4.7 IPv4表頭
4.8 IPv6的表頭格式

第5章 IP的相關技術
5.1 單憑IP無法進行通訊
5.2 DNS
5.3 ARP
5.4 ICMP
5.5 DHCP
5.6 NAT
5.7 IP隧道
5.8 其他IP相關技術

第6章 TCP與UDP
6.1 傳輸層的功用
6.2 連接埠編號
6.3 UDP
6.4 TCP
6.5 其他傳輸協定
6.6 UDP表頭的格式
6.7 TCP表頭的格式

第7章 路由協定(路徑控制協定)
7.1 何謂路由控制?
7.2 控制路由範圍
7.3 路由演算法
7.4 RIP
7.5 OSPF
7.6 BGP
7.7 MPLS

第8章 應用協定
8.1 應用協定概要
8.2 遠端登入(TELNET與SSH)
8.3 檔案傳輸(FTP)
8.4 電子郵件(E-Mail)
8.5 WWW(World Wide Web)
8.6 網路管理(SNMP)
8.7 其他應用協定

第9章 安全性
9.1 TCP/IP與安全性
9.2 網路安全的構成元素
9.3 加密技術的基礎
9.4 安全性協定

附錄A 網際網路上的實用資料
附錄B IP位址等級的基礎知識
附錄C 實體層
附錄D 連接電腦的通訊媒體基礎知識
附錄E 現在很少使用的資料連結

图书序言

  • ISBN:9789865027063
  • 規格:平裝 / 392頁 / 19 x 26 x 1.96 cm / 普通級 / 單色印刷 / 修訂版
  • 出版地:台灣

图书试读



  這本書在1994年出版了第一版,當時電腦網路、網際網路、TCP/IP並沒有這麼普遍。之後在普及時期,重視的是「該怎麼做才能沒有限制又方便」。可是,現今電腦網路、網際網路變得十分廣泛普遍,在重要性與日俱增的同時,也從「單純的連線」演變成強烈要求「安全的連線」、「安全使用」了。

  隨著各式各樣新的需求及服務不斷產生,網路技術應該會朝著多樣化、複雜化的方向持續發展下去。支援電腦網路及網際網路的TCP/IP也是一樣的道理,符合使用者需求的新技術一定會源源不絕地問世。因此,這本書維持了和前面版本一樣的方針與方向,配合網際網路及社會狀況的變化,更新內容之後,推出了此次的修訂版。
 

用户评价

评分

這本書實在是太精彩了,尤其是對於像我這種想深入了解網路底層的工程師來說,簡直是挖到寶了!作者在解釋協定時,那種層層推進的邏輯結構,讓人讀起來一點都不費力。特別是對於像TCP這種複雜的協定,他能用非常直觀的比喻,把狀態機的轉換過程講得清清楚楚,我以前看其他書都覺得頭昏腦脹,但這本讀起來就像在看武俠小說一樣,每招每式都套路分明。他還特別針對現代網路環境做了很多更新,不像有些舊教材,講的都是快被淘汰的技術。光是那個關於流量控制與擁塞控制的章節,光是那些圖解就讓我茅塞頓開,原來過去那些網路卡頓的小毛病,背後原理這麼講究,真是受益無窮。我強力推薦給所有想從網路使用者升級到網路架構師的朋友,光是書裡的那些實戰案例分析,就值回票價了。

评分

身為一個資深的IT從業人員,我習慣性地會對技術書籍的「深度」和「廣度」做個評估。這本《圖解TCP/IP網路通訊協定》在廣度上做到了教科書應有的全面性,從實體層到應用層的關鍵協定幾乎都有涵蓋,但更難得的是它的深度。它並沒有停留在應用層的HTTP或SMTP這些「光鮮亮麗」的協定上,而是紮實地把底層的ARP、ICMP、甚至是路由協定(雖然篇幅可能不是主角,但基礎原理交代得十分清楚)的運作機制都給捋順了。最讓我佩服的是,書中對於封包結構的解析,幾乎是逐位元地在拆解,搭配上那些精確的圖表,讓人可以不用實際去下WireShark擷取封包,就能在腦中模擬出整個通訊的流程。這對於建立穩固的網路學術基礎,是無可替代的資源。

评分

我是在準備某個網路認證考試的過程中接觸到這本書的,坦白說,市面上相關的參考書多如牛毛,但真正能幫我建立起完整知識體系的,非它莫屬。它對數據鏈路層和網路層的闡述尤其到位。我特別欣賞它在IP定址和子網路劃分(Subnetting)這一塊的處理方式,不是只給公式,而是用大量、細緻的範例圖解,把CIDR、VLSM這些概念圖像化。很多書在講到這些數學計算時就顯得枯燥,但這本透過視覺化的輔助,讓我真正理解了位元運算背後的意義。而且,它並沒有忽略新一代的技術,對於IPv6的過渡機制和新特性也有深入的探討,顯示出作者對技術發展的敏銳度,這對於一個追求時效性的技術人員來說非常重要。

评分

這本書的優點是它極度地注重「理解」而非「記憶」。許多技術書籍只是羅列標準和參數,讀者讀完後可能考試會過,但遇到實際問題還是兩眼一抹黑。然而,這本書的敘事風格非常溫和,它會先拋出一個現實中的網路問題,然後再回溯去解釋是哪一個協定層級、哪一個報頭欄位出了狀況。這種由「問題」導向「原理」的教學法,極大地激發了我學習的內驅力。尤其對付那種難纏的網路延遲和丟包問題,書中對於傳輸層的緩衝區管理和視窗大小調整的分析,簡直是教科書級別的範本。它成功地將抽象的二進制和十六進制參數,轉化成了我們日常可見的網路行為,這份功力,非同小可。

评分

說真的,我原本對網路協定這類書都有點敬而遠之,覺得那都是學電腦科學碩士才需要看的硬核內容。結果翻開這本,發現根本不是我想像的那樣!它的編排方式非常貼近實際操作的需求,不像有些教科書,光是理論就能寫厚厚一本,讀完還是不知道怎麼在真實環境中應用。這本書厲害的地方就在於,它把基礎原理和實際的網路設備配置、故障排除巧妙地結合起來。例如,在講解OSI模型時,它不是單純地描述每一層的功能,而是會穿插說明,當某個設備(像是交換器或路由器)在處理特定封包時,它實際在協定棧的哪一層進行操作,這對我平常維護網路設備時,簡直是神來之筆的指引。我現在看日誌檔的眼神都變得不一樣了,能更快地定位問題所在,效率提升了好幾個檔次。

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