序

2019年对我来说是很有纪念意义的一年，这个“意义”来自两个维度。

第一个维度是我的教学与研究方向——计算机网络。2019年是互联网诞生50周年和我国全功能接入互联网25周年。回顾计算机网络的发展历程，计算机网络是沿着“互联网—移动互联网—物联网”的轨迹，由小到大地成长为覆盖全世界的互联网络，由表及里地渗透到各行各业与社会的各个角落，潜移默化地改变着我们的生活方式、工作方式与社会发展模式的。根据中国互联网络信息中心（CNNIC）第44次《中国互联网络发展状况统计报告》提供的数据，截至2019年6月，我国的网民规模已经达到8.54亿，互联网普及率达到61.2%；手机网民规模已达到8.47亿，网民中使用手机访问互联网的比例上升到99.1%。我国互联网与移动互联网的网民数量稳居世界第一，各种网络应用方兴未艾，互联网与移动互联网产业风生水起；物联网在政府的大力推动下，已经在很多方面走到了世界的前列。我国在“网络强国”的建设上向前迈进了一大步。

第二个维度是我读书和工作了50多年的南开大学。2019年，南开大学喜迎百年华诞。计算机学院安排我作为计算机专业的老教师代表，在南开大学津南校区与返校的学生见面。我从20世纪80年代开始教授计算机网络课程，持续教授了近30年。和不同时期的学生见面的场景颇有喜剧色彩。20世纪80年代上过我的课程的学生，见面时会异口同声地说“七层协议”；20世纪90年代上过我的课程的学生，会不约而同地提到“TCP/IP”；2000年前后上过我的课程的研究生，见面时的共同话题是“网络编程”。有一个学生告诉我：“我到工作单位接到的第一个任务就是上课时编程训练中做过的习题。”那段学习经历已经成为学生们的共同回忆。作为一名教师，看到学生们事业有成，觉得付出任何艰辛都是值得的。

通过与学生们交流，我回忆起这30年教学的历程，感慨良多。记得20世纪80年代初，我在南开大学计算机系第一次开设计算机网络课程时，计算机系近百名学生中只有7名学生选修了这门课程。当时，没有人能预见计算机网络技术将在未来如此蓬勃地发展，并深刻地影响社会发展。在之后30多年的教学与科研工作中，我一直跟踪计算机网络技术的研究与发展，见证了计算机网络从互联网、移动互联网到物联网的发展过程。

1995年，我参与研究、起草了《天津市信息港工程规划纲要》《天津市信息化建设“九五”规划》，对互联网技术产生了极大的兴趣。于是，在1996年到1997年，我以访问学者的身份，用将近一年的时间，在美国认真考察、研究、学习互联网技术与应用。1997年，我在美国度过50岁生日，当夫人问到许下的愿望时，我的回答是：回国之后要为学生写一本好的网络教材——因为我在美国的大学了解网络课程的教学与实验后大受“刺激”。当时Tanenbaum的 Computer Networks （第3版）刚刚发行，美国学生抱着装订讲究的大部头教材坐在教室，听教授侃侃而谈，下课后要读五六篇文献，还要完成网络编程作业。而且，网络编程作业的难度与编程量都不小。那时国内大学的计算机网络课程教学水平与美国的差距之大是不言而喻的，作为一名网络课程的任课教师，我深感不安。“知耻而后勇”，这就是我后来规划本科计算机网络课程体系并编写《计算机网络》教材的初衷和动力。我编写的《计算机网络》教材在2008年被评为精品教材，现在已经出版到第5版。之后，我又规划了研究生的计算机网络课程体系，将科研成果转化为近似实战的网络教材与实践训练内容，编写出版了《计算机网络高级教程》《计算机网络高级软件编程技术》与《网络安全高级软件编程技术》系列教材。其中的网络编程教材共给出了34个不同难度级的编程训练题目，编程训练内容覆盖了计算机网络的各层与网络安全的不同方面。

我在参与天津市城市信息化建设“十五”“十一五”规划的研究与制定时，也将“互联网思维”融入我国城市信息化建设实践中。作为相关科技奖项的评审专家与信息技术项目立项、结题评审专家，我不断与同行交流，向同行学习，理解不同行业和领域对互联网的应用需求，体会计算机网络与互联网这一领域的学术积淀，这也开阔了我的学术视野。我参与或主持了多项市级大型网络应用系统的规划、设计、实施，均取得了成功，这些系统目前还在稳定地运行，我从中获得了很多宝贵的实践经验。我还与南开大学网络实验室的科研教学团队一起开展了无线传感器网、无线车载网、移动互联网与网络安全课题的研究。

我曾担任南开大学信息技术科学学院院长多年，经常与学院的计算机、自动化、通信工程、电子科学、光学工程、信息安全等多个一级学科的教师们交流，聆听国内外相关领域专家的报告，参加各个学科科研开题与结题会议，这些工作使我学到了很多相关领域的知识，也使我对交叉学科发展产生了浓厚的兴趣。这些经历使我跳出了“纯粹”的计算机专业教学和科研工作的局限，逐渐掌握将技术、教育、产业与社会发展相结合的思考方法。

2010年，物联网异军突起。面对这一新生事物，有人兴奋，有人怀疑，更多的人则想深入了解物联网是什么，它来自哪里，将会向哪个方向发展。基于在计算机网络与信息技术领域多年的知识与经验积累，我编写了《智慧的物联网——感知中国和世界的技术》一书，阐述了自己对物联网的理解和认识。书中的很多观点得到了同行和读者的认同，这些观点也在物联网的后续发展中得到了印证。

同年，教育部批准成立了第一批物联网工程专业。作为面向战略新兴产业的新专业，物联网工程专业在教学与学科建设方面没有成熟的经验可借鉴，更没有适应专业培养目标的配套教材。当时，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会邀请我参与相关的专业建设研讨，并邀请我编写一本物联网导论教材，为物联网工程专业的学生和教师介绍物联网技术。基于教育工作者的使命感，我接受了这个任务，并基于多年的知识积累和对物联网的认识，与吴英合作完成了《物联网工程导论》的编写任务。之后，根据高校教师和学生的授课、学习需求，我们又编写了《物联网技术与应用》与《解读物联网》两本书。这四本书形成了关于物联网的综述性质的系列著作，我们也在编写过程中不断深化对物联网技术的理解。现在，《物联网工程导论》和《物联网技术与应用》已出版到第2版，并且入选“‘十二五’国家重点图书”项目；《物联网工程导论》还入选了教育部“‘十二五’国家级规划教材”。

计算机网络技术的快速发展，必然会对高校教育产生重大的影响，广大教师都在思考高校计算机专业的课程如何适应网络时代的要求。从2011年开始，我应邀参与教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会“计算机类专业系统能力培养”专家研究组的活动，之后又参与了“智能时代计算机教育研究”专家研究组的活动，并负责“计算机网络”相关课程改革的研究。研究组以培养系统能力为核心构建计算机类专业课程体系的想法与我多年来的探索不谋而合。在与参与改革的试点校、示范校沟通的过程中，我认真研究了各个学校的成功经验，进一步找出计算机网络课程存在的问题，明晰智能时代以系统能力培养为核心的计算机网络课程的改革方向。

基于作者与教学、科研团队开展的前期研究，我们确定了计算机网络课程的改革思路：

第一，贴近计算机发展与计算模式演变，从“系统观”的视角分析网络技术发展过程。

第二，在云计算、大数据、人工智能与5G发展的大趋势下分析网络技术的演变。

第三，关注SDN与NFV、云计算与移动云计算、边缘计算与移动边缘计算、QoS与QoE、区块链等新技术的发展与应用。

第四，坚持以网络软件编程为切入点的能力培养方法。

计算机网络是一个交叉学科，覆盖面广，技术发展迅速，形成适应智能时代的新的网络课程知识体系绝非易事。因此，作者决定首先将前期研究与思考总结出来，形成《深入理解互联网》《深入理解移动互联网》与《深入理解物联网》三部著作呈现给读者。通过规划和构思这三部著作，我们希望能研究计算机网络技术发展中“变”与“不变”的关系，并根据互联网、移动互联网与物联网的不同特点，规划了三部著作的重点与知识结构。

计算机网络技术发展过程中的“变”与“不变”可以归纳为：

· 变：“网络应用”“系统功能”“实现技术”与“协议体系”发生了很大的变化。

· 不变：“层次结构模型”“端-端分析原则”与“进程通信研究方法”没有发生本质性的变化。

如果用“开放、互联、共享”来描述互联网的特点，用“移动、社交、群智”来描述移动互联网的特点，那么物联网的特点可以用“泛在、融合、智慧”来描述。“开放”的体系结构、协议与应用成就了互联网，促进了全世界计算机的“互联”，成为全球范围信息“共享”的基础设施。“移动”使互联网与人如影随形，移动互联网应用基本上都具有“社交”功能，这也使大规模、复杂社会的“群智”感知成为可能。物联网使世界上万事万物的“泛在”互联成为可能，推动了大数据、智能技术与各行各业的深度“融合”，使人类在处理物理世界问题时具有更高的“智慧”。

在《深入理解互联网》《深入理解移动互联网》与《深入理解物联网》三部著作中，作者力求用“继承”的观点描述网络发展中“不变”的研究方法，以“发展”的观点阐述网络发展中“变”的技术，勾画计算机网络技术体系的演变，描绘计算机网络技术发展的路线图。

《深入理解互联网》系统地介绍互联网发展的历程，讨论层次结构模型和网络体系结构抽象方法的演变过程；结合网络类型与特点，深入剖析Ethernet工作原理；以网卡硬件设计为切入点，从计算机组成原理的角度来剖析计算机如何接入网络；以操作系统为切入点，从软件的角度来剖析网络中计算机之间如何实现分布式协同工作；通过对比IPv4与IPv6，介绍网络层协议设计方法的演变与发展；通过分析TCP/UDP与RTP/RTCP的设计方法与协议内容，回答网络环境中分布式进程通信实现方法的发展；归纳和剖析主要的应用层协议设计思想与协议内容，以常用的Web应用为例对计算机网络工作原理进行总结和描述；系统地讨论云计算、虚拟化技术，重点介绍云计算与IDC网络系统设计方法；介绍SDN/NFV技术的研究与发展，对SDN/NFV的体系结构、工作原理与应用领域进行系统的讨论；从网络安全中的五大关系出发，总结网络空间安全体系与网络安全技术研究的基本内容，讨论云安全、SDN安全、NFV网络安全、软件定义安全等新的网络安全技术问题。最终，诠释互联网“开放、互联、共享”的特点。

《深入理解移动互联网》系统地介绍移动互联网的发展历程；以Wi-Fi与5G为切入点，深入剖析无线网络的工作原理与组网方法；讨论移动通信网的发展与演变、5G技术特征与指标、应用场景，以及6G技术的发展愿景；介绍移动IPv4与移动IPv6，以及移动IP的关键技术；分析无线TCP传输机制、传输层QUIC协议的设计方法与协议内容，以及容迟网技术的体系结构与应用；以云计算到移动云计算再到移动边缘计算为路径，讨论计算迁移的基本概念、原理和系统功能结构；以移动云存储、移动流媒体、移动社交网络、移动电子商务，以及基于移动云计算的移动位置服务、基于移动边缘计算的增强现实与CDN应用为例，讨论移动互联网的应用系统设计方法与实现技术；在介绍QoS的概念与发展的基础上，系统地讨论QoE的基本概念、定义、影响因素、评价方法与标准化问题；在分析移动互联网面临的安全威胁的基础上，系统地讨论移动终端硬件、软件、应用软件安全和5G通信系统的安全与挑战，以及移动云计算与移动边缘计算的安全。最终，诠释移动互联网“移动、社交、群智”的特点。

《深入理解物联网》在分析和比较国际知名学术机构与主要厂商提出的物联网定义、层次结构模型与体系结构的基础上，根据物联网技术与应用发展的现状，阐述物联网的定义、技术特征、层次结构模型与体系结构；系统地讨论感知技术的研究与发展，分析传感器与执行器接入技术，以及无线传感器网络的发展与演变；介绍物联网核心传输网络的设计方法，5G与物联网的关系和SDN/NFV技术的应用；讨论大数据、智能技术在物联网中的应用；探讨云计算与移动云计算、边缘计算与移动边缘计算、QoS/QoE、区块链等新技术在物联网中的应用；以工业物联网、移动群智感知、智能网联汽车等为例，讨论物联网应用的发展；在分析物联网面临的安全威胁的基础上，讨论物联网终端硬件、软件、应用软件和应用系统的安全性与挑战。最终，诠释物联网“泛在、融合、智慧”的特点。

这三部著作的内容各有侧重，互不重叠，相互补充，旨在形成一个能够全面描述计算机网络技术发展的知识体系。

作者希望这三部著作能够对以下读者有所帮助：

· 计算机相关专业的本科生/研究生：这三部著作可以作为本科生/研究生计算机网络教材的补充读物。现有的计算机网络教材大多关注网络原理和协议，对计算机网络的一些新技术则只做了解性介绍。读者可以通过阅读这三部著作，体会计算机网络为什么会发展成今天的样子，未来又会往什么方向发展，理解计算机网络发展中的“变”与“不变”，掌握计算机网络技术发展的脉络。

· 从事计算机网络技术的研究者：这三部著作梳理了互联网、移动互联网和物联网的热点研究领域与问题，从事计算机网络技术研究的读者可以了解当前热点问题研究的现状与趋势，从中发现自己感兴趣的问题，找到进一步开展研究的课题和方向。

· 从事计算机网络课程授课的教师：在多年的教学中，我深深体会到“要给学生一勺水，自己就要准备一桶水”。因此，希望这三部著作能够帮助从事计算机网络课程教学的老师梳理网络知识体系，为教学准备更多的素材，做好知识储备，进一步提高计算机网络课程的教学水平。

· 从事计算机网络研发工作的技术人员：知识的更新、迭代速度越来越快，涉及的知识面越来越广，终身学习已成为一种常态。很多技术人员困惑于技术发展太快，不知道如何跟上技术发展的步伐。在跟踪计算机网络技术发展的几十年中，面对错综复杂的网络技术，我的经验是只要自己的研究思路清晰，就可以梳理出新技术发展的传承关系，找到技术的发展规律。我希望通过这三部著作，将自己对网络技术发展的理解分享给技术人员，帮助大家把握技术发展方向，更好地适应技术的飞速发展。

在习近平总书记关于网络强国重要思想的指引下，我国正从网络大国向网络强国阔步迈进。要实现网络强国的目标，必须培养大批优秀的网络人才，让我们为实现这个伟大的目标共同努力！

祝各位阅读愉快！

吴功宜
2023年3月