序

2019年对于我来说是非常有纪念意义的一年，这个“意义”来自两个维度。

第一个维度是我从事的教学与研究的方向——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，我们可以清晰地看到计算机网络沿着“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。根据中国互联网络信息中心（CNNIC）第45次《中国互联网络发展状况统计报告》提供的数据，截至2020年3月底，我国的网民规模已经达到9.04亿，互联网普及率达到64.5%；手机网民规模达到8.97亿，网民中使用手机访问互联网的比例上升到99.3%。我国的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。我的计算机网络课程从20世纪80年代至今持续了近30年，和不同时期的学生见面的场景很有喜剧色彩：20世纪80年代上过我的网络课程的学生见面时异口同声地说“七层协议”；20世纪90年代上过我的网络课程的学生见面时异口同声地说“TCP/IP”；2000年前后上过我的网络课程的学生见面时则异口同声地说“网络编程”。甚至有一名学生悄悄地告诉我：“我到工作单位接手的第一个任务就是网络课上做过的编程训练题！”估计他们在来学校的路上已经回忆过那段在校学习经历，并达成共识了。作为一名教师，看到学生们事业有成，倍感欣慰，付出的任何艰辛都觉得是值得的。

与学生们的交流，也让我回忆起这30多年的“计算机网络”课程教学历程，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，全系近百名学生中只有7名选修了这门课程。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，并深刻地影响我们的社会进程。在之后的教学与科研工作中，我一直跟踪着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，用了将近一年的时间，在美国认真考察、研究、学习了互联网的技术与应用。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课程教材。这是因为我在美国几所大学了解网络课程的教学与实验后大受“刺激”。当时安德鲁·S.塔嫩鲍姆（Andrew S.Tanenbaum）的《计算机网络》（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里，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，这些网络编程作业的难度与编程量都不小。国内大学教授的计算机网络课程与美国的差距之大是显而易见的，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、编写《计算机网络》教材的初衷和动力。这部教材在2008年被评为“精品教材”，现在已出版到第5版。之后又规划了研究生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，编写并出版了《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。后两部网络编程教材共给出了不同难度级别的编程训练题目34个，编程训练内容覆盖了计算机网络各层、网络安全的不同方面。

后来，我参与了天津市城市信息化建设“十五”“十一五”规划的研究与制定，将“互联网思维”融入我国城市信息化建设实践中。作为科技奖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，向同行专家学习，理解不同行业和领域对互联网的应用需求，加深在计算机网络与互联网这一领域的学术积淀，这些工作开阔了我的学术视野。同时，我参与或主持的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络、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，要与学院的计算机、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交流，听取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，这些工作让我学到了很多相关领域的知识，也使我对交叉学科的发展产生了浓厚的兴趣。这些经历使得我跳出一名“单纯”的计算机专业教学工作者的框架，逐渐学会了将技术、教育、产业与社会发展结合起来的思考方法。

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，更多的人则是想深入了解物联网是什么、它来自哪里、又会向哪个方向发展。基于在计算机网络与信息技术领域多年的知识与经验的积累，我编写了《智慧的物联网：感知中国与世界的技术》一书，阐述了自己对物联网概念、技术与发展趋势的理解与认知。书中的很多观点得到了同行和读者的认同。目前，以“智能（AI）与物联网（IoT）深度融合”为特征的“智能物联网（AIoT）”概念与技术的出现，进一步印证了我对物联网发展趋势的判断。

同年，教育部批准成立了高等学校第一批物联网工程专业。作为面向战略新兴产业的新专业，教学体系与学科建设没有成熟的经验可供借鉴，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了相关的专业建设研讨，并邀请我编写一本《物联网工程导论》教材，向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，并结合多年的知识积累与认知，艰难地完成了《物联网工程导论》的编写工作。之后又根据高校师生的授课和学习需求编写了《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，并且入选了“‘十二五’国家重点图书”项目；《物联网工程导论》入选了教育部“‘十二五’国家级规划教材”。

网络类技术的快速发展，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是否能够适应网络时代的要求。2011年起，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”教学研究组的活动，之后又参与了“智能时代计算机教育研究”教学研究组的活动，并负责计算机网络类课程改革的研究。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，同时在和参与改革的试点校、示范校沟通的过程中，我认真研究各个学校成功的经验和面临的困难，进一步找出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网络课程改革方向。

基于我与教学/科研团队开展的前期研究，确定了计算机网络课程下一步改革的思路：

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、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/NFV、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、数字孪生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。

计算机网络技术是一门交叉学科，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。教学研究组决定首先将前期研究与思考总结出来，并以《深入理解互联网》《深入理解移动互联网》与《深入理解物联网》三部著作的形式呈现给读者。我们希望通过规划和构思这三部著作，研究计算机网络技术发展中“变”与“不变”的关系；根据互联网、移动互联网与物联网的不同特点，规划三部著作的重点、知识结构与内容取舍。

计算机网络技术发展中的“变”与“不变”可以归纳为：

·变：网络应用的“系统功能”“实现技术”与“协议体系”发生了很大变化。

·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，实现了全世界计算机的“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”色彩，这也使得大规模、复杂社会“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了更高的“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，我们力求用“继承”的观点描述网络发展三个阶段中“不变”的研究方法，用“发展”的观点阐述网络中“变”的技术，勾画出计算机网络技术体系的演变，描绘出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、网络体系结构抽象方法的演变过程；结合网络类型与特点的讨论，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，从软件的角度剖析网络中的计算机之间如何实现分布式协同工作；通过IPv4与IPv6的对比，系统地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；对主要的应用层协议设计思想与协议内容进行归纳和剖析，以常用的Web应用为例对计算机网络的工作原理进行总结和描述；对云计算、虚拟化技术进行系统讨论，重点介绍云计算与IDC网络系统设计方法；系统地介绍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讨论；从分析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网络安全、NFV网络安全、软件定义安全等新的网络安全技术问题。通过以上内容的讨论，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的主要特征、技术指标与应用场景，6G的发展愿景；介绍移动IPv4、移动IPv6与移动IP的关键技术；对无线TCP传输机制、传输层QUIC协议的设计方法与协议内容进行分析，对容迟网（DTN）技术体系结构与应用进行系统的讨论；以云计算到移动云计算、移动云计算到移动边缘计算为路径，介绍计算迁移的基本概念、原理、系统功能结构；以移动云存储、流媒体、社交网络、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，讨论移动互联网新的应用系统设计方法与实现技术；在介绍QoS概念与发展的基础上，讨论QoE的基本概念、定义、影响因素，研究评价方法与标准化问题；在分析移动互联网面临的新安全威胁的基础上，讨论移动终端硬件、软件、应用软件安全性，5G通信系统安全与挑战，以及移动云计算与移动边缘计算安全性等问题。通过以上内容的讨论，诠释移动互联网“移动、社交、群智”的特点。

《深入理解物联网》以物联网（IoT）向智能物联网（AIoT）的发展为主线，在分析和比较国际重要学术机构与主要厂商提出的物联网定义、层次结构模型的基础上，阐述物联网的定义、技术特征与体系结构；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，讨论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、SDN/NFV技术应用；讨论大数据、智能技术在物联网中的应用；介绍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、移动群智感知网络、智能网联汽车等为例，系统地讨论物联网应用的发展；在分析物联网面临的新安全威胁的基础上，讨论物联网终端硬件、软件、应用软件与应用系统的安全性与挑战。通过以上内容的讨论，诠释物联网“泛在、融合、智慧”的特点。

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

我希望这三部著作能对以下读者有所帮助：

·高等学校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/研究生计算机网络课程的补充读物。现有的计算机网络教材大多关注网络的原理和协议，对计算机网络的一些新技术只做概要性介绍。读者可以通过补充阅读这三部著作，体会计算机网络为什么会发展到今天的样子、未来又会往什么方向发展，理解计算机网络中的“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当前的热点研究领域/问题，从事计算机网络技术研究的读者可以系统地了解当前热点问题的研究现状与趋势，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。

·高等学校从事计算机网络课程教学的教师：在近40年的教学中，我深深体会到“要给学生一碗水，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教师梳理网络知识体系，为教学充实更多的素材，做好知识储备，以进一步提高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：现在知识的更新、迭代速度越来越快，涉及的知识面越来越广，终身学习已经成为一种常态。很多技术人员困惑于网络技术发展太快，不知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，我的体会是，面对错综复杂的网络技术，只要自己的研究思路清晰，还是可以梳理出新技术发展的自然传承关系、认识到其发展规律的。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有这样困惑的技术人员，帮助大家把握技术发展方向，更好地适应技术的飞速发展。

我国是网络应用的大国，但还不是网络强国，实现建设网络强国的目标必须要培养出大批的网络精英，让我们共同为实现这个伟大的目标而努力。

祝各位阅读愉快！

吴功宜

2020年5月