高级计算机网络（第2版）

人类社会正全面迈向信息社会,信息已经成为人们改造世界和推动世界发展的直接媒体和推动力。以互联网为代表的计算机网络是现代社会*重要的信息基础设施,同时也是未来智能经济的主要载体。可以预见,超高速的光通信技术、5G等高速无线通信技术、安全可信的网络体系结构等技术的研究进展会使互联网在未来十年产生新的飞跃,朝着以“更大、更快、更及时、更方便、更安全、更可管理和更有效”为标志的新一代互联网发展。
充分认识和研究新一代互联网发展中的基础性问题,使新一代互联网能够更好地满足国家和社会的需求,已经成为摆在我们面前的紧迫任务。而培养一批掌握新一代互联网基础理论和关键技术的高水平人才更是高等院校责无旁贷的任务。
为了使计算机通信与网络等相关专业的研究生能够更加深入地掌握计算机网络的研究现状,理解目前网络体系结构、协议和应用研究领域的*发展,笔者为清华大学信息科学技术学院的研究生开设了“计算机网络体系结构”和“高等计算机网络”课程。为了配合课程教学,我们着手编写了本书。
本书第1版于2012年10月出版,转眼已经过去八年多时间,计算机网络技术有了很多新发展,空天地一体化网络已经初具雏形,5G已经投入商用,大数据、人工智能、区块链等技术也在不断地与计算机网络深度融合。虽然技术在飞快发展,但是根据我们多年的授课经验,研究生*需要了解和掌握的仍然是网络体系结构中*本质的思想和*核心的机制。因此，在这一版本的修订过程中,我们仍然重点突出对网络体系结构中核心机制和算法的介绍,全书以新一代互联网体系结构为总体思路,围绕Internet路由、拥塞控制、QoS控制、路由器设计、网络安全等计算机网络的核心内容展开介绍,还特别介绍了软件定义网络、P2P系统、物联网等新型网络形态。与上一版相比,增加了我们对新一代互联网体系结构的*认识,补充了拥塞控制、网络安全、比特币等领域的*研究进展,增加了对软件定义网络的介绍，由于篇幅限制,删除了组播路由的内容。
希望本书能帮助计算机网络和通信专业的研究生了解和掌握计算机网络体系结构的基本架构、核心设计思想和基本的协议机制。
需要指出的是,本书并不是一本计算机网络领域的入门书籍,如果读者对计算机网络的基本原理并不了解,建议先阅读Tanenbaum教授编著的《计算机网络(第5版)》。如果读者在掌握了计算机网络的基础知识后,希望更深入地了解网络研究领域中的理论和实践问题,那么本书会是一个很好的选择。如果读者在阅读本书后,对网络体系结构设计建模的理论和方法感兴趣,还可以参考拙作《计算机网络体系结构——设计、建模、分析与优化》。
朱敏、姚龙、赵乙、吕亮、冯学伟、杜鑫乐、凌思通、李海斌、周广猛、傅川溥、王自强等在本书的编写过程中协助编者做了大量工作,在此一并表示感谢。
我要感谢我所在课题组的学术带头人吴建平院士,他始终把握着我们课题组的研究方向,带领我们在新一代互联网领域努力前行。特别感谢林闯教授,林老师的批评和鼓励提升了我们的研究水平。还要感谢我的同事徐明伟、赵有健、尹霞、崔勇、张小平、刘莹、李丹、裴丹、李琦,我们就像一个大家庭一样互相支持。
我要感谢我的父母和家人,特别是我的妻子和儿子,在写作此书的过程中,儿子经常坐在我桌子对面学习C 编程,通过这种方式陪伴我,谨以此书献给他们。
感谢国家自然科学基金委员会多年来对作者研究工作的支持(项目编号: 61825204),感谢北京市*卓越青年科学家项目（项目编号: BJJWZYJH01201910003011）的支持。
本书第1版出版以来,被很多兄弟院校选用为研究生教材,在使用过程中,很多授课老师都提出了非常中肯的修改意见,在此一并表示衷心的感谢。
限于作者的水平,书中不当之处希望得到广大读者的指正,文责当由我一人承担。计算机网络领域是一个飞速发展的领域,我们将在吸取大家的意见和建议的基础上,在适当的时候再进行修订和补充。

徐恪2020年5月于学清苑

本书全面介绍了计算机网络领域中主要的理论和实践问题，主要内容围绕网络体系结构中的核心机制和算法展开，具体包括路由、拥塞控制、QoS控制、路由器设计和网络安全等计算机网络工程领域的核心内容，还介绍了物联网、新一代互联网等*研究进展。 本书主要面向通信和计算机网络技术领域的研究生，也可供广大网络工程技术人员参考。本书对想了解和掌握计算机网络体系结构的基本架构、核心设计思想和基本协议机制的读者也很有参考价值。

徐恪，清华大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事计算机网络体系结构、网络经济学和物联网方面的科研和教学工作。担任核心期刊“软件学报”领域编委，中国电子学会会士，中国计算机学会理事。

第1章计算机网络与Internet1
1.1引言1
1.2Internet发展历史2
1.2.1互联网发展的主要阶段4
1.2.2互联网在中国的发展5
1.2.3互联网主要创新5
1.3互联网边缘层与核心层10
1.3.1互联网边缘层10
1.3.2互联网核心层11
1.4互联网标准化组织12
1.5新一代互联网发展现状13
1.5.1新一代互联网与IPv613
1.5.2新一代互联网体系结构基础研究及探索15
1.6新兴网络形态介绍16
1.6.1物联网16
1.6.2云计算和边缘计算18
1.6.3数据中心网络21
1.7全书内容安排23
参考文献25
第2章Internet路由28
2.1引言28
2.2Internet路由体系结构与路由算法28
2.2.1Internet结构特点28
2.2.2Internet的路由结构29
2.2.3路由算法分类32
2.3Internet域内路由协议36
2.3.1路由信息协议(RIP)36
2.3.2开放*短路径优先(OSPF)协议42
2.4Internet域间路由协议BGP56
2.4.1自治系统级网络拓扑57
2.4.2自治系统间的连接关系60
2.4.3国内ISP互联情况62
2.4.4边界网关协议(BGP)65
2.4.5BGP中的策略路由73
2.4.6BGP路由收敛问题77
2.4.7BGP稳定路径问题85
2.4.8BGP路由安全问题89
2.5结论和进一步的研究工作93
参考文献94
第3章拥塞控制98
3.1引言98
3.2基本概念99
3.2.1拥塞和拥塞控制99
3.2.2Internet中拥塞发生的原因99
3.2.3拥塞控制的目标100
3.3TCP拥塞控制机制研究102
3.3.1Internet的网络模型102
3.3.2线性拥塞控制机制103
3.3.3线性拥塞控制机制评价104
3.4端到端拥塞控制算法研究106
3.4.1端到端拥塞控制算法设计的困难106
3.4.2端到端拥塞控制算法的研究概况107
3.4.3拥塞控制的源算法108
3.4.4拥塞控制的链路算法116
3.5结论和进一步的研究工作121
参考文献122
第4章服务质量控制126
4.1引言126
4.2QoS的基本框架128
4.2.1流量分类与标记128
4.2.2流量监管与整形129
4.2.3队列调度133
4.3集成服务与区分服务134
4.3.1集成服务135
4.3.2区分服务140
4.3.3集成服务与区分服务相结合的端到端QoS提供机制148
4.3.4各种服务机制的简单比较151
4.4分组调度算法152
4.4.1分组调度概述152
4.4.2常用的调度算法152
4.5动态分组状态159
4.5.1公平带宽分配161
4.5.2每流准入控制163
4.5.3路由绑定164
4.5.4与区分服务框架的比较165
4.6数据中心内的QoS保证166
4.6.1负载部署167
4.6.2负载重分布168
4.7结论和进一步的研究工作169
参考文献170
第5章高性能路由器体系结构与关键技术177
5.1引言177
5.2路由器的发展历史177
5.3路由器软硬件系统组成178
5.3.1路由器基本结构单元178
5.3.2路由器软件结构180
5.4路由器体系结构181
5.4.1为什么需要高性能路由器182
5.4.2单机集中式总线结构182
5.4.3单机分布式总线结构184
5.4.4单机分布式Crossbar结构184
5.4.5多机互连的集群结构185
5.4.6可扩展集群路由器产品简介186
5.5路由器关键技术190
5.5.1路由查找算法190
5.5.2IP分组分类算法213
5.5.3路由器交换结构及调度算法223
5.6新型路由器体系结构研究进展242
5.6.1并行分组交换机242
5.6.2可编程路由器研究进展245
5.6.3可重构路由器249
5.7结论和进一步的研究工作251
参考文献252
第6章网络安全262
6.1引言262
6.2计算机网络安全基础263
6.2.1网络安全风险263
6.2.2网络安全目标、安全服务和安全机制264
6.3密码学基础及其应用266
6.3.1密码学历史266
6.3.2密码学基本概念272
6.3.3对称密钥算法274
6.3.4非对称密码算法279
6.3.5信息认证与单向散列函数284
6.4基础协议威胁分析与防范289
6.4.1网络层攻击与防范289
6.4.2传输层攻击与防范291
6.4.3路由层攻击与防范292
6.5分布式拒绝服务攻击防范293
6.5.1DDoS攻击的基本方式294
6.5.2现有DDoS攻击防范方案297
6.6恶意软件和僵尸网络298
6.6.1传统计算机病毒299
6.6.2蠕虫300
6.6.3特洛伊木马302
6.6.4僵尸网络303
6.7结论和进一步的研究工作304
参考文献305
第7章P2P系统原理310
7.1引言310
7.2P2P技术的发展历史310
7.3P2P的组织结构313
7.3.1P2P与应用层网络313
7.3.2无结构的P2P网络314
7.3.3有结构的P2P网络318
7.4P2P应用以及典型P2P系统分析327
7.4.1BitTorrent327
7.4.2CoolStreaming332
7.4.3PPLive334
7.4.4PPVA338
7.5P2P的革新式应用——区块链340
7.5.1区块链的发展340
7.5.2区块链的体系结构341
7.5.3区块链中的P2P网络345
7.5.4P2P网络对区块链的影响351
7.6结论和进一步的研究工作354
参考文献355
第8章物联网359
8.1引言359
8.2物联网概述359
8.2.1物联网的起源及发展359
8.2.2射频识别技术360
8.2.3智慧的地球362
8.2.4感知中国363
8.2.5物联网的概念363
8.3无线传感器网络364
8.3.1无线传感器网络的概念364
8.3.2无线传感器网络的技术特点365
8.3.3传感器网络的应用372
8.4物联网体系结构375
8.4.1物联网的特性376
8.4.2物联网的演化与发展面临的挑战377
8.4.3物联网体系结构设计原则377
8.4.4一种物联网应用参考模型378
8.4.5一种层次化物联网体系结构379
8.4.6融合物联网的下一代互联网体系结构与协议栈380
8.5物联网典型协议381
8.5.1IEEE 802.15.4标准381
8.5.2ZigBee384
8.5.36LoWPAN385
8.5.4路由机制386
8.5.5TCP/IP协议栈的简化390
8.5.6CoRE391
8.6物联网体系结构的主要研究问题393
8.6.1新型可扩展层次化路由393
8.6.2轻量级IPv6协议栈394
8.6.3物联网节点和互联网的互联互通问题395
8.6.4物联网安全问题396
8.7物联网典型应用396
8.7.1智能家居396
8.7.2智能交通398
8.7.3智慧城市400
8.7.4智能制造402
8.8结论和进一步的研究工作403
参考文献403
第9章软件定义网络408
9.1引言408
9.2SDN的由来408
9.3SDN的基本架构409
9.3.1SDN控制平面409
9.3.2SDN数据平面413
9.4SDN接口协议415
9.4.1OpenFlow协议415
9.4.2P4编程语言420
9.4.3其他接口协议421
9.5结论和进一步的研究工作423
参考文献425
第10章IPv6与新一代互联网429
10.1引言429
10.2IPv6429
10.2.1IETF429
10.2.2IPv6协议的历史430
10.2.3IPv6协议内容431
10.2.4IPv6展望433
10.3新一代互联网的主要特征434
10.3.1新一代互联网的基本特征434
10.3.2新一代互联网的主要技术挑战435
10.3.3新一代互联网研究中的几个重要问题437
10.4安全可信的新一代互联网体系结构438
10.4.1内生安全的互联网体系结构研究439
10.4.2安全可信的新一代互联网体系结构方案441
10.5结论和进一步的研究工作451
参考文献451
附录A计算机网络实验系统NetRiver454
A.1计算机网络实验系统NetRiver概述454
A.1.1滑动窗口协议实验455
A.1.2IPv4收发实验459
A.1.3IPv4转发实验463
A.1.4IPv4 over IPv6隧道协议实验468
A.2NetFPGA实验平台470
A.2.1NetFPGA开发板470
A.2.2NetFPGA硬件系统471
A.2.3NetFPGA软件系统472
A.2.4NetFPGA使用模型473
A.3PlanetLab474
参考文献478

本书全面介绍了计算机网络领域中主要的理论和实践问题，主要内容围绕网络体系结构中的核心机制和算法展开，具体包括路由、拥塞控制、QoS控制、路由器设计和网络安全等计算机网络工程领域的核心内容，还介绍了物联网、新一代互联网等*研究进展。 
本书主要面向通信和计算机网络技术领域的研究生，也可供广大网络工程技术人员参考。本书对想了解和掌握计算机网络体系结构的基本架构、核心设计思想和基本协议机制的读者也很有参考价值。