高級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容概要

　　《清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材：高級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》全面介紹了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域中主要的理論和實(shí)踐問題，主要內(nèi)容圍繞網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的核心機(jī)制和算法展開，具體包括單播路由、組播路由、擁塞控制、QoS控制、路由器設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)安全等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程領(lǐng)域的核心內(nèi)容，還特別介紹了P2P和物聯(lián)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，對新一代互聯(lián)網(wǎng)的研究進(jìn)展也進(jìn)行了簡要介紹?！　　肚迦A大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材：高級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》全面反映了近幾年來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的最新發(fā)展，并盡可能提供了較詳盡的參考文獻(xiàn)。在介紹最新進(jìn)展的同時，在每一章的最后都力圖指出進(jìn)一步的研究方向供讀者參考?！　　肚迦A大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材：高級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》主要面向通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的研究生，也可供廣大網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)人員參考。本書對想了解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本架構(gòu)、核心設(shè)計(jì)思想和基本協(xié)議機(jī)制的讀者也很有參考價值。

作者簡介

徐恪，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授，博士生導(dǎo)師。2001年獲得清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，同年留校任教。主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，P2P等大規(guī)模分布式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)方面的科研和教學(xué)工作，核心期刊“計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件“和“中國科技論文”編委，Springer國際期刊Networking Science編委。2011年獲得“中國計(jì)算機(jī)學(xué)會青年科學(xué)家獎”和“清華大學(xué)青年教師教學(xué)優(yōu)秀獎”。講授的“高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”被評為清華大學(xué)研究生精品課程。

書籍目錄

第1章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與Internet 1.1 引言 1.2 Internet發(fā)展歷史 1.2.1 互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要階段 1.2.2 互聯(lián)網(wǎng)在中國的發(fā)展 1.2.3 互聯(lián)網(wǎng)主要創(chuàng)新 1.3 互聯(lián)網(wǎng)邊緣層與核心層 1.3.1 互聯(lián)網(wǎng)邊緣層 1.3.2 互聯(lián)網(wǎng)核心層 1.4 互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織 1.5 下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀 1.5.1 新一代互聯(lián)網(wǎng)與IPv6 1.5.2 下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究及探索 1.6 新興網(wǎng)絡(luò)形態(tài)介紹 1.6.1 物聯(lián)網(wǎng) 1.6.2 云計(jì)算 1.6.3 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò) 1.7 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 參考文獻(xiàn) 第2章 Internet單播路由 2.1 引言 2.2 Internet路由體系結(jié)構(gòu)與路由算法 2.2.1 Internet結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2.2.2 Internet的路由結(jié)構(gòu) 2.2.3 路由算法分類 2.3 Internet域內(nèi)路由協(xié)議 2.3.1 路由信息協(xié)議（RIP） 2.3.2 開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF） 2.4 Internet域間路由協(xié)議BGP 2.4.1 自治系統(tǒng)級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2.4.2 自治系統(tǒng)間連接關(guān)系 2.4.3 國內(nèi)ISP互聯(lián)情況 2.4.4 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）簡介 2.4.5 BGP中的策略路由 2.4.6 BGP路由收斂問題 2.4.7 BGP穩(wěn)定路徑問題 2.4.8 BGP路由安全問題 2.5 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 參考文獻(xiàn) 第3章 Internet組播 3.1 引言 3.1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的通信方式 3.1.2 組播發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及挑戰(zhàn) 3.1.3 IP組播技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 3.2 組播地址 3.2.1 IPv4組播地址 3.2.2 組播MAC地址 3.3 Internet組管理協(xié)議IGMP 3.4 組播轉(zhuǎn)發(fā) 3.4.1 源樹 3.4.2 共享樹 3.4.3 源樹和共享樹的比較 3.4.4 組播轉(zhuǎn)發(fā) 3.5 組播路由協(xié)議 3.5.1 域內(nèi)組播路由協(xié)議 3.5.2 域間組播路由協(xié)議 3.5.3 分析與比較 3.6 IPv6組播 3.6.1 IPv6組播地址 3.6.2 IPv6組成員關(guān)系協(xié)議 3.6.3 IPv6組播路由協(xié)議 3.6.4 CNGI大規(guī)模可控組播 3.7 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 參考文獻(xiàn) 第4章 擁塞控制 4.1 引言 4.2 基本概念 4.2.1 擁塞和擁塞控制 4.2.2 Internet中擁塞發(fā)生的原因 4.2.3 擁塞控制的目標(biāo) 4.2.4 IP組播中的擁塞控制 4.3 TCP擁塞控制機(jī)制研究 4.3.1 Internet的網(wǎng)絡(luò)模型 4.3.2 線性擁塞控制機(jī)制 4.3.3 線性擁塞控制機(jī)制評價 4.4 端到端擁塞控制算法研究 4.4.1 端到端擁塞控制算法設(shè)計(jì)的困難 4.4.2 端到端擁塞控制算法的研究概況 4.4.3 擁塞控制的源算法 4.4.4 擁塞控制的鏈路算法 4.5 組播擁塞控制算法和協(xié)議 4.5.1 組播擁塞控制協(xié)議的目標(biāo) 4.5.2 組播擁塞控制算法的分類 4.6 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 參考文獻(xiàn) 第5章 服務(wù)質(zhì)量控制 5.1 引言 5.2 QoS的基本框架 5.2.1 流量分類與標(biāo)記 5.2.2 流量監(jiān)管與整形 5.2.3 隊(duì)列調(diào)度 5.3 集成服務(wù)與區(qū)分服務(wù) 5.3.1 集成服務(wù)IntServ 5.3.2 區(qū)分服務(wù)DiffServ 5.3.3 集成服務(wù)與區(qū)分服務(wù)相結(jié)合的端到端QoS提供機(jī)制 5.3.4 各種服務(wù)機(jī)制的簡單比較 5.4 分組調(diào)度算法 5.4.1 分組調(diào)度概述 5.4.2 常用的調(diào)度算法 5.5 動態(tài)分組狀態(tài) 5.5.1 核心無狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SCORE概述 5.5.2 SCORE中的保證型服務(wù) 5.6 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 參考文獻(xiàn) 第6章 高性能路由器體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) 6.1 引言 6.2 路由器的發(fā)展歷史 6.3 路由器軟硬件系統(tǒng)組成 6.3.1 路由器基本結(jié)構(gòu)單元 6.3.2 路由器軟件結(jié)構(gòu) 6.4 路由器體系結(jié)構(gòu) 6.4.1 為什么需要高性能路由器 6.4.2 單機(jī)集中式總線結(jié)構(gòu) 6.4.3 單機(jī)分布式總線結(jié)構(gòu) 6.4.4 單機(jī)分布式Crossbar結(jié)構(gòu) 6.4.5 多機(jī)互連的集群結(jié)構(gòu) 6.4.6 可擴(kuò)展集群路由器產(chǎn)品簡介 6.5 路由器關(guān)鍵技術(shù) 6.5.1 路由查找算法 6.5.2 IP分組分類算法 6.5.3 路由器交換結(jié)構(gòu)及調(diào)度算法 6.6 新型路由器體系結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展 6.6.1 并行分組交換機(jī)PPS 6.6.2 可編程路由器研究進(jìn)展 6.6.3 可重構(gòu)路由器 6.7 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 參考文獻(xiàn) 第7章 網(wǎng)絡(luò)安全 7.1 引言 7.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ) 7.2.1 網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險 7.2.2 網(wǎng)絡(luò)安全目標(biāo)、安全服務(wù)和安全機(jī)制 7.3 密碼學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用 7.3.1 密碼學(xué)歷史 7.3.2 密碼學(xué)基本概念 7.3.3 對稱密鑰算法簡介 7.3.4 非對稱密碼算法簡介 7.3.5 信息認(rèn)證與單向散列函數(shù) 7.4 IP層安全機(jī)制IPSec 7.4.1 IPSec協(xié)議族結(jié)構(gòu) 7.4.2 小結(jié) 7.5 分布式拒絕服務(wù)攻擊DDoS防范 7.5.1 DDoS攻擊的基本方式 7.5.2 現(xiàn)有DDoS攻擊防范方案 7.5.3 小結(jié) 7.6 惡意軟件和僵尸網(wǎng)絡(luò) 7.6.1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)病毒 7.6.2 蠕蟲 7.6.3 特洛伊木馬 7.6.4 僵尸網(wǎng)絡(luò) 7.6.5 小結(jié) 7.7 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 參考文獻(xiàn) …… 第8章 P2P系統(tǒng)原理 第9章 物聯(lián)網(wǎng) 第10章 IPv6與新一代互聯(lián)網(wǎng) 附錄A 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Net River簡介 附錄B Net FPGA實(shí)驗(yàn)平臺簡介 附錄C Planet Lab簡介

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   2.5 結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作 本章討論了Internet的單播路由問題，重點(diǎn)介紹了目前正在使用的主流的單播路由協(xié)議。 就Internet單播路由協(xié)議本身來說，目前的研究集中在BGP和OSPF協(xié)議本身的收斂性和穩(wěn)定性等方面。另外，如何在域內(nèi)提供靈活的路由環(huán)境也值得進(jìn)一步研究。我們實(shí)驗(yàn)室的一部分工作就是擴(kuò)展BGP的路由選擇通知，可以在自治系統(tǒng)間部署，用來進(jìn)行源地址驗(yàn)證與過濾，是源地址驗(yàn)證工作中重要的一環(huán)。 隨著網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，能夠根據(jù)服務(wù)質(zhì)量需求進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量路由（QoSR）日益成為網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題之一。限于篇幅，本章沒有對該問題進(jìn)行介紹，感興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)～文獻(xiàn)。 實(shí)際上，目前互聯(lián)網(wǎng)的路由和尋址體系結(jié)構(gòu)面臨著嚴(yán)重的問題?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶的增加，以及其他諸多因素（如多穴主機(jī)、流量工程和策略路由等）都導(dǎo)致核心網(wǎng)的路由表規(guī)模在不停地增長。互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織IETF于2006年11月在阿姆斯特丹舉辦了“Routing and Addressing Workshop”專門討論了關(guān)于路由和尋址所面臨的問題。 具體來說，當(dāng)前的路由和尋址體系結(jié)構(gòu)面臨的最重要的問題就是可擴(kuò)展性問題。可擴(kuò)展性問題主要體現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)核心路由表的規(guī)模超線性的快速增加。2005年路由表只有15萬～17.5萬條表項(xiàng)，到2007年則增加到20萬條以上，到2011年已經(jīng)增加到接近40萬條。核心路由表數(shù)量的增加導(dǎo)致了很多問題，例如： （1）路由器中的路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表的大小增加。 （2）轉(zhuǎn)發(fā)表重新計(jì)算的開銷增加。 （3）路由更新消息的增加導(dǎo)致BGP計(jì)算的開銷，比如在2005年8月，就發(fā)現(xiàn)了有超過40萬的路由更新事件發(fā)生。 （4） BGP路由協(xié)議的收斂時間增加。 （5）路由器硬件的開銷和能耗的增加，動態(tài)存儲器訪問速率并不能跟上摩爾定律，也讓人擔(dān)心路由器的性能是否能夠應(yīng)付路由表的快速增長。 （6）將網(wǎng)絡(luò)邊緣的變化暴露給網(wǎng)絡(luò)核心，引起網(wǎng)絡(luò)核心的路由振蕩。 核心路由表增加的原因很多，主要有以下3個。 （1）多宿主技術(shù)（multi-homing）的大量使用。當(dāng)前很多站點(diǎn)為了保證服務(wù)的可靠性或者出于性價比的考慮，都會使用多個互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商提供服務(wù)，使用多宿主技術(shù)的站點(diǎn)如果使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商無關(guān)的地址，則會導(dǎo)致不能很好聚集的地址前綴被分布。即使使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商提供的地址，該地址前綴也需單獨(dú)發(fā)布，不能被聚集。 （2）流量工程中使用的一些方法。比如為了實(shí)現(xiàn)讓流量能夠在多條鏈路上更好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，或者考慮多使用價格比較低的鏈路的目的，然而當(dāng)前的路由協(xié)議（如BGP、OSPF和IS-IS等）并沒有很好地提供對流量工程的支持。在實(shí)際中往往采用的辦法就是如果需要流量工程的地址范圍是聚集的地址前綴的一部分，則會單獨(dú)對這部分前綴發(fā)布路由信息來實(shí)現(xiàn)流量工程的目的。然而這樣使用雖然達(dá)到了流量工程的目的，卻損害了路由的可聚集性。 （3）互聯(lián)網(wǎng)注冊機(jī)構(gòu)（Regional Internet Registry）地址分配策略并不是最優(yōu)的，很多站點(diǎn)不愿意因?yàn)楦鼡Q互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商就更換IP地址，會要求分配服務(wù)提供商無關(guān)的地址，這些地址并不是在拓?fù)渖峡删奂?，而且由于往往代表一個小的邊緣網(wǎng)絡(luò)，很容易在核心網(wǎng)中引入更多的路由表項(xiàng)。 此外，當(dāng)前的路由和尋址體系結(jié)構(gòu)面臨的第二個問題則是當(dāng)前IP地址的語義重載問題。當(dāng)前的IP地址實(shí)際上擔(dān)負(fù)著雙重語義，既作為路由系統(tǒng)尋址時的定位，又作為雙方通信傳輸層的標(biāo)識。這種語義重載實(shí)際上也嚴(yán)重地影響了整個路由系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，實(shí)際上對這個問題已經(jīng)有了很多討論，然而現(xiàn)在并沒有一個很好的能實(shí)際應(yīng)用的解決方案。 一般認(rèn)為，路由系統(tǒng)如果需要可擴(kuò)展，那么IP地址作為尋址定位的功能，必須表示互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)渲械奈恢?，必須按照互?lián)網(wǎng)的拓?fù)鋪磉M(jìn)行分配。然而，作為傳輸標(biāo)識，IP地址通常都是基于端系統(tǒng)或者端系統(tǒng)所屬的組織結(jié)構(gòu)來分配，應(yīng)該是拓?fù)錈o關(guān)的。此外，作為標(biāo)識，還需要具有穩(wěn)定性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)從互聯(lián)網(wǎng)另一個地方接入的時候，需要更換它的位置，然而它的標(biāo)識應(yīng)該不變。從上面的分析可以看到，IP地址的雙重語義實(shí)際上在地址分配上是存在矛盾的，一個單一的名字空間是很難滿足兩方面的要求，也是導(dǎo)致目前路由和尋址體系結(jié)構(gòu)面臨可擴(kuò)展性問題的一個重要原因。 此外，當(dāng)前路由和尋址體系結(jié)構(gòu)也面臨一些其他問題，例如路由的收斂問題，但是該問題的一部分原因也是路由條數(shù)過多造成的，和當(dāng)前路由和尋址體系結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性問題相關(guān)。而作為下一代互聯(lián)網(wǎng)載體的IPv6而言，如果缺乏一個可擴(kuò)展的路由和尋址體系結(jié)構(gòu)，還是沿用IPv4現(xiàn)有的策略的話，面對的問題可能會更嚴(yán)重，因?yàn)镮Pv6擁有更大的地址空間，如果沒有一個可擴(kuò)展的路由和尋址體系結(jié)構(gòu)來管理這樣大的地址空間的尋址，路由表項(xiàng)的數(shù)量可能會比IPv4大幾個數(shù)量級。 因此，未來的互聯(lián)網(wǎng)需要新的多維可擴(kuò)展的路由和尋址體系結(jié)構(gòu)，這個路由和尋址體系結(jié)構(gòu)需要解決目前的問題，以及充分考慮未來需求的變化，比如互聯(lián)網(wǎng)用戶的不斷增長、區(qū)域提供商和子網(wǎng)的數(shù)目不斷增加、各種移動網(wǎng)絡(luò)的增加，以及移動接人設(shè)備的不斷增加等。有興趣的讀者可以關(guān)注美國的FIND計(jì)劃中的相關(guān)研究課題。

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