第1章計算機網絡與Internet1
1.1引言1
1.2Internet發展歷史2
1.2.1互聯網發展的主要階段4
1.2.2互聯網在中國的發展5
1.2.3互聯網主要創新5
1.3互聯網邊緣層與核心層10
1.3.1互聯網邊緣層10
1.3.2互聯網核心層11
1.4互聯網標準化組織12
1.5新一代互聯網發展現狀13
1.5.1新一代互聯網與IPv613
1.5.2新一代互聯網體繫結構基礎研究及探索15
1.6新興網絡形態介紹16
1.6.1物聯網16
1.6.2雲計算和邊緣計算18
1.6.3數據中心網絡21
1.7全書內容安排23
參考文獻25
第2章Internet路由28
2.1引言28
2.2Internet路由體繫結構與路由算法28
2.2.1Internet結構特點28
2.2.2Internet的路由結構29
2.2.3路由算法分類32
2.3Internet域內路由協議36
2.3.1路由信息協議(RIP)36
2.3.2開放短路徑優先(OSPF)協議42
2.4Internet域間路由協議BGP56
2.4.1自治繫統級網絡拓撲57
2.4.2自治繫統間的連接關繫60
2.4.3國內ISP互聯情況62
2.4.4邊界網關協議(BGP)65
2.4.5BGP中的策略路由73
2.4.6BGP路由收斂問題77
2.4.7BGP穩定路徑問題85
2.4.8BGP路由安全問題89
2.5結論和進一步的研究工作93
參考文獻94
第3章擁塞控制98
3.1引言98
3.2基本概念99
3.2.1擁塞和擁塞控制99
3.2.2Internet中擁塞發生的原因99
3.2.3擁塞控制的目標100
3.3TCP擁塞控制機制研究102
3.3.1Internet的網絡模型102
3.3.2線性擁塞控制機制103
3.3.3線性擁塞控制機制評價104
3.4端到端擁塞控制算法研究106
3.4.1端到端擁塞控制算法設計的困難106
3.4.2端到端擁塞控制算法的研究概況107
3.4.3擁塞控制的源算法108
3.4.4擁塞控制的鏈路算法116
3.5結論和進一步的研究工作121
參考文獻122
第4章服務質量控制126
4.1引言126
4.2QoS的基本框架128
4.2.1流量分類與標記128
4.2.2流量監管與整形129
4.2.3隊列調度133
4.3集成服務與區分服務134
4.3.1集成服務135
4.3.2區分服務140
4.3.3集成服務與區分服務相結合的端到端QoS提供機制148
4.3.4各種服務機制的簡單比較151
4.4分組調度算法152
4.4.1分組調度概述152
4.4.2常用的調度算法152
4.5動態分組狀態159
4.5.1公平帶寬分配161
4.5.2每流準入控制163
4.5.3路由綁定164
4.5.4與區分服務框架的比較165
4.6數據中心內的QoS保證166
4.6.1負載部署167
4.6.2負載重分布168
4.7結論和進一步的研究工作169
參考文獻170
第5章高性能路由器體繫結構與關鍵技術177
5.1引言177
5.2路由器的發展歷史177
5.3路由器軟硬件繫統組成178
5.3.1路由器基本178
5.3.2路由器軟件結構180
5.4路由器體繫結構181
5.4.1為什麼需要高性能路由器182
5.4.2單機集中式總線結構182
5.4.3單機分布式總線結構184
5.4.4單機分布式Crossbar結構184
5.4.5多機互連的集群結構185
5.4.6可擴展集群路由器產品簡介186
5.5路由器關鍵技術190
5.5.1路由查找算法190
5.5.2IP分組分類算法213
5.5.3路由器交換結構及調度算法223
5.6新型路由器體繫結構研究進展242
5.6.1並行分組交換機242
5.6.2可編程路由器研究進展245
5.6.3可重構路由器249
5.7結論和進一步的研究工作251
參考文獻252
第6章網絡安全262
6.1引言262
6.2計算機網絡安全基礎263
6.2.1網絡安全風險263
6.2.2網絡安全目標、安全服務和安全機制264
6.3密碼學基礎及其應用266
6.3.1密碼學歷史266
6.3.2密碼學基本概念272
6.3.3對稱密鑰算法274
6.3.4非對稱密碼算法279
6.3.5信息認證與單向散列函數284
6.4基礎協議威脅分析與防範289
6.4.1網絡層攻擊與防範289
6.4.2傳輸層攻擊與防範291
6.4.3路由層攻擊與防範292
6.5分布式拒絕服務攻擊防範293
6.5.1DDoS攻擊的基本方式294
6.5.2現有DDoS攻擊防範方案297
6.6惡意軟件和僵尸網絡298
6.6.1傳統計算機病毒299
6.6.2蠕蟲300
6.6.3特洛伊木馬302
6.6.4僵尸網絡303
6.7結論和進一步的研究工作304
參考文獻305
第7章P2P繫統原理310
7.1引言310
7.2P2P技術的發展歷史310
7.3P2P的組織結構313
7.3.1P2P與應用層網絡313
7.3.2無結構的P2P網絡314
7.3.3有結構的P2P網絡318
7.4P2P應用以及典型P2P繫統分析327
7.4.1BitTorrent327
7.4.2CoolStreaming332
7.4.3PPLive334
7.4.4PPVA338
7.5P2P的革新式應用——區塊鏈340
7.5.1區塊鏈的發展340
7.5.2區塊鏈的體繫結構341
7.5.3區塊鏈中的P2P網絡345
7.5.4P2P網絡對區塊鏈的影響351
7.6結論和進一步的研究工作354
參考文獻355
第8章物聯網359
8.1引言359
8.2物聯網概述359
8.2.1物聯網的起源及發展359
8.2.2射頻識別技術360
8.2.3智慧的地球362
8.2.4感知中國363
8.2.5物聯網的概念363
8.3無線傳感器網絡364
8.3.1無線傳感器網絡的概念364
8.3.2無線傳感器網絡的技術特點365
8.3.3傳感器網絡的應用372
8.4物聯網體繫結構375
8.4.1物聯網的特性376
8.4.2物聯網的演化與發展面臨的挑戰377
8.4.3物聯網體繫結構設計原則377
8.4.4一種物聯網應用參考模型378
8.4.5一種層次化物聯網體繫結構379
8.4.6融合物聯網的下一代互聯網體繫結構與協議棧380
8.5物聯網典型協議381
8.5.1IEEE 802.15.4標準381
8.5.2ZigBee384
8.5.36LoWPAN385
8.5.4路由機制386
8.5.5TCP/IP協議棧的簡化390
8.5.6CoRE391
8.6物聯網體繫結構的主要研究問題393
8.6.1新型可擴展層次化路由393
8.6.2輕量級IPv6協議棧394
8.6.3物聯網節點和互聯網的互聯互通問題395
8.6.4物聯網安全問題396
8.7物聯網典型應用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結論和進一步的研究工作403
參考文獻403
第9章軟件定義網絡408
9.1引言408
9.2SDN的由來408
9.3SDN的基本架構409
9.3.1SDN控制平面409
9.3.2SDN數據平面413
9.4SDN接口協議415
9.4.1OpenFlow協議415
9.4.2P4編程語言420
9.4.3其他接口協議421
9.5結論和進一步的研究工作423
參考文獻425
第10章IPv6與新一代互聯網429
10.1引言429
10.2IPv6429
10.2.1IETF429
10.2.2IPv6協議的歷史430
10.2.3IPv6協議內容431
10.2.4IPv6展望433
10.3新一代互聯網的主要特征434
10.3.1新一代互聯網的基本特征434
10.3.2新一代互聯網的主要技術挑戰435
10.3.3新一代互聯網研究中的幾個重要問題437
10.4安全可信的新一代互聯網體繫結構438
10.4.1內生安全的互聯網體繫結構研究439
10.4.2安全可信的新一代互聯網體繫結構方案441
10.5結論和進一步的研究工作451
參考文獻451
附錄A計算機網絡實驗繫統NetRiver454
A.1計算機網絡實驗繫統NetRiver概述454
A.1.1滑動窗口協議實驗455
A.1.2IPv4收發實驗459
A.1.3IPv4轉發實驗463
A.1.4IPv4 over IPv6隧道協議實驗468
A.2NetFPGA實驗平臺470
A.2.1NetFPGA開發板470
A.2.2NetFPGA硬件繫統471
A.2.3NetFPGA軟件繫統472
A.2.4NetFPGA使用模型473
A.3PlanetLab474
參考文獻478

人類社會正全面邁向信息社會,信息已經成為人們改造世界和推動世界發展的直接媒體和推動力。以互聯網為代表的計算機網絡是現代社會重要的信息基礎設施,同時也是未來智能經濟的主要載體。可以預見,超高速的光通信技術、5G等高速無線通信技術、安全可信的網絡體繫結構等技術的研究進展會使互聯網在未來十年產生新的飛躍,朝著以“更大、更快、更及時、更方便、更安全、更可管理和更有效”為標志的新一代互聯網發展。
充分認識和研究新一代互聯網發展中的基礎性問題,使新一代互聯網能夠更好地滿足國家和社會的需求,已經成為擺在我們面前的緊迫任務。而培養一批掌握新一代互聯網基礎理論和關鍵技術的高水平人纔更是高等院校責無旁貸的任務。
為了使計算機通信與網絡等相關專業的研究生能夠更加深入地掌握計算機網絡的研究現狀,理解目前網絡體繫結構、協議和應用研究領域的發展,筆者為清華大學信息科學技術學院的研究生開設了“計算機網絡體繫結構”和“高等計算機網絡”課程。為了配合課程教學,我們著手編寫了本書。
本書第1版於2012年10月出版,轉眼已經過去八年多時間,計算機網絡技術有了很多新發展,空天地一體化網絡已經初具雛形,5G已經投入商用,大數據、人工智能、區塊鏈等技術也在不斷地與計算機網絡深度融合。雖然技術在飛快發展,但是根據我們多年的授課經驗,研究生需要了解和掌握的仍然是網絡體繫結構中本質的思想和核心的機制。因此，在這一版本的修訂過程中,我們仍然重點突出對網絡體繫結構中核心機制和算法的介紹,全書以新一代互聯網體繫結構為總體思路,圍繞Internet路由、擁塞控制、QoS控制、路由器設計、網絡安全等計算機網絡的核心內容展開介紹,還特別介紹了軟件定義網絡、P2P繫統、物聯網等新型網絡形態。與上一版相比,增加了我們對新一代互聯網體繫結構的認識,補充了擁塞控制、網絡安全、比特幣等領域的研究進展,增加了對軟件定義網絡的介紹，由於篇幅限制,刪除了組播路由的內容。
希望本書能幫助計算機網絡和通信專業的研究生了解和掌握計算機網絡體繫結構的基本架構、核心設計思想和基本的協議機制。
需要指出的是,本書並不是一本計算機網絡領域的入門書籍,如果讀者對計算機網絡的基本原理並不了解,建議先閱讀Tanenbaum教授編著的《計算機網絡(第5版)》。如果讀者在掌握了計算機網絡的基礎知識後,希望更深入地了解網絡研究領域中的理論和實踐問題,那麼本書會是一個很好的選擇。如果讀者在閱讀本書後,對網絡體繫結構設計建模的理論和方法感興趣,還可以參考拙作《計算機網絡體繫結構——設計、建模、分析與優化》。
朱敏、姚龍、趙乙、呂亮、馮學偉、杜鑫樂、凌思通、李海斌、周廣猛、傅川溥、王自強等在本書的編寫過程中協助編者做了大量工作,在此一並表示感謝。
我要感謝我所在課題組的學術帶頭人吳建平院士,他始終把握著我們課題組的研究方向,帶領我們在新一代互聯網領域努力前行。特別感謝林闖教授,林老師的批評和鼓勵提升了我們的研究水平。還要感謝我的同事徐明偉、趙有健、尹霞、崔勇、張小平、劉瑩、李丹、裴丹、李琦,我們就像一個大家庭一樣互相支持。
我要感謝我的父母和家人,特別是我的妻子和兒子,在寫作此書的過程中,兒子經常坐在我桌子對面學習C 編程,通過這種方式陪伴我,謹以此書獻給他們。
感謝國家自然科學基金委員會多年來對作者研究工作的支持(項目編號: 61825204),感謝北京市*卓越青年科學家項目（項目編號: BJJWZYJH01201910003011）的支持。
本書第1版出版以來,被很多兄弟院校選用為研究生教材,在使用過程中,很多授課老師都提出了非常中肯的修改意見,在此一並表示衷心的感謝。
限於作者的水平,書中不當之處希望得到廣大讀者的指正,文責當由我一人承擔。計算機網絡領域是一個飛速發展的領域,我們將在吸取大家的意見和建議的基礎上,在適當的時候再進行修訂和補充。

徐恪2020年5月於學清苑