计算机网络问题与解决方案

本书第一部分讲解了数据传输(数据平面)。第二部分介绍了用于发现和使用拓扑与可达性信息(控制平面)的协议。第三部分讨论了几种常见的网络设计和架构，包括数据中心Fabric、MPLS核心和现代软件定义广域网(SD-WAN)。作为所有网络技术所面临问题的解决方案，软件定义网络等技术的基础原理贯穿全书。书中揭示了现代计算机网络和协议被设计成现在这样的原因，解释这些协议或系统必须克服哪些问题，通用的解决方案是什么，并展示了这些解决方案在新的和成熟的协议中是如何实现的。

出版者的话 译者序 前言 作者简介 译者简介 第一部分　数据平面 第1章　基本概念 4 1.1　是艺术还是工程 4 1.2　电路交换 6 1.3　分组交换 8 1.3.1　分组交换操作 8 1.3.2　分组交换网络中的流量控制 10 1.4　固定与可变长度数据帧 11 1.5　无环路径计算 13 1.6　服务质量 14 1.7　集中式控制平面的反击 15 1.8　复杂性 16 1.8.1　为什么如此复杂 16 1.8.2　定义复杂性 18 1.8.3　通过细腰模型管理复杂性 19 1.9　总结思考 21 1.10　拓展阅读 21 1.11　复习题 21 第2章　数据传输中的问题与解决方案 23 2.1　数字语法和数据列集 24 2.1.1　数字语法和字典 25 2.1.2　固定长度字段 27 2.1.3　类型长度值 28 2.1.4　共享对象字典 29 2.2　差错 30 2.2.1　差错检测 30 2.2.2　纠错 33 2.3　多路复用 35 2.3.1　设备与应用程序的寻址 35 2.3.2　多播 37 2.3.3　选播 38 2.4　流量控制 39 2.4.1　窗口机制 40 2.4.2　协商比特率 42 2.5　总结思考 43 2.6　拓展阅读 43 2.7　复习题 44 第3章　网络传输建模 46 3.1　美国国防部模型 46 3.2　开放系统互连模型 48 3.3　递归互联网架构模型 51 3.4　面向连接与无连接 52 3.5　总结思考 52 3.6　拓展阅读 53 3.7　复习题 53 第4章　底层传输 54 4.1　以太网 54 4.1.1　多路复用 55 4.1.2　差错控制 59 4.1.3　数据列集 59 4.1.4　流量控制 60 4.2　无线802.11协议 60 4.2.1　多路复用 60 4.2.2　数据列集、差错控制和流量控制 64 4.3　总结思考 65 4.4　拓展阅读 65 4.5　复习题 66 第5章　高层数据传输 67 5.1　IP 68 5.1.1　传输与列集 69 5.1.2　多路复用 72 5.2　TCP 75 5.2.1　流量控制 75 5.2.2　差错控制 78 5.2.3　TCP端口号 78 5.2.4　TCP会话的建立 79 5.3　QUIC 79 5.4　ICMP 83 5.5　总结思考 83 5.6　拓展阅读 84 5.7　复习题 85 第6章　层间发现 87 6.1　层间发现的解决方案 87 6.1.1　众所周知和手动配置的标识符 88 6.1.2　映射数据库和协议 89 6.1.3　协议中的通告标识符映射 89 6.1.4　从一个标识符计算另一个标识符 89 6.2　层间发现示例 89 6.2.1　DNS 90 6.2.2　DHCP 91 6.2.3　IPv4地址解析协议 92 6.2.4　IPv6邻居发现 93 6.3　默认网关问题 95 6.4　总结思考 97 6.5　拓展阅读 97 6.6　复习题 98 第7章　分组交换 99 7.1　从物理介质到内存 100 7.2　数据包处理 101 7.2.1　交换 101 7.2.2　路由 101 7.2.3　为什么需要路由 102 7.2.4　等价多路径 103 7.2.5　数据包处理引擎 106 7.3　跨越总线 107 7.4　从内存到物理介质 110 7.5　总结思考 110 7.6　拓展阅读 111 7.7　复习题 112 第8章　服务质量 113 8.1　定义问题空间 113 8.2　分级 115 8.2.1　分级保持 118 8.2.2　无标记的互联网 119 8.3　拥塞管理 120 8.3.1　及时性：低延迟队列 120 8.3.2　公平性：基于分级的加权公平队列 123 8.3.3　过度拥塞 124 8.3.4　其他QoS拥塞管理工具 124 8.4　队列管理 125 8.4.1　管理一个满载缓冲区：加权随机早期检测 125 8.4.2　管理缓冲延迟、缓冲膨胀和延迟控制 126 8.5　总结思考 127 8.6　拓展阅读 127 8.7　复习题 128 第9章　网络虚拟化 129 9.1　理解虚拟网络 129 9.1.1　在IP网络上提供以太网服务 131 9.1.2　一个公司网络的虚拟私有访问 133 9.1.3　虚拟化问题和解决方案总结 133 9.2　分段路由 134 9.2.1　多协议标签交换的分段路由 135 9.2.2　IPv6的分段路由 138 9.2.3　信令分段路由标签 139 9.3　软件定义广域网 140 9.4　复杂性和虚拟化 141 9.4.1　交互表面和共享风险链路组 141 9.4.2　交互表面和覆盖控制平面 142 9.5　总结思考 144 9.6　拓展阅读 144 9.7　复习题 145 第10章　传输安全 146 10.1　问题空间 146 10.1.1　验证数据 146 10.1.2　保护数据不被窃取 147 10.1.3　保护用户隐私 147 10.2　解决方案空间 148 10.2.1　加密 148 10.2.2　密钥交换 152 10.2.3　加密散列 154 10.2.4　隐藏用户信息 154 10.3　传输层安全 157 10.4　总结思考 159 10.5　拓展阅读 159 10.6　复习题 161 第二部分　控制平面 第11章　拓扑发现 165 11.1　节点、边和可达目的地 166 11.1.1　节点 166 11.1.2　边 167 11.1.3　可达目的地 167 11.1.4　拓扑结构 168 11.2　学习网络拓扑 168 11.2.1　检测其他网络设备 169 11.2.2　检测双向连接性 170 11.2.3　检测最大传输单元 171 11.3　学习可达目的地 172 11.3.1　响应式学习 173 11.3.2　主动式学习 173 11.4　通告可达性和拓扑 174 11.4.1　决定何时通告可达性及拓扑结构 174 11.4.2　可达性的响应式分发 175 11.4.3　可达性的主动式分发 177 11.5　在控制平面之间重新分发 178 11.5.1　 重新分发与度量 179 11.5.2　重新分发与路由循环 180 11.6　总结思考 182 11.7　拓展阅读 182 11.8　复习题 183 第12章　单播无环路径（1） 184 12.1　哪条路径是无环路径 184 12.2　树 186 12.3　无环备选路径 188 12.3.1　瀑布（或分水岭）模型 189 12.3.2　P/Q空间 190 12.3.3　远程无环备选路径 191 12.4　Bellman-Ford无环路径计算 191 12.5　Garcia扩散更新算法 196 12.6　总结思考 200 12.7　拓展阅读 200 12.8　复习题 201 第13章　单播无环路径（2） 202 13.1　Dijkstra 最短路径优先 202 13.1.1　部分和增量SPF 207 13.1.2　计算LFA和rLFA 208 13.2　路径向量 209 13.3　非相交路径算法 211 13.3.1　双连接网络 212 13.3.2　Suurballe 非相交路径算法 212 13.3.3　最大冗余树 215 13.4　双向连接性 218 13.5　总结思考 218 13.6　拓展阅读 218 13.7　复习题 220 第14章　对拓扑变化的响应 221 14.1　检测拓扑变化 222 14.1.1　通过轮询来检测故障 222 14.1.2　事件驱动的故障检测 223 14.1.3　比较事件驱动和基于轮询的检测 224 14.1.4　示例：双向转发检测 225 14.2　变更分发 226 14.2.1　洪泛 227 14.2.2　逐跳 229 14.2.3　集中式存储 230 14.3　一致性、可用性和分区 232 14.4　总结思考 234 14.5　拓展阅读 234 14.6　复习题 235 第15章　距离向量控制平面 236 15.1　控制平面分类 236 15.2　生成树协议 239 15.2.1　构建一棵无环树 239 15.2.2　学习可达目的地址 242 15.2.3　生成树协议的总结思考 243 15.3　路由信息协议 244 15.3.1　绑定Bellman-Ford算法到RIP 245 15.3.2　对拓扑变化的响应 247 15.3.3　RIP的总结思考 248 15.4　增强内部网关路由协议 248 15.4.1　对拓扑变化的响应 250 15.4.2　邻居发现与可靠传输 252 15.4.3　EIGRP的总结思考 252 15.5　拓展阅读 253 15.6　复习题 254 第16章　链路状态与路径向量控制平面 255 16.1　OSPF和IS-IS简史 255 16.2　IS-IS协议 256 16.2.1　OSI寻址 256 16.2.2　IS-IS中的数据列集 257 16.2.3　邻居发现和拓扑发现 258 16.2.4　可靠的洪泛 259 16.2.5　IS-IS 的总结思考 261 16.3　OSPF 261 16.3.1　OSPF中的数据列集 261 16.3.2　邻居发现和拓扑发现 262 16.3.3　可靠的洪泛 264 16.3.4　OSPF的总结思考 265 16.4　OSPF和IS-IS中的通用元素 265 16.4.1　多址链路 265 16.4.2　链路状态协议中概念化链路、节点和可达性 267 16.4.3　验证SPF中的双向连接性 268 16.5　边界网关协议 269 16.5.1　BGP 对等操作 269 16.5.2　BGP的最佳路径决策过程 271 16.5.3　BGP的通告规则 272 16.5.4　BGP的总结思考 273 16.6　总结思考 274 16.7　拓展阅读 274 16.8　复习题 276 第17章　控制平面中的策略 277 17.1　控制平面策略用例 277 17.1.1　冷/热土豆路由 277 17.1.2　资源分割 279 17.1.3　应用优化的流量固定 280 17.2　定义控制平面策略 283 17.3　控制平面策略与复杂性 284 17.3.1　再谈冷/热土豆路由 284 17.3.2　资源分割 285 17.3.3　应用的流量固定 286 17.4　总结思考 287 17.5　拓展阅读 287 17.6　复习题 288 第18章　集中式控制平面 289 18.1　讨论“软件定义”的定义 289 18.1.1　接口分类 290 18.1.2　功能分层 290 18.2　BGP作为SDN 291 18.3　Fibbing 292 18.4　I2RS 294 18.5　PCEP 298 18.6　OpenFlow 299 18.7　CAP定理和辅助性 301 18.8　总结思考 303 18.9　拓展阅读 303 18.10　复习题 304 第19章　故障域与信息隐藏 305 19.1　问题空间 305 19.1.1　定义控制平面状态范围 305 19.1.2　正反馈环路 306 19.2　解决方案空间 309 19.2.1　拓扑信息汇总 309 19.2.2　可达性信息聚合 310 19.2.3　可达性信息过滤 312 19.2.4　控制平面分层 312 19.2.5　缓存 313 19.2.6　减速 316 19.3　总结思考 317 19.4　拓展阅读 318 19.5　复习题 318 第20章　信息隐藏示例 319 20.1　拓扑信息汇总 319 20.1.1　IS-IS 319 20.1.2　OSPF 323 20.2　聚合 327 20.3　分层 328 20.3.1　BGP作为一个可达性覆盖层 328 20.3.2　带有控制器覆盖层的分段路由 329 20.4　减慢状态速度 330 20.4.1　指数退避 331 20.4.2　链路状态的洪泛缩减 333 20.5　总结思考 334 20.6　拓展阅读 334 20.7　复习题 335 第三部分　网络设计 第21章　安全性的宽泛讨论 339 21.1　问题的范围 339 21.1.1　生物特征识别难题 339 21.1.2　定义 340 21.1.3　问题空间 341 21.2　解决方案空间 341 21.2.1　深度防御 342 21.2.2　访问控制 342 21.2.3　数据保护 343 21.2.4　服务可用性保证 346 21.3　作为安全模型的OODA循环 352 21.3.1　观察 352 21.3.2　调整 352 21.3.3　决策 353 21.3.4　行动 354 21.4　总结思考 354 21.5　拓展阅读 354 21.6　复习题 356 第22章　网络设计模式 357 22.1　问题空间 357 22.1.1　解决业务问题 358 22.1.2　将业务需求转换为技术需求 360 22.1.3　什么是好的网络设计 361 22.2　分层设计 362 22.3　常见拓扑结构 364 22.3.1　环形拓扑 364 22.3.2　网格拓扑 366 22.3.3　星形拓扑 367 22.3.4　平面、非平面和规则化 368 22.4　总结思考 369 22.5　拓展阅读 369 22.6　复习题 369 第23章　冗余与弹性 370 23.1　问题空间：网络故障对应用程序的影响 370 23.2　弹性的定义 371 23.3　创建弹性的工具—冗余 372 23.3.1　共享风险链路组 374 23.3.2　在线软件升级和优雅重启 374 23.3.3　双平面与多平面核心 375 23.4　模块化和弹性 376 23.5　总结思考 377 23.6　拓展阅读 377 23.7　复习题 377 第24章　故障排除 378 24.1　目的是什么 378 24.2　组件是什么 379 24.3　模型和故障排除 380 24.3.1　构建How模型 380 24.3.2　构建What模型 381 24.3.3　建立精准模型 382 24.3.4　模型之间的切换 383 24.4　二分法和移动 385 24.4.1　使用可操控性 386 24.4.2　在测试之前简化 387 24.5　解决问题 387 24.6　总结思考 388 24.7　拓展阅读 389 24.8　复习题 389 第四部分　当前热门话题 第25章　分解、超融合及不断变化的网络 393 25.1　计算资源和应用程序的变化 393 25.1.1　汇聚、分解、超融合和可合成 394 25.1.2　应用程序的虚拟化和分解 396 25.2　网络设计的影响 397 25.2.1　东西网络流量的兴起 397 25.2.2　抖动和延迟的兴起 398 25.3　分组交换Fabric 398 25.3.1　一个Fabric的特性 398 25.3.2　骨干和叶子节点 401 25.3.3　骨干和叶子节点上的流量工程 403 25.3.4　大规模的骨干和叶子节点 404 25.4　网络中的分解 404 25.5　总结思考 407 25.6　拓展阅读 408 25.7　复习题 408 第26章　网络自动化案例 409 26.1　自动化的概念 410 26.2　现代自动化方法 412 26.2.1　NETCONF 412 26.2.2　RESTCONF 415 26.3　具有可编程接口的自动化 415 26.4　on-box自动化 418 26.5　基于基础设施自动化工具的网络自动化 418 26.6　网络控制器与自动化 419 26.7　用于部署的网络自动化 419 26.8　对未来网络自动化的总结思考：自动化到全自动 420 26.9　拓展阅读 420 26.10　复习题 421 第27章　网络功能虚拟化 422 27.1　网络设计的灵活性 423 27.2　水平扩展 428 27.3　通过自动化减少服务时间 429 27.3.1　中心化策略管理 429 27.3.2　基于意图的网络 430 27.3.3　VNF自动化的好处 430 27.4　计算优势与架构 430 27.5　考虑权衡 431 27.5.1　状态 432 27.5.2　优化 432 27.5.3　表面 432 27.5.4　其他需要考虑的因素 432 27.6　总结思考 433 27.7　拓展阅读 433 27.8　复习题 434 第28章　云计算的概念和挑战 435 28.1　公有云的业务驱动 436 28.1.1　从资本支出转向运营支出 436 28.1.2　上市时间和业务敏捷性 437 28.2　非技术性的公有云权衡 437 28.2.1　运营权衡 438 28.2.2　业务权衡 439 28.3　云计算的技术挑战 440 28.3.1　延迟 440 28.3.2　填充远程存储 441 28.3.3　数据重力 442 28.3.4　选择到公有云的多个路径 442 28.4　云的安全性 443 28.4.1　在公共传输网上保护数据 443 28.4.2　管理安全连接 444 28.4.3　多租户云 444 28.4.4　基于角色的访问控制 444 28.5　监控云网络 445 28.6　总结思考 445 28.7　拓展阅读 445 28.8　复习题 446 第29章　物联网 447 29.1　IoT介绍 447 29.2　IoT安全 448 29.3　IoT的连接性 451 29.3.1　低功耗蓝牙 452 29.3.2　LoRaWAN 453 29.3.3　IoT的IPv6 454 29.4　IoT数据 455 29.5　总结思考 456 29.6　拓展阅读 456 29.7　复习题 457 第30章　展望未来 458 30.1　普遍开放的自动化 459 30.1.1　建模语言和模型 459 30.1.2　YANG简介 459 30.1.3　普遍自动化的展望 460 30.2　超融合网络 460 30.3　基于意图的网络 461 30.4　机器学习和狭义人工智能 463 30.5　命名数据网络和区块链 464 30.5.1　命名数据网络的操作 465 30.5.2　区块链 466 30.6　互联网的重塑 468 30.7　对网络工程未来的总结思考 469 30.8　拓展阅读 470 30.9　复习题 470

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