計算機網路體系結構：設計、建模、分析與最佳化

《計算機網路體系結構：設計、建模、分析與最佳化》是清華大學出版社2014年出版的圖書，作者是徐恪、任豐原、劉紅英。

圖書簡介

本書全面總結了當前新一代網際網路的主要研究項目，分析了新一代網際網路主要的技術發展思路，介紹了網路體系結構設計中常用的基礎理論，書中涉及的基礎理論包括微分方程、最佳化理論、博弈論、控制理論和隨機過程。本書不僅對這些相關理論進行了簡要介紹，還提供了套用這些理論解決計算機網路和協定設計問題的實例（大部分實例來自本課題組的研究工作），希望通過這種理論結合套用的方式，讀者能較快地熟悉這些常用理論，並能對理論在計算機網路研究中的套用有更直觀的體會。

目錄

第1章計算機網路體系結構概述1

1.1引言1

1.2網路的基本概念2

1.2.1網路的基本組成2

1.2.2通信網路的分類2

1.3Internet簡介4

1.3.1Internet發展歷史4

1.3.2網際網路發展的主要階段6

1.3.3網際網路在中國的發展7

1.3.4網際網路標準化組織7

1.3.5網際網路主要架構8

1.3.6網際網路主要接入方式9

1.4網際網路體系結構及設計9

1.4.1協定分層10

1.4.2邊緣論(EndtoEndArgument)13

1.5網際網路的主要創新14

1.6新一代網際網路發展現狀19

1.6.1新一代網際網路與IPv619

1.6.2新一代網際網路體系結構基礎研究及探索21

1.7本章小結23

參考文獻24

第2章網際網路體系結構研究進展26

2.1引言26

2.2網際網路體系結構發展概述27

2.2.1網際網路體系結構面臨的主要技術挑戰27

2.2.2網際網路體系結構發展的三種思路31

2.3基於改良式路線的網際網路體系結構研究進展33

2.3.1位置/身份分離的LISP協定33

2.3.2安全協定IPSec38

2.3.3內容分發網路42

2.3.4身份與位置分離的新型路由體系結構46

2.3.5小結55

2.4基於革命式路線的網際網路體系結構研究進展55

2.4.1基於革命式路線的網際網路體系結構研究計畫55

2.4.2基於革命式路線的新一代網際網路體系結構59

2.4.3小結75

2.5基於可演進式路線的網際網路體系結構研究進展75

2.5.1網際網路體系結構發展的兩個關鍵問題75

2.5.2基於可演進式路線的網際網路體系結構早期研究78

2.5.3可演進網際網路體系結構定義81

2.5.4可演進網際網路體系結構設計原則82

2.5.5可演進網際網路體系結構設計路線83

2.5.6可演進式的網際網路體系結構試驗網路85

2.6本章小結87

參考文獻88

第3章網際網路體系結構評估模型94

3.1引言94

3.2網際網路體系結構評估工作現狀95

3.2.1基於定性分析和比較的網際網路體系結構評估95

3.2.2基於模型的網際網路體系結構評估96

3.2.3網際網路體系結構評估工作特點總結99

3.3基於模型的網際網路體系結構評估99

3.3.1網際網路體系結構可服務性評估模型100

3.3.2網際網路體系結構可擴展性評估模型101

3.3.3網際網路體系結構可部署性評估模型106

3.3.4網際網路體系結構可演化性評估模型107

3.3.5網際網路體系結構可信性評估模型108

3.3.6小結110

3.4效用機制在網際網路體系結構評估工作中的套用111

3.4.1效用的相關理論介紹111

3.4.2基於ISP的效用模型111

3.4.3基於用戶的基本效用模型113

3.4.4小結114

3.5多學科融合的網際網路體系結構評估方法114

3.5.1基於博弈論的網際網路體系結構可部署性評估115

3.5.2基於最最佳化理論的網際網路體系結構評估116

3.5.3小結117

3.6網際網路體系結構可演進性評估框架117

3.6.1網際網路體系結構可演進性評估框架118

3.6.2網際網路體系結構可演進性評估原理118

3.7面向套用適應能力的網際網路體系結構評估模型及套用分析119

3.7.1網際網路體系結構套用適應能力評估模型119

3.7.1網際網路體系結構套用適應能力評估模型119

3.7.2基於2ACT模型的innetwork內容快取機制分析125

3.7.3基於2ACT模型的組播協定評估129

3.8本章小結132

參考文獻133

第4章基於微分方程的網際網路體系結構演化評估與實例分析140

4.1引言140

4.2微分方程在數學建模中的套用142

4.2.1微分方程簡介142

4.2.2微分方程建模143

4.3網際網路體系結構評估套用實例146

4.3.1網際網路體系結構可部署性評估146

4.3.2三網融合問題建模與評估153

4.3.3P2P網路的性能模型與分析162

4.3.4網際網路點到多點傳輸機制的演進性評估167

4.4本章小結175

參考文獻176

第5章數學最最佳化與網路體系結構及協定設計180

5.1引言180

5.2數學最最佳化簡介181

5.2.1數學最最佳化的描述181

5.2.2最優性條件183

5.2.3凸最佳化185

5.2.4Lagrange對偶188

5.2.5梯度/次梯度投影法190

5.2.6最最佳化分解191

5.3分層是最最佳化分解194

5.3.1網路效用最大化194

5.3.2水平分解的TCP擁塞控制196

5.3.3垂直分解的協定棧設計202

5.4兩個套用實例209

5.4.1LBMP:基於對數障礙法的多徑流量管理協定210

5.4.2基於OSPF的最優流量工程214

5.5隨機和非凸網路效用最大化224

5.5.1隨機網路效用最大化225

5.5.2非凸網路效用最大化228

5.6本章小結228

參考文獻229

第6章博弈論及其在計算機網路中的套用234

6.1引言234

6.2博弈論簡介235

6.2.1博弈論基本概念235

6.2.2博弈的發展歷史242

6.2.3博弈的表述方法244

6.2.4納什均衡246

6.3博弈分類248

6.3.1靜態博弈與動態博弈248

6.3.2完全信息博弈與不完全信息博弈250

6.3.3非合作博弈與合作博弈251

6.3.4交叉分類252

6.4完全信息動態博弈252

6.4.1子博弈精煉納什均衡252

6.4.2斯塔爾伯格博弈254

6.4.3重複博弈254

6.5不完全信息靜態博弈257

6.5.1古諾模型257

6.5.2貝葉斯納什均衡259

6.6合作博弈260

6.6.1簡介260

6.6.2納什討價還價解264

6.6.3核267

6.6.4支付配置的穩定集271

6.6.5Shapley值272

6.6.6核仁275

6.7博弈論在計算機網路中的套用279

6.7.1概述279

6.7.2套用層組播中節點自私性防止策略研究280

6.7.3網際網路演進中的經濟適應性分析285

6.8本章小結304

參考文獻305

第7章控制理論與網路系統性能最佳化308

7.1引言308

7.2控制理論簡介309

7.2.1控制理論的發展歷史309

7.2.2控制系統的組成與分類310

7.2.3控制系統模型312

7.2.4控制系統的性能分析316

7.3基於控制理論的網路系統性能分析與最佳化324

7.3.1網路系統中典型的閉環反饋系統324

7.3.2流量控制算法設計329

7.3.3TCP/AQM系統的分析與設計335

7.3.4Web伺服器的服務質量保證352

7.4本章小結355

參考文獻356

第8章隨機模型與網路隨機化設計原則358

8.1引言358

8.2隨機過程簡介和建模實例359

8.2.1隨機過程簡介359

8.2.2隨機過程建模362

8.3隨機Petri網370

8.3.1Petri網模型概述371

8.3.2時間變遷372

8.3.3隨機Petri網(SPN)373

8.3.4隨機Petri網的仿真工具375

8.4基於隨機Petri網的網路系統和網路協定性能分析375

8.4.1分散式路由器的性能模型與分析376

8.4.2OSPF協定的隨機Petri網模型與性能分析382

8.4.3PIMSM協定的隨機Petri網模型分析與協定改進387

8.4.4計算機系統與計算機網路中的動態最佳化398

8.5隨機性設計原則403

8.5.1乙太網多路訪問協定403

8.5.2去除路由器同步405

8.5.3可靠組播和IGMP408

8.5.4佇列管理410

8.5.5負載均衡412

8.6本章小結414

參考文獻414

附錄AMATLAB簡介418

A.1MATLAB功能簡介418

A.2MATLAB的安裝418

A.3MATLABR2013a操作界面簡介420

A.4MATLAB簡單實例分析421

A.5MATLAB複雜實例分析422

參考文獻429

第1章THINPAD教學計算機硬體平台1

1.1概述1

1.2可程式邏輯器件簡介2

1.2.1可程式邏輯器件簡介2

1.2.2FPGA工作原理及內部結構3

1.2.3CPLD工作原理及內部結構7

1.3教學機總體結構9

1.4實驗晶片11

1.4.1FPGA晶片11

1.4.2CPLD晶片15

1.5存儲器18

1.5.1SRAM18

1.5.2Flash19

1.6匯流排19

1.7外部接口20

第2章THINPAD教學計算機軟體平台21

2.1概述21

2.2指令系統21

2.2.1教學計算機指令格式22

2.2.2教學計算機指令及功能22

2.3監控程式32

2.3.1監控程式簡介32

2.3.2監控程式框架33

2.3.3監控程式支持的命令34

2.3.4對中斷的支持35

2.3.5監控程式使用36

2.4模擬器36

2.4.1模擬器簡介36

2.4.2模擬器使用36

2.5彙編器Assembleler42

2.6終端程式Term42

2.7數據通信43

第3章VHDL硬體描述語言45

3.1概述45

3.2程式結構46

3.2.1基本結構46

3.2.2實體47

3.2.3結構體49

3.2.4配置50

3.2.5包集合50

3.2.6庫52

3.2.7結構體子結構54

3.3語言元素56

3.3.1標識符56

3.3.2數據對象56

3.3.3數據類型59

3.3.4運算符與操作符64

3.3.5屬性67

3.4基本描述語句69

3.4.1順序描述語句69

3.4.2並行描述語句76

3.5描述方式80

3.5.1行為描述80

3.5.2暫存器傳輸描述方式81

3.5.3結構化描述82

第4章開發環境83

4.1概述83

4.2ISE用戶界面84

4.3秒表設計實例85

4.3.1創建空白工程85

4.3.2添加源檔案87

4.3.3綜合與功能仿真91

4.3.4添加用戶約束95

4.3.5實現97

4.3.6配置97

第5章驗證性實驗101

5.1THCOMIPS指令系統實驗101

5.1.1實驗目的101

5.1.2實驗環境101

3.3.3網際網路體系結構可部署性評估模型106

3.3.4網際網路體系結構可演化性評估模型107

3.3.5網際網路體系結構可信性評估模型108

3.3.6小結110

3.4效用機制在網際網路體系結構評估工作中的套用111

3.4.1效用的相關理論介紹111

3.4.2基於ISP的效用模型111

3.4.3基於用戶的基本效用模型113

3.4.4小結114

3.5多學科融合的網際網路體系結構評估方法114

3.5.1基於博弈論的網際網路體系結構可部署性評估115

3.5.2基於最最佳化理論的網際網路體系結構評估116

3.5.3小結117

3.6網際網路體系結構可演進性評估框架117

3.6.1網際網路體系結構可演進性評估框架118

3.6.2網際網路體系結構可演進性評估原理118

3.7面向套用適應能力的網際網路體系結構評估模型及套用分析119

3.7.1網際網路體系結構套用適應能力評估模型119

3.7.2基於2ACT模型的innetwork內容快取機制分析125

3.7.3基於2ACT模型的組播協定評估129

3.8本章小結132

參考文獻133

第4章基於微分方程的網際網路體系結構演化評估與實例分析140

4.1引言140

4.2微分方程在數學建模中的套用142

4.2.1微分方程簡介142

4.2.2微分方程建模143

4.3網際網路體系結構評估套用實例146

4.3.1網際網路體系結構可部署性評估146

4.3.2三網融合問題建模與評估153

4.3.3P2P網路的性能模型與分析162

4.3.4網際網路點到多點傳輸機制的演進性評估167

4.4本章小結175

參考文獻176

第5章數學最最佳化與網路體系結構及協定設計180

5.1引言180

5.2數學最最佳化簡介181

5.2.1數學最最佳化的描述181

5.2.2最優性條件183

5.2.3凸最佳化185

5.2.4Lagrange對偶188

5.2.5梯度/次梯度投影法190

5.2.6最最佳化分解191

5.3分層是最最佳化分解194

5.3.1網路效用最大化194

5.3.2水平分解的TCP擁塞控制196

5.3.3垂直分解的協定棧設計202

5.4兩個套用實例209

5.4.1LBMP:基於對數障礙法的多徑流量管理協定210

5.4.2基於OSPF的最優流量工程214

5.5隨機和非凸網路效用最大化224

5.5.1隨機網路效用最大化225

5.5.2非凸網路效用最大化228

5.6本章小結228

參考文獻229

第6章博弈論及其在計算機網路中的套用234

6.1引言234

6.2博弈論簡介235

6.2.1博弈論基本概念235

6.2.2博弈的發展歷史242

6.2.3博弈的表述方法244

6.2.4納什均衡246

6.3博弈分類248

6.3.1靜態博弈與動態博弈248

6.3.2完全信息博弈與不完全信息博弈250

6.3.3非合作博弈與合作博弈251

6.3.4交叉分類252

6.4完全信息動態博弈252

6.4.1子博弈精煉納什均衡252

6.4.2斯塔爾伯格博弈254

6.4.3重複博弈254

6.5不完全信息靜態博弈257

6.5.1古諾模型257

6.5.2貝葉斯納什均衡259

6.6合作博弈260

6.6.1簡介260

6.6.2納什討價還價解264

6.6.3核267

6.6.4支付配置的穩定集271

6.6.5Shapley值272

6.6.6核仁275

6.7博弈論在計算機網路中的套用279

6.7.1概述279

6.7.2套用層組播中節點自私性防止策略研究280

6.7.3網際網路演進中的經濟適應性分析285

6.8本章小結304

參考文獻305

第7章控制理論與網路系統性能最佳化308

7.1引言308

7.2控制理論簡介309

7.2.1控制理論的發展歷史309

7.2.2控制系統的組成與分類310

7.2.3控制系統模型312

7.2.4控制系統的性能分析316

7.3基於控制理論的網路系統性能分析與最佳化324

7.3.1網路系統中典型的閉環反饋系統324

7.3.2流量控制算法設計329

7.3.3TCP/AQM系統的分析與設計335

7.3.4Web伺服器的服務質量保證352

7.4本章小結355

參考文獻356

第8章隨機模型與網路隨機化設計原則358

8.1引言358

8.2隨機過程簡介和建模實例359

8.2.1隨機過程簡介359

8.2.2隨機過程建模362

8.3隨機Petri網370

8.3.1Petri網模型概述371

8.3.2時間變遷372

8.3.3隨機Petri網(SPN)373

8.3.4隨機Petri網的仿真工具375

8.4基於隨機Petri網的網路系統和網路協定性能分析375

8.4.1分散式路由器的性能模型與分析376

8.4.2OSPF協定的隨機Petri網模型與性能分析382

8.4.3PIMSM協定的隨機Petri網模型分析與協定改進387

8.4.4計算機系統與計算機網路中的動態最佳化398

8.5隨機性設計原則403

8.5.1乙太網多路訪問協定403

8.5.2去除路由器同步405

8.5.3可靠組播和IGMP408

8.5.4佇列管理410

8.5.5負載均衡412

8.6本章小結414

參考文獻414

附錄AMATLAB簡介418

A.1MATLAB功能簡介418

A.2MATLAB的安裝418

A.3MATLABR2013a操作界面簡介420

A.4MATLAB簡單實例分析421

A.5MATLAB複雜實例分析422