计算机科学丛书·计算机网络：系统方法（原书第5版）

《计算机科学丛书·计算机网络：系统方法（原书第5版）》是计算机网络方面的经典教科书，凝聚了两位网络专家几十年的理论研究、实践经验和大量第一手资料，自出版以来已经成为网络课程的主要教材之一，被哈佛大学、斯坦福大学、卡内基-梅隆大学、康奈尔大学、普林斯顿大学等众多名校采用。

《计算机科学丛书·计算机网络：系统方法（原书第5版）》采用“系统方法”来探讨计算机网络，把网络看作一个由相互关联的构造模块组成的系统，通过实际应用中的网络和协议设计实例，特别是因特网实例，讲解计算机网络的基本概念、协议和关键技术，为学生和专业人士理解现行的网络技术以及即将出现的新技术奠定了良好的理论基础。无论站在什么视角，无论是应用开发者、网络管理员还是网络设备或协议设计者，你都会对如何构建现代网络及其应用有“全景式”的理解。
《计算机科学丛书·计算机网络：系统方法（原书第5版）》特色
内容全面更新，包含更多对于网络技术人员和学生而言至关重要的主题，如P2P、无线技术、网络安全和视频技术。
更加关注应用层问题，应用层上的创新性研究和设计是当前关注的中心。
为了方便教学，本书配有丰富的教辅资源，包括教学课件、教材图片、实验手册和网络仿真软件OPNET，以及习题解答等。

Larry L. Peterson
普林斯顿大学计算机科学系的Robert E. Kahn教授，普林斯顿大学PlanetLab Consortium主管。2003~2009年期间担任普林斯顿大学计算机科学系主任，曾任NSF的GENI行动计划规划组主席。他的主要研究方向为网络系统的设计与实现，以及因特网规模的分布式系统部署，包括应用广泛的PlanetLab和MeasurementLab平台，目前主要从事OpenCloud云平台的开发工作。
从普林斯顿大学退休后，Peterson教授依然积极活跃在学术界和工业界。他现在是亚利桑那大学计算机系教授，Akamai（云计算服务和内容分发网络（CDN）的领先供应商）公司的战略顾问，Open Networking Lab首席架构师。
Peterson教授曾担任ACM 《Transactions on Computer Systems》的主编，IEEE/ACM《Transactions on Networking》和IEEE《Journal on Select Areas in Communication》的编委，以及SOSP、NSCI和HotNets等会议的程序主席。他是美国国家工程院院士，ACM和IEEE会士，2010年 IEEE Koji Kobayashi Computer and Communication奖得主，2013年ACM SIGCOMM奖得主。

Bruce S. Davie
拥有英国爱丁堡大学计算机科学博士学位，于1995年加入Cisco公司成为一名系统架构师，并于1998年获得Cisco特别会员荣誉称号。在加入Cisco之前，Davie博士还曾担任贝尔通信研究公司的首席科学家。Davie博士在2012年加入网络虚拟化公司Nicira担任首席架构师。随着2012年8月VMware收购Nicira，他加入VMware公司，目前是VMware公司网络和安全部门CTO和首席工程师。
Davie博士在2009年成为ACM数据通信专业组（SIGCOMM）主席，并被选为ACM会士。他还是互联网工程任务小组（Internet Engineering Task Force，IETF）的积极参与者。他具有20多年网络和通信行业经验，编著了多本教材和技术图书，主持设计了MPLS协议，并参与开发了很多重要的因特网技术。他曾在MIT担任客座讲师，主讲计算机网络课程。

出版者的话
译者序
序言
第1版序言
前言
本书赞誉
第1章 基础
问题：建造一个网络
1.1 应用
1.2 需求
1.2.1 视角
1.2.2 可扩展的连通性
1.2.3 高性价比的资源共享
1.2.4 支持通用服务
1.2.5 可管理性
1.3 网络体系结构
1.3.1 分层和协议
1.3.2 因特网体系结构
1.4 实现网络软件
1.4.1 应用程序编程接口（套接字）
1.4.2 应用实例
1.5 性能
1.5.1 带宽和时延
1.5.2 延迟带宽积
1.5.3 高速网络
1.5.4 应用程序性能需求
1.6 小结
接下来会发生什么：云计算
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习题

第2章 开始连接
问题：连接到网络
2.1 连接概览
2.2 编码（NRZ、NRZI、曼彻斯特、4B/5B）
2.3 组帧
2.3.1 面向字节的协议（BISYNC、
PPP、DDCMP）
2.3.2 面向比特的协议（HDLC）
2.3.3 基于时钟的组帧（SONET）
2.4 差错检测
2.4.1 二维奇偶校验
2.4.2 因特网校验和算法
2.4.3 循环冗余校验
2.5 可靠传输
2.5.1 停止等待
2.5.2 滑动窗口
2.5.3 并发逻辑信道
2.6 以太网和多路访问网络（802.3 ）
2.6.1 物理特性
2.6.2 访问协议
2.6.3 以太网使用经验
2.7 无线
2.7.1 802.1 1/Wi Fi
2.7.2 蓝牙（802.1 5.1 ）
2.7.3 蜂窝电话技术
2.8 小结
接下来会发生什么：“物联网
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习题

第3章 网络互联
问题：并不是所有网络都是直接相连的
3.1 交换和桥接
3.1.1 数据报
3.1.2 虚电路交换
3.1.3 源路由
3.1.4 网桥和局域网交换机
3.2 互联网基础（IP）
3.2.1 什么是互联网？
3.2.2 服务模型
3.2.3 全局地址
3.2.4 IP数据报转发
3.2.5 子网划分和无类地址
3.2.6 地址转换（ARP）
3.2.7 主机配置（DHCP）
3.2.8 差错报告（ICMP）
3.2.9 虚拟网络和隧道
3.3 路由
3.3.1 用图表示网络
3.3.2 距离向量（RIP）
3.3.3 链路状态（OSPF）
3.3.4 度量
3.4 实现和性能
3.4.1 交换基础
3.4.2 端口
3.4.3 交换结构
3.4.4 路由器的实现
3.5 小结
接下来会发生什么：未来因特网
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习题

第4章 高级网络互联
问题：扩展到数十亿节点
4.1 全球互联网
4.1.1 路由区
4.1.2 域间路由（BGP）
4.1.3 IP版本6（IPv6）
4.2 多播
4.2.1 多播地址
4.2.2 多播路由（DVMRP、PIM、 MSDP）
4.3 多协议标签交换（MPLS）
4.3.1 基于目的地的转发
4.3.2 显式路由
4.3.3 虚拟专用网和隧道
4.4 移动设备之间的路由
4.4.1 移动网络的挑战
4.4.2 路由到移动主机（移动IP）
4.5 小结
接下来会发生什么：部署IPv6
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习题

第5章 端到端协议
问题：进程间如何通信
5.1 简单多路分解（UDP）
5.2 可靠字节流（TCP）
5.2.1 端到端问题
5.2.2 报文段格式
5.2.3 连接建立与终止
5.2.4 滑动窗口再讨论
5.2.5 触发传输
5.2.6 自适应重传
5.2.7 记录边界
5.2.8 TCP扩展
5.2.9 性能
5.2.1 0其他设计选择
5.3 远程过程调用
5.3.1 RPC基础
5.3.2 RPC实现 （SunRPC、DCE）
5.4 实时应用程序传输（RTP）
5.4.1 需求
5.4.2 RTP设计
5.4.3 控制协议
5.5 小结
接下来会发生什么：传输协议多样性
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习题

第6章 拥塞控制与资源分配
问题：分配资源
6.1 资源分配问题
6.1.1 网络模型
6.1.2 分类方法
6.1.3 评价标准
6.2 排队规则
6.2.1 FIFO
6.2.2 公平排队
6.3 TCP拥塞控制
6.3.1 加性增/乘性减
6.3.2 慢启动
6.3.3 快速重传和快速恢复
6.4 拥塞避免机制
6.4.1 DECbit
6.4.2 随机早期检测（RED）
6.4.3 基于源的拥塞避免
6.5 服务质量
6.5.1 应用需求
6.5.2 综合服务（RSVP）
6.5.3 区分服务（EF、AF）
6.5.4 基于等式的拥塞控制
6.6 小结
接下来会发生什么：网络重构
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习题

第7章 端到端数据
问题：我们用数据做什么？
7.1 表示格式化
7.1.1 分类方法
7.1.2 例子（XDR、ASN.1 、NDR）
7.1.3 标记语言（XML）
7.2 多媒体数据
7.2.1 无损压缩技术
7.2.2 图像表示和压缩（GIF、JPEG）
7.2.3 视频压缩（MPEG）
7.2.4 在网上传输MPEG
7.2.5 音频压缩（MP3）
7.3 小结
接下来会发生什么：无处不在的视频
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习题

第8章 网络安全
问题：安全攻击
8.1 密码基础
8.1.1 密码原理
8.1.2 对称密钥密码
8.1.3 公钥密码
8.1.4 认证码
8.2 密钥预分发
8.2.1 公钥预分发
8.2.2 对称密钥预分发
8.3 认证协议
8.3.1 原始性和时效性技术
8.3.2 公钥认证协议
8.3.3 对称密钥认证协议
8.3.4 Diffie Hellman密钥协商
8.4 系统实例
8.4.1 良好隐私（PGP）
8.4.2 安全外壳（SSH）
8.4.3 传输层安全（TLS、SSL、HTTPS）
8.4.4 IP安全（IPsec）
8.4.5 无线安全（802.1 1i）
8.5 防火墙
8.6 小结
接下来会发生什么：面对安全
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习题

第9章 应用
问题：应用需要自己的协议
9.1 传统应用
9.1.1 电子邮件（SMTP、MIME、IMAP）
9.1.2 万维网（HTTP）
9.1.3 Web服务
9.2 多媒体应用
9.2.1 会话控制和呼叫控制（SDP、SIP、H.3 23）
9.2.2 多媒体应用的资源分配
9.3 基础设施服务
9.3.1 名字服务（DNS）
9.3.2 网络管理（SNMP）
9.4 覆盖网络
9.4.1 路由覆盖
9.4.2 对等网
9.4.3 内容分发网络
9.5 小结
接下来会发生什么：新的网络体系结构
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习题
习题选答
术语
参考文献

Computer，Networks： A Systems Approach当本书第1版在1996年出版时，在因特网上购物还是很新奇的事情，如果一家公司用它的域名做广告，人们认为这是很超前的。那时，家庭接入因特网的主要方式是通过拨号调制解调器。今天，因特网商务已成为无法改变的现实，“com”股票已经历了一个完整的兴衰循环。无线网络无处不在，诸如智能手机和平板电脑等具有上网功能的新设备正以令人目眩的速度上市。关于因特网，似乎唯一可以预见的就是它会不断变化。
尽管有这么大的变化，但我们在第1版中提出的问题对于今天来说仍然是有效的：使因特网得以运行的基本概念和技术是什么？答案是，TCP/IP体系结构的大部分功能在今天仍然适用，这一点正像30多年前它的发明者所预见的那样。这并不是说因特网的体系结构枯燥乏味，而是完全相反。对于一个历经30多年，不但幸存下来，而且促进因特网这样快速地增长和变化的体系结构，将理解其设计原理作为学习网络的起点是很合适的。正如前几版一样，第5版将因特网体系结构中的“为什么”作为基础。
读者对象我们的目的是把本书作为综合网络课程的教材，供研究生或高年级本科生使用。我们相信，本书对核心概念的专注不但对正在进行再培训以便完成网络相关工作的专业人员有吸引力，而且可以帮助网络从业人员理解他们每天接触的网络协议背后的“为什么”，并且着眼于网络的全貌。
根据我们的经验，第一次学习网络的学生和专业人员通常会把网络协议理解成一种从高层传到低层的命令，认为学习尽可能多的TLA（ThreeLetter Acronyms，三个字母的缩写词）就可以了。事实上，协议是应用工程设计原理开发出来的复杂系统的构件。不仅如此，协议总是根据现实世界的经验不断地进行精炼、扩展和替换。基于这一点，本书的目标并不是单纯地介绍当前使用的协议，而是解释良好网络设计的基本原理。我们认为掌握这些基本原理是应对当前瞬息万变的网络领域的最好方法。
我们还意识到人们用很多不同的方法来看待网络。与我们写第1版时相比，大多数阅读本书的人都是具有丰富经验的网络用户。一些人希望成为网络产品或协议的设计者，其他人可能对管理网络感兴趣，而越来越多的读者正在或将要成为互联网设备的应用开发者。未来产品和协议的设计者历来是我们关注的重点，现在依然如此，但在本版中，我们也试图关注网络管理员和应用开发者。
第5版中的变化尽管我们关注网络的基本原则，但我们还是要使用正在运行的因特网中的例子来阐述这些原则。因此，我们补充了相当多的新资料来跟踪近期网络技术的重要发展。我们同时对已有资料做了删除、重新组织和改写，以反映过去10年发生的变化。
也许自从编写第1版以来我们所觉察到的最重要的变化，就是现在几乎每一位读者都对诸如万维网和电子邮件这样的网络化应用有了一定的了解。因此，我们从第1章开始就加大了对应用的侧重。我们把应用当作学习网络技术的动机，并得出一组需求，有用的网络只有满足这些需求才能在全球范围内支持当前和未来的各种应用。然而，我们保留了先前版本解决问题的方法，即从主机的互联问题开始，逐层向上讨论，最后对应用层的问题进行详细的考察。我们认为从各种应用及其需求起步对于在本书所覆盖的各主题间建立联系是很重要的。同时，我们感到对于诸如应用层协议和传输层协议等高层协议的问题，只有在明白主机互连和分组交换这样的基本问题之后才能很好地理解。也就是说，我们使得以一种更加自顶向下的方式组织材料成为可能，详情如下所述。
正如前几版，我们增大了对重要新主题的覆盖面，并使其他主题紧跟潮流。新版中主要的新主题或有实质性改动的主题包括：
更新了无线技术的内容，特别是80211（WiFi）的各种相关内容以及包括第三代移动通信标准（3G）和正在逐步普及的4G标准在内的蜂窝无线技术。
更新了拥塞控制机制的内容，特别是具有高延迟带宽积的网络和无线网络。
更新了Web服务的材料，包括SOAP和REST（Representational State Transfer，表述性状态转移）体系结构。
扩展和更新了域间路由和边界网关协议（BGP）的内容。
扩展了多媒体应用协议的内容，如基于IP的语音（VoIP）和视频流。
我们还减少了目前已不太相关的主题。在本版中，被转移到“历史性”类别中的内容包括异步传输模式（ATM）和令牌环。
新版最大的变化之一是将材料分成“初级”和“高级”两部分。我们希望不了解网络技术和协议的人更容易接受本书，同时也不丢弃高层次读者需要的高级内容。这种变化产生的最明显的影响是现在第3章包含交换、路由和网络互连的基础内容，而第4章包含更高级的路由主题，如BGP、IPv6和多播。与此类似，传输协议基础放在第5章，而更高级的材料（如TCP拥塞控制算法）出现在第６章。我们相信，这种变化会使得不熟悉该领域的读者掌握重要的基本概念，并且不会因为复杂主题而不堪重负。
就像上一版一样，我们加入了一些“它们现在在哪”的讨论。这些简短的讨论在本版中经过更新，重点关注现实世界中协议的成败。有时，它们描述了一个已经被大多数人忽视但实际上取得了名不见经传的成功的协议；有时，它们跟踪某个经过很长时间却失败了的协议的命运。这些内容的目的是通过展示技术在竞争的网络世界中的表现来把材料关联起来。
系统方法对于像计算机网络这样动态的和不断变化的领域来说，一本教材能提供的最重要的东西是洞察能力，以便分清什么是重要的、什么是不重要的、什么是长久的、什么是肤浅的。根据我们在网络新技术研究、为本科生与研究生讲授网络最新趋势以及把先进的网络产品投放市场等方面超过25年的经验，我们提炼了自己的观点——系统方法，它是本书的精髓。系统方法有以下含义：
基本原则。与其将现成的网络产品作为准则，不如从基本原则开始了解当今网络技术的发展过程。这能让我们解释网络为什么像现在这样设计。根据我们的经验，一旦理解了基本概念，那么理解遇到的任何新协议都将变得相对容易。
非分层主义者。虽然材料是围绕传统网络层次松散地组织起来的，从底层开始沿协议栈向上展开，但是我们并不采用严格分层的方法。许多主题涉及上下多个层，如拥塞控制和安全，所以我们不用传统的分层模型讨论它们。与此类似，路由器和交换机有很多共同点（并且经常结合起来组成单个产品），因此我们在同一章中讨论它们。简言之，我们相信分层是很好的辅助，但不必受它的限制，采用端到端的观点常常更有用。
现实世界的例子。与其抽象地解释协议如何工作，不如使用当今最重要的协议具体说明网络是如何工作的。许多协议都是源自TCP/IP因特网的，这就允许我们在讨论中借鉴实际经验。
软件。虽然底层网络是由可以从计算机销售商那里购买的硬件以及可以从电话公司租用的通信服务构建而成的，但是，只有软件才能使网络提供新服务，并迅速适应环境变化。这就是我们为什么强调网络软件如何实现，而不是只停留在描述所涉及的抽象算法上。我们还会给出实际运行的协议栈的代码段，以说明如何实现某些协议和算法。
以端到端为重点。网络是由许多组件构成的，虽然在解决具体问题时有必要忽略一些不感兴趣的元素，但是理解如何将这些组件组合成具有一定功能的网络是非常重要的。所以我们花大量的篇幅解释网络完整的端到端行为，而不只是单个组件，以便理解一个完整的网络是如何运行的，包括从应用到硬件的所有方面。
性能。系统方法包含通过实验研究性能问题，然后使用收集到的数据对各种设计选项进行定量分析并指导优化实现。这种对实验分析的强调贯穿全书。
设计原则。网络很像其他计算机系统，如操作系统、处理器体系结构、分布式和并行系统等。它们都很大，也很复杂。为了处理这种复杂性，系统设计者常常提出一组设计原则。在书中介绍这些设计原则时，我们会予以强调，并用计算机网络中的例子进行解释说明。
教学特色第5版保留了以前版本中关键的教学特色，我们鼓励读者利用这些特色：
问题。在每一章的开始，我们通过一个问题指明网络设计中必须要解决的后续问题。这段描述将引出并推动本章要探讨的问题。
相关主题。在本书中，“相关主题”内容描述了正在讨论的主题或介绍相关高级主题，这些多为关于网络的逸闻趣事。
它们现在在哪？这部分内容跟踪协议在实际部署情况下的成败。
结论。这些段落归纳了在讨论中得出的重要结论，如广泛适用的系统设计原则。
实际协议。虽然本书的重点是核心概念而不是现有的协议规程，但实际协议常被用于说明大部分的重要观点。因此本书可以作为很多协议的参考源。为了帮助你找到这些协议的描述，相关章节标题中用括号括起来的内容指明在本节中描述的协议。例如，52节描述可靠的端到端协议的原理，它提供对TCP的详细描述，以作为这类协议的典型实例。
接下来会发生什么？我们以研究团体、业界或整个社会正在探讨的一个重要问题作为每一章主体部分的结尾。我们发现讨论这些前瞻性问题有助于将网络主题变得更加相互关联且令人兴奋。
扩展阅读。在每一章结尾有精选的扩展阅读列表。每个列表一般包含有关刚刚讨论的主题的重要论文。我们强烈推荐高级读者（如研究生）研究扩展阅读中的论文，以便补充各章所讲的材料。
本书结构和教学方法本书按如下方式进行组织：
第1章介绍全书使用的核心概念。从各种应用出发，讨论网络体系结构的组成，介绍协议的实现问题，并定义通常能够促进网络设计的定量性能度量。
第2章综述用户与因特网等大型网络相连的多种方法，介绍链路的概念，描述所有链路层协议必须解决的许多问题，包括编码、组帧和差错检测。当前最重要的链路技术以太网和无线也在本章中讲述。
第3章从虚电路和数据报模型开始介绍交换和路由的基本概念，包括网桥和局域网交换，接下来是对网络互连的介绍，包括网际协议（Internet Protocol，IP）和路由协议。本章的结尾讨论了一系列基于硬件和软件构造路由器和交换机的方法。
第4章涵盖高级网络互连主题。包括多区域路由协议、域间路由和BGP、IPv6、多协议标记交换（MultiProtocol Label Switching， MPLS）和多播。
第5章转移到传输层，详细描述因特网中用于创建客户/服务器应用的传输控制协议（Transmission Control Protocol， TCP）和远程过程调用（Remote Procedure Call， RPC），同时介绍支持多媒体应用的实时传输协议（Realtime Transport Protocol， RTP）。
第6章讨论拥塞控制和资源分配。本章的问题贯穿了链路层（第2章）、网络层（第3、4章）和传输层（第5章）。特别注意，本章还描述拥塞控制如何在TCP上工作，并且介绍在IP中用于提供服务质量的机制。
第7章考虑通过网络发送的数据。这涉及表示格式和数据压缩问题。XML也在本章讲述，压缩部分包括对MPEG视频压缩和MP3音频压缩工作原理的解释。
第8章讨论网络安全，首先简要介绍密码学工具和密钥分发问题，然后讨论几种使用公钥和私钥的认证技术。本章的重点是使用诸如良好隐私（Pretty Good Privacy， PGP）、安全外壳（Secure Shell， SSH）和IP安全体系结构（IPSEC）构建安全系统。防火墙也在本章讨论。
第9章描述典型的网络应用实例和它们使用的协议，包括像电子邮件和万维网这样的传统应用、像IP电话和视频流这样的多媒体应用，以及像对等文件共享和内容分发网络这样的覆盖网络。本章还描述基础设施服务——域名系统（Domain Name System， DNS）和网络管理。用于开发新应用协议的Web服务体系也在本章介绍。
对于本科生课程，很可能需要追加课时来帮助学生理解第1章中的介绍性材料，而放弃第4章以及第6~8章中涵盖的高级主题。然后在第9章回到网络应用的一般主题。本科生课程可以合理地跳过更高级的部分（如53节、931节、932节和922节）。
相比之下，研究生课程的教师应该能够只用1次或2次课讲完第1章——让学生自己更认真地学习这些材料，从而可以空出更多的课时更深入地讲授第4章及后续章节。
对于自学本书的读者，我们相信所选的主题涵盖了计算机网络的核心内容，因此建议从前向后顺序阅读。另外，我们提供了详细的参考文献目录，帮助读者找到与感兴趣的特定领域相关的补充资料。我们还提供了习题选答。
本书用独特的方法讨论拥塞控制，即把有关拥塞控制和资源分配的所有主题集中到第6章。这样做是因为拥塞控制问题不能在任何一层单独解决，我们希望读者能够同时考虑各种设计选择（这与我们的观点是一致的，即严格的分层常常模糊了重要的设计权衡）。然而，用更传统的方法来讲解拥塞控制也是可能的，即在学习第3章时参考62节的内容，以及在学习第5章时参考63节的内容。