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高性能通信网络(原书第2版)


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(美)Jean Walrand Pravin Varaiya
7-111-09445-X
55.00
480
2002年02月01日
孙瑞志 姜进磊 等
通信 > 通信线路工程、通信网

4986
简体中文
16开
High-Performance Communication Networks
教材
计算机科学丛书







本书主要讲述了网络的基本原理,又综合论述了网络的体系结构、网络协议、网络性能、网络控制及相关经济学问题。通信工程师、计算机专家和网络的管理人员将发现,本书极具创新性的观点会深深影响他们的工作。学生也从本书对网络全面而深入的介绍中受益匪浅。
自1995年我们编写本书第一版至今,网络世界已经发生了翻天覆地的变化。“在线”与“Web”成为互联网时代耳熟能详的词汇,蜂窝电话变得像固定电话一样普通。1998年,以“快速”闻名的56Kbps调制解调器很快被访问速率高达Mbps的家用有线电视网和刘DEX—超越。而在工作单位,100Mbps的以太网也已投人使用。
  当今网络会聚的进程正在进行,有线电视运营商和提供数字网络的电话公司从中获利达数十亿美元。服务提供者与设备制造商将在服务质量(QoS)方面进行激烈的竞争,这将决定ATM网络和IP网络的未来。
  无线通信技术的进步将很快把在任何时间、任何地点的通信变成现实。十年之内,光纤会使网络的带宽出繁荣。它们带来的社会效应很难预测,但技术发展势不可挡。我们写第2版是为了阐释这些方面和相关的技术进展,其中有些是未曾预料到的,而另一些在1995年已出现。
  本书的读者群
  本书的独特之处在于它全面论述了主要的通信网络,包括数据网、电话网、有线电视网及无线网。我们描述了创建这些网络的技术,解释了运营这些网络所需的协议和控制机制,分析了控制其使用与发展的经济规律。本书主要针对希望对网络作如此全面了解的专业人员和学生。
  业界的专业人员,对于网络在他们的组织中所扮演的广泛角色,必须评估自己的决策。他们中有的是网络工程师、计算机专家及其管理人员3有的是公司网络的管理人员和行政主管;有的是从事网络设计和操作或升级网络基础设施的运筹学工程师和系统工程师。他们要做出决策,必须熟悉可供选择的多种技术并能对其性能做出评价,而且需要把握技术革新的进程和方向。我们相信本书能给予他们这样的帮助。
  本科高年级的学生和研究生开始学习电子工程、计算机科学和运筹学,于是他们“触网”了。他们为网络所吸引,因为要考虑到今后求职,或是专业需要(如通信、软件工程及控制学等专业)。这部分学生至多上过一门网络方面的课程,但也可能没上过。本书能满足学生的不同要求,给他们提供一个比其他网络书籍更宽的视角、更深入的阐述。
  这两类读者间的差异其实是很小的。今天的专业人士昨天曾在校园里读书,而日新月异的技术可能使他们明天又成为学生。要紧跟技术发展的步伐需要通观全局,我们相信本书能满足这一需要。方法
  我们从事网络方面的研究已有20年。在过去的15年里,我们开设了一门介绍网络的研究生课程,学生的专业主要是电子工程、计算机和运筹学。我们也连续10多年为电信行业的专业人员及负责公司网络的管理人员开设短期培训班。在过去5年,我们同业界也有着十分紧密的联系,我们既担任顾问和技术顾问(PV,JW)也当了企业家(JW)。最后,研究;教学和行业实践中的经验促成了本书的完成。这三方面的经历都让我们体会到,对网络既需要有一个综合的把握,也需要从多个视角去看待和分析问题。
  大多数书籍都仅用单一的观点去讲述网络,涉及的主题范围也比较狭窄。特别典型的就是那些通过描述相关协议论述Internet或ATM网络的书。有的书将网络视为队列模型,其运行就用一堆路由算法和队列分析来解释。有的书通过阐述形成网络的相关技术,如用无线通信、光纤、交换等来描述网络。
  本书全面地介绍了网络,讨论了网络是通信工程、计算机科学、运筹学以及经济学等学科的综合产物,我们就其必然性进行了阐述。我们在论述中尽量避免使用这些学科的高级概念。我们希望读者能从这些多样性的观点中获得更大的收获和关于网络的诸多问题的更深理解,如怎样构成网络,怎样使用网络,谁会为之付费。我们以直观的方式讨论网络性能与控制方面的问题,同时也单独用一章给出了严格的数学论证。第2版的增色之处
  除了纠正了第1版的错误和更新部分内容以外,我们认为第2版主要在以下四方面得到了较大提高。第一,在第l版中,Internet仅仅简单地被视为分组交换网络的一个实例。现在,关于Internet有了一个更为全面的认识,包括TCP/IP协议族、提高性能和保证、服务质量的相关技术进步等。
  第二,对第1版中末予讨论的无线通信问题,进行了充分的探讨。无线电话接入日益增长的重要性及其用于数据传输的潜力决定了无线通信必将受到重视。
  第三,最近5年在波分复用和波长选择交换方面的迅猛发展使得网络进人了光纤时代。这些进展将最终改变网络设计、运行及相关经济问题的基础。
  最后,QoS将成为服务提供者竞争的重要方面。在网络运行时,提供服务质量保证也是进行服务集成的一大关键。在第2版中,QoS的经济学问题和保证QoS的相关机制得到了足够重视。
  内容提要
  我们按照章节逐一给出概要,指出新版中的改动。第l章简单回顾了网络的发展史,同时解释了一些网络原理,增添了近期对于电信产业的规模、发展及趋势的预测。第2章介绍了如何通过分层体系结构提供网络服务,新增了驱动网络需求的应用背景。
  第3章讨论了使用OSI模型的分组交换网及其在局域网中的重要应用。100Mbps以太网的引入以及使用智能以太网交换机替代原来的以太网集线器,可以建立虚拟局域网(VLAN),并且使企业组网技术发生了巨大改变。本章新增部分讨论了这些技术创新和千兆以太网。
  第4章集中讨论了统一看待Internet和TCP/IP网络的问题。该章还讨论了Internet技术的进展,包括寻址、快速交换、TCP/IP协议族的改进以及为更好地控制而建议采用的新协议。
  第5章的主题是电路交换网。SONET正持续得到重视,而增加的部分中最为重要的是对宽带网的讨论,包括有线电视和ADSL以及欧洲提议的推进无源光纤网的各种建议。这些技术的推广将促进宽带网业务的商业发展。
  第6章结合近期的工作更新了对ATM的介绍,包括网络互联协议MPOA以及对PNNI路由和UNI信号控制的详述。这些工作重点在ATM网对IP的更为有效的支持。而ATM和IP如何通过竞争和协作来保证QoS仍有待解决。
  在过去的5年中,无线网技术在全世界迅猛发展。起初,无线网技术还只应用于语音和短信息的传输,随后它开始被用来进行数据传输。第7章阐述了无线链路的特征及其对网络技术提出的挑战。同时还讨论了为什么无线网是分散的以及无线网技术被数据业务的广泛采用仍然是不确定的,这与有线网久为人知的集中性大相径庭。
  围绕网络性能和网络控制问题,第8章进行了一般性讨论,第9章进行了数学推导,讨论涉及了电路交换网、分组交换网和ATM网。同时还讨论了为保证QoS而进行的资源分配(包括带宽和优先级分配)技术,采用的窗口和传输率控制算法也在这里做了介绍。其中有关拥塞控制的处理很有创新性。
  第10章重点讨论经济学问题,现主要基于网络服务的需求进行阐述。要保证QoS需要对QoS分类并给出定价,这与当前网络接人的均价计费策略大不相同。本章还分析了用户对服务质量的评价及愿意支付的价格。这些分析数据来自对伯克利校园始于1998年4月的通信市场实验。
  5年前,波分多路复用技术(WDM)仅限于实验室演示。今天,主干网的光纤链路由于采用WDM技术而得以升级。具有lTbps速率的WDM链路(相当于当前Internet流量总和)将于明年投入市场。10年内,光纤路由和交换方面的技术进展也会在所有的光纤网络中得到应用。这些技术的应用将导致网络传输速率达到更高的数量级,而成本的增加甚少。同时还会引发另一场通信领域的革命。WDM技术和光纤交换在第11章进行讨论,第l版中对于光链路的讨论在此被缩减。
  第12章更新了快速分组交换网的相关讨论,补充了有关组播和快速表搜索的近期工作。第13章改写了对未来网络技术做了新的展望。
  如何使用本书
  本书可被业界的专业人士使用,也可用来做本科生和研究生的教材。专业人员可通过参考有关章节而了解特定技术的进展。同时,本书的第1—3章或第4、6章可作为计算机系的本科生教材,第5、7章可作为电子工程系的学生教材。
  参考资料
  我们讲课时充分地利用了书中的图形。可从http://www.mkp.com。获得这些插图的postscript格式的文件。
  本书每一章的最后均有习题,用以测试读者对本章内容的理解情况,引导他们在实践中运用这些知识。我们将继续增加这种练习题,并在网站上公布。
第1章 概述
1.1 通信网络发展史
1.1.1 电话网络
1.1.2 计算机网络
1.1.3 有线电视网络
1.1.4 无线网络
1.2 网络要素
1.2.1 数字化
1.2.2 规模经济
1.2.3 网络外部特性
1.2.4 业务集成
1.3 网络的发展前景
1.3.1 Internet
1.3.2 纯ATM网络
1.3.3 有线电视
1.3.4 无线网络
1.3.5 最后的获胜者
1.4 小结
1.5 注释
习题
第2章 网络服务与层次体系结构
2.1 应用
2.1.1 万维网
2.1.2 音频流和视频流
2.1.3 基于分组的语音以及视频会议
2.1.4 连网游戏
2.1.5 客户/服务器
2. 2 通信量特性和服务质量
2.2.1 恒定比特率
2.2.2 可变比特率
2.2.3 报文
2. 2.4 其他需求
2.3 网络服务
2.3.1 面向连接的服务
2.3.2 无边接服务
2.4 高性能网络
2.4.1 通信量增长
2.4.2 高性能
2.5 网络的各种元素
2.5.1 主要网络元素
2.5.2 网络元素与服务特性
2.5.3 举例
2.6 基本网络机制
2.6.1 多路复用
2.6.2 交换
2.6.3 差错控制
2.6.4 流控
2.6.5 拥塞控制
2.6.6 资源分配
2.7 分层体系结构
2.7.1 层次
2.7.2 层次的实现
2.8 开放数据网络模型
2.9 网络体系结构
2.10 网络瓶颈
2.11 小结
2.12 注释
习题
第3章 分组交换网
3.1 OSI模型和IP模型
3.1.1 第一层:物理层
3.1.2 第二层:数据链路层
3.1.3 第二层2a子层:介质访问控制
3.1.4 第二层2b子层:逻辑链路控制
3.1.5 第三层:网络层
3.1.6 第四层:传输层
3.1.7 第五层:会话层
3.1.8 第六层:表示层
3.1.9 第七层:应用层
3.1.10 OSI模型和IP模型总结
3.2 以太网
3.2.1 物理层
3.2.2 MAC
3.2.3 LLC
3.2.4 局域网互连
3.3 令牌环网
3.3.1 物理层
3.3.2 MAC
3.3.3 LLC
3.4 FDDI
3.5 DQDB
3.6 帧中继
3.7 SMDS
3.8 小结
3.9 注释
习题
第4章 Internet与TCP/IP网络
4.1 Internet
4.2 Internet协议概述
4.3 Internet协议
4.3.1 IPv4
4.3.2 组播IP
4.3.3 可靠组播
4.3.4 移动IP
4.3.5 IPv6
4.4 TCP与UDP
4.4.1 应用
4.4.2 FTP
4.4.3 SMTP、rlogin、TFTP和HTTP
4.5 Internet的成功和局限
4.6 TCP/IP网络的性能
4.6.1 TCP中的窗口尺寸调整
4.6. 2 对TCP的改进建议
4.6.3 对IP的改进建议
4.6.4 排队算法
4.6.5 标号交换
4.6.6 对其他协议的改进建议
4.7 小结
4.8 注释
习题
第5章 电路交换网络
5.1 电路交换网络的性能
5.2 SONET
5.3 密集波分复用
5.4 光纤到家庭
5.4.1 光纤环路载波系统
5.4.2 无源光网络
5.4.3 无源光子环
5.4.4 混合方案
5.5 数字用户线路
5.5.1 ISDN
5.5.2 ADSL
5.6 智能网络
5.6.1 业务举例
5.6.2 智能网络体系结构
5.6.3 功能组件
5.7 CATV
5.7.1 布局
5.7.2 CATV分层网络
5.7.3 CATV提供的业务
5.7.4 MPEG
5.8 小结
5.9 注释
习题
第6章 异步传输模式
6.1 ATM的主要特征
6.1.1 面向连接的服务
6. 1.2 固定信元大小
6.1.3 统计多路复用
6.1.4 资源分配
6. 2 寻址、信号发送和路由
6. 2.1 ATM寻址
6.2.2 信号发送
6.2.3 PNNI路由
6.3 ATM信元头部结构
6.3.1 VCI和VPl
6.3.2 其他字段
6.3.3 保留的VCI/VPI
6. 4 ATM适配层
6.4.1 类型l
6.4.2 类型2
6.4.3 类型3/4
6.4.4 类型5
6.5 管理与控制
6.5.1 容错管理
6.5.2 传输和拥塞控制
6.5.3 网络状态监视和配置
6.5.4 用户/网络信令
6.6 BISDN
6,7 用ATM网络实现互连
6.7.1 AAL5上的多协议封装
6.7.2 在ATM上实现LAN仿真
6.7.3 ATM上的IP
6.7.4 ATM上的多协议
6.7.5 ATM上的FR和SMDS
6.8 小结
6.9 注释
习题
第7章 无线网络
7.1 简介
7.1.1 无线网络的历史
7.1.2 无线通信的前景
7.1.3 技术难点
7.2 无线信道
7.2.1 通路损失
7.2.2 屏蔽衰减
7.2.3 多路平直衰减和符号间干涉
7.2.4 多普勒频移
7.2.5 干涉
7.2.6 红外与无线电比较
7.2.7 无线信道的容量限制
7.3 链路层设计
7.3.1 调制技术
7.3.2 信道编码和链路层重传
7.3.3 平直衰减的解决措施
7.3.4 符号间干涉的消除方法
7.4 信道访问
7.4.1 多路访问
7.4.2 随机访问
7.4.3 频谱规则
7. 5 网络设计
7.5.1 体系结构
7.5.2 移动管理
7.5.3 网络可靠性
7.5. 4 网际互连
7.5.5 安全
7.5.6 无线网络设计的新模式
7.6 今天的无线网络
7.6.1 蜂窝电话系统
7.6.2 无绳电话
7.6.3 无线局域网
7.6.4 广域无线数据服务
7.6.5 寻呼系统
7.6.6 卫星网络
7.6.7 其他无线系统和应用
7.7 未来的系统和标准
7.7.1 无线局域网
7.7.2 无线自组网
7.7.3 IMT-2000
7.7.4 高速数字蜂窝
7.7.5 固定无线访问
7.7.6 HomeRF与蓝牙
7.8 小结
7.9 注释
习题
第8章 网络控制
8.1 控制目标和方法
8.1.1 概述
8.1.2 控制方法
8.1.3 时间尺度
8.1.4 举例
8.1.5 服务质量
8.2 电路交换网络
8.2.1 阻塞
8.2.2 路由最优化
8.3 数据报网络
8.3.1 排队模型
8.3.2 关键的排队结果
8.3.3 路由最优化
8.3.4 拥塞控制
8.4 ATM网络
8.4.1 控制问题
8.4.2 确定性的方法
8.4.3 统计过程
8.4.4 确定性的过程还是统计性的过程
8.5 小结
8.6 注释
习题
第9章 网络控制的数学基础
9.1 马尔可夫链
9.1.1 概述
9.1.2 离散时间
9.1.3 连续时间
9.2 电路交换网络
9.2.1 单交换机
9.2.2 网络
9.3 数据报网络
9.3.1 M/M/1队列
9.3.2 离散时间队列
9.3.3 Jackson网络
9.3.4 MMF源的缓冲区占用
9.3.5 阻塞概率的不敏感性
9.4 ATM网络
9.4.1 确定性方法
9.4.2 独立同分布随机变量的大偏差
9.4.3 直线大偏差
9.4.4 队列的大偏差
9.4.5 Bahadur-Rao定理
9.5 小结
9.6 注释
习题
第10章 网络经济学
10.1 网络服务派生的需求
10.1.1 信息商品
10.1.2 区位地租
10.2 Internet服务提供者
10.2.1 一个用户需求模型
10.2.2 经验证据
10.3 网络计费:理论与实现
10.3.1 一个资源模型
10.3.2 经济原理'
lo.3.3 实际收费情况
10.3.4 Internet的脆弱性
10.4 一套用于Internet连接的计费及供给系统
10.4.1 用户经验
10.4.2 对不同质量的需求
10.4.3 INDEX计费及供给系统
10.4.4 INDEX定价与服务供给的灵活性
10.5 对单一资源的定价
10.5.1 基于用量的计费
10.5.2 拥塞费
10.5.3 成本回收及最佳链路容量
10.6 ATM服务的定价问题
10.6.1 关于ATM的资源和服务的一个模型
10.6.2 收入最大化
10.7 小结
10.8 注释
习题
第11章 光网络
11.1 光链路
11.1.1 发射器
11.1.2 接收器
11.1.3 光纤
11.1.4 副载波复用
11.2 WDM系统
11.3 光交叉连接
11.4 光局域网
11.4.1 单跳局域网
11.4.2 多跳局域网
11.5 光通道与网络
11.5.1 静态波长分配
11.5.2 动态波长分配与阻塞
11.5.3 环网
11.5.4 层次网状网络
11.5.5 光网络
11.6 小结
11.7 注释
习题
第12章 交换
12.1 交换机的性能指标
12.2 时分交换和空分交换
12.3 模块化交换机设计
12.4 分组交换
12.5 分布式缓冲区
12.5.1 热点的影响
12.5.2 输入缓冲区
12.5.3 热点竞争
12.5.4 组播
12.6 共享缓冲区
12.6.1 组播
12.6.2 排队分析
12.7 输出缓冲区
12.7.1 组播
12.7.2 淘汰式交换机
12.8 输入缓冲区
12. 8.1 HOL阻塞
12.8.2 克服HOL阻塞
12.8.3 组播
12.9 小结
12.10 注释
习题
第13章 展望全球多媒体网络
13.1 全球网络的性质
13.2 技术领域
13.2.1 体系结构
13.2.2 连网
13.2.3 信号处理
13.2.4 应用软件
13.3 急待解决的问题
13.3.1 体系结构
13.3.2 服务质量
13.3.3 可移动性
13.3.4 异构性
13. 3.5 可伸缩性和可配置性
13.3.6 可扩展性和复杂性管理
13.3.7 安全性
参考文献
索引
20世纪90年代以来,日新月异的信息技术给人类的工作、学习、生活的方方面面都带来了深刻的变革。可以说,它引发了人类社会的信息革命,而计算机技术与通信技术相融合形成的计算机网络技术更是大大推进了这一革命。似乎就在一夜之间,地球变小了,人们的距离拉近了。人们对网络的延伸能力叹为观止,因为它延伸的不仅仅是人的四肢,它还能够延伸人的沟通能力和思维能力。网络影响的不只是人们的物质生活,还影响人们的精神生活。
  企业信息化、电子商务、远程教育、远程医疗的出现都离不开网络的发展,或者说,正是网络催生了这些新兴事物并为它们提供了底层的支撑平台。近几年来,网络技术发展十分迅猛。同目前已出版的很多网络方面的书籍相比,本书较为全面地介绍了网络技术,如网络的发展及网络发展的经济驱动,并且从通信科学、运筹学和经济学等学科的角度讨论网络中的相关问题,旨在帮助读者从多种角度把握网络中的诸多问题。  
  本书的作者从事网络方面的教学和研究工作已有20余年,他们既有深厚的理论功底,又有丰富的实践经验。早在1995年,他们就编写了本书的第l版,并获得了业内相关人士的一致好评。5年后,网络技术又向前迈进了一大步,针对第1版的不足,作者及时进行了修订,重点增添了第1版中涉及较少或者未加论述的无线通信技术和光通信技术。
  本书第1、5章由吴嫣翻译,第2、4章由孙瑞志翻译,第3、12章由周建涛翻译,第6章由苗春雨翻译,第7章由张凯捷翻译,第8、13章由杨武勇翻译,第9、11章由姜进磊翻译,第10章由张艳翻译,全书最后由史美林审较。史美林和张艳组织了全书的翻译工作。
  由于本书涉及的技术很新且具有跨学科的特性,译者的水平也有限,所以难免有错误和不当之处,敬请读者见谅并给我们提出宝贵意见。
  译 者
  2001年3月
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