计算机网络问题与解决方案:一种构建弹性现代网络的创新方法

本书第壹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。

作者简介Russ White  CCIE No. 2635, CCDE 2007::1, CCAr，在大型网络设计、部署、分解和故障排除方面有30多年的经验。他与人合作完成了40多项软件，在世界各地发表演讲，参与了多项互联网标准的开发，帮助设计了CCDE和CCAr，并与互联网社区一起从事互联网治理工作。Russ目前是LinkedIn架构团队的一员，从事下一代数据中心设计、复杂性、安全性和隐私保护等方面的工作。他目前也是IETF的路由领域理事会成员，并担任IETF I2RS和BABEL工作组的联合主席。他的*新著作有《网络架构的艺术》（The Art of Network Architecture）和《网络复杂性导航》（Navigating Network Complexity）。Russ拥有卡佩拉（Capella）大学的硕士（MSIT）学位、牧羊人神学院的硕士学位，以及东南神学院的博士学位。Ethan Banks  CCIE No. 20655，路由与交换领域。自1995年以来一直从事IT工作，早期是Novell、Windows和Linux环境的系统工程师。后来，他成为一名互联网服务工程师，在一家区域ISP从事DNS、SMTP、HTTP和相关应用程序的工作。他主要从事垂直领域的网络工程师和架构师工作，包括高等教育、咨询、金融和技术等领域。曾任不错网络工程师、网络运营经理、技术服务经理、网络架构经理、不错网络架构师等职。2010年，Ethan与人共同创办了Packet Pushers Interactive公司，这是一家媒体公司，其主要产品是每周播放的播客，在全世界拥有1万多名网络工程师听众。Ethan是一个作家，他的文章可以在《Network World》《Network Computing》《Infor-mation Week》《Modern Infrastructure》和《TechTarget》等上找到。Ethan还在自己的技术博客ethancbanks.com上撰写科技方面的文章，他为SolarWinds、Nuage Networks、Cloud-Genix和NetBrain Technologies编写或编辑过白皮书。Ethan现在是Interop 的未来网络化联合主席。Ethan于1993年以优异成绩毕业于佛罗里达彭萨科拉基督教学院（Pensacola Christian College），获得了计算机科学与工商管理学士学位。目前，Ethan拥有Netware认证工程师、微软认证系统工程师、思科认证网络专业资格、认证道德黑客（Certified Ethical Hacker）和思科认证安全专业资格等证书。

出版者的话译者序前言作者简介译者简介部分  数据平面章  基本概念 41.1  是艺术还是工程 41.2  电路交换 61.3  分组交换 81.3.1  分组交换操作 81.3.2  分组交换网络中的流量控制 101.4  固定与可变长度数据帧 111.5  无环路径计算 131.6  服务质量 141.7  集中式控制平面的反击 151.8  复杂性 161.8.1  为什么如此复杂 161.8.2  定义复杂性 181.8.3  通过细腰模型管理复杂性 191.9  总结思考 211.10  拓展阅读 211.11  复习题 21第2章  数据传输中的问题与解决方案 232.1  数字语法和数据列集 242.1.1  数字语法和字典 252.1.2  固定长度字段 272.1.3  类型长度值 282.1.4  共享对象字典 292.2  差错 302.2.1  差错检测 302.2.2  纠错 332.3  多路复用 352.3.1  设备与应用程序的寻址 352.3.2  多播 372.3.3  选播 382.4  流量控制 392.4.1  窗口机制 402.4.2  协商比特率 422.5  总结思考 432.6  拓展阅读 432.7  复习题 44第3章  网络传输建模 463.1  美国国防部模型 463.2  开放系统互连模型 483.3  递归互联网架构模型 513.4  面向连接与无连接 523.5  总结思考 523.6  拓展阅读 533.7  复习题 53第4章  底层传输 544.1  以太网 544.1.1  多路复用 554.1.2  差错控制 594.1.3  数据列集 594.1.4  流量控制 604.2  无线802.11协议 604.2.1  多路复用 604.2.2  数据列集、差错控制和流量控制 644.3  总结思考 654.4  拓展阅读 654.5  复习题 66第5章  高层数据传输 675.1  IP 685.1.1  传输与列集 695.1.2  多路复用 725.2  TCP 755.2.1  流量控制 755.2.2  差错控制 785.2.3  TCP端口号 785.2.4  TCP会话的建立 795.3  QUIC 795.4  ICMP 835.5  总结思考 835.6  拓展阅读 845.7  复习题 85第6章  层间发现 876.1  层间发现的解决方案 876.1.1  众所周知和手动配置的标识符 886.1.2  映射数据库和协议 896.1.3  协议中的通告标识符映射 896.1.4  从一个标识符计算另一个标识符 896.2  层间发现示例 896.2.1  DNS 906.2.2  DHCP 916.2.3  IPv4地址解析协议 926.2.4  IPv6邻居发现 936.3  默认网关问题 956.4  总结思考 976.5  拓展阅读 976.6  复习题 98第7章  分组交换 997.1  从物理介质到内存 1007.2  数据包处理 1017.2.1  交换 1017.2.2  路由 1017.2.3  为什么需要路由 1027.2.4  等价多路径 1037.2.5  数据包处理引擎 1067.3  跨越总线 1077.4  从内存到物理介质 1107.5  总结思考 1107.6  拓展阅读 1117.7  复习题 112第8章  服务质量 1138.1  定义问题空间 1138.2  分级 1158.2.1  分级保持 1188.2.2  无标记的互联网 1198.3  拥塞管理 1208.3.1  及时性：低延迟队列 1208.3.2  公平性：基于分级的加权公平队列 1238.3.3  过度拥塞 1248.3.4  其他QoS拥塞管理工具 1248.4  队列管理 1258.4.1  管理一个满载缓冲区：加权随机早期检测 1258.4.2  管理缓冲延迟、缓冲膨胀和延迟控制 1268.5  总结思考 1278.6  拓展阅读 1278.7  复习题 128第9章  网络虚拟化 1299.1  理解虚拟网络 1299.1.1  在IP网络上提供以太网服务 1319.1.2  一个公司网络的虚拟私有访问 1339.1.3  虚拟化问题和解决方案总结 1339.2  分段路由 1349.2.1  多协议标签交换的分段路由 1359.2.2  IPv6的分段路由 1389.2.3  信令分段路由标签 1399.3  软件定义广域网 1409.4  复杂性和虚拟化 1419.4.1  交互表面和共享风险链路组 1419.4.2  交互表面和覆盖控制平面 1429.5  总结思考 1449.6  拓展阅读 1449.7  复习题 1450章  传输安全 14610.1  问题空间 14610.1.1  验证数据 14610.1.2  保护数据不被窃取 14710.1.3  保护用户隐私 14710.2  解决方案空间 14810.2.1  加密 14810.2.2  密钥交换 15210.2.3  加密散列 15410.2.4  隐藏用户信息 15410.3  传输层安全 15710.4  总结思考 15910.5  拓展阅读 15910.6  复习题 161第二部分  控制平面1章  拓扑发现 16511.1  节点、边和可达目的地 16611.1.1  节点 16611.1.2  边 16711.1.3  可达目的地 16711.1.4  拓扑结构 16811.2  学习网络拓扑 16811.2.1  检测其他网络设备 16911.2.2  检测双向连接性 17011.2.3  检测优选传输单元 17111.3  学习可达目的地 17211.3.1  响应式学习 17311.3.2  主动式学习 17311.4  通告可达性和拓扑 17411.4.1  决定何时通告可达性及拓扑结构 17411.4.2  可达性的响应式分发 17511.4.3  可达性的主动式分发 17711.5  在控制平面之间重新分发 17811.5.1   重新分发与度量 17911.5.2  重新分发与路由循环 18011.6  总结思考 18211.7  拓展阅读 18211.8  复习题 1832章  单播无环路径（1） 18412.1  哪条路径是无环路径 18412.2  树 18612.3  无环备选路径 18812.3.1  瀑布（或分水岭）模型 18912.3.2  P/Q空间 19012.3.3  远程无环备选路径 19112.4  Bellman-Ford无环路径计算 19112.5  Garcia扩散更新算法 19612.6  总结思考 20012.7  拓展阅读 20012.8  复习题 2013章  单播无环路径（2） 20213.1  Dijkstra 最短路径优先 20213.1.1  部分和增量SPF 20713.1.2  计算LFA和rLFA 20813.2  路径向量 20913.3  非相交路径算法 21113.3.1  双连接网络 21213.3.2  Suurballe 非相交路径算法 21213.3.3  优选冗余树 21513.4  双向连接性 21813.5  总结思考 21813.6  拓展阅读 21813.7  复习题 2204章  对拓扑变化的响应 22114.1  检测拓扑变化 22214.1.1  通过轮询来检测故障 22214.1.2  事件驱动的故障检测 22314.1.3  比较事件驱动和基于轮询的检测 22414.1.4  示例：双向转发检测 22514.2  变更分发 22614.2.1  洪泛 22714.2.2  逐跳 22914.2.3  集中式存储 23014.3  一致性、可用性和分区 23214.4  总结思考 23414.5  拓展阅读 23414.6  复习题 2355章  距离向量控制平面 23615.1  控制平面分类 23615.2  生成树协议 23915.2.1  构建一棵无环树 23915.2.2  学习可达目的地址 24215.2.3  生成树协议的总结思考 24315.3  路由信息协议 24415.3.1  绑定Bellman-Ford算法到RIP 24515.3.2  对拓扑变化的响应 24715.3.3  RIP的总结思考 24815.4  增强内部网关路由协议 24815.4.1  对拓扑变化的响应 25015.4.2  邻居发现与可靠传输 25215.4.3  EIGRP的总结思考 25215.5  拓展阅读 25315.6  复习题 2546章  链路状态与路径向量控制平面 25516.1  OSPF和IS-IS简史 25516.2  IS-IS协议 25616.2.1  OSI寻址 25616.2.2  IS-IS中的数据列集 25716.2.3  邻居发现和拓扑发现 25816.2.4  可靠的洪泛 25916.2.5  IS-IS 的总结思考 26116.3  OSPF 26116.3.1  OSPF中的数据列集 26116.3.2  邻居发现和拓扑发现 26216.3.3  可靠的洪泛 26416.3.4  OSPF的总结思考 26516.4  OSPF和IS-IS中的通用元素 26516.4.1  多址链路 26516.4.2  链路状态协议中概念化链路、节点和可达性 26716.4.3  验证SPF中的双向连接性 26816.5  边界网关协议 26916.5.1  BGP 对等操作 26916.5.2  BGP的最佳路径决策过程 27116.5.3  BGP的通告规则 27216.5.4  BGP的总结思考 27316.6  总结思考 27416.7  拓展阅读 27416.8  复习题 2767章  控制平面中的策略 27717.1  控制平面策略用例 27717.1.1  冷/热土豆路由 27717.1.2  资源分割 27917.1.3  应用优化的流量固定 28017.2  定义控制平面策略 28317.3  控制平面策略与复杂性 28417.3.1  再谈冷/热土豆路由 28417.3.2  资源分割 28517.3.3  应用的流量固定 28617.4  总结思考 28717.5  拓展阅读 28717.6  复习题 2888章  集中式控制平面 28918.1  讨论“软件定义”的定义 28918.1.1  接口分类 29018.1.2  功能分层 29018.2  BGP作为SDN 29118.3  Fibbing 29218.4  I2RS 29418.5  PCEP 29818.6  OpenFlow 29918.7  CAP定理和辅助性 30118.8  总结思考 30318.9  拓展阅读 30318.10  复习题 3049章  故障域与信息隐藏 30519.1  问题空间 30519.1.1  定义控制平面状态范围 30519.1.2  正反馈环路 30619.2  解决方案空间 30919.2.1  拓扑信息汇总 30919.2.2  可达性信息聚合 31019.2.3  可达性信息过滤 31219.2.4  控制平面分层 31219.2.5  缓存 31319.2.6  减速 31619.3  总结思考 31719.4  拓展阅读 31819.5  复习题 318第20章  信息隐藏示例 31920.1  拓扑信息汇总 31920.1.1  IS-IS 31920.1.2  OSPF 32320.2  聚合 32720.3  分层 32820.3.1  BGP作为一个可达性覆盖层 32820.3.2  带有控制器覆盖层的分段路由 32920.4  减慢状态速度 33020.4.1  指数退避 33120.4.2  链路状态的洪泛缩减 33320.5  总结思考 33420.6  拓展阅读 33420.7  复习题 335第三部分  网络设计第21章  安全性的宽泛讨论 33921.1  问题的范围 33921.1.1  生物特征识别难题 33921.1.2  定义 34021.1.3  问题空间 34121.2  解决方案空间 34121.2.1  深度防御 34221.2.2  访问控制 34221.2.3  数据保护 34321.2.4  服务可用性保证 34621.3  作为安全模型的OODA循环 35221.3.1  观察 35221.3.2  调整 35221.3.3  决策 35321.3.4  行动 35421.4  总结思考 35421.5  拓展阅读 35421.6  复习题 356第22章  网

有很多方法可以用于教授（或理解）计算机网络操作的基本原理。例如，一种比较传统的方法是从检查控制平面的所有操作开始，从构建邻接关系到信息传输，再到构建路由。另一种常见的方法是从模型开始，如开放系统互连（Open Systems Interconnect，OSI）模型，并从模型内部描述协议的操作细节。这些方法显然有助于指导网络工程师和网络工程专业的学生来理解计算机网络，因为在过去的30年里，这些方法确实成功地帮助了数十万名网络工程师。但是，在本书作者看来，这些方法并没有想象中那么有效。尽管在实验室里花费了大量时间来阅读技术资料，甚至配置和部署网络设备，但仍有许多工程师不能理解计算机网络的实际工作原理。对网络工程师及网络工程专业的学生而言，实际的教学效果与心理上的预期仍然存在着很大的差距。本书旨在填补这一空白—它不仅面向现在的工程师，也面向所有试图学习计算机网络工作原理的学生（即使网络工程不是他们的最终职业目标）。无论你是一名计算机科学专业的学生，还是一位有着20多年工作经验的网络工程师，或者你只想学习一些网络工程知识，甚至只是一名仅负责与“网络”相关业务的经理，都会通过阅读本书受益。本书的组织结构本书的两位作者在网络工程领域的工作经验加起来有50多年，这些年来，他们从事过转发设备、控制平面、存储乃至计算等诸多方面的工作。在不同的场所，两位作者（他们还是专栏评论员！）花了数千小时，以不同的形式进行了正规的和非正规的对外培训，其中涉及网络工程中的许多不同技艺。本书更是花费了作者大量的时间来考虑如何更好地讲解计算机网络技术中的诸多细节。计算机网络中哪些细节是不可忽视的，尤其是哪些内容和问题的细节是无关紧要的，都需要认真仔细地进行取舍。作者认为本书的组织结构有利于帮助计算机网络及相关领域的大多数读者。撰写本书的想法源于互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）的RFC 1925，也就是“网络工程的12条军规”（The Twelve Networking Truths），其中1条军规是：每一个旧的想法都会以不同的名称和不同的表述被再次提出，而不管它是否有效。显然，这很幽默，但是如果其中没有一丝道理，幽默就不会变得那么有趣了。就1条军规而言，这又远不止“一丝道理”那么简单：在其中，体现了一种看待技术的完整方式，以及技术变革的步伐，它们可以彻底改变工程师学习技术的方式。如果说每个想法都会被再次提出，那么意味着每个想法之前就被提出过。这样一来，如果能够理解一个想法在次提出时的本义，那么就能理解基于相同想法的每一个新提议。这种观察—计算机网络技术背后的基础思想并没有真正改变—是本书教学方法的驱动因素。本书没有关注模型或协议，而是遵循了一个独特的模式。因此，本书的主题是：为了真正理解计算机网络，你需要提出和回答以下三个问题：“真正的问题是什么？”“解决方案是什么？”“具体是如何实现的？”真正的问题是什么？本书分为三个主要部分，涵盖了数据传输、控制平面，以及具体设计（或者更确切地说是技术）场景。在每一部分中都有一些章从一个基本的问题开始：所面临的真正问题是什么？以一种有意义的方式描述问题集往往需要做很多理论工作，所以这些章一开始可能看似不那么实用。然而，这些章实际上非常实用。如果没有对问题的透彻理解，就几乎不可能真正理解真实的背景，从而不可能提出任何有效的提案或者实现方案。理解这些基本问题可以帮助我们做两件事：将我们当前面临的问题（这些问题看似是新的或独特的问题）与过去网络工程中已解决的共性问题联系起来。清楚地观察并理解大型系统中的组件问题，从而有机会以构建完整一致系统的方式，对每个问题应用一系列完整的解决方案。实际上，提出问题才能真正理解那些用于解决网络工程问题的技术—这也是最重要的步骤。解决方案是什么？一旦问题暴露出来，本书将讨论一系列可能的解决方案。解决方案集合（必然）不会局限于最常见的解决方案或已实现的解决方案。相反，所选择的解决方案将（希望）提供一个可用解决方案类型的全面概览。同样，这部分将倾向于理论性介绍，特别是在描述单点问题的单点解决方案时。同样，认为不实用的观点将是错误的—每一个解决方案都是一个“工具”，可以把它添加到用来解决一系列问题的“思想工具集”中。以这种方式将问题和解决方案结合起来，从而建立一套对任何类型的工程师都有用的思考技能。具体是如何实现的？最后，一旦讨论了问题的集合以及对应每一个问题的一系列解决方案，问题和解决方案就能被聚合成一组实现案例。在这一部分将看到理论和实践的结合：理论上每个协议如何解决一组常见的问题集，然后选择一系列解决方案来解决这些问题。作者已经努力为这部分内容筛选了大量的协议和系统，所以读者不仅可以漫步解决方案的空间，而且可以漫游（尽可能在这类工作的范围内）计算机网络工程的历史。本书没有涵盖的内容在这个领域写任何一本书都可能有无穷无尽的内容，然而一本没有边界限制的书可能作用并不大。因此，为了管理本书的范围和