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网络与数据通信

下一代互联网新技术理论与实践

作者：周星，白勇，谭毓银，胡祝华，陈敏

出版社：科学出版社出版时间：2022-12-01

开本： B5 页数： 364

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下一代互联网新技术理论与实践版权信息

ISBN：9787030727206
条形码：9787030727206 ; 978-7-03-072720-6
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
计算机/网络
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网络与数据通信

下一代互联网新技术理论与实践内容简介

本书在多个国家自然科学基金项目资助的研究基础上，首先，综述了下一代互联网的演进历程与之相关的新技术，第二，阐述了下一代互联网标志性技术IPv6技术；接着讨论了下一代互联网的里程碑式新技术，即基于传输层的多路径并发传输技术；第四，引入了下一代互联网应用层新技术NEAT；第五，接入技术新理论与技术；第六，多址接入技术与实践；第七，感知理论与技术；*后，以"多路径传输协议测试平台设计与实践"章节来呈现下一代互联网多技术应用案例，非常具有现实意义。

下一代互联网新技术理论与实践目录

目录
前言
第1章下一代互联网演进及体系结构1
1.1为什么需要下一代互联网2
1.1.1互联网IP的特点及其局限性3
1.1.2IPv4和IPv6比较4
1.1.3IPv6的凸显优势5
1.2互联网发展的历程与解决方案6
1.2.1互联网发展的历程6
1.2.2存在的问题与解决方案10
1.3下一代互联网及体系结构11
1.3.1下一代互联网的发展模式及特征11
1.3.2国内外NGI网络发展与体系结构15
1.3.3未来网络体系结构23
1.4本章小结41
参考文献41
第2章下一代互联网相关新技术43
2.1多路径传输技术43
2.2NorNet测试床平台新技术45
2.2.1PlanetLab测试床平台45
2.2.2NorNet Core/Edge测试床平台46
2.3应用层NEAT技术51
2.4SDN与OpenFlow52
2.5网络功能虚拟化技术NFV55
2.6物联网58
2.6.1IoT定义58
2.6.2体系结构59
2.6.3物联网工作过程与相关技术62
2.6.4物联网的应用场景64
2.7网络安全与安全协议新技术65
2.7.1安全架构体系的要素67
2.7.2网络安全应遵循的原则68
2.7.3NIST 800-53安全控制框架69
2.8NGI展望与小结86
2.8.1NGI展望86
2.8.2小结87
参考文献87
第3章IPv6技术89
3.1IPv6的主要标准与进展89
3.1.1国际标准90
3.1.2国内标准92
3.2IPv6的组成结构94
3.2.1表示方法94
3.2.2报文内容95
3.3IPv6地址类型96
3.3.1单播地址96
3.3.2组播地址97
3.3.3任播地址97
3.4IPv6使用协议98
3.4.1地址配置协议98
3.4.2路由协议99
3.5IPv6过渡技术100
3.6优势特点101
3.7IPv6协议的安全102
3.7.1IPv6协议相对IPv4协议变化102
3.7.2IPv6协议安全改进103
3.7.3IPv6网络中新的安全威胁104
3.8移动IPv6107
3.8.1移动IPv6主要作用107
3.8.2移动IPv6和移动IPv4的主要区别109
3.8.3移动IPv6的切换技术110
3.96LoWPAN110
3.10IPv6的应用113
3.11本章小结114
参考文献115
第4章下一代互联网传输层的新技术116
4.1SCTP协议118
4.1.1SCTP体系结构118
4.1.2SCTP连接119
4.1.3SCTP特性120
4.2CMT-SCTP协议122
4.2.1CMT-SCTP协议短板及改进123
4.2.2CMT-SCTP路径选择124
4.2.3CMT-SCTP拥塞控制124
4.2.4CMT-SCTP缓存管理125
4.3MPTCP协议126
4.3.1MPTCP技术概要128
4.3.2MPTCP拥塞控制131
4.4MPTCP多路径传输关键技术改进133
4.4.1PCDC路径管理算法133
4.4.2MPTCP缓存耗量模型的统计学构建法138
4.4.3MPTCP多参数综合优化算法145
4.4.4D-OLIA拥塞控制算法148
4.5本章小结155
参考文献156
第5章下一代互联网应用层NEAT技术158
5.1NEAT协议与传统SocketAPI体系结构158
5.1.1对可持续发展传输层的通用要求159
5.1.2部署性161
5.1.3可扩展性162
5.1.4API的灵活性162
5.1.5引导参数化163
5.1.6可伸缩性164
5.2NEAT体系结构的设计164
5.2.1NEAT架构概述164
5.2.2上层应用与NEAT系统167
5.2.3NEAT架构设计原则169
5.3NEAT的工作机制171
5.3.1传统Socket API的结构与工作方式171
5.3.2NEAT Application Support模块173
5.3.3NEAT User Module组成与工作方式173
5.4NEAT协议的优势及实践案例175
5.4.1一个移动应用程序示例176
5.4.2一个改进应用程序安全性的示例176
5.4.3一个使用中间件的应用程序示例177
5.4.4一个使用NEAT代理的例子178
5.4.5移植应用程序到NEAT178
5.4.6Happy Eyeballs：一个轻量级的运输选择机制180
5.5本章小结181
参考文献181
第6章下一代互联网接入技术183
6.1移动通信技术183
6.1.13G接入技术183
6.1.24G接入技术190
6.1.35G接入技术192
6.2WiFi接入技术205
6.3卫星接入技术209
6.4多网络接入技术212
6.5本章小结214
参考文献214
第7章多址接入技术215
7.1交织多址接入217
7.1.1ESE算法219
7.1.2IIC算法220
7.2稀疏码分多址接入224
7.2.1SCMA上行系统224
7.2.2SCMA下行系统225
7.2.3SCMA码本设计226
7.2.4SCMA因子图227
7.2.5MPA算法228
7.3多用户共享接入229
7.3.1MUSA系统229
7.3.2MMSE-SIC检测231
7.4图样分割多址接入233
7.4.1PDMA上行系统233
7.4.2PDMA下行系统237
7.5功率域非正交多址接入238
7.5.1PDNOMA下行系统238
7.5.2PDNOMA上行系统240
7.5.3PDNOMA与IDMA相结合241
7.6本章小结244
参考文献244
第8章压缩频谱感知理论与技术248
8.1感知技术发展概述248
8.2压缩频谱感知的研究现状与理论基础249
8.2.1基于压缩感知频谱检测的研究现状及分析249
8.2.2基于MWC的宽带频谱压缩感知研究现状及评价251
8.2.3压缩感知理论基础252
8.3基于SwSOMP重构的MWC宽带频谱感知技术258
8.3.1MWC系统原理259
8.3.2基于CTF方法的支撑集恢复267
8.3.3基于SwSOMP的MWC频谱感知方法268
8.4基于信号稀疏度和噪声估计的MWC宽带频谱感知算法研究271
8.4.1引言271
8.4.2数据预处理273
8.4.3稀疏度估计278
8.4.4*优支撑邻域选择279
8.4.5ABRMB算法框架及算法描述280
8.5小结和工作展望282
8.5.1小结282
8.5.2工作展望283
参考文献283
第9章新技术实践篇290
9.1多路径传输系统平台搭建实践篇290
9.1.1多路径传输协议局域网测试平台设计290
9.1.2多路径传输协议国际测试床设计技术291
9.1.3MPTCP关键技术实践294
9.1.4小结315
9.2多路径传输系统应用实践篇315
9.2.1基于IPv6+MPTCP技术的视频直播系统的结构316
9.2.2涉及的关键技术319
9.2.3性能测试与分析328
9.2.4小结331
9.3多址接入技术实践篇331
9.3.1IDMA系统333
9.3.2PDNOMA系统334
9.3.3PDNOMA+IDMA系统336
9.3.4小结338
9.4压缩频谱感知技术实践篇338
9.4.1基于SOMP和SwSOMP在不同条件下对信号支撑集恢复的性能评价338
9.4.2ABRMB性能提升框架的仿真实验及结果分析342
9.4.3小结348
9.5本章小结348
参考文献349

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下一代互联网新技术理论与实践节选

第1章下一代互联网演进及体系结构人类真正意义上开始使用互联网的历史可以追溯到20世纪70年代，互联网经历近50年的飞速发展与应用，改变了人类经济社会活动和生活方式，这得益于互联网的先驱美国电气工程师 Kahn与 Cerf提出的传输控制协议(transmission control protocol，TCP)和互联网协议套件(internet protocol suite)。众所周知， TCP/IP协议族是互联网核心的基本通信协议，因此，这两位先驱于2004年获得图灵奖。互联网概念源于早期的数据通信，其理论基础基于20世纪初由 Shannon、 Nyquist和 Hartley提出的数据传输与信息理论，灵感起于牛津大学的**位计算教授 Strachey于1959年2月申请的分时系统的专利、论文“大型快速计算机的时间共享”及后来 Licklider、Clark于1960年及1962年分别发表的论文“人机共生”和“在线人机通信”，其实现得益于信息革命和信息时代的基石新技术——半导体技术新的发展。互联网经历了通过无线电或电线等电磁媒介在两个不同的地方终端设备之间的点对点的有限通信到20世纪50年代的广域网(wide area network，WAN)，再从广域网发展为20世纪60年代的网络，即今天互联网的雏形。1972年国际联网工作小组(International Networking Working Group，INWG)成立，20世纪70～80年代出现了 TCP/IP协议族，1970～1995年完成了多种网络的整合，实现向互联网的过渡，20世纪80年代 TCP/IP协议成功地走向全球，20世纪80年代末至90年代初全球互联网逐渐兴起，诞生了万维网和浏览器，20世纪90年代到21世纪初 Web 1.0广泛地应用于社会，随后出现了移动互联革命的演进，这一切深刻地改变着人类社会的形态与人类的生活方式。然而，历史的车轮滚滚向前，互联网的发展从未停歇，新技术层出无穷。从互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)与 ISOC(The Internet Society)到21世纪的全球化与互联网治理，再演进到今天的以多种接入技术为基础的3G、4G、5G、 WiFi、卫星移动通信及当前正在建造的星链卫星(starlink satellites，starlink是 SpaceX satellite Internet的重要实现技术，它能以较低的价格向世界各地的农村和服务不足地区提供互联网接入。 starlink将通过一个巨大的小型近地轨道卫星群向人类提供互联网服务)等可实现万物互联的多网融合的异构互联网，正在加快从传统的基于 TCP/IPv4互联网向以 TCP/MPTCP(muti-path TCP)/IPv6为架构的下一代互联网迈进。 20世纪60年代和70年代，当互联网的核心思想被开发出来时，电话是唯一成功、有效地实现全球范围内通信的例子。因此，尽管 TCP/IP提供的通信解决方案是独*和开创性的，但它解决了两个实体之间的点对点对话问题。从那时起，世界在以下几方面发生了巨大的变化。 (1)旅游、银行和金融服务等信息密集型行业很久以前就转移到了互联网上。 (2)数字编码技术的进步不仅将文本，还将语音、图像和视频转化为比特字符串，因此越来越多的内容可以进行数字化传播。 (3)网络让任何人都可以轻松地创建、发现和消费内容，每年产生的新内容多达艾字节。 (4)摩尔定律驱动的硬件进步使得一切都可以连接到互联网上，如超级计算机和工作站，以及工厂、市政基础设施、电话、汽车、家用电器。然而，在互联网发展前行过程遇到了各种挑战，如地址匮乏、移动性、多宿主、安全问题(授权、身份认证、完整性、机密性、不可抵赖性、可审计性)、鲁棒性问题(可用性和可控性)。 1.1为什么需要下一代互联网互联网演进到今天， IPv4取得了巨大的成功，但却受限于 IPv4地址枯竭的瓶颈(IPv4的32位地址寻址能力仅为232个或大约43亿个)。而地址耗尽在 IPv4的*初并不是一个问题，但从发展的眼光看，该版本是美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)当初针对 IPv4网络概念测试上的一个设计缺陷。20世纪90年代早期，在使用无类网络模型重新设计寻址系统之后，仍不能防止 IPv4地址耗尽，需要对互联网基础设施进行进一步的更改。在过去的10～15年间，连至 Internet的网络终端数量每隔不到一年的时间就会增加一倍；同时，由于 IPv4本身存在的安全漏洞和设计缺陷，使其上的应用不断遭受各种攻击，在一定程度上也影响了网络的发展。为了解决这两大类问题，业界推出了下一代互联网的架构体系。特别是近10年来，随着互联网商业化、大数据、人工智能(artificial intelligence，AI)技术、物联网、无人驾驶等的快速发展，接入技术的不断丰富，互联网地址空间短缺问题更加突显；互联网数据体量的剧增及对互联网鲁棒性需求的提高，利用协议方式在传输层实现多路径并发传输的技术也应运而生；抵御各类攻击的安全技术的涌现，这些迫切需要改革的动因一起催生了下一代互联网的两类体系架构的诞生。从1992年初提出概念，到1996年一系列 RFC(request for comments)定义文档的发表，1998年12月，IPv6(RFC1883)成为 IETF的标准草案，被正式确定为 IPv4的后续协议，并作为下一代互联网的标志性协议而被称为 IPng，即 Internet Protocol Next Generation，也是目前 Internet协议的*新版本，该通信协议为网络上的计算机提供识别和定位功能，并通过 Internet路由进行通信。2003年初，国际互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force， IETF)发布了 IPv6测试性网络，即6bone网络，称为 IPng工程项目，其目的是测试如何将 IPv4网络迁移到 IPv6网络。IPv6使用128位地址，理论上允许2128个地址，或者3.4×1038个地址，其数量之大可以满足为每一粒沙子提供一个地址的需求。实际的数字稍微小一些，因为多个范围被保留用于特殊用途或完全排除在使用之外。 IPv6除了提供更大的寻址空间，还提供了其他技术优势：①它允许使用分层地址分配方法，以促进 Internet上的路由聚合，从而限制路由表的扩展；②组播寻址的使用得到了扩展和简化，并为服务的交付提供了额外的优化；③协议的设计考虑了设备移动性、安全性和配置等方面。2017年7月，IETF将其批准为下一代互联网标准，不再兼容 IPv4。IPv6从标准草案到成为下一代互联网的标准，并非是一夜间能完成的事，其演进的时间跨度已达20多年，IPv4与 IPv6还将在很长时间内共存，所以还推出了从 IPv4向 IPv6过渡的标准，如双栈路由器、隧道及 NAT(network address translation)网络地址翻译等技术标准，以达到渐进、平滑迁移的目的。目前，互联网仍处在迁移过渡的演化的进程之中，20多年过去了，真可谓道阻且长，行则将至，行而不辍，则未来可期。 1.1.1互联网 IP的特点及其局限性 IPv4地址只有4段数字，每一段*大不超过255。由于互联网的蓬勃发展， IP地址的需求量越来越大，使得 IP位址的发放越来越严格，当时各项资料显示全球 IPv4位址可能在2005～2010年间全部发完(实际情况是在2011年2月3日 IPv4地址分配完毕)。地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过 IPv6重新定义地址空间。 IPv6采用128位地址长度。在 IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题，还考虑了在 IPv4中无法解决的其他部分问题。 IPv4的特点如下所示[1]。 (1) IP是当初热门的技术。与此相关联的一批新名词，如 IP网络、IP交换、IP电话、IP传真等，也相继出现。 (2) IP协议中一个非常重要的内容，那就是给 Internet上的每台计算机和其他设备都规定了一个唯一的地址，称为 IP地址。由于用这种唯一的地址定位，才保证了用户在联网的计算机上操作时，能高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。 (3) IP是如何实现网络互联的？各个厂家生产的网络系统和设备，如以太网、分组交换网等，它们相互之间是不能互通的，而其主要的原因是它们所传送数据的基本单元(技术上称为帧)的格式不同。 IP协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件，它把各种不同类型的网络及设备的帧统一转换成 IP数据报格式，这种转换是 Internet的一个*重要的特点，使所有不同种类的计算机都能在 Internet上实现互联互通，消除各种网络及设备的差异，即实现开放性的特点。 (4)电信网与IP网的融合，以 IP为基础的新技术也是热门的技术，如当时用 IP网络传送语音的技术[即 VoIP(voice over internet protocol)]，其他如 IP over ATM(asynchronous transfer mod，异步传输模式)、IP over SDH(synchronous digital hierarchy，同步数字体系)、IP over WDM(wavelength division multiplexing，波分复用)等，都是 IP技术的研究重点。经过多年的发展，人们发现了基于 IPv4的 Internet在技术上的局限性，主要可归纳为如下几点。 (1)网络带宽不够，性能低下。 (2)地址空间面临枯竭。 (3)路由表急剧膨胀，路由器表过长，表现为几点：①地址结构缺乏层次化；②路由器安全性差；③路由器端口少(10～50个)； (4)网络结构混乱，服务质量差，安全性差。 1.1.2 IPv4和 IPv6比较现有的互联网是在 IPv4协议的基础上运行的。 IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的关键协议，它提出的动因是随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，而地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过 IPv6重新定义地址空间。 IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，已在2011年2月3日被分配完毕，而 IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。在 IPv6的设计过程中除了解决地址短缺问题，还考虑了在 IPv4中无法解决的一些问题，主要有端到端 IP连接、服务质量(quality of service，QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。与 IPv4相比，IPv6主要有如下一些优势[1]。 (1) IPv6明显地扩大了地址空间。 IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供 IP地址，从而确保了端到端连接的可能性。 (2) IPv6提高了网络的整体吞吐量。由于 IPv6的数据包可以远远超过64KB，应用程序可以利用*大传输单元(maximum transmission unit，MTU)获得更快、更可靠的数据传输，同时在设计上改进了选路结构，采用简化的报头定长结构和更合理的分段方法，使路由器加快了数据包的处理速度，提高了转发效率，从而提高了网络的整体吞吐量。 (3) IPv6使整个服务质量得到很大改善。报头中的业务级别和流标记通过路由器的配置可以实现优先级控制和 QoS保障，极大地改善了 IPv6的服务质量。

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