第1章高性能路由器概述

1.1高性能路由器的興起與發展

1.1.1 高性能路由器的基本特征

1.1.2 高性能路由器產品演化歷程

1.1.3 高性能路由器發展的應用需求

1.1.4 高性能路由器使能技術

1.2高性能路由器的組成

1.2.1 高性能路由器的基本組成

1.2.2 高性能路由器的結構特點

1.2.3 高性能路由器軟件系統

1.2.4高性能路由器信息模型

1.3高性能路由器新型體系結構

1.3.1 集群路由器

1.3.2開放架構路由器

1.3.3 可編程路由器

1.3.4構件化可重構路由器

1.3.5虛擬路由器

1.4高性能路由器的擴展性設計

1.4.1 高性能路由器實現的擴展性

1.4.2并行技術的應用

1.5高性能路由器可靠性設計

1.5.1路由器的可靠性要求

1.5.2平穩重啟和無中斷轉發

1.5.3硬件系統的冗余設計

1.5.4軟件系統的可靠性

1.5.5在線升級能力

1.5.6對網絡可靠性的支持

1.6高性能路由器服務的靈活性

1.6.1服務分離

1.6.2高性能的服務

1.6.3控制平面的調節能力

1.6.4接口的靈活性

1.6.5轉發引擎的靈活性

1.6.6服務質量支持

1.7高性能路由器服務的能耗設計

第2章高速交換技術

2.1基本交換結構

2.1.1 基本交換結構

2.1.2共享內存結構

2.1.3 Crossbar交換結構

2.2 Crossbar工作模式與調度算法

2.2.1Crossbar交換結構的分類

2.2.2 Crossbar調度算法類型

2.2.3單播調度算法

2.2.4組播調度算法

2.2.5 支持服務質量的調度算法

2.2.6交換背板的設計

2.3高可擴展交換結構

2.3.1 Crossbar的局限性

2.3.2多級交換結構

2.3.3動態多級交換網絡

2.3.4靜態多級交換網絡

2.3.5并行分組交換網絡

第3章高性能轉發引擎

3.1 轉發引擎的功能與結構

3.1.1 多協議轉發功能

3.1.2服務質量控制

3.1.3安全策略控制

3.1.4轉發引擎的結構

3.2路由查找

3.2.1 最長前綴匹配

3.2.2 IP路由查找面臨的挑戰

3.2.3 高性能路由器的路由表查找

3.2.4硬件直接查表算法示例

3.2.5 TCAM算法示例

3.3轉發引擎流量管理系統

3.3.1 流量管理系統的組成

3.3.2報文分類

3.3.3流量測量

3.3.4流量管制

3.3.5流量整形

3.3.6報文調度

3.3.7緩沖區管理

3.4報文分類

3.4.1報文分類技術

3.4.2報文分類面臨的挑戰

3.4.3典型的分類算法

3.5排隊與調度

3.5.1排隊

3.5.2 RED算法

3.5.3報文調度

3.5.4基本調度算法

3.6 Cisco快速轉發技術

3.6.1 基于Cache的轉發

3.6.2 Cisco快速轉發

3.6.3 Cisco分布式快速轉發

第4章高性能路由器軟件系統

4.1路由器軟件系統結構的演化

4.1.1傳統路由器軟件結構的局限性

4.1.2高性能路由器軟件系統基本結構

4.2高性能路由器軟件系統的功能組成

4.2.1軟件組成

4.2.2操作系統

4.2.3路由協議和信令

4.2.4用戶界面

4.3 Cisco IOS軟件系統

4.3.1 IOS概述

4.3.2 Cisco IOS結構

4.3.3 Cisco IOS XR

4.4高性能路由器軟件系統的性能設計

4.4.1路由系統的擴展性

4.4.2軟件系統性能設計

4.4.3路由協議及其擴展性

4.4.4提高路由系統擴展性的途徑

4.5高性能路由器軟件系統的可靠性設計

4.5.1 實現軟件系統可靠性的基本途徑

4.5.2穩定性設計

4.5.3軟件系統可靠性結構

……

第5章 路由協議并行實現

第6章 可重構路由器的設計

第7章 虛擬路由器的設計

附錄 縮略語

參考文獻

《高性能路由器設計與實現》由國防工業出版社出版，《高性能路由器設計與實現》適合于系統學習和掌握路由器技術、新型網絡技術的大專院校師生閱讀，同時可供從事網絡設備研發和大型網絡運維的工程技術人員參考。

本書是“863”通信高技術叢書中的一本。系統介紹高性能路由器的體系結構、設計和實現的關鍵技術、高性能路由器的應用與組網，探討高性能路由器設計方法和骨干網絡構建的前沿技術。作者不但能夠深入具體地闡釋路由器的實現技術，又能夠以高性能路由器為平臺，通過實現示例和對實現問題的探討，以一種新的方式比較全面地介紹和系統地探討新興網絡技術。

本書具有較好的系統性。作者著眼于路由器的整體設計，不但強調網絡設備的總體結構和子系統之間的關系，還幫助讀者把握路由器節點在網絡體系結構中的地位與作用。

本書系統介紹高性能路由器的體系結構、設計和實現的關鍵技術、高性能路由器的應用與組網，揭示路由器結構演化規律和發展趨勢，深入探討高性能路由器設計方法和實現的核心技術。本書從系統結構、硬件系統、軟件系統和技術體制四個方面論述高性能路由器，不但涉及高速換技術、高速接口技術、高性能轉發引擎、路由協議等最新研究成果，而且有機融合多播、MPLS、IPv6、核心網絡安全等新型網絡技術。

本書內容新穎，系統性強，涉及面廣，對網絡技術和路由器感興趣的讀者都能從中獲取有價值的信息。初學者可以掌握路由器的計算機網絡的基礎知識與最新進展，有基礎的讀者能夠把握實現高性能路由器的技術途徑和權衡技巧。本書可供通信、計算機、網絡工程技術人員閱讀，也可供高等院校相關專業師生學習參考。

書名：工程優化設計與MATLAB實現（修訂版）

書號：9787302266082

作者：張永恒等

定價：34元

出版日期：2011-9-5

出版社：清華大學出版社

內容簡介

本書以工程實例為背景，以MATLAB語言為工具，較全面地介紹了優化設計的理論及應用。本書主要內容包括：優化設計基本模型；優化設計數學基礎知識；一維搜索方法；無約束優化問題、有約束優化問題的經典算法；啟發式優化算法，包括蟻群優化、粒子群優化算法、遺傳算法、模擬退火算法、禁忌算法和人工神經網絡算法；MATLAB優化工具箱函數及應用；優化算法工程應用實例及MATLAB基礎知識。書中配有完整的MATLAB程序。本書可作為高等工科院校有關專業優化設計方面課程的教材和教學參考書，也可供有關專業的師生和工程技術人員參考。

前言

優化設計是一門古老而新興的理論，既有著很強的應用背景，又有著堅實的數學基礎。它的數學基礎可以追溯到牛頓（Newton,1642-1727) 、萊布尼茨（W.Leibniz,1646-1716）創立的微積分理論。優化設計與運籌學有著密切的聯系，前者是后者在非線性規劃方向的延伸和發展。優化設計主要研究連續函數在有約束和無約束條件下單目標函數或多目標函數的最優值問題，而運籌學主要研究經濟活動和軍事活動中能用數量來表達的有關策劃、管理方面的問題。隨著科學技術和生產的發展，運籌學已滲入到多個領域，其本身也在不斷發展，包含了多個數學分支，如數學規劃（又包含線性規劃、非線性規劃、整數規劃、組合規劃等）、圖論、網絡流、決策分析、排隊論、可靠性數學理論、庫存論、對策論、搜索論、模擬等。在運籌學方面，我國著名科學家錢學森、許國志、數學家華羅庚等作出了重要貢獻。1956年錢學森和許國志共同創建了中國第一個運籌學研究組織。從20世紀60年代開始，華羅庚持續近20年在全國范圍內推廣優選法和統籌法，產生了巨大的經濟效益。其中優選法采用的黃金分割搜索方法也是優化設計中一維搜索常用的一種方法。各種啟發式（heuristic）算法或智能算法，如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、神經網絡算法等不但能解決連續函數的優化問題，也能解決離散函數的優化問題，它們將優化設計與運籌學緊密結合起來。

廣義來說優化設計采用的方法是搜索的方法，傳統的優化設計方法主要采用線搜索方法，而啟發式優化方法采用多方位的隨機搜索方法。對非線性函數來說，在極值點附近可以用二次函數來逼近，若存在極小值，則極值點附近的函數值均大于極值點處的函數值。求連續函數極值的問題，一部分人可能會想到用求導數的方法來解決，另一部分人可能不采用求導數的方法，而直接用比較的方法來確定搜索區間和極小值。與求導數的方法相比，直接搜索法是優化設計中更基礎的方法。從優化設計的數學模型來分，優化設計問題可分為有約束的優化問題和無約束的優化設計問題；而從求解方法來分，優化設計方法可分為基于導數的方法和直接搜索方法。隨機方向法、復合型法、鮑威爾法、可行方向法均屬于直接搜索法，值得注意的是遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等啟發式算法均含有隨機方向法的基本內涵。

優化設計廣泛應用于航空、汽車、化工、電力、建筑、機械制造等眾多領域，由于優化問題的多樣性，相應出現了多種優化設計方法，每一種方法都有其自身的特點和適用范圍，在實際應用中，特別對于大型優化設計問題，不應以一次計算結果或一種方法得出的結果作為最終的最優結果。

優化設計是以工程設計問題為背景，將最優化原理與計算技術相結合的產物。不論是從學習的角度還是從應用的角度，實踐都是非常重要的，實踐既是學習的終點又是學習的起點。本書特別強調理論與實踐的結合。實踐包括多個方面，最基本的是通過簡單的例子用手工演算來驗證算法，然后是通過編程利用計算機實現和驗證優化算法，最后是針對工程設計問題建立優化設計模型，選擇合適的優化算法解決設計問題。MATLAB不但是實現數值計算的計算機高級語言，同時也是解決多種工程和數學問題的仿真軟件。本書以MATLAB語言作為程序設計語言和實踐環境，針對每一種算法編寫了學習程序，方便讀者學習。這些程序主要為驗證優化算法而設計，讀者可以以此為基礎編寫自己的程序。MATLAB本身包含有命令格式和GUI格式的優化工具箱，并隨著版本的升級不斷加入新的優化算法。本書第11章簡要介紹了MATLAB優化工具箱命令格式的各種優化函數，優化工具箱函數為實現優化設計提供了極大的方便，但從學習的角度來說，應盡可能自己編程以便深刻領會和掌握所學的優化算法。

本書修訂版保持了原書的內容，對部分內容作了修訂，完善了各章習題。本書配有電子教案，需要者可與清華大學出版社聯系。

本書由張永恒主編并統稿，蔡慧林、褚衍東審閱，何瑋、馬斌、朱凌云（蘭州交通大學）、嚴軍（西北師范大學）參加編寫。第1章、第12.1~12.3節由張永恒編寫；第9章和第12.10節由何瑋編寫；第5、6、7章由馬斌編寫；第2、4、8章由朱凌云編寫；第3、10、11章和第12.4~12.9節由嚴軍編寫；習題由張永恒、馬斌、朱凌云編寫。在編寫過程中，張鵬、劉金平、程明、周志勇、寧珍、劉軍強、唐強完成了部分程序的調試工作，在此表示感謝。在編寫過程中參考了網絡中有關作者的資料在此一并表示感謝。

由于作者水平有限，書中一定有不少錯誤和缺點，敬請廣大讀者提出寶貴意見。

目錄

目 錄

第1章 緒論1

1.1 最優化問題的提出1

1.2 最優化問題的分類4

1.3 優化模型的圖形表示5

1.4 有限元法引例10

1.5 多學科設計優化集成軟件iSIGHT簡介12

習題16第2章 優化設計的數學基礎18

2.1 向量與矩陣的范數18

2.1.1 向量的范數18

2.1.2 矩陣的范數18

2.2 方向導數與梯度19

2.2.1 方向導數19

2.2.2 梯度20

2.3 函數的泰勒級數展開21

2.4 無約束優化問題的極值條件22

2.5 凸集與凸函數25

2.5.1 凸集25

2.5.2 凸函數25

2.6 有約束優化問題的極值條件27

2.6.1 等式約束優化問題的極值條件27

2.6.2 不等式約束優化問題的極值條件29

習題36第3章 線性規劃37

3.1 線性規劃的標準形式37

3.2 單純形法38

3.2.1 基本解與基本可行解38

3.2.2 基本可行解的轉換42

3.2.3 單純形法的計算步驟44

3.2.4 單純形法列表計算47

3.3 單純形法的MATLAB程序及實例49

3.4 改進的單純形法51

3.4.1 改進的單純形法的基本思想52

3.4.2 改進的單純形法的計算步驟52

3.5 改進的單純形法的MATLAB程序及實例55

習題57第4章 一維搜索方法60

4.1 確定初始單峰區間的方法--進退法60

4.1.1 進退法原理60

4.1.2 進退法程序框圖及MATLAB程序61

4.2 黃金分割法63

4.2.1 黃金分割法的基本原理63

4.2.2 黃金分割法的計算方法63

4.2.3 黃金分割法的計算框圖和MATLAB程序64

4.3 拉格朗日插值多項式66

4.3.1 線性插值66

4.3.2 二次函數插值66

4.3.3 "_blank" href="/item/拉格朗日插值/19129353" data-lemmaid="19129353">拉格朗日插值多項式70

4.4 插值與擬合的其他方法71

4.4.1 差商與牛頓插值71

4.4.2 列維爾插值法72

4.4.3 曲線擬合的最小二乘法75

4.4.4 正交多項式及其在曲線擬合中的應用76

4.5 一元及多元非線性方程求根81

4.5.1 一元非線性方程求根81

4.5.2 多元非線性方程組求根84

習題85第5章 無約束優化問題的導數解法87

5.1 最速下降法87

5.1.1 最速下降法的基本原理87

5.1.2 最速下降法的MATLAB程序89

5.2 牛頓法90

5.2.1 牛頓法的基本原理90

5.2.2 阻尼牛頓法92

5.2.3 阻尼牛頓法的MATLAB程序93

5.3 共軛梯度法94

5.3.1 共軛方向的概念94

5.3.2 共軛方向與函數極值的關系94

5.3.3 共軛梯度法的幾種形式95

5.3.4 共軛梯度法的MATLAB程序99

5.4 變尺度法100

5.4.1 變量的尺度100

5.4.2 變尺度矩陣的建立103

5.4.3 變尺度法的MATLAB程序106

習題108第6章 無約束優化問題的直接解法109

6.1 坐標輪換法109

6.1.1 坐標輪換法的基本原理109

6.1.2 搜索方向與步長的確定109

6.1.3 坐標輪換法的MATLAB程序110

6.2 單形替換法112

6.2.1 單形替換法（一）113

6.2.2 單形替換法（二）114

6.2.3 單形替換法的MATLAB程序115

6.3 鮑威爾法119

6.3.1 鮑威爾法的原理120

6.3.2 鮑威爾基本算法的步驟120

6.3.3 改進的鮑威爾方法121

6.4 鮑威爾法的MATLAB程序及實例125

習題127第7章 約束優化問題的直接解法129

7.1 隨機方向法129

7.1.1 隨機方向法的基本原理129

7.1.2 隨機方向法的步驟129

7.1.3 隨機方向法的MATLAB程序130

7.2 復合形法133

7.2.1 復合形法的步驟133

7.2.2 復合形法的MATLAB程序135

7.3 可行方向法140

7.3.1 可行方向法的搜索策略140

7.3.2 Zoutendijk可行方向法141

7.3.3 Rosen可行方向法144

7.3.4 Rosen可行方向法的MATLAB程序146

習題150第8章 約束優化問題的間接解法152

8.1 罰函數法152

8.1.1 內點罰函數法152

8.1.2 外點罰函數法156

8.1.3 混合罰函數法158

8.2 增廣乘子法160

8.2.1 拉格朗日乘子法160

8.2.2 等式約束的增廣乘子法162

8.2.3 不等式約束的增廣乘子法165

習題169第9章 多目標函數優化設計171

9.1 多目標優化問題172

9.1.1 多目標優化問題的數學模型172

9.1.2 多目標優化設計解的類型172

9.2 多目標優化問題的求解方法173

9.2.1 線性組合法173

9.2.2 理想點法174

9.2.3 乘除法175

習題175第10章 最優化問題的啟發式算法177

10.1 蟻群算法177

10.1.1 蟻群算法求解TSP的基本原理177

10.1.2 用蟻群算法求解函數優化問題181

10.2 粒子群優化算法185

10.2.1 粒子群優化算法的基本原理185

10.2.2 用粒子群算法求解函數優化問題185

10.3 遺傳算法189

10.3.1 遺傳算法的基本原理189

10.3.2 混合遺傳算法196

10.3.3 十進制編碼遺傳算法199

10.3.4 用遺傳算法求解TSP問題203

10.4 模擬退火算法204

10.5 人工神經網絡算法208

10.5.1 人工神經網絡的特征及分類208

10.5.2 BP網絡209

10.5.3 Hopfield神經網絡模型212

習題222第11章 MATLAB優化工具箱簡介223

11.1 MATLAB常用內部數學函數223

11.2 MATLAB優化工具箱的主要函數224

11.2.1 MATLAB求解優化問題的主要函數224

11.2.2 優化函數控制參數225

11.3 線性規劃問題226

11.4 一元和多元函數的優化問題228

11.4.1 一元函數的優化問題228

11.4.2 多元函數的無約束優化問題228

11.4.3 多元函數的有約束優化問題230

11.4.4 二次規劃問題231

11.5 半無限約束多元函數優化問題233

11.6 多目標優化問題234

11.6.1 理想點法234

11.6.2 線性加權和法237

11.6.3 最大最小法239

11.6.4 目標達到法240

11.7 最小二乘法在優化及數據擬合中的應用242

11.7.1 有約束線性最小二乘243

11.7.2 最小二乘法數據（曲線）擬合之一244

11.7.3 最小二乘法數據（曲線）擬合之二245

11.7.4 最小二乘法數據（曲線）擬合之三246

11.8 非線性方程的求解247

11.8.1 一元非線性方程的解247

11.8.2 非線性方程組的解247

習題251第12章 工程優化設計實例254

12.1 平面連桿機構的優化設計254

12.1.1 曲柄搖桿機構優化設計數學模型255

12.1.2 曲柄搖桿機構優化設計的MATLAB程序及運行結果256

12.2 凸輪優化設計257

12.2.1 凸輪型線優化設計目標函數258

12.2.2 優化函數約束條件259

12.2.3 凸輪機構優化設計的MATLAB程序及計算實例259

12.3 螺栓連接的優化設計261

12.3.1 螺栓連接受力分析261

12.3.2 螺栓連接的設計變量、目標函數及約束條件262

12.3.3 螺栓連接的優化數學模型263

12.3.4 螺栓連接優化設計的MATLAB程序及運行結果263

12.4 圓柱齒輪傳動的優化設計264

12.4.1 模糊綜合評判的一般流程264

12.4.2 圓柱齒輪傳動優化設計的目標函數和設計變量266

12.4.3 圓柱齒輪傳動優化設計的約束條件267

12.4.4 最優截集水平值"para" label-module="para">

12.4.5 圓柱齒輪傳動優化設計的MATLAB程序及計算結果270

12.5 圓柱螺旋彈簧的優化設計272

12.5.1 圓柱螺旋彈簧優化設計的數學模型272

12.5.2 圓柱螺旋彈簧優化設計實例274

12.6 軸的優化設計275

12.6.1 扭轉軸的優化設計275

12.6.2 圓形等截面軸的優化設計276

12.6.3 車床主軸的優化設計278

12.7 桁架的優化設計281

12.7.1 靜定桁架的優化設計281

12.7.2 三桿桁架的優化設計284

12.8 換熱器的優化設計286

12.8.1 換熱器優化設計（一）286

12.8.2 換熱器優化設計（二）289

12.9 基于優化方法的常微分方程邊值問題數值解291

12.9.1 基于MATLAB函數的求解方法291

12.9.2 求解兩點邊值問題的打靶法292

12.9.3 邊界層微分方程組及相似解293

12.9.4 流函數方程和溫度方程的求解295

12.10 含間隙機械系統的參數優化設計306

12.10.1 力學模型及運動微分方程307

12.10.2 系統的分岔和通向混沌的道路308

12.10.3 系統優化設計的MATLAB程序309

習題312參考文獻3162100433B