因特网已经使我们日常生活的许多方面起了革命性的变化.docx

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因特网已经使我们日常生活的许多方面起了革命性的变化

第1章 引  言

因特网已经使我们日常生活的许多方面起了革命性的变化。

它已经影响了我们进行商业活动的方式，同时也已经影响了我们进行消遣的方式。

可以看一下你最近使用因特网的情况。

或许你已经给你的商业伙伴发送了电子邮件，已经付了水电费，已经阅读了另一个城市的报纸，或已经查阅了本地的电影节目表——所有这些都是使用因特网。

或者，你也许研究了某个医学题目，预定了某个旅馆房间，与叫做Trekkie的人聊天，或为了买一辆车而比较几个商店。

因特网是个通信系统，它把大量的信息带到你的手指尖下，并把这些信息组织好以便我们使用。

因特网是个结构化且组织好的系统。

在讨论因特网是如何工作的以及它和TCP/IP的关系之前，我们先要给出因特网的简史。

接着我们再定义协议和标准的概念，以及它们彼此的关系。

我们还要了解与开发因特网标准有关的许多组织。

这些标准并不是由任何特定组织开发的，而是通过许多用户所达成的意见一致。

我们将讨论这些标准从发起到成熟的整个机制。

在入门的这章中还有一节介绍因特网的一些管理组。

1.1 简要的历史

网络是一组互相连接的通信设备，如计算机和打印机。

互联网（注意：

这是指小写字母i开始的internet）是指两个或更多的可以彼此通信的网络。

最值得注意的互联网就是因特网（大写字母I开始的Internet）,它由超过几十万个互连的网络所组成。

超过100个国家和地区的个人以及不同的组织，如政府机关、学校、研究机构、公司以及图书馆等都在使用因特网。

数以百万计的人是因特网的用户。

然而这个非凡的通信系统在1969年才问世。

1.1.1 ARPANET

在20世纪60年代中期，在研究机构的大型计算机都是独立的设备。

不同厂家生产的计算机不能彼此通信。

美国国防部的远景研究规划局（ARPA）希望找到一种连接计算机的方法，以便使他们资助的研究人员能够共享其研究成果，这样就可以减少费用和避免重复劳动。

1967年在一次计算机协会（ACM）的会议上，ARPA提出了他们连接一些计算机的小网络ARPANET的概念。

这个概念就是每一个主机（不一定是同一个厂家生产的）可以连接到称为接口报文处理机（IMP）的特殊计算机上。

这些IMP则可以依次地互相连接起来。

每一个IMP能够和其他的IMP通信，也可以和它连接的主机通信。

到了1969年，ARPANET已经成为现实，4个结点通过IMP连接成网络。

这4个结点是：

加州大学洛杉矶分校（UCLA）、加州大学SantaBarbara分校（UCSB）、斯坦福研究院（SRI）和犹他（Utah）大学。

提供在这些主机之间通信的软件叫做网络控制协议（NCP）。

1.1.2因特网的诞生

在1972年，ARPANET核心组的成员VintCerf和BobKahn共同进行一个研究项目，叫做“网络互连项目”。

他们希望将不同的网络链接起来，使得一个网络上的主机可以和另一个不同网络上的主机通信。

这里有许多问题要解决：

不同的分组长度，不同的接口，不同的传输速率，以及不同的可靠性需求。

Cerf和Kahn发明了一个概念，就是使用叫做网关的设备作为中间的硬件，以便把分组从一个网络传送到另一个网络。

1.1.3传输控制协议/网际互连协议（TCP/IP）

Cerf和Kahn在1973发表的里程碑论文阐述了实现分组的端到端交付的协议。

这是NCP的一个新的版本。

这篇关于传输控制协议（TCP）的论文包括的概念有：

封装、数据报，以及网关的功能。

有一个很基本的概念就是把纠错的责任从IMP转移到主机上。

这个ARPA互联网现在就变成了主要的通信成果，特别是自从ARPANET的责任已经转移到国防通信署（DCA）以后。

在1977年10月由3个不同网络（ARPANET、分组无线电网、分组卫星网）组成的互联网成功地问世了。

网络之间的通信已成为可能。

不久以后，当局决定将TCP划分成两个协议：

传输控制协议（TCP）和网际互连协议（IP）。

IP处理数据报的路由选择，而TCP负责高层的一些功能，如分段、重装和差错检测。

这个用来进行网际互连的协议后来就被称为TCP/IP。

1981年在完成DARPA的合同中，加州大学伯克利分校修改了UNIX操作系统，使它包括了TCP/IP。

这种将网络软件装进流行的操作系统中的做法大大地普及了网络的互连。

伯克利UNIX的开放的（即非特定厂商的）实现把工作代码给予了每一个厂家，使得这些厂家能够基于这些代码构造他们自己的产品。

在1983年，当局废弃了原来的ARPANET协议，而使TCP/IP成为ARPANET的正式协议。

凡是想利用因特网接入到不同网络上的主机，就必须运行TCP/IP。

1.1.4MILNET

在1983年ARPANET拆分成两个网络：

为军队用户使用的MILNET和为非军队用户使用的ARPANET。

1.1.5CSNET

在因特网历史中的另一个里程碑就是1981年CSNET的创建。

CSNET是美国国家科学基金会（NSF）资助的网络。

这个网络是由一些大学设计的，这些大学和军方（DARPA）并没有联系，因此无法加入到ARPANET。

CSNET是比较便宜的网络；网络中没有冗余链路，而传输速率也较慢。

后来CSNET连接到ARPANET和第一个商用分组交换网Telenet上。

到了20世纪80年代中期，大多数具有计算机科学系的大学都连接到CSNET上。

其他的一些组织和公司也建立了各自的网络，并使用TCP/IP进行互连。

因特网这个名词最初是指政府出资连接的一些网络，但现在则是指使用TCP/IP协议的互相连接在一起的网络。

1.1.6NFSNET

由于CSNET的成功，NSF出资于1986年建造了NFSNET，这是连接分布在美国的5个超级计算机中心的主干网。

许多团体的网络都可以接入到这个主干网，它使用T1线路，速率是1.544Mbps，因而提供了跨越整个美国的连通性。

在1990年，ARPANET正式退役并被NSFNET所取代。

在1995年NSFNET又回到了它原来的科研网的概念。

1.1.7ANSNET

在1991年美国政府断定NSFNET没有能力支持迅速增长的因特网通信量。

IBM、Merit和MCI等三个公司填补了这个空白，组成了叫做高级网络和服务（ANS）的非盈利机构，共同建造了称为ANSNET的新的高速因特网主干网。

1.1.8今日的因特网

今日的因特网并不是简单的层次结构。

它是由许多广域网和局域网通过一些连接设备和交换机连接起来的。

我们很难对因特网给出一种准确的表示，因为因特网一直在连续地变化着——新的网络不断加入进来，现有的网络需要更多的地址，已倒闭公司的网络需要从因特网上去除。

在今天，绝大多数需要因特网连接的端用户都是使用因特网服务提供者（ISP）所提供的服务。

现在有国际因特网服务提供者、国家因特网服务提供者、地区因特网服务提供者和本地因特网服务提供者。

今日的因特网是由一些私人公司而不是由政府运营的。

图1.1给出了因特网在概念上（而不是地理上）的视图。

1.1.9国际ISP

层次结构的最高层是国际ISP，它们把一些国家连接到一起。

1.1.10国家ISP

国家ISP是一些主干网，由几个专门的公司创建和维持。

在北美有许多个国家ISP；其

图1.1 今日的因特网

中最有名的就是SpringLink、PSINet、UUNetTechnology、AGIS,以及互联网MCI。

为了给端用户提供连通性，这些主干网通过一些复杂的交换站相互连接起来。

这种交换站（通常是由第三家来运营）叫做网络接入点（NAP）。

有一些国家ISP网络通过一些专用交换站（称为对等结点）相互连接起来。

国家ISP通常工作在较高的数据率（一直到600Mbps）。

1.1.11地区ISP

地区ISP是一些小ISP，它们通过一个或多个国家ISP连接起来。

它们是层次结构的第三层，数据率也低一些。

1.1.12本地ISP

本地ISP给端用户提供直接的服务。

本地ISP可以连接到地区ISP，或直接连接到国家ISP。

绝大多数的端用户都是连接到本地ISP的。

我们应注意到，从这个意义上讲，本地ISP可以是一个仅仅提供因特网服务的公司，也可以是一个拥有网络并向自己的雇员提供服务的企业，或者是一个运行自己的网络的非盈利机构（如学院或大学）。

以上的每一种都可以连接到地区ISP或国家ISP。

1.1.13大事记

下面是按时间先后顺序的重要因特网事件。

1969年，4个结点的ARPANET建立。

1970年，ARPA的主机实现NCP。

1973年，TCP/IP协议族的开发开始。

1977年，试验了使用TCP/IP的互联网。

1978年，UNIX分发到各学校/研究站点。

1981年，CSNET建立。

1983年，TCP/IP成为ARPANET的正式协议。

1983年，MILNET问世。

1986年，NSFNET建立。

1990年，ARPANET退役，它被NSFNET取代。

1995年，NSFNET又变回到科研网。

1995年，开始出现因特网服务提供者（ISP）这样的公司。

1.1.14因特网的增长

因特网的增长令人吃惊。

仅仅在几十年里，网络数已经从几十个增长到几十万个。

连接在这些网络上的计算机数也从几百台增长到几亿万台。

然而因特网仍在持续增长。

影响这种增长的因素有以下一些：

 新协议 新的协议需要增加近来，而陈旧的协议应该去掉。

例如，在许多方面比IPv4更加优越的协议已被批准作为标准，但还没有全部被实现（见第27章的IPv6）。

新技术 许多能增加网络容量和给因特网用户提供更多带宽的新技术正在开发之中。

多媒体应用的增加 可以预计，以前仅仅用来共享数据的因特网，将被越来越多地用于共享多媒体信息（音频和视频）。

1.2 协议和标准

在本节中，我们要定义两个广泛使用的名词：

协议和标准。

首先，我们要定义协议，它是“规则”的同义词。

然后我们将讨论标准，标准是一致同意的规则。

1.2.1协议

在计算机网络中，通信发生在不同系统的实体之间。

实体就是任何能够发送和接收信息的东西。

但是，两个实体并不能简单地将位流发送给对方，同时还希望对方能够理解这个位流。

要进行通信，这两个实体必须同意使用一种协议。

协议就是一组控制数据通信的规则。

协议定义要传送什么，怎样进行通信，以及何时进行通信。

协议的三个关键要素就是语法、语义和同步。

❑语法 语法就是数据的结构或格式，也就是指数据呈现的顺序。

例如，简单的协议可以规定数据的前8位是发送器的地址，第二个8位是接收器的地址，而剩下的位流则是报文自身。

❑语义 语义是每一部分位的意思。

一个特殊的位模式应怎样解释？

基于这样的解释又该采取什么行动？

例如，地址是标志所要选用一条路由，还是标志报文的终点呢？

❑同步 同步有两个特点：

数据在何时应当发送出去以及数据应当发送得多快。

例如，如果发送端产生数据的速率是每秒100兆比特（Mbps），但接收端只能以1Mbps的速率处理数据，那么这样的传输将使接收端过载并导致数据大量丢失。

1.2.2标准

为了给设备厂商创建和维护开放与竞争的市场，以及确保在数据与电信的技术和处理方面在国内和国际上的互操作性。

这些标准给厂家、卖主、政府机关以及其他的服务提供者提供了指导，以便在今天的市场中和在国际范围的通信中保证必需的连通性。

数据通信的标准有两大类：

事实上的标准（即“根据现实”或“按约定”）与法律上的标准（即根据“法律”或“根据规章”）。

❑事实上的标准 这种标准并没有被某个组织批准，但却被广泛地采用为事实上的标准。

事实上的标准往往最初被一些厂家在试图定义某个新产品或技术的功能时采用。

❑法律上的标准 法律上的标准是指那些已经被官方认可的组织通过并确定的标准。

1.3标准化组织

标准的开发是通过一些标准创建委员会、论坛以及政府管理机构之间的合作来完成的。

1.3.1标准创建委员会

虽然有许多专门负责建立标准的组织，但北美的数据通信主要依赖于以下的一些组织：

❑国际标准化组织（ISO） 国际标准化组织是一个多国团体，其成员主要是来源于世界上许多政府的标准创建委员会。

在1947年创建的ISO是试图对国际标准在世界范围达成一致意见的完全志愿的组织。

它的成员现在包括许多工业化国家的代表性团体，目标是使国际范围商品和服务的交换更加容易，同时提供一些模型以促进兼容性、质量改进、生产率增长和价格下降。

ISO在科学、技术和经济活动诸领域的合作的开发中都是很积极的。

本书主要关心的是ISO在信息技术领域中的努力，即在网络通信中创建了开放系统互连（OSI）模型。

美国在ISO中的代表是ANSI。

❑国际电信联盟–电信标准部（ITU-T） 在20世纪70年代的早期，一些国家确定了电信的国际标准，但那时在国际范围的兼容性还较差。

于是联合国就在国际电信联盟（ITU）下面成立了国际电报电话咨询委员会（CCITT）。

这个委员会致力于研究和建立电信的通用标准，特别是对于电话和数据通信系统。

在1993年3月1日，CCITT改名为国际电信联盟–电信标准部（ITU-T）。

❑美国国家标准化局（ANSI） 尽管这个名字是这样取的，美国国家标准化局（ANSI）完全是民间的非赢利组织，而不隶属于美国联邦政府。

但是，在ANSI所进行的一切活动中，美国及其公民的福利都起到重要的作用。

ANSI的目标是作为美国标准化志愿机构的协调组织，进一步采纳标准以加快美国经济的发展，并确保公众利益的分享与保护。

ANSI的成员包括各种专业协会、工业协会、政府的和管理的团体、以及消费者的组织。

❑电气和电子工程师学会（IEEE） 电气和电子工程师学会（IEEE）是世界上最大的专业的工程师学会。

它的范围是国际性的，目标是在电气工程、电子学、无线电以及工程的相关分支领域发展理论、创造性和提高产品质量。

作为其中的一个目标，IEEE监督对计算和通信的标准的开发和采纳。

❑电子工业协会（EIA） 和ANSI一样，电子工业协会（EIA）是在生产方面推进电子学的应用的非赢利组织。

它的活动除了开发标准外，还包括对公众的教育培训和促进政府对标准的制定。

在信息技术领域定义物理连接的接口和数据通信的电子信令的规约方面，EIA都做出了显著的贡献。

1.3.2论坛

信技术的发展往往要比标准委员会对标准的批准还要快些。

标准委员会是按规章办事的团体，其特点就是行动缓慢。

为满足工作的模型和达成一致意见的需要以及加快标准化的过程，许多特殊兴趣的群组就成立了一些论坛，它由感兴趣的一些公司的代表组成。

论坛与大学和用户们进行合作来对一些新技术进行测试、评价和标准化。

当他们把注意力集中在某个特定技术时，论坛就可以使通信部门加速对这些技术的采纳和使用。

论坛把他们结论提交给制订标准的团体。

在电信工业界的几个重要的论坛有：

❑帧中继论坛 帧中继论坛是由数字设备公司、北方电信、思科公司以及StrataCom公司发起建立的，其目的是推进帧中继的应用和实现。

今天它已拥有约40个成员，代表着北美、欧洲和太平洋周边地区。

该论坛研究的问题包括流量控制、封装、转换和多播。

论坛得出的结果文件将提交给ISO。

❑ATM论坛 ATM论坛推进异步传递方式（ATM）技术的接受和使用。

ATM论坛是由用户屋内设备（如小交换机系统）的卖主和电话局（如电话交换机）提供者所组成。

它关心服务的标准化以保证互操作性。

1.3.3管理机构

在美国，所有的通信技术是由一些政府机构来管理，例如，联邦通信委员会。

这些机构的作用是通过对无线电、电视和无线/有线通信的管理来保护公众的利益。

❑联邦通信委员会（FCC）。

联邦通信委员会（FCC）管理与通信有关的州间和国际间的商务。

以上机构的网址见附录F。

1.4因特网标准

因特网标准是经过充分测试的规约，它对在因特网上工作的人都很有用，并且这些人都要遵守因特网标准。

因特网标准是必须遵守的正式规约。

规约要达到因特网标准的状态需要经过严格的过程。

规约从因特网草案开始。

因特网草案是正在加工的文档（正在进行的工作），没有正式的状态，其生存期为6个月。

当因特网管理机构在进行推荐时，就把草案作为请求评论（RFC）的形式进行公布。

每一个RFC在编辑时都指派给一个编号，并且使所有感兴趣的用户都可以得到它。

当RFC达到成熟水平时就按照其需求等级进行分类。

1.4.1成熟等级

在RFC的生存期间，它总是属于6个成熟等级之一：

建议标准、草案标准、因特网标准、历史的、实验的和提供信息的（见图1.2）。

图1.2RFC的成熟等级

建议标准

建议标准是稳定的、被广泛了解的，并且是对因特网界有足够兴趣的规约。

在这个成熟等级上的规约通常都被几个不同的组测试和实现过。

草案标准

建议标准要上升到草案标准至少要经过两个成功的、独立的和可互操作的实现。

通过克服一些困难，在正常的情况下，经过修订（如果遇到了特定问题）的草案标准会成为因特网标准。

因特网标准

草案标准在经过成功实现的证明后就可以成为因特网标准。

历史的

从历史的角度看，历史的RFC是很有意义的。

这种RFC或者是被后来的规约所取代，或者是从未到达必要的成熟等级而变成为因特网标准。

实验的

被列入实验的RFC就表示它的工作属于正在实验的情况，但并不影响因特网的运行。

这种RFC不能够在任何实用的因特网服务中实现。

提供信息的

被划为提供信息的RFC包括与因特网有关的一般的、历史的或指导性的信息。

这种RFC通常是由非因特网的组织中的某个人（例如，设备的卖主）写出的。

1.4.2需求等级

RFC分为5个需求等级：

必需的、推荐的、选用的、限制使用的和不推荐的（见图1.3）。

图1.3RFC的几种需求等级

必需的

如果RFC被标明为必需的，则它必须被所有的因特网系统实现才能达到最低限度的一致性。

例如，IP（第8章）和ICMP（第9章）都是必需的。

推荐的

被标明为推荐的RFC在最低限度一致性中并不是必需的；因为它还有用，因此称为推荐的。

例如，FTP（第19章）和TELNET（第18章）都是推荐的。

选用的

被标明为选用的RFC不是必需的，也不是推荐的。

但是，某个系统可以因自身的利益而使用它。

限制使用的

被标明为限制使用的RFC只能使用在受限的情况下。

大多数实验的RFC属于这类。

不推荐的

被标明为不推荐的RFC对一般的使用都不合适。

通常历史的（过时的）RFC就属于这类。

可以在http:

//www.faqs.org/rfcs找到RFC。

1.5因特网的管理机构

主要起源于研究领域的因特网现已演进并得到了更广泛的用户基础，这里主要是商业活动。

协调因特网的各种问题的不同群组领导着因特网的增长与发展。

附录F给出了一些组织的地址、电子邮件地址和电话号码。

因特网管理的一般组织方式如图1.4所示。

图1.4因特网的管理

1.5.1因特网协会（ISOC）

因特网协会（ISOC）是成立于1992年的国际性的、非赢利组织，用来提供对因特网标准化过程的支持。

ISOC完成这一目的是通过维持和支持其他的一些因特网管理机构如IAB、IETF、IRTF以及IANA（见以下几节）。

ISOC还推进与因特网有关的的研究和其他一些学术活动。

1.5.2因特网体系结构研究委员会（IAB）

因特网体系结构研究委员会（IAB）是ISOC的技术顾问。

IAB的主要任务是监督TCP/IP协议族的持续发展，以及用技术咨询能力向因特网界的研究人员提供服务。

IAB通过其下属的两个主要机构，即因特网工程部（IETF）和因特网研究部（IRTF）来完成此任务。

IAB的另一个责任就是对RFC的编辑管理（RFC已在本章的前面讲到了）。

IAB还是因特网与其他标准化组织和论坛进行外部联系的机构。

1.5.3因特网工程部（IETF）

因特网工程部（IETF）是工作组的论坛，受因特网工程指导小组（IESG）的领导。

IETF负责找出运行中的问题，并对这些问题提出解决的方法。

IETF还开发并评审打算成为因特网标准的一些规约。

这些工作组被划分成一些领域，每一个领域集中研究某个特定的题目。

目前已经定义了九个领域，虽然这并不是严格的和固定的数。

这些领域是：

❑应用

❑因特网协议

❑路由选择

❑运行

❑用户服务

❑网络管理

❑运输

❑下一代网际互连协议（IPng）

❑安全

1.5.4因特网研究部（IRTF）

因特网研究部（IRTF）是工作组的论坛，受因特网研究指导小组（IRSG）的领导。

IRTF的注意力是在有关因特网协议、应用、体系结构和技术的长期研究题目上。

1.5.5因特网赋号管理局和因特网名字与号码指派公司

到1998年10月为止，由美国政府支持的因特网赋号管理局（IANA）曾负责因特网域名和地址的管理。

在同一时间，由国际董事会管理的、叫做因特网名字与号码指派公司（ICANN）的民间非赢利公司代替IANA的工作。

1.5.6网络信息中心（NIC）

网络信息中心负责收集和分发关于TCP/IP协议族的信息。

有关因特网组织的网址见附录F。

1.6重要术语

远景研究规划局（ARPA）

美国国家标准学会（ANSI）

ANSNET

ARPANET

ATM论坛

国际电报电话咨询委员会（CCITT）

CSNET

事实上的标准

法律上的标准

电子工业协会（EIA）

联邦通信委员会（FCC）

帧中继论坛

电气和电子工程师学会（IEEE）

国际标准化组织（ISO）

国际电信联盟–电信标准部（ITU-T）

因特网

因特网体系结构研究委员会（IAB）

因特网赋号管理局（IANA）

因特网名字与号码指派公司（ICANN）

因特网草案

因特网工程部（IETF）

因特网研究部（IRTF）

因特网服务提供者（ISP）

因特网协会（ISOC）

因特网标准

本地因特网服务提供者

成熟等级

MILNET

网络

网络接入点（NAP）

网络信息中心（NIC）

NSFNET

协议

请求评论（RFC）

需求等级

语义

语法

同步

传输控制协议/网际互连协议（TCP/IP）

1.7本章小结

❑因特网是几十万个分开的网络的集合。

❑ARPANET开始时只是4个结点的网络。

❑TCP/IP是因特网使用的协议族。

❑CSNET使无法加入ARPANET的网络之间可以进行通信。

❑NSFNET使得在美国范围内的各种网络可以通信。

❑本地ISP使单个用户能够连接到因特网。

❑地区ISP连接本地ISP。

❑国家ISP是由几个专门的公司创建和维持的一些主干网。

❑协议是管理数据通信的一组规则；协议的要素是语法、语义和同步。

❑要使不同厂家的产品能够如预期地那样在一起工作，就必须用标准来保证。

❑创建标准的组织有ISO、ITU-T、ANSI、IEEE和EIA。

❑论坛是一些对新技术进行快速评价和标准化的特殊兴趣群组。

帧中继论坛和ATM论坛是两个重要的论坛。

❑FCC是管理无线电、电视和无线/有线通信的管理机构。

❑请求评论（RFC）是一种思想或概念，它是因特网标准的前身。

❑RFC在成为因特网标准之前要经过建议标准级和草案标准级。

❑RFC可分为：

必需的、推荐的、选用的、限制使用的和不推荐的。

❑因特网协会（ISOC）推进与因特网有关的研究和学术活动。

❑因特网体系结构研究委员会（IAB）是ISOC的技术顾问。

❑因特网工程部（IETF）是工作组的论坛，负责找出运行中的问题，并对这些问题提出解决方法。

❑因特网研究部（IRTF）是工作组的论坛，其注意力放在有关因特网协议、应用、体系结构和技术的长期研究题目上。

❑因特网名字与号码指派公司（ICANN）（以前称为IANA）负责管理因特网的域名和地址。

❑网络信息中心（NIC）负责收集和