什么是Internet什么

什么是Internet什么 TCP/IP及网络编程技术 第1章 Internet概述 什么是Internet,在英语中“Inter”的含义是“交互的”，“net”是指“网络”。简单 2 而言，Internet是指一个由计算机构成的交互网络。它是一个世界范围内的巨大的计算机网 络体系，它把全球数万个计算机网络，数千万台主机连接起来，包含了难以计数的信息资源，向全世界提供信息服务。它的出现，是世界由工业化走向信息化的必然和象征，但这并不是对Internet的一种定义，而仅仅是对它的一种解释。从网络通信的角度来看，Internet是一个以TCP/IP网络协议连接各个国家、各个地区、各个机构的计算机网络的数据通信网。从信息资源的角度来看，Internet是一个集各个部门、各个领域的各种信息资源为一体，供网上用户共享的信息资源网。现在的Internet已经远远超过了一个网络的涵义，它是一个信息社会的缩影。虽然至今还没有一个准确的定义来概括Internet，但是这个定义应从通信协议、物理连接、资源共享、相互联系、相互通信等角度来综合加以考虑。 了解一个事物的最有效方法莫过于先了解它的历史，在本章中，先简要回顾一下Internet的发展历史，再介绍与Internet相关的管理结构，并对当前的Internet应用现状与发展趋势作一简单介绍。 1.1 Internet发展历史 Internet最早来源于美国国防部高级研究计划局DARPA(Defense advanced Research Projects Agency)的前身ARPA建立的ARPAnet，该网于1969年投入使用。从20世纪60年代开始，ARPA就开始向美国国内大学的计算机系和一些公司提供经费，以促进基于分组交换技术的计算机网络的研究。1968年，ARPA为ARPAnet网络项目立项，该项目基于这样一种主导思想:网络必须能够经受住故障的考验而维持正常工作，一旦发生战争，当网络的某一部分因遭受攻击而失去工作能力时，网络的其他部分应当能够维持正常通信。最初，ARPAnet主要用于军事研究目的，它有五大特点: (1)支持资源共享。 (2)采用分布式控制技术。 (3)采用分组交换技术。 (4)使用通信控制处理机。 (5)采用分层的网络通信协议。 1969年6月，完成第一阶段的工作，组成了4个结点的试验性网络，称为ARPAnet。ARPAnet采用称之为接口报文处理器(IMP)的小型机作为网络的结点机，为了保证网络的可靠性，每个IMP至少和其他两个IMP通过专线连接，主机则通过IMP接入ARPAnet。IMP之间的信息传输采用分组交换技术，并向用户提供电子邮件、文件传送和远程登录等服务。ARPAnet被公认为世界上第一个采用分组交换技术组建的网络。 1972年，ARPAnet在首届计算机后台通信国际会议上首次与公众见面，并验证了分组交换技术的可行性，由此，ARPAnet成为现代计算机网络诞生的标志。 1973年，美国国防部高级研究计划局DARPA正式启动并实施了一研究项目，称为“The Internetting Project”。该项目着眼于互联各种基于分组交换技术的计算机网络，并设计出一 第1章 Internet概述 类通信协议以便于在网络计算机中透明地交互。由该项目构建的网络可视为现在Internet的 前身，其所研发的通信协议最终发展成为著名的TCP/IP协议族。 3 1980年，ARPA投资把TCP/IP加进UNIX(BSD4.1版本)的内核中，在BSD4.2版本 以后，TCP/IP协议即成为UNIX操作系统的通信模块，这其中美国国防部的作用功不可没。 1982年，Internet由ARPAnet、MILNET等几个计算机网络合并而成，作为Internet的早期骨干网，ARPAnet试验并奠定了Internet存在和发展的基础，较好地解决了异种机网络互联的一系列理论和技术问题。 1983年，ARPAnet分裂为两部分:ARPAnet和纯军事用的MILNET。该年,月，ARPA把TCP/IP协议作为ARPAnet的标准协议。其后，人们称呼这个以ARPAnet为主干网的网际互联网为Internet，TCP/IP协议族便在Internet中进行研究、试验，并改进成为使用方便、效率极好的协议族。 1986年，美国国家科学基金会NSF(National Science Foundation)建立了6大超级计算机中心，为了使全国的科学家、工程师能够共享这些超级计算机设施，NSF建立了自己的基于TCP/IP协议族的计算机网络NSFnet。NSF在全国建立了按地区划分的计算机广域网，并将这些地区网络和超级计算中心相连，最后将各超级计算中心互联起来。地区网的构成一般是由一批在地理上局限于某一地域，在管理上隶属于某一机构或在经济上有共同利益的用户的计算机互联而成。连接各地区网上主通信结点计算机的高速数据专线构成了NSFnet的主干网，这样，当一个用户的计算机与某一地区相连以后，它除了可以使用任一超级计算中心的设施，可以同网上任一用户通信外，还可以获得网络提供的大量信息和数据。这一成功使得NSFnet于1990年6月彻底取代了ARPAnet而成为Internet的主干网。 到了20世纪90年代，美国政府意识到仅靠政府资助，难以适应应用的发展需求，故鼓励商业部门介入。MCI、IBM和MERIT公司联合组建ANS(高级网络和服务公司)，建立覆盖全美的、T3(44.746M)的ANSNET，连接ARPANET和NSFNET。随后，DARPA和NSF撤销对ARPAnet、NSFNET的资助，因特网开始商用。商业机构的介入，出现大量的ISP和ICP，丰富了Internet的服务和。美国政府通过因特网发布世界各国的经济、贸易信息。 Internet的发展时间表如图1.1所示，图中给出了在Internet发展中涉及到的重大事件。 1.2 Internet管理机构 Internet的发展和正常运转需要一些管理机构的管理，如IP地址的分配需要有IP地址资源的管理机构，各种标准的形成需要有专门的技术管理机构。本节将介绍Internet各个管理机构的职能及它们之间的关系。 TCP/IP协议及网络编程技术 INTERNETINTERNET当今的ARPANETNSFInternet雏形早期骨干网4 1968年1980年1986年1993年 APARNET实APARNET过NSF骨干网启World Wide NSF net取代NSF骨干网 验网WebAPARNET渡到TCP/IP动启动 MILNET/APA研究出TCP/IPRNET分离 接入Internet的接入Internet的 320 60 30050090019，000网络数量网络数量 图1.1 Internet发展时间表 1.2.1 Internet管理机构 Internet工作委员会(Internet Activities Board，IAB)成立于1980年，属于非营利机构，负责技术的方针和策略的拟定，以及管理工作的导引协调，例如有关TCP/IP的发展、决定哪些协议能成为TCP/IP的一员、在何时可以成为标准，以及因特网的演进、网络系统与通信技术的研发等工作。在IAB之下，有研究小组及工作小组两个主要单位，并有一些小型指导群，共同进行设定标准及决定策略的工作。IAB的组织架构可用图1.2来说明。 Internet工作委员会(IAB) Internet工作委员会(IAB) IESG指导组IRSG研究指导组 IESG指导组 IRSG研究指导组(Internet Engineering Steering (Internet Research Steering Group) (Internet Engineering Steering Group) (Internet Research Steering Group)Group) IETF工程任务小组 IRTF研究任务小组 IRTF研究任务小组IETF工程任务小组(Internet Engineering Task Force) (Internet Research Task Force) (Internet Research Task Force)(Internet Engineering Task Force) 图1.2 IAB的组织架构图 1.2.2 Internet域名与地址管理机构 Internet 域名与地址管理机构(ICANN)是为承担域名系统管理、IP地址分配、协议参数配置以及主服务器系统管理等职能而设立的非营利机构。现由IANA 和其他实体与美国 第1章 Internet概述 政府约定进行管理。ICANN理事会是ICANN的核心权力机构，共由19位理事组成:9位At-Large理事，9位来自ICANN 3家支持组织提名的理事(每家3名)和一位总裁。根据ICANN 5 的章程规定，它设立3个支持组织，从3个不同方面对Internet政策和构造进行协助、检查 以及提出建议。这些支持组织帮助促进了Internet政策的发展，并且在Internet技术管理上鼓励多样化和国际参与。每家支持组织向ICANN董事会委派3位董事。这3个支持组织是: (1)地址支持组织(ASO)，负责IP地址系统的管理。 (2)域名支持组织(DNSO)，负责互联网上的域名系统(DNS)的管理。 (3)协议支持组织(PSO)，负责涉及Internet协议的惟一参数的分配。此协议是允许计算机在因特网上相互交换信息，管理通信的技术标准。 1.2.3 IP地址管理机构 全世界国际性的IP地址管理机构有4个，即ARIN、RIPE、APNIC和LACNIC，它们负责IP地址的地理区域，如图1.3所示。 其中美国Internet号码注册中心ARIN (American Registry for Internet Numbers)提 供的查询内容包括了全世界早期网络及现 在的美国、加拿大、撒哈拉沙漠以南非洲的 IP地址信息;欧洲IP地址注册中心RIPE (Reséaux IP Européens)包括了欧洲、北非、 西亚地区的IP地址信息;亚太地区网络信息 中心APNIC(Asia Pacific Network Information 图1.3 IP地址管理机构覆盖范围图 Center)包括了东亚、南亚、大洋洲IP地址 注册信息;拉丁美洲及加勒比互联网络信息中心LACNIC(Latin American and Caribbean Network Information Center)包括了拉丁美洲及加勒比海诸岛IP地址信息。 中国的IP地址管理机构称为中国互联网络信息中心(China Internet Network Information Center，简称CNNIC)，它是成立于1997年6月的非营利管理与服务机构，行使国家互联网络信息中心的职责。中国科学院计算机网络信息中心承担CNNIC的运行和管理工作。它的主要职责包括域名注册管理，IP地址、AS号分配与管理，目录数据库服务，互联网寻址技术研发，互联网调查与相关信息服务，国际交流与政策调研，承担中国互联网协会政策与资源工作委员会秘处的工作。 TCP/IP协议及网络编程技术 1.3 Internet协议与标准 6 Internet的实质是实现异种网络的互联，它充分利用各种通信子网的数据传输能力，通 过在依赖于通信子网的通信模块和应用程序之间插入新的协议软件来保证应用程序之间的互操作性。因特网的协议族称为TCP/IP协议族。其中包含了为数众多的协议，如应用层的Telnet、FTP、HTTP、SMTP、DNS等协议、传输层TCP、UDP协议，网络层的IP、ARP、RARP、ICMP、IGMP等协议。 Internet的一个公认标准是RFC(Request For Comment)，RFC可以说是TCP/IP和Internet发展及成长的基石，所有关于TCP/IP和因特网的规格、协议内容、会议记录、发展历史等文件数据都以RFC数字编号的方式，由美国网络信息中心(Network Information Center， NIC)所收集。例如RFC1000介绍了一些RFC的历史，以及各种RFC的分类。若有人对于改进TCP/IP现有能力有新的想法时，可以写一个计划方案发表在Internet上，这个计划方案即是所谓的RFC。RFC的作者都是自愿的，其创作得不到任何报偿。每个RFC会被赋予一个号码，此号码为一递增的数字，绝不会被重新指定。更新的RFC有更高的数字编号，并使得旧的RFC失效，因此若发现在不同的文件中讨论的是相同的主题，应以编号较高的RFC为依据。另外，亦可能有自愿的评论者对RFC作建设性的批评与建议，原作者可根据以校订 Draft Standard)，原先的设计使之更加完美。若一切无问题，该项RFC便成为起草标准( 程序设计人员就可依该份标准来设计软件，实现其所描述的功能。在真正的程序代码出现之前，RFC都不被认定是正式标准。 1.4 Internet应用现状与发展趋势 从目前的情况来看，Internet市场仍具有巨大的发展潜力，未来其应用将涵盖从办公室 共享信息到市场营销、服务等广泛领域。另外，Internet带来的电子贸易正改变着现今商业活动的传统模式，其提供的方便而广泛的互联必将对未来社会生活的各个方面带来影响。 然而Internet也有其固有的缺点，如接入网络缺乏整体规划和设计，网络拓扑结构不清晰以及容错及可靠性能的缺乏，而这些对于商业领域的不少应用是至关重要的。安全性问题是困扰Internet用户发展的另一主要因素。虽然现在已有不少的方案和协议来确保Internet网上的联机商业交易的可靠进行，但真正适用并将主宰市场的技术和产品目前尚不明确。另外，Internet是一个中心的网络。所有这些问题都在一定程度上阻碍了Internet的发展，只有解决了这些问题，Internet才能更好地发展。 随着世界各国信息高速公路计划的实施，Internet主干网的通信速度将大幅度提高;有线、无线等多种通信方式将更加广泛、有效地融为一体;Internet的商业化应用将大量增加，商业应用的范围也将不断扩大;Internet的覆盖范围、用户入网数以令人难以置信的速度发展;Internet的管理与技术将进一步规范化，其使用规范和相应的法律规范正逐步健全和完善;网络技术不断发展，用户界面更加友好;各种令人耳目一新的使用方法不断推出，最新 第1章 Internet概述 的发展包括实时图像和话音的传输;网络资源急剧膨胀。总之，人类社会必将更加依赖 Internet，人们的生活方式将因此而发生根本的改变。 7 TCP/IP协议及网络编程技术 8 第2章 TCP/IP协议族体系结构 TCP/IP协议族无疑是当今流行最为广泛的网络互联协议，人们今天所熟悉的绝大多数Internet服务都是架构在该协议族之上的，对于它的历史已在第1章中有所了解。那么它究竟是如何将运行不同操作系统，由不同厂家生产的计算机互联起来的,它和已有的OSI模型之间的关系如何,它的每一层具体包含哪些协议,我们将在本章中一一阐述。 2.1 TCP/IP层次结构及其与OSI七层体系结构的比较 TCP/IP与OSI的体系结构都是采用分层结构，结构中的下层向上层提供服务。这种分层结构具有模块划分清晰，扩展性好等优点，所以被TCP/IP和OSI所采用。虽然TCP/IP和OSI都是采用分层结构，它们之间还是存在着许多重要的区别。 2.1.1 分层体系结构的对应 TCP/IP与OSI分层架构间的对应，可以用图2.1来表示。OSI具有完整的七层架构，而TCP/IP则只定义了3种层次的服务。TCP/IP应用服务层，对应到OSI架构中的应用层、表示层以及会话层。两者之间最大的不同点在于:OSI考虑到开放式系统互联而设定了数据表示层，而TCP/IP的网络层与传输层，则分别与OSI的网络层和传输层的功能大致相同。此外，TCP/IP本身并没有提供物理层与数据链路层的服务，所以一般是架在OSI的第一、二层上运作。 OSITCP/IP 应用层 表示层应用层 会话层 传输层传输层 网络层Internet层 数据链路层网络接口层物理层 图2.1 TCP/IP与OSI分层结构的对应 第1章 Internet概述 2.1.2 总体发展 TCP/IP的发展比OSI早了约10年左右，技术上的发展较成熟，开发出来的相关应用协9 议也较多，此外，由于它是应因特网的实际需求而产生的，因此在现实的环境中可行性也较 高。而OSI架构完整、功能详尽、包容性大，但在Internet中大多数还属于测试阶段，很少有实际运行的系统。 就目前的发展状况来说，TCP/IP已成为了Internet中的主流协议，在使用上比OSI要广泛许多。它具有非常多的应用标准，对于现行网络应用系统的开发而言，能提供较多的规划选择，而且由于TCP/IP已在实际中使用相当长的时间，具有此方面开发与使用经验的人员也比较多。 2.1.3 标准及规范 TCP/IP产生于Internet的研究和实践中，是应实际需求而产生的实作，本身在发展之前并没有事先定义一个严谨的架构。而OSI则是由标准化组织所制定，先定义了一个功能完整的架构，再根据该架构发展相应的协议。 TCP/IP虽然有IAB、IETF等机构负责制定与讨论TCP/IP的标准化，也有许多学术界人士和计算机厂商参与，但是却没有一个正式的单位负责测试验证厂商所开发的TCP/IP通信软件是否完全遵照标准的规范设计，所以对使用者而言，惟一的保障是借着各系统之间的互连互通测试经验，以确实证明其所使用的网络系统是否可以与其他系统上的TCP/IP网络应用功能互通。而OSI则有专门的单位来进行规范性测试以及互通性测试，这一点对使用者而言，是一个很重要的保障，但是由于测试通常需花费一段不短的时间(约需二至三年)，所以一般效率不高，经常出现的情况是标准已经出来，但是却在市场上找不到可用产品，与市场需求不太相符。 2.1.4 网络层 TCP/IP的网络层与OSI架构中的网络层的功能大致相仿。若以实际协议来做比较，TCP/IP的IP与OSI的CLNP(Connectionless Network Protocol)，其主要差别在于寻址方式的不同。TCP/IP将网络上每一点的地址定为32位的固定长度，TCP/IP网络上的每一个系统都至少具有一个惟一的地址与其他系统通信，但对于同时提供两个网络接口连接不同网络的系统(如网关)而言，则必须拥有两个以上的地址，这在网络地址管理及对网络其他点的通信进行上，则显得较为麻烦。而且以长远的角度来看，现有的寻址方式将不能容纳网络上愈来愈多新增的系统，因此，目前许多人员正在研究IPv6这一新协议，以满足未来不断扩展的需求。 OSI所定的地址空间为不固定的可变长，必须由所选定的地址命名方式(Authority and Identifier)决定，最长可达160位(20 bytes)。依照OSI中有关地址标准的规范，网络上每一个系统至多可有256个通信地址，而且因为OSI所定义的网络地址与网络接口无关，所以网络地址的安排将不受限于网络接口。由于其地址长度较长，因此将可容纳网络上更多的系统，具有较大的增长空间。 TCP/IP协议及网络编程技术 2.1.5 传输层 TCP/IP在传输层中有TCP与UDP两种协议，各具有面向连接与无连接的性质。OSI在10 制定传输层的标准时，主要是参考TCP/IP协议族，而定义了五个等级的不同层次服务。其 中TCP/IP的TCP与OSI的TP4、TCP/IP的UDP与OSI的TP0的架构及功能大体上是相同的，只是其内部细节有一些差异。 2.1.6 应用层 应用层的功能应该是面向最终用户的，因此它们是千差万别的。常见的应用有以下几种: 2.1.6.1 远程登录 TCP/IP的远程登录标准为TELNET，OSI所定的远程登录标准称为虚拟终端VT(Virtual Terminal)。由于不同的终端机会有各种型号，因此在TCP/IP的TELNET与OSI VT虚拟终端标准中都提供了协商(Negotiation)机制，通信两端在通信之前，会进行协商，并交换终端机环境参数(Profile)，直到彼此达到共识之后才进行应用系统与客户端之间的数据交换。 除了共有的协商功能之外，OSI VT所提供的终端机参数模型比TELNET多。 (1)VT能支持控制的转换，例如ASCII的警铃字符(BELL)与EBCDIC的警铃字符各有不同的内码定义。而TELNET则无法处理这类因字符集不同所造成的字符功能差异。 (2)VT能够提供更多的字符显示属性，例如在终端屏幕上每一个字符都可以定义其颜色及字型等功能。 3)VT能够提供一维、二维、三维显示区域。而TELNET只提供翻页显示模式(Scroll ( Mode)。 2.1.6.2 文件传输 以TCP/IP所制定的FTP与OSI所制定的FTAM(File Transfer, Access and Management)而言，两者都提供了基本文件处理功能，如文件复制、删除、目录查询、更改文件名、文件属性的对应等。但是由于TCP/IP中并未定义数据表示层来执行不同系统间数据储存内码转换的功能，因此，虽然FTP可传送任何一种数据类型文件(如IMAGE、ASCII、EBCDIC等)，但是却不能在几种不同的文件格式之间自动地进行内码转换处理。OSI在FTAM中则定义了一套虚拟文件储存器(Virtual File Store)，使得不同计算机系统间在交换文件时，首先将本身的文件格式与文件属性对应转换成标准的虚拟文件储存格式送出，对方在收到此虚拟文件数据后，再根据其自己的文件系统与虚拟文件储存的对应关系，转换成属于自己的文件格式，以解决不同文件系统间对文件格式处理方式不尽相同的问题。 以文件传输效率而言，由于OSI FTAM在文件传输的过程中，必须先将文件对应成虚拟文件格式，再通过表示层的抽象符号语法转换成网络上标准的文件传输数据，会花费许多时 第1章 Internet概述 间。反观TCP/IP FTP，不但省去了上述的转换动作，同时还可依文件的性质，选择压缩模式(Compressed Mode)，提供更有效率的文件传输方法。因此平均而言，TCP/IP FTP将会比 11 OSI FTAM文件传输的效率高。 TCP/IP FTP与OSI FTAM在不同的功能层次虽各擅胜场，但就目前的使用状况来说，TCP/IP FTP却比OSI FTAM要普遍得多。 2.1.6.3 邮件传输 在邮件处理方面，由于TCP/IP的SMTP发展时间较早，因此目前采用得较广泛。但OSI所制定的MHS(Message Handling Systems)，在功能上比TCP/IP SMTP更完整，且具有传输过程可靠、邮件处理的功能较多等应用潜力。以下列出OSI MHS所提供的一些TCP/IP SMTP没有的功能: (1)可指定邮件传递的时间与邮件的处理优先级(如急件、速件、正常邮件)，并设定邮件内容的敏感度(Sensitivity)。 (2)可设定双挂号邮件传递以确认邮件已正确送扺收件人邮箱中，或传回递送失败给发信人查明失败原因。 (3)邮件的内容格式除了文字以外，尚能传输许多其他的多媒体类型。而在TCP/IP SMTP中，文件的内容格式只能是一般的文字文件，若要传输多媒体的数据则需配合MIME协议。 2.1.6.4 网络管理 网络管理方面，TCP/IP 与OSI的协议均不限定只能在本身的网络上运作:TCP/IP 所发展出来的网络管理协议可以利用其他通信网路协议作运行的基础，而OSI的相应协议也可以在TCP/IP的通信网路协议之上运行(称为Common Management Information Service From OSI on TCP/IP, CMOT)。因此，我们将范围限定在SNMP与CMIP两者间的本身功能作比较。 基本上，SNMP所提供的是一套能满足基本需求的简单网络管理协议，它具有简单、容易制作等优点，执行时所占用的内存及使用的CPU资源也较少。由于其实际被利用的经 验较多，目前在网络上使用的广泛程度大于CMIP。以下将SNMP与CMIP功能的异同整理如下。 SNMP与CMIP都提供以下的管理功能。 (1)网络发生错误时的处理(Fault Management)。 (2)网络运行性能评估(Performance Management)。 (3)网络会计管理(Accounting Management)。 (4)被管理对象(Managed Object)的名称配置与鉴别(Configuration and Name Management)。 不同之处在于: (1)通信联机:CMIP会预先建立通信管道才执行管理命令，而SNMP则采用无连接方式的网络联机管理方式，所以平均而言SNMP的额外负担较少，但相对地，CMIP通信管 理质量则较为稳定可靠。 TCP/IP协议及网络编程技术 (2)管理模式:SNMP采用轮询式(Polling-based)的管理模式，管理者会定期询问被管理者，两者间的联系较密切，不过这种方式会使网络上的数据传输量增加，同时在网络上 12 同一个管理者将无法同时管理网络上的许多点。CMIP采用基于事件的管理模式(Event-based Management)，被管理者利用异步的方式，将预定发生的事件通知管理者处理。 (3)管理信息:SNMP与CMIP的网络信息都是使用对象(Object)来表示，并采用 ISO所定义的抽象符号语法描述基本编码方式(BER-Basic Encoding Rule)来表示一个对象。但目前SNMP仅使用了部分的抽象符号语法规则，因此所能定义的对象类型及属性比CMIP所能定义的少。 (4)网络安全:CMIP的在网络安全的管理功能比SNMP完整，可提供管理之间的鉴权(Authentication)、访问控制(Access Control)、加密密钥管理(Key for Enciphering Code)、授权(Authorization)、安全日志(Security Log)等安全管理机制。而SNMP在这方面的机能上相对较弱。 就目前的网络环境而言，真正在TCP/IP中发展的应用环境比较成熟，且它在运行时所需要的系统资源较少。除此之外，TCP/IP还提供了网络文件系统(NFS)、远程调用(Remote Procedure Call，RPC)、窗口操作系统(X-Windows)等其他应用背景，而这些功能则尚未在OSI定义的应用标准中。所以，目前有一些应用需求无法利用OSI的方式来设计。 总体而言，OSI所制定的应用标准，大致上来说比TCP/IP的相应功能完整丰富且精细，但却始终无法在电信网络及数据网络中快速成长。除了上述的原因之外，可能也是由于其相关产品过于复杂，且需要庞大的人力与经费支持。此外，OSI的标准制定过程太过缓慢，也使它的应用受到限制。 上面已经从宏观上了解了TCP/IP协议栈的架构，并比较了其和OSI七层模型的异同，那么作为核心的IP层究竟是如何工作的呢,运行在网络层上的路由器如何互联异种网络,下面，深入探讨一下其工作原理。 2.2 路 由 器 路由器作为网络层的核心设备，在网络中处于至关重要的位置。它可以连接不同类型的网络，能够选择数据传输路径并对数据进行转发。从通信角度看，路由器仍然是一种中继系统，与中继器和网桥类似，但从计算机网络的角度看，它与中继器和网桥设备是运行在协议栈不同层之上的。在IP网络发展的最初，早期路由器就被称为网关，这主要是因为它们常常作为本地校园网和广域网之间的网络接口。现在的网关则是指网络层以上的中继系统，如应用层网关。但是，由于习惯问题，一些固有的称呼仍然被保留，因此往往需要根据上下文意思判断其具体含义。 路由器是用于连接多个逻辑上分开的网络，因此，路由器具有转发报文和路由选择两大功能，它能在异种网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软 第1章 Internet概述 件。一般来说，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。 2.2.1 路由器的工作原理 13 当IP子网中的一台主机发送IP报文给同一子网的另一台主机时，它将直接把IP报文送到网络上，对方就能收到。而要送给不同IP子网上的主机时，它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把IP报文送给该路由器，由路由器负责把IP报文送到目的地。如果没有找到这样的路由器，主机就把IP报文送给一个称为“默认网关”(default gateway)的路由器上。“默认网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的IP地址。 路由器转发IP报文时，只根据IP报文目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP报文送出去。同主机一样，路由器也要判定端口所接的是否是目的子网，如果是，就直接把报文通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个路由器来传送报文。路由器也有它的“默认网关”，用来传送不知道往哪儿送的IP报文。这样，通过路由器把知道如何传送的IP报文正确转发出去，不知道的IP报文送给“默认网关”路由器，这样一级级地传送，IP报文最终将送到目的地，送不到目的地的IP报文则被网络丢弃了。 2.2.2 路由器的功能 前面提到路由器具有转发报文和路由选择两大功能，那么它们各自是如何工作的呢? 转发的意思是指为经过路由器的每个数据报文寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点(路由器或主机)，如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃;否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议(routed protocol)。下面以作者本机中的路由表为例来说明转发的过程(注:本机的IP地址为211.65.59.36)。 在命令提示符下运行netstat –rn，将出现如下信息: Route Table ===================================================================== Interface List 0x1 ........................... MS TCP Loopback interface 0x2 ...00 03 0f fe 3a ec ...... DigitalChina DCN-530TX Fast Ethernet Adapter - 数据包计划程序微型接口 ===================================================================== ===================================================================== Active Routes: TCP/IP协议及网络编程技术 Network Netmask Gateway Interface Metric Destination 0.0.0.0 0.0.0.0 211.65.59.4 211.65.59.36 20 14 127.0.0.0 255.0.0.0 127.0.0.1 127.0.0.1 1 172.16.0.0 255.240.0.0 211.65.59.1 211.65.59.36 1 202.119.0.0 255.255.224.0 211.65.59.1 211.65.59.36 1 202.119.144.0 255.255.240.0 211.65.59.1 211.65.59.36 1 211.65.32.0 255.255.224.0 211.65.59.1 211.65.59.36 1 211.65.59.0 255.255.255.0 211.65.59.36 211.65.59.36 20 211.65.59.36 255.255.255.25127.0.0.1 127.0.0.1 20 5 211.65.59.255 255.255.255.25211.65.59.36 211.65.59.36 20 5 224.0.0.0 240.0.0.0 211.65.59.36 211.65.59.36 20 255.255.255.255 255.255.255.25211.65.59.36 211.65.59.36 1 5 Default Gateway: 211.65.59.4 ===================================================================== Persistent Routes: Network Address Netmask Gateway Address Metric 211.65.59.0 255.255.255.0 211.65.59.36 1 202.119.0.0 255.255.224.0 211.65.59.1 1 202.119.144.0 255.255.240.0 211.65.59.1 1 211.65.32.0 255.255.224.0 211.65.59.1 1 172.16.0.0 255.240.0.0 211.65.59.1 1 第1行说明，如果报文目的地址是loopback地址127.0.0.0，将通过loopback接口127.0.0.1送达。这里简要说明一下网络127.0.0.0作为IP通路被保留到主机。通常，地址127.0.0.1将在主机上被分到一个特殊的接口，即所谓的loopback接口，它像一个关上的电路一样行动。来自TCP或UDP被传递给它的任何IP包将被返回到它们自身，好像它刚从一些网络到达了。这允许用户开发并且测试曾经没有使用一个“真实”网络的联网软件。 第4行说明，如果报文目标网络地址是202.119.0.0，则将通过作者所在LAN的网关211.65.59.1转发至目标子网。 第8行说明，报文的目标地址就是本机的话，则直接通过loopback接口127.0.0.1发送到本机。 Default Gateway说明:当搜索完路由表中的所有表项都不能找到匹配待发报文目标地址，则将待发报文转往Default Gateway。 路由选择即判定和构造到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。由于涉及到不同的路由选择协议和路由选择算法，要相对复杂一些。为了判定最佳路径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中，根据路由表可将目标网络与下一跳 第1章 Internet概述 (nexthop)的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化，并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由协议(routing 15 protocol)，例如路由信息协议(RIP)、开放式最短路径优先协议(OSPF)和边界网关协议 (BGP)等，我们将在第6章给予详细阐述。 简言之，路由转发协议可视为一个如何查找路由表以决定最佳传输路径的一组规则，而路由协议则是根据路由选择算法搜集到的网络信息构造路由表表项的方法。 2.3 TCP/IP各层协议组成 TCP/IP各层协议的详细描述将在后文中予以介绍，这里先从宏观上认识一下TCP/IP协议栈的架构并简单介绍各层协议的功能。由图2.2可了解TCP/IP协议在整个协议族所占位置的重要性。 TelnetFTPHTTPSMTPDNS应用层 TCPUDP传输层 IP网络层ARPRARPICMPIGMP 逻辑链路子层数据链路层介质访问子层 SONET/SDH/PDH物理层 图2.2 TCP/IP协议集族 从图2.2中可以看到，Internet协议族主要功能集中在第3,4层，通过增加软件模块来保证和已有系统的最大兼容性。 在网络层上，地址解答协议ARP(Address Resolution Protocol)实现IP地址向物理地址的映射;反向地址解答协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)实现物理地址向IP地址的映射;网络层协议IP提供结点之间的报文传送服务;Internet报文控制协议ICMP(Internet Control Message Protocol)传输差错控制信息以及主机/路由器之间的控制信息;Internet组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)能让一个物理网络上的所有系统知道主机当前所在的多播组。 在传输层上，传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)提供用户之间的面向连接可靠报文传输服务;用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)提供用户之间的不可靠无连接的报文传输服务。 在应用层上，Telnet提供远程登录(终端仿真)服务;文件传输协议FTP(File Transfer Protocol)提供应用级的文件传输服务;简单邮件传输协议SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)提供简单的电子邮件发送服务;超文本传输协议HTTP(HyperText Transfer Protocol)提供万维网浏览服务;域名系统DNS(Domain Name System)负责域名和IP地址的映射; TCP/IP协议及网络编程技术 其他服务(Others)支持其他的应用服务。 因特网通过信息的传输向用户提供各种服务，类似OSI/RM，各层可提供的服务通过各16 层的控制协议，并经过各层实体的合作予以实现。