4.2　Internet

4.2.1　Internet概述

1．定義

Internet（因特網(wǎng)）又稱為國際互聯(lián)網(wǎng)。它是由使用公用語言互相通信的計算機(jī)連接而成的全球網(wǎng)絡(luò)。一旦連接到它的任何一個節(jié)點(diǎn)上，就意味著您的計算機(jī)已經(jīng)連入Internet網(wǎng)上了。Internet目前的用戶已經(jīng)遍及全球，有超過幾億人在使用Internet，并且它的用戶數(shù)還在以等比級數(shù)上升。

Internet是一組全球信息資源的總匯，由許多小的網(wǎng)絡(luò)（子網(wǎng)）互聯(lián)而成的一個邏輯網(wǎng)，每個子網(wǎng)中連接著若干臺計算機(jī)（主機(jī)）。Internet以相互交流信息資源為目的，基于一些共同的協(xié)議，并通過許多路由器和公共互聯(lián)網(wǎng)而成，它是一個信息資源和資源共享的集合。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)只是傳播信息的載體，而Internet的優(yōu)越性和實(shí)用性則在于其本身。因特網(wǎng)最高層域名分為機(jī)構(gòu)性域名和地理性域名兩大類，目前主要有14種機(jī)構(gòu)性域名。

2．Internet功能

（1）WWW服務(wù)。在Web方式下，可以瀏覽、搜索、查詢各種信息，可以發(fā)布自己的信息，可以與他人進(jìn)行實(shí)時或者非實(shí)時的交流，可以游戲、娛樂、購物等。

（2）電子郵件E-mail服務(wù)。可以通過E-mail系統(tǒng)同世界上任何地方的朋友交換電子郵件。不論對方在哪個地方，只要他也可以連入Internet，那么你發(fā)送的信息只需要幾分鐘的時間就可以到達(dá)對方的手中了。

（3）遠(yuǎn)程登錄Telnet服務(wù)。遠(yuǎn)程登錄就是通過Internet進(jìn)入和使用遠(yuǎn)距離的計算機(jī)系統(tǒng)，就像使用本地計算機(jī)一樣。遠(yuǎn)端的計算機(jī)可以在同一間屋子里，也可以遠(yuǎn)在數(shù)千公里之外。它使用的工具是Telnet。它在接到遠(yuǎn)程登錄的請求后，就試圖把你所在的計算機(jī)同遠(yuǎn)端計算機(jī)連接起來。一旦連通，你的計算機(jī)就成為遠(yuǎn)端計算機(jī)的終端。你可以正式注冊（Login）進(jìn)入系統(tǒng)成為合法用戶，執(zhí)行操作命令，提交作業(yè)，使用系統(tǒng)資源。在完成操作任務(wù)后，通過注銷（Logout）退出遠(yuǎn)端計算機(jī)系統(tǒng)，同時也退出Telnet。

（4）文件傳輸FTP服務(wù)。FTP（文件傳輸協(xié)議）是Internet上最早使用的文件傳輸程序。它同Telnet一樣，使用戶能登錄到Internet的一臺遠(yuǎn)程計算機(jī)，把其中的文件傳送回自己的計算機(jī)系統(tǒng)；或者反過來把本地計算機(jī)上的文件傳送并裝載到遠(yuǎn)方的計算機(jī)系統(tǒng)。利用這個協(xié)議，可以下載免費(fèi)軟件或者上傳主頁。

3．Internet歷史

20世紀(jì)60年代開始，美國國防部的高級研究計劃局ARPA（Advance Research Projects Agency）建立阿帕網(wǎng)ARPANET，向美國國內(nèi)大學(xué)和一些公司提供經(jīng)費(fèi)，以促進(jìn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分組交換技術(shù)的研究。1969年12月，ARPANET投入運(yùn)行，建成了一個實(shí)驗(yàn)性的由4個節(jié)點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)。到1983年，ARPANET已連接了300多臺計算機(jī)，供美國各研究機(jī)構(gòu)和政府部門使用。1983年，ARPANET分為ARPANET和軍用MILNET（Military Network），兩個網(wǎng)絡(luò)之間可以進(jìn)行通信和資源共享。由于這兩個網(wǎng)絡(luò)都是由許多網(wǎng)絡(luò)互連而成的，因此它們都被稱為Internet, ARPANET就是Internet的前身。1986年，NSF（National Science Foundation，美國國家科學(xué)基金會）建立了自己的計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。NSFnet將美國各地的科研人員連接到分布在美國不同地區(qū)的超級計算機(jī)中心，并將按地區(qū)劃分的計算機(jī)廣域網(wǎng)與超級計算機(jī)中心相連（實(shí)際上它是一個三級計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，分為主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)和校園網(wǎng)，覆蓋了全美國主要的大學(xué)和研究所）。

4.2.2　TCP/IP協(xié)議

1．定義

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議／因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）又叫網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，這個協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議、Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，簡單地說，就是由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成的。TCP/IP定義了電子設(shè)備（如計算機(jī)）如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是一個四層的分層體系結(jié)構(gòu)。高層為傳輸控制協(xié)議，它負(fù)責(zé)聚集信息或把文件拆分成更小的包。低層是網(wǎng)際協(xié)議，它處理每個包的地址部分，使這些包正確地到達(dá)目的地。

2．層次

從協(xié)議分層模型方面來講，TCP/IP由4個層次組成，即網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層是定義物理介質(zhì)的各種特性，如機(jī)械特性、電子特性、功能特性、規(guī)程特性。數(shù)據(jù)鏈路層是負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)報并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送之，或者從網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)報，交給IP層。

（2）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)相鄰計算機(jī)之間的通信。其功能包括3個方面：①處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求，收到請求后將分組裝入IP數(shù)據(jù)報，填充報頭，選擇去往信宿機(jī)的路徑，然后將數(shù)據(jù)報發(fā)往適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口；②處理輸入數(shù)據(jù)報，首先檢查其合法性，然后進(jìn)行尋徑，假如該數(shù)據(jù)報已到達(dá)信宿機(jī)，則去掉報頭，將剩下部分交給適當(dāng)?shù)膫鬏攨f(xié)議；假如該數(shù)據(jù)報尚未到達(dá)信宿，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報；③處理路徑、流控、擁塞等問題。

（3）傳輸層提供應(yīng)用程序間的通信。其功能包括：①格式化信息流；②提供可靠傳輸。為實(shí)現(xiàn)后者，傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)回確認(rèn)，并且假如分組丟失，必須重新發(fā)送。傳輸層協(xié)議主要是：傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol, TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP）。

（4）應(yīng)用層向用戶提供一組常用的應(yīng)用程序，如電子郵件、文件傳輸訪問、遠(yuǎn)程登錄等。遠(yuǎn)程登錄Telnet使用Telnet協(xié)議提供在網(wǎng)絡(luò)其他主機(jī)上注冊的接口。Telnet會話提供了基于字符的虛擬終端。文件傳輸訪問FTP使用FTP協(xié)議來提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)機(jī)器間的文件復(fù)制功能。應(yīng)用層一般是面向用戶的服務(wù)，如FTP、Telnet、DNS、SMTP、POP3。

4.2.3　IP地址

1．定義

IP地址就是給每個連接在Internet上的主機(jī)分配的一個32位地址。按照TCP/IP協(xié)議規(guī)定，IP地址用二進(jìn)制來表示，每個IP地址長32位，比特?fù)Q算成字節(jié)，就是4個字節(jié)。例如，一個采用二進(jìn)制形式的IP地址是“00001010000000000000000000000001”，這么長的地址人們處理起來也太費(fèi)勁了。為了方便使用，IP地址經(jīng)常被寫成十進(jìn)制的形式，中間使用符號“.”分開不同的字節(jié)。于是，上面的IP地址可以表示為“10.0.0.1”。IP地址的這種表示法叫作“點(diǎn)分十進(jìn)制表示法”，這顯然比1和0容易記憶得多。

2．IP構(gòu)成

Internet上的每臺主機(jī)（Host）都有一個唯一的IP地址。IP協(xié)議就是使用這個地址在主機(jī)之間傳遞信息，這是Internet能夠運(yùn)行的基礎(chǔ)。IP地址的長度為32位，分為4段，每段8位，用十進(jìn)制數(shù)字表示，每段數(shù)字范圍為0～255，段與段之間用句點(diǎn)隔開，如159.226.1.1。

3．IP地址分類

最初設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時，為了便于尋址以及層次化構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，每個IP地址包括兩個標(biāo)識碼（ID），即網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID。同一個物理網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)都使用同一個網(wǎng)絡(luò)ID，網(wǎng)絡(luò)上的一個主機(jī)（包括網(wǎng)絡(luò)上工作站、服務(wù)器和路由器等）有一個主機(jī)ID與其對應(yīng)。Internet委員會定義了5種IP地址類型以適合不同容量的網(wǎng)絡(luò)，即A～E類。其中A、B、C這3類（表4-1）由Internet NIC在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一分配，D、E類為特殊地址。

一個A類IP地址是指，在IP地址的四段號碼中，第一段號碼為網(wǎng)絡(luò)號碼，剩下的三段號碼為本地計算機(jī)的號碼。如果用二進(jìn)制表示IP地址，A類IP地址就由1字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址和3字節(jié)主機(jī)地址組成，網(wǎng)絡(luò)地址的最高位必須是“0”。A類IP地址中網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識長度為7位，主機(jī)標(biāo)識的長度為24位，A類網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)量較少，可以用于主機(jī)數(shù)達(dá)1600多萬臺的大型網(wǎng)絡(luò)。A類IP地址的地址范圍為1.0.0.1～126.255.255.254（二進(jìn)制表示為00000001 00000000 00000000 00000001～01111110 11111111 11111111 11111110）。A類IP地址的子網(wǎng)掩碼為255.0.0.0，每個網(wǎng)絡(luò)支持的最大主機(jī)數(shù)為256³－2=16 777 214臺。

一個B類IP地址是指，在IP地址的四段號碼中，前兩段號碼為網(wǎng)絡(luò)號碼。如果用二進(jìn)制表示IP地址，B類IP地址就由2B的網(wǎng)絡(luò)地址和2B主機(jī)地址組成，網(wǎng)絡(luò)地址的最高位必須是10。B類IP地址中網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識長度為14位，主機(jī)標(biāo)識的長度為16位，B類網(wǎng)絡(luò)地址適用于中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)所能容納的計算機(jī)數(shù)為6萬多臺。B類IP地址的地址范圍為128.1.0.1～191.255.255.254（二進(jìn)制表示為10000000 00000001 00000000 00000001～10111111 11111111 11111111 11111110）。B類IP地址的子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0，每個網(wǎng)絡(luò)支持的最大主機(jī)數(shù)為256²－2=65 534臺。

一個C類IP地址是指，在IP地址的四段號碼中，前三段號碼為網(wǎng)絡(luò)號碼，剩下的一段號碼為本地計算機(jī)的號碼。如果用二進(jìn)制表示IP地址，C類IP地址就由3字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址和1字節(jié)主機(jī)地址組成，網(wǎng)絡(luò)地址的最高位必須是110。C類IP地址中網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識長度為21位，主機(jī)標(biāo)識的長度為8位，C類網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)量較多，適用于小規(guī)模的局域網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)最多只能包含254臺計算機(jī)。C類IP地址范圍為192.0.1.1～223.255.254.254（二進(jìn)制表示為11000000 00000000 00000001 00000001～11011111 11111111 11111110 11111110）。C類IP地址的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，每個網(wǎng)絡(luò)支持的最大主機(jī)數(shù)為256－2=254臺。

D類IP地址第一個字節(jié)以1110開始，它是一個專門保留的地址。它并不指向特定的網(wǎng)絡(luò)，目前這一類地址被用在多點(diǎn)廣播（Multicast）中。多點(diǎn)廣播地址用來一次尋址一組計算機(jī)，它標(biāo)識共享同一協(xié)議的一組計算機(jī)。地址范圍為224.0.0.1～239.255.255.254。E類IP地址以11110開始，保留用于將來和實(shí)驗(yàn)使用。

4.2.4　第二代Internet

1．Internet 2概述

Internet 2是美國參與開發(fā)該項(xiàng)目的184所大學(xué)和70多家研究機(jī)構(gòu)給未來網(wǎng)絡(luò)起的名字，旨在為美國的大學(xué)和科研群體建立并維持一個技術(shù)領(lǐng)先的互聯(lián)網(wǎng)，以滿足大學(xué)之間進(jìn)行網(wǎng)上科學(xué)研究和教學(xué)的需求。與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)相比，Internet 2的傳輸速率可達(dá)2.4Gb/s，比標(biāo)準(zhǔn)撥號調(diào)制解調(diào)器快8.5萬倍。其應(yīng)用將更為廣泛，從醫(yī)療保健、國家安全、遠(yuǎn)程教學(xué)、能源研究、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、制造工程到緊急情況下的應(yīng)急反應(yīng)、危機(jī)管理等項(xiàng)目。

2．超高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1）IPv6協(xié)議

全世界廣泛使用的是第一代國際互聯(lián)網(wǎng)，相應(yīng)的IP地址協(xié)議是IPv4，即第4版。IPv4設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)地址編碼是32位，共提供的IP地址為2³²，大約43億個。目前，它所提供的網(wǎng)址資源已近枯竭。下一代互聯(lián)網(wǎng)采用的是IPv6協(xié)議，它設(shè)定的地址是128位編碼，能產(chǎn)生2¹²⁸個IP地址，地址資源極端豐富。

2）Internet 2的結(jié)構(gòu)

1996年10月，美國政府宣布啟動“下一代互聯(lián)網(wǎng)NGI”研究計劃，其核心是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和路由器。它的主要目標(biāo)是：建設(shè)高性能的邊緣網(wǎng)絡(luò)，為科研提供基礎(chǔ)設(shè)施；開發(fā)具有革命性的Internet應(yīng)用技術(shù)；促進(jìn)新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及應(yīng)用在Internet上的推廣。

3）主要部分

（1）先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Network Infrastructure）。

（2）光網(wǎng)絡(luò)（Optical Networking）。

（3）中間件與安全（Middleware and Security）。

（4）核心中間件。

（5）中間件整合項(xiàng)目。

（6）先進(jìn)應(yīng)用（Advanced Applications）。

3．超高速網(wǎng)絡(luò)歷史與現(xiàn)狀

1996年美國政府的下一代Internet／研究計劃NGI和美國UCAID從事的Internet 2研究計劃，都是在高速計算機(jī)試驗(yàn)網(wǎng)上開展下一代高速計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其典型應(yīng)用的研究，構(gòu)造一個全新概念的新一代計算機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)，為美國的教育和科研提供世界最先進(jìn)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，并保持美國在高速計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，從而保證21世紀(jì)美國在科學(xué)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的競爭力。英、德、法、日、加等發(fā)達(dá)國家目前除了擁有政府投資建設(shè)和運(yùn)行的大規(guī)模教育和科研網(wǎng)絡(luò)以外，也都建立了研究高速計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其典型應(yīng)用技術(shù)的高速網(wǎng)試驗(yàn)床。2007年10月10日，Internet 2項(xiàng)目的首席負(fù)責(zé)人道格·馮·豪維靈說：“現(xiàn)在可以為單獨(dú)的計算機(jī)工作站提供10G的接入帶寬，我們需要開發(fā)一種方法使得這種高需求的應(yīng)用與普通應(yīng)用能夠同時運(yùn)行，互不干擾?！边\(yùn)營商利用Internet 2網(wǎng)絡(luò)開始向科研機(jī)構(gòu)提供一種“臨時按需獲得10Gb/s帶寬”的服務(wù)。豪維靈說，通常每個研究所以10Gb/s的速度連接到100Gb/s的Internet 2骨干網(wǎng)，另外有一個10Gb/s的接入口作為備份，以備突發(fā)流量之需。