1.2.2　分組交換網(wǎng)的研究與發(fā)展

1.ARPANET的基本設計思想

分組交換理論奠定了現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的基礎，ARPANET的實現(xiàn)證明了分組交換理論的正確性。在討論ARPANET的研發(fā)過程時，一定會提到四位計算機科學家：羅伯特·泰勒（Robert Taylor）、拉里·羅伯茨（Larry Roberts）、倫納德·克蘭羅克（Leonard Kleinrock）以及羅伯特·卡恩（Robert Kahn）。

1965年，羅伯特·泰勒出任ARPA信息處理辦公室IPTO第三任主任。當時五角大樓內的IPTO辦公室已經(jīng)有了分別連接MIT、加州大學伯克利分校、終端系統(tǒng)開發(fā)公司的分時計算機系統(tǒng)終端，但這三種計算機互不兼容。羅伯特·泰勒的首要任務就是將這三種異構計算機系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)計算機硬件、軟件與信息的共享。他向ARPA署長查爾斯·赫茲菲爾德（C.Herzfeld）提出由ARPA牽頭建設一個小型實驗網(wǎng)絡的建議，查爾斯·赫茲菲爾德批準了羅伯特·泰勒的建議，這標志著ARPANET研究正式立項。

羅伯特·泰勒決定將林肯實驗室的拉里·羅伯茨調到IPTO辦公室負責這項研究。拉里·羅伯茨當時正在研究林肯實驗室兩臺異構計算機系統(tǒng)的互聯(lián)問題。盡管最初拉里·羅伯茨并不愿意調到IPTO，但是當他來到IPTO辦公室之后，馬上就用秒表對五角大樓內部的所有走廊進行了測量，計算出各個辦公室之間行走的最短路線（即“拉里路線”），為不同辦公室計算機之間的通信尋找“最短路徑”。圖1-8是羅伯特·泰勒、拉里·羅伯茨與ARPANET實驗室的照片。

圖1-8　羅伯特·泰勒、拉里·羅伯茨與ARPANET實驗室

1967年10月，拉里·羅伯茨提交了第一份“多計算機網(wǎng)絡與計算機之間通信”的研究計劃。最初的研究目標主要有兩個：一是制定計算機接口協(xié)議；二是設計一種新的通信技術，使當時16個網(wǎng)站的35臺計算機之間每天能夠傳輸50萬份信件。

1968年6月3日，拉里·羅伯茨向ARPA正式遞交了ARPANET設計方案，它是在前期分組交換技術理論研究基礎上形成的。圖1-9給出了分組交換網(wǎng)的結構與工作原理。

圖1-9　分組交換網(wǎng)的結構與工作原理

ARPANET在總體方案中采取了分組交換的思想，其設計目標是：

·可以連接不同型號的計算機。

·可以傳輸計算機的數(shù)字信號。

·必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

·網(wǎng)絡節(jié)點之間必須有冗余的路由。

·網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都是同等重要的。

拉里·羅伯茨提出的方案雖然得到了一致好評，但是實施起來有一定的難度。因為當時計算機的計算資源異常珍貴，幾乎沒有人愿意拿出自己的計算機的計算與存儲資源，用于網(wǎng)絡的路由計算與分組存儲轉發(fā)。針對這種情況，拉里·羅伯茨建議采用一種小型機來專門處理網(wǎng)絡中的分組存儲轉發(fā)與路由計算功能，并將這種小型機叫作接口報文處理器（Interface Message Processors，IMP）。

實際上，ARPANET是世界上第一個廣域計算機網(wǎng)，IMP就是現(xiàn)在廣泛應用的路由器雛形。ARPANET網(wǎng)絡系統(tǒng)可以分為通信子網(wǎng)與資源子網(wǎng)兩個部分。通信子網(wǎng)由IMP與連接IMP的通信線路組成，專門處理網(wǎng)絡中分組路由與存儲轉發(fā)的功能；而資源子網(wǎng)則由聯(lián)網(wǎng)計算機系統(tǒng)組成，用來完成本地用戶計算任務，實現(xiàn)不同計算機系統(tǒng)之間的硬件、軟件與數(shù)據(jù)共享。

ARPA以招標的方式來建立通信子網(wǎng)，當時一共有12家公司、研究部門與大學參與了競標。ARPA將項目建設內容分為3項，經(jīng)評估后有3家贏得了合同，他們的分工是：BBN（Bolt Beranek&Newman）公司與弗蘭克·哈特（Frank Heart）承擔分組交換關鍵設備——IMP的研發(fā)；網(wǎng)絡分析公司（Network Analysis Corporation）與拉里·羅伯茨等負責網(wǎng)絡拓撲的設計、優(yōu)化和網(wǎng)絡經(jīng)濟性的研究；UCLA與倫納德·克蘭羅克負責網(wǎng)絡測試中心的建設。

BBN公司是由來自哈佛大學與麻省理工學院的一群年輕科學家創(chuàng)立的。他們用長達200頁的標書贏得了通信子網(wǎng)關鍵設備IMP的研發(fā)任務。BBN公司選擇了Honeywell公司生產(chǎn)的12KB內存的小型機DDP 316作為IMP，這些小型機都經(jīng)過特殊的改進。研究人員將這種小型機稱為“小精靈”。出于對計算機系統(tǒng)可靠性的考慮，IMP沒有采用外接磁盤系統(tǒng)；出于經(jīng)濟上的考慮，通信線路租用電話公司的56kbps線路。圖1-10是作為第一臺IMP的小型機DDP 316。

圖1-10　作為第一臺IMP的小型機DDP 316

最初，實驗網(wǎng)絡的每個節(jié)點都由一臺IMP和一臺主機組成，它們位于同一個房間中，并且通過一條很短、速率為56kbps的電纜連接。主機給IMP發(fā)送的報文分成長度為1008bit的分組，再獨立地將這些分組向下一個節(jié)點轉發(fā)。下一個IMP接收到一個分組后將其存儲起來，檢查、確認傳輸過程中沒有出錯后，再向下一個IMP節(jié)點轉發(fā)，直至到達目的IMP。目的IMP將屬于同一個文件的分組重新組裝成報文后，再遞交給與它直接連接的目的主機。這樣，一個報文的分組存儲轉發(fā)過程結束。

在實驗過程中，為了保證網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的可靠性，要求每個IMP至少連接到兩個其他的IMP。如果某些IMP或通信線路被毀壞，仍然可以通過網(wǎng)絡中的其他路徑自動完成分組的轉發(fā)。

當時在BBN公司任職的羅伯特·卡恩在IMP與TCP/IP協(xié)議的研究中發(fā)揮了重要作用。鑒于羅伯特·卡恩在ARPANET的IMP設備、TCP/IP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的突出貢獻，他與溫頓·瑟夫一起獲得了2004年的圖靈獎（圖1-11是羅伯特·卡恩的照片）。

圖1-11　2004年圖靈獎獲得者之一羅伯特·卡恩

2.ARPANET協(xié)議與網(wǎng)絡軟件結構

最初，ARPANET采用的是網(wǎng)絡控制協(xié)議（Network Control Protocol，NCP）。1969年4月7日，史蒂夫·克羅克（Steve Crocker）發(fā)布了RFC1文檔，標題為“Host Software”，NCP協(xié)議就是在其基礎上發(fā)展起來的。

ARPANET網(wǎng)絡軟件包括兩個部分：執(zhí)行子網(wǎng)內部通信協(xié)議的軟件和執(zhí)行主機端通信協(xié)議的軟件。開發(fā)網(wǎng)絡軟件首先要制定網(wǎng)絡協(xié)議。子網(wǎng)內部通信協(xié)議主要包括HOST-IMP與IMP-IMP的協(xié)議，還需要專門設計用來提高從源IMP到目的IMP傳輸可靠性的協(xié)議。實現(xiàn)子網(wǎng)內部通信協(xié)議的軟件包括HOST-IMP通信軟件與IMP-IMP通信軟件。實現(xiàn)主機端通信協(xié)議的軟件包括HOST-IMP通信軟件、主機–主機（HOST-HOST）應用軟件。第一個ARPANET實驗系統(tǒng)使用的主機端通信協(xié)議就是NCP。圖1-12給出了ARPANET的協(xié)議結構。

3.ARPANET網(wǎng)絡軟件研發(fā)與網(wǎng)絡組建的過程

在完成網(wǎng)絡結構與硬件設計后，接下來的重要問題是開發(fā)軟件。1969年夏季，拉里·羅伯茨在猶他州的Snowbird召集網(wǎng)絡研究人員會議，參加會議的大多數(shù)是研究生。研究生們希望像完成其他編程任務一樣，由網(wǎng)絡專家向他們解釋網(wǎng)絡的設計方案與需要編寫的軟件，然后給每人分配一個具體的軟件編程任務。但是，他們發(fā)現(xiàn)沒有網(wǎng)絡專家布置任務，也沒有完整的設計方案，他們必須自己想辦法找到自己該做的事情。

圖1-12　ARPANET的協(xié)議結構

1969年12月，包含4個節(jié)點的實驗網(wǎng)絡開始運行，這4個節(jié)點分別位于UCLA（加州大學洛杉磯分校）、UCSB（加州大學圣塔芭芭拉分校）、SRI（斯坦福研究院）和猶他大學。選擇這4個單位是由于它們都與ARPA簽訂了合同，并且各自有不同類型的主機，符合異構計算機互聯(lián)的研究要求。

第一臺IMP安裝在UCLA，其他三臺IMP分別安裝在UCSB、SRI與猶他大學。據(jù)當時負責安裝第一臺IMP的UCLA計算機系教授倫納德·克蘭羅克回憶，1969年9月2日，第一臺IMP安裝調試成功；1969年10月1日，第二臺IMP在SRI安裝調試成功。為了驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，參加實驗的雙方使用電話相互聯(lián)系。UCLA的倫納德·克蘭羅克教授與SRI的比爾·杜瓦研究員共同主持了世界上第一次計算機網(wǎng)絡的通信實驗。

1969年10月29日22:30，倫納德·克蘭羅克讓研究人員從UCLA遠程登錄到SRI主機，在輸入由5個英文字母組成的登錄命令“LOGIN”中的“L”“O”兩個字母后，網(wǎng)絡系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，第一次遠程登錄失敗。但是，這是一個非常重要的時刻，它標志著計算機網(wǎng)絡時代已經(jīng)到來。很多人認為應該將這一天作為ARPANET，以及由它發(fā)展起來的互聯(lián)網(wǎng)的誕生日。圖1-13給出了ARPANET最初的實驗記錄與倫納德·克蘭羅克教授的照片。

圖1-13　ARPANET最初的實驗記錄與倫納德·克蘭羅克教授

1969年，倫納德·克蘭羅克向新聞界發(fā)表談話時說：“一旦ARPANET建立并運行起來，我們從家中和辦公室訪問計算機系統(tǒng)，就像獲得電力或電話服務那樣容易”。現(xiàn)在我們享受的互聯(lián)網(wǎng)服務證實了倫納德·克蘭羅克教授當年的預言。

從1969年到1971年，經(jīng)過近兩年對網(wǎng)絡應用層協(xié)議的研究與開發(fā)，研究人員首先推出了Telnet應用。1971年2月，研究人員公布了第一個關于Telnet協(xié)議的文檔RFC 97。

1972年，ARPANET節(jié)點數(shù)增加到15個。1972年10月，羅伯特·卡恩在華盛頓特區(qū)召開的第一屆國際計算機與通信會議（ICCC）上做了ARPANET首次的公開演示。當時參加演示的40臺計算機分布在美國各地，演示的項目包括網(wǎng)上聊天、網(wǎng)上弈棋、網(wǎng)上測驗、網(wǎng)上空管模擬等，其中網(wǎng)上聊天演示引起了極大轟動。這次成功的演示吸引了世界各國計算機與通信領域的科學家加入計算機網(wǎng)絡研究隊伍中。圖1-14給出了1972年4月時的ARPANET拓撲結構。

之后，隨著英國倫敦大學節(jié)點與挪威的皇家雷達研究所節(jié)點接入ARPANET，ARPANET的節(jié)點數(shù)增加到23個，同時也標志著ARPANET已經(jīng)實現(xiàn)國際化。

1972年，第一個用于網(wǎng)絡的電子郵件E-mail應用程序推出，當時接入ARPANET的節(jié)點數(shù)大約有40個。1973年，E-mail的通信量已占到ARPANET總通信量的3/4。倫納德·克蘭羅克見證了電子郵件的興起：“1972年，就在電子郵件出現(xiàn)不久，我意識到人與人的交流是互聯(lián)網(wǎng)流量的主要形式。網(wǎng)絡流量很快會被電子郵件統(tǒng)治。此前的流量主要是文件傳輸，以及研究人員通過網(wǎng)絡遠程登錄使用計算機”。當時ARPANET的一位主管曾開玩笑說：“我已經(jīng)沒有辦法向老板匯報工作，因為電子郵件并不是我的本職工作?！?/p>

圖1-14　1972年4月時的ARPANET拓撲結構

電子郵件的出現(xiàn)推動了互聯(lián)網(wǎng)群組論壇形式應用的發(fā)展。1975年，一封分發(fā)給一群人的電子郵件成為互聯(lián)網(wǎng)上第一個討論組，這個組的名字叫“Msg-Group”。此后，很多參與者圍繞著共同感興趣的話題建立了很多個討論組。同時，電子郵件的出現(xiàn)帶來了很多變化。例如，很多用筆墨書寫信件的禮節(jié)被簡化了，電子郵件僅需三言兩語就能讓信息快速送達；嚴格的等級制度被淡化了，你可以越級給上司寫信；很多原來用文字表示的意思變成用符號表示，例如笑臉可以用“:-）”代替。

1979年，為了讓不能直接接入ARPANET的用戶也能夠參與群組的討論，一種叫作Usenet的網(wǎng)絡應用應運而生。Usenet可以在運行UNIX的計算機之間更新消息文件，多個用戶可以訂閱并參加特定主題的討論，而且可以隨時下載或上傳新的討論內容。最初，開發(fā)者預計只會有50～100臺計算機使用Usenet，而且每臺計算機每天只會收到一兩條消息，話題也僅限于UNIX的應用。但是，網(wǎng)絡中的很多用戶都對Usenet感興趣。隨著Usenet、BBS與新聞組（Newsgroups）在社會生活中開始發(fā)揮作用，互聯(lián)網(wǎng)上的社交網(wǎng)絡時代已經(jīng)到來。

隨著更多的IMP被交付使用，ARPANET網(wǎng)絡規(guī)?？焖僭鲩L，很快就擴展到了整個美國。

4.ARPANET對推動計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展的貢獻

分組交換的概念最初是在1964年提出的。1969年12月，第一個采用分組交換技術的網(wǎng)絡ARPANET投入運行。分組交換技術與計算機網(wǎng)絡的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代電信時代的開始。ARPANET是計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展的一個重要里程碑，它對計算機網(wǎng)絡理論與技術的發(fā)展起到了重大的奠基作用。它的貢獻主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

·完成了對計算機網(wǎng)絡定義與分類方法的研究。

·提出了計算機網(wǎng)絡體系結構與參考模型的概念。

·研究并實現(xiàn)了分組交換方法。

·完善了層次型網(wǎng)絡體系結構模型與協(xié)議體系。

·開始了TCP/IP模型、協(xié)議與網(wǎng)絡互聯(lián)技術的研究。

1975年，ARPANET已經(jīng)連入100多臺主機，并且結束網(wǎng)絡實驗階段，移交給美國國防部國防通信局（DCA）正式運行。

1983年1月，ARPANET向TCP/IP協(xié)議的轉換全部結束，并開始了軍用和民用的分離。其原因主要有兩點：

第一，當時使用ARPANET的有兩類人，一類是軍方用戶，另一類是非軍方用戶，而且非軍方用戶的人數(shù)比軍方用戶多得多。非軍方用戶中，有很多大學生使用ARPANET研究網(wǎng)絡技術，但還有很大一部分用戶并非出于研究目的，而是用于玩游戲或從事其他工作。軍方不能不對網(wǎng)絡的安全產(chǎn)生關注。

第二，根據(jù)美國法律，所有政府出資的項目應體現(xiàn)納稅人的權利，必須由納稅人分享。由國防部出資建設的ARPANET必須允許與國防無關的其他大學與研究部門的科研人員使用。出于保密的需要，DCA決定將ARPANET分成兩個相互獨立的部分：一部分仍叫作ARPANET，繼續(xù)用于一般的科學研究工作，它發(fā)展成為后來的互聯(lián)網(wǎng)；另一部分是稍大一些的MILNET，用于軍方的非機密通信（如圖1-15所示）。

為了讓軍方用戶能夠訪問ARPANET，網(wǎng)絡管理人員在ARPANET與MILNET之間部署了網(wǎng)關，由專人來管理和控制兩個相對獨立的網(wǎng)絡，而普通網(wǎng)絡用戶并不會感覺到和以前有什么不同。

20世紀80年代中期，隨著接入ARPANET的網(wǎng)絡規(guī)模不斷增大，ARPANET成為互聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)。1990年，ARPANET已經(jīng)被新的網(wǎng)絡替代。雖然ARPANET目前已經(jīng)退役，但是人們會永遠記住它，因為它對網(wǎng)絡技術的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。到目前為止，MILNET仍然在運行。

20世紀70年代到80年代，網(wǎng)絡技術發(fā)展十分迅速，并且出現(xiàn)了大量的各類計算機網(wǎng)絡。在這段時期，公共數(shù)據(jù)網(wǎng)（Public Data Network，PDN）發(fā)展迅速。所謂“公共數(shù)據(jù)網(wǎng)”是指由專門的網(wǎng)絡運營商（Network Carrier）或網(wǎng)絡服務提供商（Network Service Provider，NSP）運營與管理的網(wǎng)絡。

圖1-15　ARPANET分成兩個相互獨立的部分

傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡主要提供電話語音服務。在計算機網(wǎng)絡應用的初期，網(wǎng)絡運營商大多是電話公司，它們在提供電話服務的同時，也提供專線服務。NSP也有不同的類型，它們可以沒有自己的網(wǎng)絡基礎設施，而是通過租用電話公司的線路來提供數(shù)據(jù)通信服務。在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展階段，網(wǎng)絡運營商與網(wǎng)絡服務提供商紛紛轉向提供本地互聯(lián)網(wǎng)用戶接入服務，成為互聯(lián)網(wǎng)服務提供商（Internet Service Provider，ISP）。