1.2 因特網概述

1.2.1 網絡的網絡

起源于美國的因特網現已發展成為世界上最大的國際性計算機互聯網。

我們先給出關于網絡、互聯網（互連網）以及因特網的一些最基本的概念。

網絡（network）由若干結點（node）和連接這些結點的鏈路（link）組成。網絡中的結點可以是計算機、集線器、交換機或路由器等（在后續的兩章我們將會介紹集線器、交換機和路由器等設備的作用）。圖1-1(a)給出了一個具有五個結點和四條鏈路的網絡。我們看到，有四臺計算機通過四條鏈路連接到一個集線器上，構成了一個簡單的網絡。在很多情況下，我們可以用一朵云表示一個網絡。這樣做的好處是，可以不去關心網絡中的細節問題，因而可以集中精力研究涉及到與網絡互連有關的一些問題。

網絡還可以通過路由器互連起來，這樣就構成了一個覆蓋范圍更大的網絡，即互聯網（或互連網），如圖1-1(b)所示。因此互聯網是“網絡的網絡（network of networks）”。

因特網（Internet）是世界上最大的互連網絡（用戶數以億計，互連的網絡數以百萬計）。習慣上，大家把連接在因特網上的計算機都稱為主機（host）。路由器是一種特殊的計算機，它的任務是連接不同的網絡，而不是進行通信和信息處理。因此不能把路由器稱為主機。因特網也常常用一朵云來表示，圖1-2表示許多主機連接在因特網上。這種表示方法是把主機畫在網絡的外邊，而網絡內部的細節（即路由器怎樣把許多網絡連接起來）往往就省略了。

因此，我們可以先初步建立這樣的基本概念：網絡把許多計算機連接在一起，而互聯網則把許多網絡連接在一起。因特網是世界上最大的互聯網。

還有一點也必須注意，就是網絡互連并不是把計算機僅僅簡單地在物理上連接起來，因為這樣做并不能達到計算機之間能夠相互交換信息的目的。我們還必須在計算機上安裝許多使計算機能夠交換信息的軟件才行。因此當我們談到網絡互連時，就隱含地表示在這些計算機上已經安裝了適當的軟件，因而在計算機之間可以通過網絡交換信息。

本書中所談到的網絡都指的是計算機網絡。因特網就是世界上最大的計算機網絡。

1.2.2 因特網發展的三個階段

因特網的基礎結構大體上經歷了三個階段的演進。但這三個階段在時間劃分上并非截然分開而是有部分重疊的，這是因為網絡的演進是逐漸的而不是在某個日期突然發生了變化。

第一階段——從單個網絡ARPANET向互聯網發展。1969年美國國防部創建的第一個分組交換網ARPANET最初只是一個單個的分組交換網，所有要連接在ARPANET上的主機都直接與就近的結點交換機相連。但到了20世紀70年代中期，人們已認識到不可能僅使用一個單獨的網絡來滿足所有的通信問題。這就導致了后來互連網的出現。這樣的互連網就成為現在因特網（Internet）的雛形。1983年TCP/IP協議成為ARPANET上的標準協議，使得所有使用TCP/IP協議的計算機都能利用互連網相互通信，因而人們就把1983年作為因特網的誕生時間。1990年ARPANET正式宣布關閉，因為它的實驗任務已經完成。

請讀者注意以下兩個意思相差很大的名詞：internet和Internet。

以小寫字母i開始的internet（互聯網或互連網）是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網絡互連而成的網絡。在這些網絡之間的通信協議（即通信規則）可以是任意的。

以大寫字母I開始的Internet（因特網）則是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由眾多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，它采用TCP/IP協議族作為通信的規則，且其前身是美國的ARPANET。

第二階段——逐步建成了三級結構的因特網。從1985年起，美國國家科學基金會NSF （National Science Foundation）就圍繞六個大型計算機中心建設計算機網絡，即國家科學基金網NSFNET。它是一個三級計算機網絡，分為主干網、地區網和校園網（或企業網）。這種三級計算機網絡覆蓋了全美國主要的大學和研究所，并且成為因特網中的主要組成部分。1991年，NSF和美國的其他政府機構開始認識到，因特網必將擴大其使用范圍，不應僅限于大學和研究機構。世界上的許多公司紛紛接入到因特網，使網絡上的通信量急劇增大，因特網的容量已滿足不了需要。于是美國政府決定將因特網的主干網轉交給私人公司來經營，并開始對接入因特網的單位收費。1992年因特網上的主機超過100萬臺。1993年因特網主干網的速率提高到45Mb/s（T3速率）。

第三階段——逐漸形成了多層次ISP結構的因特網。ISP就是因特網服務提供者的英文縮寫，它表示Internet Service Provider。從1993年開始，由美國政府資助的NSFNET逐漸被若干個商用的因特網主干網替代，而政府機構不再負責因特網的運營，而是讓各種ISP來運營。ISP又常譯為因特網服務提供商。

ISP可以從因特網管理機構申請到的成塊的IP地址（因特網上的主機都必須有IP地址才能進行通信，這一概念我們將在第4章的4.2節詳細討論），同時擁有通信線路（大的ISP自己建造通信線路，小的ISP則向電信公司租用通信線路），以及路由器等連網設備，因此任何機構和個人只要向ISP交納規定的費用，就可從ISP得到所需的IP地址，并通過該ISP接入到因特網。我們通常所說的“上網”就是指“通過某個ISP接入到因特網”。IP地址的管理機構不會把一個單個的IP地址分配給某個單個用戶（不“零售”IP地址），而是把一批IP地址有償分配給經審查合格的ISP（只“批發”IP地址）。從以上所講的可以看出，現在的因特網已不是某個單個組織所擁有而是全世界無數大大小小的ISP所共同擁有。圖1-3說明了用戶要通過ISP才能連接到因特網。

根據提供服務的覆蓋面積大小以及所擁有的IP地址數目的不同，ISP也分成為不同的層次。圖1-4是具有三層結構的因特網的概念示意圖，但這種示意圖并不表示各ISP的地理位置關系。

在圖中，最高級別的第一層ISP（tier-1 ISP）的服務面積最大（一般都能夠覆蓋國家范圍），并且還擁有高速主干網。第二層ISP和一些大公司都是第一層ISP的用戶。第三層ISP又稱為本地ISP，它們是第二層ISP的用戶，且只擁有本地范圍的網絡。一般的校園網或企業網，以及撥號上網的用戶，都是第三層ISP的用戶。為了使不同層次ISP經營的網絡都能夠互通，在1994年開始創建了四個網絡接入點NAP（Network Access Point），分別由四個電信公司經營。NAP用來交換因特網上的流量。在NAP中安裝有性能很好的交換設施（例如，使用ATM交換技術）。到本世紀初，美國的NAP的數量已達到十幾個。NAP可以算是最高等級的接入點。它主要是向各ISP提供交換設施，使它們能夠互相通信。NAP又稱為對等點（peering point），表示接入到NAP的設備不存在從屬關系而都是平等的。現在有一種趨勢，即比較大的第一層ISP愿意繞過NAP而直接通過高速通信線路（2.5~10 Gb/s或更高）和其他的第一層ISP交換大量的數據，這樣可以使第一層ISP之間的通信更加快捷。

從圖1-4可看出，因特網逐漸演變成基于ISP和NAP的多層次結構網絡。但今天的因特網由于規模太大，已經很難對整個網絡的結構給出細致的描述。但下面這種情況是經常遇到的，就是相隔較遠的兩臺主機的通信可能需要經過多個ISP（如圖1-4中的灰色粗線表示主機A要經過許多不同層次的ISP才能把數據傳送到主機B）。因此，當主機A和另一臺主機B通過因特網進行通信時，實際上也就是它們通過許多中間的ISP進行通信。

順便指出，一旦某個用戶能夠接入到因特網，那么他就能夠成為一個ISP。他需要做的就是購買一些如調制解調器或路由器這樣的設備，讓其他用戶能夠和他相連接。因此，圖1-4所示的僅僅是個示意圖，因為一個ISP可以很方便地在因特網拓撲上增添新的層次和分支。

因特網已經成為世界上規模最大和增長速率最快的計算機網絡，沒有人能夠準確說出因特網究竟有多大。因特網的迅猛發展始于20世紀90年代。由歐洲原子核研究組織CERN開發的萬維網WWW（World Wide Web）被廣泛使用在因特網上，大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用，成為因特網的這種指數級增長的主要驅動力。萬維網的站點數目也急劇增長。在因特網上的數據通信量每月約增加10%。表1-1是因特網上的網絡數、主機數、用戶數和管理機構數的簡單概括（統計到2005年）。

由于因特網存在著技術上和功能上的不足，加上用戶數量猛增，使得現有的因特網不堪重負。因此1996年美國的一些研究機構和34所大學提出研制和建造新一代因特網的設想，并宣布在今后5年內用5億美元的聯邦資金實施“下一代因特網計劃”，即NGI（Next Generation Internet Initiative）計劃。

NGI計劃要實現的主要目標是：

（1）開發下一代網絡結構，以比現有的因特網高100倍的速率連接至少100個研究機構，以比現有的因特網高1000倍的速率連接10個類似的網點。其端到端的傳輸速率要超過100 Mb/s至10Gb/s。

（2）使用更加先進的網絡服務技術和開發許多帶有革命性的應用，如遠程醫療、遠程教育、有關能源和地球系統的研究、高性能的全球通信、環境監測和預報、緊急情況處理等。

（3）使用超高速全光網絡，能實現更快速的交換和路由選擇，同時具有為一些實時（real time）應用保留帶寬的能力。

（4）對整個因特網的管理和保證信息的可靠性及安全性方面進行較大的改進。

1.2.3 因特網的標準化工作

因特網的標準化工作對因特網的發展起到了非常重要的作用。我們知道，標準化工作的好壞對一種技術的發展有著很大的影響。缺乏國際標準將會使技術的發展處于比較混亂的狀態，而盲目自由競爭的結果很可能形成多種技術體制并存且互不兼容的狀態（如過去形成的彩電三大制式），給用戶帶來較大的不方便。但國際標準的制定又是一個非常復雜的問題，這里既有很多技術問題，也有很多屬于非技術問題，如不同廠商之間經濟利益的爭奪問題等。標準制定的時機也很重要。標準制定得過早，由于技術還沒有發展到成熟水平，會使技術比較陳舊的標準限制了產品的技術水平，其結果是以后不得不再次修訂標準，造成浪費。反之，若標準制定得太遲，也會使技術的發展無章可循，造成產品的互不兼容，因而也會影響技術的發展。因特網在制定其標準上很有特色。其中的一個很大的特點是面向公眾。因特網所有的RFC技術文檔都可從因特網上免費下載，而且任何人都可以隨時用電子郵件發表對某個文檔的意見或建議。這種方式對因特網的迅速發展影響很大。

1992年由于因特網不再歸美國政府管轄，因此成立了一個國際性組織叫做因特網協會（Internet Society，簡稱為ISOC），以便對因特網進行全面管理，以及在世界范圍內促進其發展和使用。ISOC下面有一個技術組織叫做因特網體系結構委員會IAB（Internet Architecture Board），負責管理因特網有關協議的開發。IAB下面又設有兩個工程部：

（1）因特網工程部IETF（Internet Engineering Task Force）——負責研究一些短期和中期的工程問題，主要是針對協議的開發和標準化。

（2）因特網研究部IRTF（Internet Research Task Force）——從事理論方面研究和開發一些需要長期考慮的問題。

所有的因特網標準都是以RFC的形式在因特網上發表。RFC（Request For Comments）的意思是“請求評論”。所有的RFC文檔都可從因特網上免費下載（http://www.ietf.org/rfc.html）。但應注意，并非所有的RFC文檔都是因特網標準，只有一小部分RFC文檔最后才能變成因特網標準。RFC按收到時間的先后從小到大編上序號（即RFC xxxx，這里的xxxx是阿拉伯數字）。一個RFC文檔更新后就使用一個新的編號，并在文檔中指出原來老編號的RFC文檔已成為陳舊的。

制訂因特網的正式標準要經過以下的四個階段：

（1）因特網草案（Internet Draft）——在這個階段還不是RFC文檔。

（2）建議標準（Proposed Standard）——從這個階段開始就成為RFC文檔。

（3）草案標準（Draft Standard）。

（4）因特網標準（Internet Standard）。