计算机网络笔记(二)——1.2互联网概述

1.2.1网络的网络

起源于美国的互联网现已发展成为世界上最大的覆盖全球的计算机网络。
下面，我们先来看看关于网络、互连网、互联网(因特网)的一些基本概念。为了方便，后面我们所称呼的"网络"往往就是"计算机网络",而不是电信网或有线电视网。
计算机网络(简称为"网格")由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成。网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器(后续的文章会介绍)等。下面第一幅图给出了一个具有四个节点和三条链路的网络，我们可以看到三台计算机连接到一个集线器上，这是一个非常简单的计算机网络(可简称为网络)。在第二幅图中，有多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。这样的网络称为互联网(internetwork 或internet)。因此，互联网是网络的网络(network of networks)。用一朵云表示一个网络的好处，就是可以先不用考虑每一个网络的细节，而是集中精力讨论与这个互连网有关的一些问题。

需要注意的是，我们使用一朵云来表示网络时，可能会有两种不同的情况。一种情况如上面的第一幅图，用云表示的网络已经包含了网络中的计算机，但是有时为了讨论问题的方便(如要讨论几个计算机之间如何进行通信)，也可以把有关的计算机画在云的外面，如下图所示。习惯上，与网络相连的计算机常称为主机(host)。在互联网中不可缺少的路由器，是一种特殊的计算机(有中央处理器、存储器、操作系统等)，但不能称为主机。

这样，我们初步建立了下面的基本概念:
网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。
网络互连并不仅仅是把计算机简单地在物理上连接起来，因为这样做并不能实现计算机之间能够相互交换信息的目的。我们还需要在计算机上安装许多使计算机能够交换信息的软件才行。因此当我们谈网络互连时，就默认地表示在这些计算机上已经安装了可正常运行的适当软件，在计算机之间可以通过网络交换信息。
如今的智能手机也包含中央处理器、存储器以及操作系统，所以从计算机网络的角度看，连接在计算机网络上的智能手机也相当于一个主机。

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段

互联网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进，但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐步的，而并非在某个日期发生了突变。
第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。1969年美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单个的分组交换网(并不是一个互连的网络)。所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的节点交换机相连。后来，人们认识到不可能仅使用一个单独的网络来满足所有的通信需求，于是ARPA开始研究多种网络(如分组无线电网络)互连的技术，这就导致了互连网络的出现，成为今天互联网(Internet)的雏形。1983年TCP/IP协议成为APRANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互连网相互通信，因而人们就把1983年作为互联网诞生的时间。
下面，我们来简单说一下Internet和internet的区别:
以小写字母i开始的internet(互连网)是一个通用名词,它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。在这些网络之间的通信协议(即通信规则)可以任意选择，不一定非要使用TCP/IP协议。
以大写字母I开始的Internet(互联网，或因特网)则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。
可见，任意把几个计算机网络互连起来(不管采用什么协议)，并能够相互通信，这样构成的是一个互连网(internet),而不是互联网(Internet)。
第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。一个三级计算机网络分为主干网、地区网和校园网(或企业网)。
为什么要使用这种三级结构呢?这是因为互联网必须能够让连接到互联网的所有用户都可以相互通信。但是一个普通的校园网或企业网单靠本身力量并不可能做到这一点，因为要实现如此多的连接需要巨大的投资。于是就出现了上面两层的地区网和主干网。地区网可以完成本地区管辖范围内各校园网或企业网之间的相互通信，而主干网可以使不同地区之间的用户相互通信。
第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。
这时出现了一个新的名词:互联网服务提供者ISP(Internet Service Provider)。在许多情况下，互联网服务提供者ISP就是一个进行商业活动的公司，因此ISP又常被译为互联网服务提供商。例如,中国电信、中国联通和中国移动等公司都是我国最有名的ISP。
互联网服务提供者ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址(互联网上的主机必须有IP地址才能上网)，同时拥有通信线路(大ISP自己建造通信线路，小ISP则向电信公司租用通信线路)以及路由器等连网设备，因此任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用，就可从该ISP获取所需IP地址的租用权，并通过该ISP接入互联网。所谓"上网"就是指"(通过ISP获得的IP地址)接入互联网"。IP地址的管理机构不会把单个的IP地址零星地分配给单个用户，而是把整块的IP地址有偿租赁给经审查合格的ISP。由此可见，现在的互联网已不是某个但个组织所拥有而是全 世界无数大大小小的ISP所共同拥有的，这就是互联网也被称为"网络的网络"的原因。
根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同层次的ISP:主干ISP、地区ISP和本地ISP。目前已经覆盖全球的互联网，其主干ISP只有十几个，但本地ISP有好几十万个。
主干ISP由几个专门的公司创建和维护，服务面积最大(一般都能覆盖国家范围)，并且还拥有高速主干网。不同的网络运营商都有自己的主干ISP网络，并且可以彼此互通。
地区ISP是一些较小的ISP，这些地区ISP通过一个或多个主干ISP连接起来。它们位于等级中的第二层，数据率也低一些。
本地ISP给用户提供直接的服务(这些用户有时也被称为端用户，强调是末端的用户)。本地ISP可以连接到地区ISP，也可以直接连接到主干ISP。绝大多数的用户都是连接到本地ISP。本地ISP可以是一个仅仅提供互联网服务的公司，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)。
下图是具有三层ISP结构的互联网的概念示意图，但是这种示意图并不表示各ISP的地理位置关系。图中给出了主机A经过许多不同层次的ISP与主机B通信的示意图。

随着互联网上数据流量的急剧增长，人们开始研究如何更快低转发分组，以及如何更加有效和更加经济地利用网络资源。于是，互联网交换点IXP(Internet eXchange Point)就应运而生了。
互联网交换点IXP的主要作用就是允许两个ISP网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。例如，在上图中右方的两个地区ISP通过一个IXP链接起来了。这样，主机A和主机B交换分组时，就不必再经过最上层的主干ISP，而是直接在两个地区ISP之间用高速链路对等地交换分组。这样就使互联网上的数据流量分布更加合理，同时也减少了分组转发的迟延时间，降低了分组转发的费用。现在许多IXP在进行对等交换分组时，都互相不收费。但本地ISP或地区ISP通过IXP向高层的ISP转发分组时，则需要交纳一定的费用。IXP的结构非常复杂。典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。大的IXP能够连接数百个ISP。IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网连接起来。
这里特别要指出的是，当前互联网上最主要的流量就是视频文件的传送。左上角所示的内容提供者(conent provider)是在互联网上向所有用户提供视频文件的公司。这种公司和前面提到的ISP不同，因为他们并不向用户提供互联网的转接服务，而是提供视频内容的服务。由于传送视频文件产生的流量非常大，为了提高数据传送的效率，这些公司都有独立于互联网的专门网络(仅承载出入该公司的服务器的流量)，并且能够和各级ISP以及IXP相连。这就使得互联网上的所有用户能够更加方便地观看网上的各种视频节目。现在许多ISP已不仅向用户提供互联网接入服务，而且还提供信息服务和一些增值服务。
互联网的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW(World Wide Web)被广泛使用在互联网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。万维网的站点数目也急剧增长。

1.2.3互联网的标准化工作

1992年,由于互联网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做互联网协会(Internet Society,简称ISOC)，以便对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。ISOC下面有一个技术组织叫作互联网体系结构委员会IAB(Internet Architecture Board),负责管理互联网有关协议的开发。IAB下面又设有两个工程部:
(1)互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force）
IETF是由许多工作组WG(Working Group)组成的论坛(forum),具体工作由互联网工程指导小组 IESG(Internet Engineering Steering Group)管理。这些工作组划分为若干个领域(area)，每个领域集中研究某一特定的短期或中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化。
(2)互联网研究部IRTF(Internet Research Task Force)
IRTF是由一些研究组(Research Group)组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG(Internet Research Steering Group)管理。IRTF的任务是研究一些需要长期考虑的问题，包括互联网的一些协议、应用、体系结构等。
互联网在制定其标准上很有特色，其中的一个很大的特点就是面向公众。所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表。RFC(Request For Comments)的意思就是"请求评论"。所有的RFC文档都可以从互联网上免费下载，而且任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。
制定互联网的正式标准要经过以下三个阶段:
(1)互联网草案(Internet Draft)——互联网草案的有效期只有六个月。在这个阶段还不能算RFC文档。
(2)建议标准(Proposed Standard)——从这个阶段开始就成为RFC文档。
(3)互联网标准(Internet Standard)——如果经过长期的检验，证明了某个建议标准可以成为互联网标准时，就给它分配一个标准编号，记为STDxx，这里的STD是"Standard"的英文缩写，而"xx"是标准的编号(有时也写成4位数编号，如STD0005)。一个互联网标准可以和多个RFC文档关联。
除了建议标准和互联网标准这两种RFC文档，还有三种RFC文档，即历史的、实验的和提供信息的RFC文档。历史的RFC文档或者被后来的规约所取代，或者是从未达到必要的成熟等级因而始终未变成为互联网标准。实验的RFC文档表示器工作处于正在实验的情况，而不能够在任何实用的互联网服务中进行实现。提供信息的RFC文档包括与互联网有关的一般的。历史的或指导的信息。