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网络基础知识

2009-10-27 09:52| 投稿: net

摘要:   前段时间有很多朋友对我说他们对网络基础的了解还不是很好,问我是不是能够介绍一些的这方面内容。盛情难却,今天我就向大家介绍一下网络基础知识  一.网络的定义及特点    计算机网络,就是把分布在不同...
  前段时间有很多朋友对我说他们对网络基础的了解还不是很好,问我是不是能够介绍一些的这方面内容。盛情难却,今天我就向大家介绍一下网络基础知识  一.网络的定义及特点    计算机网络,就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息,共享信息资源。    一般来说,计算机网络可以提供以下一些主要功能:    * 资源共享 网络的出现使资源共享变得很简单,交流的双方可以跨越时空的障碍,随时随地传递信息。  * 信息传输与集中处理 数据是通过网络传递到服务器中,由服务器集中处理后再回送到终端。  * 负载均衡与分布处理 负载均衡同样是网络的一大特长。举个典型的例子:一个大型ICP(Internet内容提供商)为了支持更多的用户访问他的网站,在全世界多个地方放置了相同内容的WWW服务器;通过一定技巧使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的相同页面,这样来实现各服务器的负荷均衡,同时用户也省了不少冤枉路。  * 综合信息服务 网络的一大发展趋势是多维化,即在一套系统上提供集成的信息服务,包括来自政治、经济、等各方面资源,甚至同时还提供多媒体信息,如图象、语音、动画等。在多维化发展的趋势下,许多网络应用的新形式不断涌现,如:    ① 电子邮件——这应该是大家都得心应手的网络交流方式之一。发邮件时收件人不一定要在网上,但他只要在以后任意时候打开邮箱,都能看到属于自己的来信。  ② 网上交易——就是通过网络做生意。其中有一些是要通过网络直接结算,这就要求网络的安全性要比较高。  ③ 视频点播——这是一项新兴的娱乐或学习项目,在智能小区、酒店或学校应用较多。它的形式跟电视选台有些相似,不同的是节目内容是通过网络传递的。  ④ 联机会议——也称视频会议,顾名思义就是通过网络开会。它与视频点播的不同在于所有参与者都需主动向外发送图像,为实现数据、图像、声音实时同传,它对网络的处理速度提出了最高的要求。    以上对网络的功能只是略举一二,我们将在以后的篇幅中用更详尽的案例去充实大家对网络的理解。    网络的分类及组成    网络依据什么划分,又是如何组成的呢?    计算机网络的类型有很多,而且有不同的分类依据。网络按交换技术可分为:线路交换网、分组交换网;按传输技术可分为:广播网、非广播多路访问网、点到点网;按拓朴结构可分为总线型、星型、环形、树形、全网状和部分网状网络;按传输介质又可分为同轴电缆、双纽线、光纤或卫星等所连成的网络。这里我们主要讲述的是根据网络分布规模来划分的网络:局域网、城域网、广域网和网间网。    1. 局域网-LAN(Local Area Network)  将小区域内的各种通信设备互连在一起所形成的网络,覆盖范围一般局限在房间、大楼或园区内。局域网的特点是:距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠。    目前常见的局域网类型包括:以太网(Ethernet)、令牌环网 (Token Ring)、光纤分布式数据接口(FDDI)、异步传输模式(ATM)等,它们在拓朴结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。其中应用最广泛的当属以太网—— 一种总线结构的LAN,是目前发展最迅速、也最经济的局域网。    局域网的常用设备有:    * 网卡(NIC) 插在计算机主板插槽中,负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式,通过网络介质传输。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。    * 集线器(Hub) 是单一总线共享式设备,提供很多网络接口,负责将网络中多个计算机连在一起。所谓共享是指集线器所有端口共用一条数据总线,因此平均每用户(端口)传递的数据量、速率等受活动用户(端口)总数量的限制。它的主要性能参数有总带宽、端口数、智能程度(是否支持网络管理)、扩展性(可否级联和堆叠)等。    * 交换机(Switch) 也称交换式集线器。它同样具备许多接口,提供多个网络节点互连。但它的性能却较共享集线器大为提高:相当于拥有多条总线,使各端口设备能独立地作数据传递而不受其它设备影响,表现在用户面前即是各端口有独立、固定的带宽。此外,交换机还具备集线器欠缺的功能,如数据过滤、网络分段、广播控制等。    * 线缆 局域网的距离扩展需要通过线缆来实现,不同的局域网有不同连接线缆,如光纤、双绞线、同轴电缆等。    2. 城域网- MAN(Metropolitan Area Network)  MAN的覆盖范围限于一个城市,目前对于市域网少有针对性的技术,一般根据实际情况通过局域网或广域网来实现。    3. 广域网-WAN(Wide Area Network)  WAN连接地理范围较大,常常是一个国家或是一个洲。其目的是为了让分布较远的各局域网互连,所以它的结构又分为末端系统(两端的用户集合)和通信系统(中间链路)两部分。通信系统是广域网的关键,它主要有以下几种:    * 公共电话网 即PSTN(Public Swithed Telephone Network),速度9600bps~28.8kbps,经压缩后最高可达115.2kbps,传输介质是普通电话线。它的特点是费用低,易于建立,且分布广泛。  * 综合业务数字网 即ISDN(Integrated Service Digital Network),也是一种拨号连接方式。低速接口为128kbps(高速可达2M),它使用ISDN线路或通过电信局在普通电话线上加装ISDN业务。ISDN为数字传输方式,具有连接迅速、传输可靠等特点,并支持对方号码识别。ISDN话费较普通电话略高,但它的双通道使其能同时支持两路独立的应用,是一项对个人或小型办公室较适合的网络接入方式。  * 专线 即Leased Line,在中国称为DDN,是一种点到点的连接方式,速度一般选择64kbps~2.048Mbps。专线的好处是数据传递有较好的保障,带宽恒定;但价格昂贵,而且点到点的结构不够灵活。  * X.25网 是一种出现较早且依然应用广泛的广域网方式,速度为9600bps~64kbps;有 冗余纠错功能,可 靠性高,但由此带来的副效应是速度慢,延迟大;  * 帧中继 即Frame Relay,是在X.25基础上发展起来的较新技术,速度一般选择为64kbps~2.048Mbps。帧中继的特点是灵活、弹性:可实现一点对 多点的连接,并且在数据量大时可超越约定速率传送数据,是一种较好的商业用户连接选择。  *异步传输模式 即ATM(Asynchronous Transfer Mode),是一种信元交换网络,最大特点的速率高、延迟小、传输质量有保障。ATM大多采用光纤作为连接介质,速率可高达上千兆(109bps),但成本也很高。    广域网与局域网的区别在于:线路通常需要付费。多数企业不可能自己架设线路,而需要租用已有链路,故广域网的大部分花费用在了这里。人们常常考虑如何优化使用带宽,将“好刀用在刀刃上”。    广域网常用设备有:    * 路由器(Router) 广域网通信过程根据地址来寻找到达目的地的路径,这个过程在广域网中称为"路由(Routing)"。路由器负责在各段广域网和局域网间根据地址建立路由,将数据送到最终目的地。  * 调制解调器(Modem) 作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备,是广域网中必不可少的设备之一。分为同步和异步两种,分别用来与路由器的同步和异步串口相连接,同步可用于专线、帧中继、X.25等,异步用于PSTN的连接。    4. 网间网  即Internetwork,是一系列局域网和广域网的组合,因此包含的技术也是现有的局域网和广域网技术的综合。Internet便是一个当前最大也最为典型的网间网。  二.协议的定义及意义    如何定义网络协议,它有哪些意义?  协议是对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合,它对信息交换的速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等许多参数作出定义。    网络是一个相互联结的大群体,因此要想加入到这个群体中来,就不能随心所欲,任由兴之所发。就好象一个国家或一个种族拥有自己的语言,大家都必须通晓并凭借这种语言来对话一样,相互联结的网络中各个节点也需要拥有共同的“语言”,依据它所定义的规则来控制数据的传递,这种语言便是大家经常听说的 “协议”。协议是对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合,它对信息交换的速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等许多参数作出定义。    对网络始入门者来说,纷繁复杂的协议常常让人头痛不已—这些协议各起什么作用?它们之间又有什么联系?为什么有了A协议还需要补充B协议?这些问题搞不清楚,往往成为进一步学习的障碍。其实这个问题应该这样理解:是先有了各种不同语言的民族,后来随着社会的发展,才有了不同民族间交流的需求。网络也是这样,最初人们在小范围内建立网络,只需要自己作一些简单的约定,保证这一有限范围内的用户遵守就可以了;到后来网络规模越来越大,才考虑到制定更严格的规章制度即协议;而为了实现多个不同网络的互联,又会增加不少新协议作为补充,或成长为统一的新标准。    数据在网络中由源传输到目的地,需要一系列的加工处理,为了便于理解,我们这里不妨打个比喻。如果我们把数据比做巧克力:我们可以把加工巧克力的设备作为源,而把消费者的手作为目的来看看会有什么样的传输过程。巧克力厂通常会为每块巧克力外边加上一层包装,然后还会将若干巧克力装入一个巧克力盒,再把几个巧克力盒一起装入一个外包装,运输公司还会把许多箱巧克力装入一个集装箱,到达消费者所在的城市后,又会由运输商、批发商、零售商、消费者打开不同的包装层。不同层次的包装、解包装需要不同的规范和设备,计算机网络也同样有不同的封装、传输层面,为此国际标准化组织ISO于1978 年提出“开放系统互连参考模型”,即著名的OSI(Open System Interconnection)七层模型,它将是我们后续篇幅中要介绍的内容,这里先不展开论述。 网络的协议就是用作这些不同的网络层的行为规范的。网络在发展过程中形成了很多不同的协议族,每一协议族都在网络的各层对应有相应的协议,其中作为Internet规范的是ICP/IP协议族,这也是我们今天要讲的。    TCP/IP协议的定义以及层次、功能    什么是TCP/IP协议,划为几层,各有什么功能?  TCP/IP协议族包含了很多功能各异的子协议。为此我们也利用上文所述的分层的方式来剖析它的结构。TCP/IP层次模型共分为四层:应用层、传输层、网络层、数据链路层。    TCP/IP网络协议  TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,传输控制协议/网间网协议)是目前世界上应用最为广泛的协议,它的流行与Internet的迅猛发展密切相关—TCP/IP最初是为互联网的原型ARPANET所设计的,目的是提供一整套方便实用、能应用于多种网络上的协议,事实证明TCP/IP做到了这一点,它使网络互联变得容易起来,并且使越来越多的网络加入其中,成为Internet的事实标准。    * 应用层—应用层是所有用户所面向的应用程序的统称。ICP/IP协议族在这一层面有着很多协议来支持不同的应用,许多大家所熟悉的基于Internet的应用的实现就离不开这些协议。如我们进行万维网(WWW)访问用到了HTTP协议、文件传输用FTP协议、电子邮件发送用SMTP、域名的解析用DNS协议、 远程登录用Telnet协议等等,都是属于TCP/IP应用层的;就用户而言,看到的是由一个个软件所构筑的大多为图形化的操作界面,而实际后台运行的便是上述协议。    * 传输层—这一层的的功能主要是提供应用程序间的通信,TCP/IP协议族在这一层的协议有TCP和UDP。    * 网络层—是TCP/IP协议族中非常关键的一层,主要定义了IP地址格式,从而能够使得不同应用类型的数据在Internet上通畅地传输,IP协议就是一个网络层协议。    * 网络接口层—这是TCP/IP软件的最低层,负责接收IP数据包并通过网络发送之,或者从网络上接收物理帧,抽出IP数据报,交给IP层。    1.TCP/UDP协议  TCP (Transmission Control Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)协议属于传输层协议。其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输,它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。通俗说,它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道,然后再进行数据发送;而UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。一般来说,TCP对应的是可靠性要求高的应用,而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。TCP支持的应用协议主要有:Telnet、FTP、SMTP等;UDP支持的应用层协议主要有:NFS(网络文件系统)、SNMP(简单网络管理协议)、DNS(主域名称系统)、TFTP(通用文件传输协议)等。    IP协议的定义、IP地址的分类及特点    什么是IP协议,IP地址如何表示,分为几类,各有什么特点?  为了便于寻址和层次化地构造网络,IP地址被分为A、B、C、D、E五类,商业应用中只用到A、B、C三类。    IP协议(Internet Protocol)又称互联网协议,是支持网间互连的数据报协议,它与TCP协议(传输控制协议)一起构成了TCP/IP协议族的核心。它提供网间连接的完善功能, 包括IP数据报规定互连网络范围内的IP地址格式。    Internet 上,为了实现连接到互联网上的结点之间的通信,必须为每个结点(入网的计算机)分配一个地址,并且应当保证这个地址是全网唯一的,这便是IP地址。    目前的IP地址(IPv4:IP第4版本)由32个二进制位表示,每8位二进制数为一个整数,中间由小数点间隔,如159.226.41.98,整个IP地址空间有4组8位二进制数,由表示主机所在的网络的地址(类似部队的编号)以及主机在该网络中的标识(如同士兵在该部队的编号)共同组成。    为了便于寻址和层次化的构造网络,IP地址被分为A、B、C、D、E五类,商业应用中只用到A、B、C三类。    * A类地址:A类地址的网络标识由第一组8位二进制数表示,网络中的主机标识占3组8位二进制数,A类地址的特点是网络标识的第一位二进制数取值必须为“0”。不难算出,A类地址允许有126个网段,每个网络大约允许有1670万台主机,通常分配给拥有大量主机的网络(如主干网)。    * B类地址:B类地址的网络标识由前两组8位二进制数表示,网络中的主机标识占两组8位二进制数,B类地址的特点是网络标识的前两位二进制数取值必须为“10”。B类地址允许有16384个网段,每个网络允许有65533台主机,适用于结点比较多的网络(如区域网)。    * C类地址:C类地址的网络标识由前3组8位二进制数表示,网络中主机标识占1组8位二进制数,C类地址的特点是网络标识的前3位二进制数取值必须为“110”。具有C类地址的网络允许有254台主机,适用于结点比较少的网络(如校园网)。    为了便于记忆,通常习惯采用4个十进制数来表示一个IP地址,十进制数之间采用句点“.”予以分隔。这种IP地址的表示方法也被称为点分十进制法。如以这种方式表示,A类网络的IP地址范围为1.0.0.1-127.255.255.254;B类网络的IP地址范围为:128.1.0.1-191.255.255.254;C类网络的IP地址范围为:192.0.1.1-223.255.255.254。    由于网络地址紧张、主机地址相对过剩,采取子网掩码的方式来指定网段号。    TCP/IP协议与低层的数据链路层和物理层无关,这也是TCP/IP的重要特点。正因为如此 ,它能广泛地支持由低两层协议构成的物理网络结构。目前已使用TCP/IP连接成洲际网、全国网与跨地区网。    三.网络发展简史    是什么促进了网络的发展?  纵观近几十年信息时代的风云变换,人们可以了解网络的发展是与计算机、尤其是个人电脑(PC)的发展密切相关的。    第一台计算机诞生于1945年,标志着人类自学会使用工具的漫长岁月中,终于拥有了可以替代人类脑力劳动的“工具”;到六、七十年代,进而衍生出计算机互连系统—严格说来还算不上真正的网络—它是IBM和Digital的中央处理系统,网络主体是一台或多台大型主机,被隔离在一个相对封闭的机房(那时人们通常称这种机房为“玻璃屋”),然后由一群身穿白大褂的工作人员小心维护;大多数网络用户面对的是一台台非智能化的终端,所有对终端的操作都将通过低速链路传递到主机去进行处理,网络的效率主要由链路的速率和主机的性能决定。这样的网络不是面向大众的,仅局限于一些专业领域,如:金融行业、研究机构等。对大多数人而言,网络是陌生的、神秘的甚至是虚无缥缈的东西。    直到八十年代PC的出现,才给网络吹来一股清新之风—相对终端而言,PC具备自己的处理引擎(CPU)和文件存贮区域(硬盘),能够装载多种应用程序,独立地完成许多工作,从而将强大的计算能力交到个人手里;相对大型主机而言,这种轻便的机器内部结构大大简化,其价格远低于大型机,并且随着批量生产和技术的迅速成熟还在不断下降,使越来越多的用户能享受到这种智能设备带来的迅速、方便、功能强大的服务。因此可以说PC的出现首先是满足了个人用户信息处理的需要。但与个人信息处理紧密相联的便是信息的交换,于是联网的需求应运而生—人们购买网络设备和连线,在自己的办公室内搭建起局域网,实现本地通讯;为了扩展网络距离,又向提供服务的电话公司租用电话线或其它线路,在城市的各个角落甚至城市之间建立起广域网;再进一步发展下去,又出现了一类专门的服务行业,可以通过主干连接将原本隔离的多个网络互联起来,构成跨越国度的网际网。在这一过程中,Internet(国际互联网)的蓬勃兴起毫无疑问地成为网络技术成长的催化剂。      Internet发展简史    Internet是如何演变的?  Internet的应用范围由最早的军事、国防,扩展到美国国内的学术机构,进而迅速覆盖了全球的各个领域,运营性质也由科研、教育为主逐渐转向商业化。    在科学研究中,经常碰到“种瓜得豆”的事情,Internet的出现也正是如此:它的原型是1969年美国国防部远景研究规划局(Advanced Research Projects Agency)为军事实验用而建立的网络,名为ARPANET,初期只有四台主机,其设计目标是当网络中的一部分因战争原因遭到破 坏时,其余部分仍能正常运行;80年代初期ARPA和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的 TCP/IP协议并投入使用;1986年在美国国会科学基金会(National Science Foundation)的支持下,用高速通信线路把 分布在各地的一些超级计算机连接起来,以NFSNET接替ARPANET;进而又经过十几年的发展形成Internet。其应用范围也由最早的军事、国防,扩展到美国国内的学术机构,进而迅速覆盖了全球的各个领域,运营性质也由科研、教育为主逐渐转向商业化。    90年代初,中国作为第71个国家级网加入Internet,目前,Internet已经在我国开放,通过中国公用互连网络(CHINANET)或中国教育科研计算机网(CERNET)都可与Internet联通。只要有一台微机,一部调制解调器和一部国内直拨电话就能够很方便地享受到Internet的资源;这是Internet逐步"爬"入普通人家的原因之一;原因之二,友好的用户界面、丰富的信息资源、贴近生活的人情化感受使非专业的家庭用户既做到应用自如,又能大饱眼福,甚至利用它为自己的工作、学习、生活锦上添花,真正做到"足不出户,可成就天下事,潇洒作当代人"。    网络的神奇作用吸引着越来越多的用户加入其中,正因如此,网络的承受能力也面临着越来越严峻的考验—从硬件上、软件上、所用标准上......,各项技术都需要适时应势,对应发展,这正是网络迅速走向进步的催化剂。到了今天,Internet能够负担如此众多用户的参与,说明我们的网络技术已经成长到了相当成熟的地步,用户自己也能耳闻目睹不断涌现的新名词、新概念。但这还不是终结,仅仅是历史长河的一段新纪元的开始而已。    Internet的应用集锦    Internet可为我们做哪些事?  Internet如此美妙,初入门者不免好奇:它究竟可以为我们做哪些事?总的说来,Internet是一套通过网络来完成有用的通讯任务的应用程序,下面的篇幅将从应用入手,展示Internet的几项最广为流行的功能,它包括:电子邮件、WWW、文件传输、远程登 录、新闻组、信息查询等。    1.电子邮件(Email)  有了通达全球的Internet后,人们首先想到的是可以利用它来提供个人之间的通信,而且这种通信应能兼具电话的速度和邮政的可靠性等优点。这种思路生根发芽成长起来,最终得到的果实便是Email。通过它,每人都可以有自己的私有信箱,用以储存已收到但还未来得及阅读的信件,Email地址包括用户名加上主机名,并在中间用@符号隔开,如 [email protected] 。    从最初的两人之间的通信,如今的电子邮件软件能够实现更为复杂、多样的服务,包括:一对多的发信,信件的转发和回复,在信件中包含声音、图像等多媒体信息等;甚至可以做到只要有你的邮件到达,挂在你身上的BP机就嘀嘀作响发出提示;人们还可以象订购报刊杂志一样在网上订购所需的信息,通过电子邮件定期送到自己面前。    2.WWW  World Wide Web(通常被称为WWW)在中文里常被译作“万维网”,除发音相近外,也体现了其变化万千的内涵。用户借助于一个浏览器软件,在地址栏里输入所要查看的页面地址(或域名),就可以连接到该地址所指向的WWW服务器,从中查找所需的图文信息。WWW访问的感觉有些象逛大商场,既可以漫无边际地徜徉,也可以奔着一个目标前进;但不论如何,当用户最终获得想要的内容时,也许已经跨越了千山万水,故有时我们也称之为“Web冲浪”。    WWW服务器所存贮的页面内容是用HTML语言(Hyper Text Mark-up Language)书写的,它通过HTTP协议(Hyper Text Transfering Protocol)传送到用户处。    3.文件传输(FTP)  尽管电子邮件也能传送文件,但它一般用于短信息传递。Internet提供了称作FTP(File Transfer Protocol)的文件传输应用程序,使用户能发送或接收非常大的数据文件:当用户发出FTP命令,连接到FTP服务器后,可以输入命令显示服务器存贮的文件目录,或从某个目录拷贝文件,通过网络传递到自己的计算机中。    FTP服务器提供了一种验证用户权限的方法(用到用户名、密码),限制非授权用户的访问。不过,很多系统管理员为了扩大影响,打开了匿名ftp服务设置——匿名ftp允许没有注册名或口令的用户在机器上存取指定的文件,它用到的特殊用户名为“anonymous”。    4.远程登录(Remote Login)  远程登录允许用户从一台机器连接到远程的另一台机器上,并建立一个交互的登录连接。登录后,用户的每次击键都传递到远程主机,由远程主机处理后将字符回送到本地的机器中, 看起来仿佛用户直接在对这台远程主机操作一样。远程登录通常也要有效的登录帐号来接受对方主机的认证。常用的登录程序有TELNET、RLOGIN等。    5.Usenet新闻组  Usenet新闻是Internet上的讨论小组或公告牌系统(BBS)。Usenet在一套名为"新闻组"的标题下组织讨论,用户可以阅读别人发送的新闻或发表自己的文章。新闻组包括数十大类、数千组"新闻",平均每一组每天都有成百上千条"新闻"公布出来。新闻组的介入方式也非常随便,你可以在上面高谈阔论、问问题,或者只看别人的谈论。    上面所列举的仅是Internet文化长廊中的主要内容,但绝不是全部。Internet永远是在不断发展、推陈出新的,这将是我们下一篇的内容——Internet的发展趋势。    四.Internet发展面临的问题    Internet的发展正面临哪些困境?  在上篇中我们讲述了Internet的发展简史和它的方方面面的应用。正是由于Internet的丰富多彩,才会吸引越来越多的人加入其中:对用户而言,Internet正一步步渗透到我们工作、生活的各个方面,极大地改变了长久以来形成的传统思维和生活方式;而对Internet而言,用户的积极参与使得这一全球通行的网络迅速膨胀起来,用户对它的需求也不断升级,使Internet的耐受力面临带宽的短缺、IP地址资源匮乏等严峻考验。    1.带宽的短缺  据1995年年中的估计, 有150多个国家和地区的6万多个网络同Internet联结, 入网计算机约450万台, 直接使用Internet的用户达4000万人。而到今天,Internet已经开通到全世界大多数国家和地区,几乎每隔三十分钟就有一个新的网络连入,主机数量每年翻两番,用户数量每月增长百分之十,预计到本世纪末和下世纪初, Internet将连接近亿台计算机, 达到以十亿计的用户。而对更远的将来,人们很难精确估计。不管怎么说,这些数字已足以说明Internet的危机所在:就好象一根悬挂了很多重物的钢丝绳,重量增加了,绳子就有断裂的危险;而用户在Internet上的游历实际上要走过很多根这样的“钢丝绳”,用户越多,绳子的负载越重,其中任一根不结实,都会成为瓶颈,导致网络访问的失败。因此,“钢丝绳”的加固—带宽容量的增加势在必行,从Internet主干到分支,直至最终用户的接入,都出现了许多成熟的或正在发展的链路技术来实现这项需求,我们将在后文着重介绍其中用户最为关心的几种接入技术。    2. IP地址资源的匮乏  我们曾介绍了IP地址的格式和分类,这里所指的都是现行的IPv4—它是一个32位二进制数,因此总地址容量为232,也即有数亿个左右。而按照TCP/IP协议(同很多其它协议一样)的规定,相互联接的网络中每一个节点都必须有自己独一无二的地址来作为标识,那么很显然,相对前文日益增长的用户数,现有IP地址资源已不堪重负,很快将被用光—有预测表明,以目前Internet发展速度计算,所有IPv4地址将在2005~2010年间分配完毕。    解决IP地址缺乏的办法之一是想办法延缓资源耗尽的时间,目前最广泛应用的技术当属NAT(Network Address Translation,网络地址翻译)—它使企业用户在内部网络应用中采用自行定义的地址,只在需要作Internet访问时才翻译为合法的Internet地址;它的最大好处是用户加入Internet时不需更改内部地址结构,而只需在内外交界处实施地址转换,并且能够实现多个用户复用同一合法地址,从而大大节省地址资源;但作NAT转换的同时也增加了网络的复杂性,何况它并不能阻止可用地址越来越减少的趋势。    作为对IPv4问题的解决,一种新的IP地址定义应运而生,它便是下文讲的IPv6。    Internet的发展技术    如何解决Internet的发展瓶颈?Internet新的应用趋势是什么?  Internet的发展首先是要走出困境,扩展容量,然后才有可能继续推出各项新的应用并且运用自如。现在我们将从网络线路的发展说起,谈谈近年来成为通信热点的宽带接入技术,以及Internet新的应用趋势。    1.接入技术的发展  接入技术也称“最后一公里”技术,表示从最终用户到本地电信服务商之间的一段连接。大家已经熟悉的有PSTN拨号、ISDN和专线等技术,而近几年接入技术发展迅猛,比较成熟的有:    ADSL  ADSL又称非对称数字用户线,是DSL家族系列技术(HDSL、VDSL、IDSL等)中应用最广的一种。它的最大好处是利用现有的电话双绞线作为传输介质,因此成本较低;接入带宽却相对电话线传输的PSTN(目前最高115.2Kbps)快了许多,从局端到用户的下行速率理论上可达7-8M,实际使用的下行速率一般为1.5-2Mbps,从用户到局端的上行速率为几百Kbps,这也比PSTN有了很大提高;ADSL的非对称性与终端用户的网络访问特点是相一致的——个人用户多数应用都是以客户方式从网上去获取数据,如WWW、FTP,只在个别时候才向网络大量发送数据,如发送附带多媒体信息的电子邮件,因此下行数据量大、上行数据量小,也为非对称方式。    线缆调制解调器  线缆调制解调器是一项非常适宜于家庭用户的接入技术。它在电缆电视的基础上,将分配网络的主干部分改为光缆,在各个服务节点处完成光电转换,再由同轴电缆将传输信号送到用户家里,可有效地实现Internet访问、电视点播和数据电话等业务,市场前景广阔。线缆传输也是非对称方式,每服务节点下行速率高达10-30Mbps,上行速率可达2M左右,但与ADSL不同,它是一个共享网络,实际每用户可用带宽与节点所连的上网用户数成反比,即便如此,用户能享用的带宽也是相当可观的。    线缆调制解调器应用发展的最大障碍是线缆线路的双向改造——传统的有线电视大多是单向传输;而数据的访问是双向进行的,因此必须实施线路改造以适应这项新的应用。在改造完成之前也有一种暂时的解决办法:即下行数据传递采用电视线缆,上行数据则采用电话线回传。    无线接入技术  作为有线接入的补充,在不便于有线接入的地区,用无线通信设备把用户接入市话交换网,统称为无线接入系统。无线本地环路系统技术来源于以下三个方面:    (1) 来源于蜂窝移动通信系统;  (2) 来源于大区制通信系统、数字无绳电话系统、数字微波和卫星通信系统。大区制系统主要指集群通信系统。  (3)来源于专用的无线本地环路系统,采用大功率、大覆盖、低成本。以其独特的优点,很快被市场接受,发展十分迅速。目前世界各大通信公司几乎都有典型产品。    CDMA(码分多址)和其衍生的无线本地环路技术有着其他无线接入技术不可比拟的优点,代表无线接入技术的发展方向。    接入技术的发展充分体现了“三网合一”的应用趋势:ADSL是利用原来的语音载体电话线传递数据,线缆调制解调器则利用原有的图像载体有线电视传递数据,大家熟悉的IP电话则是通过各类数据载体传送语音。因此,今后的数据网、电视网和电话网将不再相互隔离,共同承揽数据、语音、图像集成的业务,缓解了Internet的带宽压力。    2.IPv6技术  正当人们为IPv4面临的问题而焦头烂额时,IPv6出现了,它给人们带来了近乎完美的解决方案:    ●如同电话号码升位一样,IPv6提供了128位的IP地址,使地址数量大幅增加,从而解决了现在的IP地址资源危机;  ●IPv6采用了“可聚集全球统一计算地址”的构造,这使IP地址构造同网络的拓扑结构(连接形态)相一致,从而缩小了路由表,使路由器能够高效率地决定路由;  ●IPv6具有自动把IP地址分配给用户的功能大大减少了网络管理费用。    尽管IPv6比IPv4具有明显的优越性,但在全球范围内实现地址的升级有许多实际困难。为此,Internet研究组织IETF制定了一套IPv4向IPv6过渡的方案,其中包括三个机制:兼容IPv4的IPv6地址、双IP协议栈和基于IPv4隧道的IPv6。    3.应用的发展—电子商务  在Internet发展史第一篇中我们介绍了基于Internet的各项应用,但它们只是人们用以达到某些目标的手段,就象原始人学会了利用工具一样。电子商务(E-Commerce)便是基于网络应用的各种技术在各行各业实施的全方位的改造,为人们展示了一个全新、璀璨的世界。电子商务不一定都通过Internet来完成,但Internet的高速发展却为其提供了生根萌芽的沃土。大名鼎鼎的Amazon公司应该说敢为勇者先,率先架筑起自己图书购销配套服务的庞大帝国成为电子商务运作的典范。同以前所提到的应用相比,电子商务更象一种理念,它的实现并没有固定的格式。在Internet或自己的网络上利用各种技术建设适合自身特点的Intranet、Extranet,其中策略的制定是发展的关键。不论进度如何,电子商务必然是Internet应用的一项主要发展趋势。    纵观十多年来Internet的发展史,人们很难说清,未来它究竟会是什么样,但Internet还将继续改变我们的生活,推动人类文明的发展,这是谁都否认不了的。    五.OSI七层模型  ISO国际标准组织所定义的开放系统互连七层模型的定义和各层功能。它是网络技术入门者的敲门砖,也是分析、评判各种网络技术的依据—从此网络不再神秘,它也是有理可依,有据可循的。    建立七层模型主要是为解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来;也使网络的不同功能模块分担起不同的职责。    网络发展中一个重要里程碑便是ISO(Internet Standard Organization,国际标准组织)对OSI(Open System Interconnect,开放系统互连)七层网络模型的定义。它不但成为以前的和后续的各种网络技术评判、分析的依据,也成为网络协议设计和统一的参考模型。    建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来:服务说明某一层为上一层提供一些什么功能,接口说明上一层如何使用下层的服务,而协议涉及如何实现本层的服务;这样各层之间具有很强的独立性,互连网络中各实体采用什么样的协议是没有限制的,只要向上提供相同的服务并且不改变相邻层的接口就可以了。网络七层的划分也是为了使网络的不同功能模块(不同层次)分担起不同的职责,从而带来如下好处:    ● 减轻问题的复杂程度,一旦网络发生故障,可迅速定位故障所处层次,便于查找和纠错;  ● 在各层分别定义标准接口,使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作,各层之间则相对独立,一种高层协议可放在多种低层协议上运行;  ● 能有效刺激网络技术革新,因为每次更新都可以在小范围内进行,不需对整个网络动大手术;  ● 便于研究和教学。    网络分层体现了在许多工程设计中都具有的结构化思想,是一种合理的划分。    网络七层的功能    网络七层包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中物理层、数据链路层和网络层通常被称作媒体层,是网络工程师所研究的对象;传输层、会话层、表示层和应用层则被称作主机层,是用户所面向和关心的内容。    那么,网络七层的具体定义和相应职责各是什么呢?下图便是OSI七层模型的协议堆栈示意,它们由下到上分别为:    ● 第一层—物理层:物理层定义了通讯网络之间物理链路的电气或机械特性,以及激活、维护和关闭这条链路的各项操作。物理层特征参数包括:电压、数据传输率、最大传输距离、物理连接媒体等。  ● 第二层—数据链路层:实际的物理链路是不可靠的,总会出现错误,数据链路层的作用就是通过一定的手段(将数据分成帧,以数据帧为单位进行传输)将有差错的物理链路转化成对上层来说没有错误的数据链路。它的特征参数包括:物理地址、网络拓朴结构、错误警告机制、所传数据帧的排序和流控等。其中物理地址是相对网络层地址而言的,它代表了数据链路层的节点标识技术;“拓朴”是网络中经常会碰到的术语,标记着各个设备以何种方式互连起来,如:总线型—所有设备都连在一条总线上,星型—所有设备都通过一个中央结点互连;错误警告是向上层协议报告数据传递中错误的发生;数据帧排序可将所传数据重新排列;流控则用于调整数据传输速率,使接收端不至于过载。  ——————————————————————————  OSL参考模型(简单图一)    应用层  表示层  会话层  传输层  网络层  数据链路层  物理层  ——————————————————————————  ● 第三层—网络层:网络层将数据分成一定长度的分组,并在分组头中标识源和目的节点的逻辑地址,这些地址就象街区、门牌号一样,成为每个节点的标识;网络层的核心功能便是根据这些地址来获得从源到目的的路径,当有多条路径存在的情况下,还要负责进行路由选择。  ● 第四层—传输层:提供对上层透明(不依赖于具体网络)的可靠的数据传输。如果说网络层关心的是“点到点”的逐点转递,那么可以说传输层关注的是“端到端”(源端到目的端)的最终效果。它的功能主要包括:流控、多路技术、虚电路管理和纠错及恢复等。其中多路技术使多个不同应用的数据可以通过单一的物理链路共同实现传递;虚电路是数据传递的逻辑通道,在传输层建立、维护和终止;纠错功能则可以检测错误的发生,并采取措施(如重传)解决问题。  ● 第五层—会话层:在网络实体间建立、管理和终止通讯应用服务请求和响应等会话。  ● 第六层—表示层:定义了一系列代码和代码转换功能以保证源端数据在目的端同样能被识别,比如大家所熟悉的文本数据的ASCII码,表示图象的GIF或表示动画的MPEG等。  ● 第七层——应用层:应用层是面向用户的最高层,通过软件应用实现网络与用户的直接对话,如:找到通讯对方,识别可用资源和同步操作等。    网络七层的底三层(物理层、数据链路层和网络层)通常被称作媒体层,它们不为用户所见,默默地对网络起到支撑作用,是网络工程师所研究的对象;上四层(传输层、会话层、表示层和应用层)则被称作主机层,是用户所面向和关心的内容,这些程序常常将各层的功能综合在一起,在用户面前形成一个整体。大家所熟悉的网上应用WWW、FTP、TELNET等,都是这多层功能的综合。    在数据的实际传输中,发送方将数据送到自己的应用层,加上该层的控制信息后传给表示层;表示层如法炮制,再将数据加上自己的标识传给会话层;以此类推,每一层都在收到的数据上加上本层的控制信息并传给下一层;最后到达物理层时,数据通过实际的物理媒体传到接收方。接收端则执行与发送端相反的操作,由下往上,将逐层标识去掉,重新还原成最初的数据。由此可见,数据通讯双方在对等层必须采用相同的协议,定义同一种数据标识格式,这样才可能保证数据的正确传输而不至走形。    OSI与实际应用模型    七层模型是一个理论模型,实际应用则千变万化,完全可能发生变异。对大多数应用,我们只是将它的协议族(即协议堆栈)与七层模型作大致的对应,看看实际用到的特定协议是属于七层中某个子层,还是包括了上下多层的功能。    网络中实际用到的协议是否严格按照这七层来定义呢?并非如此,七层模型是一个理论模型,实际应用则千变万化,完全可能发生变异。何况有的应用由来已久,不可能在七层模型推出后又推翻重来。因此对大多数应用,我们只是将它的协议族(即协议堆栈)与七层模型作大致的对应,看看实际用到的特定协议是属于七层中某个子层,还是包括了上下多层的功能。我们在以前的篇幅中曾介绍过的TCP/IP协议,它与七层模型的对应关系如下:  ——————————————————————————  OSL与TCP/IP模型的对应关系(简单图二)  应用层  *  表示层  应用层  会话层  *  传输层  传输层  网络层  网络层  数据链路层  网络接口层  物理层  *  ——————————————————————————  由图二可看出,TCP/IP的多数应用协议将OSI应用层、表示层、会话层的功能合在一起,构成其应用层,典型协议有:HTTP、FTP、TELNET等;TCP/UDP协议对应OSI的传输层,提供上层数据传输保障;IP协议对应OSI的网络层,它定义了众所周知的IP地址格式,做为网间网中查找路径的依据;TCP/IP的最底层功能由网络接口层实现,相当于OSI的物理层和数据链路层,实际上TCP/IP对该层并未作严格定义,而是应用已有的底层网络实现传输,这就是它得以广泛应用的原因。
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