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1、第二章 Internet技术基础 从概念上讲，Internet是由多个网络互联而成的一个单一而庞大的网络集合，即它是建立在计算机网络之上的网络。在组织结构上，Internet是由称为路由器（路由器（Router）的计算机连结起来的众多计算机网络所组成。各种各样的计算机，如PC、Macintosh、UNIX系统工作站、大中型计算机以及各种计算机局域网、广域网都可与Internet相连。网上的计算机都遵循统一的TCP/IP协议。TCP/IP以层次化的对等通信特点管理着网上的信息交换。并且由于TCP/IP协议的开放性开放性，使得众多的能够遵循TCP/IP的网络都加入到Internet中，成为Inte
2、rnet的一部分。2.1 Internet 通信基础通信基础 Internet的产生和发展涉及到两个领域计算机技术和通信技术。计算机和通信技术日益紧密的结合，使得Internet得到了空前的发展规模和发展潜力。 计算机和通信技术的结合是相辅相成的。一方一方面面，通信技术为计算机之间的数据传输和交换提供了必要的手段；另一方面另一方面，数字计算机技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能。计算机与通信技术相结合的最简单例子就是计算机之间通过电话线进行数据传输(图2-2)，其中调制解调器的主要作用是：将计算机的数字信号与电话线上传输的模拟信号进行模数和数模转换。图 2-2 计算机之 间通
3、过电话线传输数据2.1.1 模拟通信和数字通信 模拟通信和数字通信的基本区别在于：模拟数据在传输时是根据时间产生连续变化的值，例如声音和视频信号；数字数据产生离散的值，例如由计算机产生的各种二进制数值。 在通信系统中，传输模拟数据的系统是模拟传输系统，传输数字数据的系统是数字传输系统。二者的区别是：模拟传输系统追求的目标是波形无失真地传输；数字传输系统则要求无差错的恢复代码。数字传输系统的优点是比模拟传输系统便宜，而且很少受干扰信号的影响主要缺点是数字信号比模拟信号容易衰减，传输距离没有模拟传输系统距离长。 由于数字技术发展很快，无论是从传输质量和价格方面，数字传输都要明显优于模拟传输，因此，
4、现在越来越多的通信系统正在把模拟传输逐渐地转变为数字传输。 在Internet的发展过程中，目前主干网上大多采用的是数字信号传输，传输质量高，速率快。但在某些线路，特别是用户端线路上仍采用的是模拟传输。因此，Internet是将数字传输和模拟传输相结合，是将数字传输和模拟传输相结合，全球性的通信网络全球性的通信网络。2.1.2 数据调制和编码数据调制和编码 无论是模拟信号，还是数字信号，传输方式有两大类：基带传输基带传输和频带传输频带传输。除了模拟数据的模拟信号传输外，其他传输都要以某种形式的数据来表示或进行编码。 将基带信号直接送到通信线路上的传输方式称为基带传输基带传输。由模拟信号源变换来
5、的信号称为模拟基带信号模拟基带信号；由计算机产生的二进制信号称为数字基带信号数字基带信号。将基带信号经过调制后送到通信线路上的传输方式称为频带传输频带传输。 基带信号具有较低的频谱分量，一般来说，这种信号不适合直接传输。为此，在发送端将这种基带信号的低频分量搬移到适应于传输的高频谱上，这个过程为调制调制。在接收端需要将接收到的高频信号再搬回到原来较低的频谱上，这一过程称为解调解调。频带传输的主要内容就是调制与解调调制与解调。1数字数据、数字信号数字数据、数字信号 数字基带传输是指数字数据以数字信号传输的方式，通常用于局域网中。数字基带传输的最简单的办法是用两个高低电平来表示二进制数字，如低电平
6、代表“0” ，高电平代表“1”。常用的编码方式有不归零制NRZ（Nonreturn to Zero）和曼彻斯特编码。2模拟数据、数字传输模拟数据、数字传输 模拟基带传输是指模拟数据以数字信号进行传输，常用于对声音信号进行编码。3数字数据、模拟信号数字数据、模拟信号 频带传输主要是将数字数据经过调制后以模拟信号的方式进行传输。常见的例子就是利用调制解调器在电话线上以模拟信号来传输计算机的数字信号。 调制解调器的主要功能调制解调器的主要功能是通过一个载波频率将二进制的数字信号转换为模拟信号，在线路的接收端，调制解调器把信号解调为原来的数字数据，以便于计算机接收。2.2 分组交换技术 数据交换数据交
7、换是网络中结点之间进行数据传输的基础。本节我们将讨论三种数据交换方式和它们的特点，这三种交换方式包括：线路交换、报文交换和分组交换。其中分组交换是Internet采用的一种数据交换方式。1线路交换（Circuit Switching） 线路交换由电话交换网发展而来，目前我们使用的公共电话网（PSTN）就是线路交换的典型例子。 线路交换是指网络中的两个结点之间在进行信息交互时，要建立一条专用的通信线路，并且在数据传输过程中始终占用这段线路。采用线路交换方式，两个结点之间事先建立一条实际的物理连接，这种连接是通过一定的路径选择方法建立起来的连接序列，就类似于电话系统中通话前的呼叫，呼叫的过程实际上
8、就是建立物理连接的过程。线路交换方式包括三个步骤：（1）建立线路）建立线路 线路交换的第一个步骤是要建立端到端的物理连接。根据目的方的地址信息，源方通过一定的路径选择算法申请空闲的线路。通常，这段线路要经过多个中间结点的转接。（2）数据传输）数据传输 源方和目的方一旦建立了通信线路，就可以进行数据传输了。在数据传输过程中，通信线路将被独占，直到通信结束后才能被其他人使用。一般地，这种连接是全双工的，可以在两个方向上传输数据。（3）拆除线路）拆除线路 数据传输结束后就可以拆除线路，拆除线路时只要由其中的一方断开连接即可。这样，线路交换的一个完整过程就结束了。 线路交换有如下特点：线路交换有如下特
9、点：通信双方独占线路，线路的利用率低。由于连接期间线路是被独占的，即使没有数据传送，别人也无法使用该线路。对于PC机与PC机之间的连接，可能在大部分时间内线路处于空闲状态。所以线路交换适合于目前以语音交换为主的电话系统。网络对于用户是透明的。线路交换的过程对用户来讲是透明的。传输几乎无延时。一旦建立了连接，用户就可以以固定速率来传输数据，除了物理链路的传输延时外，在结点之间几乎没有延时。2报文交换（Message Switching） 报文交换与线路交换恰恰相反，报文交换不需要通信双方在通信之前建立物理连接，它采用一种“存储转发存储转发”机制，即当发送方发送数据时，将目的方地址附加在报文上连同
10、数据一起发送，报文通过网络，在逐个结点之间进行传送，每到一个结点，接收整个报文暂存起来，然后发送到下一个结点，直至到达目的方结点。 报文交换系统中结点通常是一台计算机，这样具有足够的存储容量来缓存收到的报文，报文的大小直接影响着每个结点的延时时间，此外结点还要将报文排队以便等待时机向下一个结点发送。这种报文交换方式也称为“存储存储转发技术转发技术”。同线路交换相比，报文交换有下列优点：通信线路使用效率较高，大量报文可以分时地共享两个结点之间的一条通信线路。由于是存储转发，通信双方不需要同时地发送、接收数据。报文交换可以将报文发送到多个目的地，而线路交换通常是点对点之间的。 报文交换也有一定的缺
11、点缺点，由于报文的大小不是固定的，因此延时长短很难掌握，不能满足实时和交互式的通信要求。3分组交换（Packet Switching） 分组交换也是一种存储转发技术，它是对报文交换的一种改进，同时也吸取了线路交换低延时的优点。 在计算机网络中，数据的传输要经过网络线路，这些线路属于网络的硬件资源。为了降低成本和提高效率，计算机网络应能够以最少的线路来传输尽可能多的数据，这就要求网上的用户以轮流共享的方式来使用计算机网络资源，避免某个用户在传输大块数据时，长时间地独占传输线路，而使其他用户处于等待状态，造成网络资源的使用不均。为此，网络中引入了分组交换技术。2.2.2 分组交换的原理分组交换的原
12、理 Internet是由ARPAnet发展演变而来，而ARPAnet也是世界最早采用分组交换技术的广域网络。 1964年，美国Rand公司的P.Baran在关于分布式通信的研究报告中首次提出了分组交换分组交换概念概念。即把数据分割成一定大小的信息包进行传送，使用户不仅可以轮流共用一条通信线路，而且一旦失败，只要还有迂回的线路，网络通信仍能照常进行。这就是分组交换的一基本原理，分组交换技术直到今天仍然是通信网络的基础技术之一。 在分组交换网，数据不再是以大块数据块方式通过一条专用线路直接发送给目的方。分组交换技术限制网络中每次传送的数据量大小，它规定每次传输的数据单位为一个分组（Packet），
13、也称为信息包信息包。典型分组的长度从1000到几千比特(bit)。 每个分组都有相同的格式，由两部分组成，开始部分为报头，其中包括了发送方地址和接收方地址，以表明该分组来自于哪台计算机，最终要到达哪一台计算机，此外还有一些控制信息。另一部分是真正要传输的数据（图2-3）。图2-3 将待发文件划分成多个分组待发文件待发文件分组1分组2分组3报头数据 在分组交换网中数据是以分组为单位进行传输的，这样当一台计算机准备好数据并经过分组后，就可以发送了，而且不必考虑此时是否有其他计算机在使用网络线路。因此在网络线路方面，有可能出现同一时刻有不同用户的数据分组在上面传输的情况，即实现多用户平等地共享网络多
14、用户平等地共享网络资源资源。至于一条网络线路在同一时刻能够容纳多少分组，则涉及到网络流量网络流量的问题，即网络的带宽网络的带宽，若带宽过窄，将导致大量分组都拥挤在一起，造成“瓶颈”而降低了网络的实际传输速率。 由于在每个分组中都包含有接收方地址，这就决定了网络上的每台计算机都要有一个唯一的地址来标识。当分组在网络上由一台计算机传输经过另一台计算机时，该计算机就会检测该分组是否是传送给自己的，一旦检测确定，就会接收这个分组。当所有的分组都到达后，接受方计算机会根据分组中的控制控制信息信息将它们重新连接，形成一块完整的数据。 Internet采用了分组交换技术，分组交换使Internet上的计算机
15、之间可以同时进行数据传输。在任何时候，当用户准备好数据后，会由网络软件自动将数据划分成分组并发送。接收方则会把收到的分组进行重新组装，形成完整的数据。而这一系列过程对用户来说则是透明透明的。 为了确保网络上的各个分组能够正确地到达目的地，Internet还通过路由算法对分组进行路由路由（Routing），即一个分组由源方发送到目的方所走过的路径（图2-4）。通常，路由算法是以最短路由算法是以最短路径为主要原则路径为主要原则。此外，由于Internet的网络结构特点，即使某条线路瘫痪了，只要还有迂回的线路存在，那么这些分组仍能通过其他线路到达目的地。网络1（分组）网络2网络3网络4网络j网络k（
16、分组）网关网关网关网关网关发送方接受方图2-4 分组的路由选择2.2.3 分组交换的优点分组交换的优点 Internet最早采用了分组交换技术。同其他数据交换技术相比，它有如下优点：实现多用户平等地共享网络线路，提高了线路的利用率，加大了网络的吞吐量。分组交换能够匹配不同的数据接入速率。当网络容量很大时，分组交换仍然能够接受用户输入，只是延时会增加。分组交换可以给分组分配不同的优先权。分组交换可引入差错控制、自动重发等功能，以保证传输的可靠性。2.3 TCP/IP技术技术2.3.1 开放的开放的TCP/IP环境环境 网络协议是网络中各台计算机之间进行通信的一种语言基础和规范准则，它定义了计算机
17、进行信息交换所必须遵循的规则。在每个计算机网络中，都必须有一套统一的协议，否则计算机之间无法进行通信。Internet采用了TCP/IP协议，Internet能以惊人的速度发展是与TCP/IP的贡献分不开的。TCP/IP（Transmit Control Protocol/Internet Protocol）最早是由ARPA制定并加入到Internet中。以后，TCP/IP进入商业领域，以实际应用为出发点，支持不同厂商、不同机型、不同网络的互联通信，并成为目前令人瞩目的工业标准。由TCP/IP的开放性，使得各种类型的网络都可以容易地接入Internet。并且随着Internet的发展，将会有越
18、来越多的网络接入Internet，使用其丰富的资源。2.3.2 TCP/IP是如何工作的 Internet上计算机与网络之间共享信息的思想是采用分组交换技术分组交换技术：把要发送的信息或消息分割成一个一个的分组，将这些分组传送到它们的目的地，接收方计算机在收到所有的分组后，再将它们组装到一起，成为原来的形式。这一系列工作就是由TCP协议和IP协议来完成的，通常我们称为TCP/IP。TCP对信息进行分组并最终进行组装，而IP负责确保将分组发送到正确的目的地。Internet采用TCP/IP协议就在于它是一个分组交换网络，与电话系统所用的线路交换方式相比，它不提供源、目两端之间单一的，确定的物理连
19、接。信息在发送时被划分成小的分组，然后通过不同的路由向外发出，最后在接收端组装成完整的信息。为了能使PC机充分地使用Internet，用户需要一个特殊的软件来理解和解释TCP/IP协议。这个软件指的就是Socket（套接字）套接字）或TCP/IP协议栈协议栈（TCP/IP的分层结构像是一个堆栈）2.3.3 TCP/IP的层次结构 TCP/IP由于其开放的环境以及对各种计算机网络的完美连接，使得它已成为一个事实上的工业标准。国际标准化组织ISO制定的网络国际标准OSI（Open System Interconnection）是一个标准的七层参考协议，但就从目前应用的角度来讲，TCP/IP的发展更
20、加迅猛，并且逐渐吸收OSI的优点，为自己所用。例如，在新的TCP/IP版本中，将扩充4倍于当前长度的IP地址，以缓解IP地址的紧张。在网络安全、网络管理（SNMP）等方面，TCP/IP也会有新的改善。 TCP/IP是是Internet网络协议集的总称网络协议集的总称，含有上百个协议，TCP和IP是这个集合中最基本、也是最重要的两个协议，即传输控制协议和网间协议。但是长期以来，人们习惯于把TCP/IP协议集称为TCP/IP。TCP协议向网络应用程序提供基本的通信连接等服务，IP协议负责为互连的网络及计算机提供通信等服务。 TCP/IP协议分为四层协议分为四层，比OSI的七层模型要简单，只占其中的
21、四层，如图2-5所示。目前TCP/IP的市场和地位已为大多数人所认可，并成为事实上的工业标准。图2-5 OSI与TCP/IP协议的层次比较TCP/IPISO/OSI在由众多网络互联而成的Internet中，规范化那些最普遍、最经常的应用，使之成为标准化、系列化的应用，这样的规范就是所谓的网络通信协议网络通信协议。根据网络协议开发的程序，就是网络应用程序网络应用程序。由于这类协议和程序，事实上功能、目标都相同，所以人们在谈论时并不把它们区别开来，甚至其简化名称也只有一个。例如FTP既是文件传输协议（File Transfer Protocol），也是使用该协议的文件传输程序（File Trans
22、fer Program）的缩写名。2.3.4 TCP/IP的层次结构和主要功能 TCP/IP协议采用了层次体系结构，所涉及的层次包括网络接口层、传输层、网络层和应用层。每一层都实现特定的网络功能，其中TCP负责提供传输层的服务，IP协议实现网络层的功能。这种层次结构系统遵循着对等实体通信原则，即Internet上两台主机之间传送数据时，都以使用相同功能进行通信为前提，这也是Internet上主机之间地位平等的一个体现（图2-6）。图2-6 Internet网的对等通信实体模型SLIP 或 PPP以太网 令牌环 FDDI(局域网)RS-232 电话线 同轴电缆 光纤等IPTelnet等TCPTe
23、lnet等TCPIP用户计算机宿主计算机应用层传输层网络层网络接口层前面讲到分组交换网中分组的概念，为了同其他网络相区别，在Internet中我们称分组为数据报数据报。下面我们介绍TCP/IP各层实现的具体功能和作用：1.数据链路层（数据链路层（Network Interface Layer）数据链路层提供了TCP/IP与各种物理网络的接口，把IP数据报封装成能在网络中传输的数据帧，为数据报的传送和校验提供了可能。这些物理网络包括各种局域网和广域网。数据链路层最终将数据报传递到目的主机或其他网络。2.网络层（网络层（Network Layer） 链路层只提供了简单的数据流传送服务，而在Inte
24、rnet中网络与网络之间的数据传输主要依赖于网络层中的IP协议。网络层的功能主要体现在IP和ICMP协议上。 IP(网间协议)：负责Internet上网络与网络之间的通信，即将数据报由一个网络传输到另一个网络。它定义了Internet上IP地址的格式，不考虑传输的可靠性、数据报的流量控制等安全因素。 ICMP(Internet控制报文协议)：作为IP的延伸和不可分割的组成部分，其主要功能有：数据流控制；检测目的地是否可以抵达；重选路由；检查远程主机。3. 传输层（传输层（Transport Layer） 传输层的主要服务功能是建立、提供端到端的通信连接，亦即一个应用程序到另一个应用程序的通信连
25、接。说到底，传输层主要是为任何两台需要相互通信的计算机建立通信连接。 传输层的主要协议有TCP（传输控制协议）和UDP（用户报文协议）TCP是TCP/IP的两个最基本的协议之一。 传输层中的TCP协议负责任何两台计算机之间的连接，此外还提供了一种可靠传输的方法，解决了IP协议的不安全因素，为数据报正确、安全地到达目的地提供了保障。 TCP的作用：的作用： IP协议不负责数据报的丢失及误投递等情况，而TCP协议则提供了可靠传输的机制，它能够自动检测丢失的数据报并自动重传，弥补IP的不足。此外，它还负责过滤多个重复的数据报，接收最先到达的一个。因此，TCP和IP总是协调一致地工作，以保证数据报的可
26、靠传输。 UDP的可靠性不如TCP协议，适合于传输一些不需要绝对可靠的数据。4. 应用层（应用层（Application Layer） 应用层根据不同用户的各种要求，向用户提供所需的网络应用程序服务。TCP/IP协议的应用层提供了网上计算机之间的各种应用服务。如FTP、SMTP、DNS等。2.3.5 网间协议网间协议IP IP协议是TCP/IP的核心，IP详细地定义了计算机通信应该遵循的具体细节。IP定义了分组如何构成，以及路由器如何将一个分组递交到目的地。IP主要功能包括如下：（1）定义IP数据报；（2）确定网间寻址方案；（3）管理Internet中的地址；（4）为IP数据报执行路由选择功能；（5）必要时对数据报的分片与重组；（6）在数据链路层与传输层之间传送数据。2.3.6 传输控制协议传输控制协议TCP IP提供了将分组从源地址传送到目的地址的方法，但IP是一种不可靠服务是一种不可靠服务，它没有解决诸如数据报丢失或误投递的问题；TCP是一种是一种可靠传输服务可靠传输服务，它解决了IP没有解决的问题，二者的结合，提供了一种在Internet上可靠数据传输的方法。TCP协议的主要功能包括如下：（1）可靠的分组交换；（2）实现应用程序之间的连接；（3）安全、可靠；（4）兼容多种数据流格式。
