1.3 互联网概述

1.3.1 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国际性计算机互连网络。我们先给出关于网络、互连网络及互联网的一些最基本的概念。本书中所谈到的网络都指计算机网络。

网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等（在后续的两章我们将会介绍集线器、交换机和路由器等设备的作用）。图1-1（a）给出了一个具有5个结点和4条链路的网络。我们看到，有4台计算机通过4条链路连接到一个集线器上，构成了一个简单的网络。在很多情况下，我们可以用一朵云表示一个网络。这样做的好处是，可以不去关心网络中的细节问题，从而集中精力研究与网络互连有关的一些问题。

网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互连网络（internet），如图1-1（b）所示。因此互连网络是“网络的网络（Network of Networks）”。

习惯上，大家把连接在网络上的计算机都称为主机（Host）。路由器是一种特殊的计算机，它是连接不同网络的专用设备，用户并不直接使用路由器处理信息，因此不能把路由器称为主机。互连网络也常常用一朵云来表示，图1-2表示许多主机连接在互连网络上。这种表示方法是把主机画在网络的外边，而网络内部的细节（即路由器怎样把许多网络连接起来）往往就省略了。

因此，我们可以先初步建立这样的基本概念：网络把许多计算机连接在一起，而互连网络则把许多网络连接在一起。有时，为了避免意义上的不明确，我们把直接连接计算机的网络称为物理网络，而互连网络是由物理网络集合构成的逻辑网络。

还有一点也必须注意，就是网络互连并不仅仅是把计算机简单地在物理上连接起来，因为这样做并不能达到计算机之间能够相互交换信息的目的。为达此目的，我们还必须在计算机上安装许多使计算机能够交换信息的软件。因此，当我们谈到网络互连时，我们默认在这些计算机上已经安装了适当的软件，从而计算机之间可以通过网络交换信息。

互联网（Internet）是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计），也被翻译为因特网。

请读者注意以下两个意思相差很大的名词：internet和Internet。

以小写字母i开始的internet（互连网络）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以是任意的。

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计算机网络，它采用TCP/IP（Transmission Control Protocol / Internet Protocol）协议簇作为通信规则，其前身是美国的阿帕网（Advanced Research Projects Agency Network，ARPANet）。TCP/IP是指以TCP和IP为代表的一系列互联网协议。

互联网从功能上可划分为以下两大部分，如图1-3所示。

（1）边缘部分

边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来运行各种用户直接使用的网络应用：电子邮件、网页浏览、网络游戏、文件传输等。这些主机又称为端系统（End System），“端”就是“末端”的意思（即互联网的末端）。端系统在功能上可能有很大的差别，小的端系统可以是一台普通个人计算机甚至很小的掌上电脑，而大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如学校、企业、政府机关等）。

（2）核心部分

核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器（Router），它是一种专用计算机（但不是主机）。路由器是实现分组交换（Packet Switching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

1.3.2 互联网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是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是在某个日期突然发生了变化。

第一阶段——从单个网络ARPANET向互连网络发展。1969年，美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET只是单个的分组交换网，所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的结点交换机相连。但到了20世纪70年代中期，人们已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。这导致了互连网络的出现。互连网络成为现在的互联网（Internet）的雏形。1983年，TCP/IP成为ARPANET上的标准协议，所有使用TCP/IP的计算机都能利用该网络相互通信，因而人们就把1983年作为互联网的诞生时间。1990年ARPANET正式宣布关闭，因为它的实验任务已经完成。

第二阶段——逐步建成三级结构的互联网。从1985年起，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）围绕6个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网（NSFNET）。它是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）。这种三级计算机网络覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分。1991年，NSF和美国的其他政府机构开始认识到，互联网必将扩大其使用范围，不应仅限于大学和研究机构。世界上的许多公司纷纷接入互联网，使网络上的通信量急剧增大，互联网的容量已满足不了需要。于是美国政府决定将互联网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入互联网的单位收费。1992年互联网上的主机超过100万台。1993年互联网主干网的速率提高到45 Mbit/s（T3速率）。

第三阶段——逐渐形成多层次ISP结构的互联网。从1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网替代，政府机构不再负责互联网的运营，而是让各种互联网服务提供方（Internet Service Provider，ISP）来运营。

ISP可以从互联网管理机构申请到成块的IP地址（互联网上的主机都必须有IP地址才能进行通信，这一概念我们将在4.2节详细讨论），同时拥有通信线路（大的ISP自己建设通信线路，小的ISP则向电信公司租用通信线路）以及路由器等连网设备。任何机构和个人只要向ISP交纳规定的费用，就可从ISP得到所需的IP地址，并通过该ISP接入互联网。我们通常所说的“上网”就是指“通过某个ISP接入互联网”。IP地址的管理机构不会把单个的IP地址分配给单个用户（不“零售”IP地址），而是把一批IP地址有偿分配给经审查合格的ISP（只“批发”IP地址）。从以上情况可以看出，现在的互联网已不是由某个组织所拥有，而是由全世界无数大大小小的ISP所共同拥有。图1-4说明了用户要通过ISP才能连接到互联网。

根据提供服务的覆盖面积大小及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成不同的层次。图1-5是基于ISP的具有三层结构的互联网的概念示意图，但这种示意图并不表示各ISP的地理位置关系。

在图1-5中，最高级别的第一层ISP（tier-1 ISP）[2]的服务面积最大，一般能够覆盖国际性区域范围，并拥有高速链路和交换设备。第一层ISP通常也被称为互联网主干网（Internet Backbone），并直接与其他第一层ISP相连。第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，通常具有区域性或国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接。第三层ISP又称为本地ISP，它们是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围的网络。一般的校园网或企业网，以及住宅用户和无线移动用户等，都是第三层ISP的用户。ISP向它的用户收费，费用通常根据连接两者的带宽而定。一个ISP也可以选择与其他同层次ISP相连，当两个相同层次ISP彼此直接相连时，它们被称为彼此是对等（Peer）的。

从图1-5中可以看出，互联网逐渐演变成了基于ISP的多层次结构网络。今天的互联网由于规模太大，已经很难对整个网络的结构给出细致的描述。但下面这种情况是经常遇到的：相隔较远的两台主机的通信可能需要经过多个ISP（图1-5中的粗线表示主机A要经过许多不同层次的ISP才能把数据传送到主机B）。因此，主机A和主机B通过互联网进行通信，实际上也就是它们通过许多中间的ISP进行通信。

顺便指出，一旦某个用户能够接入互联网，他就能够成为一个ISP。他需要做的就是购买一些如调制解调器或路由器这样的设备，让其他用户能够和他连接。因此，图1-5仅仅是个示意图，一个ISP可以很方便地在互联网拓扑结构上增添新的层次和分支。

互联网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出互联网究竟有多大。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开发的万维网（World Wide Web，WWW）在互联网上被广泛使用，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。互联网上的数据通信量每月约增加10%。

由于互联网存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的互联网不堪重负，因此1996年美国的一些研究机构和34所大学提出研制和建造新一代互联网的设想，并推出了“下一代互联网”（Next Generation Internet，NGI）计划。

目前，中国也在积极开展下一代互联网的研究，实施中国下一代互联网（China Next Generation Internet，CNGI）示范工程，目的是建设下一代互联网示范平台，开展下一代互联网关键技术研究、关键设备和软件的开发和应用示范；同时积极参加相关国际组织，开展国际合作，在下一代互联网IP地址分配、根域名服务器设置及有关国际标准制定等方面充分发挥我国科技界和产业界的作用。

1.3.3 互联网的标准化工作

互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。我们知道，标准化工作的好坏对一种技术的发展有着很大的影响。缺乏国际标准会使技术的发展处于比较混乱的状态，而盲目自由竞争很可能造成多种技术体制并存且互不兼容的状态（如过去形成的彩电三大制式），给用户带来较大的不方便。但国际标准的制定又是一个非常复杂的过程，这里既有很多技术问题，也有很多非技术问题，如不同厂商之间经济利益的争夺等。标准制定的时机也很重要。标准制定得过早，技术还没有发展到成熟水平，比较陈旧的标准会限制产品的技术水平。反之，标准制定得太迟，会使技术的发展无章可循，造成产品的互不兼容，也会影响技术的发展。互联网在制定标准上的一个很大的特点是面向公众。互联网所有的RFC文档都可从互联网上免费下载，而且任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议，这种方式更加促进了互联网的迅速发展。

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，叫作互联网协会（Internet Society，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（Internet Architecture Board，IAB），负责管理互联网有关协议的开发。IAB下面又设有以下两个部门。

（1）互联网工程部（Internet Engineering Task Force，IETF）——负责研究一些短期和中期的工程问题，主要是针对协议的开发和标准化。

（2）互联网研究部（Internet Research Task Force，IRTF）——从事理论方面的研究和应对一些需要长期考虑的问题。

所有的互联网标准都是以RFC文档的形式在互联网上发表的。RFC（Request For Comments）的意思是“请求评论”。所有的RFC文档都可从互联网上免费下载。但应注意，并非所有的RFC文档都是互联网标准，只有一小部分RFC文档最后会变成互联网标准。RFC文档会按收到时间的先后从小到大编号（即RFC××××，这里的××××是阿拉伯数字）。一个RFC文档更新后会使用一个新的编号，并在文档中指出老编号的RFC文档已成为陈旧的或被更新。

制定互联网的正式标准要经过以下4个阶段。

（1）互联网草案（Internet Draft）（在这个阶段还不是RFC文档）；

（2）建议标准（Proposed Standard）（从这个阶段开始形成RFC文档）；

（3）草案标准（Draft Standard）（从2011年10月起取消了该阶段，但有些老的文档目前还处于草案标准阶段）；

（4）互联网标准（Internet Standard）。