网络基础(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-09-25 20:11:32

点击下载

作者:田果 刘丹宁 余建威

出版社:人民邮电出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

网络基础

网络基础试读:

前言

华为ICT学院路由与交换技术官方教材分为3册,是华为技术有限公司、YESLAB培训中心和高校专家,针对华为ICT学院的学生推出的诚意之作。教材的大纲结构到文字描述由业内专家执笔,而且内容经多方顶级专家反复论证推敲。

本书是华为ICT学院路由与交换技术系列教材中的第一册教材。在这套教材创作之初,就给它定下了基调,希望这是一套集可读性、逻辑性、严谨性和实用性于一体的作品。

整个团队由衷期待这套诚意之作能够在帮助读者理解、掌握网络知识的同时,还能带给您良好的阅读和学习体验。本书主要内容

本书共分为9章,其中第1章、第2章为铺垫性内容,3~9章为本书的核心内容。

第1章:网络纵横

本章旨在激发读者的学习兴趣,同时帮助读者积累一些重要的概念和术语知识。本章从网络的诞生和发展历程说起,在介绍网络发展的过程中引出了诸如数据包交换网络、协议、协议栈等重要的知识。接下来,本章还介绍了数据通信网络和各行各业之间的关系。本章的第3节对局域网、城域网、广域网和互联网的概念进行了区分和阐述。在本章的最后,读者可以了解到网络技术的前沿动态。

第2章:操作系统与网络

本章的重点在于华为VRP网络操作系统的使用。首先从操作系统的概念讲起,在第2节中将话题引入到数据通信设备的操作系统,并由此展开对华为VRP系统访问方式及其命令行界面基本使用方法的介绍。本章最后为读者演示了eNSP的安装与使用。

第3章:协议与通信

本章旨在对后面各章的骨架,即网络的参考模型进行介绍。在讲述了两种网络参考模型之后,从不同角度对各类设备在将一个数据包从源到目的地址进行传输的过程中,所执行的封装与解封流程进行了介绍。

第4章:网络接入层

本章介绍的内容是TCP/IP参考模型的网络接入层,即OSI参考模型的物理层和数据链路层。在对物理层规格与网络传输介质以及数据链路层的作用与概念进行介绍之后,专门介绍了目前最重要的数据链路层标准,即以太网的相关概念。

第5章:网络层

本章的重点内容是IPv4协议、路由的概念以及路由器的工作原理与配置。本章对IPv4协议的介绍并没有包括与IPv4地址相关的诸多概念。

第6章:IP地址与子网划分

本章用大量笔墨围绕IPv4地址及其相关概念进行了详细介绍。首先解释了二进制与十进制的相互转换方法,进而描述了IPv4地址本身的结构以及网络掩码的作用;接下来介绍了子网的概念、VLSM和CIDR的概念,并且通过案例手把手介绍了规划网络地址的方法;最后介绍了ARP和ICMP。

第7章:传输层

本章首先从传输层与网络层和应用层之间的关系入手,介绍了传输层的服务;接下来分别介绍了两大传输层协议——TCP和UDP分别是如何提供传输层服务的。

第8章:应用层

本章首先对应用层提供的服务进行了介绍,继而介绍了一些常用的应用层协议及其对应的端口号;然后介绍了四大类、共计8项应用层协议的工作原理,包括提供远程访问服务的Telnet和SSH协议、提供网络管理服务的DHCP和DNS协议、提供Web访问服务的HTTP和HTTPS协议,以及提供电子邮件服务的POP3和SMTP协议。

第9章:管理维护

本章首先介绍了如何通过配置VRP系统,实现对网络设备的远程管理;然后介绍了VRP系统的管理方法,包括如何对网络设备的VRP系统进行备份、升级,以及如何对网络设备执行密码恢复。本书配套资源

从理论到实战为高校提供贴合实际应用的定制化教学学习资源。

·实验手册:教材配套实验材料,助力读者动手能力的提升,以实验促进读者对理论知识的理解。

·视频讲解:教材配套重点知识讲解小视频,帮助读者更好地理解书中的重点、难点,相关视频可到华为ICT学院官方网站进行观看。

·授课PPT:教材配套授课材料,方便高校授课,提升教师备课效率。

·综合实验:教材配套综合练习课程,注重知识间的关联性,提升读者综合运用知识的能力。

·综合实训:教材配套实训课程,还原真实项目,提升读者应对实际项目的能力。关于本书读者

本书的定位是华为ICT学院路由与交换技术官方教材。本书适合于以下几类读者。

·华为ICT学院的学生。

·各大高校学生。

·正在学习HCNA课程的学员和正在备考HCNA认证的考生。

·有志于从事ICT行业的初学者。

·网络技术爱好者。本书阅读说明

读者在阅读本书的过程中,尤其是教师在使用本书作为教材的过程中,需要注意以下事项。

1.本书第2章2.4节(eNSP操作指导)旨在为计算机操作基础薄弱、不了解模拟器程序下载及安装的读者提供方法上的引导。因此,对于华为ICT学院的教师,建议将本书的2.4小节(华为数通模拟器)留给学生作为自习章节,不必在课堂上演示及讲授。

2.为了充分解释私有IP地址的作用,本系列教材会在第3册第4章中对私有IP地址的概念进行介绍。本册书中没有关于私有IP地址相关概念的介绍。

3.关于IP协议第6版(IPv6)的概念与使用,会在第3册第7章和第8章中进行介绍。本册书中没有关于IPv6的介绍。

4.本书多处把路由器或计算机上的网络适配器连接口称为“接口”,把交换机上的网口称为“端口”,这种差异仅仅是称谓习惯上的差异。在平时的交流中,“接口”一词与“端口”一词完全可以混用。

5.在华为公司的作品中,串行链路常用虚线表示,以太链路而以实线表示。本书中所有链路一概用实线表示,虚线在各图中做特殊表意使用,如数据包前进路线、区域范围等。

6.本书学习目标中要求读者了解的内容,读者只需了解对应的概念及其表意;本书学习目标中要求读者理解的内容,读者应把握其工作原理,做到既知其然,也知其所以然;本书学习目标中要求读者掌握的内容,读者还应在理解的基础上有能力对其灵活运用。

7.本书章节名称前带星号的内容为选学模块,华为ICT学院授课教师可根据授课情况进行选择。本书常用图标本书作者主编:田果、刘丹宁、余建威编委人员:田果、刘丹宁、余建威、江永红、刘军、韩士良、刘洋、闫建刚、刘耀林、谢金伟、谢晓阳技术审校:江永红、刘军、韩士良、谢金伟第1章 网络纵横

1.1 人类通信发展史

1.2 网络连接世界

1.3 局域网、城域网、广域网和互联网

1.4 挑战与发展

1.5 本章总结

1.6 练习题

自20世纪以来,计算机网络是带给人类文明最深远影响的科技发明之一。随处可见的二维码、人手一台的智能手机、推陈出新的社交平台、物美价廉的购物网站、街头热议的公众事件、耳熟能详的余兴节目,哪一样不与网络息息相关?互联网早已不再是20世纪70年代仅仅用于科研领域的古板平台,亦不再是20世纪90年代商业化之初应用匮乏的新奇技术,甚至也不再是21世纪初以传输文字和照片信息为主的通信媒介。针对互联网的绝大多数预言,在很多年之后都会成为人们的笑谈,反倒是那些以当年的观点看来明显高估了互联网发展趋势的预言,有时能够一语成真。

当然,如果志在成为网络从业者中的一员,那么对网络的了解就不应仅仅停留在它的应用层面。因为想要通过网络来满足他人的需求,首先必须掌握网络背后的技术原理。对于技术背景不深,同时又期待在这个行业施展拳脚的人来说,这难免需要经历一个从无到有的过程。在本章中,我们首先会对在互联网产生和发展的过程中出现的比较有代表性的事件分成几个阶段进行介绍。在事件之外,本节旨在能够借助历史背景,更加形象地提出协议、数据包、分层、运营商等抽象概念,为后面几章更加理论和枯燥的内容做一个生动的铺垫。在接下来的小节中,我们会从与技术无关的角度,带领读者思考网络世界与真实世界各个领域之间的联系,希望读者可以借此以一个更为理性的角度来看待网络的发展,对自己即将从事的行业拥有更加深入的看法。为了保证技术措辞的严谨性,我们常常将“网络”这个整体概念弃之不用,而在技术表达中代之以具体的网络类型,因此本章会用一节的内容,提前对一种简单的分类方式进行概述,解释局域网、广域网和互联网这些简单的专有名词,让读者不致在后面的学习中出现概念上的混淆。在这一章的最后小节中,我们会对当前网络发展的几大趋势进行介绍,帮助读者对这些当下的热点概念建立认识,把握这个行业技术发展的脉搏。

首先,让我们一起回到那个互联网还没有诞生的年代,追溯人类通信发展的起源。

学习目标

·了解通信技术,尤其是互联网的发展历程;

·理解电路交换、(数据)包交换、协议、分层、互联网等概念的由来;

·了解网络与现实世界中各行各业的联系,以及网络技术人员的职业发展方向;

·理解网络、局域网、城域网、广域网的概念;

·掌握局域网的几种连接方式;

·了解网络的几大前沿发展方向。1.1 人类通信发展史

根据构词法,“通信”的英文“telecommunication”由希腊语前缀tele(表示远距离、远程)和拉丁语词根communicare(表示共享)构成。因此,“telecommunication”这个词的字面意思是“远程共享”。

从汉语的词源上看,“通信”一词在汉语中使用的历史也许并不算长。清末李伯元的《文明小史》中有:“到了美国约克,到了中国香港,还时时通信给他”。显然,当时的通信是指“用书信与人互通信息”。今天,“通信”这个词的外沿已经得到了极大扩展,它目前的大意是指双方或多方借助某种媒介实现信息互通的行为。如果按照当代汉语的方式理解“通信”,那么古代的互遣使节、飞鸽传书、烽火示警等都属于通信的范畴。

当然,古代和近代的各种通信方式并不在这几册图书的讨论范畴之内。本书作为华为信息与网络技术学院路由交换技术系列教材,数据通信(Data Communication)技术才是教材的重点,而数据通信技术在很多语境下可以视为是计算机网络(Computer Network)技术的同义词。所以,在本书的1.1节中,我们首先会对计算机网络,尤其是互联网(Internet)的前世今生进行介绍,以此充当全部三册教材的知识背景和理论铺垫。

在本节中,我们将互联网的发展历史分为5个阶段进行介绍。

·前网络时代:在这个阶段,数字计算机刚刚诞生。由于系统的限制,当时的计算机每次只能完成一项任务,计算机也都是由专门的操作员在本地完成输入操作的,由通信提出的远程共享理念还没有与计算机产生关联。

·萌芽阶段:在这个阶段,计算机网络仍然没有出现,但随着对复杂计算的需求越来越强烈,产生了一些为提升计算机利用效率而提出的概念,这些概念与计算机网络有一定的相似之处,并最终对计算机网络的产生发挥了启迪作用。

·雏形阶段:传统的电话网络不仅在容错方面表现堪忧,同时也极大地增加了通信成本。为了建立更加可靠的计算机通信网络,不同专业的人士提出了类似的主张,其中一项终成现实,这个最终得以落实的计算机网络正是现代互联网的雏形。

·诞生阶段:通信的实现需要双方建立统一的标准,为了满足越来越广泛的网络通信需求,人们制订了一系列通信标准。同时,网络发展受到了行政章程的制约,为了回避这些规章制度,一家基金会出资建设了新的网络来连接更多科教机构,互联网骨干就此问世。

·腾飞阶段:互联网的发展虽然不再受到政府制约,但基金会的规则仍旧妨碍了互联网的商业化。随着这些限制的松动,互联网在学术目的之外的功能被不断开发出来,更多应用的出现最终让互联网呈现出了爆炸式增长的态势。这种态势一直延续至今,并且在近十年愈演愈烈。

下面,让我们先从“前网络时代”阶段说起。1.1.1 前网络时代

说到计算机网络,当然首先要从计算机说起。

早期计算机每次只能执行一项任务,它的工作方式就是按照同一个指定程序,根据用户输入的信息输出计算结果。这种流水线式使用同一个程序对输入数据执行计算,并输出计算结果的操作称为批处理。由于计算机每次只能执行一项任务,因此这类计算机采用的系统称为单用户批处理(Batch Processing)系统。

不过在那个年代,限制计算机使用效率的不只是操作系统,计算机的计算能力本身也相当有限,而且计算机输入/输出信息的方法更是极为笨拙:用户需要把输入信息制作成一沓厚厚的穿孔卡片,将卡片插入到读卡机(另一台低端计算机)中,等待读卡机将这些卡片中的信息录制到一盘磁带上,再由专门的人员将磁带插入负责计算这些数据的高端计算机中,让计算机执行程序完成计算;在计算机完成作业后,相关人员再把输出的磁带拿到读卡机中打印计算结果,整个过程常常需要耗费几小时甚至几天的时间。受限于计算机本身的计算能力和这种繁杂的数据输入方式,单用户批处理系统倒是没有对计算结果的效率形成瓶颈。

随着计算机计算能力的增强,它们具备了同时执行多项任务的潜力,单用户批处理系统低效的缺陷也就日渐显露了出来。于是,人们对单用户批处理系统进行了改进,推出了多道批处理系统,让计算机可以将自己的计算资源同时分配给多名用户的操作任务。

到此为止,限制计算机资源有效利用的因素自然也就发生了变化。

注释:

对操作系统发展史感兴趣的读者,可以参考特南鲍姆教授(Andrew S.Tanenbaum)撰写的《现代操作系统》(MODERN OPERATING SYSTEMS),教授在该书第1章中对操作系统发展的历史进行了详细而又有趣的介绍。1.1.2 萌芽的产生

20世纪50年代,计算机还是一类价格极其昂贵的产品,即使对于大型研究机构而言,给每个研究人员配备一台计算机的想法也如同天方夜谭。虽然大范围添置计算机并不可行,但多道批处理系统的问世使得多名用户能够同时利用一台计算机中的计算资源,这就催生了图1-1所示的一类通信系统,这类系统叫作分时系统(Time-Sharing System)。图1-1 分时系统示意图

在分时系统中,计算机的输入系统也相应地获得了改进:每位计算机操作者分配到的是一个由显示器和键盘等外设组成的终端,这些终端通过控制线路与计算机相连,操作人员使用终端上的输入设备,通过控制线路向计算机发出指令,而计算机则将反馈通过控制线路发回给终端,终端再通过输出设备将计算机的运算结果提供给操作人员(早期分时系统的终端是电传打字机,操作人员需要通过打字机打印出来的文字来观察计算机的反馈结果)。

连接终端与计算机的线路最开始是直连的串行线缆,后来发展为终端和计算机可以各自通过调制解调器连接到电话网络。从这时开始,操作人员得以通过电话网络对计算机进行远程管理。

无论分时系统及其背后的理念与时下某些最热门的技术看上去有多么类似,这个系统都还不是一个计算机网络,因为在这个系统中,通信的双方分别是终端和计算机。换言之,这个系统并没有实现计算机与计算机之间的通信。这种通过终端连接调制解调器来远程管理计算机的分时系统存在一个显著的缺陷,不过,这项缺陷给一位计算机专家带来了灵感,正是这位计算机专家改进这类通信系统的实验报告,成为了今天互联网的理论基础。关于这位专家和他起草的实验报告,会在下文中提到。

这里提前说明一点:计算机网络发展的下一个阶段与两个概念密切相关,正确理解这两个概念及它们之间的差异,除了有助于读者理解计算机网络的发展历程之外,对于学习计算机网络的其他知识也起着重要的作用。这两个概念是:

·电路交换;

·包交换/分组交换。

这两个概念正是1.1.3节的重点内容。1.1.3 互联网的雏形

1957年,苏联第一颗人造卫星的成功升空让美国本土遭受核打击成为现实的可能。在这样的背景下,美国知名的智囊团兰德公司希望,能够在美国国内建设一个高度可容错的通信系统,这个通信系统必须在国家遭受核攻击之后,依旧能够维持端点之间的通信。在当时,整个美国的军方通信都是依赖公共电话网络进行传输的,而公共电话网络采用的是一种称为电路交换的通信方式,这种网络恰恰是相当脆弱的。

所谓电路交换,是指通信双方在开始通信之前,需要通过呼叫建立机制在通信双方之间建立一条独占的物理通道,双方此次通信完全通过这一条物理路径进行发送,在通信结束后,再断开这条物理通道,其示意如图1-2所示。图1-2 电路交换网络示意图

这种通信方式之所以脆弱,是因为一旦通信双方之间通过呼叫建立的物理通道断开,通信即告终止。新的通信系统必须有能力纠正电路交换系统的这一弊端。

设计这个通信系统的工作,交给了刚满33岁的波兰裔美国人保罗·巴兰(Paul Baran)。在随后的3年时间里,保罗通过兰德公司发布了多项报告。在1964年发布的《论分布式通信》中,保罗首次提出了分布式网络的概念,这个网络并不依靠专用线路独占地连接通信各方,它可以在一个节点出现问题时,通过其他节点将后续信息“路由”给另外的节点,然后继续发送给目的设备。而这个分布式网络的重点,就是需要将信息分成很多“消息块(Message Block)”独立进行发送。

分布式网络的概念在当时遭到了AT&T公司某些工程师的嘲笑,并且无疾而终。这些人甚至指责保罗“连语音通信的概念都没搞清楚”,他们认为要想实现通信,建立专用的物理线路必不可少。

AT&T的观点没有多久就遭到了事实的驳斥。在大西洋彼岸,一个名叫唐纳德·戴维斯(Donald Davies)的威尔士人在英国国家物理实验室(NPL)成功发明了这样一个分布式通信网络,并将试验的结果公之于众。这位英国人决心搭建一个不同于电话网络的通信网倒不是出于国家利益和意识形态的考虑,而是在他参观了美国麻省理工学院(MIT)的新型分时计算机系统(详见1.1.2节“萌芽的产生”)后,他发现了电路交换系统的另一弊端,即计算机的每个用户都必须将电话线保持为拨通状态,才能连接到这台计算机,这样独占线路的通信方式是一种对资源的巨大浪费。为了节省通信成本,他设计研发了这个全新的通信网络。这个网络在理念上与保罗·巴兰的设想不谋而合,是第一个付诸实践的分布式网络。不过,这名威尔士计算机科学家并没有选用“消息块”作为通信单位的代称,为了让这个概念能够更好地通过翻译传递给使用不同语言的国家,他将通信单位命名为“包(Packet)”,而他所设计的网络因此也被称为“包交换网络(Packet Switching)”。

注释:

大多数早期将网络技术引进中国大陆的学者都将Packet(s)翻译为了语义比较晦涩的“分组”,因此Packet-Switching Network在中国大陆也译作“分组交换网络”。鉴于在现实工作中,“(数据)包”的使用远比“分组”频繁,而且使用“(数据)包”对翻译“Packet”也更加符合唐纳德·戴维斯命名数据块的初衷,所以本教材会在后文中统一采用“(数据)包交换网络”这一术语。包交换网络不需要在通信各方之间建立独占的通道,数据的发送方会将通信数据划分成很多的数据包,而通信的中转设备有能力根据网络的情况,为各个数据包独立选择发送的路径。因此,如果中转设备在转发数据的过程中发现网络有一部分断开,它们就会选择其他路径转发后续的数据包。这种做法保证了信息传输不会因部分网络故障而中断。包交换网络的示意图如图1-3所示,在该示意图中,每两条线之间的交点可以理解为存在一台转发设备。图1-3 包交换网络示意图

注释:

如果类比,那么包交换网络类似于通过快递公司寄送包裹,任何一位快递员或快递网点如果临时无法提供服务,对于顺利投递后续包裹几乎不会产生任何影响,由于快递业务自身规模很大,因此通过快递公司投递包裹成本也比较低廉。不过,通过快递公司投递包裹,由于不是专人服务,因此遇到快递爆仓经常会出现严重的延时情况。先投递的包裹后至,后发送的包裹先到也屡见不鲜。

而电路交换系统则与找专人跑腿代送包裹比较类似,这种家到家的专人跑腿服务在效率上更有优势。由于是同一个人进行递送,因此包裹到达的顺序几乎肯定与发送的顺序一致。但一旦这位代跑腿人因病因事无法继续提供服务,后面的包裹必然无法再通过他/她进行递送。另外,这种门对门的服务方式本身,不仅限制了跑腿业务的大规模扩展,也让每一次服务的成本相对比较高昂。

包交换网络的成功实施引起了一个人的注意,这个人名叫拉里·罗伯茨(Larry Roberts),他是美国国防部高级研究计划局(ARPA)的项目经理。由于传统电话网络线路和通信节点往往很不可靠,罗伯茨当时正在寻求建立一个容错能力强,能够在一些分支网络中断时依旧实现通信的网络。在看到唐纳德关于包交换网络的报告后,罗伯茨公布了一个计划,那就是使用包交换理论建立一个付诸应用的网络。当这项称为ARPAnet的计划在1969年年底上线测试时,它仅仅连接了SRI(斯坦福研究院)、UCSB(加州大学圣塔芭芭拉分校)、UCLA(加州大学洛杉矶分校)和UTAH(犹他大学)这4个节点(如图1-4所示)。这4个节点全部位于美国西部,而且除UTAH之外,其他3个节点全部位于加利福尼亚州的沿海城市。不过,仅仅4个月后,这个网络就将自己的节点扩展到了美国东海岸的马萨诸塞州。图1-4 最初的ARPAnet连接示意图

ARPAnet并没有采用直连通信各方计算机的方式。每一台连接ARPAnet的计算机都需要连接到一台称为IMP(全称为“接口消息处理器”)的设备上,各个站点之间的IMP相互连接,负责将计算机发送过来的消息转发给与目的计算机相连的IMP,如图1-4所示。当IMP之间的线路出现故障时,IMP可以通过运算找到另一条路径,照旧将消息转发给目的设备。这正是ARPAnet通过包交换网络理论提供高容错通信的实现方式,而IMP正是当今网络骨干设备——路由器的祖先。

在此后的十余年间,这个包交换网络迅速扩展,连接了同期产生的大量网络,成为今天互联网的雏形。在扩展过程中,ARPAnet的制约因素也逐渐显露了出来。1.1.4 互联网的诞生

奔驰汽车在保养时不能更换凯迪拉克汽车的空气滤清器,这是因为凯迪拉克空气滤清器的尺寸、形状、大小和奔驰车的完全不同,所以凯迪拉克的空气滤清器无法安装到奔驰汽车上。因此,如果人们希望所有汽车都可以任选4S店进行保养,那就必须有一个世界性的汽车行业协会或者某家拥有垄断地位的汽车公司,对于汽车所有可更换零部件的设计、生产、装备方式制订一套详细的标准。这样一来,不遵循这个标准生产汽车的企业就会因为它们的车辆维修保养方面的限制,而在市场竞争中处于劣势,从而使其最终要么选择遵循标准,要么被市场淘汰。

如前所述,ARPAnet最初连接了4个节点,这4个节点的计算机所使用的正是相互完全无法兼容的主机和系统。前面我们通过汽车的例子说明,彼此并不兼容的异构系统之间要想完成协作,需要有一套所有这些系统都能遵循的标准,每个系统按照这个共同标准生成的数据,对于其他系统才有可读性。在通信领域,称这样的共同标准为协议。

在ARPAnet中,最大的问题是IMP与各个不同类型的主机之间如何通信。最初,ARPAnet制订了一个如今被称为“1822协议”的标准。这个协议在今天看来极为简单,但它规定了计算机在与IMP进行通信时,发送和接收数据的格式。

注释:

1822并不是年份,而是拿到了实施ARPAnet网络合同的公司(BBN技术公司)为制订协议细则而起草的报告的编号。

1822协议的限制很快体现了出来,它定义的格式将计算机所有应用需要发送的数据完全统一了起来,因此接收方在接收到消息时,无法根据消息本身判断出这些代码是由发送方的哪个应用提供的,进而也就不知道这些代码所描述的数据需要用自己的哪个应用来进行解读。换言之,1822协议无法解决计算机之间多个应用同时进行通信的情况。

不统一标准就无法实现通信;统一标准,则无法区分通信的应用。这样的困境很快催生了网络技术领域最重要的思想。

为了弥补1822协议的不足,一个名为网络控制程序(NCP)的协议横空出世。它在1822协议的基础上,制订了一对主机应用之间建立双向通信的标准和一个主机应用向对方发送单向数据的标准。

首先用1822协议制订的标准来保障主机与IMP之间的数据兼容,实现双方主机之间的消息互通;然后再用NCP协议制订的标准保障双方主机应用之间的消息互认。NCP协议的这种功能分层思想,对网络世界造成的影响远远超越了NCP协议本身。

然而,1822和NCP协议很快也无法满足网络世界技术发展的需求。在ARPAnet同期,一些其他的数据包交换网络也相继问世,用网络来连接网络,而不只是用网络来连接计算机,成为一种自然而然的需求。显然,无论是为了实现计算机之间互联所制订的1822协议,还是为了在主机应用之间建立连接所制订的NCP协议都无法满足这样的需求。网络领域需要一个网络互联协议(Internet Protocol)。

1974年5月,IEEE(美国电气和电子工程师协会)发表了一篇题为“实现数据包网络互联的协议(A Protocol for Packet Network Intercommunication)”的论文。这篇论文定义了互联网世界中最重要的协议之一,即传输控制协议(TCP)。而今天我们耳熟能详的网络互联协议(Internet Protocol,简称IP协议)只是TCP协议中的一个组件。后来,为了让不同应用能够根据自己的流量特点和通信需求灵活组合协议功能,IP协议根据功能分层原则成为一个独立的下层协议。而这篇论文所阐述的通信模型,也由此开始被人们称为TCP/IP模型或者TCP/IP协议栈。

为了帮助不相兼容的网络实现对接,TCP/IP协议栈无论对于逻辑层面的应用进程,还是物理层面的硬件标准都提供了广泛的支持。当所有通信设备都采纳TCP/IP协议栈定义的标准时,这些设备所在的网络也就形成了一个具备互联功能基础的环境。换句话说,这些拥有不同逻辑环境和物理标准的异构网络之间,也就有机会通过TCP/IP协议栈,对寻址、可靠传输等方案获得一致的标准,这个标准正是实现通信的前提。

注释:

TCP/IP模型、TCP协议和IP协议的概念相当重要,因此本书后面会有专门的章节进行详细的介绍,因此为了避免重复,这里不做进一步解释。

限制ARPAnet发展的因素除了技术层面的问题之外,还有政治层面的问题。当时,虽然一些研究机构已经意识到资源共享会给研究带来积极影响,但它们却无法根据自己的需求自由连接到ARPAnet中,因为连接到ARPAnet要求相关机构拥有美国国防部的合同才能获得授权。

1980年,NSF(美国国家科学基金会)决定投资500万美元建立一个计算机网络,让那些无法连接到ARPAnet的研究机构同样可以享受资源共享带来的利好,这个网络被命名为计算机科学网络(CSNET)。1985年,NSF更进一步,它在美国投资的5家研究机构和高校中各建立了一个超级计算机中心,并通过一张骨干网络将这5个超级计算机中心,连同NSF此前投资创办的美国国家大气研究中心这6个节点连接了起来。除了这6个节点之外,这个骨干网还连接到了许多区域性科研教学机构,而这些机构又进一步为无数高校、科研机构、实验室、图书馆提供了连接。如图1-5所示,分为骨干网络、区域性网络和接入网络的3层网络合称为NSFNET。图1-5 最早的NSFNET

此前,为了实现广泛的网络互联,ARPAnet决定自1983年元旦起,将自己的主机协议由NCP全面切换为TCP/IP。有了ARPAnet的先例,NSFNET在一开始就以TCP/IP协议作为网络互联的协议。而NSFNET,就是当今互联网骨干网的最重要组成部分。1.1.5 互联网的腾飞

NSF的拨款章程规定,其款项需要用于“促进和支持计算机与其他科学技术的发展和应用,并主要用于科技研究和教育”。这个规定间接否定了NSFNET用于商业目的的可能。

然而,一切制度和规定都难以违背时代发展对变革提出的要求。1989年夏天,NSFNET在具体执行方面出现了一点带有试验性质的变化。MCI通信公司获得了FNC(联邦网络互联委员会)的许可,将自己的商业电子邮件系统MCI Mail连接到了NSFNET。几乎与此同时,另一些公司也陆续获得了FNC的许可,将自己的系统连接到了NSFNET。使用这些商业系统的用户发现,他们虽然使用的是此前互不相连的电子邮件运营商,但他们现在可以通过互联网相互发送电子邮件了。

另一方面,NSFNET大获成功给NSF换来的结果却是,NSF在随后的几年都要不断支撑这个网络进行扩容,从56kbit/s到448kbit/s再到1.5Mbit/s。这是一个无底洞,NSF不能这样继续依靠自己的投资来支撑这个网络的发展。

于是,NSF在1991年终于修改了自己的章程,它将NSFNET交给了一家名为ANS(高级网络与服务)的公司,这是一家由MCI、IBM和MERIT组成的非营利企业。自此,NSFNET改名为ANSNET。这种由政府建立研究型网络,最后交由企业运行的模式,后来被众多国家效仿。

在网络商业化的同时,另一件导致互联网最终走进千家万户的大事正在欧洲的一个内陆国家发生。1989年,CERN(瑞士欧核中心)的英国雇员提姆·伯纳兹·李(Tim Berners Lee)提议建立一个信息管理系统。同年,他通过互联网成功在一个超文本传输协议(HTTP)客户端和服务器之间建立了通信;1990年,他编写了第一个网页浏览器;1991年,他和同事制订了第一个成文的HTTP标准版本;同年,他用一个名为“HTML标签”的文件对HTML语言进行了详细的描述。1994年,他陈述了用URL地址代替超链接资源的提议。十年后的2004年,提姆·伯纳兹·李因发明了万维网,因而被伊丽莎白二世女王陛下封为爵士。

科研时代互联网的应用几乎仅限于实现电子邮件、远程登录和文件传输等,功能有限,界面古板,操作复杂。而万维网的出现大大丰富了互联网的观感,涌入互联网领域的商业公司或以万维网作为平台,为用户架设了各种各样的应用,如在线搜索、在线购物、在线交友等等;或从系统出发,为互联网用户创造了大量方便友好的软件,如浏览器软件、即时通信软件、文件共享软件等。尽管进入21世纪以后,互联网行业的泡沫化曾经几度动摇过人们对这个行业的看法,但伴随着质疑而生的新应用、新技术却层出不穷,让互联网逐渐成为人们日常生活不可或缺的组成部分。

当然,对于万千普通用户来说,互联网的腾飞阶段仅仅拉开了人们使用互联网的序幕。在很多年之后,或许在后人再次回顾互联网发展的历史时,会把我们现在所处的时代归类为某种网络应用模式的萌芽阶段,我们热切期盼那时的教科书中,会包含本书某些读者的大名。

在回顾了互联网的历史之后,我们接下来用1.2节的内容概述一下网络究竟给我们带来了怎样的影响。1.2 网络连接世界

时至今日,计算机网络可以和哪些领域产生交集已经变成了过时的命题。近些年的趋势是,所有领域都在迫不及待地与互联网之间建立更多联系。计算机网络的重要性,与其他任何基础设施相比,都毫不逊色。正因为网络如此重要,所以在一些斯堪的纳维亚国家,提供高速网络已经和提供清洁的食物、水源,充足的电能,完善的社会保障一同,列入了政府必须予以保障的公民权利之一。

本书无法穷举所有相关领域与网络之间的关系,并分析网络发展对它们带来的影响,仅通过本节,探讨网络与人们最为关心的一些人文领域之间的互动,旨在抛砖引玉,引发读者对更多有关网络问题的思考。

让我们先从网络如何改变我们的生活说起。1.2.1 网络与生活

大多数年龄尚不足二十岁的城市居民,想必都对没有网络的生活十分陌生。打114查号台查询电话;字斟句酌地给远方亲戚发送电报;遍访各类店铺求购某某配件却无功而返;用录像机的定时录制功能记录某些直播节目……这些现在看来多少有些可笑的做法,曾经是无数人日常生活的有机组成部分,却必将成为“70后”“80后”们只有在老时才会谈及的经历。

伴随着网络扩张成长起来的一代人,对于通过网络与人交流、查询信息、获取帮助、购买产品的方法耳熟能详,了解新的网络应用与服务甚至成为业余生活的重要爱好之一:不清楚某家机构的地址和联系方式时,在搜索引擎中输入机构名称,查询结果马上就会映入眼帘;想要了解亲朋好友的动态或者对热门事件发表自己的观点时,通过自媒体平台可以轻松达到目的;错过了感兴趣的影视剧或体育综艺直播,在线视频网站可以在弥补这些遗憾的同时,提供更多娱乐节目;希望比较各个餐厅的口碑以便大快朵颐时,可以参考美食和旅行点评平台的网友建议做出选择;需要给自己的长假出行预订机票酒店时,无论是各个航空公司和酒店的官方网站,还是专门的机票酒店平台都可以完成从查询到付款的一切操作;不知道某些特殊商品应该去哪里购买,在购物平台上输入商品信息后,可以以一个优惠的价格让所需商品送货上门;甚至有行政事务需要办理时,远至办理某些西非国家的电子签证,近到缴纳昨天下午小区门口的机动车违章罚单,全都可以在线完成。

虽然上一自然段的描述没有提到任何机构名称,但是在读到这些文字的时候,相信很多读者眼前都会浮现出不同机构、网站或应用的界面,这就是网络渗透到人们日常生活方方面面的最佳例证。不过,上面所说的这些,只是所有可以在线解决的问题中,最贴近人们日常生活的例子,而且只是冰山一角。如果十五年前,当人们谈及网络时,讨论的还是网络如何连接更多的人,提供更流畅的速度,那么在经历了网络融合和应用及终端类型爆炸式发展之后,当人们再谈及网络时,讨论的则是网络如何连接和改变人们生活的更多领域。1.2.2 网络与社会

互联网对于重构人们的社会关系发挥了显而易见的重要作用。

曾几何时,人们的人际关系基本只会围绕着自己所在的家庭和社会群体构建,比如家庭、学校、企事业单位等。而现在,随着网络的广泛应用,上述情况正在逆转,很多家庭和社会群体常常围绕着一个人的朋友圈来构建,而朋友圈则往往是由一些拥有某项共同的爱好、经历、理想、价值观和知识水平的人所建立起来的。如果没有网络,很难想象这些朋友圈中的人们会有机会相互结识。在十几年前,在某某演唱会相遇并最终成婚,这常常会被周遭的亲友视为离经叛道。而今,旅友、书友、车友、影迷、歌迷、球迷最终走进婚姻殿堂的例子早已不胜枚举。“由于共同的兴趣爱好最终走到了一起”这类过去看来多少带有理想主义色彩的婚姻,正在许多人身边上演。同时,由于人们的兴趣、爱好、经历等相对多元,因此每个人都可能同时在很多群体中扮演成员的身份。与不同群体的人建立社交关系,这可以大大拓宽每个人的人际交往范围,让社会成为一个关系比过去更加紧密的群体。

从另一个方面来看,由于人们越来越多依赖互联网建立人际关系,也有社会学家担忧互联网会减少人们面对面交流的机会。但随着互联网带宽的增加,它可以承载的数据也在经历爆炸式的增长。现如今,在线购物蓬勃发展的热潮方兴未艾,远程办公也正在为越来越多的企业所接受和采纳,在线教育即将成为下一个蓄势待发的热点行业。人们完全有机会将自己过去用来往返于学校、单位和超市的时间节省下来,让自己有条件更加频繁地和朋友小聚畅谈,进行更多面对面的社会交往,这种趋势有可能会在未来显现出来。

提到效率,网络除了可以节约人们的时间之外,还可以带来更多利好。试想,一台拥有联网功能的终端就可以让人足不出户,解决许许多多过去必须穿梭于不同地点才能完成的任务。那么由此提升的效率,也完全有可能改善能源消耗、环境污染、行政管理开销庞大、房屋租赁费用昂贵等棘手的问题,让人们拥有一个更加便捷、自由、清洁、高效、价廉的生活环境。这是未来网络有可能带给每一个社会成员的福音。1.2.3 网络与商业

互联网交易、网上购物早已不是新鲜的名词,电子商务也已经由十几年前的新兴产业转变为了一个可持续发展的稳定产业。除此之外,网络与商业之间的关系随着大数据时代的到来正在产生新的互动。网络对商业的影响由简单的交易方式改变,深入到了交易双方地位的变迁。

关于这种变迁,Netflix是最好的例证。就在这家公司投拍的美剧《纸牌屋》盛极一时之时,该剧男主角凯文·史派西(Kevin Spacey)在英国爱丁堡国际电影节上谈及了《纸牌屋》火爆的内幕,他说:“Netflix是第一家这么对我说的公司,他们说:‘我们相信你,我们已经用数据做了计算,计算的结果告诉我们,这部剧一定会火’。”

这就是一个用大数据分析客户需求,订制产品大获成功的案例。Netflix这家名不见经传的企业1997年成立于美国加利福尼亚州,最初只是一家提供DVD邮寄租赁服务的公司,从2007年开始提供在线视频点播服务。《纸牌屋》等美剧,在很大程度上是这家公司根据在线视频服务点播期间获取的观众观影偏好,所量身定做的产品。这种商家根据消费意愿为买家订制商品的做法,会成为很多企业未来改革商业模式的重心。

传统上,在商家和消费者之间,被奉为“上帝”的消费者相对于企业明显处于弱势,这种弱势在很大程度上体现为消费者的真实需求无法对接商家的产品。虽然也有商家会对消费者的消费意愿进行调查,但企业研发的产品很难真正把握大部分消费者的需求。结果是,企业在新产品上所投入的人力、物力,除了用于产品创新外,大部分需要花费在说服消费者购买这些产品的广告宣传上,于是消费者选购的产品就往往是商家通过各类渠道极力推销的商品,消费者不仅很难在市场上找到最符合自己需求的产品,还需要为企业投入的宣传成本买单。

随着网络的普及和大数据时代的到来,这种消费者与企业之间的互动关系已经被撬动,消费者偏好正在商业交易中占据着越来越重要的地位,而这种趋势将彻底改变传统的商业模式,《纸牌屋》只是一个起点。

大数据不仅刺激了针对消费意愿订制产品的做法,就连传统的电子商务企业也尝试使用大数据提高消费者的体验。比如,亚马逊(美国)统计用户之前的购物偏好,把一些账号最有可能购买的商品,提前发往离用户收货地址最近的出货点,让用户能够在下单几小时内收到产品,这是消费者受惠于网络时代的又一例证。1.2.4 网络与职业

20世纪末,计算机在中国尚属新兴领域。彼时,联网只是计算机的几大功能之一,很多拥有计算机的家庭其实并没有将自己的计算机接入网络。在那个年代,呼机、钢笔、文件夹在职场上扮演的角色远比计算机和网络重要得多,很多公司并没有与信息技术(简称IT,后文均使用简称)相关的需求。但之后没有多久,计算机和网络的普及让联网成为各个企事业单位最基本的需求之一,很多单位都希望能有IT技术人员通过技术专长随时帮助他们解决工作中遇到的相关问题。由于各个行业都开始与信息技术之间建立起广泛的联系,IT相关的需求也产生了爆炸性的增长,这推动了IT专业人才涉猎的领域同时向深度和广度发展,于是这个领域出现了越来越多的分工。

计算机网络技术作为IT领域的核心技术之一,与其有关的分工也是不胜枚举。网络工程类的技术工作的职责大致会围绕着网络工程项目的设计、实施和维护展开。

许多企业为初级网络工程师安排的工作以网络项目实施为主,工程师需要按照已经设计好的方案,在客户购买的设备上通过连接物理线路和配置逻辑命令来实现方案中的需求。这类工作需要工程师按部就班地落实售前工程师制订的方案,所以它对工程师的技术要求主要在于如何通过配置不同类型的设备来满足客户的功能需求,多数项目对工程师的项目经验并没有太高要求,这也正是售后类工作比较适合初级工程师的原因。虽然这类工作对于项目经验要求不高,但它会给初级工程技术人员提供大量理论联系实践的环境,让从业者在工作过程中潜移默化地联系到课堂中所学的理论知识,加深对这些理论的印象与认识,并丰富项目经验。

在从事了一些项目实施,拥有了一定项目经验,并通过项目加深了对理论知识的理解水平之后,工程师往往也就具备了针对客户需求设计数据通信网络,并起草技术文档的能力。此时,工程师也就可以开始从事售前类的技术工作。这类工作要求工程师有能力配合销售人员对客户的需求进行分析,然后再将自己在项目中积累的经验和知识储备,运用到新网络的设计或现有网络的升级改造中。这种工作不仅要求工程师能够充分满足客户的需求,还要求他们能够配合销售人员为企业达成理想的业绩,并方便售后技术人员落实售前的技术规划,因此需要从业者拥有一定的项目经验。

网络运维类工作对于工程师工作经验的要求依运维网络的情况不同而存在巨大差别。一些小型网络最多只能供初学者小试牛刀。但一些应用复杂、规模庞大、需要频繁变更、业务依赖性强的网络,往往要求运维人员拥有极为丰富的项目工程经验,这是因为对现有网络进行变更和排错时,人们常常会遇到比新建网络更加棘手和复杂的问题。在实际工作中,这类复杂网络的运维服务常常是由一个庞大的技术人员团队来提供的,而且这个团队往往会由一位到几位技术能力极强、项目经验相当丰富的人员担任项目负责人和技术骨干。

当然,网络工程类的工作在分工上远不是如此单一,职业发展方向也相当多元。拥有技术背景但更喜欢与人交际的读者可以从事产品销售类工作或者项目管理类工作;酷爱技术理论又了解硬件或编程的读者可以从事相关硬件、软件或系统的开发工作;热衷技术理论又热爱交际的读者则可以担任技术讲师类工作等。另外,近些年随SDN、云计算等新兴理念而来的一大显著趋势:如果网络工程师能够在熟稔网络技术的同时,具备一定的系统管理、数据库管理和面向对象编程的能力,那么他/她既可以在激烈的就业竞争中立于不败之地,又有机会在未来的职业发展中呈一枝独秀之势。1.3 局域网、城域网、广域网和互联网

在前面的叙述中,互联网(Internet)这个术语一直在充当网络(Network)一词的替换表达。实际上,在前述的内容中,用“互联网”和“网络”这两个术语相互替换来介绍网络对于各个领域所带来的影响,这样做是完全合理的。因为在从最近十几年到未来可预见的几年时间里,对大多数人、大多数领域带来最重大影响的网络非互联网莫属。同时,随着网络融合程度的加深,互联网这个词的外沿也会不断扩充,它所指代的范畴中还会包括越来越多的网络和连接方式。

然而,对于很多读者来说,如果还能回忆起幼儿园和小学时期的计算机机房,抑或是20世纪烟雾缭绕的网吧,就会发现“网络”与“互联网”其实是两个无法相互取代的术语。在许多语境中,互联网只是网络这个概念的一个子集。

按照规模,网络可以粗略地划分为以下4类:

·局域网(Local Area Network,LAN);

·城域网(Metropolitan Area Network,MAN);

·广域网(Wide Area Network,WAN);

·互联网(Internet)。

虽然这种分类方式比较粗糙,但从1.4节开始的绝大多数内容中,“互联网”一词都不再适合作为网络的代名词出现,因此理解这种分类方式,及这几类网络的概念会对读者学习后面的知识产生重要影响。有鉴于此,本节将对局域网、广域网和互联网的概念进行简要的介绍。

注释:

在一些根据网络规模所做的分类中,还会出现个域网(Personal Area Network,PAN)这一概念。鉴于个域网的分类所涉及的概念(如蓝牙技术等)与本系列教材无关,因此这里不做介绍。1.3.1 局域网当一个单位需要将位于某个范围有限、行政可控的区域内的大量联网设备通过一种高速的方式相互连接起来,就需要通过组建一个局域网让这些设备实现相互通信。这类范围有限、行政可控的区域可以是一所高校、一间办公楼、一个餐厅,或者是一个家庭。而高速的方式既可以是有线的,也可以是无线的,当然也可以是有线和无线混合的。

在早期,连接这些联网设备可以采用一些不同的方式(也称为物理拓扑),如:

·全网状连接;

·总线型连接;

·环状连接。

然而,随着时代的发展,上述三种连接方式目前已经逐渐淡出了历史舞台。下面我们结合这些连接方式的缺陷,分别对这些拓扑进行简要的介绍。

1.全网状连接

全网状连接缺陷最为明显,那就是随着网络规模的扩大,每增加一台设备,采用全网状拓扑相连的网络复杂程度和部署成本都会显著增加。这是因为,在一个拥有N台联网设备的环境中构建一个全网状拓扑,需要建立N(N-1)/2条连接。由此不难算出,当这个网络中需要增加1台联网设备,使设备的数量变成N+1台时,管理员就必须部署N条新的线路。在全网状连接环境中增加一台设备的情形可以参见图1-6。图1-6 全网状连接

2.总线型连接

总线型连接的示例如图1-7所示。这种连接方式存在单点故障的隐患,一旦总线上某一点出现故障,整个局域网就无法正常工作。此外,这种连接方式会将所有设备连接在一条总线上,因此这条总线会成为所有设备的共享资源,与全网状连接中每两台设备之间独享一条线路相比,采用总线型连接的设备要想发送数据,只能与网络中所有的参与方共同竞争这条共享资源线路。

3.环状连接

环状连接的示例如图1-8所示。如果采用这种方式连接,局域网中两台并不直接相连的设备之间要想实现通信,必须依赖其他设备进行转发。这不仅又给网络引入了单点故障的隐患,而且每台设备都有可能因为与自己无关的通信而加重处理的负载。这个道理就像坐在自己左边的同学如果不断和坐在自己右边的同学传小条,自己听讲也会受到影响一样。图1-7 总线型连接图1-8 环状连接

有一种连接方式解决了上述三类连接方式的不足,这种连接方式现今在局域网实施中已经呈现出一家独大之势,这种连接方式就是星型连接。

4.星型连接

星型连接的示例如图1-9所示。这种连接方式通过一台中间设备与所有联网设备两两互联,星型连接的优势可以概括为以下几点。

·网络的可扩展性得到显著增强:因为星型连接的网络中每新增加一台设备只需添加一条新的连接,所以这种连接方式可以避免全网状连接扩展性差的问题。

·不占用其他终端资源转发数据:用专用设备连接其他联网设备,也可以避免环状拓扑中由终端设备为其他终端转发数据所带来的资源消耗和安全性问题。

·终端无需竞争链路资源:随着星型连接的中心设备集线器(Hub)全面由交换机(Switch)取代,星型连接解决了总线型连接中的资源竞争问题。

·单点故障问题得到缓解:局域网中的防环技术可以让管理员在星型的中间节点部署冗余交换机,这样就可以避免星型连接中出现单点故障的隐患。图1-9 星型连接

注释:

关于局域网中的环路问题与防环技术,会在后续教材中进行详细说明,这里不做赘述。

当然,无论采取哪种连接方式,这个网络都是由部署它的这家单位/机构来执行管理和控制的。局域网(Local Area Network)中的“Local”,在网络领域有时会包含对于管理权限范围的界定。换言之,局域网属于一种私有网络。

但在很多情况下,需要相互通信的设备之间所跨越的范围,超出了局域网物理线路信号传输距离的极限,或者超出了需要连接它们的单位所能掌控的范畴。因此,连接这些通信设备就需要通过另一种方式来实现。1.3.2 城域网

城域网的规模介于局域网和广域网之间,它原本指的是那些跨越几公里到几十公里范畴,为一个园区、一座城市或者一个都市圈中的用户提供各类公共通信服务的网络。

首先从技术层面上说,城域网目前大多是在光纤线缆的基础上,以部署以太网的方式来实现连接的(也就是城域以太网),而以太网又是当前局域网中占主导地位的标准。这说明人们并没有针对城域网这种规模的网络设立专用的标准。

注释:

关于以太网的概念,本书会通过第4章4.4节进行介绍。

由于城域网的概念是根据网络的规模划分出来的,而跨越几千米到几十千米的网络既有可能属于某一家机构,也有可能需要通过公共网络服务提供商来提供接入,因此在管理运营层面,城域网既有可能是一个私有网络,也有可能是一个公共网络。例如,在一所数平方公里面积的高校内部,用来连接多个局域网的私有园区网可以算作一个城域网;而在一个都市圈内部,由运营商统一部署规划,用户付费购买服务的公共有线电视网也可以称为一个城域网。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书


相关推荐

最新文章


© 2020 txtepub下载