（电路与系统专业论文）tcp协议dsp实现技术研究.pdf

北方交通大学9 t c p 协议d s p 实现技术研究 电子与信息工程学院硕士研究生张至柔 【随着计算机技术、网络通信技术的飞速发展，计算机网 络已经遍布世界的各个角落，成为人们交流信息，共享资 源的重要媒介，特别是多媒体技术和环球信息网( w w w ) 的出现，使世界上规模最大的网络国际互连网i n t e r n e t 渗透 到人们生活的各个领域，各个层面。为了充分利用这种资源， 开发一种脱离计算机的网络协议系统，使通过i n t e r n e t 传输 信息不再受到计算机的制约，任何有一定智能的设备都可以 通过该系统直接把数据传到i n t e r n e t 上，是具有广泛应用前 景的。r 本论文的研究课题就是研究、设计、实现该系统，我们 选择用d s p 芯片进行编程，实现t c p i p 并且设计外围的 接口电路，使系统可以扩展为更专用。功能更强的系统。 本论文首先介绍了计算机网络的概况、0 s 1 分层模型， i n t e r n e t 的发展、基本结构、分层情况，并主要介绍了各层 协议内容未来的发展方向，以及网络安全的一些主要内容 和在i n t e r n e t 各层上如何实现网络安全。 本文第二章介绍数字信号处理器( d s p ) 的发展情况、 类型、结构、各大生产厂商产品的型号、特点，d s p 技术未 来的发展方向以及d s p 与通用微处理器比较在各方面的长 处和特点。噼细介绍了系统选用的d s p 芯片一一德州仪器 ( t i ) 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列产品的硬件结构，指令特点， 开发工具等。因为本系统使用的是c 5 4 2 芯片，所以着重介 绍它的片内结构，包括片内存储器数量、结构、片内外设及 其控制管理、存储器映射寄存器的功能、内容，各位的意义 等。尸 从第三章开始，本文详细讲述课题我所负责部分t c p 协议的总体设计和具体实现，包括t c p 协议程序内核，t c p 与i p 层间接口，t c p 与a p p 间的接口。该课题有两种方案， 一种是t c p 和i p 都在d s p 芯片上用程展实现，另一种是t c p 在d s p 上实现，i p 用专用集成电路实现，两种方案不仅i p 北方变通大学硕士学位论文 的实现不同，t c p 和i p 的接口也有很大差异，用硬件实现 的i p 与t c p 问的接口比同时在d s p 上的t c p 和i p 间的接 口要复杂的多，不仅有软件接口，还要设计两个芯片间的硬 件接e l 。所以课题的总体设计方案着重介绍了硬件实现的i p 与t c p 间的接e l 设计。另外，因为在芯片上实现协议和在计 算机操作系统内核实现协议在协议间接口方法上有很大不 同d s p 芯片提供的处理能力也不如计算机强大，所以本系 统简化了一些协议剧实现，但保持了t c p 的各项功能，并尽 量提高它的效率o i 第四章具体讲述t c p 内核的具体实现方 法，各程序块的功能，并显示了通过程序问的嵌套调用在同 一系统内部模拟两个系统连接情况的实验结果，还分析了程 序的健壮性，着重论述了在系统的研发过程中遇到的关键问 题和解决方法。j 、 本文的第五章是结束部分，论述了对该系统目前进行情 况和未来发展的展望，即在现有基础上该系统在扩展和提高 功能上的发展方向，最后介绍了系统的应用前景。 关键词；t c p 协议，数字信号处理器，协议实现系统，便携 式 t ， ! ! 互至望查兰堡圭兰些堡奎 r e s e a r c ho fr e a l i z a t i o no ft r a n s m i tc o n t r o l p r o t o c o l ( t c p ) o i ld i g i ts i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) m i s s z h a n g z h i r o u e l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gc o l l e g e n o r t h e r nj i a o t o n gu n i v e r s i t y m a s t e rt h e s j s ( s u m m a r y ) 2 0 0 01 2 w i t ht h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g yo f c o m p u t e ra n dn e t w o r k ，c o m p u t e rn e t w o r k sh a v ee x t e n d e dt o e v e r y w h e r ea n db e c o m ei m p o r t a n tm e d i u mo fi n f o r m a t i o n s c o m m u n i c a t i o na n dr e s o u r s e s s h a r j n g m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y a n dw o r l dw i d ew e b t e c h n o l o g yp r o m o t e i n t e r n e t se x p a n d i n gi nm a n yf i e l d so fp e o p l e sl i v e s oi tc a n b ef o r e s e e nt h a t d e s i g n i n g ai n t e r n e t p r o t o c o ls y s t e m i n d e p e n d e n tt oc o m p u t e rw i l lb ea p p l i e da b r o a d w i t ht h i ss ys t e m ，a n yi n t e l l i g e n te q u i p m e n tc a nt r a n s m i t d a t at oi n t e r n e tw i t h o u tc o m p u t e r i ti st a s k o ft h i st h e s i st o r e s e a r c h ，d e s i g na n dr e a l i z eat c p i ps y s t e mo nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ，i n c l u d i n gt c pp r o g r a m ，p r o g r a ma n dc ir c u i t i n t e r f a c eo ft c pa n di p ，p r o g r a ma n dc i r c u i ti n t e r f a c eo ft c p a n da p pl a y e r w i t ht h i si n t e r f a c e t h is s y s t e m c a nb e e x t e n d e dt oas p e c i a ls y s t e mh a v i n gm o r es t r o n gf u n c t i o n s a tf i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sn e t w o r k sg e n e r a ls i t u a t i o n ， o s ir e f e r e n c em o d e lo fp r o t o c 0 1 l a y e r s ，t h ed e v e l o p m e n t c o u r s e ，s t r u c t u r ea n d la y e r a r r a n g e m e n t o fi n t e r n e t t h e e m p h a s i si sp r o t o c o l so fe v e r yl a y e r ，a n dd e v e l o p m e n ti nt h e f u t u r ea d d i t i o n a l l y ，s o m ek n o w l e d g eo fn e t w o r ks e c u r i t ya n d h o wt or e a l i z es e c u r i t yo ne v e r yl a y e ra r ed i s c u s s e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ( d s p ) a r e i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e i rd e v e l o p m e n t ，t y p e ，s t r u c t u r e ，t y p e a n ds p e c i a l t yo fp r o d u c t so fm a i nm a n u f a c t u r e r ，d e v e l o p m e n t o fd s pt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r ea n ds oo nt m s 3 2 0 c 5 4 x 北方交通大学硕士学位论文 d s po ft e x a si n s t r u m e n t ( t i ) i sp r e s e n t e dw i t hh a r ds t r u c t u r e v i r t u e so fi n s t r u c t i o ns e t a n dd e v e l o p m e n tt o o l sb e c a u s ei ti s c h os e nt ot e a l l z et c p i pj n d e p e n d e n t s y s t e m t h eo n - c h i p s t r u c t u r e0 fc 5 4 2d s pisd j s c o u r s e da b o u ti t sm e m o r ys p a c e o n c h i pp e r i p h e r a l sa n ds t a t u sa n dc o n t r o lr e g i s t e r s f r o mc h a p t e r3 ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h i ss y s t e ma r e d i s c u s s e da t d e t a i l s ，e s p e c i a l l yt c p sr e a l i z a t i o nw h i c hi sm y t a s k ，t h e r eb e i n gt c pp r o g r a m 、i n t e r f a c eo ft c pl a y e ra n di p l a y e r ，i n t e r f a c e o ft c pl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e rt h i s s y s t e mh a st w os c h e m e s ，o n ei sp r o g r a m m i n gt c pa n di pb o t h o nd s pc h i p ，t h eo t h e ri sp r o g r a m m i n gt c po nd s pc h i pa n d p r o g r a m m i n gi po ns p e c i a li n t e g r a t ec i r c u i t t h e ya r ed i f f e r e n t n o to n l yi nm e t h o do fi p sr e a l i z a t i o n ，b u ta ls oi nt h ei n t e r f a c e o ft c pa n di p t h ei n t e r f a c eo f1 a t t e rs c h e m ew h i c hi n c l u d e p r o g r a mi n t e r f a c ea n dh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i ti s ，m u c hm o r e d i f f i c u l tt h a nt h a to f f o r m e r s oi n t r o d u c t i o no fs y s t e ms c h e m e m a i n l yd i s c u s s e si n t e r f a c eo fl a t t e rs c h e m e b e c a u s ei n t e r f a c e s o fp r o t o c o l sa r ed i f f e r e n ti nc o m p u t e r so p e r a t i n gs y s t e mc o r e a n di nd s pc h i p sa n dt h ep r o c e s sa b i l i t yo fd s pi si o w e rt h a n c o m p u t e r ，t c p sc o n t e n ti sp r e d i g e s t e d ，b u ta l lm a i nf u n o t i o n s o ft c pa r eh o l da n di t se f f i c i e n c yi sa sp r o m o t e da sp os s i b l e i nc h a p t e r4 ，p r o g r a m so ft c pa r es t a t e da tl e n g t h i tn a r r a t e s f u n c t i o n so f e v e r y m a i n p r o g r a m b l o c k s a n di l l u s t r a t e p r o g r a m s r u nr e s u l tb y s i m u l a t i n gt h ec o n n e c t i o n o ft w o s y s t e m si no n es y s t e m ，a n a l y z ep r o g r a m s r o b us t ，a n ds t r e s s n o d u s w h i c him e e t a n dr e s o l u t i o n a tt h ee n do ft h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ef i f t hc h a p t e rs t a t e sc u r r e n ts t a g eo fs y s t e m d e v e l o p m e n t ， a n d p r o s p e c t o ft h i s s y s t e m t h a t i s d e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no f i tt oi n c r e a s ea n dp r o m o t ei t s f u n c t i o n a tl a s t ，is p e c i a l i z ea p p l i c a t i o na s p e c t so fi tt os t r e s s w i d ep r o s p e c to fa p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e m k e yw o r d ： t r a n s m i tc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) ，d i g i t a ls i g n a lp r e c e s s o r ( d s p ) ，s y s t e mo fp r o t o c o l ，p o r t a b l e 北方交通大学硕士学位论文 序言 随着计算机软件、硬件技术、网络通信技术的发展，计算机网 络目前已经渗入到世界的各个角落，影响到人们的工作、生活。在 出现网络之前，单个计算机大部分应用于数据计算、信息处理、文 档处理等工作领域，与人们的生活虽然有一定关系但只有很少的 直接接触。随着网络技术的迅猛发展，计算机的应用逐渐渗透到各 个技术领域和整个社会生活的各个方面。社会的信息化、数据的分 布处理、各种计算机资源的共享等各种应用要求都推动计算机技术 与通信技术紧密结合。这种结合就产生了应用在不同领域的各种网 络技术，其中影响最大的就是互连网技术。互连网技术的发展，形 成了全世界范围不同规模，不同特性，不同结构的网络特别是国 际互连网( i n t e r n e t ) 几乎覆盖了全球大部分的区域。由于w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 的出现以及多媒体技术的应用，i n t e r n e t 渗透到 了人们生活的各个层面，所以说网络完全改变了这个世界改变了 人们的生活。 i n t e r n e t 由于其广泛的存在和多种信息交互方式已经成为最方 便快捷，最有发展前途的信息载体，从这个意义上讲i n t e r n e t 已不 仅是一种网络，而成为除自然资源，人力资源外的第三资源并且 是一种不会损耗，而且不断增加的资源。所以，如何充分利用这种 资源，如何发展这种资源就成为当前重要的课题。现在，向i n t e r n e t 传输信息，大部分要通过计算机提供的应用程序调用操作系统内核 的t c p i p 协议软件来实现，这就使系统成本较高，且不易移动， 使用的灵活性受到限制。 本论文的目的，是研究开发一种不用依靠计算机的独立网络协 议软件系统，任何有一定智能水平的设备，都可以通过该系统直接 连接到i n t e r r t e t 上以充分利用遍及世界的网络所提供的各项资源， 它产生的数据都能通过i n t e r n e t 到达任何想到的地方，同时控制信 息也可从世界的任何一个地方送到设备来控制它的运行。实现了时 间、空间的压缩。这样，既不需要建立独立的局域网进行控制，也 不需要先把数据收集到计算机，再传送到i n t e r n e t ，既降低了成本， 又增加了可靠性。同时，由于大量的信息在i n t e r n e t 上传输，必然 成为一种推动力，促进它传输速度、网络容量、覆盖区域的增长。 所以可以预见到该系统的开发将打破现有的网络发展格局，给整个 北方交通大学硕士学位论文 信息产业以至整个世界带来极大的改变。 本论文选择在数字信号处理器( d s p ) 和专用集成电路实现 i n t e r n e t 协议，目前主要实现传输控制协议t c p 和网络协议m 。这 些芯片和一些外围电路就形成一个独立的系统，只要把数字设备连 接到它上，就可以传输信息了。 用d s p 芯片实现该系统是因为它速度快，处理能力强。它独特 的内部结构大大不同与一般的通用处理器芯片，有多个数据、地址 总线，可实现并行读写存储器，这就使在处理要传输的数据时，它 的处理速度比一般处理器要快的多，减少了系统收、发数据时产生 拥塞的可能性。 该系统有两种设计方案，一种是在d s p 上实现t c p 协议和i p 协议，另一种是使用d s p 实现t c p 协议，而在专用集成电路上实 现m 协议，用现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 进行该专用集成电 路的设计和实验。用d s p 实现的t c p 和妒的整体系统可直接应用 于数据的网络传输，而用专用集成电路实现的i p 协议可以单独使 用，成为独立的协议系统或在它的基础上进行扩展，并且用硬件实 现协议，提高了执行效率和系统的可靠性。 目前，该系统用d s p 实现的t c p 协议i p 协议的内核已经设 计完毕，两层程序的连调已经完成，用d s p 的开发环境d s k p l u s 可以软件仿真协议收、发数据的结果。 北方交通大学硕士学位论文 第一章t c p i p 协议研究 1 1 计算机网络概述 1 1 1 计算机网络简介 计算机网络是将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系 统用通信设备和线路连接起来，由功能完善的网络软件实现网络资 源共享的，即“一个互连的独立计算机的集合”。互连方式可以用 明线、电缆、光纤、载波、微波、无线和通信卫星等。 网络的主要功能有： 1 ) 数据报文的快速传输和集中处理。 2 ) 系统资源共享。 3 ) 负载均衡与分散处理。 4 ) 实时点一点通信和电子邮件服务。 5 ) 设备分散、安全可靠、使用方便。 6 ) 性能价格比高、维护方便、易于系统扩展。【l 】 1 1 - 2 网络发展概况 计算机网络技术从6 0 年代开始兴起，开始出现批处理方式的 主机系统和远程终端间的数据通信。 7 0 年代，主机运行分时操作系统，主机和主机之间、主机和远 程终端之间，通过前置机通信，各种专用的网络体系结构相继出现。 8 0 年代，国际标准化组织提出了开放系统互连的七层参考模 型，为网络系统和网络协议的开发提供了依据。 发展到9 0 年代，无论是局域网、广域网或是城域网，还是媒 体访问技术或是分组交换技术均朝着更高速的方向发展。而地理 范围更广的网点的入网和多种信息在网上传输的需要也使网络互 连技术得到新的发展。而网络技术的发展也使网络各方面的性能不 断提高，规模不断扩大，应用领域不断拓宽，深入到全球的各个角 落，成为社会生活的必要部分。 高速计算机网络走向成熟，为满足当前信息传输和处理的需 要，出现了许多高速的媒体访问技术，除了目前应用仍相当普遍的 1 0 m b i t s 1 0 0 m b i t s 以太网，令牌环网和l o o m b i t s 的f d d i ( 光纤 分布式数据互连) 外，传输速率可达1 0 0 0 m b i t s 的快速局域网己相 北方交通大学硕士学位论文 1 0 m b i t s l o o m b i t s 以太网令牌环网和l o o m b i t s 的f d d i ( 光纤 分布式数据互连) 外，传输速率可达1 0 0 0 m b i t s 的快速局域网己 相当成熟。帧中继技术和交换多兆位数据服务( s m d s ) 等快速分 组交换技术也得到迅速的发展，适应于网上大量多媒体信息的传输 的异步传输模式a t m 技术电越来越成熟，并将成为今后网络发展 的关键技术。 1 t 一3 互连网的体系结构模型 为了使各厂商不同的网络产品能够兼容，1 9 7 9 年，国际标准 化组织i s o 制订了“开放系统互连”的有关标准，称为“开放系 统互连参考模型”( o s i 参考模型) 以达到如下要求： 支持异种计算机之间的互连和通信。 支持多种通信媒体( 提供多种通信控制规程，支持不同的线 制和通信要求) 。 支持多种处理业务( 交互式分时处理、远程批处理、联机处 理等) 。 支持高级的人机接口( 图形i 0 、文字处理、语音识别和合成 处理等 具有可扩充的能力( 支持扩充的应用要求，适应新工艺、新 技术的发展) 。 下面简述一下该模型各层的功能； 1 ) 物理层：主要是定义物理设备和传输媒体之间的接口，提 供点到点( 物理设备通过传输媒体到物理设备) 的比特流传输的物 理链路。 2 ) 数据链路层：分为介质访问控制( m a c ) 和逻辑链路控制 ( l l c ) 两个子层，m a c 解决广播型网络中多用户竞争信道使用 权问题，l l c 的主要任务是将有噪声的物理信道变成无传输差错 的通信信道，提供数据成帧、差错控制、流量控制等功能。 3 ) 网络层：负责将数据从物理连接的一端传到另一端，即所 谓点到点通信，主要功能是寻径，以及相关控制。 4 ) 传输层：主要目的在于弥补网络层服务与用户需求间的差 距，提供一个标准的、通用的界面，隔离上层与下三层，并提供进 程问通信机制和保征数据传输的可靠性。 5 ) 会话层：主要针对远程终端访问，主要任务包括会话管理、 传输同步以及活动管理。会话一般都是面向连接的。 4 北方交通大学硕士学位论文 7 ) 应用层：提供常用的应用程序。 o s i 参考模型是在普遍意义下考虑了一般情况而制定的，它对 各国开发和生产网络产品带来极大的益处，而且在国际间进行信息 互通和设备互换等方面带来了极大方便，因此它得到世界上普遍的 接受和承认。但它的实现可以灵活掌握，不一定严格要求一定要包 含7 个层次，可结合具体应用条件和环境进行合并和取舍。 2 】 1 2i n t e r n e t 概述 i n t e r n e t 是当前规模最大，涉及领域最多的互连网，它是一 种分组交换网，采用了t c p i p 协议族，从网络层( i p ) 开始屏蔽了 底层网络的结构、协议的差异，把世界各地不同的局域网、城域网、 广域网通过网关( 例如路由器) 连接成一个巨大的网络，向上( 包 括用户和应用程序) 提供通用的、一致性的网络服务。 1 - 2 - 1i n t e r n e t 的起源和发展。 1 16 0 年代i n t e r n e t 的萌芽阶段 一般认为，i n t e r n e t 起源于6 0 年代的美国。6 0 年代中期，首先 是美国的国防部门认识到了网络对于军事、国防的重要性；与此同 时美国的科学家普遍认识到计算机互连的重要意义，他们希望通 过某种方便的方式与住在其他城市的科学家协同工作和共享资源。 在这样的背景下，美国政府电认识到计算机网络对于国防、科学研 究和教育的重要作用。1 9 6 8 年，美国政府决定资助一个实验性网络 的建设以实现在远程计算机之间的数据交换。该网络的具体资助 机构是美国高级研究计划局( a r p a n e t ：a d v a n c e dr e s e a r c h p r o i e t ；t sa g e n c y ) ，因而该网络被命名为a r p a n e t 。 最初，a r p a n e t 只有四台计算机，它们分别位于美国的犹他 大学、加州大学、加州大学的洛山矶分校和斯坦福国际研究学院。 最初的a r p a n e t 并不是一个实用网络，而是一种实验，实验 的重要目标是为军方提供一个高性能、高可靠性、高抗损毁性的网 络。这种网络不仅能够提供比较稳定的通信保障，而且不能因为网 络的局部损失( 比如飞机轰炸或是导弹袭击摧毁了网络的一些线路) 而导致计算机不能互通。 2 17 0 年代t c p ，妒的出现 1 9 7 2 年1 0 月，在美国举行的首届计算机与通信国际会议上， 北方交通大学硕士学位论文 a r p a n e t 首次公开演示，大约4 0 台终端同时访问a r p a n e t 上的 大型计算机，成功的演示使与会代表对计算机网络互连的前景充满 了信心。 a k p a n e t 最初使用的网络协议称为n c p ，也就是“网络控制 程序”( n c p ：n e t w o r kc o n t r o lp r o g r a m ) 。在7 0 年代，为了使网 络通信变得简单、可靠，a r p a n e t 的研究人员开始试验新的通信 协议，这一新的通信协议系列最终演变成t c p i p ，并取代了n c p 。 与此同时，以太网( e t h e m e t ) 的研究有了很大进展。这两项进展使 a r p a n e t 逐渐演变成目前的i n t e m e t 。 7 0 年代中期，a r p a n e t 上的通信量有了较大增加，a r p a n e t 承担了美国国防部网络日常通信的主要工作。与此同时，计算机研 究人员和一些网络用户开始在a r p a n e t 上开展了一些研究工作， 电子邮件、f t p ( 文件传输) 、t e l n e t ( 远程登陆) 等应用开始出现， 网络新闻系统( u s e n e t ) 也投入了使用。也就是说从这时起，i n t e r n e t 出现了商业化的可能，尽管到目前为止，i n t e r n e t 上的商业应用还处 于不稳定的尝试阶段。 在整个7 0 年代，a r p a n e t 只有大约2 0 0 台计算机。 3 ) 8 0 年代i n t e r n e t 雏形的建立 a r p a n e t 的网络通信量的迅速增长超过了网络线路的承载能 力。在1 9 8 3 年，a r p a n e t 被分割成两个部分：一部分作为军用， 称为m i l n e t ；另一部分作为民用人称为a r p a n e t 。 到了8 0 年代初期，几乎所有的网络都采用基于t c p m 的协议， a r p a n e t 成了当时i n t e r n e t 的主干，a r p a n e t 是i n t e r n e t 各主要 网点间的物理连接而i n t e r n e t 由连接到舢冲a n e t 上的基于t c p p 的所有网络组成。在这段时期内，美国国防部继续利用a r p a n e t 改进t c p ，口协议族，在1 9 8 3 年，美国国防部下令将所有连到远程 网络上的计算机都使用t c p ，m 。 1 9 8 5 年，为了满足各大学及政府机构开展科学研究工作的迫切 要求，美国国家科学基金会( n s f ) 在美国建立了五个超级计算机 中心，它们是： 位于r h a c a 大学的c o m e l l 研究中心的超级计算中 心： 位于i l l n o i s 的美国国家超级计算中心，这就是著名 的n c s a ( n a t i o n a lc e n t e rf o rs u p e r c o m p u t i n g ) ； 位于p i t t s b u r g h 的p i t t s b u r g h 超级计算中心； 北方交通大学硕士学位论文 位于c a l i f o 丌l i a 的s a nd i d o 超级计算机中心： 位于p f i n e e t o n 大学的j o nv o nn e u m a r u l 。 由于这五个超级计算机中心耗资巨大，因此n s f 希望通过网 络将这些超级计算机提供给全国的研究工作人员使用使这些资源 能够得到充分利用。在这一时期，美国的很多大学和研究机构已经 建立了自己的校园网络( c a m p u sn e t w o r k s ) ，这些网络大部分使用 的是t c p i p 协议。1 9 8 6 年7 月，n s f 资助了一个直接连接这些超 级计算机和一些校园网络的主干网络，这就是n s f n e t 。 n s f n e t 逐渐成为美国最大的t c p i p 网络，并且取代 a r p a n e t 成为新的i m e m e t 主干。应当说，今天的i n t e r n e t 起源于 a r p a n e t ，但它真正的基础是n s f n e t 。 在整个8 0 年代，由于n s f n e t 的巨大推动作用，i n t e r n e t 有了 较大的发展，连接在i m e m e t 上的计算机的数量从8 0 年代初的2 0 0 台左右发展到了8 0 0 0 0 台左右。 不仅是计算机的数量快速增长，n s f n e t 的网络性能也不断提 高。1 9 8 7 年1 1 月n s f 与美国的m e d t 公司签定了一个关于提高 n s f n e t 主干网络的全部通信线路的带宽的合同。随后，m e r i t 公司 与m m 公司、m c i 公司一道，在1 9 8 8 年7 月，将n s f n e t 主干网 络的全部通信线路的带宽从最初的5 6 k b i t s 提高到1 5 4 4 m b 甜s ( t 1 ) ，而此时，全美连接达到n s f n e t 上的地区已经增加到了 1 3 0 多个。 4 ) 9 0 年代难以置信的高速发展时期 9 0 年代是i m e r n e t 真正开始高速膨胀的时期，大多数的中国人 是在这个时期才知道i n t e r n e t 的存在的。在9 0 年代，i m e r n e t 的发 展有三个特别值得注意的趋势： a ) 全球化趋势 在9 0 年代，i n t e m e t 从美国等少数几个发达国家迅速蔓延到全 球的1 0 0 多个国家和地区，这意味着i n t e r n e t 不再是哪一个或哪几 个国家的网络，而正在变成一种所有地球人的网络。i n t e r n e t 正日益 成为一个全球经济文化的纽带。 b 1 商业化趋势 8 0 年代中期建立起来的新的i n t e r n e t 骨干网络n s f n e t 的主要 经费来源是美国的n s f ( 国家科学基金会) ，大致说来就是国有、 国营、国家资助的性质。到了9 0 年代初期，这种国家资助的经营方 式已经不能够适应用户对i n t e r n e t 的快速增长和不断多样化的需求。 7 北方交通大学硕士学位论文 9 0 年代初期n s f 开始着手推动n s f n e t 的商业化经营和私有化 进程，在这一时期，一些私营公司开始加入n s f n e t 的经营管理 比如a 1 r r 公司和m c i 公司。 1 9 9 5 年4 月，原有的n s f n e t 结束了它的历史使命，正式宣 布停运。取而代之的是一个新的、由多个私营公司分别经营的 i n t e r n e t 骨干网络。 商业化、私有化经营为i n t e r n e t 注入了大量资金，是i n t e r n e t 能 够更好地适应用户的需求，也使用户有可能得到更好的服务质量， 这对于9 0 年代i n t e r n e t 的快速增长起到了决定性的作用。 c 1 生活化趋势 i n t e r n e t 起源于军事需要，随后在美国的大学和科研机构中得到 普遍应用。在9 0 年代，i n t e r n e t 逐步走出了军事色彩浓、专业性质 强的圈子，越来越多的普通人开始使用i n t e r n e t 提供的电子邮件、 信息检索、网络游戏等服务，i n t e m e t 在全球的忠实用户已经超过 5 0 0 0 万人。 这是一种趋势，i n t e r n e t 正日益成为普通人日常生活中普通、正 常，而又不可分割的一部分。 1 之- 2i n t e m e t 结构概述 i n t e r n e t 的构成并不复杂，它主要依靠t c p ，m 通信协议保证 网络各节点间的互相连接。个人电脑或单位的局域网还有在线网络 通过电话线和专用线与最近的i n t e r n e t 网络节点服务器互相连接 再通过i n t e r n e t 网络节点服务器和远方进行通信。 i n t e r n e t 包括了种类繁多的技术，其中最重要的技术有：t c p i p 、 h t t p 、l d a p 、s m t p 、f t p 、h t m l 。而t c p f i p 是构成i n t e r n e t 的基础。t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 即 传输控制协议网间协议，它是用于计算机通信的一个协议组，是由 a r p a n e t 网的研究机构发展起来的。所谓“协议”是关于通信过 程的规则或条约，它规定了如何传输信号如何在宿主计算机上将 数据包重新组成计算机信息等。 因为出现较早。应用面很广在o s i 参考模型出现以前，i n t e r n e t 已经有了固定的体系结构，它的结构虽然不如o s i 模型结构完善， 标准性强，但它有更多的实践经验，效率更高，它的规模和范围也 越来越大，所以i n t e r n e t 没有完全按照o s i 参考模型来实现，它只 有4 层，分别是应用层、传输层、网际层和网络接口层。各层功能 北方交通大学硕士学位论文 如下： 应用层：在该层，用户调用应用程序来访问互连网络，每个应 用程序选择适当的服务类型把数据按照传输层的格式组织好后向 传输层传送。应用层的协议主要有：文件传输协议( f t p ) ，远程 登录协议( t e l n e t ) ，文件访问协议族( n f s ，x d m r j p c ) ，等等。 传输层( t c p ) ：提供应用程序端口间的端到端的可靠服务， 保证数据无差错的，无乱序的到达，同时解决不同应用程序的识别 问题。主要协议是：传输控制协议( t c p ) ，用户数据报协议( u d p ) ， 其中t c p 是面向连接的，即在两端间有条虚电路的连接，保证数 据的有序到达；u d f 是无连接的，即不能保证数据的到达。 网际层( i p ) ：负责相邻计算机间的通信，对收到的报文进行 路由选择处理，对来自传输层的报文封装后发送给相邻路由器，并 对i c m p 报文进行处理。主要协议有：i n t e r n e t 协议( i p ) ，i n t e r n e t 控制报文协议( i c m p ) ，网络地址到物理地址映射协议( a r p ) 等。 口层掩蔽了底层物理网络结构以及协议的差异使i n t e r n e t 可以将 不同的物理网络连接起来形成一个由许多网组成的网络。 网络接口层：它是t c p ，妒协议软件的最底层负责封装、发 送口的数据包和从网络接收物理帧传给口层。该层的协议根据物 理网络的不同而不同，但它们不属于t c p i p 协议的体系。 t c p 口协议的4 层与o s i 的7 层参考模型有不太严格的对应关 系，它的应用层对应o s i 的应用层、表示层、会话层，它的传输层 对应o s i 的传输层，它的网际层对应o s i 的网络层，它的网络接v i 层对应o s i 的数据链路层。但她们并不是在功能上完全对应，作为 实际应用的协议t c p f l p 的结构体系要比o s i 模型简单。 2 】 1 _ 2 3 环球信息网w ，m 近年来，i n t e r n e t 发展得如此迅速，其关键原因之一就是i n t e r n e t 为解决知识获取的全过程提供了很有效的、方便的信息获取工具， 尤其是环球信息网w w w 。 w w w 是一种遍布在i n t e r n e t 上的全球性的超媒体系统。传统 的信息检索系统都是顺序格式的文本信息检索，随着其他媒体形式 的发展，这种传统的呈现信息的方式很快就过时了。超文本的概念 是由计算机理论科学家t e dn e l s o n 在2 0 世纪6 0 年代提出的，他提 供了一种全局性的信息结构，用户可以随意浏览，自由地查阅一些 相互交叉引用的资料。 一- - - - - - - - - - 一1 “。一一。 北方交通大学硕士学位论文 环球信息网是基于客户机，服务器方式的信息发现技术和超文 本技术的综合。w w w 服务器把信息组织成为分布式的超文本，这 些信息节点可以是文本、子目录或信息指针。w w w 浏览程序为 用户提供基于h t t p 超文本传输协议的用户界面，w w w 服务器的 数据文件由h t m l 超文本标记语言描述。h t m l 利用u r l 通用资 源访问地址表示超媒体链接，并在文本内指向其他网络资源【3 】 4 】。 1 2 - 4i n t e m e t 网络安全 在今天计算机网络时代的信息社会里，信息就是时间，就是财 富。每时每刻都有信息以数据形式大量地通过网络进行交换，并将 它存储在计算机系统中。众所周知，计算机网络的公共信道是十分 脆弱的，容易受到攻击，这个攻击可分为：非法地截取；另一种是 伪造和篡改信息，也叫做主动攻击。信息虽是财富，但和一般的财 富不同，它的损坏或丢失不容易被发现，可是其后果可能是极其严 重的。而存储信息的计算机系统若不设防，则存储的信息容易泄漏 或破坏，所以，如何保护信息安全，也称为数据安全j 是值得高度 重视的问题。i n t e r n e t 的建立和普及，使得这个问题更加迫切。 计算机网络的应用使集中于计算机中机密和财富受到联网的 计算机用户攻击的威胁，以各种非法手段渗入计算机网的人，所谓 “黑客”，随着网络覆盖范围的扩大而增加。据1 9 9 5 年统计资料表 明，全世界有计算机1 7 亿台，美国即有7 4 0 0 万台。一方面计算机 可以作为发展生产力的倍增器，但另一方面它也被用作攻击计算机 网络的工具。 1 ) 网络安全需求 计算机网络安全是计算机安全概念在网络环境下的扩展。其网 络安全需求主要有身份证、授权控制、通信加密、数据完整性以及 防止否认 5 】【6 】。 曲身份认证 身份认证是授权控制的基础。身份认证必须做到准确无二义的 将对方辨别出来，同时还应该提供双向的认证，即相互证明证明自 己的身份。 在单机状态下的身份认证般分几种类型：一是双方共同享有 某个秘密，如用户口令根据对方是否知道这个秘密来判断对方身 份，这是最常用的一种方式，但安全性能不够高，一旦该秘密泄露 任何人都可以假冒；第二种类型是采用硬件设备，如编码发生器， j o 北方交通大学硕士学位论文 服务器方随时地产生一些数据要求客户输入这些数据经过编码器变 换后产生的结果，来和服务器拥有的编码发生器产生的结果相比较 来判断是否正确，这种方法也称一次性密码