第一章 ip网络技术基础

第一章IP网络基础11IP网络的基本概念及发展趋势111何为IP网络1111IP网络的定义当前世界经济正从工业经济向知识经济转变，知识经济已成为推动生产力发展的巨大动力。知识经济的两个重要特点就是信息化和全球化。要实现信息化和全球化，则必须依靠完善的网络。网络已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础，可以说21世纪是一个以网络为核心的信息时代。而在此我们所说的网络就是指IP的网络，就是电信网（有线和无线的通信网）、广播电视网、计算机网在IP协议的基础上融合所构成的网络。我们现在看北美对各种网络的评价及相关资料时，常常会看到ATM网、帧中继网、因特网、IP网的比较，很多通信或计算机专业的技术人员会困惑，他们混淆了因特网和IP网络，认为它们是同一种网络。这种理解是不正确的，IP的网络中网络层是采用了IP的协议，但其上层（传输层）在不同的网络中则可能是TP4协议（X25协议的分组交换网中）、TCP协议（提供可靠性传输的因特网时，如文件传输业务）、UDP协议（不提供可靠性传输的因特网业务时，如多媒体业务）；而其下层（链路层）在不同的网络中也可以是8022协议、8023协议（在以太网中）、8024协议（现有的有线电视网络中采用令牌总线）、ATM的信元（ATM网络中）、帧中继的帧FR的网络中；并且在IP的网络中不断地引用新的技术，使得通信网与计算机网的融合能够产生新的业务、新的性能价格比，并希望能够融合各种技术的优势和特定，使网络能够对信息社会的发展提供更大的动力。高层协议1高层协议2高层协议3IP模块接口1接口2接口3图11IP网络的结构模型IP网络应该是我们上述的通信网、计算机网、广电网在IP技术上不断融合的一种网络，在此种融合的IP网络上，如图11所示，它们在网络层上是互通的，采用的是IP协议，在上层协议和下层接口上均可以是根据需要而不同的，但在IP的网络上所实现的业务可以是各种各样的。实际上，现在的IP网络上既可以实现电信网的电话业务（VOIP技术）、可视电话业务、会议电视业务；也可以实现广电网的网络电视、实况转播、音乐广播等业务；还可以具有计算机网络的所有功能。总而言之，IP的网络是以通用的网络互联协议为基础，多协议支持的，可以融合不同网络的技术优势，低价而高效来实现社会和人民生活各种各样需求的网络。1112区分IP网络的意义以IP协议为互通互联的IP网络已经形成，且在不断发展和完善过程中，只是现在并没有完善的IP网络的定义。作者认为区分IP的网络对于客观的认识及评价这种融合各种技术的新的网络机制，并对其进行研究是有重要的意义的。它可以使得电信网、计算机网、广电网的专家们不仅站在其专业的基础上，解析本网络的优点和缺陷，而是站在IP网络的角度，去研究和解析网络融合时的问题和优劣，促进IP网络的融合和发展，将各种网络的优势融合到IP网络技术中，使得IP网络不但提供多样、高效、低价的服务，而且提供高的服务质量、高的网络调度、控制、管理能力和高可靠性、高安全性。176543212312344556677ACB物理连接PEERTOPEERPEERTOPEER112网络的基本概念1121实体、对等层、对等实体实体任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。对等层两个不同系统的同名层次。对等实体位于不同系统的同名层次中的两个实体。协议作用在对等实体之间。对等实体通信一种抽象概念,实现逻辑通信。见图12对等实体间通信对等通信的实质OSI参考模型禁止不同主机的对等层之间的直接通信。实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信。上层使用下层的提供的服务SERVICEUSER；下层向上层提供服务图12对等实体间的通信SERVICEPROVIDER对等层通信的实质对等层实体之间虚拟通信；下层向上层提供服务；实际通信在最底层完成1122协议、服务、协议与服务的关系协议为网络数据。而制定的规则、约定与标准被称为网络协议（PROTOCOL）。语义语法规则不同层具有各自不同的协议。网络的协议主要使由以下三个要素（语法、语义、时序）组成的语法，即用户数据与控制信息的结构与格式；语义，即需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应。时序，即对事件实现顺序的详细说明。服务某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。服务原语见表11表11服务原语物理通信线路系统B消息PN1PN1原语（操作）含义请求（REQUEST）实体请求服务完成某项工作指示（INDICATION）实体被通知已发生某个事件响应（RESPONSE）实体对某个事件作出响应确认（CONFIRM）某个早期请求的响应返回实体协议与服务的关系服务本层向上一层提供的一组原语（操作）。定义本层准备好代表其用户执行什么操作，但不管它们的具体实现。协议对等实体间交换的分组的格式和含义的一组规则。实体根据协议实现自己的服务定义。1123接口接口相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。接口与服务的关系见图13图13接口与服务的关系1124层次化结构N/N1接口第N1层实体（服务用户）第N层实体（服务提供者）服务访问点SAP（唯一标识）分层模型带来的好处容易解决通信的异质性（HETEROGENEITY）问题2、使复杂问题简化，高层屏蔽低层细节问题3、使设计容易实现每一层向上一层提供服务；每一层向下一层请求服务复杂系统的层次结构第N层的功能向N1层提供服务实现N层协议通过向N1层请求服务实现层次划分的特点各层的功能相对独立每层的改变不影响其他层接口的作用定义请求/提供服务的方式图14复杂系统的层次化结构1125相邻层的信息交换1234接口第N1层第N层头部片段跨网络传递到对等实体的信息接口控制信息ICI接口数据单元IDU服务数据单元SDU接口控制信息ICI服务数据单元SDUHNSDU1HNSDU2协议数据单元NPDUN/N1接口图15相邻层的信息交换1126虚电路和数据报数据报每个分组作为一个独立的信息单位传送。其主要特征是不需要连接，也无需确认。有完整的网络地址（源和目的）。信道利用率高。它不保证按序到达，每个分组均需进行路由选择。虚电路传输前先建立一条逻辑连接，传输结束后拆除。其主要特征需要建立连接。仅在建立连接时需要全网地址，传输时用虚电路号。数据按序到达；仅在建立连接时需要路由选择。数据报无连接的服务；虚电路面向连接的服务。虚电路有两类永久虚电路（PVC）租用后便永久建立，退租后拆除。暂时虚电路（SVC）需要通信时建立，通信结束便拆除。1127面向连接的服务和无连接的服务面向连接服务是以虚电路方式；数据流有序传输。无连接服务是以数据报方式；每个报文相对独立；到达目的地的先后顺序可能是乱序。图16面向连接的服务AE虚电路AE图17无连接的服务表12面向连接和无连接服务的比较CONNECTIONORIENTEDSERVICECONNECTIONLESSSERVICE参考模式电话系统邮政系统特点静态分配资源；传输前需要建立连接动态分配资源可靠性提供可靠的报文流服务不能防止报文的丢失、损坏、重复和失序对目的地址的要求仅在连接阶段需要完整的目的地址需要为每一个报文提供完整的目的地址适用场合在一段时间内向同一目的地发送大量的报文；提供实时性要求少量零星报文分类及示例1、可靠消息流文件传输2、可靠字节流远程登录3、可靠连接数字化声音1、数据报广播/组播2、可靠数据报挂号邮件3、请求/应答数据库查询113通信网、计算机网（及因特网）、广电网、IP网及其区别1131通信网通信网是一个面向连接，提供可靠性传输的网络。通信网有标准时钟、国际性的专门的标准化组织（国际电联的ITUT）和一系列的国际标准、广阔的覆盖、较好的实时性和安全性、明确的服务质量、完善的网络管理机制。近几年也增加了一些智能网业务（如800、201等业务），但由于在电信网中，其大量的设备采用的是模拟的话音信道带宽为31KHZ，数字化后的带宽也多为标准的B信道带宽为64BPS。在此基础上需要实现宽带化有一定的难度。但通信网特有的实时性、安全性、及其在长途和市话局间的光纤技术的大量使用，使得它在宽带化上仍有一定的优势。自1997年国际上提出“新一代电信”运营商的口号后，在激烈的市场竞争下，各国的电信运营商和制造商纷纷投入到宽带化的进程中去，在此五年中我们已经可以看到，整个电信市场的重新洗牌，一些没有及时跟上发展节奏的公司陷入困难，而一些公司却蓬勃兴起。可以预计，随着计算机网络技术的高速发展，IP网络的各种技术日益成熟，今后的竞争将更加激烈，对传统电信业的挑战将更加严峻，特别是加入WTO后的中国电信业，内外交困、新旧冲突、如何把握机遇，迎接挑战如何真正的按照市场机制去运转如何融合新技术改造原有的网络，成为新一代的IP网络运营商1132计算机网（及因特网）计算机网是通信技术与计算机技术结合的成果，自60年代最简单的联机通信开始至今，计算机网络的技术可以说是飞速发展。分组的包交换技术的出现，成为了现代计算机通信的基础，TCP/IP协议的出现及在不到20年间，连接全球30多万个计算机网络（因特网）的现实，使其成为网络上巨星。由于网间网层（IP层）的出现，屏蔽了网络的拓扑结构，使得网络具有极大的灵活性，也奠定了IP层的重要地位。在中国公众多媒体网（YDN077）和中国分组交换网的行业标准（YDN075）中，我们可以看到IP层已成为中国通信行业的互通规范。因特网使用TCP/IP协议，1992年起，INTERNET不再归美国政府管辖，成立了一个国际性的组织称为INTERNET协会（ISOC）,ISOC下面有一个技术组织被称为INTERNET体系结构委员会IAB,负责管理INTERNET有关协议的开发。IAB下设网络工程部（IETF）和网络研究部（IRTF）。IETF下设一些工作组，主要从事对协议的开发和标准化工作；IRTF下设一些研究组，侧重于理论方面研究和开发。所有的INTERNET标准都以RFC文档的方式发表，任何人均可提过RFC发表其个人的建议，RFC中只有很小的一部分会最终成为标准。RFC按接收到的时间顺序编号，从一个普通的文档上升到INTERNET的正式标准需要经过四个阶段草案（INTERNETDRAFT）、建议标准（PROPOSEDSTANDARD）、草案标准（DRAFTSTANDARD）、正式标准（OFFICIALSTANDARD）。所有的RFC文档均可通过网络免费下载。其网址为WWWIETFORG。因特网标准及其在全球覆盖的高速发展，使得计算机网络成为网络发展的一个领头羊，TCP/IP协议也成为了一个事实上的国际标准。计算机网络的高速化、高智能性、协议的开放性、网络的高效性等优势使得其普及的速度快、价格低，但计算机网络的服务质量、实时性、安全性及“最后一公里”以何种方式接入最佳等问题仍值得研究。但目前因特网所暴露出的问题和先天性的缺陷，使得各个国家均将研究的目标放在下一代网络（NGN）上，在NGN的研究上计算机网络已展现出良好的前景。1133广电网目前以8024协议的令牌总线方式，构成的光纤同轴混合HFC网络的有线电视网在全球拥有9亿用户，其在中国的普及率是全球最高的。在有线电视网中传输的是模拟的、有源的、宽带的、实时的信号，其工作方式主要是广播方式，要使得现有的广电网从现在的单向传输方式改造成为具有双向通信功能、交换功能和网络管理功能的宽带网络，仍需要较大的投资。广电网中的有线电视网络虽然具有广大的用户，且具有较好的接入网络，以CATV同轴电缆接入各家各户，在同轴电缆上采用CABLEMODEM也可以10M的速率接入宽带IP网络,但由于其令牌总线的网络工作方式和总线网络的特点，负载重时则效率低下，故存在在某些时间段中用户数多拥塞严重的缺陷。但目前广电网的数字化进程迅速，数字电视标准的快速芯片化和有线电视网络公司的大量上市，将给广电网络的宽带化和数字化的进程增添动力，若再考虑到长期以来中国广电网络控制媒体的优势，广电网的发展依然需要引起宽带网竞争对手的足够重视。1134IP网络IPINTERNETPROTOCOL是为了满足计算机网络互连需要的一种异构网互连通信协议，是在开放系统互连模型的第三层网络层实现互连，目的是无缝连接不同硬件结构的网络，使网络技术和低层的软硬件技术能够相应独立并行发展。IP网络是面向无连接的分组传送网。IP网络的承载网发展IP网络的早期发展依托于公用通信网和专线网（STM体制）来建立骨干网，其数据速率为56KBPS50MBPS。随着数据业务量的增加，90年代起又依托ATM技术建立骨干网，其数据速率为15552MBPS/62208MBPS。1997年以后随着吉位线速路由交换机的商品化，IP网络开始独立发展承载网，由吉位线速路由交换机和专线组成的骨干网（底层仍采用STM体制）线速为25GBPS。我国现阶段的IP骨干网主要还是STM1625GBPS和STM6410GBPS，正在向以10GBPSTDM为基础的40GBPS4010GTDM、80GBPS810GTDM和320GBPS3210GTDM发展。美国等发达国家的IP骨干网已经开始应用高达1600GBPS16010GBPS的波分复用系统。IP网络的业务发展IP网络初期的目的只是为计算机间传输数据提供连接，因而业务单一，只有数据业务。目前IP网络发展最为迅速，其数据业务量正在赶上或超过传统的电话业务量，并且其业务类型已由数据业务发展到数据、语音通信和视频综合业务，其中发展最快的是IP电话业务。实际上IP网络能够高速发展的原因之一应归功于传统电话业务的普及。IP网络的应用已进入家庭及个人，IP网络也因此有了高速发展的市场驱动。IP网络已能够提供接近传统电话质量的电话业务，而IP网络电话的成本却只有传统PSTN电话的10，又有着最大的用户群体，因此各传统电话公司和新IP网络业务提供商无不大力发展IP网络电话。IP网络电话业务的迅速发展又促进了IP网络的发展。IP网络的其它业务如数据和视频业务目前仍然主要面对大客户，因而相对发展较慢。IP网络传统的业务是非实时的计算机数据业务，目前发展最快的业务则是传输实时语音业务。IP网络的优势在于综合传输数据、话音、图像和视频等多媒体业务。目前的IP网络限制了业务多样化的主要原因是带宽和时延特性。在IP网络实现宽带化并由此带来时延特性的改善以后，业务的多样化是必然的趋势。主要业务有电话业务、电视业务、数据业务、数据专线和数据专网业务等。IP网络的宽带化目前的IP网络由于带宽窄而带来一系列问题，如时延长、时延不稳定、丢包和拥塞，直接导致IP网络电话质量的不如人意，不能满足数据专网业务对服务质量的高要求。解决IP网络局限性的手段之一是加大网络带宽。近来IP网技术的迅速发展使得宽带化成为可能。千兆以太网标准的发布，交换速度高达60GBPS的千兆位高速路由交换机的商品化，交换速度达几TBPS的特位路由交换机的研制成功，密集波分复用技术的应用，这些IP网络技术的新进展都将加速IP网络的宽带化趋势。未来IP网络的骨干网将由高速路由器交换机和采用密集波分复用技术的光纤网络组成，边缘则采用ATM网络、以太网或FR。线速路由交换机的出现使IP数据包可以直接在SDH网上运行，从而省去ATM交换机，即IP/SDH/OPTICAL。密集波分复用技术的应用提供了在光纤上直接传输IP数据包的方法不采用ATM设备和SDH时分复用设备，而是在光纤上直接用以太网帧格式运行IP数据包，将原复用的多个信道改为波分复用，然后用千兆位或特位路由交换机进行路由交换，即IPOVEROPTICAL。高速路由器技术和密集波分复用技术的直接结合，使每个信道不再是SDH时分复用的一个信道，而是独占密集波分复用的一个通道，速率在LGBPS以上，因而可以获得更高的速率，其网络的复杂性和成本都大为降低。IP接入技术随着IP网络业务的快速增长，骨干网的带宽正在向TBPS演化，高达特位速率的路由器也已经开发出来。为了适应骨干网超高速化的发展速度，改造利用现有接入网使之宽带化是一种简便快捷的方法，发展新的宽带接入技术是未来的趋势。1、铜线接入技术采用HDSL技术传输语音和数据业务的接入速率为12M，可传输语音、数据和视频综合业务的ADSL技术的接入速率为110M，只传输数据业务的VDSL技术可实现的接入速率高达1352M。铜线接入技术的发展解决了接入技术宽带化要求与传统铜线接入技术带宽窄的矛盾，能够很好地保护现有的投资，又能满足了现有接入网迅速宽带化的需求。2、光纤接入技术光纤接入技术的接入速率最高，可高达G数量级甚至更高，而且适合于双向传输语音、数据和视频综合业务，是将来接入网的发展趋势，目前采用最多的复用技术有时分复用、波分复用、频分复用和码分复用等。3、混合接入技术混合光纤同轴网接入技术将光纤的高速与现有同轴网结合，可利用现有的同轴网迅速提供高达1G速率的宽带业务，既保护了以前的投资，又可发挥光纤网的宽带优势。4、无线接入技术无线接入技术是目前通信行业中最活跃的领域之一。移动无线接入网如，移动电话网、无绳电话网、集群电话网和卫星移动通信网已经得到广泛应用，固定无线接入网如，微波一点多址、蜂窝区移动接入的固定应用、无线用户环和卫星VSAT网。由于近年来IP网络固定接入业务（如电子邮件、WEB、IP电话、电子商务等）的快速发展和手机移动通信的超高速发展，IP网络和手机移动通信的结合成了新的热点。手机移动通信的移动性、灵活性和方便性与IP网络的大信息量、大覆盖面的结合，成为人们梦寐以求的个人移动通信的发展方向。网络结构层次化IP网络可以有多种组网方式，各种组网方式各有其优点。然而多种网络结构共存必然是多标准共存，其结果必然是效率低、互通难、规模小、重复投资和成本高。完全采用统一的标准构建的网络又难免有局限性，不利于网络技术的发展和保护已有的投资。网络结构的层次化将是解决这一问题的有效方法，即将IP网络分为核心骨干网、二级核心骨干网、边缘网络和接入网络。综合以上几个方面的描述，可以看出IP的网络具有承载网高速化、业务多媒体化、接入方式多样化的特点，目前还存在网络传输时延大、网络拥塞易丢包、安全差等缺陷。1135通信网、计算机网（及因特网）、IP网的区别通信网、计算机网（及因特网）、IP网的主要区别我们归纳如表13所示表13通信网、计算机网、IP网的区别网络通信网计算机网（因特网）IP网传输数据方式虚电路数据报虚电路/数据报服务方式面向连接无连接面向连接/无连接有无建链过程有完整的建链、保持、拆链过程无建链过程根据业务的不同，提供不同的服务，部分业务有完整的建链、保持、拆链过程有无寻径过程不需寻径数据报携带目的地址，由寻径协议寻径根据业务需要的不同和网络情况的不同，采用不同的技术和协议，多为建链模式和寻径模式的融合可靠性由ARQ提供可靠性传输机制不保证传输的可靠性传输层采用TCP协议则提供一定的可靠性；传输层选用UDP协议则不提供可靠性根据业务的需要；选择不同的传输通道和不同的传输协议，来保证向有可靠性需求的业务提供可靠性服务服务质量有明确的服务质量体系，如一定的传输时延、误码率、丢包率无明确的服务质量传输时延不确定、在网络效率受影响时支持丢包的合法性有两种服务质量模型（INTSERV和DIFFSERV）通过保留的可选协议（如RSVP/RTP/RTCP等）和一定的新技术（如MPLS技术、软交换技术等）来保证一定程度上服务质量114网络的发展趋势IP网络技术在经历了快速发展之后，已逐渐成熟，其发展的趋势必然是融合传统的电信网络和业务，并最终取而代之。近年来由于计算机的广泛应用和普及，数据业务正在高速发展，全球网络的业务构成在未来10年内将发生根本性的变化，数据业务量将超过电话业务量，最终电信网的主要业务将是数据，网络电话业务将最终变成副业。由于IP网络有着传统电话交换网所无法具备的优势，如无复杂的时分复用结构，有信息才占用网络资源，适应不同速率的业务，效率高、成本低，信令、计费和网管简单，可适应非对称的突发数据业务等，IP网络已经成为数据网络的发展方向。随着网络中数据业务量成为主导后，以IP为基础的电信网将占主导地位。随着IP网络宽带化后带来的时延特性的改善以及QOS和COS技术的采用，IP网络电话已能提供接近传统电话网的服务质量，传统电话网的电话业务在与IP网络电话业务共存一段时间后，将逐渐被IP网络电话取代。承载网高速化、业务多媒体化、接入方式多样化、网络业务的数据化、数据网络IP化已成为网络发展的必然趋势12中国的“三网合一”及INTERNET技术的发展121何为“三网合一”1211何为“三网合一”“三网合一”指的就是上述的电信网、计算机网、广电网的融合。此三种网络在现今的中国都具有很大的规模，而它们所采用的技术却差别很大，各具优势和缺陷。因此在短时间内用一种网络完全替代其它网络是不太可能的。因此“三网合一”事实上指的是三种网络如何保护自己的原有的投资，在可以屏蔽网络拓扑和网络层以下结构的IP协议的基础上，如何逐渐的演变，使自己具有其它网络的优点，逐渐的融合成为一个IP的网络。因此我们对此“三网融合”的定义是三种网络在技术上的互相渗透，在网络层上实现互通，在应用层使用相同的协议（为用户提供方便）。但不管融合的步伐快慢，有一点是肯定的，即传输速度将更快，而它们所能提供的服务将更多更好。1212“三网合一”的意义“三网合一”对中国的从发展中的以农业为主的社会向信息社会的迈进是有重要意义的。如能在一段时间内，完成三网的融合。将给中国的信息产业提供一个能够既保护了原有投资，又可以高速发展的IP的宽带平台。但我们应该认识到三个网络各有其技术特点的和不同的优势，在三网融合中有许多的技术问题、政策问题、利益问题需要解决。仅在技术上就有多协议支持、实时性、安全性等问题需要解决，如多协议支持就有多协议标签交换MPLS的技术方案，安全性上也有采用过渡到IPV6的方案，实时性上也有各种补充协议或综合的QOS方案等，但绝大部分还在研究和逐步实现过程中，还有待于进一步实现和大规模推广。122INTERNET技术的发展INTERNET技术的发展给美国带来了巨大的利益，加强了全球信息化的进程，也给我们提供了宝贵的成功经验有远见的政府的支持；有风险的企业参与与投入；联合协作的开放式研究（IETF/RFC）；教育与科研的示范网络为起点；简单实用的技术路线（TCP/IP协议）。美国从INTERNET获取重大经济利益和社会利益的同时，也在很大程度上控制了许多国家的信息基础设施。美国已主导着INTERNET的发展，它们已将对网络理论的研究和网络技术的开发演变成为市场竞争的武器。在1996年以后光纤技术有了很大的进步，DWDM技术的使用使得光纤的容量成指数增长；而此时INTERNET在全球以超出摩尔定律的速度发展，IPV4的地址逐步用完，TCP/IP协议的开放性带来的安全性问题也逐步显现；而IPV6技术不能在INTERNET上直接实现；多媒体的设备逐渐增多，数据量成倍数的增长，网络日益拥塞；如此等等的背景使得各国的网络界方面的科学家和企业界都开始了新一代网络的研究和实现工作，所谓的NGN就指的是此，也就是高速信息网络。高速信息网络的发展方向通信与计算聚合（改变了各自的原有特征的聚合）。高速信息网络体系结构的发展趋势分层结构；分布控制、管理和安全机制。其分层结构是指分为比特路层、服务层、应用层三层。高速信息网络的体系结构比特路层主干网传输技术SDH/SONET，光纤主干网交换技术IPOVERSDH或光纤，吉比特以太交换，支持IPV6。端系统接入技术LAN；ADSL、FTTC、FTTH、HFC服务层（支撑技术）全球统一的地址、域名；安全的系统管理和访问控制BROWSER/SERVER计算模式，支持DATA,VOICE,VIDEO以JAVA为代表的网络编程语言应用层（用户功能）用户用户（立即响应，可适当延迟）用户服务器（立即响应，可适当延迟）IP传输的选择如图18所示图18IP的传输选择1221国际高速信息网络技术研究计划国际高速信息网络技术研究计划有1993年美国政府的“国家信息基础设施NII”1994年西方七国的“全球信息基础设施GII”美国NII组成部分“高性能计算和通信HPCC”NGI和VBNSINTERNET2和ABILENETRANSPAC、APAN、STARTAPCANARIE和CANET31993年9月15日，美国政府发布了一个引起全世界震动的文件，即“国家信息基础结构（NII）行动计划”（NII即NATIONALINFORMATIONINFRASTRUCTURE）可译为国家信息基础设施。人们通常称之为“信息高速公路”。从此明确了高速信息网是国家信息基础结构的一个重要组成部分。1994年9月美国又提出建立全球信息基础结构GII的倡议，建立将各国的NII互联起来，组成世界范围的信息基础结构。西方七国也发表了与北美相对应的GII，且已构成以卫星定ATMSDH/SONETIPOPTICALBISDNIPOVERATMIPOVERSDH/SONETIPOVEROPTICALLONGTERMWINNERSIPATMOPTICALIPSDH/SONETOPTICALIPOPTICALMULTIPLEXING,PROTECTION,ANDMANAGEMENTATEVERYLAYERELIMINATINGLAYERSLOWERSCOSTS位系统为基础的北美和西方七国两大卫星信息体系。与此同时，美国开始了以政府为主、以VBNS网络为基础的NGI计划和以科研教育为主的、以ABILENE网络为基础的INTERNET2计划，加拿大也开始了CANARIE的研究。新一代互联网技术的研究和激烈竞争拉开了序幕。1222NGI美国下一代INTERNET研究计划1996年10月10日美国总统和副总统宣布启动NGI。该交换的主要目的是保证美国的重要利益，保持技术领先，创造更多的就业和市场机会。NGI有三个主要目标先进网络技术的实验研究；下一代网络测试床；革命性的应用。并成立了计算机、信息和通信协调办公室（CCIC）做政府协调工作。若要了解NGI的发展情况可访问的WEB站点有WWWCCICGOVWWWNGIGOVNGI的进展NGI实现计划（1998年2月），NGI概念文章（1997年7月）关于NGI的三个目标，具体内容有1、进网络技术的实验研究网络工程规划和模拟；监视；集成；数据传递；网络管理；动态和自适应的网络服务质量（端到端）服务质量体系结构；允许控制，计费和优先权；可观察和控制的API；DRILLDOWN技术安全用户用安全和公平的方法服务网络资源；优越的网络管理；网络内部的监视；游动/远程访问；公钥基础设施2、下一代网络测试床开发下一代网络测试床，用比现在INTERNET快100倍以上的速度连接至少100个大学和国家研究实验室，以1997年154MBPS计，10个连接点速度达到比现在INTERNET快1000倍，端到端连接速度达到100MBPS1GBPS。NGI目标2包括高性能连接开发广域网结构，用100MBPS速度连接100个广域点下一代网络技术和超高性能连接开发超高速交换和传输技术，用1GBPS速度连接10个以上的局域点主要策略利用现有的网络试验床VBNS,ESNET,NREN协调建立一个高性能的协作网络。评价标准连接点的数量，端到端的性能（支持目标1的研究，支持目标3的应用）3、革命性的应用开发今天INTERNET没有，对国家重要的网络应用健康保健远程医疗、紧急医疗响应支持；教育远程教育、数字图书馆；科学研究能源、地理系统、气象、生物；国家安全高性能全球通信、先进的信息传播；环境监测、预测、警告、响应；政府传递政府服务和信息给公民和企业；突发事件灾难响应、危机管理；设计和制造制造工程；主要策略重点研究基础性应用；分布式计算应用、协同性应用1223INTERNET2INTERNET2是美国UCAID（UNIVERSITYCORPORATIONFORADVANCEDINTERNETDEVELOPMENT）（它有120多个大学会员）的一项研究计划。形成大学试验网，开发下一代INTERNET技术和应用；IPV6，MULTICASTING，QOS以竞争方式得到NGI计划的经费支持NGI是政府计划，INTERNET2是大学合作计划相互补充，相互依靠；INTERNET2和NGI的合作范围NSF支持的VBNSINTERNET2将建立用于地区连接的GIGAPOPINTERNET2的许多网络应用开发由NGI支持促进INTERNET2发展的利益驱动是有大量的内容要通过高容量的带宽（如VIDEO/AUDIO）、实时流的传输、通过不同服务模式提供可靠的内容递交服务等。INTERNET2的应用主要目标是研究、教学、学习的数据提交质量和数量上的管理措施；根据需要提升网络。当然其应用也包含许多的内容，如数字图书馆、三维实验室等。作为INTERNET2计划的基础ABILENE网络，已在1998年4月14日宣布，其最终目标是促进并达到全世界的科研和教育机构。促进其研究及应用、整体促进网络的服务。ABILENE的开发由UCAID为主，QWEST/NORTEL/CISCO公司参与了协作。UCAID的INTERNET2课题是以UCAID的大学校园网络和其本土的IP骨干网为基础完成的。ABILENE的结构是将24GBPSOC48上的GIGAPOPS网络升级为96GBPS（OC192）；用622MBPSOC12或155MBPSOC3互联；用IPOVERSONET技术进行传输；预期大学的GIGAPOPS的几乎所有的成员均会接入此网络。到1999年的一月，ABILENE已提供服务；到1999年十二月，已有65个社会事业机构接入此网络。1224中国INTERNET的现状中国从1994年4月正式与INTERNET连接，到2001年我国上网的计算机数量已达到892万台，上网的用户已有2250万,WWW的站点数达26万个，中文域名有7万多个，我国国际线路的总容量为2799MBPS，连接的国家有美国、加拿大、澳大利亚、英国、德国、法国、日本、韩国等。中国现有的主要网络是中国科学技术计算机网（CSTNET）NCFC（APT），CASNET，CERNETCSTNET信息服务、超级计算中国公用计算机互联网（CHINANET）邮电部主管，依托CHANAPAC、CHANADDN、PSTN，1995年6月完成中国公用计算机互联网（CHINANET）教育部主管，10主结点，完全采用TCP/IP技术，1995年12月完成中国金桥信息网（CHINAGBN）电子部建设、1996年9月完成，政府机关、文教单位、大型企业中国联通互联网（UNINET）中国网通CNCNET由中国科学院、铁道部、上海市政府及广播电影电视总局四家股东联合出资成立的中国网通公司致力于新一代全光纤纯IP高速骨干网络CNCNET的建设中国国际经济贸易互联网（CIETNET）中国移动互联网（CMNET）中国长城互联网（CGWNET）（建设中）到2001年底，我国IP电话出口带宽总量为213M1225中国的高速计算机网络研究计划中国在总结了近代历史血的教训之后，意识到了信息革命对中华民族将是一个挑战与机会并存的机会。在党和政府的支持下，也开展了一系列的高新技术研究，在计算机网络领域有高速计算机网络研究计划国家“九五”、“十五”科技攻关项目国家863高技术研究发展计划（863306，863317）中国高速信息示范网络CAINONET（863300）国家“十五”863高技术研究发展计划中国高速互连网络示范工程CAINET中科院、上海市、广电部、铁道部联合建设中国高速计算机互连试验网络NSFCNET国家自然科学基金会CERNET2000（高速网络）工程面向21世纪中国教育振兴计划现代远程教育工程在相关领域的研究和产业化上也取得一定的成果。13IP网络中需区分的基本概念131OSI七层与TCP/IP协议四层的体系结构1311OSI的七层结构ISOINTERNATIONALORGANIZATIONFORSTANDARDIZATION是一个国际标准化组织。OSIOPENSYSTEMSINTERCONNECTION是指开放系统互连。OSI的七层协议体系结构概念清楚，但复杂而不实用，在各种网络中，各取所需地采用OSI的体系结构。比如在通信网中，ITUT的标准基本上是按照OSI的体系结构定义的，但会话层和表示层在通信设备中基本上是没有的。OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元PDU,PROTOCOLDATAUNIT。而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称传输层数据段（SEGMENT）数据链路层数据帧（FRAME）网络层分组（数据报）（PACKET）物理层比特（BIT）OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制信息。这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封”。但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。第1层OSI物理层PHYSICAL。实现在物理媒体上透明地传送原始比特流；定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。数据终端设备DTE和数据通信设备DCEDTE用于处理用户数据的设备。如计算机、路由器。DCE用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式。如MODEM。第2层OSI数据链路层DATALINK。在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无错的线路。数据链路层的功能在物理连接基础上建立、维护和释放数据链路（逻辑通道），检测传输错误（校验和加确认机制），广播网络需控制对共享信道的访问所关心的问题包括物理地址、网络拓扑；组帧把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的确认帧；定界与同步产生/识别帧边界；差错恢复采用重传（ARQ）的方法；流量控制收发双方传输速率的匹配。第3层网络层NETWORK。在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。其功能和服务最佳路由选择和数据包中转；流量控制和拥塞控制；差错检测与恢复；流量统计和记账；网络层的功能确定分组如何从源主机路由到目的主机，解决寻径问题和拥塞控制问题。第4层传输层（TRANSMISSION）。传输层的功能隔离上三层和下三层，屏蔽连网细节，提供端到端的无错信道。解决多路复用与多路合用问题以及流控问题。第5层会话层。会话层的功能管理对话控制，提供往数据流中插入检查点功能。第6层表示层。表示层的功能关心所传输信息的语法和语义，屏蔽不同体系结构计算机在数据表示上的差异。第7层应用层。应用层的功能对应用进程进行抽象，只保留应用进程中与进程间交互有关的部分。图19OSI七层协议模型1312TCP/IP的四层结构TCP/IP的网络接口层对应于OSI的最下两层。主机用某种协议与网络连接，以便通过网络传递IP分组。接口类型；设备驱动程序，如LAN的接口（网卡驱动程序）；自身包含网络协议的复杂子系统，如X25、ATM等；TCP/IP的网络层对应于OSI的网络层。它能有效地解决异种网络互连问。屏蔽异种网络，有全网统一标识（IP地址标识所有主机和路由器）；设计思想高效、简洁；提供不可靠的无连接服务，“尽力传递”；假设物理信道的传输质量可以保障，由传输层纠错；典型协议网际协议IP。TCP/IP的传输层对应于OSI的传输层。解决多路复用问题用端口（PORT）典型协议传输控制协议TCP协议提供可靠性、面向连接的服务、面向字节流的传输，有流量控制，把应用层提供的字节流划分成块传输。物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层分组帧位流TPDUSPDUPPDUAPDU应用协议表示协议会话协议传输协议网络协议数据链路协议物理协议端到端点到点用户数据报协议UDP协议提供不可靠、无连接的服务、面向数据报的传输，无流量控制。TCP/IP的应用层对应于OSI的最高三层。典型协议远程登录协议TELNET文件传输协议FTP简单邮件传输协议SMTP超文本传输协议HTTP简单网络管理协议SNMP域名服务DNS。图112TCP/IP协议的分层模型图113网间网的层次结构由图可知我们将应用层发到传输层的数据称为报文，将传输层发到网络层的数据称为分组数据，将网络层传到网络接口层的称为数据报，将物理通道上传送的比特流称为物理帧。网络接口层NETWORKINTERFACE互联网层INTERNET传输层TRANSPORT应用层APPLICATION端到端传输TCPTRANSMISSIONCONTROLPROTOCOLUDPUSERDATAGRAMPROTOCOL点到点尽力传递IPINTERNETPROTOCOLIPTCPUDPTELNET，FTP，SMTP，DNS，SNMP，HTTPHDLC，PPP，LAN，FDDI，X25，FR，ATMAPPLICATIONTRANSPORTNETWORKDATALINKPHYSICAL应用层应用层传输层传输层网络层网络层网络接口层网络接口层相同报文相同分组相同数据报物理网络相同物理帧图114TCP/IP网络体系结构从TCP/IP协议广泛应用之后，出于为用户提供相同的服务界面和向不同的网络提供相同的IP数据报传输的需要，出现了两大分界线。部分著名的应用层协议和传输层、网络层协议做入操作系统内部，使应用者和设计者可根据需要和图115TCP/IP模型的重要分界线专门的接口调用（此即软件分界线）。而不同的网络在数据经过网络接口时则可以通过地址映射来完成传输（此即地址分界线）。关于此两大分界线见图115所示。1313OSI七层与TCP/IP四层的对应关系要了解OSI七层与TCP/IP四层的关系，我们先观察其模型的对比。其对比模型见图116硬件网络接口层IP层传输层应用层软件分界线地址分界线应用软件系统软件（操作系统内部）使用IP地址使用物理地址物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层网络接口层互联网层传输层应用层图116TCP/IP与ISO/OSI的模型对比从此对比中可以发现它们的相似之处是层的功能划分相似。而关键差别则是ISO/OSI是从概念模型到协议实现；而TCP/IP则是从协议实现到概念描述。它们在连接类型的差别可见表14。表14OSI与TCP/IP在连接类型上的比较OSI模型的缺点1、在TCP/IP协议出现商机之后提出，其发展空间受限制；2、表示层和会话层没有实现，数据链路层和网络层出现新的子层；3、其效率低下，低层过分强调可靠性，忽略了高效的无连接服务；4、一些功能特性无法确定层次归属；5、概念模型由通信专家制定不适合计算机和软件工作方式。TCP/IP模型的缺点1、没有明确区分规范与实现；2、不具备通用性；3、网络接口层只定义网络层与数据链路层的接口，而非层的概念；4、不区分数据链路层和物理层；5、许多应用协议软件有缺陷，却很难替换由此可以认为ISO/OSI概念模型好，协议实现不好；而TCP/IP协议实现好，模型不好。所以在IP网络中我们通常用的是一个综合的模型见图117图117综合模型用此综合模型我们可以讨论在广域网中IP数据报的传输，IP数据报SDH/SONET/PPP/HDLC/X25/FR/ATM上的传输模型可如图118所描述。物理层数据链路层网络层传输层应用层图118IP数据报在广域网的传输技术比较132IP网络中需区分的相关概念现在各种各样描述TCP/IP协议和网络的书及IT产品的生产商的资料，使得很多概念非常模糊，造成模糊的原因很多，有的公司出于商业利益的需要，甚至是有意混淆视听。在近几年大量的企业新技术培训中，我们发现有些概念的模糊已影响了很多IT产业人员对新技术的理解，在此就一些相关的概念做些解释。1321路由器与网关、集线器与网桥集线器与网桥均是指第二层的产品，也即其只有物理层和数据链路层（在TCP/IP模型中，就只有网络接口层）。但集线器的端口连接的对象是数据终端（DTE），而网桥所连接的对象是网络（局域网LAN）。集线器常称为HUB，HUB又分成中继式和交换式，由于交换式HUB的端口具有中止以太网冲突域的能力，所以应认为交换式的HUB实质上就是网桥。但市场上还有一种混叠式的HUB，其部分端口是中继式的，而部分端口则是交换式的，此应注意区分。通常中继式的端口的功能是将网络做大，它可以连接不同标准的网络物理标准（比如以太网的10BASET和10BASET4）而交换式的端口则可以起到隔离网络和连接不同速度的网络的作用（比如10BASET网络与100BASET网络的互连）。IPTCPUDPX25ORFRPPP/HDLCATMPHYSICALSDH/SONETROUTERPHYSICALPHYSICALPHYSICALDATALINKDATALINKATMNETWORKAALSNMP/DNS/TELENT/POP3/SMNT/FTP/TFTP/HTTP等路由器与网关通常指的是第三层的产品，也即指其有物理层、数据链路层和网络层。路由器从物理层收到一个比特流，拆包取出链路层的帧，再拆包取出网络层的IP数据报，查路由表得到下一跳的端口号和IP地址，再逐层打包成比特流送到物理通道上转发。网关具有上述路由器的功能之外，还应具有路径收敛和协议转换的能力。所谓的路径收敛指的是网关不仅要求查路由表找一条转发路径还需要运用算法或协议使路径快速收敛，找一条最佳的路径；而协议的转换则是指后面所提的与TCP/IP协议对等的三个对等协议之间具有互相转换的能力。由此可知网关应是比路由器更高的产品，但此定义随着技术的发展也不是绝对的。比如在吉比特以太的路由器中，由于支持多媒体通信的需要，应用了一系列的传输层的保留协议和应用层的协议，如资源预分配协议（RSVP）、实时流传输协议RTP和实时流传输控制协议（RTCP）、简单网络管理协议（SNMP）等，在路由器中应用了这样一些传输层和应用层的协议，在一定程度上可以说也打破了传统的通信设备只做下三层的理念。1322三个对等协议由于互联网的普及，TCP/IP协议被广泛的认同，实际上具有与TCP/IP协议类似功能的协议还有在欧洲广泛应用的APPLETALK协议和NETWARE公司的IPX/SPX协议。我们通常将TCP/IP、IPX/SPX、APPLETALK称为三个对等的协议。随着TCP/IP协议的开放性以及“黑客”的泛滥，使得TCP/IP协议的安全性问题在IPV4下日益严重，其它的两个对等协议也倍受关注，IPV6技术在IPV4网络中的应用和对等协议之间的互相转换也成为研究的课题和解决方案。1323因特网与IP网络中的三类地址及三类地址间的关系在因特网和IP网络中有三类地址，它们分别是应用层的地址（比如域名地址NJUPTEDUCN）、网络层的IP地址（比如IPV4下的32比特的IP地址202119227221）、数据链路层的地址（通常也称为MAC地址或物理地址）（比如以太网的48比特的以太