互聯(lián)網(wǎng)工作原理

1. 引言 2. 網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu) 3. 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)：示例 4. 路由器 5. 主干網(wǎng) 6. IP地址

7. 域名系統(tǒng) 8. 統(tǒng)一資源定位符（URL） 9. 域名服務(wù)舉例 10. 客戶機(jī)和服務(wù)器 11. 端口

引言

互聯(lián)網(wǎng)最主要的特點(diǎn)之一是它不被任何人真正擁有。它是全世界大大小小網(wǎng)絡(luò)的總和。這些網(wǎng)絡(luò)以各種不同的方式連接在一起，組成了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的實(shí)體，即我們所知的互聯(lián)網(wǎng)。其實(shí)互聯(lián)網(wǎng)這一名稱也正是來(lái)自于互相連接的網(wǎng)絡(luò)這一想法。

自1969年誕生以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從四個(gè)主機(jī)系統(tǒng)發(fā)展成為數(shù)千萬(wàn)個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管互聯(lián)網(wǎng)不為任何實(shí)體所擁有，但仍然可以使用各種不同的方式對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。成立于1992年的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)是一個(gè)非盈利性的組織，它負(fù)責(zé)監(jiān)督互聯(lián)網(wǎng)政策和協(xié)議的制定，而這些政策和協(xié)議將決定我們?nèi)绾问褂没ヂ?lián)網(wǎng)以及與互聯(lián)網(wǎng)交互。

通過(guò)這篇文章您將了解互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。此外，還將了解域名服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和主干網(wǎng)等方面的知識(shí)。不過(guò)，您首先要了解一下你的計(jì)算機(jī)是如何連接到其他計(jì)算機(jī)的。

網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)

每臺(tái)接入互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)都屬于某個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即使是您家中的計(jì)算機(jī)也不例外。例如，您可以使用調(diào)制解調(diào)器撥號(hào)連接到一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(ISP)的網(wǎng)絡(luò)上。工作中，您可能屬于某個(gè)局域網(wǎng)(LAN)，但很可能仍通過(guò)與你公司簽訂合同的ISP連接到互聯(lián)網(wǎng)上。當(dāng)您連接到ISP時(shí)就成為他們網(wǎng)絡(luò)的一部分了。這個(gè)ISP可以再連接到更大的網(wǎng)絡(luò)并成為更大網(wǎng)絡(luò)的一部分。互聯(lián)網(wǎng)就是這樣由網(wǎng)絡(luò)連成的網(wǎng)絡(luò)。

多數(shù)大型通信公司都擁有自己的專用主干網(wǎng)。主干網(wǎng)將各地區(qū)連接起來(lái)，并在每個(gè)地區(qū)設(shè)置一個(gè)入網(wǎng)點(diǎn)(POP)。本地用戶往往使用本地電話或?qū)＞€經(jīng)由POP接入該公司的網(wǎng)絡(luò)。但是兩人驚奇的是，實(shí)際上并不存在一個(gè)總控網(wǎng)絡(luò)。幾個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（NAP）互相連接的。

當(dāng)您連接到互聯(lián)網(wǎng)以后，您的電腦就變成了某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一部分。

網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)：示例

舉一個(gè)例子。假設(shè)A公司是一個(gè)大型ISP，它在各主要城市設(shè)有POP。每個(gè)城市的POP就是供本ISP的客戶撥入的滿滿一架子調(diào)制解調(diào)器。A公司從電話公司租用光纖線纜連接所有的POP。

假設(shè)B公司是一家面向企業(yè)的ISP。它在各主要城市建造大樓放置其他公司的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。而B(niǎo)公司很大，它則使用自己的光纜將所有的建筑物連接在一起。

按照這樣的規(guī)劃，A公司的所有客戶可以相互通信，B公司的所有客戶也可以相互通信，但是分屬兩個(gè)公司的客戶卻無(wú)法相互溝通。于是A、B兩個(gè)公司都同意接入各城市的NAP，這樣跨公司的網(wǎng)際通信就將經(jīng)過(guò)各NAP完成。

在真實(shí)的互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)十家大型互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商在不同城市通過(guò)NAP相互連接，萬(wàn)億字節(jié)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)這些NAP在不同網(wǎng)絡(luò)間傳輸。互聯(lián)網(wǎng)就是約定使用NAP互相通信的各大網(wǎng)絡(luò)公司的網(wǎng)絡(luò)的集合。這樣，互聯(lián)網(wǎng)上的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以與其他的任何一臺(tái)相連接。

路由器

所有這些網(wǎng)絡(luò)都依靠NAP、主干網(wǎng)和路由器相互交流。不可思議的是：一條消息可以從一臺(tái)計(jì)算機(jī)出發(fā)穿越半個(gè)地球且途徑幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，而整個(gè)過(guò)程用時(shí)不到一秒！

兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通信時(shí)，路由器決定信息的流向。路由器是一種專用的計(jì)算機(jī)，它會(huì)將您和所有其他互聯(lián)網(wǎng)用戶的信息沿著成千上萬(wàn)條路徑高速傳送到目的地。路由器完成兩個(gè)獨(dú)立但相關(guān)的工作：

• 確保信息不會(huì)發(fā)送到不需要的地方。這對(duì)于防止大量數(shù)據(jù)堵塞他人連接是至關(guān)重要的，否則其他連接將成為“毫不相干的旁觀者”。
• 確保信息發(fā)送到預(yù)定的目的地。

正是基于對(duì)上述兩個(gè)功能的執(zhí)行，路由器非常適用于處理互聯(lián)的兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。路由器可以將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，為它們傳遞信息。它還保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，避免一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信息意外泄露到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。不管一個(gè)路由器上連接了多少個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它的基本運(yùn)行原理和功能是不變的。由于互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的較小網(wǎng)絡(luò)組成的龐大網(wǎng)絡(luò)，所以路由器的使用是必不可少的。有關(guān)更多信息，請(qǐng)閱讀路由器工作原理。

主干網(wǎng)

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF) 于1987年建成了第一個(gè)高速主干網(wǎng)NSFNET。它使用T1線路連接了170個(gè)較小的網(wǎng)絡(luò)，傳輸速度為1.544Mbps（百萬(wàn)比特每秒）。IBM、MCI及Merit公司與NSF合作建成了這個(gè)主干網(wǎng)，第二年又開(kāi)發(fā)出了T3 (45 Mbps)主干網(wǎng)。

主干網(wǎng)一般使用光纖干線。這種干線由多條光纜綁合而成以增加容量。光纜按OC（optical carrier，光載體）標(biāo)號(hào)，如OC-3、OC-12、OC-48等。一條OC-3光纜的傳輸速度可達(dá)155 Mbps，而OC-48則為2,488 Mbps (2.488 Gbps)。普通56K調(diào)制解調(diào)器的傳輸速度僅為56,000 bps，比較一下就可知現(xiàn)代主干網(wǎng)的速度有多么快。

今天，許多公司都在經(jīng)營(yíng)自己的高容量主干網(wǎng)，而所有這些主干網(wǎng)在世界各地的NAP都能互聯(lián)。通過(guò)這種方式，互聯(lián)網(wǎng)上的任何人，無(wú)論他身在地球何處或使用哪家公司的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，都可以和其他人交流。整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)可看作是各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司為實(shí)現(xiàn)自由互通而遵守的一個(gè)規(guī)模龐大且不斷延伸的約定。

IP地址

每一臺(tái)連接到互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)碼，稱為IP地址。IP意為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol），是計(jì)算機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)上通信使用的語(yǔ)言。協(xié)議是想要使用某一服務(wù)的某一方與該服務(wù)之間進(jìn)行通信的一種預(yù)定義方式。“某一方”可能是一個(gè)人，但在更多的情況下，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，例如Web瀏覽器。

典型的IP地址如下所示：

為方便人們記憶，IP地址通常寫(xiě)成上面那樣的點(diǎn)分十進(jìn)制形式。但計(jì)算機(jī)間的通信則是二進(jìn)制形式的。下面是以二進(jìn)制形式表示的同一個(gè)IP地址：

IP地址中的四個(gè)數(shù)字稱為八位字節(jié)，因?yàn)橐远M(jìn)制表示時(shí)它們都占八位。二進(jìn)制IP地址的總位數(shù)是32，因此IP地址一般被看做是一個(gè)32位的數(shù)字。八個(gè)位置中的每一個(gè)可以有兩種不同狀態(tài)（1或0），所以每個(gè)八位字節(jié)可能的組合總數(shù)是28或256，因此其數(shù)值范圍是0至255。四個(gè)八位字節(jié)組合的結(jié)果就是232或4,294,967,296個(gè)可能的數(shù)值！

在這些將近43億個(gè)可能的地址組合中，某些值被限制不能作為普通IP地址使用。例如，IP地址0.0.0.0被保留用于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，地址255.255.255.255被保留用于廣播。

八位字節(jié)的用途不僅僅是分隔數(shù)字。它們還用于創(chuàng)建IP地址類，這些類可以根據(jù)特定企業(yè)、政府部門(mén)或其他實(shí)體的規(guī)模和需要進(jìn)行分配。四個(gè)八位字節(jié)被劃分為兩個(gè)部分，分別標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)。網(wǎng)絡(luò)部分總是包含第一個(gè)八位字節(jié)，它用于標(biāo)識(shí)計(jì)算機(jī)所屬的網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)（有時(shí)也稱為節(jié)點(diǎn)）部分用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際存在的計(jì)算機(jī)。主機(jī)部分總是包含最后一個(gè)八位字節(jié)。共有五種IP地址類以及一些特殊地址。您可以從什么是IP地址一文中了解到更多關(guān)于IP地址類的知識(shí)。

域名系統(tǒng)

當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)還處于初創(chuàng)階段時(shí)，它只包含少量由調(diào)制解調(diào)器和電話線連接起來(lái)的計(jì)算機(jī)。要連接到其他計(jì)算機(jī)必須提供其IP地址。例如，典型IP地址可以是216.27.22.162。這在只有寥寥數(shù)臺(tái)主機(jī)的情形下沒(méi)什么問(wèn)題，但隨著越來(lái)越多的系統(tǒng)加入網(wǎng)絡(luò)，這種辦法就開(kāi)始顯得十分笨拙。

這個(gè)問(wèn)題的第一種解決方案是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的文本文件記錄下名字到IP地址的映射，這個(gè)文件由網(wǎng)絡(luò)信息中心負(fù)責(zé)維護(hù)。不久這個(gè)文本文件也變得十分龐大，管理起來(lái)過(guò)于繁瑣。1983年，美國(guó)威斯康星大學(xué)創(chuàng)立的域名系統(tǒng)（DNS）可以自動(dòng)完成名字與IP地址的映射。這樣您就只需要記住如www.bowenwang.com.cn這樣的名字，而不是bowenwang.com.cn的IP地址了。

統(tǒng)一資源定位符（URL）

您瀏覽網(wǎng)頁(yè)或發(fā)送電子郵件時(shí)都要用到域名。例如，統(tǒng)一資源定位符（URL）http://www.bowenwang.com.cn和電子郵件地址example@bowenwang.com.cn都包含了bowenwang.com.cn這個(gè)域名。每次使用域名的時(shí)候，互聯(lián)網(wǎng)域名服務(wù)器就會(huì)將供人閱讀的域名翻譯為機(jī)器可讀的IP地址。請(qǐng)參閱域名服務(wù)器工作原理一文進(jìn)一步了解DNS。

頂級(jí)域名也稱第一級(jí)域名，包括.COM、.ORG、.NET、.EDU和.GOV。每個(gè)頂級(jí)域名下都有一個(gè)龐大的二級(jí)域名列表。例如，.COM一級(jí)域名下包含：

• bowenwang
• Yahoo
• Microsoft

.COM頂級(jí)域名下的所有名字必須是唯一的。最左邊的字（如www）是主機(jī)的名字，它指明了域中的一臺(tái)具體機(jī)器（有特定的IP地址）的名稱。給定的域可以包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)主機(jī)名，只要這些主機(jī)名在該域中都是唯一的。

域名服務(wù)器接受來(lái)自程序和其他名稱服務(wù)器的請(qǐng)求，將域名轉(zhuǎn)換為IP地址。一個(gè)請(qǐng)求到來(lái)以后，域名服務(wù)器可以有四種反應(yīng)：

1. 用一個(gè)IP地址應(yīng)答請(qǐng)求，因?yàn)橛蛎?wù)器已知被請(qǐng)求域名的IP地址。
2. 連接到另外一臺(tái)域名服務(wù)器并試圖查詢被請(qǐng)求域名的IP地址。它可能需要多次執(zhí)行此操作。
3. 回答：“我不知道您請(qǐng)求域名的IP地址，但這里是一個(gè)比我知道得多的域名服務(wù)器的IP地址。”
4. 返回一條錯(cuò)誤消息，因?yàn)楸徽?qǐng)求的域名是無(wú)效或不存在的。

域名服務(wù)舉例

假設(shè)您在瀏覽器中鍵入了一個(gè)URL地址：http://www.bowenwang.com.cn。瀏覽器就會(huì)向某個(gè)域名服務(wù)器查詢此URL的IP地址。一個(gè)域名服務(wù)器總是連接到根域名服務(wù)器之一，來(lái)開(kāi)始IP 地址的查詢。根服務(wù)器知道所有負(fù)責(zé)頂級(jí)域名（.COM、.NET、.ORG等等）的服務(wù)器的IP地址。于是您的第一個(gè)域名服務(wù)器向根服務(wù)器請(qǐng)求http://www.bowenwang.com.cn的地址，根服務(wù)器回答：“我不知道www.bowenwang.com.cn的IP地址，但這里是.COM域名服務(wù)器的IP地址。”

然后第一個(gè)域名服務(wù)器向.COM域名服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求詢問(wèn)http://www.bowenwang.com.cn的IP地址。此.COM域名服務(wù)器知道負(fù)責(zé)www.bowenwang.com.cn的那些域名服務(wù)器的IP地址，并將它們返回。

接著第一個(gè)域名服務(wù)器連接到一個(gè)負(fù)責(zé)www.bowenwang.com.cn的域名服務(wù)器并詢問(wèn)www.bowenwang.com.cn的IP地址。此服務(wù)器知道所查地址，故將其返回給第一個(gè)域名服務(wù)器，然后第一個(gè)域名服務(wù)器又將該地址返回給瀏覽器。至此，瀏覽器就可以使用這個(gè)地址連接www.bowenwang.com.cn獲取網(wǎng)頁(yè)了。

完成此工作的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是冗余。每一級(jí)都需要安排多臺(tái)域名服務(wù)器，如果一臺(tái)失敗了，還有其他的繼續(xù)處理請(qǐng)求。另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是緩存。某個(gè)請(qǐng)求一經(jīng)解決，域名服務(wù)器就會(huì)將得到的IP地址緩存起來(lái)。只要它曾向根服務(wù)器查詢過(guò)任何.COM域名，就會(huì)知道負(fù)責(zé).COM的域名服務(wù)器的IP地址，因此它不需要再次麻煩根服務(wù)器請(qǐng)求同樣的信息。域名服務(wù)器可以對(duì)每個(gè)請(qǐng)求都做這樣的處理。緩存技術(shù)可以幫助減少負(fù)載，使系統(tǒng)不致癱瘓。

盡管完全不見(jiàn)它們的蹤影，域名服務(wù)器每天都要處理數(shù)十億條的請(qǐng)求，它們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)是不可或缺的。域名服務(wù)器長(zhǎng)年累月無(wú)聲無(wú)息的順暢運(yùn)行，正證明了這種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的良好設(shè)計(jì)。有關(guān)域名系統(tǒng)的更多信息，請(qǐng)務(wù)必閱讀域名服務(wù)器工作原理一文。

客戶機(jī)和服務(wù)器

正是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器成就了互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)上的所有機(jī)器不是服務(wù)器就是客戶機(jī)。為其他機(jī)器提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)是服務(wù)器，而連接到服務(wù)器上獲取服務(wù)的計(jì)算機(jī)稱為客戶機(jī)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、電子郵件服務(wù)器、FTP服務(wù)器等等都在為全世界的互聯(lián)網(wǎng)用戶服務(wù)。

當(dāng)您連接到http://www.bowenwang.com.cn/閱讀網(wǎng)頁(yè)時(shí)，您就成為了一個(gè)客戶機(jī)的用戶。當(dāng)您正在訪問(wèn)博聞網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器找到被請(qǐng)求的頁(yè)面并發(fā)送給您。訪問(wèn)服務(wù)器的客戶機(jī)都有確定的意圖，它們將自己的請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器上正在運(yùn)行的特定服務(wù)軟件。例如，若您正在運(yùn)行一個(gè)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，那么它會(huì)和服務(wù)器上的Web服務(wù)程序交談，而不是電子郵件服務(wù)程序。

服務(wù)器具有靜態(tài)IP地址，不會(huì)經(jīng)常變化。而通過(guò)調(diào)制解調(diào)器撥號(hào)上網(wǎng)的家用計(jì)算機(jī)則一般由ISP在您每次撥入的時(shí)候自動(dòng)分配IP地址。在聯(lián)機(jī)期間這個(gè)IP地址是唯一的，但下次撥入的時(shí)候則可能會(huì)改變。這樣，ISP只需為每個(gè)撥入的調(diào)制解調(diào)器分配一個(gè)IP地址，而不是為每一個(gè)客戶分配。

端口

所有服務(wù)器都使用具有編號(hào)的端口來(lái)提供服務(wù)，每個(gè)服務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)編號(hào)。例如某服務(wù)器正在運(yùn)行一個(gè)Web服務(wù)和一個(gè)文件傳輸（FTP）服務(wù)。Web服務(wù)一般使用80端口，F(xiàn)TP服務(wù)使用21端口。客戶機(jī)只有連接到特定的IP地址和特定的端口號(hào)才能獲得相應(yīng)的服務(wù)。

客戶機(jī)與某個(gè)端口的服務(wù)程序連接以后，會(huì)使用一個(gè)特定協(xié)議獲得服務(wù)。協(xié)議往往是文本，它描述客戶機(jī)和服務(wù)器將如何進(jìn)行對(duì)話。互聯(lián)網(wǎng)上的所有Web服務(wù)器都遵守超文本傳輸協(xié)議（HTTP）。您可以通過(guò)閱讀Web服務(wù)器工作原理了解更多關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、端口和協(xié)議的知識(shí)。

網(wǎng)絡(luò)、路由器、NAP、ISP、DNS和功能強(qiáng)大的服務(wù)器一起使互聯(lián)網(wǎng)成為了現(xiàn)實(shí)。當(dāng)您知道信息在幾毫秒的時(shí)間里就能傳遍全世界時(shí)，就會(huì)感到這是多么神奇！前面介紹的互聯(lián)網(wǎng)的各部分對(duì)于現(xiàn)代生活是極為重要的，沒(méi)有它們就沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)。而沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)，我們很多人的生活就會(huì)完全不一樣了。