Internet的基础设施

李晓明、李继灿
1998年 第23期 07版

　　李继灿：晓明，在前几期《电脑报》上咱们聊过“中美电脑教育纵横谈”（详见本报第20期8版），这一次，请你跟读者们就Internet作一个比较全面深入的介绍吧。
　　李晓明：Internet，已有了二十多年历史，指的是从70年代中期开始，从美国发起，后逐渐在各国科教单位推开的一个最大的全球性计算机网络。尽管年头不短了，但原来远没有现在这么大的“名气”。人们现在谈起Internet，脑海里呈现的主要是1994年后的Internet。1994、1995这两年，对于Internet好比物理过程的相变点，信息极大丰富的积累和World Wide Web（WWW）关键技术的出现相互碰撞，促成了Internet的一次质的飞跃——从科教界一下子弥漫到了整个社会。World Wide Web简称为Web，译为万维网，最初是作为一种“客户/服务器”方式的应用层软件，设计运行在Internet之上，提供超文本（Hypertext）信息服务的。由于其卓越的特性：客户端生动便捷的超媒体（Hypermedia）界面，加上通过URL（Uniform Resource Locator——统一资源定位器）使若干种原来独立的网络服务在浏览器中得到统一，“万维网”也几乎成了“现代Internet”的同义词。
　　●Internet的基本硬件设施是各种各样的线路。
　　●我们可以从物理和逻辑两个层面理解“线路”，以太网是逻辑上的线路概念。
　　李继灿：为全面了解Internet技术，我们不妨先从“基础设施”谈起吧!
　　李晓明：基础设施指的是Internet赖以运行的基本硬件环境和最具有公用意义的支撑软件。这里，“最具有公用意义的”是一个模糊的概念，即大多数网络服务都要用到的底层软件，例如TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——传输控制协议/网间协议，是Internet的最基本通讯协议）。各种各样的线路、交换机和路由设备、服务器和客户机等有“物理质量”的对象构成了Internet的硬件环境。Internet首先是由它们形成的一个物理网络。
　　李继灿：这么说来，Internet的“基础设施”，既包括基本硬件环境，也包括支持在多数网络服务的一些底层软件。它的基本硬件环境又包括哪些东西呢?
　　李晓明：首先是各种各样的线路。我们知道，携带Internet信息的介质是五花八门的。想象一幢典型的房屋，在人类文明发展的过程中，逐渐与外界发生联系的情形吧。先是有了路，从一处能够达到另一处；然后是有了电力线，将光明带给了家家户户；后又有了电话线，使得人们不见面也能聊天；还有看不见的无线电波，加上有线电视线路、自来水管、煤气管道等，它们都是文明进步的标志，是人类生活质量提高的象征。与Internet的连接，也许是本世纪末和下世纪初，人类生活方式将要发生的最深刻的变化和进步。
　　李继灿：那么，目前，这种连通Internet的特定线路的具体情况到底如何呢?
　　李晓明：可以从两个方面谈论“线路”，物理的和逻辑的。从物理上看，线路有非屏蔽的双绞线（UTP）、同轴电缆、光缆和无线电波等不同的传输介质。同一类物理线路还可能有不同的等级，以实现不同的频率要求。从逻辑上看，线路上携带的信号都是遵从某种协议标准的。不同的物理线路有可能实现同一种逻辑线路（例如以太网可由双绞线或同轴电缆实现）；同一种物理线路也可能携带不同的逻辑信号（例如双绞线可以既用于10兆位以太网，也可以用于100兆位以太网）。通常人们讲各种各样的网络，说这个是以太网，那个是ATM（异步传输模式网）等，指是的相应的协议、逻辑的概念。
　　●调制解调器是转换数字和模拟信号的“桥头堡”
　　●ISDN又名“一线通”
　　李继灿：还是回到“线路”的话题上来吧。你先谈谈电话线路的利用。
　　李晓明：就目前的技术、社会和市场发展的水平看，利用现有的电话线路（或者说由电话通讯部门管理的线路）是网络信息传送的最主要方式。经过多年的积累，电话线路已经深入到了家家户户。这种基础设施的规模及其适用性，是其他线路尚不能比拟的。
　　李继灿：电话线是通过调制解调器（Modem）来连通用户电脑与Internet的，那么，能否解释一下它的作用和指标呢。
　　李晓明：众所周知，电话系统是设计来携带音频模拟信号的。而来源于计算机的数据是数字的。为了利用电话线路（严格讲应该是电话系统基础设施）来携带数字信号，从计算机出来的数字信息就要被首先转换成符合电话系统设计条件的模拟信号，这种模拟信号然后经过电话交换机等各种中介设备，最后接进某户人家的电话线上。电话线上的这种模拟信号必须反过来被转换成相应的数字信息，才能够被计算机接收。完成这种信号转换的设备称为“调制解调器”。从性能指标上看，有14.4Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps、56Kbps。目前，为了满足用户上网浏览的传输速率要求，建议选用28.8Kbps以上的调制解调器。
　　李继灿：ISDN是Integrated Services Digital Network——集成服务数字网络线路的缩写，我们也称之为“综合业务数字网”。你能进一步解释一下吗?
　　李晓明：ISDN是一种始发于电话通信部门的技术，现在欧洲用得比较普遍，其基本思想是数字化电话系统网络，使之能以一种统一的基本方式支持多媒体数据的传送。它的指标是56－64Kbps（1BCH）、128Kbps（2BCH）、1.5Mbps（PRI），人们可以向电话公司申请ISDN接入，这并不意味着电话公司要派人到你家来，铺设一根从你家到公司的特别线路。很可能，电话公司要做的只是改一改已经通过你家的普通电话线的连接关系；在你家这头接上ISDN电话（比普通电话贵得多），在交换机那边也做相应的改动。
　　●交换机起的是个“扳道岔”的作用
　　●路由器的作用是将不同的网络联系起来
　　李继灿：在介绍完“线路”之后，你是否给大家再谈谈有关各种中介设备（例如交换机和路由设备）的情况。
　　李晓明：正如路总是要交汇才能形成“路网”一样，上述那些线路也要“交汇”才能成网。路的交汇处是十字路口、丁字路口；网络线的交汇处则是某种“交换设备”（Switch）。可以从另一角度来看这种情形：想象一个小虫子沿着连结到一台计算机上的网络线向前爬，在这条线结束的那一端，它一定遇到的是某种交换机。交换设备将连接到某一个端口上的网络线上的信息，引导到另一个端口的网络线上，起一个“扳道岔”的作用。
　　李继灿：网络之间具体是由什么来连接的呢?
　　李晓明：网络之间的连接是通过“路由设备”即路由器（Router）来完成的。它将从一个网络来的信息转发给另一个网络。路由器的物理体现是跨接在多个网络之间的一种特殊的计算机。连接到一个路由器的网络可以是同类型，也可以是不同类型的（例如一边是以太网，另一边是令牌网），只要它们在网络层都贯彻所谓IP协议。可以这么认为，在IP意义下，没有“网之网”，只有一个“网”。因此，Internet就是一个计算机网。
　　●服务器一词有多重含义，我们常说的服务器是指能运行网络服务软件的计算机系统
　　●客户机在物理表现形式上是多样的，比如PC，再比如NC
　　李继灿：除了上面所讲的“线路”和“中介设备”之外，基础设施的最后一部分重要硬件设备就是各种终端设备了吧。
　　李晓明：是的。终端设备包括服务器和客户机两个组成部分，它们“挂接在”前述那种网络上。它们使我们直接感受到Internet的存在和有用性。在我们这里，“服务器”指的是运行有提供某种网络服务软件的计算机系统；“客户机”指的是能够获取网络服务的系统。人们通过客户机可以享受遥远的（也可以是附近的）服务器经由网络提供的服务。有时，这些计算机系统分别是专用的，但很多时候是“二合一”的。例如我办公室的那一台Pentium/166，就同时扮演着服务器和客户机两种角色，在它上面同时运行有服务和客户两种软件。
　　李继灿：“服务器”和“客户机”现在在一些书籍或资料中常常有不同的含义或多种形式，你能否进一步解释一下?
　　李晓明：的确，“服务器”一词经常有其他含义。有时指提供某种服务的软件，另外一些时候指特别适合运行网络服务软件的硬件系统。什么叫“特别适合”?除了内存容量、硬盘容量较大、速度较快外，还有一些特殊要求的指标，例如可靠性、可用性等。我们常说的服务器是硬件意义上的。
　　如果说“服务器”一词在含义上有多重性外，“客户机”在物理表现形式上也可能是多样的。除普通电脑运行某种客户软件后能成为客户机外，人们还试图和已有的家电（例如电视）结合起来，开发出各种各样的“机顶盒”——利用电视作为获取网络服务的窗口，显示信息。更有甚者，不少人认为普通电脑太复杂，不适合普通百姓使用，而机顶盒太简单，难以担当获取网络全面服务的重任，于是考虑设计专门的设备，在价格、功能、好用性等综合指标上达到“前所未有”。于是，“NC”（网络计算机）、NetPC”（网络PC）、JavaStation（Java站）等相法应运而生。
　　●TCP/IP、DNS、目录服务都是基础软件的范畴
　　●Internet的基础软件的特征是“分布”
　　李继灿：前面你提到，在Internet的基础设施中，除了包括硬件外，还包括软件。那么，有哪些主要的基础软件呢?
　　李晓明：作为一个信息网络，离开计算机软件是不能运行的。服务器中有软件、客户机中有软件，路由器中有软件，交换机中也有软件。在前面提到过，我们界定基础环境中的软件成分为那些操作系统之上（或者已经含在操作系统之中）的对Internet的运行和各种服务的提供最具有公用意义的支撑软件。下面举几个例子。
　　先谈谈TCP/IP，Internet上的信息是以所谓的“信息包”序列的形式从一台电脑发出，经过千山万水到达另一台电脑的。这里我们强调“序列”二字，是因为微观地看（或者说从技术实现上看），一个信息（例如一封电子邮件）通常被划分组成一定大小的信息包序列，从一台电脑依次发往另一台电脑的。Internet运行的基本标志就是保证这种包序列的正确到达，即从接收端来看，不仅收到的每一包是正确的，而且相关包的次序也要是正确的。保证这种基本能力的软件称为TCP/IP。
　　第二个例子是域名服务（Domain Name Service，DNS），Internet上的计算机按“名字”或IP地址来区别（访问），例如我办公室的机器名为arch.cs.pku.edu.cn，其IP地址是162.105.181.215。名字中的“arch”是我给取的，IP地址是所在网络的主管部门给赋予的。名字和地址有一一对应关系，其中IP地址是基本的，为IP协议直接所用。其他网络应用程序访问我这机器，既可用IP地址（lxm@162.105.181.215）也可用上述名字，但要通过某个域名服务器，将其转换成对应的IP地址，供TCP/IP使用。显然，实现域名服务的程序是Internet上最具有公用意义（各种其他服务软件都要用到它）的支撑软件之一，因此我们将其归入基础环境中。
　　第三个例子是目录服务，Internet是一个规模宏大的全球性网络，不难想象在它上面存在有丰富的信息资源和各种各样的服务设施。如何得知什么样的资源和服务存在，从而能有效地利用它们，是一个基本问题。借鉴人们在社会生活中使用电话簿、产品目录等的经验，用一种目录来管理这些资源和服务似乎是一种很自然的考虑。1996年IBM和Microsoft就分别提出了一种“电子名片”的建议，定义标准目录项，包含通常名片上的信息。由于Internet不属于任何国家的机构，且由于其上的内容天天在发生变化，这种目录将是电子的、全球性的、分布式的。它本身就是Internet上的一种基础性资源。那么，创建、管理、访问这种目录的支撑软件就是很有意义的。
　　我认为上述几种软件成分是基础环境中软件的典型代表。它们的共同特征是“分布式”。