TCP_IP协议的由来与发展

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1、TCPΠIP 协议的由来与发展 姚金江1 , 欣2 李 (1. 临沂师范学院 数学系 ,山东 临沂 276005 ;2. 临沂农业学校 网管中心 ,山东 临沂 276003) 摘 要 :介绍了 TCPΠIP 协议的产生与发展历程 ,以及对互联网的推动作用. 关键词 : TCPΠIP 协议 ; IP 地址 ; 子网掩码 ; 域名系统 (DNS) . 中图分类号 : 文献标识码 :A 文章编号 :1009 - 6051 (2001) 04 - 0124 - 03 现在互联网已经遍布全球 ,而支撑这一庞大网络的协议应首推 TCPΠIP 协议 ,本文简单阐述 TCPΠIP

2、 协议的产生及该协议的一些基本知识 ,使读者能够对 TCPΠIP 协议有一个大概的了解. 在冷战时期 ,美国出于军备竞赛的需要投入大量的资金研制出了“阿帕网”(APPANET) . 该网络的主 导思想就是“资源共享的电脑网络”,因为在此之前美国军队中的通讯网络是由中央控制的 ,如果敌人将 中央控制系统破坏 ,那么美国军队在战场上将失去指挥 ,国家安全将受到威胁 ,所以美国国防部高级计 划署研制出一种新型的网络拓扑结构“分布式网络”拓扑结构. 这种网络结构优点是安全 ,不会出现“占 线”问题 . 而 APPANET 采用的就是这种结构 ,这种结构的出现 ,使数据交换的方式也随之改变 ,一种新的

3、 数据交换方式“包切换”出现了. 它不是一次把所有的数据全部发送出去 ,而是把发送的数据分割成大小 一定的数据块 ,然后再分别打包发送 ,这样就可以保证网络的传输速度和数据的可靠.“包切换”应用到 APPANET 上 ,需要在网络中的每台主机上都配备一台处理网络通讯的设备 ,美国国防部高级计划署提 出了研制网络通讯的关键设备 ———包切换装置的课题 ,1969 年 BBN 公司开发出了“接口信号处理机”, 也就是我们现在所说的“路由器”. 不久 BBN 公司分别给加州大学洛杉矶分校 、斯坦福研究院 ( SRI) 、加 州大学桑塔芭芭拉分校和盐湖城犹他学院 (UTAH) 的电脑分别联上了接口

4、信号处理机 . 这样 ,到了 1969 年底 ,按照国防计划署的计划 ,由 4 个节点构成的 APPANET 正式投入运行 . 这 4 个节点已经具备了今天 互联网的最基本的功能. 大家可以通过它进行各种实验和研究 ,相互合作 ,共同探讨 ,跨越了地域的限 制 ,这不能不说是互联网发展史上的一个里程碑. ARPANET 最早应用于美国军方 ,但是出现了这样一个问题 : 美国陆军 、空军 、海军使用的电脑都不 一样. 在这种情况下 ,要想用 ARPANET 将各军种的电脑连起来 ,并使他们内部系统中各台电脑都运行正 常 ,能够相互通讯并共享资源 ,是非常困难的 . 这个问题不解决 ,ARPA

5、NET 的研究将毫无意义. 这里就涉 及到一个协议的问题 “, 协议”一词来源于人类各个集团为了自身的利益而进行各种谈判 ,最后双方或多 方达成共识 ,签定“协议”. 现在 ,在不同的电脑之间也需要谈判 ,共同遵守某种“协议”,只有这样两台不 同的电脑之间才可以通讯 . 1970 年 12 月 ,由 S. 克罗克领导的网络工作小组 (NWG) 着手制定最初的主机对主机的通信协议 ,这 个协议的主要功能是用各种电脑都认可的信号来打开通信管道 ,数据通过后还要关闭通道 . 这个协议被 称作“网络控制协议”(NCP) . 但是这个协议只是一个局部通讯协议 ,并不能彻底解决不同类型的电脑的 互联问

6、题. 因此 ,必须设计出一种新的网络通信协议 ,使之能够完成不同类型的电脑的互联 . 1973 年春天 ,卡恩和文顿·瑟夫共同研究这个协议的各个细节 ,后来这个协议成为了今天互联网的 共同的标准. 即现在仍在互联网中使用的 TCPΠIP 协议 , TCP 叫网络间控制协议 , IP 叫网络间协议. 在刚 开始的时候 ,文顿. 瑟夫只设计了一个 TCP 协议 ,有趣的是 ,这个协议的最初原型是文顿 . 瑟夫在旧金山 一 家宾馆的大堂里等人的时候 ,写在一张信纸的背面的. 1973 年 ,在苏塞克斯大学召开了“网际网络工 收稿日期 :2001202220 作者简介 :姚金江 (1963

7、 — ) ,男 ,山东沂水人 ,临沂师范学院副教授. 姚金江等 : TCPΠIP 协议的由来与发展 125 第 4 期 作小组”( INWG) 特别会议 ,在会上文顿. 瑟夫和卡恩提交了第一份关于 TCP 协议的草稿. 同年 12 月 ,文 顿 . 瑟夫和卡恩关于第一份 TCP 协议的详细说明作为“互联网实验报告”正式发表. 此时的 ARPANET 已 经连接了 40 个节点 ,一共 45 个网站 ,英国和挪威也通过低速电缆连到了 ARPANET 上 . 两人当时提交的报告中 ,只有一个“传输控制协议”( TCP) ,它负责在互联网上传输和转发信包 。卡 恩认为可以通

8、过“传输控制协议”直接在 ARPANET 上传送信包 . 但是在后来一些特殊的实验中证明 ,使 用这种协议有时丢失信包的情况并没有得到纠正 . 因此 ,他们认识到应该建立两个不同的协议 ,一个是 “传输控制协议”( TCP) ,另一个是“网络间协议”( IP) ,这时才提出了真正的 TCPΠIP 协议. TCP 协议和 IP 协议分别完成不同的任务. TCP 协议是用来检测网络传输中的差错 ,我们知道网络 中的通信量是随机的 ,时大时小 ,当通信量过大时 ,信号就无法传到目的地了 . 这时 , TCP 协议可以检测 出传输中的误差 ,发出信号 ,要求传送数据包的主机重新发送有差错的数据包

9、,直到所有数据都安全到 达目的地. IP 协议是互联网中各台主机联络的标准 ,网络中的每一台电脑都有自己的网络地址 ,否则别 的电脑就找不着它. IP 协议主要的任务是给互联网中的每一台电脑规定了一个地址 ,这样 ,互联网中的 其它电脑才能找到它 ,对它进行访问 ,我们把根据 IP 协议确定的网络地址称为“IP 地址”. 在当今的互联网管理中 , IP 地址的管理十分严格 ,因为它决定了互联网中能连入的计算机的数量 , 如果给某个部门的 IP 地址不当的话 ,将会造成 IP 地址的极大浪费 ,对互联网的发展极为不利 . 当初设 计 IP 地址的人可能已经预见到 ARPANET 将会不仅仅局限

10、在美国 ,它将会成为连接世界的网络 ,所以 IP 地址被设计成 32 位 ,大致分为 A 类 、B 类 、C 类 3 种地址 ,分别适合不同的网络规模. 但是 ,当今互联网 发展速度十分迅猛 ,连入网络的计算机越来越多 , IP 地址将被瓜分殆尽 ,所以 ,新的 IP 地址方案又已经 出台 ,据说新的 IP 地址有 128 位 ,此方案一旦实施 ,全世界的电脑就都可以连入互联网了 . TCPΠIP 协议是靠自己的 IP 地址来识别在网上的位置和身份的 , IP 地址由“网络 ID”和“节点 ID”( 或 称 HOST ID ,主机地址) 两部分组成. 一个完整的 IP 地址用 32 位 (

11、 bit) 二进制数组成 ,每 8 位 (1 个字节) 为 一个段 ( Segment) ,共 4 段 ( Segment1 —Segment4) ,段与段之间用“. ”号隔开 . 为了便于应用 , IP 地址在实际 使用时并不直接用二进制 ,而是用大家熟悉的十进制数表示 ,如 192 . 168 . 0 . 1 等 . IP 地址的完整组成 : “网络 ID”和“节点 ID”都包含在 32 位二进制数中. 如上面提到的 ,目前 , IP 地址主要分为 A 、B 、C 三类 (除此之外 ,还存在 D 和 E 两类地址 ,现在局域网中这两类地址基本不用 ,故本文暂且不涉及) ,A 类用 于大型

12、网络 ,B 类用于中型网络 , C 类一般用于局域网等小型网络中. 其中 ,A 类地址中的最前面一段 Segment1 用来表示“网络 ID”,且 Segment1 的 8 位二进制数中的第一位必须是“0”. 其余 3 段表示“节点 ID”;B 类地址中 ,前两段用来表示“网络 ID”,且 Segment1 的 8 位二进制数中的前二位必须是“10”. 后两 段用来表示“节点 ID”;在 C 类地址中 ,前三段表示“网络 ID”,且 Segment1 的 8 位二进制数中的前三位必 须是“110”. 最后一段 Segment4 用来表示“节点 ID”. 如何更合理地使用和分配“网络 ID”

13、和“节点 ID”,这就需要子网掩码. 对 IP 地址的解释称之为子网 掩码. 从名称可以看出 ,子网掩码是用于对于网的管理 ,主要是在多网段环境中对 IP 地址中的“网络 ID” 进行扩展. 举个例子来说明 :某个节点的 IP 地址为 192 . 168 . 0 . 1 . 它是一个 C 类网. 其中前面三段共 24 位用来表示“网络 ID”,是非常珍贵的资源 ,而最后一段共 8 位可以作为“节点 ID”自由分配. 但是 ,如果 公司的局域网是分段管理的 ,或者该网络是由多个局域网互联而成 ,是否要给每个网段或每个局域网都 申请分配一个“网络 ID”呢 ? 这显然是不合理的. 此时 ,我们可

14、以使用子网掩码的功能 ,将其中一个或几 个节点的 IP 地址全部充当成“网络 ID”来使用 ,用来克服“网络 ID”不足的困难. 当我们将某一节点的 IP 地址如 192 . 168 . 0 . 1 已设置成一个“网络 ID”时 ,网络上的其它设备又怎样知道它是一个“网络 ID”,而不 是一个节点 IP 地址呢 ? 这就要靠子网掩码来告知. 子网掩码是这样做的 , 如果某一位的二进制数是 “1”,它就知道是“网络 ID”的一部分 :如果是“0”便认作是“节点 ID”的一部分. 如将 192 . 168 . 0 . 1 当作“网 络 ID”时 , 其子网掩码就是 11111111 . 1111

15、1111 . 11111111 . 00000001 ,对应的十进制数表示 为 255 . 255 . 255 . 1 . 否则它的子网掩码就是 11111111 . 11111111 . 11111111 . 00000000 ,对应的十进制数表示应为 255 . 255 . 255 . 0 . 有了子网掩码 ,便可方便地实现用户跨网段或跨网络操作. 不过 ,为了让子网掩码能够正常 工作 ,同一子网中的所有设备都必须支持子网掩码 ,且子网掩码相同. 126 临 沂 师 范 学 院 学 报 第 23 卷 1974 年 5 月 ,ARPANET 由美国国防高级研究计划署转

16、交给国防通讯处 (DCA) ,也就是现在的国防 信息系统处 (DISA) ,正式运行起来 . 当时 ,在国防计划署的计划中 ,ARPANET 只是其中的一部分 ,该计划 要建立 3 种不同的网络 :ARPANET、无线电信包网 、卫星信包网. 最后 ,将这 3 个网连接起来 . 经过一段时间的独立运行 ,3 个网络的技术和规模发展相对成熟 ,当时 ARPANET 上已经有 100 多 台电脑在运行了. 就在 1977 年 ,国防计划署组织了一次 3 个网络之间的互联实验 ,考验 TCPΠIP 协议的时 候到了. 信包首先通过点对点的卫星网络跨越了大西洋到达挪威 ,又从挪威经过陆地电缆到达

17、伦敦 ,然 后再通过大西洋信包卫星网络 ( SATNET) ,经过 SCPC 系统 ,分别由埃及 、西弗吉尼亚 、贡希利 、塔努姆和 瑞士的地面站再传送回美国. 全程 9 . 4 万英里 ,比单纯在 ARPANET 上的 800 英里要长得多 , TCPΠIP 协议 在这次实验中出尽风头 ,让所有参加实验的科学家大吃一惊 . 在如此长距离的传送中 ,信包竟然没有丢 失一个数据位 ,保证了数据的可靠性 ,证明了 TCPΠIP 协议的成功. 由此 ,它的发明人之一文顿·瑟夫被誉 为“互联网之父”. 的确 ,如果没有 TCPΠIP 协议 ,就没有今天蓬勃发展的互联网. 但是 ,随着互联网的不断发

18、展 ,特别是普通人也能进入互联网时 ,面对众多的网站 ,他们不能像记电 话号码一样记住网站的 IP 地址 ,而且也记不过来. 为了方便普通人进入互联网 ,就必须完善 TCPΠIP 协 议 ,使大家可以很方便地访问互联网上的计算机 ,而不需记住复杂的 IP 地址. 也就是说我们给电脑起一 个名字 ,它也能够在网络中唯一标识一台计算机 ,这样我们就可以不必记住复杂的 IP 地址了 ,只需敲入 电脑的名字就可以找到它并与它交换信息 ,这样的转换系统被称为“域名系统”(DNS) . 它是由 USCΠISI 的保罗. 莫卡佩特里斯发明的 ,它是一种转换系统 ,能够将由字符组成的地址转换成数字式的 IP

19、 地址. 反之 ,也可以将 IP 地址转换成对应的字符地址. 域名系统一般由不同的部分组成 ,每个部分代表一级域 名 ,各级域名之间用“. ”隔开 ,最右边的域名叫顶级域名 ,如 : COM 、NET、ORG 等等. 我们可以在浏览器的 地址栏输入域名地址 ,也可以输入 IP 地址 ,两个地址是完全等效的. 1983 年 1 月 1 日 ,成为互联网发展过程的一个“纪念日”. 因为 ,从这一天起 ,ARPANET 永久性地停 止使用“网络控制协议”(NCP) . 从此以后 ,在互联网上所有的计算机都运行同一种协议 TCPΠIP. 参考文献 : 1 DOUGLASE. COMER.

20、 用 TCPΠIP 进行网际互连 (第 1 卷) M . 北京 : 电子工业出版社 ,2000. 47 —98. 2 韩希义 ,刘立军 . 计算机网络基础与技术 M . 西安 :西安交通大学出版社 ,2000. 104 —128. 用 TCPΠIP 进行网际互连 ( 第 3 卷) M . 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 1998. 86 — 3 KOUGLASE. COMER ,DAVIDL . STEVENS. 122. 4 W. Richard Stevens. TCP ΠIP 详解 (卷 Ⅰ) M . 北京 : 机械工业出版社 ,2000.

21、 114 —168. 5 刘江. 局域网络 M . 北京 : 中国电力出版社 ,2000. 125 —188. The Origins and Development of TCPΠIP Protocols YAO J in2jiang1 , L I Xin2 (1. Department of Mathematics ,Linyi Teachers’College ,Linyi Shandong 276005 ,China ; 2. Network Management Centre of Linyi Agricultural School ,Linyi Shandong 276003 ,China) Abstract : The article is about the invention and development of the TCPΠIP protocol ,and their promotion to Internet . Key words : TCPΠIP Protocol ; IP Address ; Subnetwork Subcode ; Domain Name System(DNS) 责任编辑 袁兆岭