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《计算机网络:自顶向下方法(原书第6版)》一1.7 计算机网络和因特网的历史

简介:

本节书摘来华章计算机《计算机网络:自顶向下方法(原书第6版)》一书中的第1章 ,第1.7节,(美)James F.Kurose Keith W.Ross 著 陈 鸣 译 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.7 计算机网络和因特网的历史

1.1节到1.6节概述了计算机网络和因特网的技术。你现在应当有足够的知识来给家人和朋友留下深刻印象了。然而,如果你真的想在下次鸡尾酒会上一鸣惊人,你应当在你的演讲中点缀上一些有关因特网引人入胜的历史轶闻[Segaller 1998]。

1.7.1 分组交换的发展:1961~1972

计算机网络和今天因特网领域的开端可以回溯到20世纪60年代的早期,那时电话网是世界上占统治地位的通信网络。1.3节讲过,电话网使用电路交换将信息从发送方传输到接收方,这种适当的选择使得语音以一种恒定的速率在发送方和接收方之间传输。随着20世纪60年代早期计算机的重要性越来越大,以及分时计算机的出现,考虑如何将计算机连接在一起,并使它们能够被地理上分布的用户所共享的问题,也许就成了一件自然的事。这些用户所产生的流量很可能具有“突发性”,即活动的间断性,例如向远程计算机发送一个命令,接着由于在等待应答或在对接收到的响应进行思考而有静止的时间段。
全世界有3个研究组首先发明了分组交换,以作为电路交换的一种有效的、健壮的替代技术。这3个研究组互不知道其他人的工作[Leiner 1998]。有关分组交换技术的首次公开发表出自Leonard Kleinrock[Kleinrock 1961,Kleinrock 1964],那时他是麻省理工学院(MIT)的一名研究生。Kleinrock使用排队论,完美地体现了使用分组交换方法处理突发性流量源的有效性。1964年,兰德公司的Paul Baran[Baran 1964]已经开始研究分组交换的应用,即在军用网络上传输安全语音,同时在英国的国家物理实验室(NPL),Donald Davies和Roger Scantlebury也在研究分组交换技术。
MIT、兰德和NPL的工作奠定了今天的因特网的基础。但是因特网也经历了很长的“边构建边示范(let’s-build-it-and-demonstrate-it)”的历史,这可追溯到20世纪60年代早期。J.C.R.Licklider[DEC 1990]和Lawrence Roberts都是Kleinrock在MIT的同事,他们转而去领导美国高级研究计划署(Advanced Research Projects Agency,ARPA)的计算机科学计划。Roberts公布了一个号称ARPAnet[Roberts 1967]的总体计划,它是第一个分组交换计算机网络,是今天的公共因特网的直接祖先。在1969年的劳动节,第一台分组交换机在Kleinrock的监管下安装在UCLA(美国加州大学洛杉矶分校),其他3台分组交换机不久后安装在斯坦福研究所(Stanford Research Institute,SRI)、美国加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)和犹他大学(University of Utah)(参见图1-26)。羽翼未丰的因特网祖先到1969年年底有了4个结点。Kleinrock回忆说,该网络的最先应用是从UCLA到SRI执行远程注册,但却导致了该系统的崩溃[Kleinrock 2004]。

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到了1972年,ARPAnet已经成长为约15个结点,由Robert Kahn首次对它进行了公众演示。在ARPAnet端系统之间的第一台主机到主机协议称为网络控制协议(NCP),就是此时完成的[RFC 001]。随着端到端协议的可供使用,这时能够写应用程序了。在1972年,Ray Tomlinson编写了第一个电子邮件程序。

1.7.2 专用网络和网络互联:1972~1980

最初的ARPAnet是一个单一的、封闭的网络。为了与ARPAnet的一台主机通信,一台主机必须与另一台ARPAnet IMP实际相连。从20世纪70年代早期和中期,除ARPAnet之外的其他分组交换网络问世:ALOHAnet是一个微波网络,它将夏威夷岛上的大学[Abramson 1970],以及DARPA的分组卫星[RFC 829]和分组无线电网 [Kahn 1987]连接到一起;Telenet是BBN的商用分组交换网,基于ARPAnet技术;由Louis Pouzin领衔的Cyclades是一个法国的分组交换网[Think 2012];如Tymnet和GE信息服务网这样的分时网络,以及20世纪60年代后期和70年代初期的类似网络[Schwartz 1977];IBM的SNA(1996~1974),它与ARPAnet并行工作[Schwartz 1977]。
网络的数目开始增加。时至今日人们看到,研制将网络连接到一起的体系结构的时机已经成熟。互联网络的先驱性工作(得到了美国国防部高级研究计划署(DARPA)的支持)由Vinton Cerf和Robert Kahn [Cerf 1974]完成,本质上就是创建一个网络的网络;术语网络互联(internetting)就是用来描述该项工作的。
这些体系结构的原则被具体表达在TCP协议中。然而,TCP的早期版本与今天的TCP差异很大。TCP的早期版本与数据可靠的顺序传递相结合,经过具有转发功能(今天该功能由IP执行)的端系统的重传(仍是今天的TCP的一部分)。TCP的早期实验以及认识到对诸如分组语音这样的应用程序——一个不可靠、非流控制的端到端传递服务的重要性,导致IP从TCP中分离出来,并研制了UDP协议。我们今天看到的3个重要的因特网协议——TCP、UDP和IP,到20世纪70年代末在概念上已经完成。
除了DARPA的因特网相关研究外,许多其他重要的网络活动也在进行中。在夏威夷,Norman Abramson正在研制ALOHAnet,这是一个基于分组的无线电网络,它使在夏威夷岛上的多个远程站点互相通信。ALOHA协议[Abramson 1970]是第一个多路访问协议,允许地理上分布的用户共享单一的广播通信媒体(一个无线电频率)。Metcalfe和Boggs基于Abramson的多路访问协议,研制了基于有线的共享广播网络的以太网协议[Metcalfe 1976]。令人感兴趣的是,Metcalfe和Boggs的以太网协议是由连接多台PC、打印机和共享磁盘在一起的需求所激励的[Perkins 1994]。在PC革命和网络爆炸的25年之前,Metcalfe和Boggs就奠定了今天PC LAN的基础。

1.7.3 网络的激增:1980~1990

到了20世纪70年代末,大约200台主机与ARPAnet相连。到了20世纪80年代,连到公共因特网的主机数量达到100000台。20世纪80年代是联网主机数量急剧增长的时期。
这种增长导致了几个创建计算机网络将大学连接到一起的显著成果。BITNET为位于美国东北部的几个大学之间提供了电子邮件和文件传输。建立了CSNET(计算机科学网),以将还没有接入ARPAnet的大学研究人员连接在一起。1986年,建立了NSFNET,为NSF资助的超级计算中心提供接入。NSFNET最初具有56kbps的主干速率,到了20世纪80年代末,它的主干运行速率是1.5Mbps,并成为连接区域网络的基本主干。
在ARPAnet界中,许多今天的因特网体系结构的最终部分逐渐变得清晰起来。1983年1月1日见证了TCP/IP作为ARPAnet的新的标准主机协议的正式部署,替代了NCP协议。从NCP到TCP/IP的迁移[RFC 801]是一个标志性事件,所有主机被要求在那天转移到TCP/IP上去。在20世纪80年代后期,TCP进行了重要扩展,以实现基于主机的拥塞控制[Jacobson 1988]。还研制出了DNS(域名系统),用于把人可读的因特网名字(例如gaia.cs.umass.edu)映射到它的32比特IP地址[RFC 1034]。
在20世纪80年代初期,在ARPAnet(这绝大多数是美国努力的成果)发展的同时,法国启动了Minitel项目,这个雄心勃勃的计划是让数据网络进入每个家庭。在法国政府的支持下,Minitel系统由公共分组交换网络(基于X.25协议集)、Minitel服务器和具有内置低速调制解调器的廉价终端组成。Minitel于1984年取得了巨大的成功,当时法国政府向每个需要的住户免费分发一个Minitel终端。Minitel站点包括免费站点(如电话目录站点),以及一些专用站点。这些专用站点根据每个用户的使用来收取费用。在20世纪90年代中期的鼎盛时期,Minitel提供了20000多种服务,涵盖从家庭银行到特殊研究数据库的广泛范围。Minitel在大量法国家庭中存在了10年后,大多数美国人才听说因特网。

1.7.4 因特网爆炸:20世纪90年代

20世纪90年代出现了许多标志因特网持续革命和很快到来的商业化的事件。作为因特网祖先的ARPAnet已不复存在。1991年,NSFNET解除了对NSFNET用于商业目的的限制。NSFNET自身于1995年退役,这时因特网主干流量则由商业因特网服务提供商负责承载。
然而,20世纪90年代的主要事件是万维网(World Wide Web)应用程序的出现,它将因特网带入世界上数以百万计的家庭和企业中。Web作为一个平台,也引入和配置了数百个新的应用程序,其中包括搜索(如谷歌和Bing)、因特网商务(如亚马逊和eBay)和社交网络(如脸谱),对这些应用程序我们今天已经习以为常了。
Web是由Tim Berners-Lee于1989~1991年期间在CERN发明的[Berners-Lee 1989],最初的想法源于20世纪40年代Vannevar Bush [Bush 1945]和20世纪60年代以来Ted Nelson[Xanadu 2007]在超文本方面的早期工作。Berners-Lee和他的同事研制了HTML、HTTP、Web服务器和浏览器的初始版本,这是Web的4个关键部分。到了1993年末前后,大约有200台Web服务器在运行,而这些只是正在出现的Web服务器的冰山一角。就在这个时候,几个研究人员研制了具有GUI接口的Web浏览器,其中的Marc Andreessen和Jim Clark一起创办了Mosaic Communications公司,该公司就是后来的Netscape通信公司[Cusmano 1998;Quittner 1998]。到了1995年,大学生们每天都在使用Netscape浏览器在Web上冲浪。大约在这段时间,大大小小的公司都开始运行Web服务器,并在Web上处理商务。1996年,微软公司开始开发浏览器,这导致了Netscape和微软之间的浏览器之战,并以微软公司在几年后获胜而告终[Cusumano 1998]。
20世纪90年代的后5年是因特网飞速增长和变革的时期,伴随着主流公司和数以千计的后起之秀创造因特网产品和服务。到了2000年末,因特网已经支持数百流行的应用程序,包括以下4种备受欢迎的应用程序:

  • 电子邮件,包括附件和Web可访问的电子邮件。
  • Web,包括Web浏览和因特网商务。
  • 即时讯息(instant messaging),具有联系人列表。
  • MP3的对等(peer-to-peer)文件共享,由Napster所领衔。

值得一提的是,前两个应用程序出自专业研究机构,而后两个却由一些年轻创业者所发明。
1995~2001年,这段时间也是因特网在金融市场上急转突变的时期。在成为有利可图的公司之前,数以百计的新兴因特网公司靠首次公开募股(IPO)并在股票市场上交易起家。许多公司身价数十亿美元,却没有任何主要的收入渠道。因特网的股票在2000~2001年崩盘,导致许多创业公司倒闭。不过,也有许多公司成为因特网世界的大赢家,包括微软、思科、雅虎、e-Bay、谷歌和亚马逊。

1.7.5 最新发展

计算机网络中的变革继续以急促的步伐前进。所有的前沿研究正在取得进展,包括部署更快的路由器和在接入网和网络主干中提供更高的传输速率。但下列进展值得特别关注:

  • 自2000年开始,我们见证了家庭宽带因特网接入的积极发展——不仅有电缆调制解调器和DSL,而且有光纤到户,这些在1.2节中讨论过。这种高速因特网为丰富的视频应用创造了条件,包括用户生成的视频的分发(例如YouTube),电影和电视节目流的点播(例如Netflix)和多人视频会议(例如Skype)。
  • 高速(54Mbps及更高)公共WiFi网络和经过3G和4G蜂窝电话网的中速(高达几Mbps)因特网接入越来越普及,不仅使在运动中保持持续连接成为可能,也产生了新型特定位置服务。2011年,与因特网连接的无线设备的数量超过了有线设备的数量。高速无线接入为手持计算机(iPhone、安卓手机、iPad等)的迅速出现提供了舞台,这些手持计算机具有对因特网持续不断和无拘束接入的优点。
  • 诸如脸谱和推特(Twitter)这样的在线社交网络已经在因特网之上构建了巨大的人际网络。许多因特网用户今天主要“活在”脸谱中。通过他们的API,在线社交网络为新的联网应用和分布式游戏创建了平台。
  • 如在1.3.3节中所讨论的,在线服务提供商如谷歌和微软已经部署了自己的广泛的专用网络。该专用网络不仅将它们分布在全球的数据中心连接在一起,而且通过直接与较低层ISP对等连接,能够尽可能绕过因特网。因此,谷歌几乎可以立即提供搜索结果和电子邮件访问,仿佛它们的数据中心运行在自己的计算机之中一样。
  • 许多因特网商务公司在“云”(如亚马逊的EC2、谷歌的应用引擎、微软的Azure)中运行它们的应用。许多公司和大学也已经将它们的因特网应用(如电子邮件和Web集合)迁移到云中。云公司不仅可以为应用提供可扩展的计算和存储环境,也可为应用提供对其高性能专用网络的隐含访问。

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