互联网是如何运作的?
介绍
互联网是如何运作的？问得好！互联网的发展已经变得爆炸性，似乎无法逃脱在电视上看到、在广播中听到和在杂志上看到的 www.com 的轰炸。由于互联网已成为我们生活的重要组成部分，因此需要充分了解才能最有效地使用这种新工具。
本文介绍 了Internet 正常工作的底层基础结构和技术。
从哪里开始？互联网地址
由于 Internet 是一个全球计算机网络，因此连接到 Internet 的每台计算机都必须具有唯一的地址。Internet 地址的格式为 nnn.nnn.nnn.nnn，其中 nnn 必须是 0 - 255 之间的数字。此地址称为 IP 地址。（IP 代表 Internet 协议;稍后会详细介绍。
下图显示了两台连接到互联网的计算机;您的计算机的 IP 地址为 1.2.3.4，另一台计算机的 IP 地址为 5.6.7.8。互联网被表示为介于两者之间的抽象对象。（随着本文的进展，图 1 的互联网部分将随着互联网细节的公开而多次解释和重绘。
Diagram 1如果通过 Internet 服务提供商 （ISP） 连接到 Internet，则通常会在拨入会话期间为您分配一个临时 IP 地址。如果从局域网 （LAN） 连接到 Internet，则计算机可能具有永久 IP 地址，或者可能从 DHCP（动态主机配置协议）服务器获取临时 IP 地址。在任何情况下，如果您连接到 Internet，您的计算机将具有唯一的 IP 地址。
看看它 - Ping 程序如果您使用的是Microsoft Windows或Unix风格，并且连接到Internet，则有一个方便的程序可以查看Internet上的计算机是否处于活动状态。它被称为ping，可能是在老式潜艇声纳系统发出的声音之后。 1 如果您使用的是 Windows，请启动命令提示符窗口。如果您使用的是 Unix 风格，请转到命令提示符。键入 ping www.yahoo.com。ping 程序将向指定的计算机发送“ping”（实际上是 ICMP（Internet 控制消息协议）回显请求消息）。被 ping 的计算机将以回复进行响应。ping 程序将计算过期时间，直到回复返回（如果返回）。此外，如果您输入域名（即 www.yahoo.com）而不是 IP 地址，ping 将解析域名并显示计算机的 IP 地址。稍后将详细介绍域名和地址解析。
协议栈和数据包
因此，您的计算机已连接到 Internet 并具有唯一的地址。它如何与连接到互联网的其他计算机“对话”？这里应该有一个例子：假设你的 IP 地址是 1.2.3.4，你想向计算机发送一条消息 5.6.7.8。您要发送的消息是“Hello computer 5.6.7.8！”。显然，消息必须通过将计算机连接到 Internet 的任何类型的电线传输。假设您已从家中拨入 ISP，并且消息必须通过电话线传输。因此，消息必须从字母文本转换为电子信号，通过互联网传输，然后翻译回字母文本。这是如何实现的？通过使用协议栈。每台计算机都需要一个在互联网上进行通信，它通常内置在计算机的操作系统（即 Windows、Unix 等）中。由于使用了两种主要的通信协议，因此 Internet 上使用的协议栈称为 TCP/IP 协议栈。TCP/IP 堆栈如下所示：
协议层Comments应用程序协议层特定于 WWW、电子邮件、FTP 等应用程序的协议。传输控制协议层TCP 使用端口号将数据包定向到计算机上的特定应用程序。Internet 协议层IP 使用 IP 地址将数据包定向到特定计算机。硬件层将二进制数据包数据转换为网络信号并返回。 （例如以太网网卡、电话线调制解调器等）如果我们按照消息“Hello computer 5.6.7.8！”从我们的计算机到IP地址为5.6.7.8的计算机的路径，就会发生这样的情况：
Diagram 2该消息将从计算机上协议栈的顶部开始，然后向下工作。如果要发送的消息很长，则消息通过的每个堆栈层都可能将消息分解为更小的数据块。这是因为通过 Internet（和大多数计算机网络）发送的数据是以可管理的块发送的。在 Internet 上，这些数据块称为数据包。数据包将通过应用层并继续到 TCP 层。每个数据包都分配有一个端口号。端口将在后面解释，但足以说明许多程序可能正在使用 TCP/IP 堆栈并发送消息。我们需要知道目标计算机上的哪个程序需要接收消息，因为它将在特定端口上侦听。经过 TCP 层后，数据包进入 IP 层。这是每个数据包接收其目标地址 5.6.7.8 的位置。现在，我们的消息数据包具有端口号和 IP 地址，它们已准备好通过 Internet 发送。硬件层负责将包含消息字母文本的数据包转换为电子信号，并通过电话线传输。在电话线的另一端，您的 ISP 直接连接到 Internet。ISP路由器检查每个数据包中的目标地址，并确定将其发送到何处。通常，数据包的下一站是另一个路由器。稍后将详细介绍路由器和互联网基础设施。最终，数据包到达计算机 5.6.7.8。在这里，数据包从目标计算机的 TCP/IP 堆栈的底部开始，向上工作。当数据包通过堆栈向上移动时，发送计算机的堆栈添加的所有路由数据（如 IP 地址和端口号）都将从数据包中剥离。当数据到达堆栈顶部时，数据包已重新组合成其原始形式，“Hello computer 5.6.7.8！
网络基础设施
因此，现在您知道数据包如何通过 Internet 从一台计算机传输到另一台计算机。但两者之间是什么？互联网究竟是由什么构成的？让我们看另一张图：
Diagram 3在这里，我们看到重新绘制的图 1 具有更多细节。通过电话网络与互联网服务提供商的物理连接可能很容易猜到，但除此之外可能会有一些解释。
ISP 为其拨入客户维护调制解调器池。这由某种形式的计算机（通常是专用计算机）管理，该计算机控制从调制解调器池到主干网或专用线路路由器的数据流。此设置可以称为端口服务器，因为它“提供”对网络的访问。账单和使用情况信息通常也在此处收集。
数据包通过电话网络和 ISP 的本地设备后，它们将路由到 ISP 的骨干网或 ISP 从中购买带宽的骨干网。从这里开始，数据包通常会经过多个路由器和多个主干网、专用线路和其他网络，直到它们找到目的地，即地址为 5.6.7.8 的计算机。但是，如果我们知道我们的数据包在互联网上的确切路线，那不是很好吗？事实证明，有一种方法…
看看它 - Traceroute 程序如果您使用的是Microsoft Windows或Unix风格，并且连接到Internet，那么这是另一个方便的Internet程序。这称为 traceroute，它显示您的数据包到给定 Internet 目标的路径。与 ping 一样，您必须从命令提示符使用 traceroute。在 Windows 中，使用 tracert www.yahoo.com。在 Unix 提示符下，键入 traceroute www.yahoo.com。与 ping 一样，您也可以输入 IP 地址而不是域名。Traceroute 将打印出所有路由器、计算机和任何其他 Internet 实体的列表，您的数据包必须通过这些实体才能到达目的地。如果您使用 traceroute，您会注意到您的数据包必须经过许多东西才能到达目的地。大多数都有很长的名字，例如 sjc2-core1-h2-0-0.atlas.digex.net 和 fddi0-0.br4.SJC.globalcenter.net。这些是决定将数据包发送到何处的 Internet 路由器。图 3 中显示了几个路由器，但只有几个路由器。图 3 旨在显示一个简单的网络结构。互联网要复杂得多。
互联网基础设施
互联网骨干网由许多相互连接的大型网络组成。这些大型网络被称为网络服务提供商或 NSP。一些大型 NSP 是 UUNet、CerfNet、IBM、BBN Planet、SprintNet、PSINet 等。这些网络相互对等以交换数据包流量。每个 NSP 都需要连接到三个网络接入点或 NAP。在 NAP 上，数据包流量可能会从一个 NSP 的主干跳转到另一个 NSP 的主干。NSP 还在城域交易所或 MAE 上互连。MAE与NAP的目的相同，但都是私有的。NAP 是最初的 Internet 互连点。NAP 和 MAE 都称为 Internet 交换点或 IX。NSP 还向较小的网络出售带宽，例如 ISP 和较小的带宽提供商。下面是显示此分层基础结构的图片。
Diagram 4这不是互联网实际部分的真实表示。图 4 仅用于演示 NSP 如何相互连接以及与较小的 ISP 互连。图 4 中没有显示任何物理网络组件，因为它们在图 3 中显示。这是因为单个 NSP 的骨干基础设施本身就是一个复杂的图纸。大多数 NSP 在其网站上发布其网络基础设施的地图，并且很容易找到。由于互联网的规模、复杂性和不断变化的结构，绘制互联网的实际地图几乎是不可能的。
Internet 路由层次结构
那么，数据包是如何在互联网上找到自己的途径的呢？连接到 Internet 的每台计算机是否都知道其他计算机的位置？数据包是否只是简单地“广播”到互联网上的每台计算机？前面两个问题的答案都是否定的。没有计算机知道任何其他计算机的位置，数据包也不会发送到每台计算机。用于将数据包发送到其目的地的信息包含在连接到 Internet 的每个路由器保存的路由表中。
路由器是分组交换机。路由器通常在网络之间连接，以在网络之间路由数据包。每个路由器都知道它的子网以及它们使用的 IP 地址。路由器通常不知道“上面”有哪些 IP 地址。检查下面的图表 5。连接骨干网的黑匣子是路由器。顶部较大的 NSP 主干网在 NAP 上连接。在它们下面有几个子网，在它们下面，还有更多的子网。底部是两个连接了计算机的局域网。
Diagram 5当数据包到达路由器时，路由器会检查始发计算机上 IP 协议层放置的 IP 地址。路由器检查其路由表。如果找到包含 IP 地址的网络，则数据包将发送到该网络。如果未找到包含 IP 地址的网络，则路由器会在默认路由上发送数据包，通常是在主干层次结构上发送到下一个路由器。希望下一个路由器会知道将数据包发送到哪里。如果没有，则数据包将再次向上路由，直到到达 NSP 主干网。连接到NSP骨干网的路由器拥有最大的路由表，在这里，数据包将被路由到正确的骨干网，在那里它将开始通过越来越小的网络“向下”旅行，直到找到目的地。
域名和地址解析
但是，如果您不知道要连接的计算机的 IP 地址怎么办？如果您需要访问称为 www.anothercomputer.com 的 Web 服务器，该怎么办？您的 Web 浏览器如何知道这台计算机位于 Internet 上的哪个位置？所有这些问题的答案都是域名服务或DNS。DNS是一个分布式数据库，用于跟踪Internet上的计算机名称及其相应的IP地址。
许多连接到 Internet 的计算机都托管 DNS 数据库的一部分以及允许其他人访问该数据库的软件。这些计算机称为 DNS 服务器。没有 DNS 服务器包含整个数据库;它们只包含它的一个子集。如果 DNS 服务器不包含另一台计算机请求的域名，则 DNS 服务器会将请求计算机重定向到另一台 DNS 服务器。
Diagram 6域名服务的结构类似于 IP 路由层次结构。请求名称解析的计算机将“向上”重定向到层次结构中，直到找到可以解析请求中的域名的 DNS 服务器。图 6 说明了层次结构的一部分。树的顶部是域根。一些较旧、更常见的域位于顶部附近。没有显示的是世界各地的众多DNS服务器，它们构成了层次结构的其余部分。
设置 Internet 连接时（例如，用于 LAN 或 Windows 中的拨号网络），通常会在安装过程中指定一个主 DNS 服务器和一个或多个辅助 DNS 服务器。这样，任何需要域名解析的 Internet 应用程序都将能够正常运行。例如，当您在 Web 浏览器中输入 Web 地址时，浏览器将首先连接到您的主 DNS 服务器。获取您输入的域名的 IP 地址后，浏览器将连接到目标计算机并请求您想要的网页。
签出 - 在 Windows 中禁用 DNS如果您使用的是 Windows 95/NT 并访问 Internet，则可以查看您的 DNS 服务器，甚至禁用它们。如果使用拨号网络： 打开“拨号网络”窗口（可在 Windows 资源管理器的 CD-ROM 驱动器下和“网络邻居”上方找到）。右键单击 Internet 连接，然后单击属性。在连接属性窗口底部附近，按 TCP/IP 设置…按钮。如果您永久连接到 Internet： 右键单击“网络邻居”，然后单击“属性”。单击“TCP/IP 属性”。选择顶部的“DNS 配置”选项卡。您现在应该查看 DNS 服务器的 IP 地址。在这里，您可以禁用DNS或将DNS服务器设置为0.0.0.0。（首先记下 DNS 服务器的 IP 地址。您可能也必须重新启动 Windows。现在在您的网络浏览器中输入一个地址。浏览器将无法解析域名，您可能会收到一个令人讨厌的对话框，说明找不到 DNS 服务器。但是，如果您输入相应的 IP 地址而不是域名，浏览器将能够检索所需的网页。（在禁用 DNS 之前，使用 ping 获取 IP 地址。其他Microsoft操作系统也类似。
重新审视互联网协议
正如前面关于协议栈的部分所暗示的那样，人们可以推测 Internet 上使用许多协议。这是真的;互联网运行需要许多通信协议。这些协议包括 TCP 和 IP 协议、路由协议、介质访问控制协议、应用程序级协议等。以下各节介绍了 Internet 上一些更重要和常用的协议。首先讨论更高级别的协议，然后讨论较低级别的协议。
应用协议：HTTP 和万维网
互联网上最常用的服务之一是万维网 （WWW）。使 Web 工作的应用程序协议是超文本传输协议或 HTTP。不要将其与超文本标记语言 （HTML） 混淆。HTML 是用于编写网页的语言。HTTP 是 Web 浏览器和 Web 服务器用于通过 Internet 相互通信的协议。它是一种应用程序级协议，因为它位于协议栈中 TCP 层的顶部，并被特定应用程序用于相互通信。在这种情况下，应用程序是 Web 浏览器和 Web 服务器。
HTTP 是一种基于文本的无连接协议。客户端（Web 浏览器）向 Web 服务器发送 Web 元素（如网页和图像）的请求。服务器为请求提供服务后，客户端与服务器之间的连接将断开 Internet。必须为每个请求建立新连接。大多数协议都是面向连接的。这意味着相互通信的两台计算机通过 Internet 保持连接打开。但是，HTTP 没有。在客户端发出 HTTP 请求之前，必须与服务器建立新连接。
当您在 Web 浏览器中键入 URL 时，会发生以下情况：
如果URL包含域名，浏览器首先连接到域名服务器，并检索Web服务器的对应IP地址。Web 浏览器连接到 Web 服务器并发送所需网页的 HTTP 请求（通过协议栈）。Web 服务器接收请求并检查所需的页面。如果页面存在，则 Web 服务器会发送该页面。如果服务器找不到请求的页面，它将发送 HTTP 404 错误消息。（404 的意思是“找不到页面”，任何上网的人都可能知道。Web 浏览器接收回页面并关闭连接。然后，浏览器会解析页面并查找完成网页所需的其他页面元素。这些通常包括图像、小程序等。对于所需的每个元素，浏览器会为每个元素向服务器建立额外的连接和 HTTP 请求。当浏览器完成所有图像、小程序等的加载后，页面将完全加载到浏览器窗口中。
查看 - 使用 Telnet 客户端检索 HTTP 网页Telnet 是 Internet 上使用的远程终端服务。它的使用最近有所下降，但它是研究互联网的一个非常有用的工具。在 Windows 中，找到默认的 telnet 程序。它可能位于名为 telnet.exe 的 Windows 目录中。打开后，下拉“终端”菜单并选择“首选项”。在首选项窗口中，选中 Local Echo。（这样您就可以在键入 HTTP 请求时看到它。现在下拉“连接”菜单，然后选择“远程系统”。输入 www.google.com 作为主机名，输入 80 作为端口。 （默认情况下，Web 服务器通常侦听端口 80。按连接。现在键入 获取 / HTTP/1.0 并按两次 Enter 键。这是对 Web 服务器根页面的简单 HTTP 请求。您应该会看到一个网页一闪而过，然后应该弹出一个对话框，告诉您连接已丢失。如果要保存检索到的页面，请在 Telnet 程序中打开日志记录。然后，您可以浏览网页并查看用于编写该网页的 HTML。大多数 Internet 协议都由称为“征求意见”或 RFC 的 Internet 文档指定。RFC 可以在 Internet 上的多个位置找到。请参阅下面的“参考资料”部分，了解相应的 URL。HTTP 版本 1.0 由 RFC 1945 指定。
应用协议：SMTP 和电子邮件
另一种常用的互联网服务是电子邮件。电子邮件使用称为简单邮件传输协议或 SMTP 的应用程序级协议。SMTP 也是一种基于文本的协议，但与 HTTP 不同，SMTP 是面向连接的。SMTP 也比 HTTP 复杂。SMTP 中的命令和注意事项比 HTTP 中的命令和注意事项多得多。
当您打开邮件客户端阅读电子邮件时，通常会发生以下情况：
邮件客户端（Netscape Mail，Lotus Notes，Microsoft Outlook等）打开与其默认邮件服务器的连接。邮件服务器的 IP 地址或域名通常在安装邮件客户端时设置。邮件服务器将始终发送第一条消息以标识自身。客户端将发送一个 SMTP HELO 命令，服务器将以 250 OK 消息响应该命令。根据客户端是否正在检查邮件、发送邮件等，相应的 SMTP 命令将发送到服务器，服务器将做出相应的响应。此请求/响应事务将继续进行，直到客户端发送 SMTP QUIT 命令。然后服务器将说再见，连接将关闭。
SMTP 客户端和 SMTP 服务器之间的简单“对话”如下所示。R：表示服务器（接收方）发送的消息，S：表示客户端（发送方）发送的消息。此 SMTP 事务取自 RFC 821，它指定了 SMTP。
传输控制协议
在协议栈的应用层下是 TCP 层。当应用程序在 Internet 上打开与另一台计算机的连接时，它们发送的消息（使用特定的应用程序层协议）将向下传递到堆栈到 TCP 层。TCP 负责将应用程序协议路由到目标计算机上的正确应用程序。为此，使用了端口号。端口可以看作是每台计算机上的单独通道。例如，您可以在阅读电子邮件时浏览网页。这是因为这两个应用程序（Web 浏览器和邮件客户端）使用不同的端口号。当数据包到达计算机并在协议栈中向上移动时，TCP 层会根据端口号决定哪个应用程序接收数据包。
TCP 的工作方式如下：
当TCP层从上面接收到应用层协议数据时，它会将其分割成可管理的“块”，然后向每个“块”添加一个包含特定TCP信息的TCP标头。TCP 标头中包含的信息包括需要将数据发送到的应用程序的端口号。当 TCP 层从其下面的 IP 层接收数据包时，TCP 层会从数据包中剥离 TCP 标头数据，必要时进行一些数据重建，然后使用从 TCP 报头获取的端口号将数据发送到正确的应用程序。
这就是 TCP 将通过协议栈移动的数据路由到正确的应用程序的方式。
TCP 不是文本协议。TCP 是一种面向连接的可靠字节流服务。面向连接意味着使用 TCP 的两个应用程序在交换数据之前必须首先建立连接。TCP 是可靠的，因为对于收到的每个数据包，都会向发送方发送确认以确认传递。TCP 在其标头中还包括一个校验和，用于错误检查接收到的数据。TCP 标头如下所示：
Diagram 7