本帖最后由 h68810115 于 2017-10-17 22:38 编辑
2.4 数据通信2.4.1 杀出血路的以太网与TCPIP
TCP/IP
这里的TCP/IP是指的IP技术,是指当前互联网中的IP相关技术的总称。 互联网及TCP/IP是起源于ARPA NET,而ARPA则是美国的高级研究项目局的简称,而高级研究局则是为了应对苏联发射卫星而成立的技术研究机构。ARPANET顾名思义就是ARPA的网络,是在1969年由国防部创建,最初用来验证计算机联网的不同方式,当时它的研究也仅限于军事用途,之后也将部分高校的网络连接进来。
随着研究的进展,已经能够使得国防部内部分部分机构的计算机互联,从最初的4台计算机为起点,连接到网络上面的计算也越来越多。到了1972年,基于TCP/IP的计算机之间的通信就基本完成,并公布。在制定基本协议的同时,各种应用也相应诞生,比如新闻组,电子邮件等,随着应用的丰富,联网的需求也逐渐增多,以太网交换机,域名,路由器等等互联网的关键发明出来,随着欧洲粒子物理研究所提出了一个影响非常巨大的分类互联网信息的协议,真正的互联网也就诞生了了。这个协议,1991年后称为WWW(World Wide Web),基于超文本协议,也就是我们现在经常使用的WWW的来源。
TCP/IP协议主要包括两个主要的协议,即TCP协议和IP协议,通俗的讲,TCP负责发现传输的问题,一有问题就发出信号,要求重新传输,直到所有数据安全正确地传输到目的,而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。在IP层下面还有网络访问层,在TCP上层还有应用层。
1)首先由TCP协议把数据分成若干数据包,给每个数据包写上序号,以便接收端把数据还原成原来的格式。
2)IP协议给每个数据包写上发送主机和接收主机的地址,一旦写上源地址和目的地址,数据包就可以在物理网上传送数据了。IP协议还具有利用路由算法进行路由选择的功能。
3)这些数据包可以通过不同的传输途径(路由)进行传输,由于路径不同,加上其它的原因,可能出现顺序颠倒、数据丢失、数据失真甚至重复的现象。这些问题都由TCP协议来处理,它具有检查和处理错误的功能, 必要时还可以请求发送端重发。
总之,TCP/IP的核心各司其职,但是尽力而为,比如说,接受的包多了,就直接丢弃,发现包丢了,就请求重发。发一个包出去,通常都是要求有应答包,我这个包收到了。
以太网
上面的TCP/IP只是高层的协议,这个协议可以跑在很多局域网标准之上,在这之下,还有的就是以太网的标准胜出,使得以太网+IP技术才组成了当前的网络完整的解决方案。
1973年,在美国的施乐帕洛阿托研究中心(Xerox PARC),以太网创始人鲍勃·梅特卡夫(BobMetcalfe)在他的办公室里绘制了一张关于以太网的草图,并用写了一份描述以太网的备忘录,备忘录中概述了基于Aloha网络协议建立的,能通过同轴电缆连接计算机、打印机和文件的网络——以太网。3年之后的1976年,梅特卡夫和以太网另一个共同发明人大卫·博格斯(David Boggs)共同发表了一篇名为《以太网:局域计算机网络的分布式交换技术》的文章,文章中描述了具有冲突检测的多点数据通信系统,并随后获得了专利。1978年,施乐通过同轴电缆部署了一个实验性的以太网——X-Wire,而建立这个实验网络的主要目的确很简单,将打印机和复印机连接起来。
1979年,梅特卡夫离开施乐,并创办了3COM公司。梅特卡夫对英特尔、DEC(DigitalEquipment Company,美国数字设备公司)和施乐进行游说,希望这三家公司同3COM公司一起将以太网标准化、规范化。并在1980年联合发布了X-wire以太网“DIX标准”,也就是“Digital/Intel/Xerox”标准。1982年,DIX联盟发布了以太网的第二个版本,即EthernetII,在1983年,IEEE以EthernetII标准为基础,发布了第一个正式的官方以太网标准—IEEE802.3。
第一版本的以太网标准使用单根同轴电缆、速度为10Mbps的基带局域网络,最大传输距离不超过500米,最多可以连接100台电脑的收发器,且缆线两端必须接上50欧姆的终端电阻,这就是最早的以太网标准。1985年,IEEE 802.3正式成为国际标准。
但是使用同轴电缆作为传输介质,价格太贵,不易安装。所有的节点连接在同一根总线的物理总线型拓扑,总线上的所有节点共享带宽,总线某处断裂就会使整个网络瘫痪,不便于查找故障,不利于结构化布线等。
在此基础上,网络天才们提出了在非屏蔽双绞线(UTP)电话电缆上运行以太网的想法,后通过各种方法证实在非屏蔽双绞线上可以运行1Mbps的低速以太网。1986年在此基础上发布了1Mbps的低速以太网,并已经采用通过每个通信节点直接与集线器相连的拓扑结构。拓扑组网变化如下图:
在上述的双绞线和组网拓扑改变之后,在布线,组网,成本,故障排除等方面已经很方便了,唯一不足的就是速度太慢,但是只有一个特别明确的缺陷,各个公司的技术天才们也就有了明确目标,那么提升起来就很快了。
1990年,IEEE发布采用高质量的非屏蔽双绞线(5类线)10Mbps标准,允许传输的距离是100米。1993年发布全双工的以太网,1995发布100M以太网,1999年1000M以太网(也称未GE口),2002年10GE以太网,传输的介质也从最开始的非屏蔽的双绞线逐渐扩展到超5类线,6类线及光纤等,使得以太网几乎成为了网络连接的唯一标准。
以太网和IP技术体系的胜出是在计算机几十种局域网互联标准规模竞争中胜出,这里面有技术实力的原因,也有一定的运气成分,主要是3Com和主要的计算机厂商结成了联盟,在应用上走在了市场前面,标准化协会也组织得较好,形成了产业链的共赢。
2.4.2 既生瑜何生亮--ATM与IP之争
使用以太网和IP技术最初是在局域网内,或者小范围互联的广域网里使用,因此IP技术和ATM的技术矛盾还不算突出,但是随着互联网推广,特别是1992年随着美国副总统戈尔提出的信息高速公路计划的提出,极大的刺激了互联网的发展,这个时候ATM和IP的技术之争就出来了。
端到端保障与尽力而为
ATM(Asynchronous Transfer Mode),异步传输网络,也是宽带的综合业务数字网,标准的开发于1984年,主要是满足日益增多的数据传输需求,由电信设备商发起制定的标准。到80年后期,已经有了相对完善的协议及相应的设备。ATM把话音,数据,视频综合在一个网络中实现,但ATM发展的最后是被别人嘲笑为像鸭子。鸭子会飞但飞不高,会游泳但游不快,会走路但走不快。ATM也是这样,什么都能做但都做不好,因此ATM也被人嘲笑为Another Technological Mistake(另一个技术错误)。
ATM和IP的技术之争,首先起源于设计思想和设计团队的不同。ATM的传输由电信领域专家设计,电信领域设计的特点首先是面向连接,其次就是高可靠性。因为之前的所有电信业务和设备都是面向连接的,比如电话,在通话两端的两个人不管多远,比如一个在北京,一个在上海,两个人在通话期间,必然有一条从北京到上海的一条完整链路供这两个人专用,不管这两个人是否在讲话,那么只是两个人都放下了电话而忘记挂电话。面向连接的专用链路就基本保证了高可靠性。因此ATM设计了精巧、严密、稳定的网络方案,可控性、可管理性都做的非常好,其特点是通信网络复杂而通信终端简单。也正是由于这种完善的协议,导致实现过于复杂,设备的成本相对较高,而标准化的推进过程中落后于IP。
IP则完全相反,IP技术则是由计算机背景的人主导了设计,IP相关技术设计的通信网络功能是简单的,尽力而为的,底层传输链路可靠性的不足由上一层来保证,甚至由应用程序来保证,也就是说,把大量关于可靠性的保证的交给终端来做。这样设计也是适用是当时的场景,因为当时需要进行IP通信的都是计算机,对于可靠性的保证和校验,只是在计算机程序里面多写几行而已,而这对需要用IP通信的程序员来说,就是小菜一碟,这样就大大简化了最初的交换机和路由器的相关设计,也就是IP通信的基本架构是通信终端复杂,但是中间的网络是比较简单的。最明显的一个例子是IP包收到顺序不一定是发的顺序,后发的可能到,而先发可能后到。
火车运输与汽车运输
打个不太准确的比方,ATM类似于铁路,IP类似于公路,虽然公路和铁路都是运送货物(ATM和IP都是分组交换网,运送数据包)。铁路是面向连接的,要发送的货物必须先按照货运列车的大小,打包装到列车上(ATM底层固定包长度),只要从上海到北京列车的班次排好,列车到了沿途各站,铁路扳道都是预先安排好的,肯定能够按时准点达到北京,一路畅通,保证运输质量,并且先发的列车都是比后发的列车先到。 而公路则不然,公路上面跑有皮卡,有重卡,货物的多少是不一定的(IP包的大小是不固定的),载重都是标示在车门上(IP包会包含这个包的大小信息),卡车到每一个路口都会选择如何走(路由选择),高速公路还可能会堵车,需要绕道到国道,要是拥塞情况较多时就会影响运输,或者时间延误,或者货物受到影响,质量得不到保证,堵车严重的话还会将整个交通运输网络弄摊(DOS攻击,向一个服务节点大量发短包使得瘫痪),卡车什么时候到,到的顺序,是不太能够保证的。
对于货运量需求大于实际承载需求的时候,对于火车运输来说,在发送端就就直接排不上计划,在中途的站点,能够运送的货物也是定的,因此只要上路,就肯定能够到。而公路则不一样,任何地点都可能会拥塞,任何地方都是瓶颈,发送端只要有能力就发送,而不管后续路上是否拥塞。路上的拥塞,要么丢弃,要么排队。
这两种通信方式说到底其实是两个领域的人用不同的思维在争夺通信标准主导权。ATM是传统通信行业人意志的体现。而IP技术则是由计算机领域的人搞出来的。由于IP网设备简单,因而造价不高而受到了追捧,随着互联网的大发展,在ATM和IP大战中以IP完胜而告终,最终的标志是连ADSL内部的连接都从基于ATM交换转换为IP技术为基础。这个也是虽然思科在交换机和路由器领域收入很高,但是在讨论电信设备供应商的时候,通常不把思科列入电信设备供应商行列的原因之一,另外一个原因,电信的大多数的交换机和路由器不是卖给电信运营商,而卖给行业的客户,而在骨干传输网,还是由传统设备商为主导。
IP技术的胜利还带来另外几个问题:
1、随着IP的应用和发展,运营商建设的所有的网络都沦为管道,真正IP的发展都是在应用层,比如Google,阿里,腾讯等。虽然这个不仅仅是IP技术决定的,但是如果是ATM胜出的话,那么围绕数据通信的增值业务设计得应该是比IP会好一点。比如在移动网络上,短信,来电显示,漫游等业务设计就对运营商的用户的业务控制和增加收入就起了比较好的作用。
2、在90年代,当时现网的所有设备,包括骨干传输网(之前都是电路交换)都面临IP化改造的问题,以便以更高的效率传输最大数据流量的IP包。
3、IP的尽力而为的设计理念以及在传输的可管理可维护上面的薄弱也带来了实际应用中可管理和可运维的难题,初期IP网络的稳定性和可靠性都存在不少的问题,随着网络的复杂性增加以及网络在业务运营中的重要性越来越高,IP协议也逐渐可运维和可管理方向演进,也就是说,IP也从电信学到了很东西,也在不断进步。
IP技术的获胜,也使得以思科为代表的计算机派的交换机+路由器产品组合成为互联网的基础,这里的交换机不是之前提到的程控交换机,而是计算机网络中常见的数据交换机(LanSwitch)。而传统设备厂商的ATM技术则由于投资巨大,设备复杂并且未实现规模的商用,因此就形成了ATM技术的几乎没有任何设备商从ATM技术或者产品上赚到钱结果,与ISDN一样的结果。
IP技术的获胜,也使得思科成为运营商市场核心路由器和大容量交换机的佼佼者,而传统设备厂商在运营商的路由器市场份额一直处于追赶阶段。
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