如果你在搜索引擎中输入“ARPANET”，搜索相关图片，你会看到许多地图的图片，上面是这个上世纪六十年代末七十年代初 美国政府创建的研究网络，该网络不断延伸扩展，横跨了整个美国。我猜很多人第一次了解到 ARPANET 的时候都看过这种地图。

可以说，这些地图很有意思，毕竟我们很难想象过去连接网络的计算机是那么少，就连如此低保真的图片都可以表示出美国全部机器的所在位置（这里的 低保真 lo-fi 指的是高射投影仪成像技术，而不是大家熟知的 lo-fi 氛围音乐）。不过，这些地图是有问题的。地图上用加粗的线条连接着大陆各地，强化了人们的一种观念：ARPANET 最大的贡献就是首次将横跨美国东西两地的电脑连接了起来。

今天，即便是在病毒肆虐、人们困居家中的情况下，网络也能把我们联系起来，可谓是我们的生命线。所以，如果认为 ARPANET 是最早的互联网，那么在那之前世界必然相互隔绝，毕竟那时还没有今天的互联网，对吧？ARPANET 首次通过计算机将人们连接起来，一定是一件惊天动地的大事。

但是，这一观点却与历史事实不符，而且它也没有进一步解释 ARPANET 的重要性。

初露锋芒

华盛顿希尔顿酒店坐落于 国家广场 National Mall 东北方向约 2.4 千米处的一座小山丘山顶附近。酒店左右两侧白色的现代化立面分别向外延展出半个圆形，活像一只飞鸟的双翼。1965 年，酒店竣工之后，《纽约时报》报道称这座建筑物就像“一只栖息在山顶巢穴上的海鸥” ^[1] 。

不过，这家酒店最有名的特点却深藏在地下。在车道交汇处下方，有着一个巨大的蛋形活动场地，这就是人们熟知的 国际宴会厅 International Ballroom ，多年来一直是华盛顿特区最大的无柱宴会厅。1967 年，大门乐队在此举办了一场音乐会。1968 年，“吉他之神”吉米·亨德里克斯也在此举办了一场音乐会。到了 1972 年，国际宴会厅隐去了以往的喧嚣，举办了首届 国际计算机通信会议 International Conference on Computing Communication （ICCC）。在这场大会上，研究项目 ARPANET 首次公开亮相。

这场会议举办时间为 10 月 24-26 日，与会人数约八百人 ^[2] 。在这场大会上，计算机网络这一新兴领域的领袖人物齐聚一堂。 因特网 internet 的先驱 鲍勃·卡恩 Bob Kahn 称，“如果有人在华盛顿希尔顿酒店上方丢了一颗炸弹，那么美国的整个网络研究领域将会毁于一旦” ^[3] 。

当然，不是所有的与会人员都是计算机科学家。根据当时的宣传广告，这场大会将“以用户为中心”，面向“律师、医务人员、经济学家、政府工作者、工程师以及通信员等从业人员” ^[4] 。虽然大会的部分议题非常专业，比如《数据网络设计问题（一）》与《数据网络设计问题（二）》，但是正如宣传广告所承诺的，大部分会议的主要关注点还是计算机网络给经济社会带来的潜在影响。其中甚至有一场会议以惊人的先见之明探讨了如何积极利用法律制度“保护计算机数据库中的隐私权益” ^[5] 。

展示 ARPANET 的目的是作为与会者的一个附带景点。在国际宴会厅或酒店更下一层的其他地方举行的会议间歇，与会者可以自由进入 乔治敦宴会厅 Georgetown Ballroom （在国际宴会厅走廊尽头的一个较小的宴会厅，也可以说是会议室） ^[6] ，那里放置着用以访问 ARPANET 的 40 台由不同制造商生产的终端 ^[7] 。这些终端属于 哑终端 dumb terminal ，也就是说，只能用来输入命令、输出结果，本身无法进行计算。事实上，在 1972 年，所以这些终端可能都是 硬拷贝终端 hardcopy terminal ，即 电传打字机 teletype machine 。哑终端与一台被称为“ 终端接口信息处理机 Terminal Interface Message Processor ”（TIP）的计算机相连接，后者放置在宴会厅中间的一个高台上。TIP 是早期的一种路由器，哑终端可通过 TIP 连接到 ARPANET。有了终端和 TIP，ICCC 与会者可以尝试登录和访问组成 ARPANET 的 29 个主机站的计算机 ^[8] 。

为了展示网络的性能，美国全国各主机站的研究员们通力合作，准备了 19 个简易的“情景”，供用户测试使用。他们还出了 一份小册子，将这些情景收录其中。如果与会人员打算进入这个满是电线与哑终端的房间，就会得到这样一本小册子 ^[9] 。通过这些情景，研究员不仅要证明网络这项新技术的可行性，还要证明其实用性，因为 ARPANET 那时还只是“一条没有汽车驶过的公路”。此外，来自国防部的投资者们也希望，公开展示 ARPANET 可以进一步激发人们对网络的兴趣 ^[10] 。

因此，这些情景充分展示了在 ARPANET 网络上可以使用的软件的丰富性：有程序语言解释器，其中一个用于麻省理工学院（MIT）的 Lisp 语言，另一个用于加州大学洛杉矶分校的数值计算环境 Speakeasy；还有一些游戏，包括国际象棋和 康威生命游戏 Conway's Game of Life ；以及几个也许最受与会者欢迎的人工智能聊天程序，包括由 MIT 的计算机科学家 约瑟夫·魏泽堡 Joseph Weizenbaum 开发的著名聊天程序 伊莉莎 ELIZA 。

设置这些情景的研究人员小心翼翼地列出了他们想让用户在终端机上输入的每一条命令。这点很重要，因为用于连接 ARPANET 主机的命令序列可能会因为主机的不同而发生变化。比如，为了能在 MIT 人工智能实验室的 PDP-10 微型电脑上测试人工智能国际象棋程序，与会者需要按照指示输入以下命令：

在下方代码块中，[LF]、[SP] 以及 [CR] 分别代表换行、空格以及回车键。我在每行的 // 符号后面都解释了当前一行命令的含义，不过当时的小册子本来是没有使用这一符号的。

@r [LF]                   // 重置 TIP
@e [SP] r [LF]            // “远程回显”设置, 主机回显字符，TIP 不回显
@L [SP] 134 [LF]          // 连接 134 号主机
:login [SP] iccXXX [CR]   // 登录 MIT 人工智能实验室的系统，“XXX”代表用户名首字母缩写
:chess [CR]               // 启动国际象棋程序

如果与会者输入了上述命令，那么他就可以体验当时最先进的国际象棋程序，其棋盘布局如下：

BR BN BB BQ BK BB BN BR
BP BP BP BP ** BP BP BP
-- ** -- ** -- ** -- **
** -- ** -- BP -- ** --
-- ** -- ** WP ** -- **
** -- ** -- ** -- ** --
WP WP WP WP -- WP WP WP
WR WN WB WQ WK WB WN WR

与之不同的是，如果要连接加州大学洛杉矶分校的 IBM System/360 机器，运行 Speakeasy 数值计算环境，与会者需要输入以下命令：

@r [LF]                   // 重置 TIP
@t [SP] o [SP] L [LF]     // “传递换行”设置
@i [SP] L [LF]            // “插入换行”设置，即回车时发送换行符。
@L [SP] 65 [LF]           // 连接 65 号主机
tso                       // 连接 IBM 分时可选软件系统
logon [SP] icX [CR]       // 输入用户名，进行登录，“X”可为任意数字
iccc [CR]                 // 输入密码（够安全！）
speakez [CR]              // 启动 Speakeasy

输入上述命令后，与会者可以在终端中对矩阵进行乘法、转置以及其他运算，如下所示：

:+! a=m*transpose(m);a [CR]
:+! eigenvals(a) [CR]

当时，这场演示给许多人都留下了深刻的印象，但原因并不是我们所想的那样，毕竟我们有的只是后见之明。今天的人们总是记不住，在 1972 年，即便身处两个不同的城市，远程登录使用计算机也已经不是一件新鲜事儿了。在那之前的数十年，电传打字机就已经用于与相隔很远的计算机传递信息了。在 ICCC 第一届大会之前，差不多整整五年前，在西雅图的一所高中， 比尔·盖茨 Bill Gates 使用电传打字机，在该市其他地方的 通用电气 General Electric （GE）计算机上运行了他的第一个 BASIC 程序。在当时，登录远程计算机，运行几行命令或者玩一些文字游戏，只不过是家常便饭。因此，虽说上文提到的软件的确很不错，但是即便没有 ARPANET，我刚刚介绍的两个情景勉强也是可以实现的。

当然，ARPANET 一定带来了新的东西。参加本次大会的律师、政治家与经济学家可能被国际象棋游戏与聊天机器人所吸引，但是网络专家们可能对另外两个情景更感兴趣，因为它们将 ARPANET 的作用更好地展示了出来。

在其中一个情景下，MIT 非兼容分时系统 Incompatible Timesharing System （ITS）上运行了一个名为 NETWRK 的程序。NETWRK 命令下有若干个子命令，输入这些子命令就能得到 ARPANET 各方面的运行状态。SURVEY 子命令可以列出 ARPANET 上哪些主机正在运行和可用（它们都在一个列表中）；SUMMARY.OF.SURVEY 子命令汇总了过去 SURVEY 子命令过去的运行结果，得出每台主机的“正常运行比率”，以及每台主机响应消息的平均时间。SUMMARY.OF.SURVEY 子命令以表格的形式输出结果，如下所示：

--HOST--  -#-  -%-UP-  -RESP-
UCLA-NMC  001  097%    00.80
SRI-ARC   002  068%    01.23
UCSB-75   003  059%    00.63
...

可以看到，主机编号的占位不超过三个数字（哈！）。其他 NETWRK 子命令能够查看较长时间内查询结果的概要，或者检查单个主机查询结果的日志。

第二个情景用到了斯坦福大学开发的一款软件 —— SRI-ARC 联机系统。这款软件功能齐全，非常优秀。美国发明家 道格拉斯·恩格尔巴特 Douglas Engelbart 在 “ 所有演示之母 Mother of All Demos ” 上演示的正是 SRI-ARC 联机系统。这款软件可以在加州大学圣芭芭拉分校的主机上运行本质上属于文件托管的服务。使用华盛顿希尔顿酒店的终端，用户可以将斯坦福大学主机上创建的文件复制到加州大学圣芭芭拉分校的主机上。操作也很简单，只需执行 copy 命令，然后回答计算机的下列问题：

在下方的代码块中，[ESC]、[SP] 与 [CR] 分别代表退出、空格与回车键；圆括号中的文字是计算机打印出的提示信息；第三行中的退出键用于自动补全文件名。此处复制的文件是 <system>sample.txt;1，其中文件名末尾的数字 1 代表文件的版本号，<system> 表示文件路径。这种文件名是 TENEX 操作系统上面的惯用写法。 ^[11]

@copy
(TO/FROM UCSB) to
(FILE) <system>sample [ESC] .TXT;1 [CR]
(CREATE/REPLACE) create

这两个情景看起来好像和最初提及的两个情景没有太大区别，但是此二者却意义非凡。因为它们证明了，在 ARPANET 上面，不仅人们可以与计算机进行交流，计算机与计算机也可以 相互 交流。MIT 主机上的 SURVEY 命令的结果并非由人类定期登录并检查每台机器的运行状态收集而来，而是由一款能在网络上与其他机器进行交流的软件收集得到的。同样的道理，在斯坦福大学与加州大学圣芭芭拉分校之间传输文件的情景下，也没有人守在两所大学的终端旁边，华盛顿特区的终端用户仅仅使用了一款软件，就能让其他两地的计算机相互对话。更重要的是，这一点无关乎你使用的是宴会厅里的哪一台电脑，因为只要输入同样的命令序列，就能在任意一台电脑上浏览 MIT 的网络监视数据，或者在加州大学圣芭芭拉分校的计算机上储存文件。

这才是 ARPANET 的全新之处。本次国际计算机通信会议演示的不仅仅是人与远程电脑之间的交互，也不仅仅是远程输入输出的操作，更是一个软件与其他软件之间的远程通讯，这一点才是史无前例的。

为什么这一点才是最重要的，而不是地图上画着的那些贯穿整个美国、实际连接起来的电线呢（这些线是租赁的电话线，而且它们以前就在那了！）？要知道，早在 1966 年 ARPANET 项目启动之前，美国国防部的高级研究计划署（ARPA）打造了一间终端室，里面有三台终端。三台终端分别连接着位于 MIT、加州大学伯克利分校以及圣塔莫尼卡三地的计算机 ^[12] 。对于 ARPA 的工作人员来说，即便他们身处华盛顿特区，使用这三台计算机也非常方便。不过，这其中也有不便之处：工作人员必须购买和维护来自三家不同制造商的终端，牢记三种不同的登录步骤，熟悉三种不同的计算环境。虽然这三台终端机可能就放在一起，但是它们只是电线另一端主机系统的延申，而且操作也和那些计算机一样各不相同。所以说，在 ARPANET 项目诞生之前，远程连接计算机进行通讯就已经实现了，但问题是不同的计算系统阻碍了通讯朝着更加先进复杂的方向发展。

集合起来，就在此刻

因此，我想说的是，说法一（ARPANET 首次通过计算机将不同地方的人们连接了起来）与说法二（ARPANET 首次将多个计算机系统彼此连接了起来）之间有着云泥之别。听起来似乎有些吹毛求疵，咬文嚼字，但是相较于说法二，说法一忽略了一些重要的历史发展阶段。

首先，历史学家 乔伊·利西·兰金 Joy Lisi Rankin 指出，早在 ARPANET 诞生之前，人们就已经在网络空间中进行交流了。在《 美国计算机的人民历史 A People’s History of Computing in the United States 》一书中，兰金介绍了几个覆盖全美的数字社区，这些社区运行在早于 ARPANET 的 分时网络 time-sharing network 上面。从技术层面讲，分时网络并不是计算机网络，因为它仅仅由一台大型主机构成。这种计算机放置在地下室中，为多台哑终端提供计算，颇像一只又黑又胖的奇怪生物，触手向外伸展着，遍及整个美国。不过，在分时网络时代，被后社交媒体时代称为“网络”的大部分社会行为应有尽有。例如，Kiewit 网络是 达特茅斯分时系统 Dartmouth Time-Sharing System 的延伸应用，服务于美国东北部的各个大学和高中。在 Kiewit 网络上，高中生们共同维护着一个“ 八卦档案 gossip file ”，用来记录其他学校发生的趣闻趣事，“在康涅狄格州和缅因州之间建立起了社交联系” ^[13] 。同时，曼荷莲女子学院的女生通过网络与达特茅斯学院的男生进行交流，或者是安排约会，或者是与男朋友保持联系 ^[14] 。这些事实都发生在上世纪六十年代。兰金认为，如果忽视了早期的分时网络，我们对美国过去 50 年数字文化发展的认识必然是贫瘠的：我们眼里可能只有所谓的“ 硅谷神话 Silicon Valley mythology ”，认为计算机领域的所有发展都要归功于少数的几位天才，或者说互联网科技巨头的创始人。

回到 ARPANET，如果我们能意识到真正的困难是计算机 系统 的联通，而非机器本身的物理连接，那么在探讨 ARPANET 的创新点时，我们就会更加倾向于第二种说法。ARPANET 是有史以来第一个 分组交换网络 packet-switched network ，涉及到许多重要的技术应用。但是如果仅仅因为这项优势，就说它是一项突破，我觉得这种说法本身就是错的。ARPANET 旨在促进全美计算机科学家之间的合作，目的是要弄明白不同的操作系统、不同语言编写的软件如何配合使用，而非如何在麻省和加州之间实现高效的数据传输。因此，ARPANET 不仅是第一个分组交换网络，它还是一项非常成功且优秀的标准。在我看来，后者更有意思，毕竟我在博客上曾经写过许多颇有失败的标准：语义网、RSS 与 FOAF。

ARPANET 项目初期没有考虑到网络协议，协议的制定是后来的事情了。因此，这项工作自然落到了主要由研究生组成的组织 —— 网络工作组 Network Working Group （NWG）身上。该组织的首次会议于 1968 年在加州大学圣芭芭拉分校举办 ^[15] 。当时只有 12 人参会，大部分都是来自上述四所大学的代表 ^[16] 。来自加州大学洛杉矶分校的研究生 史蒂夫·克罗克 Steve Crocker 参加了这场会议。他告诉我，工作组首次会议的参会者清一色都是年轻人，最年长的可能要数会议主席 埃尔默·夏皮罗 Elmer Shapiro 了，他当年 38 岁左右。ARPA 没有派人负责研究计算机连接之后如何进行通信，但是很明显它需要提供一定的协助。随着工作组会议的陆续开展，克罗克一直期望着更有经验与威望的“法定成年人”从东海岸飞过来接手这项工作，但是期望终究还是落空了。在 ARPA 的默许之下，工作组举办了多场会议，其中包括很多长途旅行，差旅费由 ARPA 报销，这些就是它给与工作组的全部协助了 ^[17] 。

当时，网络工作组面临着巨大的挑战。从没有人有过使用通用方式连接计算机系统的经验，而且这本来就与上世纪六十年代末计算机领域盛行的全部观点相悖：

那个时候典型的主机表现得就像是它是全宇宙唯一的计算机。即便是最简短的交流会话，两台主机也无法轻易做到。并不是说机器没办法相互连接，只是连接之后，两台计算机又能做些什么呢？当时，计算机和与其相连的其他设备之间的通讯，就像帝王与群臣之间的对话一般。连接到主机的设备各自执行着自己的任务，每台外围设备都保持着常备不懈的状态，等待着上司的命令。当时的计算机就是严格按照这类互动需求设计出来的；它们向读卡器、终端与磁带机等下属设备发号施令，发起所有会话。但是，如果一台计算机拍了拍另一台计算机的肩膀，说道，“你好，我也是一台计算机”，那么另一台计算机可就傻眼了，什么也回答不上来 ^[18] 。

于是，工作组的最初进展很缓慢 ^[19] 。直到 1970 年 6 月，也就是首次会议将近两年之后，工作组才为网络协议选定了一套“正式”规范 ^[20] 。

不过，到了 1972 年，在国际计算机通信会议上展示 ARPANET 的时候，所有的协议已经准备就绪了。会议期间，这些协议运用到了国际象棋等情景之中。用户运行 @e r 命令（@echo remote 命令的缩写形式），可以指示 TIP 使用新 TELNET 虚拟终端协议提供的服务，通知远程主机它应该回显用户输入的内容。接着，用户运行 @L 134 命令（@login 134 命令的缩写形式），让 TIP 在 134 号主机上调用 初始连接协议 Initial Connection Protocol ，该协议指示远程主机分配出连接所需的全部必要资源，并将用户带入 TELNET 会话中。上述文件传输的情景也许用到了 文件传输协议 File Transfer Protocol （FTP），而该协议恰好是在大会举办前夕才刚刚完成的 ^[21] 。所有这些协议都是“三层”协议，其下的第二层是主机到主机的协议，定义了主机之间可以相互发送和接收的信息的基本格式；第一层是主机到接口通信处理机（IMP）的协议，定义了主机如何与连接的远程设备进行通信。令人感到不可思议的是，这些协议都能正常运行。

在我看来，网络工作组之所以能够在大会举办之前做好万全的准备，顺利且出色地完成任务，在于他们采用了开放且非正式的标准化方法，其中一个典型的例子就是著名的 征求意见 Request for Comments （RFC）系列文档。RFC 文档最初通过 传统信件 snail mail 在工作组成员之间进行传阅，让成员们在没有举办会议的时候也能保持联系，同时收集成员反馈，汇集各方智慧。RFC 框架是克罗克提出的，他写出了第一篇 RFC 文档，并在早期负责管理 RFC 的邮寄列表。他这样做是为了强调工作组开放协作的活动本质。有了这套框架以及触手可及的文档，ARPANET 的协议设计过程成了一个大熔炉，每个人都可以贡献出自己的力量，步步推进，精益求精，让最棒的想法脱颖而出，而没有人失去面子。总而言之，RFC 获得了巨大成功，并且直至今天，长达半个世纪之后，它依旧是网络标准的“说明书”。

因此，说起 ARPANET 的影响力，我认为不得不强调的一点正是工作组留下的这一成果。今天，互联网可以把世界各地的人们连接起来，这也是它最神奇的属性之一。不过如果说这项技术到了上世纪才开始使用，那可就有些滑稽可笑了。要知道，在 ARPANET 出现之前，人们就已经通过电报打破了现实距离的限制。而 ARPANET 打破的应该是各个主机站因使用不同的操作系统、字符编码、程序语言以及组织策略而在逻辑层面产生的差异限制。当然，将第一个分组交换网络投入使用在技术方面绝对是一大壮举，这肯定值得一提，不过，制定统一的标准并用以连接原本无法相互协作的计算机，是建立 ARPANET 网络过程中遇到的这两大难题中更为复杂的一个。而这一难题的解决方案，也成了 ARPANET 整个建立与发展历史中最为神奇的一个章节。

1981 年，高级研究计划署发表了一份“完工报告”，回顾了 ARPANET 项目的第一个十年。在《付出收获了回报的技术方面以及付出未能实现最初设想的技术方面》这一冗长的小标题下，作者们写道：

或许，在 ARPANET 的开发过程中，最艰难的一项任务就是，尽管主机制造商各不相同，或者同一制造商下操作系统各不相同，我们仍需在众多的独立主机系统之间实现通讯交流。好在这项任务后来取得了成功 ^[22] 。

你可以从美国联邦政府获得相关信息。

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1. “Hilton Hotel Opens in Capital Today.” The New York Times, 20 March 1965, https://www.nytimes.com/1965/03/20/archives/hilton-hotel-opens-in-capital-today.html?searchResultPosition=1. Accessed 7 Feb. 2021. ↩︎
2. James Pelkey. Entrepreneurial Capitalism and Innovation: A History of Computer Communications 1968-1988, Chapter 4, Section 12, 2007, http://www.historyofcomputercommunications.info/Book/4/4.12-ICCC Demonstration71-72.html. Accessed 7 Feb. 2021. ↩︎
3. Katie Hafner and Matthew Lyon. Where Wizards Stay Up Late: The Origins of the Internet. New York, Simon & Schuster, 1996, p. 178. ↩︎
4. “International Conference on Computer Communication.” Computer, vol. 5, no. 4, 1972, p. c2, https://www.computer.org/csdl/magazine/co/1972/04/01641562/13rRUxNmPIA. Accessed 7 Feb. 2021. ↩︎
5. “Program for the International Conference on Computer Communication.” The Papers of Clay T. Whitehead, Box 42, https://d3so5znv45ku4h.cloudfront.net/Box+042/013_Speech-International+Conference+on+Computer+Communications,+Washington,+DC,+October+24,+1972.pdf. Accessed 7 Feb. 2021. ↩︎
6. 我其实并不清楚 ARPANET 是在哪个房间展示的。很多地方都提到了“宴会厅”，但是华盛顿希尔顿酒店更习惯于叫它“乔治敦”，而不是把它当成一间会议室。因此，或许这场展示是在国际宴会厅举办的。但是 RFC 372 号文件又提到了预定“乔治敦”作为展示场地一事。华盛顿希尔顿酒店的楼层平面图可以点击 此处 查看。 ↩︎
7. Hafner, p. 179. ↩︎
8. ibid., p. 178. ↩︎
9. Bob Metcalfe. “Scenarios for Using the ARPANET.” Collections-Computer History Museum, https://www.computerhistory.org/collections/catalog/102784024. Accessed 7 Feb. 2021. ↩︎
10. Hafner, p. 176. ↩︎
11. Robert H. Thomas. “Planning for ACCAT Remote Site Operations.” BBN Report No. 3677, October 1977, https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA046366.pdf. Accessed 7 Feb. 2021. ↩︎
12. Hafner, p. 12. ↩︎
13. Joy Lisi Rankin. A People’s History of Computing in the United States. Cambridge, MA, Harvard University Press, 2018, p. 84. ↩︎
14. Rankin, p. 93. ↩︎
15. Steve Crocker. Personal interview. 17 Dec. 2020. ↩︎
16. 克罗克将会议记录文件发给了我，文件列出了所有的参会者。 ↩︎
17. Steve Crocker. Personal interview. ↩︎
18. Hafner, p. 146. ↩︎
19. “Completion Report / A History of the ARPANET: The First Decade.” BBN Report No. 4799, April 1981, https://walden-family.com/bbn/arpanet-completion-report.pdf, p. II-13. ↩︎
20. 这里我指的是 RFC 54 号文件中的“正式协议”。 ↩︎
21. Hafner, p. 175. ↩︎
22. “Completion Report / A History of the ARPANET: The First Decade,” p. II-29. ↩︎

via: https://twobithistory.org/2021/02/07/arpanet.html

作者：Two-Bit History 选题：lujun9972 译者：aREversez 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出

ARPANET 通过证明可以使用标准化协议连接完全不同的制造商的计算机，永远改变了计算。在我的 关于 ARPANET 的历史意义的文章 中，我提到了其中的一些协议，但没有详细描述它们。所以我想仔细看看它们。也想看看那些早期协议的设计有多少保留到了我们今天使用的协议中。

ARPANET 协议像我们现代的互联网协议，是通过分层形式来组织的。 ^[1] 较高层协议运行在较低层协议之上。如今的 TCP/IP 套件有 5 层（物理层、链路层、网络层、传输层以及应用层），但是这个 ARPANET 仅有 3 层，也可能是 4 层，这取决于你怎样计算它们。

我将会解释每一层是如何工作的，但首先，你需要知道是谁在 ARPANET 中构建了些什么，你需要知道这一点才能理解为什么这些层是这样划分的。

一些简短的历史背景

ARPANET 由美国联邦政府资助，确切的说是位于美国国防部的 高级研究计划局 Advanced Research Projects Agency （因此被命名为 “ARPANET” ）。美国政府并没有直接建设这个网络；而是，把这项工作外包给了位于波士顿的一家名为 “Bolt, Beranek, and Newman” 的咨询公司，通常更多时候被称为 BBN。

而 BBN 则承担了实现这个网络的大部分任务，但不是全部。BBN 所做的是设计和维护一种称为 接口消息处理机 Interface Message Processor （简称为 IMP） 的机器。这个 IMP 是一种定制的 霍尼韦尔 Honeywell 小型机 minicomputer ，它们被分配给那些想要接入这个 ARPANET 的遍及全国各地的各个站点。它们充当通往 ARPANET 的网关，为每个站点提供多达四台主机的连接支持。它基本上是一台路由器。BBN 控制在 IMP 上运行的软件，把数据包从一个 IMP 转发到另一个 IMP ，但是该公司无法直接控制那些将要连接到 IMP 上并且成为 ARPANET 网络中实际主机的机器。

那些主机由网络中作为终端用户的计算机科学家们所控制。这些计算机科学家在全国各地的主机站负责编写软件，使主机之间能够相互通讯。而 IMP 赋予主机之间互相发送消息的能力，但是那并没有多大用处，除非主机之间能商定一种用于消息的格式。为了解决这个问题，一群杂七杂八的人员组成了网络工作组，其中有大部分是来自各个站点的研究生们，该组力求规定主机计算机使用的协议。

因此，如果你设想通过 ARPANET 进行一次成功的网络互动，（例如发送一封电子邮件），使这些互动成功的一些工程由一组人负责（BBN），然而其他的一些工程则由另一组人负责（网络工作组和在每个站点的工程师们）。这种组织和后勤方面的偶然性或许对推动采用分层的方法来管理 ARPANET 网络中的协议起到很大的作用，这反过来又影响了 TCP/IP 的分层方式。

好的，回到协议上来

ARPANET 协议层次结构

这些协议层被组织成一个层次结构，在最底部是 “Level 0”。 ^[2] 这在某种意义上是不算数的，因为在 ARPANET 中这层完全由 BBN 控制，所以不需要标准协议。Level 0 的作用是管理数据在 IMP 之间如何传输。在 BBN 内部，有管理 IMP 如何做到这一点的规则；在 BBN 之外，IMP 子网是一个黑匣子，它只会传送你提供的任意数据。因此，Level 0 是一个没有真正协议的层，就公开已知和商定的规则集而言，它的存在可以被运行在 ARPANET 的主机上的软件忽略。粗略地说，它处理相当于当今使用的 TCP/IP 套件的物理层、链路层和网络层下的所有内容，甚至还包括相当多的传输层，这是我将在这篇文章的末尾回来讨论的内容。

“Level 1” 层在 ARPANET 的主机和它们所连接的 IMP 之间建立了接口。如果你愿意，可以认为它是为 BBN 构建的 “Level 0” 层的黑匣子使用的一个应用程序接口（API）。当时它也被称为 IMP-Host 协议。必须编写该协议并公布出来，因为在首次建立 ARPANET 网络时，每个主机站点都必须编写自己的软件来与 IMP 连接。除非 BBN 给他们一些指导，否则他们不会知道如何做到这一点。

BBN 在一份名为 BBN Report 1822 的冗长文件中规定了 IMP-Host 协议。随着 ARPANET 的发展，该文件多次被修订；我将在这里大致描述 IMP-Host 协议最初设计时的工作方式。根据 BBN 的规则，主机可以将长度不超过 8095 位的消息传递给它们的 IMP，并且每条消息都有一个包含目标主机号和链路识别号的头部字段。 ^[3] IMP 将检查指定的主机号，然后尽职尽责地将消息转发到网络中。当从远端主机接收到消息时，接收的 IMP 在将消息传递给本地主机之前会把目标主机号替换为源主机号。实际上在 IMP 之间传递的内容并不是消息 —— IMP 将消息分解成更小的数据包以便通过网络传输 —— 但该细节对主机来说是不可见的。

Host-IMP 消息头部格式，截至 1969。 图表来自 BBN Report 1763

链路号的取值范围为 0 到 255 ，它有两个作用。一是更高级别的协议可以利用它在网络上的任何两台主机之间建立多个通信信道，因为可以想象得到，在任何时刻都有可能存在多个本地用户与同一个目标主机进行通信的场景（换句话说，链路号允许在主机之间进行多路通信）。二是它也被用在 “Level 1” 层去控制主机之间发送的大量流量，以防止高性能计算机压制低性能计算机的情况出现。按照最初的设计，这个 IMP-Host 协议限制每台主机在某一时刻通过某条链路仅发送一条消息。一旦某台主机沿着某条链路发送了一条消息给远端主机后，在它沿着该链路发送下一条消息之前，必须等待接收一条来自远端的 IMP 的特别类型的消息，叫做 RFNM（ 请求下一条消息 Request for Next Message ）。后来为了提高性能，对该系统进行了修订，允许一台主机在给定的时刻传送多达 8 条消息给另一台主机。 ^[4]

“Level 2” 层才是事情真正开始变得有趣的地方，因为这一层和在它上面的那一层由 BBN 和国防部全部留给学者们和网络工作组自己去研发。“Level 2” 层包括了 Host-Host 协议，这个协议最初在 RFC9 中草拟，并且在 RFC54 中首次正式规定。在 ARPANET 协议手册 中有更易读的 Host-Host 协议的解释。

“Host-Host 协议” 管理主机之间如何创建和管理连接。“连接”是某个主机上的写套接字和另一个主机上的读套接字之间的一个单向的数据管道。“ 套接字 socket ” 的概念是在 “Level-1” 层的有限的链路设施（记住，链路号只能是那 256 个值中的一个）之上被引入的，是为了给程序提供寻址运行在远端主机上的特定进程的一种方式。“读套接字” 是用偶数表示的，而“写套接字”是用奇数表示的；套接字是 “读” 还是 “写” 被称为套接字的 “性别”。并没有类似于 TCP 协议那样的 “端口号” 机制，连接的打开、维持以及关闭操作是通过主机之间使用 “链路 0” 发送指定格式的 Host-Host 控制消息来实现的，这也是 “链路 0” 被保留的目的。一旦在 “链路 0” 上交换控制消息来建立起一个连接后，就可以使用接收端挑选的另一个链路号来发送进一步的数据消息。

Host-Host 控制消息一般通过 3 个字母的助记符来表示。当两个主机交换一条 STR（ 发送端到接收端 sender-to-receiver ）消息和一条配对的 RTS（ 接收端到发送端 receiver-to-sender ）消息后，就建立起了一条连接 —— 这些控制消息都被称为请求链接消息。链接能够被 CLS（ 关闭 close ）控制消息关闭。还有更多的控制信息能够改变从发送端到接收端发送消息的速率。从而再次需要确保较快的主机不会压制较慢的主机。在 “Level 1” 层上的协议提供了流量控制的功能，但对 “Level 2” 层来说显然是不够的；我怀疑这是因为从远端 IMP 接收到的 RFNM 只能保证远端 IMP 已经传送该消息到目标主机，而不能保证目标主机已经全部处理了该消息。还有 INR（ 接收端中断 interrupt-by-receiver ）、INS（ 发送端中断 interrupt-by-sender ）控制消息，主要供更高级别的协议使用。

更高级别的协议都位于 “Level 3”，这层是 ARPANET 的应用层。Telnet 协议，它提供到另一台主机的一个虚拟电传链接，其可能是这些协议中最重要的。但在这层中也有许多其他协议，例如用于传输文件的 FTP 协议和各种用于发送 Email 的协议实验。

在这一层中有一个不同于其他的协议： 初始链接协议 Initial Connection Protocol （ICP）。ICP 被认为是一个 “Level-3” 层协议，但实际上它是一种 “Level-2.5” 层协议，因为其他 “Level-3” 层协议都依赖它。之所以需要 ICP，是因为 “Level 2” 层的 Host-Host 协议提供的链接只是单向的，但大多数的应用需要一个双向（例如：全双工）的连接来做任何有趣的事情。要使得运行在某个主机上的客户端能够连接到另一个主机上的长期运行的服务进程，ICP 定义了两个步骤。第一步是建立一个从服务端到客户端的单向连接，通过使用服务端进程的众所周知的套接字号来实现。第二步服务端通过建立的这个连接发送一个新的套接字套接字号给客户端。到那时，那个存在的连接就会被丢弃，然后会打开另外两个新的连接，它们是基于传输的套接字号建立的“读”连接和基于传输的套接字号加 1 的“写”连接。这个小插曲是大多数事务的一个前提——比如它是建立 Telnet 链接的第一步。

以上是我们逐层攀登了 ARPANET 协议层次结构。你们可能一直期待我在某个时候提一下 “ 网络控制协议 Network Control Protocol ”（NCP） 。在我坐下来为这篇文章和上一篇文章做研究之前，我肯定认为 ARPANET 运行在一个叫 “NCP” 的协议之上。这个缩写有时用来指代整个 ARPANET 协议，这可能就是我为什么有这个想法的原因。举个例子，RFC801 讨论了将 ARPANET 从 “NCP” 过渡到 “TCP” 的方式，这使 NCP 听起来像是一个相当于 TCP 的 ARPANET 协议。但是对于 ARPANET 来说，从来都没有一个叫 “网络控制协议” 的东西（即使 大英百科全书是这样认为的），我怀疑人们错误地将 “NCP” 解释为 “ 网络控制协议 Network Control Protocol ” ，而实际上它代表的是 “ 网络控制程序 Network Control Program ” 。网络控制程序是一个运行在各个主机上的内核级别的程序，主要负责处理网络通信，等同于现如今操作系统中的 TCP/IP 协议栈。用在 RFC 801 的 “NCP” 是一种转喻，而不是协议。

与 TCP/IP 的比较

ARPANET 协议以后都会被 TCP/IP 协议替换（但 Telnet 和 FTP 协议除外，因为它们很容易就能在 TCP 上适配运行）。然而 ARPANET 协议都基于这么一个假设：就是网络是由一个单一实体（BBN）来构建和管理的。而 TCP/IP 协议套件是为网间网设计的，这是一个网络的网络，在那里一切都是不稳定的和不可靠的。这就导致了我们的现代协议套件和 ARPANET 协议有明显的不同，比如我们现在怎样区分网络层和传输层。在 ARPANET 中部分由 IMP 实现的类似传输层的功能现在完全由在网络边界的主机负责。

我发现 ARPANET 协议最有趣的事情是，现在在 TCP 中的许多传输层的功能是如何在 ARPANET 上经历了一个糟糕的青春期。我不是网络专家，因此我拿出大学时的网络课本（让我们跟着 Kurose 和 Ross 学习一下），他们对传输层通常负责什么给出了一个非常好的概述。总结一下他们的解释，一个传输层协议必须至少做到以下几点。这里的 “ 段 segment ” 基本等同于 ARPANET 上的术语 “ 消息 message ”：

• 提供进程之间的传送服务，而不仅仅是主机之间的（传输层多路复用和多路分解）
• 在每个段的基础上提供完整性检查（即确保传输过程中没有数据损坏）

像 TCP 那样，传输层也能够提供可靠的数据传输，这意味着：

• “段” 是按顺序被传送的
• 不会丢失任何 “段”
• “段” 的传送速度不会太快以至于被接收端丢弃（流量控制）

似乎在 ARPANET 上关于如何进行多路复用和多路分解以便进程可以通信存在一些混淆 —— BBN 在 IMP-Host 层引入了链路号来做到这一点，但结果证明在 Host-Host 层上无论如何套接字号都是必要的。然后链路号只是用于 IMP-Host 级别的流量控制，但 BBN 似乎后来放弃了它，转而支持在唯一的主机对之间进行流量控制，这意味着链路号一开始是一个超载的东西，后来基本上变成了虚设。TCP 现在使用端口号代替，分别对每一个 TCP 连接单独进行流量控制。进程间的多路复用和多路分解完全在 TCP 内部进行，不会像 ARPANET 一样泄露到较低层去。

同样有趣的是，鉴于 Kurose 和 Ross 如何开发 TCP 背后的想法，ARPANET 一开始就采用了 Kurose 和 Ross 所说的一个严谨的 “ 停止并等待 stop-and-wait ” 方法，来实现 IMP-Host 层上的可靠的数据传输。这个 “停止并等待” 方法发送一个 “段” 然后就拒绝再去发送更多 “段” ，直到收到一个最近发送的 “段” 的确认为止。这是一种简单的方法，但这意味着只有一个 “段” 在整个网络中运行，从而导致协议非常缓慢 —— 这就是为什么 Kurose 和 Ross 将 “停止并等待” 仅仅作为在通往功能齐全的传输层协议的路上的垫脚石的原因。曾有一段时间 “停止并等待” 是 ARPANET 上的工作方式，因为在 IMP–Host 层，必须接收到 请求下一条消息 Request for Next Message （RFNM）以响应每条发出的消息，然后才能发送任何进一步的消息。客观的说 ，BBN 起初认为这对于提供主机之间的流量控制是必要的，因此减速是故意的。正如我已经提到的，为了更好的性能，RFNM 的要求后来放宽松了，而且 IMP 也开始向消息中添加序列号和保持对传输中的消息的 “窗口” 的跟踪，这或多或少与如今 TCP 的实现如出一辙。 ^[5]

因此，ARPANET 表明，如果你能让每个人都遵守一些基本规则，异构计算系统之间的通信是可能的。正如我先前所说的，这是 ARPANET 的最重要的遗产。但是，我希望对这些基线规则的仔细研究揭示了 ARPANET 协议对我们今天使用的协议有多大影响。在主机和 IMP 之间分担传输层职责的方式上肯定有很多笨拙之处，有时候是冗余的。现在回想起来真的很可笑，主机之间一开始只能通过给出的任意链路在某刻只发送一条消息。但是 ARPANET 实验是一个独特的机会，可以通过实际构建和操作网络来学习这些经验，当到了是时候升级到我们今天所知的互联网时，似乎这些经验变得很有用。

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1. 协议分层是网络工作组发明的。这个论点是在 RFC 871 中提出的。分层也是 BBN 如何在主机和 IMP 之间划分职责的自然延伸，因此 BBN 也值得称赞。 ↩︎
2. “level” 是被网络工作组使用的术语。 详见 RFC 100 ↩︎
3. 在 IMP-Host 协议的后续版本中，扩展了头部字段，并且将链路号升级为消息 ID。但是 Host-Host 协议仅仅继续使用消息 ID 字段的高位 8 位，并将其视为链路号。请参阅 ARPANET 协议手册 的 “Host-Host” 协议部分。 ↩︎
4. John M. McQuillan 和 David C. Walden。 “ARPA 网络设计决策”，第 284页，https://www.walden-family.com/public/whole-paper.pdf。 2021 年 3 月 8 日查看。 ↩︎
5. 同上。 ↩︎

via: https://twobithistory.org/2021/03/08/arpanet-protocols.html

作者：Two-Bit History 选题：lujun9972 译者：Lin-vy 校对：wxy

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