第一章因特网与生物学家 页码,1/ Q 第一章因特网与生物学家 随着硏究者可用的序列与结枃信息的爆炸式增长,生物信息学领域,或更精确地说是计算生 物学领域,在基础生物医疗问题的研究中起着越来越大的作用。计算生物学家面临的挑战, 尤其是由人类基因组计划以及其它测序工作生成的大量数据带来的挑战,将对发现基因和设 计分子模型、定点突变,以及其它有可能发现基因与蛋白质的结构与功能的未知关系的实验 有所帮助。 在开始实际讨论解决生物问题的计算方法之前,必须先明确一个共同的背景,从而使用户可 以访问和使用本书中讨论的算法和工具。我们首先回顾了因特网及其有关术语,并讨论了四 种主要的因特网协议族,但不深入涉及协议的技术细节。关于这些协议的内部处理过程的详 细描述可以参考(Falk,1994:Kro,1994),这是给外行人看的好书。 因特网基础 尽管“因特网”听起来象一个单独的实体,但它实际上是一个网络的网络,由超过20,000个 分布在100多个国家中的相互连接的本地网或地区网构成。虽然有关远程通讯的工作在六十年 代初就已经开始,但因特网的真正起源还是1969年美国国防部远景研究规划局( Advanced Research Proj ects Agency,ARPA)的网络研究计划 ARPANET。 ARPANET最初连接了美国西海 岸的四个节点,其直接目的是在实验室之间传输有关国防的研究信息。随后又开展了一系列 的网络研究项目,并在10年后达到了另一个里程碑式的阶段。1981年引入的B|TNET( Because lt' s Time)在大学之间提供点对点的电子邮件和文件传输,1982年ARPA引入了传输控制协议 (TCP)以及因特网协议(IP),TCP/P使得不同的网络可以连接起来并进行通讯,从而形成 了现在的系统。很多文献详细介绍了因特网的发展历程和通讯协议,但大多数用户关心的只 是因特网在工作,而非具体的工作原理。 当网络中的计算机连接在一起的时候,需要有一种方法来明确表示每一台计算机,从而使消 息和文件真正找到它们的接收者。为此,所有与因特网直接相连的计算机都必须有一个|P地 址,IP地址是唯一的,标识且只能标识一台计算机。IP地址由四个以点号分隔的数字构成 如美国国立健康研究院(NH)生物技术信息中心(NCB)的主文件服务器的P地址是 130.14.25.1。从左到右这些数字表示的是:主域(130.14表示NH)、子网(.25表示NH的 国家药物实验室),以及这台计算机(.1)。虽然采用数字式的P地址可以帮助计算机定位 数据,但用户记忆起来却非常困难,所以P地址通常都有相对应的正式域名(FQDN),由域 名服务器在后台将其动态翻译成IP地址。回到前面NCB的例子,用户更愿意用 ncbi. nl m ni h.gov而不是130.1425.1来访问NCB的那台计算机。必须注意的是,从左向右P 地址的定位范围由大到小,而FQ叭N的定位范围则由小到大。因此,任意指定的计算机的名称 都可以看成是具有如下的格式:计算机.域,其中顶级域名(FODN中最后一个点号后面的部 分)分为六个大类(见表1.1)。在美国之外的国家,顶级域名则是用两个字符表示的计算机 所在国家(例如,Ca表示加拿大,,表示联合王国)。 表1.1顶级域名 对因特网规模(即因特网的成功程度)的最具体度量,就是计算物理上接入因特网的计算机的 数量。网络 zards通过运行一个探测器去尽可能地寻找主机,并把探测结果返回到运行探测 器的计算机上,从而定期地计算这些计算机(或主机)的数量。主机数量的增长速度非常显 著,大约每12个月增加一倍,目前主机总数已经超过了12,000,000台。这一增长的绝大部分 来自商业部门,例如万维网等投资于日益大众化的新多媒体广告与通讯平台(图1.1)。由于 可能有许多探测器找不到的主机,这一统计数字的绝对数目不会很精确,它只适用于考察因 特网的发展趋势,以及和其它数据进行比较研究。例如:有许多计算机被设置在防火墙后 面,出于安全的考虑而阻止了公司内部与外部的通讯;其它一些计算机,尤其是家用计算 机,只通过调制解调器与因特网短暂相连。所以最好把网络 Wi zard的搜索结果只看成是代表 file://E:wcb生物信息学(中译本)\第一章因特网与生物学家.htm 2005-1-18
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第一章因特网与生物学家 页码,2/ 某一时刻因特网的最小规模 与因特网连接 那些不能将他们的计算机通过以太网,10 Baset或类似方式连接到因特网的用户可以有两种主 要的方式访问网络:在线服务( Onl i ne Servi ce)或因特网提供商( I nternet ervi ce Provi der,1SP)。在线服务,例如美国在线(AOL)、 Compuserve以及 Prodi gy,提供了大量 的交互式数字服务,包括信息提取、电子邮件(E-mail)、公告牌,以及“聊天室”。在聊 天室里同时上线的用户可以就任何话题进行交流。虽然现在在线服务也可以访问万维网,但 大多数在这一系统中提供的信息服务依然是通过独占的、封闭的网络进行的。一旦在用户计 算机和在线服务器之间建立了连接,用户就可以不离开在线系统的主机而访问系统中特定的 信息资源。特定的内容可以包括从访问在线旅游预定系统到经常更新的大百科全书,这些项 目对于那些没有订购在线服务的用户是无法得到的。服务的内容随价格而异,大多数这些服 务都是按小时记费,即使正常的使用也可能会积累很高的费用。 因特网提供商采用相反的方式。ISP注重的不是提供内容,而是提供给用户必要的工具以发送 和接收邮件,上载和下载文件,以及浏览万维网,发现远程的信息。尽管象AT&T和MC|这样的 大公司占据了SP的主要角色,但不要求提供内容导致了家庭手工业式企业的快速发展,许多 小的本地公司也提供与因特网的可靠连接,位于马里兰州巴尔的摩郊外的 cl arkEt就是其中 之一。从一个500英亩农场的谷仓中的一组调制解调器开始, Cl arkEt现在无论从规模还是服 务质量上都已发展成为了这个国家最好的地区服务提供商之一。ISP的最大优势在于连接速 度,通常小的提供商可以提供比在线服务还快的连接速度。一般SP按月收费,可以无限使 用 现在在线服务与SP之间的界限已经逐渐模糊,并向在线服务倾斜。AoL最近更改了其收费策 略,变为按月而不是按小时收费。使得用户花费和大多数SP相等的开销,就可以得到全部 AOL的专有内容,以及通过SP所能得到的全部因特网工具。在美国的大多数州,AOL网络的密 集程度已经使得访问A0L变得象打本机电话一样方便,用户无论在哪里都可以方便地访问电子 邮件,这是本地小SP不能比拟的。象这样的发展趋势,加上本地电话和电缆公司也开始通过 新的高速光纤网提供访问因特网的服务,使得将来终端用户访问因特网将越来越便宜,而且 性能将越来越好。 电子邮件 许多用户是通过使用电子邮件(E-mail)认识因特网的。电子邮件是一个方便快捷的发送、 接收及回复消息的媒介,在许多地方实际上已成为不可或缺的工具。它的优势主要有: 比邮政服务快得多 传送消息比传统电话或面对面交谈要更为清晰明确。 接收者可以有很大的自由度来决定是马上回复、过一会回复还是根本不回复,从而更好 地控制自己的工作流程。 ·提供了一种方便的整理、保存消息的途径 ·发送电子邮件的成本很低,或根本不需花费。 虽然这些优势已经使得电子邮件成为了工业界和科学界一种十分重要的个人通讯手段,但用 户也必须清楚它的两个主要缺点。第一是安全性问题。邮件在传递到接收者的过程中,可能 经过一系列远程节点,在其中任何一处邮件都可能被有较高权限的人(例如系统管理员)所 file://E:wcb生物信息学(中译本)\第一章因特网与生物学家.htm 2005-1-18
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第一章因特网与生物学家 页码,3/ 截取和阅读。第二是保密问题。在工业界中,电子邮件通常被认为是只用于办公室通讯的公 司财产,因此就必须在管理者的监控之下。而在学院、准学院及研究领域则相反。例如,NH 鼓励个人在公布的准则范围内使用电子邮件,这里的关键是“公布的准则”。无论在什么情 况下,电子邮件系统的用户都应该了解本机构的电子邮件使用规则,从而正确有效地使用这 工具。我们强烈推荐一本关于如何有效使用电子邮件的杰出指南。( 1995) 发送电子邮件 电子邮件地址的格式一般为:用户@计算机.域。其中“用户”是个人用户名,“计算机.域” 指向电子邮件帐号所在的计算机。和普通邮件一样,电子邮件消息包括“信封”(或称为 “信头”)和“正文”。信头的内容包括:收发信人的地址、电子邮件主题行、以及邮件如 何从发信人到收信人的信息。信头下面是真正的消息(或“正文”),如同普通信件信封里 的内容一样。图1.2显示了一个电子邮件消息的全部组成部分 电子邮件程序千变万化,随使用平台以及用户的需求而不同。通常局域网的属性决定了可以 使用哪些邮件程序,而且这一决定往往是由系统管理员而非个人用户做出的。最广泛使用的 带有图形用户界面的电子邮件软件包有:用于 Maci nash的 Eudora和用于MaC、 Wi ndows和UNX 平台的 Mi crosoft Exchange。基于文本的电子邮件程序有Elm和Pine,这通常需要注册到UNX 帐号来使用 新闻组 在图1.2的例子中,电子邮件被发给一个单独的收信人。电子邮件系统的一大优点就是可以把 封电子邮件发给很多人。可以通过使用“别名”来实现这一目的。用户可以在邮件程序中 定义一组人,并给这个组一个名字(“别名”)。用户把电子邮件发给这个别名后,邮件程 序就会自动地把消息广播给组中的每个人,而不是逐一发送。即使在小规模组中设立别名也 可以节省大量时间。这样也可以保证组中的每个人都能真正接收到发到组里的每一封信 新闻组”则是广播电子邮件消息的另一种方法。和“别名”方法不同的是,订阅新闻组时 电子邮件地址列表由远端计算机编排维护,就象杂志维护一份订阅者名单一样。例如 Bl0SCI新闻组是流通量最大的新闻组之一,提供了一个在相当大的生物学主题范围内讨论和 交换思想的论坛。要开始接收发表在Bl0SC的自动测序讨论组的邮件,用户需要发送一个消 息给biosci-server@net.bio.net,并在正文中写上subscribeautoseq。新闻组中的全部文 章就会发送到新的订户手中,该用户就可以参与讨论了。用户想要退出新闻组时,只需要给 相同地址发送消息 unsubscri be autoseq就可以了。要得到包括的讨论组完整列表在内的 BI0SCI的更多信息,给 bi osci- serverenet.bio.net发一封邮件,清空邮件主题行,并在消息 正文中写上 i nfo faq。B|0SC服务器会发送一份常见问题表作为回复,其内容包含了B|0SC 管理下的每个新闻组的详细信息。 就象邮政信件一样,电子邮件中最近也有一股“垃圾邮件”的浪潮,这些邮件来自某些公司 出于商业宣传的目的而编排的大量邮件地址列表。大多数这样的列表都是从联机注册或相似 渠道得来的,所以避开这种邮件列表的最好办法就是有选择地给出你的电子邮件地址。大多 数新闻组的电子邮件地址是保密的,如果你有疑问的话,不妨先询问一下 电子邮件服务器 无论接收者是一个还是很多,到此为止的讨论仅限于发送消息。电子邮件还可以用于从生物 数据库中进行预测或读取记录。用户可以用电子邮件给远端的服务器发送消息,以预先定义 的格式说明希望进行的操作,服务器就会执行这些操作,并将结果用电子邮件返回给用 图1.2显示的是电子邮件査询结果的示例,其中服务器是NCB的查询电子邮件服务器。虽然这 file://E:wcb生物信息学(中译本)\第一章因特网与生物学家.htm 2005-1-18
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第一章因特网与生物学家 页码,4/ 神方式不是交互式的,但它将硬件维护和软件升级的工作交给了维护服务器的管理员,使用 户更专心于结果而非程序本身。后面章节中将有一些电子邮件服务器的详细论述。日内瓦大 学的 Amos Bai roch维护着一个优秀的最新电子邮件服务器列表,此列表可以通过匿名文件传 输协议(下文介绍)的方式得到。具体做法是:访问 expasy. huge.Ch站点,进 入/ database/info目录,下载文件 serv ema.txt。对于大多数这样的服务器,给服务器的电 子邮件地址发送一个help消息就可以得到服务器的详细指令集,其中包括查询的正确格式 文件传输协议 虽然电子邮件传送消息存在很多优点,有经验的用户在传输附加文件时都曾遇到麻烦。问题 在于仅仅将文件附加在邮件上并发送出去,并不意味着接收者能真正得到、解码并使用这个 文件。虽然已经开发了许多跨平台电子邮件软件(例如 Mi crosoft EXchange),但不同地点 的人使用不同的电子邮件软件使得通过邮件发送文件并非有效、安全的方法,至少在近期内 如此。对此问题的解决方法之一是使用文件传输协议(FTP)。FTP的使用十分简单,在用户 计算机(客户)和远端服务器之间建立起连接,并在整个FTP任务过程中保持连接。文件的传 输速度很快,大约每秒5-10千字节。这一速度随一天中的不同时间、客户与服务器之间的距 离,以及网络流通量不同而有所变化 为了建立FTP连接并传输文件,用户必须在远端服务器上有帐号。科硏界免费提供了许多文件 和程序,访问这些文件并不要求拥有这些程序所在的机器上的帐号,而是用一种称为匿名FTP 的系统建立连接。在这个系统下,用户与远端服务器连接时并不输入用户名/口令,而是在用 户名中输入“ anonymous”,在口令中输入个人电子邮件地址。服务器系统管理员用这些电子 邮件地址进行访问统计,这可能会对那些提供文件和程序的人有所帮助。一个UNX名FTP对 话的例子如图1.3所示。 虽然FTP实际上是在UNX环境中产生的,但 Maci tosh和PC用户也可以用基于图形用户界面 (GUI)的程序浏览FTP服务器上的UNX目录。用户不需要了解UNX指令就可以下载文件,他 们可以从弹出式菜单上选取,或在UNX文件结构中用鼠标移动和点击选取要下载的文件 Fetch是 Maci tosh上最流行的FTP程序,图1.4给出了 Fetch窗口的一个例子,图中显示了基于 图形用户界面的程序和图1.3所示的UNX下FTP的区别。 Amos Bai roch同样也维护了一份详细 的分子生物学FTP服务器的列表,此列表可以从 expacy. houge.Ch获得,具体方法为:进 入/ database/info目录,下载 serv_ftp.txt文件。 GOPHER FTP用户进入一个特定的目录后,只能看到当前目录下的子目录和文件的名称。要想真正看到 文件的内容,用户必须把文件下载到本地计算机。为了节省时间,明尼苏达大学的研究者开 发了一个系统,使得不必下载就能阅读文本文件。这一程序按照学校的吉祥物被命名为 Gopher,这也是分布式文档发送系统这一类特殊的交互式客户-服务器程序的最早的实例之 opher很容易使用,它不要求用户知道所寻找信息的物理位置或地址。所有不同 Gopher站点 存贮的信息都以一个固定的层次结构组织起来,用户用鼠标点击就可以浏览这一切。同样用 鼠标点击的方法用户还可以在互连的 Gopher站点(称作 Gopher hol es)中从一个站点转到另 一个站点。 Maci tosh上的主要 Gopher浏览程序叫做 Turbo Gopher,如图1.5所示 万维网 尽管 Gopher解决了很多信息传输的问题,但只能用于发布文本。 Gopher还从概念上启发了 个重要的思想,从而导致了下一代可以传送图象、声音以及影象的文档传送系统的开发。欧 洲原子能研究委员会1989年开始的研究提供了万维网的基础,从此一种新的可以处理多种非 file://E:wcb生物信息学(中译本)\第一章因特网与生物学家.htm 2005-1-18
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第一章因特网与生物学家 页码,5/ 文本材料的媒体诞生了 漫游 和 Gopher相比,在网页中漫游不需要用户知道有关所査找信息的详细地址。只要单击特定的 文本、按钮或图片就可以进行漫游,这些可点击的元素总称为超文本链接。一旦点击了一个 超文本链接,用户就会被带到其它的网点。与 Gopher不同的是,这个新的地点不一定是一个 层次结构的上一个或下一个地点,超文本链接可以将用户带到同一个网站的其它地方或世界 另一边的网点。WEB上的每一个文档称作一个网页,一个专门的服务器上的所有网页总称为 个网站。严格地用超文本链接进行漫游也被称为WEB冲浪 用户可以通过键入地址来更为直接的找到信息。WEB的一大特点就是:用户用来浏览网页的程 序(浏览器)也可以同样的用于访问 Gopher和FTP站点,从而在一定程度上避免了对专门的 Gopher和FTP应用程序的需求。为此引入了一个统一的命名规则,它不仅可以告诉浏览器远距 离站点的位置,更为重要的是可以告诉浏览器远距离站点信息的类型,使得浏览器可以正确 显示。这种标准格式的地址就称为统一资源定位器(简称URL),其一般格式为:协议://计 算机.域。其中协议表示站点的类型,计算机.域表示站点的位置(见表1.2)。网站URL中的 http代表超文本传输协议,是主机向客户传送网络文件的方法之 浏览器之战 浏览网页的浏览器是连接远距离站点的客户服务器应用程序,它从所连接的站点中下载用户 请求的信息,并显示在用户监视器上,然后断开连接。从远距离主机上所获得的信息以一种 与平台无关的格式存在,这种格式称为超文本标识语言(简称HTML)。HML代码是纯文本代 码,文档中所有的图形和声音都以单独的、通用的文件格式存在(例如:图形以GlF格式保存 和传送,GF是 CompuServe开发的用于快速有效地传送图形的格式)。正因为如此,浏览器才 可以显示任何类型( Maci tosh、PC或NIX)计算机上的所有网页。浏览器总是先显示网页的 文本内容,然后再显示正在下载的页面的其它内容。只要这些平台使用的是同一个公司的浏 览器,同样的网页就会以大体相同的模样显示,很少有例外。 “浏览器之战”的主角是网景公司的航海家( Navi gator),目前占据了大约80%的浏览器市 场。网景是 Marc Andreesen和其同事开发出来的,它是 NCSA Tel net(第一个被广泛使用的网 络浏览器)的派生产品。网景开发队伍中的大多数人来自NCSA,他们在意识到开发WB技术的 重要商业意义之后离开了NCSA。通过多年来让客户免费使用浏览器,只是依靠WEB服务器和其 它产品贏利的战略,网景获得了现有的市场占有率。现在网景还可以从其站点免费下载,但 新版本只能免费使用90天,而且用于教育机构时可以免费。网景有一些公认的缺点,例如笨 拙的书签系统、难以显示和定位采用框架结构的网页、经常性的停止或崩溃,但是它已经可 以满足大多数用户浏览页面的要求。 网景最主要的竞争对手来自微软公司,微软的浏览器产品E( nternet Expl orer)正在挑战网 景市场份额第一的地位。微软的战略是把E作为免费的软件让用户直接从其网站下载。IE在 取代目前的A0L专利浏览器后也会获得一些份额。AOL专利浏览器已经被公认为毫无是处、缺 陷多多,A0L宁愿把E给自己的用户,也不愿意重新设计新的浏览器,这使得lE立即获得了 千万用户。另外,lE已经和 IWi ndows95操作系统捆绑起来,微软进一步计划将lE集成到操作系 统中去,从而使得 Wi ndows95用户实际上将IE作为他们的桌面。相比网景,IE有一些主要的优 点:页面装入较快、浏览器更加稳定、处理多框架页面效果更好。随着这两种浏览器版本的 提高,用户将会发现两个程序中有很多相同的功能,最终的胜负将取决于成本和个人的嗜 好 值得一提的是,尽管WB被定义为视觉媒体,它同样可以在不传送相关图形的情况下传送并显 示文档。局限于行终端的用户可以使用Lynx浏览器(见表1.6)。Lynx是堪萨斯大学开发的 file://E:wcb生物信息学(中译本)\第一章因特网与生物学家.htm 2005-1-18
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