第1章 计算机网络概论

计算机网络是计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合而形成的一门交叉学科，是现代科学技术发展史上一件具有极其重要意义的大事。网络技术经过几十年的发展，已经形成了自身比较完善的的体系，不仅涉及到网络和通信的基本理论，在实践中还涉及到硬件组网、网络工程、网络操作系统的使用和配置、网络应用软件的使用和开发。而且网络技术发展迅速，应用广泛，并且技术和应用还在不断更新。

1.1 计算机网络的形成与发展

1.1.1 计算机网络的形成

计算机网络出现的历史不长，但发展很快。1946年，第一台电子计算机ENIAC（如图1-1，图1-2所示）诞生，但与通信无关，早期的计算机系统高度集中，所有设备安装在一个单独的大房间，最初只供一个用户使用。随着计算机性能的提高，计算机的功能也越来越强大，越来越多用户都开始使用计算机，但计算机的价格较高，因此出现了处理和分时系统，可为多个用户服务，但此时终端紧挨主机，也不存在通信问题。随着计算机的性能和功能的进一步强大，用户提出了更多的要求。

1.1.1.1 具有远程通信功能的连机系统

20世纪50年代初，美国为了自身的安全，在美国本土北部和加拿大境内，建立了一个半自动地面防空系统（Semi-automatic Ground Environment），简称“SAGE系统”（如图1-3，图1-4，图1-5所示）。译成中文叫“赛其系统”。有趣的是，“SAGE”这个单词，它的本义是“圣人”，可从它的作用来看，以“圣人”来称呼这个冷战的产物确实有点不伦不类。它进行了将计算机技术与通信技术相结合的尝试，将远程雷达与其他测量设施测到的信息通过总长度为241千米的通信线路与IBM计算机连接，进行集中的防空信息处理与控制。

在赛其系统中，美国在加拿大边境带设立了警戒雷达。在北美防空司令部的信息处理中心有数台大型电子计算机。警戒雷达将天空中的飞机目标的方位，距离和高度等信息通过雷达录取设备自动录取下来，并转换成二进制的数字信号；然后通过数据通信设备将它传送到北美防空司令部的信息处理中心；大型计算机自动地接收这些信息，并经过加工处理计算出飞机的飞行航向、飞行速度和飞行的瞬时位置，还可以判别出是否是入侵的敌机，并将这些信息迅速传到空军和高炮部队，使它们有足够的时间做好战斗准备。

在赛其系统中，雷达录取设备采集到的飞机目标信息自动送到通信设备，赛其信息处理中心的大型计算机自动地将通信设备送来的信息接收下来。这种将计算机与通信设备结合使用在人类的历史上还是首次，因此也可以说是一种创新。

SAGE系统是第一个极大的计算机项目，总开支最终达到了80亿美元。这个系统于1963年建成，被认为是计算机技术和通信技术结合的先驱。在这项研究的基础上，人们完全可以将地理位置分散的多个终端通信线路连到一台中心计算机上。用户可以在自己办公室内的终端键入程序，通过通信线路传送到中心计算机，人们把这种以单个为中心的联机系统称作“面向终端的远程联机系统”。

20世纪60年代初美国航空公司建成的由一台计算机与分布在全美国的2000多个终端组成的航空订票系统SABRE-1就是这种计算机通信网络。这种以单个计算机为中心的远程联机系统的特点是，除一台计算机外，其余终端都不具自主处理，系统中主要是终端和中心计算机间的通信，也称为“面向终端的计算机网络”。严格地说，它与发展成熟的计算机网络相比，存在着一个根本的区别。

1.1.1.2 将分布在不同的地理位置的计算机通过通信线路连接成的计算机-计算机网络

60年代初，古巴核导弹危机发生，美国和原苏联之间的冷战状态随之升温，核毁灭的威胁成了人们日常生活的话题。在美国对古巴封锁的同时，越南战争爆发，许多第三世界国家发生政治危机。由于美国联邦经费的刺激和公众恐惧心理的影响，“实验室冷战”也开始了。人们认为，能否保持科学技术上的领先地位，将决定战争的胜负。而科学技术的进步依赖于电脑领域的发展。到了60年代末，每一个主要的联邦基金研究中心，包括纯商业性组织、大学，都有了由美国新兴电脑工业提供的最新技术装备的电脑设备。

美国国防部认为，如果仅有一个集中的军事指挥中心，万一这个中心被原苏联的核武器摧毁，全国的军事指挥将处于瘫痪状态，其后果将不堪设想，因此有必要设计一个分散的指挥系统——它由一个个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后其他点仍能正常工作，而这些分散的点又能通过某种形式的通讯网取得联系。

1969年11月，美国国防部高级研究计划管理局（ARPA:Advanced Research Projects Agency）开始建立一个命名为“ARPAnet”的网络。最初的“阿帕网”，由西海岸的4个节点构成（如图1-6所示）。第一个节点选在加州大学洛杉矶分校（UCLA），第二个节点选在斯坦福研究院（SRI），那里有道格拉斯·恩格巴特（D.Engelbart）等一批网络的先驱人物。此外，加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）和犹他大学（UTAH）分别被选为三、四节点。这两所大学都有电脑绘图研究方面的专家和信息处理技术专家。选择这四个结点的一个因素是考虑到不同类型主机联网的兼容性，同时它利用了无限分组交换网与卫星通信网。它主要是基于这样的指导思想：网络必须经受得住故障的考验而维持正常的工作，一旦发生战争，当网络的某一部分因遭受攻击而失去工作能力时，网络的其他部分应能维持正常的通信工作。作为Internet的早期骨干网，ARPAnet的试验并奠定了Internet存在和发展的基础，较好地解决了异种机网络互联的一系列理论和技术问题。

1969年ARPAnet只有4个结点，1973年发展到40个结点，1983年已经达到100多个结点。ARPAnet通过有线、无线与卫星通信线路，使网络覆盖了从美国本土到欧洲与夏威夷的广阔地域。ARPAnet是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对发展计算机网络技术的主要贡献表现在以下几个方面：

（1）完成了对计算机网络的定义、分类与子课题研究内容的描述；

（2）提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念；

（3）研究了报文分组交换的数据交换方法；

（4）采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。

在这之后，世界各地计算机网络的建设如雨后春笋般迅速发展起来：各种研究性网络；为特定的目的自行研制和使用的网络；公共服务或一定范围内联营的网络，如气象检测网，欧洲情报网等；还有为公司的增值服务而研究开发的网络等。这些网络是以资源共享为目的的计算机-计算机网络，我们称之为第二代网络，可以说是具有真正意义上的计算机网络，现在仍然有第二代的网络运行。

1.1.1.3 开放式标准的网络

1974年，IBM公司提出世界上第一个网络体系结构（SNA, IBM Systems Network Architecture），以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构。如：Digital公司的DNA，美国国防部的TCP/IP等，多种网络体系结构并存。其结果是，若采用IBM的结构，只能选用IBM的产品，只能与同种结构的网络互联。20世纪70年代，此阶段各种网络发展迅速，但缺乏共享，各自为政。网络体系结构和协议标准的不统一将限制计算机网络的自身发展，因此，网络体系结构和协议必须走国际标准化的道路。

为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织（ISO, International Organization for Standardization）于1977年成立了一个委员会，在现有网络的基础上，提出了不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互联模型（OSI, open system interconnection）（如图1-7所示）。这样，计算机网络步入了开放的时代，它克服了众多私有网络所带来的困难和低效性。从此以后，计算机网络进一步向互连、高速、智能化方向发展，并获得广泛的应用。

1.1.2 计算机网络的发展阶段的划分

我们从计算机网络的发展来看，一般来讲，计算机网络的发展可分为以下四个阶段：

第一阶段：20世纪50年代，是数据通信技术的研究与发展的阶段，进行技术准备和理论基础研究，将彼此独立的通信技术和计算机技术结合。

第二阶段：20世纪60年代，进行ARPANET与分组交换技术的研究与发展，为INTERNET的形成奠定基础。

第三阶段：20世纪70年代，进行网络体系结构与协议标准化的研究和广域网、局域网以及公用分组交换网的研究与应用。此阶段各种网络发展迅速，但缺乏共享，各自为政。

第四阶段：20世纪90年代到现在，计算机网络进一步向互连、高速、智能化方向发展，并获得广泛的应用。此阶段，Internet技术广泛应用，大力研究与发展网络计算技术、宽带城域网与接入网技术、网络与信息安全技术等。

目前，计算机网络系统的发展趋势是：

（1）开放性方向发展；

（2）一体化方向发展；

（3）多媒体网络方向发展；

（4）高效、安全的网络管理方向发展；

（5）智能化网络方向发展；

（6）高速网络的发展：宽带综合业务数据网、异步传输模式、高速局域网、虚拟网络；

（7）移动互联网高速发展。