1.1 计算机网络发展概述

1.1.1 早期的计算机网络

自从有了计算机，就有了计算机技术与通信技术的结合。早在1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为SAGE的半自动化地面防空系统。该系统最终于1963年建成，被认为是计算机和通信技术结合的先驱。

计算机通信技术应用于民用系统方面，最早的当数美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初开始联合研究，20世纪60年代初投入使用的飞机订票系统SABRE-I。美国通用电气公司的信息服务系统则是世界上最大的商用数据处理网络，其地理范围从美国本土延伸到欧洲、澳洲和日本。该系统于1968年投入运行，具有交互式处理和批处理能力。由于地理范围大，可以利用时差达到资源的充分利用。

在这一类早期的计算机通信网络中，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，已经使用了多点通信线路、终端集中器以及前端处理机。这些技术对以后计算机网络的发展有着深刻的影响。多点线路连接的终端和主机间的通信建立过程，可以用主机对各终端轮询或由各终端连接成雏菊链的形式实现。考虑到远程通信的特殊情况，对传输的信息还要按照一定的通信规程进行特别处理。

1.1.2 计算机网络的发展

随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机网络也经历了从简单到复杂，从单机到多机的发展过程。其演变过程主要可分为面向终端的计算机网络、计算机通信网络、计算机互联网络和高速互联网络四个阶段。

1. 面向终端的计算机网络

第一代计算机网络是面向终端的计算机网络。面向终端的计算机网络又称为联机系统，建于20世纪50年代初，由一台主机和若干台终端组成。较典型的有1963年美国空军建立的半自动化地面防空系统（SAGE），其结构如图1-1所示。在这种联机方式中，主机是网络的中心和控制者，终端（键盘和显示器）分布在各处，并与主机相连；用户通过本地终端使用远程主机。

分布在不同办公室，甚至不同地理位置的本地终端或者远程终端，通过公共电话网及相应的通信设备与一台计算机相连，并登录到计算机上，使用该计算机上的资源。这就是早期的通信技术与计算机技术的结合。这种具有通信功能的单机系统（见图1-2（a））或多机系统（见图1-2（b））被称为第一代计算机网络——面向终端的计算机通信网，也是计算机网络的初级阶段。从严格意义上来讲，这不能算是一个计算机网络，但它将计算机技术与通信技术结合起来，可以让用户以终端方式与远程主机进行通信，所以我们视它为计算机网络的雏形。

这里的单机系统是一台主机与一台或多台终端连接，在每台终端和主机之间都有一条专用的通信线路。当这种简单的单机联机系统连接大量的终端时，存在两个明显的缺点：一是主机系统负担过重；二是线路利用率低。为了提高通信线路的利用率和减轻主机的负担，在具有通信功能的多机系统中使用了集中器和前端机（Front End Processor，FEP）。集中器用于连接多台终端，让多台终端公用同一条通信线路，与主机通信。前端机放在主机的前端，承担通信处理功能，以减轻主机的负担。

2. 计算机通信网络

第二代计算机网络是以共享资源为目的的计算机通信网络。面向终端的计算机网络只能在终端和主机之间进行通信，不同的主机之间无法通信。从20世纪60年代中期开始，出现了多主机互联的系统，可以实现计算机和计算机之间的通信。真正意义上的计算机网络应该是计算机与计算机的互联，即通过通信线路将若干台自主的计算机连接起来的系统，称之为计算机－计算机网络，简称计算机通信网络。

计算机通信网络在逻辑上可分为两大部分：通信子网和资源子网。二者共同构成以通信子网为核心，以资源共享为目的的计算机通信网络，如图1-3所示。用户通过终端不仅可以使用与其直接相连的主机上的软、硬件资源，还可以通过通信子网共享网络中其他主机上的软、硬件资源。计算机通信网络的最初代表是美国国防部高级研究计划局开发的ARPANET，它也是如今Internet的雏形。

（1）资源子网

资源子网由主计算机系统、终端、联网外设、终端控制器、各种软件资源以及信息资源组成。资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。资源子网实际上主要是运行用户应用程序的主机，主机为用户所拥有。

主计算机系统简称为主机（Host），它可以是大型机、中型机或小型机。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相互连接。普通用户终端通过主机接入网内。主机要为本地用户访问网络的其他主机设备与资源提供服务，同时要为网络中远程用户共享本地资源提供服务。

终端（Terminal）是用户访问网络的界面。终端可以是简单的输入输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端。智能终端除具有输入输出信息的功能外，本身还具有存储与处理信息的能力。终端可以通过主机连入网内，也可以通过终端控制器、报文分组组装与拆卸装置或通信控制处理机联入网内。

（2）通信子网

通信子网由通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP）、通信线路和其他通信设备组成，完成网络数据传输和转发等通信处理任务。通信子网主要由两个独立的部分组成：通信线路（也称传输线，Transmission Line）和通信控制处理机（也称交换单元，Switching Element）。通信子网一般由电信公司或者Internet服务提供商所拥有。将一个网络划分为资源子网和通信子网的方法同样适用于现代广域网络。

通信控制处理机是指一种特殊的计算机，它连接了两条甚至更多条通信线路，当数据在一条进线上到达时，通信控制处理机必须选择一条出线，以便将数据转发出去。这些交换计算机在过去有许多不同的名字，其中“路由器（Router）”是目前使用最普遍的名字。通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点。一方面，它作为与资源子网的主机、终端相连接的接口，将主机和终端接入网内；另一方面，它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的功能。

通信线路为通信控制处理机与通信控制处理机、通信控制处理机与主机之间提供通信信道。计算机网络采用了多种通信线路，如双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信信道等。

3. 计算机互联网络

随着广域网与局域网的发展以及微型计算机的广泛应用，使用大型机与中型机的主机－终端系统模式逐渐减少，网络结构发生了巨大的变化。大量的微型计算机通过局域网接入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互联是通过路由器实现的。用户计算机需要通过校园网、企业网或Internet服务提供商（Internet Services Provider，ISP）接入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的、具有层次结构的大型现代计算机网络，即互联网络。它是第三代计算机网络，是第二代计算机网络的延伸。图1-4给出了计算机互联网络的简化结构示意图。

（1）广域网的发展

广域网的发展是从ARPANET的诞生开始的。ARPANET是第一个分组交换网络，它的出现标志着以资源共享为目的的计算机网络的诞生。这一时期美国许多计算机公司开始大力发展计算机网络，纷纷推出自己的产品和结构。例如1974年IBM公司推出“系统网络体系结构SNA”，1975年DEC公司提出“分布式网络体系结构”。

当时，网络应用也正在向各行各业甚至于个人普及和发展，发展网络的需求十分迫切。这就促进了计算机网络的发展，使许多国家加强了基础设施的建设，开始建设公用数据网。早期的公用数据网是采用模拟的公用交换电话网。通过调制解调器（Modem），将计算机的数字信号调制为模拟信号，经由交换电话网传送给另一端的Modem，通过解调再将模拟信号恢复为数字信号，被计算机接收，完成通信。后来又发展为公用数据网，典型的公用数据网有：美国的Telnet、日本的DDX、加拿大的DATAPAC，以及我国于1993年和1996年分别开通的公用数据网China PAC和提供数字专线服务的DDN。这些都为广域网的发展提供了通信基础。公用数据网在20世纪70年代到80年代期间得到了很大的发展，并且随着计算机网络技术的发展和网络应用需求的增加，广域网又发展出了诸如帧中继（Frame Relay）、综合业务数字网（ISDN）、交换多兆位数据服务（SMDS）等公用数据网。这些公用数据网的诞生与发展极大地促进了广域网的发展。当前，由于光纤介质的不断普及，直接在光纤介质上传输数据和波分多路复用的技术（WDM）已开始被广泛使用。这使得广域网的发展进入了一个新的历史时期，大大提高了广域网的数据传输速率。

（2）局域网的发展

早期的计算机网络大多为广域网，局域网的出现与发展是在20世纪70年代出现了个人计算机（Personal Computer，PC）以后。20世纪80年代，由于PC机性能不断提高，价格不断降低，计算机从“专家”群里走入“大众”之中，应用从科学计算走入事务处理，使得PC机大量地进入各行各业的办公室，甚至家庭。这时，个人计算机得到了蓬勃发展。由于个人计算机的大量涌现和广泛分布，基于信息交换和资源共享的需求也就更加迫切。人们要求一栋楼或一个部门的计算机能够互联，于是局域网（Local Area Network，LAN）应运而生了。

（3）网络互联与标准化

计算机广域网和局域网大多是由研究部门、大学或计算机公司自行开发研制的。它们没有统一的体系结构和标准，各个厂家生产的计算机产品和网络产品无论在技术上还是在结构上都有很大的差异，从而造成不同厂家生产的计算机及网络产品很难兼容，这给用户的使用带来极大的不便，同时也约束了计算机网络的发展，于是统一网络标准提到了议事日程上来。这个时期各个计算机网络公司都纷纷研究和开发自己的计算机网络体系结构和协议，例如，IBM公司于1974年公布了“系统网络体系结构”，DEC公司于1975年公布了“分布式网络体系结构”等。

1977年国际标准化组织（ISO）为适应网络标准化的发展趋势，在研究分析当时已有的网络结构经验的基础上，开始研究“开放式系统互联”（OSI）问题。ISO于1984年公布了“开放系统互联基本参考模型”的正式文件，即OSI参考模型（Open System Interconnection/Reference Model）。目前OSI参考模型已被国际社会广泛认可。它推动了计算机网络理论与技术的发展，对统一网络体系结构和协议并实现不同网络之间的互联起到了积极的作用。从此，计算机网络进入了标准化网络阶段。图1-5是通过租用电信部门的数据通信网络互联起来的局域网示意图。

（4）Internet

全世界出现了不计其数的局域网、广域网，如何将它们连接起来，以便达到扩大网络规模和实现更大范围的资源共享，Internet的出现正好解决了这个问题。Internet称为因特网或互联网，是全球规模最大，覆盖面积最广的公共互联网络。Internet自产生以来就呈现出爆炸式的发展。

4. 高速互联网络

进入20世纪90年代，随着计算机网络技术的迅猛发展，特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施（National Information Infrastructure，NII）后，全世界许多国家都纷纷制定和建立本国的NII，从而极大地推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络的发展进入了一个崭新的阶段。这就是第四代计算机网络，即高速互联网络阶段。

通常意义上的计算机互联网络是通过数据通信网络实现数据通信和资源共享的。此时的计算机网络，基本上以电信网作为信息的载体，即计算机通过电信网络中的X.25网、DDN网、帧中继网等传输信息，如图1-5所示。

随着互联网的迅猛发展，人们对远程医疗、远程教学、视频会议等多媒体应用的需求大幅度增加。这样，以传统电信网络为信息载体的计算机互联网络就不能满足人们对网络速度的要求，促使网络由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带方向迅速发展，即由传统的计算机互联网络向高速互联网络发展。

如今，以IP技术为核心的计算机网络（信息网络，也称高速互联网络）将成为网络（电信网络和计算机网络）的主体，信息传输和数据传输将成为网络的主要业务。一些传统的电信业务也将在信息网络上开通，但其业务量只占信息业务的很小一部分。

目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。与第三代计算机网络相比，第四代计算机网络的特点是：业务的综合化和网络的高速化。网络高速化有两个特征：宽带网络和高速传输。使用光纤等高速传输介质和高速网络技术，可实现网络的高传输速率；快速交换技术可保证传输的低延时。网络业务综合化是指一个网络中综合了多种媒体（如语音、视频、图像和数据等）的信息。业务综合化的实现依赖于多媒体技术。

1.1.3 计算机网络发展趋势

计算机网络的发展方向是IP技术+光网络，光网络将演化为全光网络。从接入的层面上来看，将是一个有线和无线相结合的多元化世界；从传送的层面上看，将是一个光的世界；从网络服务的层面上看，将是一个IP的世界，通信网络、计算机网络和有线电视网络将通过IP三网合一。

1. 三网合一

目前广泛使用的网络有通信网络、计算机网络和有线电视网络。随着技术的不断发展，新的业务不断涌现，新旧业务不断融合，作为其载体的各类网络也将不断融合，使目前广泛使用的三类网络逐渐向单一、统一的IP网络发展，即所谓的“三网合一”。

在IP网络中可将数据、语音、图像、视频均归结到IP数据包中。通过分组交换和路由技术，采用全球性寻址使各种网络无缝连接。IP协议将成为各种网络、各种业务的“共同语言”，实现所谓的Everything over IP。

实现“三网合一”并最终形成统一的IP网络后，传递数据、语音、视频只需要建造、维护一个网络，简化了管理，也会大大地节约开支，同时可提供集成服务，方便了用户。可以说“三网合一”是网络发展的一个最重要的趋势。

2. 光通信技术

光通信技术已有30年的历史。随着光器件、各种光复用技术和光网络协议的发展，光传输系统的容量已从Mbps级发展到Tbps级，提高了近100万倍。

光通信技术的发展主要有两个大的方向：一是主干传输向高速率、大容量的光传送网（OTN，Optical Transport Network）发展，最终实现全光网络；二是向低成本接入、综合接入、宽带化光纤接入网发展，最终实现光纤到家庭和光纤到桌面。全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，不再需要经过光/电、电/光变换，即信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。

3. IPv6协议

TCP/IP协议族是互联网的基石之一，而IP协议是TCP/IP协议族的核心协议，是TCP/IP协议族中网络层的协议。目前IP协议的版本为IPv4。IPv4的地址位数为32位，即理论上约有42亿个地址。随着互联网应用的日益广泛和网络技术的不断发展，IPv4的问题也逐渐显露出来，主要有路由表急剧膨胀、地址资源枯竭、对网络安全和多媒体应用的支持不够等。

IPv6是下一版本的IP协议，也可以说是下一代IP协议。IPv6采用128位的地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。理论上约有3.4×1038个IP地址，而地球的表面积以厘米为单位也仅有5.1×1018cm2，即使按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，每个平方厘米面积上也可分配到若干亿个IP地址。IPv6 除一劳永逸地解决了地址短缺问题外，同时也解决了IPv4中的其他缺陷，主要有端到端IP连接、移动性、安全性、多播、服务质量（QoS）、即插即用等。

4. 宽带接入技术

计算机网络必须要有宽带接入技术的支持，各种宽带服务与应用才有可能开展。因为只有接入网的带宽瓶颈问题被解决，才能真正发挥骨干网和城域网的容量潜力。尽管当前宽带接入技术有很多种，但只要是不和光纤或光结合的技术，就很难在下一代网络中应用。目前光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）的成本已下降至可以被网络用户所接受的程度。这里涉及到两个新技术，一个是自由空间光系统（Free Space Optical，FSO）；另一个是基于以太网的无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）的光纤到户技术。

FSO技术是通过大气而不是光纤传送光信号，是光纤通信与无线电通信的结合。FSO技术能提供接近光纤通信的速率，例如可达到1 Gbps。既在无线接入带宽上有了明显的突破，又不需要在稀有资源无线电频率上有很大的投资，因为不要许可证。FSO和光纤线路比较，系统不仅安装简便，安装时间少很多，而且成本也低很多。FSO现已在企业和居民区得到应用，但是和固定无线接入一样，易受环境因素干扰。

由EPON支持的光纤到户，正在异军突起。它能支持Gbps的数据传输速率，并且不久的将来成本会降到与数字用户线路（Digital Subscriber Line，DSL）和光纤同轴电缆混合网（Hybrid Fiber Cable，HFC）相同的水平。

5. 移动通信系统技术

3G系统比现用的2G和2.5G系统传输容量更大，灵活性更高。它以多媒体业务为基础，已形成很多的标准，并将引入全新的商业模式。3G以上包括后3G、4G，乃至5G系统，它们更是以宽带多媒体业务为基础，使用更高的带宽，传输容量也会更上一层楼。它们可在不同的网络间无缝连接，提供满意的服务质量；同时网络也可以自行组织，终端可以重新配置和随身携带，是一个包括卫星通信在内的端到端IP系统，可与其他技术共享一个IP核心网。这些都是构成下一代移动互联网的基础设施。随着移动通信和网络技术的发展，在任何时间、任何地点都能接入网络，以获取所需的信息，已成为人们的普遍需求，也成为网络的发展方向之一。而移动计算技术将满足这种需求。移动计算技术将使得计算机或其他信息设备在没有与固定的物理连接设备相连的情况下接入网络并传输数据和信息。移动通信需要解决传输层的可靠性、实时性和安全性问题，以及网络层的路由问题，也需要数据链路层的移动组网技术和物理层的无线通信技术的支持。移动计算技术经过几年的推进和发展，其标准和产品已日渐成熟，应用也日益广泛。移动计算技术的应用在许多领域获得了巨大的成功，并涌现出许多令人耳目一新的系统设备。