1.1 计算机网络的形成与发展

1.1.1 计算机网络的形成过程

任何一种新技术的出现都必须具备两个条件：强烈的社会需求与先期技术的成熟。计算机网络技术的形成与发展也证实了这条规律。

一般来讲，计算机网络的发展可分为四个阶段。

第一阶段：计算机技术与通信技术相结合，形成了传统意义上的计算机网络，主要特征为单主机的远程联机系统。

第二阶段：在计算机通信网络的基础上，完成网络体系结构与协议的研究，形成了现代意义上的计算机网络，主要特征为以资源共享为目的的多主机、多终端的互联通信网络。

第三阶段：在解决计算机联网与网络互联标准化问题的背景下，提出开放系统互联参考模型与协议，形成了现代意义上标准化的计算机网络，促进了符合国际标准的计算机网络技术的发展，主要特征为面向全球的开放式、标准化计算机网络。

第四阶段：计算机网络向互联、高速、智能化方向发展，并获得广泛的应用，主要特征为面向更多新应用的高速、智能化的计算机网络。

1.1.2 单主机远程联机系统

1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系。20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）进行了计算机技术与通信技术相结合的尝试。它将远程雷达与其他测量设施测到的信息通过总长度241千米的通信线路与一台IBM计算机连接，进行集中的防空信息处理与控制。要达到这样的目的，首先要完成数据通信技术的基础研究。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输入程序，通过通信线路传送到中心计算机，分时访问和使用其资源进行信息处理，处理结果再通过通信线路回送到用户终端显示或打印。人们把这种以单个计算机为中心的联机系统称作面向终端的远程联机系统。

当时，计算机主机价格很高，而通信线路和通信设备的价格相对较低，为了共享主机资源和进行信息的采集及综合处理，联机终端网络成为一种主要的系统结构形式，这种以单计算机为中心的远程联机系统如图1-1所示。

单处理机联机的网络已涉及多种通信技术、多种数据传输设备和数据交换设备等。从计算机技术上来看，这是由单用户独占一个系统发展到分时多用户系统，即多个终端用户分时占用主机上的资源，这种结构被称为第一代网络。在单处理机联机网络中，主机既要承担通信工作又要承担数据处理工作，因此，主机的负荷较重，且效率低。另外，每一个分散的终端都要单独占用一条通信线路，线路利用率低，且随着终端用户的增多，系统费用也在增加。因此，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，便使用了多点通信线路、集中器以及通信控制主机。

多点通信线路就是在一条通信线路上连接多个终端，如图1-2所示，多个终端可以共享同一条通信线路与主机进行通信。由于主机与终端间的通信具有突发性和高带宽的特点，所以各个终端与主机间的通信可以分时地使用同一高速通信线路。相对于每个终端与主机之间都设立专用通信线路的配置方式，这种多点通信线路能极大地提高信道的利用率。

通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP）或称前端处理机（Front End Processor，FEP）的作用就是要完成全部的通信任务，让主机专门进行数据处理，以提高数据处理的效率，如图1-3所示。

图1-3就是为减轻中心计算机的负载，在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理机（FEP）或通信控制处理机（CCP），专门负责与终端之间的通信控制，使数据处理和通信控制分开。在终端机较集中的地区，集中管理器（集中器或多路复用器）用低速线路把附近群集的终端连起来，通过Modem及高速线路与远程中心计算机的前端机相连。这样的远程联机系统既提高了线路的利用率，又节约了远程线路的投资。

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。

1.1.3 多主机互联系统

随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互联的需求。这种需求主要来自军事、科学研究、地区与国家经济信息分析决策、大型企业经营管理等。用户希望将分布在不同地点的计算机通过通信线路互联成为计算机网络。网络用户可以通过计算机使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，也可以使用联网的其他地方的计算机软件、硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。这一阶段研究的典型代表是美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）的ARPAnet（通常称为ARPA网）。1969年，美国国防部高级研究计划局提出将多个大学、公司和研究所的多台计算机互联的课题。1969年ARPA网只有4个节点，1973年发展到40个节点，1983年已经达到100多个节点。ARPA网通过有线、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。ARPA网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。

ARPA网络研究成果对推动计算机网络发展的意义是深远的。在它的基础之上，20世纪七八十年代计算机网络发展十分迅速，出现了大量的计算机网络，仅美国国防部就资助建立了多个计算机网络。同时还出现了一些研究试验性网络、公共服务网络、校园网，例如，美国加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究所研究的OCTOPUS网、法国信息与自动化研究所的CYCLADES网、国际气象监测网（WWWN）、欧洲情报网（EIN）等。

计算机网络的资源子网与通信子网的结构使网络的数据处理与数据通信有了清晰的功能界面。计算机网络可以分成资源子网与通信子网来组建。通信子网可以是专用的，也可以是公用的。为每一个计算机网络都建立一个专用通信子网的方法显然是不可取的，因为专用通信子网造价很高，线路利用率很低，重复组建通信子网投资很大，同时也没有必要。随着计算机网络与通信技术的发展，20世纪70年代中期，世界上便出现了由国家邮电部门统一组建和管理的公用通信子网，即公用数据网（PDN）。早期的公用数据网采用模拟通信的电话通信网，新型的公用数据网采用数字传输技术和报文分组交换方法。典型的公用分组交换数据有美国的TELENET、加拿大的DATAPAC、法国的TRANSPAC、英国的PSS、日本的DDX等。公用分组交换网的组建为计算机网络的发展提供了良好的外部通信条件。

以上所讲的是利用远程通信线路组建的远程计算机网络，也称为广域网（Wide Area Network，WAN）。随着计算机的广泛应用，局部地区计算机联网的需求日益强烈。20世纪70年代初，一些大学和研究所为达成实验室或校园内多台计算机共同完成科学计算和资源共享的目的，开始了局部计算机网络的研究。1972年美国加利福尼亚大学研制了Newhall环网；1974年英国剑桥大学研制了Cambridge ring环网；1976年美国Xerox公司研究了总线拓扑的实验性Ethernet网。这些都为20世纪80年代多种局部网产品的出现提供了理论研究与技术实现的基础，对局部网络技术的发展起到十分重要的作用。

与此同时，一些大的计算机公司纷纷开展了计算机网络研究与产品开发工作，提出了各种网络体系结构与网络协议，如IBM公司的SNA（System Network Architecture）、DEC公司的DNA（Digital Network Architecture）与UNIVAC公司的DCA（Distributed Computer Architecture）。

计算机网络发展第二阶段所取得的成果对推动网络技术的成熟和应用极其重要，它研究的网络体系结构与网络协议的理论成果为以后网络理论的发展奠定了基础。很多网络系统经过适当修改与充实后仍在广泛使用。目前，国际上应用广泛的Internet网络就是在ARPA网的基础上发展起来的。但是，20世纪70年代后期人们已经看到计算机网络发展中出现的危机，那就是网络体系结构与协议标准的不统一限制了计算机网络自身的发展和应用。网络体系结构与网络协议标准必须走国际标准化的道路。

1.1.4 标准化计算机网络

计算机网络发展的第三阶段是加速体系结构与协议国际标准化的研究与应用。国际标准化组织（ISO）的计算机与信息处理标准化技术委员会（TC97）成立了一个分委员会（SC16），研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题。经过多年卓有成效的工作，ISO正式制定、颁布了“开放系统互联参考模型”（Open System Interconnection Reference Model，OSI RM），即ISO/IEC 7498国际标准。ISO/OSI RM已被国际社会所公认，成为研究和制定新一代计算机网络标准的基础。20世纪80年代，ISO与国际电话电报咨询委员会（CCITT）等组织为参考模型的各个层次制定了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本协议集。我国也于1989年在《国家经济系统设计与应用标准化规范》中明确规定将OSI标准作为我国网络建设标准。ISO/OSI RM及标准协议的制定和完善正在推动计算机网络朝着健康的方向发展。很多大的计算机厂商相继宣布支持OSI标准，并积极研究和开发符合OSI标准的产品。各种符合OSI RM与协议标准的远程计算机网络（广域网，WAN）、局部计算机网络（局域网，LAN）与城市地区计算机网络（城域网，MAN）已开始广泛应用。随着研究的深入，OSI标准日趋完善。

1.1.5 计算机网络的发展

目前，计算机网络的发展正处于第四阶段。这一阶段计算机网络发展的特点是：互联、高速、智能与更为广泛的应用。

Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，对用户来说，它像是一个庞大的远程计算机网络。用户可以利用Internet实现全球范围的电子邮件、电子传输、信息查询、话音与图像通信服务功能。实际上Internet是一个用路由器（Router）实现多个广域网和局域网互联的网际网，截至2018年6月，仅中国网民规模就达8.02亿，互联网普及率为57.7%。其中，中国手机网民规模达7.88亿。而通过台式计算机、便携式计算机和平板电脑接入互联网的比例均有下降。

计算机网络技术对世界经济、教育、科技、文化的发展产生了重要影响。至今，互联网形成了一个覆盖全球的、高速的、稳定的信息高速公路，为物联网奠定了基础。