1.1 計算機網絡的產生和發展

1.1.1 引言

計算機網絡從20世紀60年代產生至今已取得了突飛猛進的發展，從最初的單主機與數個終端之間的通信到現在全球上千萬臺計算機的互聯；從開始只有每秒鐘幾百比特的數據傳輸速率到今天已能達到每秒鐘上千兆比特的數據傳輸速率；從一些簡單的數據傳輸到今天豐富、復雜的應用，這些變化已經對現代人類的生產、經濟、生活等方面都產生了巨大的影響。特別是過去的20年里，互聯網（Internet）的誕生和發展，使得計算機網絡已成為人類社會的一個基本組成部分。今天互聯網已成為連接全世界幾十億人的通信系統，它連接了大多數國家的各級政府機關、工商企業、各類學校和幾乎所有的科學研究機構及軍事機構，它使處在世界各地的人們通過網絡獲取所需要的各種信息資源和信息服務。

1.1.2 計算機網絡的發展

計算機網絡的發展大致分為以下3個階段。

1.以單計算機為中心的互聯

在20世紀60年代中期以前，計算機的主機昂貴，而通信線路和設備的成本相對較低，為了共享主機資源，人們建立了以單計算機為中心的聯機終端網絡系統，這種聯機終端網絡系統如圖1.1所示。

一臺主機連接若干臺終端，終端一般不具有中央處理器，沒有數據處理能力。主機既要承擔通信工作又要承擔數據處理工作，因此主機的負荷較重，而且效率較低。另外，每一個分散的終端都要單獨占用一條通信線路，線路利用率低。因此，為了提高通信線路的利用率并減輕主機的負擔，該系統使用了多點通信線路、終端集中器以及通信控制處理機。

所謂多點通信線路就是在一條通信線路上串連多個終端，如圖1.2所示，多個終端可以共享一條通信線路與主機進行通信，通信方式采用分時使用通信線路的策略來提高線路的利用率。

終端集中器的主要任務是集中從終端到主機的數據以及分發從主機到終端的數據。采用終端集中器能夠提高遠程高速線路的利用率。

通信控制處理機（CCP）或稱前端處理機（FEP）的作用就是要完成全部的通信任務，讓主機專門進行數據處理，以提高數據處理的效率，如圖1.3所示。

當時，這種網絡的應用范圍極廣，涉及軍事、銀行、航空、鐵路、教育等部門。比較典型的案例是美國航空公司與IBM公司在20世紀60年代初投入使用的飛機訂票系統（SABRE-1）。這個系統由一臺中央計算機與全美范圍內的2000個終端組成，這些終端采用多點線路與中央計算機相連。此外還有美國半自動地面防空系統（SAGE），它將雷達信號和其他信息經遠程通信線路送至中央計算機進行處理，第一次利用計算機網絡實現遠程集中控制。美國通用電氣公司的信息服務系統（GE Information Service）則是世界上最大的商用數據處理網絡，其地理范圍從美國本土延伸至歐洲、澳洲和日本，各終端設備連接到分布于世界上23個地點的75個遠程集中器，遠程集中器又分別連接到16個中央集中器，各主計算機也連接到中央集中器，中央集中器經過50kb/s線路連接到交換機。

2.以多處理機為中心的網絡

從20世紀60年代中期到20世紀70年代中期，隨著計算機技術和通信技術的進步，這個時期已形成了將多個單主機聯機的終端網絡互聯起來，以多處理機為中心的網絡。

以多處理機為中心的網絡主要有2種形式：第一種是通過通信線路將各主機連接起來，并由主機承擔數據處理和通信的雙重任務，如圖1.4（a）所示。

第二種形式是把通信系統從主機當中分離出來，設置專用的通信控制處理機。主機間的通信是通過通信控制處理機的中繼功能來間接實現的，如圖1.4（b）所示。

通信控制處理機負責網上各主機間的通信控制和通信處理，由它們組成帶有通信功能的內層網絡，也稱為通信子網，它是網絡的重要組成部分。在網絡上的主機負責數據處理，它是網絡資源的擁有者，而網絡中所有的主機構成了資源子網，也稱為網絡的外層。通信子網為資源子網提供信息傳輸服務。資源子網上的用戶之間的通信是建立在通信子網的基礎之上的，因此，如果沒有了通信子網，網絡是不能工作的。反之，沒有了資源子網，通信子網也就失去了存在的意義。所以，只有二者的結合才能構成統一的資源共享的網絡。

3.分組交換技術的誕生

隨著以多處理機為中心的網絡技術的不斷發展，網絡用戶不僅可以使用本地計算機上的軟件、硬件和數據資源，也可以通過網絡使用其他計算機上的軟件、硬件與數據資源，以達到資源共享的目的。這一階段研究的典型代表是美國國防部高級研究計劃局（ARPA）的ARPANET，其核心技術是分組交換技術。

在早期的通信系統中，最重要的且應用最廣泛的是電路交換。采用這種方式，計算機網絡中的數據傳輸要經過通信線路。但是，利用電話線路傳送終端的數據會出現新的問題，這是因為在計算機通信時，線路上真正用來傳送數據的時間往往不到10%，有時甚至低于1%。用戶在閱讀屏幕信息或用鍵盤輸入與編輯一份報文時，通信線路實際上是空閑的，浪費了通信線路資源，而用戶的通信費用卻很高。同時，在線路交換中，用于建立通路的呼叫過程對計算機通信來說也太長。線路交互是為語音通信而設計的，打電話的平均時間約為幾分鐘，因此呼叫過程（約10～20s）不算太長。但是，1000bit的數據在2400b/s的線路上傳輸時，需要的時間還不到0.5s。相比之下，呼叫過程占用的時間就太長了。

為了降低成本和提高效率，20世紀60年代中期美國國防部開始著手進行分組交換網的研究工作。分組交換的概念最初是在1964年提出的，到了1969年12月，美國第一個使用分組交換技術的ARPANET投入運行，雖然當時僅有4個結點，但它對分組交換技術的研究起了重要的作用。到20世紀70年代后期，ARPA網絡結點超過60個，主機100多臺，地域范圍跨越了美洲大陸，連通了美國東部和西部的許多大學和研究機構，而且通過通信衛星和夏威夷以及歐洲等地區的計算機網絡相互聯通。

采用分組交換技術的網絡試驗成功，使計算機網絡的概念發生了巨大的變化。早期的聯機終端系統是以單個主機為中心，各終端通過通信線路共享主機的硬件和軟件資源。而分組交換網則以通信子網為中心，主機和終端構成了用戶資源子網。用戶不僅可共享通信子網的資源，而且還可共享用戶資源子網的許多硬件和軟件資源。這種以通信子網為中心的計算機網絡被稱為第二代計算機網絡，其功能比面向終端的第一代計算機網絡的功能有很大的增強。

1.1.3 Internet的快速發展

Internet的前身是ARPANET。1969年12月ARPNET開始投入運行，到1983年， ARPANET已連接了300多臺計算機，供美國各研究機構和政府部門使用。在1984年， ARPANET被分解為2個網絡，一個是民用科研網絡（ARPANET），另一個是軍用計算機網絡（MILNET）。由于這2個網絡都是由許多網絡互聯而成的，因此它們都稱為Internet。

由于ARPANET的成功，美國國家科學基金會（NSF）認識到計算機網絡對科學研究的重要性，因此決定資助建立計算機科學網。從1985年起，NSF就圍繞其6個大型計算機中心建設計算機網絡。1986年，NSF建立了國家科學基金網絡（NSFNET），它是一個三級計算機網絡，分為主干網、地區網和校園網，覆蓋了全美國主要的大學和研究所，NSFNET也和ARPANET相連。最初，NSFNET主干網的數據傳輸速率不高，只有56kb/s。在1989～1990年，NSFNET主干網的數據傳輸速率提高到1.544Mb/s，并且成為Internet中的主要部分。

NSFNET的形成和發展，使它成為Internet中最重要的組成部分。與此同時，許多國家相繼建立本國的主干網并接入Internet，例如加拿大的CANET、歐洲的EBONE和NORDUNET、英國的PIPEX和JANET以及日本的WIDE等。

Internet最初的宗旨是用于支持教育和科研活動，而不是用于商業性的營利活動。1991年，NSF放松了有關Internet使用的限制，開始允許使用Internet進行部分商務活動，例如宣布一些科學研究與教學過程中所使用的新產品和服務，但不允許做廣告。隨著Internet規模的迅速擴大，政府已無法在財政上提供更多的支持，因此決定將Internet的主干網轉交給私人公司來經營，并開始對接入Internet的單位收費。1995年，NSFNET結束了它作為Internet主干網的歷史使命，Internet從學術性網絡轉化為商業性網絡。

Internet已經成為世界上規模最大和增長速度最快的計算機網絡。20世紀90年代，由歐洲原子核研究所組織CERN開發的萬維網（WWW）被廣泛應用在Internet上，大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用，使這一時期成為Internet發展最迅猛的階段，1993年年底WWW站點數目只有627個，而1999年年底已經超過了950萬個，上網用戶則超過2億戶。

1.1.4 Internet的應用和高速網絡技術的發展

隨著Internet的飛速發展，它已滲透到世界科學、文化、經濟和社會發展的各個領域。用戶可以使用Internet來實現全球范圍的電子郵件、WWW信息查詢與瀏覽、電子新聞、文件傳輸、語音與圖像通信服務等功能。實際上，Internet已成為覆蓋全球的信息基礎設施之一。

在Internet飛速發展與廣泛應用的同時，高速網絡的發展也引起了人們越來越多的關注。高速網絡技術的發展主要表現在綜合業務數字網（ISDN）、異步傳輸模式（ATM）、高速局域網、交換局域網與虛擬網絡上。

20世紀90年代以來，世界經濟已經進入了一個全新的發展階段。世界經濟的發展推動著信息產業的發展，信息技術與網絡的應用已成為衡量21世紀綜合國力與企業競爭力的重要標準。1993年9月，美國制定了國家信息基礎設施建設計劃，它被形象地稱為信息高速公路。美國建設信息高速公路的計劃觸動了世界各國，人們開始認識到信息技術的應用與信息產業的發展將會對各國經濟發展產生重要的作用，因此很多國家也紛紛開始制定各自的信息高速公路的建設計劃，對于國家信息基礎設施建設的重要性已在各國形成共識。

建設信息高速公路是為了滿足人們在未來隨時隨地對信息交換的需要，在此基礎上人們相應地提出了個人通信與個人通信網的概念，它將最終實現全球有線網的互聯、郵電通信網與電視通信網的互聯以及固定通信與移動通信的結合。在現有電話交換網（PSTN）、公共數據網（PDN）、廣播電視網、寬帶綜合業務數字網（B-ISDN）的基礎上，利用無線通信、蜂窩移動電話、衛星移動通信、有線電視網等通信手段，最終實現“任何人在任何地方，在任何的時間里，使用任一種通信方式，實現任何業務的通信”。

信息高速公路的服務對象是整個社會，因此，它要求網絡無處不在，未來的計算機網絡將覆蓋所有的企業、學校、科研部門、政府及家庭，其覆蓋范圍可能要超過現有的電話通信網。未來的網絡必須具有足夠的帶寬、很好的服務質量與完善的安全機制，以滿足不同應用的需求。

計算機網絡技術與應用將對21世紀世界軍事、經濟、科技、教育與文化的發展產生重大的影響。