1.1 計算機網絡的形成與發展

計算機網絡是計算機技術與通信技術高度發展、緊密結合的產物，網絡技術的進步正在對當前信息產業的發展產生重要的影響。

1.1.1 計算機網絡發展階段的劃分

計算機網絡技術的發展速度與應用的廣泛程度是驚人的。計算機網絡從形成、發展到廣泛應用經歷了近40多年的歷史。縱觀計算機網絡的形成與發展歷史，我們大致可以將它劃分為四個階段：

第一階段可以追溯到20世紀50年代。那時，人們開始將彼此獨立發展的計算機技術與通信技術結合，完成了數據通信技術與計算機通信網絡的研究，為計算機網絡的產生做好了技術準備，并奠定了理論基礎。

第二階段應該從20世紀60年代，美國的ARPANET與分組交換技術談起。ARPANET是計算機網絡技術發展中的一個里程碑，它的研究成果對促進網絡技術發展起到重要的作用，并為Internet的形成奠定了基礎。

第三階段可以從20世紀70年代中期談起。當時，廣域網、局域網與公用分組交換網發展迅速，各計算機廠商紛紛發展自己的計算機網絡，隨之而來的是網絡體系結構與網絡協議的標準化問題。國際標準化組織（ISO，International Standards Organization）在推動開放系統互連參考模型與網絡協議的研究方面做了大量工作，對計算機網絡理論體系的形成與網絡技術的發展起到重要的作用，但它同時也面臨著TCP/IP的嚴峻挑戰。

第四階段要從20世紀90年代談起。這個階段的典型技術是Internet與異步傳輸模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）。Internet作為世界性的信息網絡，在當今經濟、文化、科研、教育等方面發揮越來越重要的作用。以ATM技術為代表的高速網絡技術發展，為全球信息高速公路的建設提供了技術準備。

1.1.2 計算機網絡的形成

任何一種新技術的出現都必須具備兩個條件：強烈的社會需求與先期技術的成熟。計算機網絡技術的形成與發展也證實了這條規律。1946年，世界上第一臺電子數字計算機ENIAC在美國誕生時，計算機技術與通信技術并沒有直接的聯系。20世紀50年代初，由于美國軍方的需要，美國半自動地面防空系統進行了計算機與通信技術相結合的嘗試，將遠程雷達與其他測量設施得到的信息通過長達2.41×106 km的通信線路與一臺IBM計算機連接，進行了集中的防空信息處理與控制。

為了達到這個目的，首先要完成數據通信技術的基礎研究。在這項研究的基礎上，可以將地理位置分散的多個終端通過通信線路連接到一臺中心計算機上。用戶可以在自己辦公室的終端輸入程序，通過通信線路傳送到中心計算機，分時訪問和使用其資源并進行信息處理，處理結果再通過通信線路返回用戶終端顯示或打印。人們把這種以單個計算機為中心的聯機系統稱為面向終端的遠程聯機系統，它是一種典型的計算機通信網絡。20世紀60年代初，美國航空公司建成由一臺主機與分布在全美的2000多個終端組成的航空訂票系統SABRE-1，這也是一種典型的計算機通信網絡。

隨著計算機應用的發展，出現了多臺計算機互連的需求。這種需求主要來自軍事、科研、企業與政府部門，他們希望將分布在不同地點的計算機通過通信線路互連成計算機網絡。網絡用戶可以使用本地計算機的軟件、硬件與數據資源，也可以使用聯網的其他計算機的軟件、硬件與數據資源，以達到計算機資源共享的目的。

這個階段研究的典型代表是美國國防部高級研究計劃局（ARPA，Advanced Research Projects Agency）的ARPANET（通常稱為ARPA網）。1969年，ARPA提出將多個大學、公司和研究所的計算機互連的課題。1969年ARPANET只有4個結點，到1973年ARPANET發展到40個結點，1983年已達到100多個結點。ARPANET通過有線、無線與衛星通信線路，使網絡覆蓋從美國本土到夏威夷甚至歐洲的廣闊地域。

ARPANET是計算機網絡技術發展的一個重要里程碑，它對計算機網絡技術的主要貢獻表現在以下幾個方面：

● 完成了對計算機網絡定義、分類與子課題研究內容的描述。

● 提出了資源子網、通信子網的兩級網絡結構的概念。

● 研究了報文分組交換的數據交換方法。

● 采用了層次結構的網絡體系結構模型與協議體系。

● 促進了TCP/IP協議的發展。

● 為Internet的形成與發展奠定了基礎。

ARPANET的研究成果對世界計算機網絡發展的意義是深遠的。在它的基礎上，20世紀70—80年代計算機網絡發展迅速，這一階段出現了大量的計算機網絡，僅美國國防部就資助建立了多個計算機網絡。同時，還出現了一些研究實驗性的計算機網絡。例如，美國加利福尼亞大學勞倫斯原子能研究所的OCTOPUS、法國信息與自動化研究所的CYCLADES、國際氣象監測網WWWN、歐洲情報網EIN等。

計算機網絡可以按資源子網與通信子網來分別組建。在20世紀70年代中期，世界上開始出現由郵電部門或通信公司組建和管理的公用分組交換網，即公用數據網PDN。早期的公用數據網采用模擬通信的電話交換網，新型的公用數據網則采用數字傳輸技術與分組交換方法。典型的公用分組交換網有：美國的TELENET、加拿大的DATAPAC、法國的TRANSPAC、英國的PSS、日本的DDX等。公用分組交換網為計算機網絡發展提供良好的外部通信條件，它可以為更多的用戶提供數據通信服務。

以上討論的是利用遠程通信線路組建的廣域網。隨著計算機的廣泛應用，局部地區計算機聯網的需求日益強烈。在20世紀70年代初期，一些大學和研究所為實現多臺計算機共同完成科學計算與資源共享的目的，開始了計算機局域網的研究。1972年，美國加州大學建立了Newhall環網；1976年，美國Xerox公司建立了總線拓撲的Ethernet網；1974年，英國劍橋大學建立了Cambridge Ring環網。這些研究成果對20世紀80年代的局域網技術的發展起到了重要作用。

1.1.3 網絡體系結構與協議標準化

隨著網絡技術的發展與計算機網絡的廣泛應用，很多計算機公司開展計算機網絡的研究與產品的開發，同時提出了各種網絡體系結構與網絡協議。例如，IBM公司的SNA（System Network Architecture）、DEC公司的DNA（Digital Network Architecture）與UNIVAC公司的DCA（Distributed Computer Architecture）。

網絡體系結構與網絡協議的研究成果為以后網絡理論體系的形成奠定了基礎，很多網絡系統經過適當的修改與充實后仍在使用。例如，Internet是在ARPANET的基礎上發展起來的。但是，在20世紀70年代后期，人們看到了計算機網絡發展中的問題，網絡體系結構與協議標準的不統一將限制計算機網絡的發展和應用。因此，網絡體系結構與網絡協議必須走國際標準化的道路。

在計算機網絡發展的第三階段中，網絡體系結構與協議標準化的研究取得重大進展。國際標準化組織（ISO）成立了計算機與信息處理標準化技術委員會（TC 97），該委員會專門成立了一個分委員會（SC 16），從事網絡體系結構與網絡協議的國際標準化問題研究。經過多年的努力，ISO正式制定了開放系統互連（OSI，Open System Interconnection）參考模型，即ISO/IEC 7498國際標準。在20世紀80年代，ISO與CCITT等組織為參考模型的各個層次制定了一系列的協議標準，組成了一個龐大的OSI基本協議集。盡管人們對ISO/OSI參考模型的評價褒貶不一，但它對推動網絡體系結構的理論發展有重要作用。

如果說廣域網的作用是擴大信息社會中資源共享的范圍，那么局域網的作用則是進一步增強信息社會中資源共享的深度。局域網是網絡研究與應用的又一個熱點。廣域網與微型計算機的應用推動了局域網技術的發展。在20世紀80年代，局域網技術出現突破性的進展。在局域網領域中，以太網（Ethernet）、令牌總線（Token Bus）、令牌環（Token Ring）形成三足鼎立之勢，并且已經形成了國際標準，采用光纖作為傳輸介質的光纖分布式數字接口（FDDI）在高速主干網應用方面起到了重要的作用。

在20世紀90年代，局域網技術在傳輸介質、操作系統與客戶機/服務器模式等方面取得了重要進展。在Ethernet網絡中，使用非屏蔽雙絞線實現了10Mbps的數據傳輸，并在此基礎上形成了網絡結構化布線技術，使局域網在辦公自動化環境中得到廣泛的應用。NetWare、Windows NT、UNIX與Linux等操作系統的應用，使局域網技術進入成熟的階段。客戶機/服務器模式的應用，使網絡服務功能達到更高的水平；而TCP/IP協議的廣泛應用，則使網絡互連技術發展到一個嶄新的階段。

1.1.4 Internet與高速網絡技術

目前，計算機網絡的發展正處于第四階段。在這個階段中，計算機網絡發展的特點是Internet的廣泛應用與高速網絡技術的迅速發展。

Internet是全球最大和最有影響力的互聯網絡，也是世界范圍的信息資源寶庫。Internet是通過路由器實現多個廣域網和局域網互連的大型網際網，它對推動科學、文化、經濟和社會的發展有不可估量的作用。如果用戶將自己的計算機連入Internet，便可以在這個信息資源寶庫中漫游。Internet中的信息資源涉及商業、金融、政府管理、醫療衛生、科研教育、休閑娛樂等方面。用戶可以使用Internet提供的WWW、電子郵件與FTP服務，也可以通過Internet與未謀面的網友聊天，或在Internet上發表自己的見解或尋求幫助。

在20世紀90年代，世界經濟已進入一個全新的發展階段。世界經濟的發展推動信息產業的發展，信息技術與網絡應用已成為衡量綜合國力與企業競爭力的重要標準。在1993年9月，美國宣布國家信息基礎設施（NII，National Information Infrastructure）建設計劃，NII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應用與信息產業發展將對各國經濟發展有重要作用，因此很多國家開始制定各自的信息高速公路建設計劃。在1995年2月，全球信息基礎設施委員會（GIIC，Global Information Infrastructure Committee）成立，目的是推動與協調各國信息技術與信息服務的發展與應用。在這種情況下，全球信息化的發展趨勢已經不可逆轉。

未來的計算機網絡將覆蓋所有企業、學校、科研機構、政府與家庭，其覆蓋范圍可能超過現有的電話通信網。為了支持各種類型信息的傳輸，多媒體、視頻會議等應用對網絡傳輸的實時性要求很高，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，以滿足電子政務、電子商務、遠程教育、遠程醫療、分布式計算、數字圖書館與視頻點播等不同應用的需求。

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更多的關注。高速網絡技術的發展主要表現在寬帶綜合業務數字網（B-ISDN）、異步傳輸模式（ATM）、高速局域網、交換式局域網與虛擬局域網。B-ISDN與ATM屬于廣域網技術，它們是由電話公司提出和研究的，目標是建立能傳輸語音、視頻與數據的全球公共數據網絡。

以高速以太網為代表的高速局域網技術發展迅速。在傳輸速率為10Mbps的以太網廣泛應用的基礎上，速率為100Mbps與1Gbps的快速以太網、千兆位以太網已開始進入實用階段，而傳輸速率為10Gbps的以太網正在研究中。同時，交換式局域網與虛擬局域網技術發展迅速。基于光纖與IP技術的寬帶城域網與寬帶接入網技術已成為當前研究、應用與產業發展的熱點。

Internet的廣泛應用和高速網絡技術的快速發展，使得網絡計算技術將成為未來幾年的重要研究領域。移動計算網絡、網絡多媒體計算、網絡并行計算、網格計算、存儲區域網絡與網絡分布式對象計算等正在成為新的網絡研究熱點。

為了有效地保護金融、貿易等商業秘密，保護政府機要信息與個人穩私，網絡必須具有足夠的安全機制，以防止信息被非法竊取、破壞與丟失。隨著對網絡技術與基于網絡的信息系統的依賴程度越來越高，人們對網絡與信息安全的需求越來越強烈。網絡與信息安全的研究正在引起社會的重視，并成為研究、應用和產業發展的重點問題。

1.1.5 寬帶網絡與全光網絡技術

1.寬帶網絡的建設

寬帶網絡的建設正在全球范圍內掀起高潮，很多國家的政府與企業投入巨額資金，將寬帶網絡作為戰略產業來發展。從2000年到2003年，全世界的政府與電信公司投資300億美元用于寬帶網建設。近年來，世界各大電信運營商紛紛進行大規模的戰略重組，同時采用寬帶網絡技術建設新的基礎性電信網絡，或是用寬帶技術改造了現有的網絡。寬帶網絡在基礎設施、網絡產品、信息服務等多個層面上提供了巨大的市場機會。寬帶網絡的發展為新的網絡服務運營商提供了發展空間，從而也帶動了網絡產業的結構調整。

寬帶網絡是相對于傳統網絡而言的，它是具備較高數據傳輸速率和數據吞吐量的新一代網絡。寬帶網絡可分為寬帶骨干網和寬帶接入網兩個部分，因此寬帶網絡建設的兩個關鍵技術是骨干網和接入網技術。

寬帶骨干網又被稱為核心網絡，它是基于光纖通信系統的，能實現大范圍（在城市之間和國家之間）的數據流傳送。這些網絡通常采用高速傳輸網絡、高速交換設備（如大型交換機和交換路由器）。寬帶骨干網是指傳輸速率達到2Gbps的骨干網。人們對可視電話、視頻點播等寬帶業務的需求，大大推動了光纖通信與同步數字體系（SDH，Synchronous Data Hierarchy）技術的發展。

隨著通信技術的迅猛發展，運營商和用戶對電信網提出了更高的要求。1988年，在同步光網絡（SONET，Synchronous Optical Network）標準的基礎上，ITU-T形成一套完整的同步數字系列SDH標準，使這種適用于光纖傳輸的體系成為世界通用的光接口標準。在SDH的基礎上，可以建成靈活、可靠、能遠程監控的國家或世界級的電信傳輸網。這個傳輸網可以很方便地擴展新業務，還可以使不同廠家生產的設備互通使用。

近年來，ITU-T已正式采用用戶接入網（簡稱接入網）的概念。接入網需要覆蓋所有類型的用戶。為了提高接入網的帶寬，改善傳輸性能，各個電信設備制造商已開始研究利用各種傳輸介質和數字信號處理技術的多種接入技術。寬帶接入技術可以分為有線接入和無線接入兩種。隨著無線接入技術的發展，寬帶無線接入技術已成為一種新的、不可忽視的寬帶接入技術。根據傳輸介質的不同，寬帶有線接入技術可以分為銅纜接入技術和光纖接入技術。目前，采用的接入技術主要有以下幾種：數字用戶環路（xDSL）、光纖同軸電纜混合（HFC）網、光纖接入、無線接入與局域網接入技術等。

2.全光網絡的研究

隨著人們對信息的需求與日俱增，Internet業務正呈指數規律逐年增長。視頻點播（VOD）、可視電話、數字圖像（DVD）、高清晰度電視（HDTV）等寬帶業務迅速擴大，電子商務、遠程教育、遠程醫療、家庭辦公等正在蓬勃發展，這些都必須依靠完善的網絡。如果完全依靠現有的網絡結構，必然會造成業務擁擠和帶寬“枯竭”，因此人們希望看到全光網絡的誕生。

全光網（AON，All Optical Network）以光結點取代現有網絡的電結點，并用光纖將光結點互連成網絡，利用光波完成信號的傳輸、交換等功能，克服了現有網絡在傳輸和交換時的瓶頸問題，減少信息傳輸的擁塞，提高網絡的吞吐量。隨著信息技術的發展，全光網已經引起人們極大的興趣，一些發達國家已開始研究全光網的關鍵技術、設備、部件與材料等。美國的全光網絡計劃包括：ARPA一期計劃中的ONTC、AON等。歐洲與美國一起進行的全光網絡計劃包括：歐洲先進通信研究與技術發展RACE、先進通信技術與業務ACTS，以及ARPAⅡ全球網計劃。ITU-T也在抓緊研究有關全光網絡的建設。全光網已被認為是未來通信網向寬帶、大容量發展的首選方案。