1.1 计算机网络的初步认识

计算机网络是众多计算机借助通信线路连接形成的结果。计算机通过连接的线路相互通信，从而使得位于不同地理位置的人利用电脑可以互相沟通。由于计算机是一种独立性很强的智能化机器系统，因此网络中的多个计算机可以协作沟通以共同完成某项工作。由此可见，计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。

除此以外，计算机网络还可用于共享资源。计算机硬盘和其他存储设备中存储了大量的文字或数据等软件资源，网络中也可接入许多功能性设备（打印机，扫描仪等）等硬件资源，位于计算机网络中的任何计算机都可通过沟通得到这些资源的使用权，并借助通信线路传输指令，获得软件资源，控制硬件资源，由此便达到了共享资源的目的。

1.1.1 计算机网络的定义

计算机网络是将位于不同地理位置并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路系统连接起来，并配以完善的网络软件（网络协议，信息交换方式以及网络操作系统等）来实现网络通信和软、硬件资源共享的计算机集合。简化的计算机网络如图1.1所示。

建立计算机网络的作用是为了使在不同地方的人能够利用计算机网络相互交流和协作，从而共同创造资源和共享资源。例如，一家公司在全国各地拥有诸多公司分部和办事机构，要想使这些部门保持持久联系，可以使用电话、信件、电报等传统的通信方式，这将耗费大量的时间和金钱。但如果把各个部门用计算机网络连接起来，那么他们可以利用本部门的计算机在网络上进行免费的实时通信，并且可以共同协作，交流资源。假如公司要求对全国各地的客户进行产品使用的调查，公司总部可在第一时间将调查项目通过网络传输给各个办事机构，各个办事机构则可一起在网上讨论，将调查项目按照要求分工，从而进行协作以及通过资源共享交流调查数据，最终完成调查工作并将调查数据汇总至公司总部。此公司计算机网络可如图1.2所示。

在计算机网络的定义中需要强调的是，计算机网络一定是计算机的集合。如前面图1.1和图1.2所示，计算机网络除了通信设备和线路系统外，其末端都是一台独立的计算机。网络末端设备通常称为终端。而终端并不一定都是能够独立处理信息的智能化很强的计算机，比如超市里最后为人们计算总价并开票的机器和购买体育彩票时所用的“电脑”都不能算作一台计算机。它们尽管被通信设备和线路系统连接，但它们本身并不独立，只能算做是一个信息输入输出系统。这种哑终端的数据处理实际上通过网络中的中央计算机进行的（图1.3）。哑终端把已经输入的信息传输给中央计算机，中央计算机进行处理，然后把处理好的数据交给哑终端显示，由于中央计算机的性能很好，处理速度很快，所以感觉这些数据是哑终端自己处理一样。有的哑终端甚至只有显示器和键盘。所以网络的终端是计算机的才能被称为计算机网络，而以哑终端构架的网络不属于计算机网络。

1.1.2 计算机网络的发展

1．计算机网络在美国的发展

进入20世纪80年代末以来，在网络领域最引人注目的就是起源于美国的因特网（Internet）的飞速发展。现在，因特网已影响到人们生活的各个方面。那么因特网是怎么产生的，又是怎么发展起来的，下面分别介绍ARPANET、NSFNET及因特网。

（1） ARPANET

在20世纪60年代中期，正是冷战的高峰，美国国防部希望有一个控制网络能在核战争的条件下幸免于难。传统的电路交换电话网络太脆弱，有可能因为损失一条线路或开关，就会终止所有使用它们的会话，甚至终止部分网络。国防部把这个问题指派给其研究部门ARPA （国防部高级研究计划局）来解决。

ARPA的成立是起因于前苏联于1957年发射了人造卫星，它的任务是研究可能用于军事的高技术。ARPA 没有科学家和实验室，它通过资助和合同方式，让技术思想比较先进的公司和大学来完成该项任务。在与多个专家进行一些讨论后，ARPA 认为国防部需要的网络应该是当时比较先进的分组交换网，由子网（接口处理机连接而成）和主机组成。建成的ARPANET 由子网软件、主机协议与应用软件支持。在APRA的支持下，ARPANET 得到了快速成长。随着对协议研究的不断深入，人们发现ARPANET协议不适合于在多个网络上运行，因此最后产生了TCP/IP 模型和协议。TCP/IP 模型是为在互联网上通信而专门设计的。有了TCP/IP 协议，就可以把局域网很容易地连接到ARPANET。到了1983年，ARPANET运行稳定并且很成功，拥有了数百台接口处理机和主机。此时，ARPA 把管理权交给了美国国防部通信局。

在20世纪80年代，其他网络陆续连接到ARPANET。随着规模的扩大，寻找主机的开销太大了，因此域名系统DNS被引入。到了1990年，ARPANET被它自己派生的MILNET网络取代。

（2） NSFNET

20世纪70年代末期，美国国家基金会（NSF）注意到了ARPANET 在大学科研上的巨大影响，为了能连上ARPANET，各大学必须和国防部签合同。由于这一限制，NSF 决定开设一个虚拟网络CSNET，以一台机器为中心，支持拨号入网，并且与ARPANET及其他网络相连。通过CSNET，学术研究人员可以拨号上网发送电子邮件。它虽然简单，但却很有用。

1984年，NSF设计了ARPANET的高速替代网，为所有的大学研究组织开放。主干网是由56 Kbps租用线路连接组成子网，其技术与ARPANET相同，但软件不同，从一开始就使用TCP/IP协议，使它成为第一个TCP/IP广域网。

NSF还资助了一些地区网络，它们与主干网相连，允许数以千计的大学、研究实验室、图书馆、博物馆里的用户访问任何超级计算机，并且相互通信。这个完整的网络包括主干网和地区网，被称为NSFNET，并与ARPANET连通。

NSFNET的第二代主干网络被升级到1.5Mbps。

随着网络的不断增长，NSF意识到政府不能再资助该网络了。1990年，一个非营利机构ANS（高级网络和服务）取代了NSFNET，并把1.5Mbps的线路提升到了45Mbps，从而形成了ANSNET，而它于1995年被出售给了美国在线（America Online）。

（3）因特网（Internet）

当1983年1月1日TCP/IP协议成为ARPANET上唯一的正式协议后，ARPANET上连接的网络、机器和用户数目快速增长。当NSFNET和ARPANET互联后，这些数目以指数级增长。很多地区网络开始加入，并且开始与加拿大、欧洲和太平洋地区的网络连接。

到了20世纪80年代中期，人们开始把互联的网络集看成互联网，就是后来的因特网。在因特网上，如果一台机器能运行TCP/IP协议，有一个IP地址，就可以向因特网上其他主机发送分组，那么它就是在因特网上。许多个人计算机可以通过调制解调器呼叫因特网服务供应商（ISP），获取一个临时的IP地址，并且向其他因特网主机发送分组。

20世纪90年代中期，因特网在学术界、政府和工业研究人员之间已非常流行。一个全新的应用——万维网WWW（World Wide Web）改变了一切，让数以百万计的非学术界的新用户登上了互联网，这也是由于浏览器的出现和超级链接的作用产生的结果。WWW使得一个站点可以设置大量页面，以提供包括文本、图片、声音甚至影像的信息，每页之间都有链接。通过点击链接，用户就可以切换到该链接指向的页面。很快就有了大量的其他页面产生，包括地图、股市行情等。

Internet的成功经验如下。

① 长期不断的政府支持。

美国政府长期支持Internet技术的研究达20多年。终于获得了世界范围的巨大成功，使美国的计算机网络及其应用技术领先于世界任何其他国家，同时也产生了十分巨大的经济利益回报。

② 具有远见的政府决策。

在Internet发展的许多关键时刻，政府的正确决策起到了至关重要的作用。例如：TCP/IP的实验网研究、NSFNET的建立、Internet商业化。另外，在支持Internet的研究过程中，给各研究单位创造出公平竞争、鼓励发展的政策环境也是十分重要的。美国在基础通信方面，先期进行了公平竞争的改革，这为Internet的迅速商业化奠定了很好的基础。

③ 技术先导的示范工程。

通观Internet 的发展历史，人们会发现不同时期的实验研究性示范网络都建立在大学和研究单位。这样做的原因，除了因为大学和研究单位有最强的研究实力外，大学也是为社会培养网络及其应用人才的场所。

④ 开放公开的技术标准。

Internet的技术和标准从一开始就是开放的，也就是说是公开的，为人们了解、参与和开发这种技术奠定了较好的基础。

⑤ 充满活力的企业参与。

从建设时通信公司的积极参与，到发展时IT企业的积极参与和支持，企业在Internet技术的发展过程中扮演了十分重要的角色。从NSFNET、Internet商业化时许多企业大量投资，成为提供骨干网服务的网络服务提供商NSP或提供Internet接入服务的Internet 服务提供商（ISP），反映出现代信息产业中高风险投资的重要趋势。

2．计算机网络在我国的发展

我国最早着手建设计算机广域网的是铁道部。铁道部在1980年即开始进行计算机联网实验；当时的几个节点是北京、济南、上海等铁路局及其所属的11个分局。节点交换机采用的是PDP-11，而网络体系结构为Digtal公司的DNA。铁道部的计算机网络是专用计算机网络，其目的是建立一个在上述地区范围、为铁路指挥和调度服务的运输管理系统。

1987年我国第一封电子邮件出现。

1988年我国产生了电子邮件通信，清华大学校园网采用从加拿大UBC大学（University of British Columbia）引进的采用X400协议的电子邮件软件包，通过X.25网与加拿大UBC大学相连，开通了电子邮件应用；中国科学院高能物理研究所采用X.25协议使该单位的DECnet成为西欧中心DECnet 的延伸，实现了计算机国际远程联网以及与欧洲和北美地区的电子邮件通信。

1989年2月我国第一个公用分组交换网CHINAPAC（或简称CNPAC）通过试运行和验收，达到了开通业务的条件。它由3个分组节点交换机、8个集中器和1个双机组成的网络管理中心组成。这3个分组节点交换机分别设在北京、上海和广州，而8个集中器分别设在沈阳、天津、南京、西安、成都、武汉、深圳和北京的邮电部数据所，网络管理中心设在北京电报局。此外，还开通了北京至巴黎和北京至纽约的两条国际电路。

在20世纪80年代后期，公安部和军队相继建立了各自的专用计算机广域网，这对迅速传递重要的数据信息起着重要的作用。还有一些部门也建立了专用的计算机网络。

除了上述的广域网外，从20世纪80年代起，国内的许多单位都陆续安装了大量的局域网。局域网的价格便宜，其所有权和使用权都属于本单位，因此非常便于开发、管理和维护。局域网的发展很快，它使更多的人能够了解计算机网络的特点，知道在计算机网络上可以做什么，以及如何才能更好地发挥计算机网络的作用。

1990年我国的顶级域名CN通过注册登记，并委托德国卡尔斯鲁厄大学运行CN域名服务器。

1994年3月，中国终于获准加入互联网，并在同年5月完成全部中国联网工作。

目前，我国已建立了四大公用数据通信网，为我国Internet的发展创造了条件。它们是：

① 中国公用分组交换数据通信网（CHINAPAC）。

② 中国公用数字数据网（CHINADDN）。

③ 中国公用帧中继网（CHINAFRN）。

④ 中国公用计算机互联网（CHINANET）。

据2007年7月的统计报告，CHINANET 网络节点间的路由中继由155Mbps 提升到2.5 Gbps，提速16倍，中国国际出口带宽总量为312346Mbps。连接的国家有美国、俄罗斯、法国、英国、德国、日本、韩国和新加坡等。

我国陆续建造了基于因特网技术并可以和因特网互联的10个全国范围的公用计算机网络。

① 中国公用计算机互联网（CHINANET）。

② 中国科技网（CSTNET）。

③ 中国教育和科研计算机网（CERNET）。

④ 中国金桥信息网（CHINAGBN）。

⑤ 中国联通互联网（UNINET）。

⑥ 中国网通公用互联网（CNCNET）。

⑦ 中国移动互联网（CMNET）。

⑧ 中国国际经济贸易互联网（CIETNET）。

⑨ 中国长城互联网（CGWNET）。

⑩ 中国卫星集团互联网（CSNET）。

这些基于因特网的计算机网络技术发展非常快，读者可以在有关网站上查找计算机网络的最新数据。

1.1.3 计算机网络的分类

计算机网络有很多种类，其划分标准也有不同。比如按照技术分类，可分为以太网、令牌环网、X.25网、ATM网等。按照交换功能分类，可分为报文交换网络，分组交换网络，混合交换网络等。按照网络使用者分类有专用网和公用网等。随着网络技术的高速发展，很多种类的网络已经被市场淘汰，现在用的网络都是以太网，数据交换方式为分组交换。因此对于网络种类的划分最常用的是按照其覆盖的地理范围。

按照地理覆盖范围，计算机网络可分为广域网、城域网、局域网和接入网。

1．广域网WAN（Wide Area Network）

广域网的作用范围通常是几十千米到几千千米以上，是覆盖范围最大的一种网络。它可以把不同省份，不同国家，不同地域的计算机或计算机网络连接起来，形成国际性的计算机网络。广域网也是因特网的核心，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据。由于传送距离特别长，广域网的通信设备和线路都有能够高速传输大量信息的特点。广域网一般由国家和大规模的通信公司利用卫星、海底光缆、公用网络等组建。

2．城域网MAN（Metropolitan Area Network）

城域网的覆盖范围仅次于广域网，作用范围是几十千米以内的大量的企业，学校，机关等等。一般人们认为它可以横跨一座城市，也可以是属于一个城市的公用网。当然一个城市的多个教育机构或者多家企业也可以拥有自己的城域网。

3．局域网LAN（Local Area Network）

局域网的作用范围很有限，只有1千米左右。一般只能作用于一个社区、一个企业、一个校园，甚至一栋大楼和一间房子。一个单位可拥有多个局域网。平时所说的校园网，企业网都属于局域网。局域网也是人们日常生活最常见，应用最广泛的计算机网络，本书第4章将详细讲述局域网技术。图1.4所示是最简单的局域网。

4．接入网AN（Access Network）

接入网又称为本地接入网或居民接入网，它也是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术。如电信和网通提供给人们接入因特网的ADSL接入技术，还有FTTX （比如，FTTH光纤到家，FTTZ光纤到社区，FTTC光纤到路边）技术。如图1.5所示，接入网是个人计算机、局域网和城域网之间的接口，它提供的高速接入技术使用户接入到因特网的瓶颈得到某种程度的解决。本书第9章将会详细论述因特网接入技术，本书第11章将会介绍FTTX技术。

如图1.5所示，对任何一个计算机网络，可以用一朵云来表示，这种表示方法是国际上通用的。

全球最大的网络是因特网，它被称为“网络的网络”。因为因特网本身就是由全球数不清的各种计算机网络通过通信设备互连而成，而且接入因特网的计算机网络的数量每天都在增加。其中混合了局域网、城域网、广域网、接入网等网络。各种网络的作用范围如表1.1所示。