1.1 计算机网络的产生和发展
1.1.1 引言
计算机网络从20世纪60年代产生至今已取得了突飞猛进的发展，从最初的单主机与数个终端之间的通信到现在全球上千万台计算机的互联；从开始只有每秒钟几百比特的数据传输速率到今天已能达到每秒钟上千兆比特的数据传输速率；从一些简单的数据传输到今天丰富、复杂的应用，这些变化已经对现代人类的生产、经济、生活等方面都产生了巨大的影响。特别是过去的20年里，互联网（Internet）的诞生和发展，使得计算机网络已成为人类社会的一个基本组成部分。今天互联网已成为连接全世界几十亿人的通信系统，它连接了大多数国家的各级政府机关、工商企业、各类学校和几乎所有的科学研究机构及军事机构，它使处在世界各地的人们通过网络获取所需要的各种信息资源和信息服务。
1.1.2 计算机网络的发展
计算机网络的发展大致分为以下3个阶段。
1.以单计算机为中心的互联
在20世纪60年代中期以前，计算机的主机昂贵，而通信线路和设备的成本相对较低，为了共享主机资源，人们建立了以单计算机为中心的联机终端网络系统，这种联机终端网络系统如图1.1所示。
图1.1 以单计算机为中心的联机终端网络系统
一台主机连接若干台终端，终端一般不具有中央处理器，没有数据处理能力。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，而且效率较低。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。因此，为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，该系统使用了多点通信线路、终端集中器以及通信控制处理机。
所谓多点通信线路就是在一条通信线路上串连多个终端，如图1.2所示，多个终端可以共享一条通信线路与主机进行通信，通信方式采用分时使用通信线路的策略来提高线路的利用率。
图1.2 多点通信线路
终端集中器的主要任务是集中从终端到主机的数据以及分发从主机到终端的数据。采用终端集中器能够提高远程高速线路的利用率。
通信控制处理机（CCP）或称前端处理机（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 使用通信控制处理机和集中器的通信系统
当时，这种网络的应用范围极广，涉及军事、银行、航空、铁路、教育等部门。比较典型的案例是美国航空公司与IBM公司在20世纪60年代初投入使用的飞机订票系统（SABRE-1）。这个系统由一台中央计算机与全美范围内的2000个终端组成，这些终端采用多点线路与中央计算机相连。此外还有美国半自动地面防空系统（SAGE），它将雷达信号和其他信息经远程通信线路送至中央计算机进行处理，第一次利用计算机网络实现远程集中控制。美国通用电气公司的信息服务系统（GE Information Service）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至欧洲、澳洲和日本，各终端设备连接到分布于世界上23个地点的75个远程集中器，远程集中器又分别连接到16个中央集中器，各主计算机也连接到中央集中器，中央集中器经过50kb/s线路连接到交换机。
2.以多处理机为中心的网络
从20世纪60年代中期到20世纪70年代中期，随着计算机技术和通信技术的进步，这个时期已形成了将多个单主机联机的终端网络互联起来，以多处理机为中心的网络。
以多处理机为中心的网络主要有2种形式：第一种是通过通信线路将各主机连接起来，并由主机承担数据处理和通信的双重任务，如图1.4（a）所示。
图1.4 以多处理机为中心的网络
第二种形式是把通信系统从主机当中分离出来，设置专用的通信控制处理机。主机间的通信是通过通信控制处理机的中继功能来间接实现的，如图1.4（b）所示。
通信控制处理机负责网上各主机间的通信控制和通信处理，由它们组成带有通信功能的内层网络，也称为通信子网，它是网络的重要组成部分。在网络上的主机负责数据处理，它是网络资源的拥有者，而网络中所有的主机构成了资源子网，也称为网络的外层。通信子网为资源子网提供信息传输服务。资源子网上的用户之间的通信是建立在通信子网的基础之上的，因此，如果没有了通信子网，网络是不能工作的。反之，没有了资源子网，通信子网也就失去了存在的意义。所以，只有二者的结合才能构成统一的资源共享的网络。
3.分组交换技术的诞生
随着以多处理机为中心的网络技术的不断发展，网络用户不仅可以使用本地计算机上的软件、硬件和数据资源，也可以通过网络使用其他计算机上的软件、硬件与数据资源，以达到资源共享的目的。这一阶段研究的典型代表是美国国防部高级研究计划局（ARPA）的ARPANET，其核心技术是分组交换技术。
在早期的通信系统中，最重要的且应用最广泛的是电路交换。采用这种方式，计算机网络中的数据传输要经过通信线路。但是，利用电话线路传送终端的数据会出现新的问题，这是因为在计算机通信时，线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%，有时甚至低于1%。用户在阅读屏幕信息或用键盘输入与编辑一份报文时，通信线路实际上是空闲的，浪费了通信线路资源，而用户的通信费用却很高。同时，在线路交换中，用于建立通路的呼叫过程对计算机通信来说也太长。线路交互是为语音通信而设计的，打电话的平均时间约为几分钟，因此呼叫过程（约10～20s）不算太长。但是，1000bit的数据在2400b/s的线路上传输时，需要的时间还不到0.5s。相比之下，呼叫过程占用的时间就太长了。
为了降低成本和提高效率，20世纪60年代中期美国国防部开始着手进行分组交换网的研究工作。分组交换的概念最初是在1964年提出的，到了1969年12月，美国第一个使用分组交换技术的ARPANET投入运行，虽然当时仅有4个结点，但它对分组交换技术的研究起了重要的作用。到20世纪70年代后期，ARPA网络结点超过60个，主机100多台，地域范围跨越了美洲大陆，连通了美国东部和西部的许多大学和研究机构，而且通过通信卫星和夏威夷以及欧洲等地区的计算机网络相互联通。
采用分组交换技术的网络试验成功，使计算机网络的概念发生了巨大的变化。早期的联机终端系统是以单个主机为中心，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。而分组交换网则以通信子网为中心，主机和终端构成了用户资源子网。用户不仅可共享通信子网的资源，而且还可共享用户资源子网的许多硬件和软件资源。这种以通信子网为中心的计算机网络被称为第二代计算机网络，其功能比面向终端的第一代计算机网络的功能有很大的增强。
1.1.3 Internet的快速发展
Internet的前身是ARPANET。1969年12月ARPNET开始投入运行，到1983年， ARPANET已连接了300多台计算机，供美国各研究机构和政府部门使用。在1984年， ARPANET被分解为2个网络，一个是民用科研网络（ARPANET），另一个是军用计算机网络（MILNET）。由于这2个网络都是由许多网络互联而成的，因此它们都称为Internet。
由于ARPANET的成功，美国国家科学基金会（NSF）认识到计算机网络对科学研究的重要性，因此决定资助建立计算机科学网。从1985年起，NSF就围绕其6个大型计算机中心建设计算机网络。1986年，NSF建立了国家科学基金网络（NSFNET），它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所，NSFNET也和ARPANET相连。最初，NSFNET主干网的数据传输速率不高，只有56kb/s。在1989～1990年，NSFNET主干网的数据传输速率提高到1.544Mb/s，并且成为Internet中的主要部分。
NSFNET的形成和发展，使它成为Internet中最重要的组成部分。与此同时，许多国家相继建立本国的主干网并接入Internet，例如加拿大的CANET、欧洲的EBONE和NORDUNET、英国的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动，而不是用于商业性的营利活动。1991年，NSF放松了有关Internet使用的限制，开始允许使用Internet进行部分商务活动，例如宣布一些科学研究与教学过程中所使用的新产品和服务，但不允许做广告。随着Internet规模的迅速扩大，政府已无法在财政上提供更多的支持，因此决定将Internet的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入Internet的单位收费。1995年，NSFNET结束了它作为Internet主干网的历史使命，Internet从学术性网络转化为商业性网络。
Internet已经成为世界上规模最大和增长速度最快的计算机网络。20世纪90年代，由欧洲原子核研究所组织CERN开发的万维网（WWW）被广泛应用在Internet上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，使这一时期成为Internet发展最迅猛的阶段，1993年年底WWW站点数目只有627个，而1999年年底已经超过了950万个，上网用户则超过2亿户。
1.1.4 Internet的应用和高速网络技术的发展
随着Internet的飞速发展，它已渗透到世界科学、文化、经济和社会发展的各个领域。用户可以使用Internet来实现全球范围的电子邮件、WWW信息查询与浏览、电子新闻、文件传输、语音与图像通信服务等功能。实际上，Internet已成为覆盖全球的信息基础设施之一。
在Internet飞速发展与广泛应用的同时，高速网络的发展也引起了人们越来越多的关注。高速网络技术的发展主要表现在综合业务数字网（ISDN）、异步传输模式（ATM）、高速局域网、交换局域网与虚拟网络上。
20世纪90年代以来，世界经济已经进入了一个全新的发展阶段。世界经济的发展推动着信息产业的发展，信息技术与网络的应用已成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标准。1993年9月，美国制定了国家信息基础设施建设计划，它被形象地称为信息高速公路。美国建设信息高速公路的计划触动了世界各国，人们开始认识到信息技术的应用与信息产业的发展将会对各国经济发展产生重要的作用，因此很多国家也纷纷开始制定各自的信息高速公路的建设计划，对于国家信息基础设施建设的重要性已在各国形成共识。
建设信息高速公路是为了满足人们在未来随时随地对信息交换的需要，在此基础上人们相应地提出了个人通信与个人通信网的概念，它将最终实现全球有线网的互联、邮电通信网与电视通信网的互联以及固定通信与移动通信的结合。在现有电话交换网（PSTN）、公共数据网（PDN）、广播电视网、宽带综合业务数字网（B-ISDN）的基础上，利用无线通信、蜂窝移动电话、卫星移动通信、有线电视网等通信手段，最终实现“任何人在任何地方，在任何的时间里，使用任一种通信方式，实现任何业务的通信”。
信息高速公路的服务对象是整个社会，因此，它要求网络无处不在，未来的计算机网络将覆盖所有的企业、学校、科研部门、政府及家庭，其覆盖范围可能要超过现有的电话通信网。未来的网络必须具有足够的带宽、很好的服务质量与完善的安全机制，以满足不同应用的需求。
计算机网络技术与应用将对21世纪世界军事、经济、科技、教育与文化的发展产生重大的影响。