1.1 计算机网络的诞生与发展

计算机技术与通信技术（Computer and Communication，C&C）的紧密结合，形成了现代计算机网络技术。计算机网络的发展过程是计算机技术与通信技术的融合过程。20世纪60年代，计算机网络技术萌芽；70年代兴起，以试验网络为主，出现了计算机局域网；80年代，国际标准化组织（ISO）制定了计算机网络的开放型互联参考模型，学术网络得到了飞速发展；90年代以商业网络为主，Internet空前普及推广，Web技术在Internet/Intranet中得到广泛应用。现在，计算机网络已发展成为信息社会的重要基础设施。

1.1.1 计算机网络的诞生

自从1946年冯·诺依曼发明第一台存储程序电子计算机以来，计算机技术的研究和应用取得了迅猛异常的发展，计算机的应用渗透到了各个技术领域和社会的各个方面。社会的信息化、数据的分布处理和各种计算机资源共享等种种应用需求，推动了计算机技术和通信技术的紧密结合。计算机网络技术就是这种结合的结果。早在1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为SAGE的半自动化地面防空系统，该系统于1963年建成，可以看做计算机技术与通信技术的首次结合。SAGE系统是一个专用网，整个系统分为17个防区，每个防区指挥中心配置2台IBM公司当时的AN/FSQ-7计算机（每台计算机有58000只电子管，耗电1500kW）。由小型计算机构成的前置通信处理机（FEP），通过通信线路连接防区内各雷达观测站、机场、防空导弹和高炮阵地，形成终端联机计算机系统。

计算机通信技术应用于民用系统的最早范例，是由美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初期开始联合研制、60年代投入使用的联机飞机票预订系统SABRE-I。它通过通信线路，将一台中央计算机CABRE-I与全美范围内2000多台终端连接起来，进行实时事务处理。可以认为SABRE-I是计算机技术与通信技术结合的典范。另一个典型范例是在1968年投入运行的美国通用电器公司的信息服务网络（GE Information Services）。这是20世纪60年代出现的面向终端分布的最大分时商用数据处理系统，各终端连接75个远程集中器，这些远程集中器再连接16个中央集中器，其地理范围从美国本土延伸到加拿大、欧洲、日本和澳大利亚，分布在世界上的23个地点。

20世纪60年代初，世界正处于冷战时期，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）组织研究了一种受到攻击仍能有效实施控制和指挥的计算机系统。在1964年研究小组提交的研究报告中指出，这样的网络必须是分布式的，能够连接不同类型的计算机；各网络结点（Node）平等独立，每个结点上的计算机都能生成、接收和发送信息；在网络上传输信息应分解成小包，从源结点沿不同路线传送到目的结点后重新组装。1969年DARPA建成了这个计算机网络，并按该组织名称命名为ARPANet。ARPANet采用了崭新的“存储转发分组交换”原理及传输控制协议/网际互联协议，即著名的TCP/IP协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），成功地连接了4台计算机系统。在ARPANet中提出的一些概念和术语至今仍被引用，为计算机网络的发展奠定了基础。因此，它有分组交换网之父的殊誉，而分组交换网的出现则被公认为现代电信时代的开始。ARPANet的开通，标志着计算机网络的正式形成，是计算机技术与通信技术全面深入结合的里程碑。此后，许多大学、研究中心、企业集团，以及一些工业国家纷纷开始研制和建立专用的计算机网和公用交换数据网。

20世纪70年代中期，随着计算机技术、通信技术的发展和应用领域的扩大，计算机网络技术一直在迅速发展。为了在更大范围内实现计算机资源的共享，人们将众多的局域网（Local Area Network，LAN）、广域网（Wide Area Network，WAN）互联起来，形成了规模更大的、开放的互联网络，即常说的Internet网络。

1.1.2 计算机网络的发展

计算机网络的发展已经有了几十年的历史，到今天，最大的也是大家最熟悉的计算机网络就是因特网。实际上，在20世纪80年代，没有人敢设想计算机网络能够发展得这样快，应用得这么广泛。目前，网络就是计算机，这已是计算机领域人人皆知的格言。纵观计算机网络的发展，经历了由简单到复杂、从低级到高级的过程，这一过程大致可分为面向终端的通信网络、分组交换网络、体系结构标准化网络及高速互联网络四个阶段。

1.面向终端的通信网络（第一代）

面向终端分布的联机系统是计算机技术与通信技术结合的前驱，它由一台大型计算机和若干台远程终端设备通过通信线路连接起来，构成面向终端的通信网络，解决远程信息的收集、计算和处理。根据信息处理方式的不同，它们可分为实时处理联机系统、成批处理联机系统和分时处理联机系统。较为典型的是1963年美国空军建立的SAGE，其结构如图1.1所示。在这种联机系统中，终端T（键盘和显示器）分布在各地，并独占一条通信线路，主计算机是网络的中心和控制者，通过线路复用控制器（MCU）和各终端相连。

20世纪60年代初期，随着远程终端数目的增加，为减轻主计算机的负载，在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理机（Front End Processor，FEP）或通信控制处理机（Communication Control Processor，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工，如图1.2所示。在远程终端比较集中的地方，设置集中器（或多路复用器），通过近程低速线路把附近群集的终端连起来，再由调制解调器（Modem）及高速线路与远程中心计算机的FEP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。

面向终端的通信网络虽然还不能称为计算机网络，但它提供了计算机通信的技术基础，而这种系统本身也成为此后计算机网络的组成部分。因此，面向终端分布的联机系统称为面向终端的分布式计算机通信网，也称为第一代计算机网络。

2.分组交换网络（第二代）

20世纪60年代中期，出现了多台计算机互联的系统，开创了“计算机-计算机”的通信网络时代。

在面向终端的通信网络中，终端和计算机之间的数据通信是通过线路进行的。人们很快认识到这种传统的电路交换技术不适合计算机数据的传输，因为计算机中的数据通常是突发式、间歇性地出现在传输线路上，在整个占线期间，真正传送数据的时间往往不到10%甚至只有1%。在绝大多数时间内，线路往往是空闲的。另外，呼叫过程相对传送数据来说也太长。显然需要寻找一种新的交换方式来改变电路交换，以适应计算机通信的要求。在这种背景下，1964年8月巴兰（Baran）在德国兰德公司（Rand）讨论分布式通信时提出了分组交换（Packet Switching）的概念。在此前后，即1962年至1965年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和英国国家物理实验室（NPL）对新型计算机通信网也进行了研究。1969年12月，美国的分组交换网络ARPANet投入正式运行，从此计算机网络的发展进入了一个新纪元。ARPANet的主要特点是资源共享、分散控制、存储转发（Store and forward）、分组交换以及采用专门的通信控制处理机和分层的网络协议。ARPANet的这些特点，使计算机网络的概念发生了根本变化，被认为是计算机网络的基本特征。图1.3给出了这种存储转发、分组交换计算机网络的示意图。

在逻辑上，可以把ARPANet看成是一种由资源子网（Resource Subnet）和通信子网（Communication Subnet）两级结构组成的计算机网络。ARPANet中互联的运行用户应用程序的计算机称为主机（Host）。但主机之间并不是直接通过通信线路互联，而是由接口报文处理机（Interface Message Processor，IMP）和它们之间的通信线路一起构成通信子网，实现数据传输与交换。由与通信子网互联的主机组成资源子网，负责信息处理、运行用户应用程序和向网络用户提供可共享的软硬件资源。当某主机（如主机1）要与远程另一主机（如主机2）通信时，主机1首先将信息送至本地直接与其相连的IMP1暂存，然后通过通信线路沿着适当的路径（按一定原则静态或动态地予以选择）转发至下一IMP4暂存，依次经过中间的IMP3中转，最终传输至目的IMP5，并送入与之直接相连的目的主机2。如此，由IMP组成的通信子网完成了数据在通信双方各IMP之间的存储和转发任务。采用这种方式，使通信线路不为某对通信双方所独占，大大提高了通信线路的利用率。ARPANet中存储转发的信息基本单元是分组（Packet），它将整个要交换的信息报文（Message）分成若干信息分组，对每个分组按存储转发的方式在通信子网上传输。因此把这种以存储转发方式传输分组的通信子网，又称为分组交换数据网（PSDN）。

目前，世界上运行的远程通信网多数采用分组交换数据网。由于这类通信子网大多数由政府部门或某个电信公司负责建设、运行，并向社会公众开放数据通信任务，如同公众交换电话网一样，故这类网也称为公用数据网（Public Data Network，PDN）或公用分组交换数据网（PSDN）。ARPANet中的IMP，在PSDN中也被称为分组交换结点（Packet Switch Node）。IMP或分组交换结点通常是用小型计算机或微型计算机实现的，为了与资源子网中的主机相区别，也称为结点机。

ARPANet的影响之所以深远，不仅在于它开创了第二代计算机网络，还在于由它发展成为了今天在世界范围内广泛应用的Internet。

以ARPANet的分组交换计算机网为先驱，在20世纪70年代到80年代期间，WAN得到迅速发展，具有代表性的网络、网络体系结构及其网络产品如下。

（1）研究性试验网络：如英国国家物理实验室（NPL）的分组交换网；IBM沃森研究中心、卡内基-梅隆大学和普林斯顿大学合作开发的TSS网；加利福尼亚大学欧文分校研制的DCS网等。

（2）特定目的自行研制和使用的网络：如加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究所的DCTOPUS网；法国信息与自动化研究所的CYCLADES网等。

（3）用户联营的网络：如国际气象监测网（World Weather Watch Network，WWWN）；欧洲情报网（European Information Network，EIN）等。

（4）公用分组网：如美国的Telnet；加拿大的DATAPAC；欧共体的EURONET等。

（5）商用公司的增值网：如美国Timeshare公司的TYMNet；通用电器公司的GE信息服务网等。

（6）许多大计算机公司推出的各种专用网络体系结构及其网络产品：如IBM 1974年推出的网络体系结构（System Network Architecture，SNA）；DEC公司1975年宣布的数字网络体系结构（Digital Network Architecture，DNA）等。

20世纪70年代的计算机网络以试验网络为主，主要体现为由各国电信部门建设和运行的X.25分组交换网以及Internet的前身ARPANet。

3.体系结构标准化网络（第三代）

第二代计算机网络的出现，有力地促进了计算机网络技术的应用和发展。这个时期的网络多是由研究单位、大学、应用部门或计算机公司各自研制开发的，没有统一的网络体系结构；其网络产品也是相对独立的，没有统一的标准。如果要在更大范围内，把这些网络互联起来，实现信息交换和资源共享，存在很大困难。显然客观需要计算机网络体系结构由封闭式走向开放式。由于相对独立的网络产品难以实现互联，国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）及下属的计算机与信息处理标准化技术委员会（TC97）经过多年卓有成效的努力，于1984年正式颁布了一个称为“开放系统互联基本参考模型”（Open System InterconnectionBasic Reference Model，OSI）的国际标准ISO/OSI 7498，即著名的OSI七层模型。自此，计算机网络开始走向国际标准化，网络具有了统一的体系结构；网络产品也有了统一的标准。通常把体系结构标准化的网络称为第三代网络。

20世纪70年代中期，由于微电子和微处理机技术的发展，以及在短距离局部地理范围内计算机间进行高速通信要求的增长，计算机局域网技术应运而生。1980年，美国电气电子工程师学会IEEE成立了IEEE 802局域网标准化委员会。经过几年的研究，IEEE制定了IEEE 802系列标准，使局域网一开始就走上了标准化的轨道，所以说局域网是典型的第三代网络。进入20世纪80年代，随着办公自动化（OA）、管理信息系统（MIS）和计算机辅助设计（CAD）等各种应用需求的扩大，LAN获得蓬勃发展。典型的LAN产品有较早的总线网Ethernet，继之有3COM网、IBM的令牌环型网（Token Ring），以及新一代光纤局域网即光纤分布式数据接口（FDDI）等。这一阶段典型的标准化网络结构如图1.4所示，其通信子网的交换设备主要是路由器和交换机。

20世纪80年代的计算机网络以学术网络为主，主要体现在标准化计算机网络体系结构和局域网络技术的空前发展。

4.高速互联网络（第四代）

随着局域网、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网的迅速发展和应用，如何将它们连接起来，以便达到扩大网络规模和实现更大范围的资源共享成为人们关心的课题，Internet恰好解决了这个问题。Internet称为因特网或互联网，是全球规模最大、覆盖面最广的公共互联网。目前，全球以Internet为核心的高速互联网已经形成，并成为人类最重要的和最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络被称为第四代计算机网络。Internet的一般框架结构如图1.5所示。

通过追溯Internet的起源与发展过程，可以进一步从宏观上理解Internet的体系结构。

1）研究试验网阶段

Internet的研究试验网阶段从1969年开始，结束于1983年主干网的形成，以DARPA建立的ARPANet网络为标志。当时建设这个网络的目的只是为了将美国的几个军事及研究用计算机主机连接起来，位于各个结点的大型计算机采用分组交换技术，通过专门的通信交换机（IMP）和专门的通信线路相互连接。人们普遍认为ARPANet是Internet的雏形。1972年，ARPANet网上的主机数量达到40台，这40台主机彼此之间可以发送电子邮件和利用文件传输协议发送文本文件，同时也设计实现了Telnet。同年，全世界计算机业和通信业的专家学者在美国华盛顿举行了第一届国际计算机通信会议。会议决定成立Internet工作组，负责建立一种能保证计算机之间进行通信的标准规范，即通信协议。1974年，TCP/IP协议问世，随后美国国防部决定向全世界无条件免费提供TCP/IP，即向世界公布解决计算机网络之间通信的核心技术。TCP/IP协议核心技术的公开导致了Internet的大发展。1980年，世界上有使用TCP/IP协议的美国军方的ARPANet，也有很多使用其他通信协议的各种网络。为了将这些网络连接起来，美国人Vinton Cerf提出了一个想法：在每个网络内部各自使用自己的通信协议，在与其他网络通信时使用TCP/IP协议。这个思想催生了Internet，并确立了TCP/IP协议在网络互联方面不可动摇的地位。1983年初，ARPANet上所有主机完成了向TCP/IP协议的转换，并使TCP/IP协议成为美国的军用标准，同时Sun公司也将它正式引入商业领域，以致形成了今天覆盖全球的Internet。发展Internet时沿用了ARPANet的技术和协议，而且在Internet正式形成之前，已经建立了以ARPANet为主的国际网，这种网络之间的连接模式，也是随后Internet所采用的模式。

2）推广普及网阶段

1983年至1989年是Internet在教育、科研领域发展和普及使用的阶段，核心是美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）建设形成的主干网NSFNet。1986年，NSF开始规划建立了5个超级计算中心及国家教育科研网，并以此作为基础实现同其他网络的连接。NSFNet是Internet上用于科研和教育的一个主干网，其传输速率从T1（1.544Mbps）发展到T3（45Mbps），并且连接13个骨干结点，从此代替了ARPANet的骨干地位。NSFNet的分层体系结构如图1.6所示。

1989年MILNet（由ARPANet分离出来）实现了和NSFNet的连接，并开始采用Internet这个名称。自此，其他部门的计算机网相继并入Internet，ARPANet宣告解散。更为重要的是，1989年日内瓦欧洲粒子物理实验室开发成功万维网（World Wide Web，WWW），为在Internet存储、发布和交换超文本图文信息提供了强有力的工具。WWW技术给Internet带来了生机和活力，Internet进入高速发展应用期。

1986年至1989年，Internet的用户主要集中在大学和有关研究机构。这一时期，Internet处于推广应用时期。

3）商用发展网阶段

从20世纪90年代初开始，商业机构开始进入Internet，开始了Internet商业化进程。1991年，NSFNet设立ANS公司（Advanced Network & Service Inc），推出了Internet商业化的股份公司。1991年年底，NSFNet的全部主干网点同ANS公司提供的T3主干网ANSNet连通。1992年，Internet学会成立，该学会把Internet定义为“组织松散的、独立的国际合作互联网络”，“通过自主遵守计算机协议和过程支持主机对主机的通信”。1993年，美国伊利诺斯大学国家超级计算中心成功开发了网上浏览工具Mosaic（后来发展成为Netscape），使得各种信息都可以方便地在网上浏览。浏览工具的实现引发了Internet发展和普及应用的高潮。1994年，NSF宣布停止对NSFNet的支持，由MCI、Sprint等公司运营维护，由此Internet进入了商业化时代。

与此同时，很多国家相继建立了本国的Internet主干网，并接入Internet，成为Internet的组成部分。例如，中国的CHINANet、加拿大的CANet、欧洲的EGBONE和NORDUNET、英国的PIPEX等。随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机通过局域网连入城域网。局域网、城域网、广域网之间通过路由器实现互联互通。用户计算机可以通过局域网方式，也可以选择公共电话交换网（PSTN）、有线电视（CATV）网、无线城域网或无线局域网方式接入作为地区主干网的城域网。城域网又通过路由器和光纤，接入作为国家或国际区域主干网的广域网。多个广域网互联形成覆盖全球的Internet网络系统。Internet主干网基本结构示意图如图1.7所示。

随着商业网络和大量商业公司进入Internet，计算机网络的商业应用得到了高速发展，同时也使Internet能为用户提供更多的服务，使得Internet迅速发展和普及。E-mail、FTP和新闻组等网络应用越来越受到人们的欢迎。TCP/IP协议在UNIX系统中的实现进一步推动了Internet的普及应用，使之成为一个名副其实的“全球互联网”。

20世纪90年代后期，Internet的发展速度更为惊人，连入Internet的主机数量、上网人数、信息流量每年都在成倍增长。特别是多媒体计算机技术的应用，实现了文字、数据、图形、图像、音频、视频的再现和传输，使Internet把世界联成一体，形成“信息高速公路”，令人真正有了“天涯咫尺”的感觉。基于Internet的应用包括电子邮件、远程登录、文件传输、视频会议、远程医疗和远程教育等。Internet商业化后，给现代通信、信息检索与服务等提供了巨大的发展潜力。各种商业机构、企业、机关团体、军事、政府部门和个人开始大量进入Internet，并在Internet上大做主页广告，进行电子商务活动，形成了一个网络上的虚拟空间（Cyberspace）。可以说，20世纪90年代的计算机网络以商业网络为主，Internet得到空前发展，Web技术在Internet/Intranet得到了广泛应用。

4）Internet在中国的应用发展

Internet经过几十年的发展，取得了意想不到的成功，它已成为世界上覆盖面最广、规模最大、信息资源最丰富的计算机网络。随着全球信息高速公路的建设，中国政府也开始推进中国信息基础设施（China Information Infrastructure，CII）的建设，连接Internet成为最关注的热点之一。回顾中国Internet的发展，可以分为以下两个阶段。

第一阶段是与Internet的E-mail连通。1987年9月20日，钱天白教授从中国学术网络（China Academic Network，CANet），通过意大利公用分组交换网（ITAPAC）向世界发出第一封E-mail“越过长城，通向世界”，与德国卡尔斯鲁厄（Karlruhe）大学进行了通信，揭开了中国人使用Internet的序幕，标志着中国接入了Internet。中国学术网是中国第一个与外国合作的网络，使用X.25技术，通过德国（Karlruhe）大学的一个网络接口与Internet交换E-mail。中国数十个教育和研究机构加入了中国学术网。1990年10月，中国学术网在InterNic中注册登记了中国国家顶级域名“cn”，并且从此开通了使用中国顶级域名cn的国际电子邮件服务。

第二阶段是与Internet实现全功能的TCP/IP连接。1989年9月，中国国家计划委员会和世界银行开始支持“国家计算设施（National Computing Facilities of China，NCFC）”项目。该项目包括1个超级计算中心和在3所院校间建设高速互联网络，即中国科学院网络（CASNet）、清华大学校园网（TUNet）和北京大学校园网（PUNet），被称为中关村地区教育与科研示范网络。1992年，NCFC工程的院校网全部完成建设。1993年3月2日，中国高能物理研究所租用AT&T公司的国际卫星信道接入美国Stanford大学线性加速器中心（SLAC）的64kbps专线正式开通。专线开通后，美国政府以Internet上有许多科技信息和其他资源为由不让接入，只允许这条专线进入美国能源网而不能连接到其他地方。尽管如此，这条专线仍是我国部分连入Internet的第一条专线。1993年12月，NCFC主干网工程完工，采用高速光缆和路由器将3所院校网互联。1994年4月20日，NCFC工程通过美国Sprint公司连入Internet的64kbps国际专线开通，实现了与Internet的全功能连接。从此，我国被国际上正式承认为有Internet的国家。实现这些全功能的连接，标志着我国正式联入了Internet。

1994年5月15日，中国科学院高能物理研究所设立了国内第一个Web服务器，推出了中国的第一套网页，内容除介绍我国高科技发展外，还有一个栏目叫“Tour in China”。1994年5月21日，在钱天白教授和德国卡尔斯鲁厄大学的协助下，中国科学院计算机网络信息中心完成了中国国家顶级域名（cn）服务器的设置，结束了中国的顶级域名（cn）服务器一直放在国外的历史。

到1996年年底，中国的Internet网已形成了四大主流网络体系，分别归属于国家指定的4个部级互联网管理单位：中国科学院、国家教育部、邮电部和电子工业部。其中，中科院科技网（CSTNet）和中国教育和科研网（CERNet）主要以科研和教育为目的，从事非经营性活动；邮电部的中国公用计算机网（ChinaNet）和电子工业部吉通公司的金桥信息网（ChinaGBNet）属于商业性Internet网，以经营手段接纳用户入网，提供Internet服务。这些网络的建成，为计算机网络的应用和普及起到了积极的推动作用。

Internet进入我国之后，得到了迅速发展，在网络规模、技术水平、用户数量和应用领域等方面都令世人刮目相看。Internet已经改变并还在继续改变着人们工作、学习和生活的方式，而且还在以超出人们想象的深度和广度影响着经济社会的发展。

5）进军信息高速公路网络

20世纪90年代以来，随着全球性的经济增长和科学技术的迅速发展，信息已成为一个国家经济和科技发展的重要因素。人类进入了信息社会，信息产业成为一个国家的主要支柱产业。为此，1993年美国政府宣布了“国家信息基础设施（National Information Infrastructure，NII）”建设计划，通常形象地称之为“信息高速公路”，其目的是把分散的计算机资源通过高速通信网实现共享，提高国家的综合实力和人们的生活质量。1994年，美国还提出了建立全球信息基础设施（Global Information Infrastructure，GII）的倡议，旨在实现世界范围内的信息共享，加强国际经济、科技、教育和文化的交流与合作。NII的提出引起了世界各国的普遍关注，许多国家竞相制定本国的“信息高速公路”计划，以适应世界经济和信息产业的飞速发展。我国也在已有各类信息系统建设的基础上，于1993年年底提出了建设国民经济信息通信网和“三金”工程等计划。所谓“三金”工程是指：建设国家公用经济信息通信网，简称金桥工程；实施外贸专用网的联网并建立对外贸易业务有效管理的系统，简称金关工程；建设全民信用卡系统或卡基交换系统，简称金卡工程。

目前，我国Internet行业的发展势头更加强劲。以自主知识产权为代表的核心网络技术及关键网络设备和产品的研发和生产取得了一系列突破。中国第一个下一代互联网主干网试验网CERNET2的建成并开始提供服务，标志着下一代互联网建设拉开了序幕。2004年1月15日，CERNET2与全世界8个主要的下一代互联网在欧盟举行了开通提供服务的仪式。CERNET2是目前世界上最大的纯IPv6互联网，目前可以实现北京大学、清华大学等全国100多所重点院校及科研机构的高速接入，在全国连接北京、上海等20多个城市建设结点，速率为2.5～10Gbps，同时，还可以支持智能交通、远程医疗和环境地震监测等多种全新的互联网应用。

5.下一代网络（NGN）

随着计算机网络的普及应用和互联网用户的爆炸式增长，电子商务/政务、多媒体业务、电视电话等公众服务项目的增多以及网络信息量的猛增，人们对数据通信的需求也日益膨胀。现在的互联网是建立在IPv4协议基础上的，经过多年的发展，逐渐显露出当初设计中存在的一些缺陷，其中最大的问题就是地址空间短缺。另外，网络拥塞、网络黑客、网络病毒等也严重威胁着网络安全，全球传统网络的演进已势不可当。怎样处理网络拥塞，怎样增加通信带宽，怎样保证传输质量，怎样实现多类终端的综合接入，等等，都成为通信网络所要解决的重要问题。为此，从20世纪末开始，通信网络开始讨论下一代网络（Next Generation Network，NGN）问题。

20世纪90年代初，人们开始讨论新的互联网协议。IETF的IPng工作组在1994年9月提出了一个正式草案“The Recommendation for the IP Next Generation Protocol”，1995年年底确立了IPng协议规范，称为IPv6。尽管设计IPv6最初的目的主要是解决地址空间紧张问题，但是人们还是希望它能够同时解决IPv4难以解决的其他问题，如网络安全、服务质量（Quality of Service，QoS）和移动计算等。

ITU为适应电信技术发展的需要，在2002年ITU-T SG13年会上的相关文件中引入了NGN的概念。2004年2月3日～12日，ITU-T SG13 2001～2004研究期第六次会议，初步完成了NGN的定义。其基本内容包括NGN是基于分组技术的网络，能够提供包括电信业务在内的多种业务；在业务相关功能与下层传送相关功能分离的基础上，能够利用多种带宽、有QoS支持能力的传输技术，能够为用户提供多个运营商的无限接入；能够支持普遍的移动性，确保用户的一致的、普遍的业务提供能力。到目前为止，虽然对NGN还尚未有统一认可的确切定义，但各国都展开了轰轰烈烈的有关NGN的研究热潮。2004年，美国NLR（National Lambda Rail）联盟开通了传输速率达10Gbps的光纤网络，在相距6000英里（1英里=1.6093km）的圣迭哥大学与芝加哥大学之间建立了本地以太网连接，开展Internet2的研究工作。2004年9月，欧盟宣布开通了GéANT，建成了所有欧盟国家的学术网并用于研究下一代互联网技术。

我国关于NGN的研究也走在了该领域的前头。2004年3月，我国的IPv6主干网CERNet2试验网开通，与日本和韩国的IPv6主干网形成了亚太地区的APAN（Asia Pacific Advanced Network）。CERNet2不仅是我国下一代互联网示范工程CNGI（China Next Generation Internet）的核心网和全国性学术网，也是世界上规模最大的采用纯IPv6技术的下一代互联网的主干网。

1.1.3 计算机网络发展趋势

网络应用的需求是推动网络技术发展的源动力。21世纪是一个计算机与网络的时代。在这个时代，信息及信息的交流、获取和利用将成为个人与社会发展、经济增长与社会进步的基本要素，并将进一步推动计算机网络技术的迅速发展。传统的网络框架定制了传统的网络应用，即以共享以太网和低速链路接入广域网，如64kbps的DDN或更低的PSTN链路，就可以满足应用的要求。随着Internet日益成为信息社会的主要信息载体，特别是网络多媒体应用的逐步应用普及，传统的网络框架已不适宜，智能网络和光网络成为新型网络体系结构的特征。计算机网络在迈向全球多媒体宽带网络、智能化信息网络、光网络和Ad Hoc无线网络等方面将有较大发展。

1.多媒体宽带网络

未来的网络将是承载数据、语音、视频等多种业务的多媒体信息宽带网络，而且还要提供有效的服务质量（QoS）保障。自1984年起，德国、英国、法国、美国和日本先后建立了ISDN实验网，并于1988年开始逐步商用化后，至今以异步传输模式ATM、同步数字系列SDH/同步光纤网SONET为核心技术的宽带ISDN（B-TSDN）正在迅速发展，其传输速率从每秒几兆（Mbps）到每秒几千兆（Gbps）。B-ISDN网的建立给用户提供了极为方便的通信手段，用户只需提出一次申请，仅用一条用户线就可以将多种业务终端接入网内，按照统一的规程进行通信，提供传真（Fax simile）、智能用户电报（Teletext）、电视数据（Teletext）、可视图文（Videotext）、可视电话（Video Phone）、视频会议（Video Conference）、图形视频化电子邮件、遥控遥测（Telemetry and Surveillance）等业务。多媒体宽带网络的进一步发展需要实现的目标如下。

首先，多媒体通信网络必须具有足够的高带宽，这是多媒体通信海量数据的要求。另外，也只有高带宽才能确保实现用户与网络之间交互的实时性。按照一般估计，通过多媒体网络传输压缩的数字图像信号要求具有2～15Mbps以上的传输速率（MPEG1/2），传输CD音质的声音信号要求具有1Mbps以上的传输速率。因为多媒体信息包含多种不同类型的数据，数据传输速率在100Mbps（理论上最多50个MPEG1视频流）以上才能充分满足各类媒体通信应用的需要。

其次，网络必须满足多媒体通信的实时性和可靠性要求，以保证服务质量。为了获得真实的现场感，语音和图像的延时都要求小于0.25s，静止的图像要求延时小于1s，对于共享数据要求没有误码。

最后，网络必须满足媒体同步要求，包括媒体间同步和媒体内同步。因为传输的多媒体信息在时空上都是相互约束、相互关联的，多媒体通信系统必须正确反映它们之间的这种约束关系，如保证声音与图像的同步。

目前广泛使用的几种通信网络，如电信网络、计算机网络和广播电视网络，虽然都可以用来传输多媒体信息，但都存在不同程度的缺陷，如电视网络的单向性、计算机网络（IP）的无服务质量保证，以及电信网络的复杂和高开销等。多媒体宽带网络是目前为止最适合多媒体信息传输的网络。为了适应多媒体网络的发展需要，新业务不断涌现，旧业务不断融合，作为载体的各类网络也将不断融合，以使目前广泛使用的三类网络逐渐向单一、统一的IP网络发展，即所谓的“三网合一”。“三网合一”是网络发展的一个最重要的趋势。

2.智能化信息网络

尽管计算机网络在过去的几十年中迈出了惊人的步伐，从局域网到广域网，再到现在的集成化数据、语音和视频通信，以及无线和移动通信网络技术，但仍然缺乏一个基础平台和一个标准架构。智能化信息网络（Intelligent Network，IN）概念就是在通信网多种新业务不断发展的情况下，要求运用计算机技术对通信网进行智能化自动管理的形势下产生的。智能网的概念是由美国贝尔通信技术公司在1984年提出的，1992年由CCITT予以标准化。其实，智能化网络很难用一个明确的方程式加以定义，它包含很多参数，当这些参数组合在一起时，可以在整个网络中实现特定的网络功能。

智能化信息网络应该是一个能够快速、方便、灵活、有效地生成和实现各种新型业务的系统，目标是为所有的通信网，包括公用电话网、分组交换网、ISDN以及移动通信网等服务。但是，在网络层协议方面，随着Internet规模的不断扩大，地址资源面临枯竭，目前被广泛接受的观点是用IPv6取代IPv4而成为核心协议，但这将经历一个漫长的过渡期，需要投入大量的资金和人力。IPv6与IPv4相比，除了地址空间从32位增加到了128位，还增强了安全功能并为服务质量保障提供了便利条件。

今天，人们正在为智能化信息网络的发展奠定基础和建立架构，如积极推进和发展物联网，旨在通过各种信息传感设备及系统（传感网、射频识别、红外感应器、激光扫描器等）、条码与二维码、全球定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，最终形成物联网。

3.光网络

20世纪90年代初期，面向未来IP业务的光网络研究已经成为各国和跨国研究计划的重点。例如，欧洲的ACT计划、美国的GII计划和加拿大的Canet3国家光互连计划；日本和澳大利亚等国的科研机构和大学也开始了致力于下一代光网络的研究；同时，包括ITU-T、ANSI、T1X1.5协会、光互联网论坛（Optical Internetworking Forum，OIF）和IETF在内的标准化组织也都积极致力于对可重构光网络的研究。光网络是由光通路将波长路由器和端结点相互连接而构成的。新一代光网络所具有的特性为：开放、支持多业务；灵活和易于升级；具有高效的保护与恢复策略；更简单、更有效的网络控制和管理功能。

在传输技术方面，近年来，密集波分复用（DWDM）技术得到了蓬勃发展。目前，基于DWDM技术的光传输系统带宽已达到1.6Tbps，并将达到10Tbps数量级。其复用的波段正由常规波段（C波段）扩展到长波段（L波段）和短波段（S波段）。最新的技术进展已经将石英光纤在1.3～1.6μm的两个损耗窗口打通并连成一个区域。未来的DWDM将在1.3μm的全波段窗口中工作。目前，100个波长通道的传输设备已经商用化，不少实验室正致力于开发200～100个波长通道的传输系统。而单波长光通过的传输速率也正在进一步从2.5Gbps和10Gbps提高至40Gbps。DWDM技术为光网络的发展提供了几乎取之不尽的资源。

带宽的迅速增长将对网络的体系结构、核心路由器、服务质量保障机制和网络应用的发展产生深远的影响。一方面，核心路由器的接口速率越来越快，目前已经达到了10Gbps，40Gbps的接口也即将面世。另一方面，随着接口速率的提高，传统的“电”路由器已经快要达到性能的极限，基于光的交换技术已经引起研究人员的注意。然而，由于光存储交换技术还不成熟，导致光分组交换目前还难以实用。如果光分组交换能够实用，那么，光交换机就将取代目前的核心路由器。

4.Ad Hoc无线网络

常见的移动网络通常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。在蜂窝网络中，移动终端之间的通信必须借助于基站和（或）移动交换机的转接完成；在无线局域网中，移动终端通过无线接入点连接到现有的固定网络。与此同时，包括ZigBee、Wi-Fi在内的许多短距离无线通信网技术也纷纷涌现。这些移动网络和无线通信技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集中式的控制方式。但在某些特殊环境或紧急情况下，基于中心的移动通信技术并不能胜任。例如，战场上部队的快速展开和推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救以及野外科考等。因此在这些场合，迫切需要一种不依赖基础设施能够快速和灵活配置的移动通信网络技术。为满足这种特殊应用需求，Ad Hoc无线网络应运而生。

Ad Hoc无线网络概念起源于20世纪70年代的美国军事研究领域，是一种特殊的在不借助中心管理的情况下，在有限的范围内实现多个移动终端的临时互联。它为局域网内的移动通信网络提供了一种灵活的互联方式。Ad Hoc无线网络又称为移动自组网和多跳网络。Ad Hoc的意思是“for this”，引申为“for this purpose only”，即“仅为某种目的而设置”的意思，也就是说，Ad Hoc无线网络是一种有特殊用途的网络。成立于1991年5月的IEEE 802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络；IETF也将Ad Hoc网络称为MANET（Mobile Ad Hoc Networks）。一个Ad Hoc无线网络就是“不依赖于任何基础设施的移动结点的短时间互联”网络。连接与否取决于结点间的距离和结合的自发性。

Ad Hoc无线网络的拓扑结构可分为两种：对等式平面结构和分级结构。在对等式平面结构的Ad Hoc无线网络拓扑结构中，所有网络结点地位平等。而在分级结构的Ad Hoc无线网络拓扑结构中，整个网络以簇为子网组成，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头形成高一级网络，高一级网络又可分簇形成更高一级网络。每一个簇中的簇头和簇成员动态变化，自动组网。分级结构根据硬件的不同配置，又可以分为单频分级结构和多频分级结构。单频分级结构使用单一频率通信，所有结点使用同一频率。而在多频分级结构中，若存在两级网络，则低级网络通信范围小，高级网络通信范围大；簇成员用一个频率通信，簇头结点用一个频率与簇成员通信，而另一个频率用来维持与簇头之间的通信。

Ad Hoc无线网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络中的每个结点都兼有路由器和主机两种功能。Ad Hoc网络的特点主要体现在动态变化的网络拓扑结构、有限的资源、多跳通信、较低的安全性等方面。组网灵活、快捷，不受有线网络的影响，可广泛应用于军事通信、发生地震或水灾后的营救等无法或不便预先敷设网络设施的场合，具有广阔的应用前景。

由于Ad Hoc无线网络的特殊性，目前尚有许多特有技术问题没有得到有效解决，虽然已提出了许多方案，但所有技术尚不成熟。Ad Hoc无线网络设计中的一个关键问题是开发能够在两个结点之间提供高质量、高效率通信的路由协议。网络结点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统的基于Internet的路由协议无法适应这些特性，需要开发专门的应用于Ad Hoc无线网络的路由协议。根据Ad Hoc无线网络路由协议的特殊性，近年来提出了多种Ad Hoc无线网络路由协议。IETF的MANET工作小组目前正专注于Ad Hoc无线网络路由协议的研究，提出了许多协议草案，如DSR、AODV、ZRP等路由协议。另外，专业研究人员也发表了大量关于Ad Hoc无线网络路由协议的相关文章，提出了许多关于Ad Hoc的网络路由协议，如DSDV、WRP等。但是，Ad Hoc无线网络中的路由功能是由移动主机来执行的，因此路由器的位置是移动的；Ad Hoc无线网络有限的工作能源无法提供复杂的路由功能；网络拓扑结构的动态变化性使得目前认为是最优的路由协议也可能会被中断或变为不是最优。这些问题使得Ad Hoc无线网络中的路由算法成为当前研究的热点。

近年来，越来越多的研究者开始重视移动代理技术的应用，并有学者提出了基于移动代理技术的移动网络拓扑结构等理论。移动代理技术具有移动性、自主性等特点，因此适用于移动网络。研究基于移动代理技术的Ad Hoc无线网络路由协议将成为今后Ad Hoc无线网络路由技术研究的重点。