第1章 计算机网络概述

1.1 计算机网络和因特网的产生与发展

回顾计算机网络技术发展的历程，大致可以划分为以下4个阶段。

第一阶段：20世纪50年代，计算机网络开始形成。

1837年，莫尔斯发明了电报；1876年，贝尔发明了电话；同年，马可尼发明了无线电通信。这些发明都为现代通信技术奠定了重要的基础。1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC出现。但是，在很长的一段时间内，通信技术与计算机技术之间并没有直接联系，处于独立发展的阶段。

20世纪50年代初，美国军方提出将远程雷达信号、机场与防空部队的信息，通过无线、有线线路与卫星信道传送到位于美国本土的一台IBM计算机进行处理的要求，这项称为半自动地面防空系统（SAGE）的研究开始了计算机技术与通信技术结合的尝试。随着SAGE系统的实现，美国军方又考虑将分布在不同地理位置的多台计算机通过通信线路连接成网络的需求。

第二阶段：20世纪60年代，ARPANET的研究和成功，实现了分组交换网。

1960年前，美国军方的通信主要依靠电话交换网，但电话交换网是以每个地区的电话局的交换机为中心组成的星形结构，如果一台交换机或连接交换机的一条中继线路损坏，尤其是几个关键长途电话局交换机遭到破坏，就有可能导致整个电话网络通信的中断。

20世纪60年代中期，出于“冷战”的需要，美国军方成立了美国国防部高级研究计划署（ARPA或DARPA）。为了与苏联的军事力量竞争，美国军方认为需要一个专门用于传输军事命令与控制信息的网络。要求该网络在遭到核战争或自然灾害时，在部分网络设备或通信线路遭到破坏的情况下，网络系统仍能利用剩余的网络设备与通信线路继续工作。利用传统的通信线路与电话交换网当然无法实现。针对这种情况，DARPA开始着手组织新型通信网络技术的研究工作。

1967年，ARPA提出了连接一些计算机的小网络ARPANET的思想。每一个主机（不一定是同一个厂家生产的）可以连接到称为接口报文处理机（IMP）的特殊计算机上。这些IMP则可以依次地互相连接起来。每一个IMP能够和其他的IMP通信，也可以和它连接的主机通信。这样，ARPANET分为两部分：通信子网与资源子网，如图1.1所示。

到了1969年，ARPANET已经成为现实，4个结点通过IMP连接成网络。这4个结点是：加州大学洛杉矶分校（UCLA）、加州大学Santa Barbara分校（UCSB）、斯坦福研究院（SRI）和犹他（Utah）大学。ARPANET采用分布式网络结构和分组交换技术进行数据传输的设计思想，并据此构建了分组交换网。

第三阶段：20世纪70年代中期，因特网（Internet）开始形成。

在这个时期，国际上各种广域网、局域网与公用分组交换网技术发展迅速，各个计算机生产商纷纷发展自己的计算机网络，提出了各自的网络协议标准。

1972年，ARPANET核心组的成员Vint Cerf和Bob Kahn共同开展一个研究项目，称为“网络互联项目”。他们希望将不同的网络连接起来，使得一个网络上的主机可以和另一个不同网络上的主机通信。1973年，提出实现网络互联的传输控制协议（TCP）和网络互联的设备（称为网关），通过它把分组从一个网络传送到另一个网络。

1977年10月，由3个不同网络（ARPANET、分组无线电网、分组卫星网）组成的互联网成功问世了，使网络之间的通信成为可能，并且将原来的TCP划分成两个协议：传输控制协议（TCP）和网际协议（IP）。IP处理数据报的路由选择，而TCP负责高层的一些功能。这个新的组合称为TCP/IP。

1981年，美国国家科学基金会（NSF）资助创建CSNET网络，它由一些大学设计。由于这些大学和军方（DARPA）并没有联系，因此无法加入到ARPANET。CSNET是比较便宜的网络，后来CSNET连接到ARPANET和第一个商用分组交换网Telenet上。到了20世纪80年代中期，许多大学、一些组织和公司网络都通过TCP/IP连接到CSNET上。

1986年，NSF出资建造了NSFNET，它是连接了分布在美国的5个超级计算机中心的主干网。许多团体的网络都可以接入到这个主干网，它使用T1线路，速率是1.544 Mbps，因而提供了跨越整个美国的连通性。

1990年，ARPANET正式退役并被NSFNET所取代。

1991年，美国政府断定NSFNET没有能力支持迅速增长的通信量。IBM、Merit和MCI等3个公司填补了这个空白，组成了称为高级网络和服务（ANS）的非盈利机构，共同建造了称为ANSNET的新的高速因特网主干网。

第四阶段：20世纪90年代初开始，计算机网络出现了前所未有的大发展。具体表现在以下几个方面。

1．因特网迅速扩展和快速发展

1991年，美国成立商业网络信息交换协会，允许在因特网上开展商务活动，各个公司逐渐意识到因特网在宣传产品、开展商业贸易活动上的价值，因特网上的商业应用开始迅速发展。

1993午9月，美国公布了国家信息基础设施（NII）建设计划，NII被形象地称为信息高速公路。各国政府开始认识到信息产业发展对经济发展的重要作用，很多国家开始制订自己的信息高速公路建设计划。1995年2月全球信息基础设施委员会（GIIC）成立，目的是推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与应用。

在这种情况下，各个国家都先后建立了国家主干网，这些国家主干网通过ANSNET接入因特网，使因特网规模不断扩大，用户不断增加，应用不断拓展。

2．无线局域网和无线城域网快速发展

（1）无线局域网的发展。

1987年，IEEE802.4组开始进行无线局域网的研究，由于最初确定的目标无法实现， 1990年IEEE802委员会成立了新的802.11工作组，专门从事无线局域网的研究。

1997年，形成第一个无线局域网的标准802.11，规定了工作频段为2.4GHz，物理层采用扩频和红外实现方法，接入速率为1～2Mbps。

1999年，IEEE又制定了802.11b（2.4GHz,11Mbps）和802.11a（5.8GHz,54Mbps）物理层标准。

2003年，IEEE802.11工作组于7月正式批准了IEEE802.11g（2.4GHz,54Mbps）标准。为了提升无线局域网的数据传输速率，实现有线以太网与无线局域网的无缝结合，从2003年起IEEE成立了IEEE 802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准，该标准已于2009年获批。为了兼容以往的IEEE802.11b/a/g标准，IEEE802.11n被定义为双频工作模式，即包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段。最高速率为320～600Mbps。

（2）无线城域网的发展。

1999年7月，IEEE成立了一个小组对宽带无线城域网进行标准化，该标准的序号为802.16。该技术被非正式称为全球微波接入互操作性（WiMAX）。第一个802.16标准于2001年12月获得批准，它采用视线链路传输，站位置固定。

2003年1月，802.16被修订成支持非视线链路传输，尽管站依然是固定位置的。随着3G蜂窝网络的崛起所带来的潜在高数据率和移动性威胁，802.16被再次改进，支持车辆速度的移动性，该标准于2005年12月发布。IEEE802.16-2009解决了移动宽带因特网接入的问题。

（3）无线自组网、无线传感器网络的研究与应用受到了高度重视。

（4）无线个人区域网得到了相应的发展。

3．三网融合促进了宽带城域网的出现，进一步促进了因特网的发展

长期以来，我国的计算机网络、电信网与广播电视网3种网络由不同的部门管理，它们按照各自的需求、采用不同的体制发展。由电信部门经营的通信网最初主要是电话交换网，用于模拟的语音信息的传输。由广播电视部经营的广播电视网用于模拟的图像、语音信息的传输。计算机网络主要用来传输计算机的数字信号。

尽管这3种网络之间有很多区别，在文本、语音、图像与视频实现数字化后，3种网络在传输数字信号这个基点上是一致的。从技术融合的角度看，电信通信网、电视传输网都统一到计算机网络的IP协议上来，通过网关实现网络的互联。

“三网融合”促进了宽带城域网的出现。网络接入技术的发展扩大了终端用户设备的接入范围。家庭用户通过电话交换网、有线电视网、光纤接入宽带城域网。同时，分布在各个建筑物内的计算机连接成局域网，局域网接入校园网或企业网，校园网、企业网接入宽带城域网，宽带城域网接入国家级主干网，国家级主干网最终通过ANSNET接入因特网。

从业务融合的角度看，“三网融合”使得3种网络的服务业务相互交叉，界限越来越模糊。移动电话用户能够通过智能手机看到有线电视网的新闻节目、访问Web网站、收发电子邮件；有线电视网的用户也希望利用有线电视传输网打电话、访问Web网站、收发电子邮件；因特网用户也希望能够在计算机上收看电视新闻、打电话，如图1.2所示。

“三网融合”技术与产业的发展必将带动现代信息服务业的快速增长。云计算为“三网融合”与现代信息服务业的运行提供了成熟的商业模式，如图1.3所示。

因特网的不断发展，推动网络安全、网络技术不断创新，从而出现了很多新的应用，使因特网几乎深入社会生活的每个角落，成为一种全新的工作、学习与生活方式。

4．物联网技术的形成与发展

1999年，麻省理工学院（MIT）的自动识别实验室提出物联网的概念。国际电信联盟（ITU）2005年度报告的题目是“The Internet of Things”，同年在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，ITU发布的报告系统地介绍了意大利、日本、韩国与新加坡等国家的案例，并提出了“物联网时代”的构想。世界上的万事万物，小到钥匙、手表、手机，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型的射频标签（RFID）芯片，利用无线传感器网络WSN技术，通过因特网就能够实现物与物之间的信息交互，从而形成一个无所不在的“物联网”。世界上所有的人和物在任何时间、任何地点，都可以方便地实现人与人、人与物、物与物之间的信息交互。

IBM公司也在智慧地球概念的基础上提出了他们对物联网的理解。他们认为：智慧地球将感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并通过超级计算机和云计算组成物联网，实现人类社会与物理系统的整合。从根本上说，智慧地球的概念就是希望通过在基础设施和制造业上大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过无线传感器网接入因特网，通过计算机分析处理发出指令，反馈给传感器，远程执行指令，以达到提高效率、获取更大效益的目的。

对于物联网目前有两种基本的思路：

（1）将物联网应用系统直接接入到因特网中。虽然物联网应用系统可能使用电信传输网、移动通信3G/4G技术，然而它们使用的通信协议不是TCP/IP，因此需要采用“网关”解决异构网络互联的问题。

（2）设计完全新的网络，以适应物联网不同的应用环境、流量约束与资源限制的需求。

物联网预示着网络技术将会在更大范围、更深层次应用的发展。