1.1 计算机网络的形成与发展

计算机网络是计算机技术与通信技术高度发展、紧密结合的产物，网络技术的进步正在对当前信息产业的发展产生重要的影响。

1.1.1 计算机网络发展阶段的划分

计算机网络技术的发展速度与应用的广泛程度是惊人的。计算机网络从形成、发展到广泛应用经历了近40多年的历史。纵观计算机网络的形成与发展历史，我们大致可以将它划分为四个阶段：

第一阶段可以追溯到20世纪50年代。那时，人们开始将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合，完成了数据通信技术与计算机通信网络的研究，为计算机网络的产生做好了技术准备，并奠定了理论基础。

第二阶段应该从20世纪60年代，美国的ARPANET与分组交换技术谈起。ARPANET是计算机网络技术发展中的一个里程碑，它的研究成果对促进网络技术发展起到重要的作用，并为Internet的形成奠定了基础。

第三阶段可以从20世纪70年代中期谈起。当时，广域网、局域网与公用分组交换网发展迅速，各计算机厂商纷纷发展自己的计算机网络，随之而来的是网络体系结构与网络协议的标准化问题。国际标准化组织（ISO，International Standards Organization）在推动开放系统互连参考模型与网络协议的研究方面做了大量工作，对计算机网络理论体系的形成与网络技术的发展起到重要的作用，但它同时也面临着TCP/IP的严峻挑战。

第四阶段要从20世纪90年代谈起。这个阶段的典型技术是Internet与异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）。Internet作为世界性的信息网络，在当今经济、文化、科研、教育等方面发挥越来越重要的作用。以ATM技术为代表的高速网络技术发展，为全球信息高速公路的建设提供了技术准备。

1.1.2 计算机网络的形成

任何一种新技术的出现都必须具备两个条件：强烈的社会需求与先期技术的成熟。计算机网络技术的形成与发展也证实了这条规律。1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系。20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统进行了计算机与通信技术相结合的尝试，将远程雷达与其他测量设施得到的信息通过长达2.41×106 km的通信线路与一台IBM计算机连接，进行了集中的防空信息处理与控制。

为了达到这个目的，首先要完成数据通信技术的基础研究。在这项研究的基础上，可以将地理位置分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上。用户可以在自己办公室的终端输入程序，通过通信线路传送到中心计算机，分时访问和使用其资源并进行信息处理，处理结果再通过通信线路返回用户终端显示或打印。人们把这种以单个计算机为中心的联机系统称为面向终端的远程联机系统，它是一种典型的计算机通信网络。20世纪60年代初，美国航空公司建成由一台主机与分布在全美的2000多个终端组成的航空订票系统SABRE-1，这也是一种典型的计算机通信网络。

随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互连的需求。这种需求主要来自军事、科研、企业与政府部门，他们希望将分布在不同地点的计算机通过通信线路互连成计算机网络。网络用户可以使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，也可以使用联网的其他计算机的软件、硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。

这个阶段研究的典型代表是美国国防部高级研究计划局（ARPA，Advanced Research Projects Agency）的ARPANET（通常称为ARPA网）。1969年，ARPA提出将多个大学、公司和研究所的计算机互连的课题。1969年ARPANET只有4个结点，到1973年ARPANET发展到40个结点，1983年已达到100多个结点。ARPANET通过有线、无线与卫星通信线路，使网络覆盖从美国本土到夏威夷甚至欧洲的广阔地域。

ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要里程碑，它对计算机网络技术的主要贡献表现在以下几个方面：

● 完成了对计算机网络定义、分类与子课题研究内容的描述。

● 提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念。

● 研究了报文分组交换的数据交换方法。

● 采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。

● 促进了TCP/IP协议的发展。

● 为Internet的形成与发展奠定了基础。

ARPANET的研究成果对世界计算机网络发展的意义是深远的。在它的基础上，20世纪70—80年代计算机网络发展迅速，这一阶段出现了大量的计算机网络，仅美国国防部就资助建立了多个计算机网络。同时，还出现了一些研究实验性的计算机网络。例如，美国加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究所的OCTOPUS、法国信息与自动化研究所的CYCLADES、国际气象监测网WWWN、欧洲情报网EIN等。

计算机网络可以按资源子网与通信子网来分别组建。在20世纪70年代中期，世界上开始出现由邮电部门或通信公司组建和管理的公用分组交换网，即公用数据网PDN。早期的公用数据网采用模拟通信的电话交换网，新型的公用数据网则采用数字传输技术与分组交换方法。典型的公用分组交换网有：美国的TELENET、加拿大的DATAPAC、法国的TRANSPAC、英国的PSS、日本的DDX等。公用分组交换网为计算机网络发展提供良好的外部通信条件，它可以为更多的用户提供数据通信服务。

以上讨论的是利用远程通信线路组建的广域网。随着计算机的广泛应用，局部地区计算机联网的需求日益强烈。在20世纪70年代初期，一些大学和研究所为实现多台计算机共同完成科学计算与资源共享的目的，开始了计算机局域网的研究。1972年，美国加州大学建立了Newhall环网；1976年，美国Xerox公司建立了总线拓扑的Ethernet网；1974年，英国剑桥大学建立了Cambridge Ring环网。这些研究成果对20世纪80年代的局域网技术的发展起到了重要作用。

1.1.3 网络体系结构与协议标准化

随着网络技术的发展与计算机网络的广泛应用，很多计算机公司开展计算机网络的研究与产品的开发，同时提出了各种网络体系结构与网络协议。例如，IBM公司的SNA（System Network Architecture）、DEC公司的DNA（Digital Network Architecture）与UNIVAC公司的DCA（Distributed Computer Architecture）。

网络体系结构与网络协议的研究成果为以后网络理论体系的形成奠定了基础，很多网络系统经过适当的修改与充实后仍在使用。例如，Internet是在ARPANET的基础上发展起来的。但是，在20世纪70年代后期，人们看到了计算机网络发展中的问题，网络体系结构与协议标准的不统一将限制计算机网络的发展和应用。因此，网络体系结构与网络协议必须走国际标准化的道路。

在计算机网络发展的第三阶段中，网络体系结构与协议标准化的研究取得重大进展。国际标准化组织（ISO）成立了计算机与信息处理标准化技术委员会（TC 97），该委员会专门成立了一个分委员会（SC 16），从事网络体系结构与网络协议的国际标准化问题研究。经过多年的努力，ISO正式制定了开放系统互连（OSI，Open System Interconnection）参考模型，即ISO/IEC 7498国际标准。在20世纪80年代，ISO与CCITT等组织为参考模型的各个层次制定了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本协议集。尽管人们对ISO/OSI参考模型的评价褒贬不一，但它对推动网络体系结构的理论发展有重要作用。

如果说广域网的作用是扩大信息社会中资源共享的范围，那么局域网的作用则是进一步增强信息社会中资源共享的深度。局域网是网络研究与应用的又一个热点。广域网与微型计算机的应用推动了局域网技术的发展。在20世纪80年代，局域网技术出现突破性的进展。在局域网领域中，以太网（Ethernet）、令牌总线（Token Bus）、令牌环（Token Ring）形成三足鼎立之势，并且已经形成了国际标准，采用光纤作为传输介质的光纤分布式数字接口（FDDI）在高速主干网应用方面起到了重要的作用。

在20世纪90年代，局域网技术在传输介质、操作系统与客户机/服务器模式等方面取得了重要进展。在Ethernet网络中，使用非屏蔽双绞线实现了10Mbps的数据传输，并在此基础上形成了网络结构化布线技术，使局域网在办公自动化环境中得到广泛的应用。NetWare、Windows NT、UNIX与Linux等操作系统的应用，使局域网技术进入成熟的阶段。客户机/服务器模式的应用，使网络服务功能达到更高的水平；而TCP/IP协议的广泛应用，则使网络互连技术发展到一个崭新的阶段。

1.1.4 Internet与高速网络技术

目前，计算机网络的发展正处于第四阶段。在这个阶段中，计算机网络发展的特点是Internet的广泛应用与高速网络技术的迅速发展。

Internet是全球最大和最有影响力的互联网络，也是世界范围的信息资源宝库。Internet是通过路由器实现多个广域网和局域网互连的大型网际网，它对推动科学、文化、经济和社会的发展有不可估量的作用。如果用户将自己的计算机连入Internet，便可以在这个信息资源宝库中漫游。Internet中的信息资源涉及商业、金融、政府管理、医疗卫生、科研教育、休闲娱乐等方面。用户可以使用Internet提供的WWW、电子邮件与FTP服务，也可以通过Internet与未谋面的网友聊天，或在Internet上发表自己的见解或寻求帮助。

在20世纪90年代，世界经济已进入一个全新的发展阶段。世界经济的发展推动信息产业的发展，信息技术与网络应用已成为衡量综合国力与企业竞争力的重要标准。在1993年9月，美国宣布国家信息基础设施（NII，National Information Infrastructure）建设计划，NII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应用与信息产业发展将对各国经济发展有重要作用，因此很多国家开始制定各自的信息高速公路建设计划。在1995年2月，全球信息基础设施委员会（GIIC，Global Information Infrastructure Committee）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，全球信息化的发展趋势已经不可逆转。

未来的计算机网络将覆盖所有企业、学校、科研机构、政府与家庭，其覆盖范围可能超过现有的电话通信网。为了支持各种类型信息的传输，多媒体、视频会议等应用对网络传输的实时性要求很高，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，以满足电子政务、电子商务、远程教育、远程医疗、分布式计算、数字图书馆与视频点播等不同应用的需求。

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更多的关注。高速网络技术的发展主要表现在宽带综合业务数字网（B-ISDN）、异步传输模式（ATM）、高速局域网、交换式局域网与虚拟局域网。B-ISDN与ATM属于广域网技术，它们是由电话公司提出和研究的，目标是建立能传输语音、视频与数据的全球公共数据网络。

以高速以太网为代表的高速局域网技术发展迅速。在传输速率为10Mbps的以太网广泛应用的基础上，速率为100Mbps与1Gbps的快速以太网、千兆位以太网已开始进入实用阶段，而传输速率为10Gbps的以太网正在研究中。同时，交换式局域网与虚拟局域网技术发展迅速。基于光纤与IP技术的宽带城域网与宽带接入网技术已成为当前研究、应用与产业发展的热点。

Internet的广泛应用和高速网络技术的快速发展，使得网络计算技术将成为未来几年的重要研究领域。移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算、存储区域网络与网络分布式对象计算等正在成为新的网络研究热点。

为了有效地保护金融、贸易等商业秘密，保护政府机要信息与个人稳私，网络必须具有足够的安全机制，以防止信息被非法窃取、破坏与丢失。随着对网络技术与基于网络的信息系统的依赖程度越来越高，人们对网络与信息安全的需求越来越强烈。网络与信息安全的研究正在引起社会的重视，并成为研究、应用和产业发展的重点问题。

1.1.5 宽带网络与全光网络技术

1.宽带网络的建设

宽带网络的建设正在全球范围内掀起高潮，很多国家的政府与企业投入巨额资金，将宽带网络作为战略产业来发展。从2000年到2003年，全世界的政府与电信公司投资300亿美元用于宽带网建设。近年来，世界各大电信运营商纷纷进行大规模的战略重组，同时采用宽带网络技术建设新的基础性电信网络，或是用宽带技术改造了现有的网络。宽带网络在基础设施、网络产品、信息服务等多个层面上提供了巨大的市场机会。宽带网络的发展为新的网络服务运营商提供了发展空间，从而也带动了网络产业的结构调整。

宽带网络是相对于传统网络而言的，它是具备较高数据传输速率和数据吞吐量的新一代网络。宽带网络可分为宽带骨干网和宽带接入网两个部分，因此宽带网络建设的两个关键技术是骨干网和接入网技术。

宽带骨干网又被称为核心网络，它是基于光纤通信系统的，能实现大范围（在城市之间和国家之间）的数据流传送。这些网络通常采用高速传输网络、高速交换设备（如大型交换机和交换路由器）。宽带骨干网是指传输速率达到2Gbps的骨干网。人们对可视电话、视频点播等宽带业务的需求，大大推动了光纤通信与同步数字体系（SDH，Synchronous Data Hierarchy）技术的发展。

随着通信技术的迅猛发展，运营商和用户对电信网提出了更高的要求。1988年，在同步光网络（SONET，Synchronous Optical Network）标准的基础上，ITU-T形成一套完整的同步数字系列SDH标准，使这种适用于光纤传输的体系成为世界通用的光接口标准。在SDH的基础上，可以建成灵活、可靠、能远程监控的国家或世界级的电信传输网。这个传输网可以很方便地扩展新业务，还可以使不同厂家生产的设备互通使用。

近年来，ITU-T已正式采用用户接入网（简称接入网）的概念。接入网需要覆盖所有类型的用户。为了提高接入网的带宽，改善传输性能，各个电信设备制造商已开始研究利用各种传输介质和数字信号处理技术的多种接入技术。宽带接入技术可以分为有线接入和无线接入两种。随着无线接入技术的发展，宽带无线接入技术已成为一种新的、不可忽视的宽带接入技术。根据传输介质的不同，宽带有线接入技术可以分为铜缆接入技术和光纤接入技术。目前，采用的接入技术主要有以下几种：数字用户环路（xDSL）、光纤同轴电缆混合（HFC）网、光纤接入、无线接入与局域网接入技术等。

2.全光网络的研究

随着人们对信息的需求与日俱增，Internet业务正呈指数规律逐年增长。视频点播（VOD）、可视电话、数字图像（DVD）、高清晰度电视（HDTV）等宽带业务迅速扩大，电子商务、远程教育、远程医疗、家庭办公等正在蓬勃发展，这些都必须依靠完善的网络。如果完全依靠现有的网络结构，必然会造成业务拥挤和带宽“枯竭”，因此人们希望看到全光网络的诞生。

全光网（AON，All Optical Network）以光结点取代现有网络的电结点，并用光纤将光结点互连成网络，利用光波完成信号的传输、交换等功能，克服了现有网络在传输和交换时的瓶颈问题，减少信息传输的拥塞，提高网络的吞吐量。随着信息技术的发展，全光网已经引起人们极大的兴趣，一些发达国家已开始研究全光网的关键技术、设备、部件与材料等。美国的全光网络计划包括：ARPA一期计划中的ONTC、AON等。欧洲与美国一起进行的全光网络计划包括：欧洲先进通信研究与技术发展RACE、先进通信技术与业务ACTS，以及ARPAⅡ全球网计划。ITU-T也在抓紧研究有关全光网络的建设。全光网已被认为是未来通信网向宽带、大容量发展的首选方案。