第1章 数据通信与计算机网络概述

本章导读：网络直接影响着我们的生活。本章将介绍网络技术的发展历程、基本原理及相关概念、术语。

教学内容：计算机网络的发展、Internet的起源与发展及计算机网络的发展趋势；计算机网络的定义、基本组成及功能；计算机网络的分类和应用模式；计算机网络的拓扑结构与选用。

教学要求：了解计算机网络发展各阶段的特点。理解计算机网络的定义、基本组成及功能。掌握计算机网络的拓扑结构与选用。

1.1 计算机网络发展的历史阶段

计算机网络近年来获得了飞速的发展。30年前，很少有人接触过网络。现在，计算机通信已成为我们社会结构的一个基本组成部分。网络被用于工商业的各个方面，包括广告宣传、生产、销售、计划、报价和会计等。从小学到研究生教育的各级学校都使用计算机网络为教师和学生提供全球范围的联网图书信息的即时检索和查询等业务。简而言之，计算机网络已遍布全球各个领域。

计算机网络从20世纪60年代发展至今，已经形成从小型的办公局域网络到全球性的大型广域网的规模。对现代人类的生产、经济、生活等各个方面都产生了巨大的影响。1946年世界上第一台电子计算机问世后的十多年时间内，由于价格很昂贵，电脑数量极少。早期所谓的计算机网络主要是为了解决这一矛盾而产生的，其形式是将一台计算机经过通信线路与若干台终端直接连接，我们也可以把这种方式看做最简单的局域网雏形。

最早的Internet是由美国国防部高级研究计划局ARPANET建立的。现代计算机网络的许多概念和方法，如分组交换技术都来自ARPANET。ARPANET不仅进行了租用线互联的分组交换技术研究，而且做了无线、卫星网的分组交换技术研究，其结果导致TCP/IP问世。

1977—1979年，ARPANET推出了目前形式的TCP/IP体系结构和协议。1980年前后，ARPANET上的所有计算机开始了TCP/IP协议的转换工作，并以ARPANET为主干网建立了初期的Internet。1983年，ARPANET的全部计算机完成了向TCP/IP的转换，并在UNIX（BSD4.1）上实现了TCP/IP。ARPANET在技术上最大的贡献就是TCP/IP协议的开发和应用。著名的科学教育网CSNET和BITNET先后建立。1984年，美国国家科学基金会NSF规划建立了13个国家超级计算中心及国家教育科技网，随后替代了ARPANET的骨干地位。1988年Internet开始对外开放。1991年6月，在连通Internet的计算机中，商业用户首次超过了学术界用户，这是Internet发展史上的一个里程碑，从此Internet成长速度一发不可收拾。

纵观计算机网络的发展历史可以发现，它和其他事物的发展一样，也经历了从简单到复杂，从低级到高级的过程。在这一过程中，计算机技术与通信技术紧密结合，相互促进，共同发展，最终产生了计算机网络。在计算机网络出现之前，信息的交换是通过磁盘进行相互传递资源的，如图1.1所示。总体看来，网络的发展可以分为四个阶段。

1.第一代：面向终端的计算机网络

早期的计算机系统是高度集中的，所有的设备安装在单独的机房中，后来出现了批处理和分时系统，分时系统所连接的多个终端连接着主计算机。20世纪50年代中后期，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，出现了第一代计算机网络，如图1.2所示。主机是网络的中心和控制者，终端（键盘和显示器）分布在各处并与主机相连，用户通过本地的终端使用远程的主机。只提供终端和主机之间的通信，而网络之间的计算机无法通信。

在这里，终端用户通过终端机向主机发送一些数据运算处理请求，主机运算后又发给终端机；终端用户要存储数据时向主机里存储，终端机并不保存任何数据。第一代网络并不是真正意义上的网络，而是一个面向终端的互联通信系统。当时的主机负责两方面的任务：负责终端用户的数据处理和存储；负责主机与终端之间的通信过程。

随着终端用户对主机的资源需求量增加，主机的作用就改变了，出现了通信控制器CCP（Communication Control Processor），它的主要作用是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。

当时主机主要作用是处理和存储终端用户发出对主机的数据请求，通信任务主要由通信控制器完成。这样把通信任务分配给通信控制器，主机的性能就会有很大的提高，集中器主要负责从终端到主机的数据集中收集及主机到终端的数据分发。

典型应用是美国航空公司与IBM在20世纪50年代初开始联合研究，20世纪60年代投入使用的飞机订票系统SABRE-I，它由一台计算机和全美范围内2000个终端组成（这里的终端是指由一台计算机外部设备组成的简单计算机，有点类似现在所提的“瘦客户机”，仅包括CRT控制器、键盘，没有CPU、内存和硬盘）。

2.第二代：计算机网络阶段（局域网）

从20世纪60年代中期到70年代中期，随着计算机技术和通信技术的进步，已经形成了将多个单主机互联系统相互连接起来，以多处理机为中心的网络，并利用通信线路将多台主机连接起来为终端用户提供服务，如图1.4所示。

第二代网络是在计算机网络通信网的基础上，通过完成计算机网络体系统结构和协议的研究形成的计算机初期网络。如20世纪60至70年代初期由美国国防部高级研究计划局研制的ARPANET网络，它将计算机网络分为资源子网和通信子网。通信子网一般由通信设备、网络介质等物理设备所构成；资源子网的主体为网络资源设备，如服务器、用户计算机（终端机或工作站）、网络存储系统、网络打印机、数据存储设备等。在现代的计算机网络中资源子网和通信子网也是必不可少的部分，通信子网为资源子网提供信息传输服务，而资源子网上用户间的通信是建立在通信子网的基础上的。没有通信子网，网络就不能工作；没有资源子网，通信子网的传输也就失去了意义，两者结合起来组成了统一的资源共享网络。

第二代网络应用网络分组交换技术进行对数据远距离传输。分组交换是主机利用分组技术将数据分成多个报文，每个数据报自身携带足够多的地址信息，当报文通过节点时暂时存储并查看报文目标地址信息，运用路由算法选择最佳目标传送路径将数据传送给远端的主机，从而完成数据转发。

20世纪70年代后期是通信网大发展的时期，各发达国家政府部门、研究机构和电报电话公司都在发展分组交换网络。这些网络以实现计算机之间的远程数据传输和信息共享为主要目的，通信线路大多租用电话线路，少数铺设专用线路，这一时期的网络称为第二代网络，以远程大规模互联为主要特点。

3.第三代：计算机网络标准化阶段

20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一网络体系结构并遵循国际标准的开放式、标准化的网络。ARPANET兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软、硬件产品。

在第三代网络出现以前网络是无法实现不同厂家设备互连的。早期，各厂家为了霸占市场，采用自己独特的技术并开发自己的网络体系结构，当时，IBM发布了SNA（System Network Architecture，系统网络体系结构），DEC公司发布了DNA（Digital Network Architecture，数字网络体系结构）。不同的网络体系结构是无法互连的，所以不同厂家的设备无法达到互连，即使是同一家的产品在不同时期也是无法达到互连的，这样就阻碍了大范围网络的发展。为了实现网络大范围的发展和不同厂家设备的互连，1977年国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization）提出一个标准框架——OSI（Open System Interconnection/Reference Model，开放系统互连参考模型），共七层。1984年正式发布了OSI，使厂家设备、协议达到全网互连。

4.第四代：互联网——信息高速公路（高速、多业务、大数据量）

20世纪90年代末至今的第四代计算机网络，由于局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术、多媒体网络、智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。

第四代网络是随着数字通信出现和光纤的接入而产生的，其特点是网络化、综合化、高速化及计算机协同能力。同时，快速网络接入Internet的方式也不断地诞生，如ISDN、ADSL、DDN、FDDI和ATM网络等。