进入21世纪以来，世界范围内的社会信息化进程突飞猛进，计算机网络技术的发展正处在鼎盛时期。随着人们越来越多地将现实世界的各种应用向网络虚拟世界转移，网络各种应用的新需求作为最基本动力驱动着计算机网络技术向前发展，今后新一代计算机网络技术的发展趋势会表现在以下几个方面：开放式的网络体系结构，使各种网络可以方便地互联在一起，真正达到资源共享、数据通信和分布处理的目标。......
2023-10-22
计算机网络发展的技术基础
【摘要】：虽然计算机网络的历史不长，但发展迅速，经历了从简单到复杂、从单机系统到多机系统、从以主机为中心到以网络为中心的发展过程，其演变过程到目前为止大致可分为四个阶段：面向终端的远程联机系统阶段。这一时期的网络被称为第二代计算机网络。ARPANET的成功使计算机网络的概念发生了根本的变化，由面向终端的计算机网络转变为以通信子网为中心的网络，真正形成了“网”的概念。图1—6单个主计算机为中心的网络图1—7多计算机为
虽然计算机网络的历史不长，但发展迅速，经历了从简单到复杂、从单机系统到多机系统、从以主机为中心到以网络为中心的发展过程，其演变过程到目前为止大致可分为四个阶段：
（1）面向终端的远程联机系统阶段。
（2）以通信子网为中心、以共享资源为目的的计算机—计算机网络阶段。
（3）开放式标准化网络阶段。
（4）以Internet为主体的网络互联阶段。
1.远程联机系统阶段
（1）远程联机系统的诞生。
20世纪50年代，在计算机出现不到10年的时间里，工业、商业与军事等诸多部门开始涉及计算机应用。当时面临的现实问题是计算机系统价格昂贵、体积庞大，因而远未普及，只集中在少数部门，然而人们对分散在不同地点的数据处理需求却日益迫切。面对这些日益增长的计算机应用需求，人们开始考虑将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，进行计算机通信网络的研究，以实现远程使用计算机，这为计算机网络的产生进行了前期技术准备，是计算机网络发展的萌芽阶段。
由于通信技术早于计算机技术出现且已相对普及，通信和用户终端等设备相对计算机而言便宜，所以，将不同地理位置的用户终端通过通信线路及相应的通信设备与远程的计算机相连，构成了以单台计算机（称为“主机”）为中心的远程联机系统。终端将用户需要处理的数据通过通信线路传输到主机进行处理并得到返回的处理结果，实现了异地远程使用计算机。如图1—2所示的系统通常称为远程联机系统，以区别于早期的脱机系统（如图1—3所示）。
图1—3 脱机系统
（2）远程联机系统的特点。
①中央计算机（所谓的主机，Mainframe）是网络的中心和控制者，其主要任务是进行数据的批处理，运行的是分时多用户操作系统，以实现为众多终端用户提供计算服务。
②终端无独立的处理能力，通过远程通信共享主机的硬件和软件资源，因此远程联机系统又称为“面向终端的计算机网络”。
这里由调制解调器Modem进行主机或终端的数字信号与电话线传输的模拟信号之间的转换。多重线路控制器的主要功能是完成串行（电话线路）和并行（计算机内部传输）传输信号的转换、接收以及简单的差错控制。
（3）远程联机系统的改进。
随着终端设备的增多，远程联机系统在两方面做了改进：一是在主机端，为减轻中心计算机的负担，在通信线路和主机之间设置了一个前端处理机FEP（Front End Processor）或通信控制器CCU（Communication Control Unit）；二是在用户端，为提高通信线路的利用率，在终端机较集中的地区，采用了终端控制器TC（Terminal Controller）。
①前端处理机FEP。在最初的“终端——通信线路——计算机”联机系统中，随着所连接远程终端数量的增多，中心计算机要承担的与各终端间通信任务也必然加重，使得原本以数据处理为主要任务的中心计算机要频繁地中断以接收来自各终端的数据，增加了中心计算机通信方面的额外开销，降低了实际进行数据处理的工作效率。因此，人们开始将数据处理和通信分工，即在中心计算机前面增设一个前端处理机FEP（简称为前置机）专门来完成与终端之间的通信工作，代替主机接收来自各终端的数据，从而让中心计算机专注于数据处理，更好地发挥其数据处理能力，这样可显著地提高效率。这可认为是最早的计算机协同处理应用之一。
②终端控制器TC。若每台远程终端都使用一条专用通信线路与中心计算机相连，则线路利用率很低，且随着终端数量的不断增多，线路成本难以负担。因而，人们开始在终端比较集中的地方设置终端控制器TC（也称为集中器）。集中器首先通过本地低速线路将附近各终端连接起来，再通过Modem及高速通信线路（多采用公用电话网）与远程中心计算机的前端处理机FEP相连，使用多路复用方法在一条高速线路上传输来自多条慢速终端线路的数据。这种方式可以利用一些终端的空闲时间来传送其他处于工作状态终端的数据，提高了远程线路利用率，降低了通信费用。
改进的远程联机系统典型结构图如图1—4所示，两种远程联机系统对比示意图如图1—5所示。
图1—5 两种远程联机系统对比示意图
尽管做了这些改进，但这仍然是以单台计算机为中心的远程联机系统，其结构特点是单主机多终端。除了中心计算机外，其余的终端都不具备自主处理能力，属于非智能终端。在这样的系统中，主要是终端和中心计算机间的通信，具有明显的主从关系。虽然历史上也曾称它为第一代计算机网络，但为了更明确地与后来出现的由多台计算机互联的计算机网络相区别，现在一般称其为面向终端的计算机网络，更多的是一种计算机通信网，为计算机网络的低级形式。
2.计算机—计算机网络阶段
（1）计算机—计算机网络的特点。
从20世纪60年代后期开始到整个70年代，随着计算机的广泛应用，出现了多台计算机通过通信系统互联的网络系统，呈现出多处理中心的特点，开创了“计算机—计算机”通信时代。分布在不同地点的计算机通过通信线路互联成为计算机网络，使得网络用户不仅可以使用本地计算机的资源，也可以使用其他联网计算机的软件、硬件与数据资源，从而达到资源共享的目的。这一时期的网络被称为第二代计算机网络。
美国的ARPANET网是这个阶段的先驱，它的出现标志着现代意义上的计算机网络诞生，是计算机网络发展史上的一个重要里程碑，为网络技术的发展做出了突出的贡献。其贡献主要表现在：提出并实现了基于“分组交换”的数据传输方式——这被公认为现代计算机网络的突出标志和核心技术，还提出了计算机网络的逻辑结构是由“通信子网”和“资源子网”两级组成的重要理论。此外，它是第一个以资源共享为目的的计算机网络，使用具有良好开放性的通信协议，为当今最大的、覆盖全球的网络——Internet的诞生奠定了基础。ARPANET无论在理论方面还是在技术方面，对其后网络技术的发展都产生了深远影响。ARPANET的成功使计算机网络的概念发生了根本的变化，由面向终端的计算机网络转变为以通信子网为中心的网络，真正形成了“网”的概念。(www.chuimin.cn)
单个主计算机为中心的网络如图1—6所示，多计算机为中心的网络如图1—7所示。
图1—6 单个主计算机为中心的网络
图1—7 多计算机为中心的网络
ARPANET中将互联的具有网络地址的计算机统称为主机（Host）。但主机之间并不是通过直接的通信线路互联的，而是通过称为IMP（Interface Message Processor，接口报文处理机——路由器的前身）的装置间接相连的，主机之间的信息交换需要通过IMP转接完成，如图1—8所示。
图1—8 IMP的作用
（2）ARPANET中的相关概念。
①分组。ARPANET中进行存储转发的基本数据单位称为分组（Packet），也被译为“包”，作为网间数据传输的标准单元。分组交换技术创造了一种高效、灵活的数据传递模式，对现代计算机网络的概念、结构和网络设计方面都产生了重大影响，奠定了坚实的基础。
②分组交换网。以“存储转发方式”（Store—and—Forward）传输分组的通信网络称为分组交换网。只有分组交换网才称得上是真正的计算机网络，它实现的是计算机与计算机之间的智能通信，而不是计算机主机与非智能终端之间的通信。
③分组交换结点。IMP是ARPANET中使用的术语，在其他网络或文献中也称为分组交换结点或通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP）。IMP或分组交换结点通常是由专用小型计算机或微型机来实现的，是一种在计算机网络系统中执行通信控制功能的专用计算机，具有路径选择和存储转发功能。为确保高可靠性，每个IMP至少和另外两个IMP用线路连接。
（3）同时期其他体系结构的计算机网络。
在ARPANET发展的同时，整个20世纪70年代，为满足计算机联网日益增长的需求，各计算机厂商相继研发并推出了自己的网络体系结构。例如：IBM公司的系统网络体系结构SNA、DEC公司的分布式网络体系结构DNA、UNIVAC公司的分布式通信网络体系结构DCA等都是这一时期成功的典例。这些网络基于特定厂商的计算机与设备，体系结构都采用了层次的技术，但各自对层次的划分、功能的定义、采用的技术标准等却互不相同，这种彼此不兼容、自成体系的系统属于“封闭”系统。由于标准不统一，很难互联实现通信与资源共享，形成了所谓的“信息孤岛”现象。这种局面严重阻碍了计算机网络的发展，也给用户带来极大的不便。因此，第二代计算机网络是一个非标准化的阶段。
3.开放式标准化网络阶段
要实现更大范围内的联网，就应当使不同厂家生产的不同计算机系统（异构系统）能够互相通信。因此，建立“开放”式的网络，实现网络标准化，已成为历史发展的必然，这就需要制定一个国际范围的标准：为适应网络标准化的发展趋势，1977年，国际标准化组织ISO（International Standards Organization）在研究分析和综合了已有的各种网络体系结构基础上，提出了“开放系统互联参考模型”——ISO/OSI IW（Open System Interconnection Reference Model），于1984年正式公布，即著名的国际标准ISO 7498。ISO在推动开放系统互联参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工作，对网络理论体系的形成与网络技术的发展起到了重要推进作用。OSI参考模型是为实现标准化而制订的概念性框架，创建了一个有助于开发和理解计算机通信的模型。
OSI RM迅速得到了国际社会广泛认可（我国相应的标准是GB 9387），成为计算机网络体系结构的标准，极大地推动了网络标准化的进程。从此，计算机网络进入了标准化阶段。网络的标准化促进了计算机网络的迅速发展，标志着计算机网络的发展步入了成熟期。人们把这个阶段的网络称为第三代网络。
4.网络互联阶段
随着全球经济一体化的发展，人们的活动空间范围越来越大，单一计算机网络所覆盖的范围已经不能满足人们的需求，计算机网络之间互联的问题随之提出。20世纪90年代初至今，是第四代计算机网络时代，其标志是因特网Internet（也称为互联网）的成功普及。Internet是世界上网络互联数目最多、规模最大的网际网，是“网络的网络”，如图1—9所示。
图1—9 网络互联
Internet目前覆盖了政府部门、企事业机构、商业领域、学校、家庭以及社会生活的各个角落，正在改变着各行各业人们的工作、学习和生活方式，成为人们打破时空限制进行交流的有力手段。Internet是人类自印刷术以来通信方面最大的变革，对推动世界经济、社会、科学、文化的发展将产生不可估量的作用。21世纪是一个以网络为核心的信息时代，网络已经在改变着世界，并将继续改变世界。
综上所述，在计算机网络技术复杂的演变过程中，有以下三个重要的里程碑：
（1）第一个里程碑以基于存储转发的分组交换技术为标志，如1968年美国国防部高级计划研究署开发的ARPANET。
（2）第二个里程碑以1984年出现的开放系统互联参考模型（OSI RM）为标志。
（3）第三个里程碑以Internet的迅速发展与普及为特征。
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