1.1 计算机网络的定义

计算机网络产生于20世纪50年代，发展至今已无处不在，它给人们的生活带来了极大的便利，提供了网上学习、交友、购物、娱乐、即时通信等服务，全面影响了人类社会的进步与发展。

1.1.1 计算机网络的产生

计算机网络是通信技术和计算机技术相结合的产物。通信技术的发展经历了一个漫长的过程，1835年莫尔斯发明了电报，1876年贝尔发明了电话，随着德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在1888年发现了电磁波后，无线电技术得到了发展，从此开辟了近代通信技术发展的历史。20世纪50年代，随着通信理论的建立，逐步实现了电话系统、通信卫星以及彩色电视。

计算机的发展可以追溯到1642年法国哲学家和数学家帕斯卡（Blaise Pascal）发明的世界上第一台加减法计算机。其后，1833年，英国科学家巴贝奇（Charles Babbage）提出了制造自动化计算机的设想，他所设计的分析机，引进了程序控制的概念。尽管由于当时技术上和工艺上的局限性，这种机器未能完成制造，但它的设计思想，可以说是现代计算机的雏形。1925年，美国麻省理工学院由布什（Vannever Bush）领导的一个小组制造了第一台机械模拟式计算机，1942年，又制造出采用继电器、速度更快的模拟式计算机。1944年，艾肯（Howard Aiken）在美国国际商用机器公司（IBM）的赞助下领导研制成功了世界上第一台数字式自动计算机Mark I，实现了当年巴贝奇的设想。而真正意义上的电子计算机是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC，它是世界上第一台电子数字计算机。ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，在计算机发展史上具有划时代的意义，它的问世标志着电子计算机时代的到来。ENIAC诞生后，数学家冯·诺依曼提出了重大的改进理论，不仅奠定了今天的冯·诺依曼机基础，也使计算机技术得到了飞速发展。

计算机技术和通信技术的结合和发展，满足了人们对快速信息获取、处理以及传播的需求，产生了计算机网络。计算机网络是信息社会最重要的基础设施，并将构筑成人类社会的信息高速公路。

1.1.2 计算机网络的发展

计算机网络的产生和发展，由初期到成熟可以分为4个阶段。

1.主机带终端形式的计算机网络（20世纪50年代）

20世纪50年代初期，人们首次尝试将计算机技术与通信技术相结合，形成了第一代以主机为中心携带多个终端的计算机网络体系，称为以主机为中心的联机系统。它是以一台计算机作为系统的处理中心，多台终端通过通信线路将数据传送到主机上处理，再利用通信线路将处理后的信息传送到对应的终端。主机带终端的联机系统如图1-1所示。这种网络结构比较简单，一般采用集中化处理，中心的中央计算机需要处理所有终端信息，负载量十分庞大，处理速度较慢。终端只负责数据的输入和输出，所有终端处理数据均依赖于同一台中央主机，一旦中央主机出现故障，则整个网络处于瘫痪状态，网络系统稳定性较低。

2.基于通信网的计算机网络（20世纪60年代中期—70年代中期）

随着计算机技术与通信技术不断进步，计算机网络结构发生了改变，出现了分组交换技术，利用分组交换机制组建的网络称为基于通信网的计算机网络。分组交换网为中心的计算机网络示意图如图1-2所示。分组交换采用的是存储转发技术，利用动态分配传输带宽的方式实现数据通信。分组交换网由若干节点交换机和节点间的链路组成，交换机与主机功能不同。网络中的主机是用户用来处理信息的，而分组交换网中的节点交换机则用来实现分组交换。

3.标准化的计算机网络（20世纪70年代中期—90年代初期）

随着计算机网络发展的日趋成熟，各计算机生产厂商为了使计算机产品得到更好的推广，纷纷基于自家产品制定了一系列网络技术标准。如1974年，IBM公司为自己生产的计算机制定了一套完整的网络体系结构化概念SNA标准。DEC公司也发布了数字网络系统（DNA）等。不同的计算机生产厂家纷纷发布了各自的体系结构标准，易于自家计算机设备连成网络。为了使不同公司生产的计算机可以全部互连成网，国际标准化组织（ISO）于1978年提出了“异种机联网标准”的框架结构，即开放式系统互联参考模型（OSI/RM）。所有联网计算机只要遵循OSI标准，就可以和同样采用该标准的任何计算机进行通信。其后各厂家都采用了这一标准，计算机网络体系实现了标准化。

20世纪80年代，随着微型计算机的发展和推广，企业内微型计算机与智能设备的互连也得到了发展，由此带动了局域网技术的发展和普及。1980年，IEEE 802委员会制定了局域网标准，促进了局域网趋向成熟。

4.以Internet为代表的计算机互联网络（20世纪90年代起）

20世纪90年代起，以Internet为代表的计算机网络得到了快速发展，无论在科学、军事、经济、文化和社会发展的任何领域都占据了重要地位。Internet中的信息来源于各行各业，如医疗、交通、文学教育、商业、金融行业、政府等。网络技术安全为整个网络的安全提供保障。同时，Internet逐渐渗透到人们的日常生活中，利用Internet可以进行聊天、收发邮件、学习或询问消息等。随着Internet的广泛应用和高速网络的发展，移动网络、网络多媒体计算、网络并行计算、存储区域网以及物联网和云计算等成为新的网络领域研究热点话题。互联网结构示意图如图1-3所示。

1.1.3 计算机网络的定义和特点

1.计算机网络的定义

计算机网络在不同发展阶段有着不同的定义。目前计算机网络的定义可以分为广义观点、资源共享观点以及用户透明观点。

（1）广义观点

计算机网络的广义定义是指将地理位置不同的、具有独立工作能力的计算机、终端以及所需的通信设备利用通信线路连接起来的系统的集合，在网络协议规范下用以实现信息传输。

（2）资源共享观点

资源共享观点是现阶段较为准确地对计算机网络定义的描述。资源共享观点将计算机网络定义为以资源共享为目的，自治计算机系统互相连接在一起的集合。

从资源共享观点来看可将计算机网络的主要特征概括为以下几点。

● 网络中互联的计算机分布在不同地理位置，并且这些计算机具有独立的功能，网络中的计算机没有主从关系，这些计算机既可以单独完成各自的工作，也可以联网合作完成工作。

● 计算机网络中的信息传输需要遵守共同的通信网络协议。计算机网络中的节点十分庞大，如果没有共同的网络协议进行约束、规范，则无法实现节点间有条不紊的数据交换。

● 计算机网络建立的目的是实现计算机之间的资源共享。计算机资源不仅包括数据资源，还包括网络中的硬件、软件。网络中的用户不仅可以实现数据资源的传输，还可以实现软硬件资源的共享，使资源利用率达到最大化。同时计算机还可以在网络中协同完成某项任务。

（3）用户透明观点

用户透明观点描述了一种分布式的计算机系统（简称分布式系统），是一种可以为用户自动统一管理资源的网络操作系统，利用该操作系统完成用户对所需资源的调用，而这种网络结构对用户来说是“透明的”。它基于以上两种对计算机网络的描述，又区别于传统计算机网络的定义。具体来说，这一观点下的分布式系统一般建立在计算机网络基础之上，其物理结构基本相同，不同之处在于：分布式操作系统与网络操作系统的设计思想不同，其工作方式、网络结构部署也不同。计算机网络是分布式系统的基础，而分布式系统是计算机网络的高级模式。

以上从不同角度对计算机网络进行了描述，其中资源共享观点下的计算机网络定义仍然是现阶段对计算机网络最为准确的特征描述。

资源共享是现阶段对计算机网络较为准确的描述，协作计算是计算机网络未来的目标。

2.计算机网络的特点

计算机网络的特点主要有资源共享、数据通信、集中管理、分布式网络处理、负载均衡、提高系统可靠性和人工智能等。

（1）资源共享

资源共享是计算机网络最突出的特点。在计算机网络中，用户可以共享网络中的各种硬件、软件资源，实现了资源的无地域共享，用户之间可以分工合作，共同完成一项工作，这样有利于提高系统资源的利用率。计算机网络可以实现主机共享（如工作站，中、小型机）、外部设备共享（如绘图仪、打印机、扫描仪）。同时，计算机网络实现了软件、数据等信息的共享，以此提高资源的利用率，减少重复资源的投资，节约成本。

（2）数据通信

计算机网络的数据通信功能可以满足计算机与终端之间或计算机与计算机之间各种信息的传送。计算机网络的这一特点克服了计算机通信时的地域限制，拉近了用户之间的距离，分布于不同地理位置的公司各个部门或者是不同单位也可通过计算机网络实现信息的集中管理。同时，在日常生活中，人们可以利用计算机网络实现相互间的远距离联络，可以交换信息和文件，发送和接收邮件，甚至可以远距离完成协同作业。计算机网络的这一特点改变了传统的通信手段（如发电报、打电话、传真、写信），不仅提高了计算机系统的整体性能，还为人们的生活带来了便利。

（3）集中管理

在没有联网的条件下，每台计算机都是一个“信息孤岛”。在管理这些计算机时，必须分别管理。而计算机联网后，可以在某个中心位置实现对整个网络的管理，如数据库情报检索系统、交通运输部门的订票系统和军事指挥系统等。

（4）分布式网络处理

对于大型的任务或当网络中某台计算机的任务负荷太重时，可将要处理的任务分散到网络中的各台计算机上运行，或由网络中比较空闲的计算机分担负荷，而不是集中在一台大型计算机上，不仅可以降低软件设计的复杂性，而且还可以大大提高工作效率和降低成本。

（5）负载均衡

当网络中某台计算机的任务负荷太重时，可通过网络和应用程序的控制和管理，将任务分散到网络中的其他较空闲的计算机中，由多台计算机共同完成，实现均衡负载，从而提高了每台计算机的可用性。

（6）提高系统可靠性

在一些用于计算机实时控制和要求高可靠性的场合，通过计算机网络实现备份技术可以提高计算机系统的可靠性。如网络中的每台计算机都可通过网络相互成为后备机，一旦某台计算机出现故障，它的任务就可由其他的计算机代为完成，这样可以避免在单机情况下，一台计算机发生故障引起整个系统瘫痪的现象，从而提高系统的可靠性。

（7）人工智能

随着计算机技术和人工智能的发展，计算机网络也在朝着智能化方向发展。计算机网络中的资源管理实现了智能化管理。例如，可以采用模糊技术实现信息的挖掘，自动对信息过滤处理、安排日程等。计算机网络能够智能地筛选出垃圾邮件，为用户进行信息的分类处理。从安全角度来看，计算机网络的这一特点能够时刻进行入侵检测，保证系统的安全。并且，人工智能的数据挖掘技术展现了其学习与记忆功能的强大。计算机网络的人工智能特性使其实现了更加智能化的系统管理。

人工智能使计算机网络智能化。它不是人的智能，却能像人那样思考，也可能超过人的智能。