概 论计算机网络近年来获得了飞速的发展。20年前，在我国很少有人接触过网络。现在，计算机通信网络以及Internet已成为我们社会结构的一个基本组成部分。网络被应用于工商业的各个方面，电子银行、电子商务、企业管理、信息服务业等都以计算机网络系统为基础。从学校远程教育到政府日常办公乃至现在的电子社区，很多方面都离不开网络技术。可以不夸张地说，网络在当今世界无处不在。1997年，在美国拉斯维加斯的全球计算机技术博览会上，微软公司总裁比尔盖茨在演说中“网络才是计算机”的精辟论点，充分体现出信息社会中计算机网络的重要基础地位。计算机网络技术的发展越来越成为当今世界高新技术发展的核心之一。网络的发展也是一个经济上的冲击。数据网络使个人化的远程通信成为可能，并改变了商业通信的模式。一个完整的用于发展网络技术、网络产品和网络服务的新兴工业已经形成，计算机网络的普及性和重要性已经导致了在不同岗位上对具有更多网络知识的人才的大量需求。企业需要雇员来规划、获取、安装、操作、管理那些构成计算机网络的软硬件系统。另外，计算机编程已不再局限于个人计算机，现在的程序员要求设计并实现能与其他计算机上的程序通信的应用软件。1.1 计算机网络的产生和发展计算机网络的产生和发展与计算机技术的发展、计算机应用的普及密不可分。我们可以想象一下，当第一台计算机埃尼克（ENIAC）诞生的时候，既没有联网的要求，也没有联网的对象，人们不会考虑把计算机互联起来形成计算机网络的问题，只有当计算机数量达到一定程度，计算机应用普及到一定程度才会出现联网的要求，才会出现计算机网络。1.1.1 广域网技术产生时期第一个计算机互联系统产生于20世纪50年代。1951年，为了冷战的需要，美国空军委托美国麻省理工学院林肯实验室，为美国空军设计半自动化地面防空系统。该系统由17个防区组成，每个防区的指挥中心装有两台IBM公司的AN/FSQ-7计算机，通过通信线路连接防区内各雷达观测站、机场、防空导弹和高射炮阵地，由计算机程序辅助指挥员决策，自动引导飞机和导弹进行拦截。系统最终于1963年建成，称为SAGE（Semi-Automatic Ground Environment）。SAGE系统是计算机技术和通信技术结合的先 驱，很多现在习以为常的网络技术起源于这里。其主要贡献包括： 使用具有人机交互作用的显示器； 研制基于小型计算机的前端处理机； 制定了1600bps的数据通信规程； 高可靠性的路径选择算法。与此同时，民用计算机互联系统的研究也开始发展起来，如美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初开始研究，60年代初投入使用的由一台中央计算机与全美范围内的2000个终端组成的飞机订票系统；美国通用电气公司于1968年投入运行的信息服务系统（GE Information Service），其地理范围包括美国、欧洲、澳洲和日本，系统由75个远程集中器、16个中央集中器和分布各地的主计算机组成，相互之间通过56kbps的通信线路互联，并具有交互处理和批处理能力。在早期的计算机网络研究中，对现代计算机网络影响最大的是ARPANET。ARPANET的研究和建设始于20世纪60代中期，时值冷战高峰。当时的美国国防部（DOD）考虑到传统的电路交换电话网络太脆弱，因为一条线路或开关的损坏，就会终止所有使用它们的会话，甚至部分网络，所以希望建立一个能在核战争的条件下幸免于难的命令和控制网络，并将此任务交给了它的研究部门，即国防部高级研究计划局，简称DARPA或者ARPA。ARPA没有科学家和实验室，主要通过合同方式，让技术思想比较先进的公司和大学来完成该项任务。早期获得资助的一些大学研究了Paul Baran在20世纪60年代早期的兰德公司报告中建议的分组交换思想。经过研究后，ARPA最终确定国防部需要的网络应该是由子网和主机组成的分组交换网络，而不是改进传统的电路交换网络。在设计的这个分组交换网络中，子网由一些用小型机改装的设备构成，称为接口信息处理机（Interface Message Processor，IMP），每台IMP至少应与两台其他IMP通过通信链路连接，这样如果某些线路或IMP被摧毁了，报文会自动重新按备用通路传递，从而提高安全性和可靠性。网络中的每个节点由一台IMP和一台主机组成，处于同一房间，由短线互联。当有数据传输时，发送方主机将报文发送给IMP，报文长度最大为8063比特，IMP将完整的报文接收后，将报文分成最大为1008比特的分组，每个分组独立地发往目的地；在接收方，IMP接收每个分组，并将每个分组组装成完整的报文，然后将报文转发给接收主机，因此该子网是第一个电子的存储-转发分组交换网。随后ARPA将此方案进行招标，12个公司参加竞标，最终ARPA在1968年12月和BBN签署了合同。BBN选择改进的Honeywell-316小型机作为IMP，该小型机带有12K16b的核心存储器，并且没有安装硬盘，IMP之间通过租用的56kbps线路互联。软件被分为两部分：子网和主机。子网软件指在IMP中运行的软件，包括IMP与主机和IMP与IMP之间的通信软件。主机端的软件指在主机中运行的软件，包括主机与IMP之间的通信软件和主机与主机之间的应用软件。由于软件开发的工作量很大，ARPA 1969年夏天在美国犹他州的Snowbird召集了大多数是研究生参加的会议，然后交给每人一部分工作，他们必须自己想办法来实现。1969年12月开始启动了有4个节点的实验性网络，包括UCLA、UCSB、SRI和犹他大学，因为它们和ARPA有大量合同，而且都有不同的和完全不兼容的主机。随着IMP的增加，网络增长得非常快，并很快覆盖了全美国。后来，随着技术的发展和应用的需要，IMP软件被多次修改，包括为允许终端直接连接到特殊的IMP，即终端接口处理机（Terminal Interface Processor，TIP），而无需通过一台主机，每台IMP有多台主机、主机与多台IMP连接和主机与IMP远距离连接等。这些研究最终产生了现在的TCP/IP（1974年）模型和协议，随后加州大学伯克利分校把TCP/IP集成到了Berkeley UNIX操作系统中（BSD UNIX 4.2），并开发了网络编程接口Sockets，使得网络开发和网络互联变得更加容易。这一做法极大地推动了TCP/IP协议的推广和应用，也使得网络规模迅速扩大，最终形成今天的Internet。通过上述过程，可以看到这个时期（19511974）网络技术的发展有如下特点：（1）联网计算机地理分布广阔。这一时期，由于计算机的价格比较昂贵，通常一个单位可能只拥有一两台计算机，所以计算机总体数量比较少，而且在地理上也比较分散。如前述的飞机订票系统，联网的计算机分布在全美国各地；通用公司的信息服务系统联网计算机分布在全美、欧洲和亚洲等地。（2）通信线路主要是租用电信公司的线路交换网络。由于联网的计算机在地理上比较分散，所以联网单位不可能自己铺设线路，只能采用当时已经遍布全球的、基于线路交换的语音网络（Public Switched Telephone Network，PSTN），这导致了调制解调技术和数字通信技术的产生。（3）采用分组交换技术。虽然这一时期的网络通信链路采用的是电路交换，但是在数据传输中采用的是分组交换技术，这对后续的网络技术产生了极大影响。（4）独立的网络互联设备。这一时期网络中的另一个特点是把网络互联设备从计算机中独立出来，如SAGE系统的前端处理机、通用公司的信息服务系统中的远程集中器和中央集中器、ARPANET中的接口信息处理机（IMP）等。网络设备的独立要求主机必须考虑与网络设备的连接问题，主要包括主机和网络设备之间、网络设备和网络设备之间的连接，这种独立导致了计算机通信接口和独立网络设备的产生，如现在常用的串行通信接口RS-232和路由器等。（5）应用软件和通信软件分离。早期计算机网络中，应用软件主要是专用软件，如美国航空公司的订票系统等，直到ARPANET才开始出现通用软件。在这个过程中，应用软件是由计算机专业人员开发的，而底层通信软件则是传统电信公司开发的。从ARPANET技术的发展可以看出，TCP/IP协议只定义高层的协议，而如何把IP数据报转化成电信号，并在介质中传输却没有定义。但是CCITT的X.25. RS-232以及调制解调技术则解决了数据传输的问题，这些技术产生了现在的数字通信技术。总之，在早期，由于计算机整体数量较少，地理分布比较分散，网络技术的发展以广域网为主，网络拓扑结构则是以树型为主，多采用点对点或者点对多点链路。数字通信技术在这个时期有了比较大的发展。1.1.2 局域网技术产生发展时期顾名思义，局域网技术是指将局部地区的计算机互联起来形成网络的技术。局域网技术的产生是在20世纪60年代，当时的美国夏威夷大学为了把Ohau岛上的IBM360计算机与分布在其他岛上以及海洋船上的终端、读卡机连接起来，研制了一个称为ALOHA系统的无线计算机通信网络，其工作原理是：系统的“出境”（Outbound）表示从主机向岛屿发送数据，出境数据只要把接收方地址放在传输电文的标题上，相应的接收站就可以译码；“入境”（Inbound）表示从岛屿或船舶向主机发送数据，采用随机化的重传方法：副站（岛屿上的站）在操作员发出电文或信息包后，该站等待主站发回确认电文。如果在一定的时限（200ns1500ns）内，在出境信道上未返回确认电文，则远方站（副站）会认为两个站在企图同时传输，因而发生了碰撞冲突，使传输数据受破坏。此时两个站都将再次选择一个随机时间，试图重发它们的信息包，这时成功的把握就非常大。这种类型的网络称为争用型网络，因为不同的站都在争用相同的信道，这个信道是共享的。注意，与广域网的多路复用共享信道方式不同，这种共享信道的方式是竞争 性的。ALOHA系统无线网络的工作原理导致了现在使用最普遍的以太网技术的诞生。Palo Alto研究中心（PARC）是Xerox公司下属的一家著名的研究所，在1972年PARC的研究员已经发明了世界上第一台叫EARS的激光打印机和第一台叫ALTO的带图形用户界面的PC。Metcalfe在1972年来到PARC的计算机科学实验室，并被当作网络专家。他的第一件工作是把Xerox公司的ALTO计算机连到ARPANET。1972年底，Metcalfe和David Boggs根据ALOHA的原理设计了一套网络，将不同的ALTO计算机连接起来，接着又把NOVA计算机连接到EARS激光打印机。由于该网络是以ALOHA系统为基础的，又连接了众多的ALTO计算机，所以Metcalfe把这个网络称为ALTO ALOHA网络。这是世界上第一个个人计算机局域网络。1973年5月22日该网络开始运行，Metcalfe根据“电磁辐射是通过发光的以太来传播的”这一想法，把该网络改名为以太网（Ethernet），网络的传输速率为2.94Mbps。1979年7月，DEC、Intel和Xerox筹备召开三方会议，于1980年9月30日公布了第三稿的“以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范，1.0版”，这就是著名的以太网蓝皮书，也称为DIX（取三家公司名字的第一个字母而组成的）版以太网1.0规范。数据传输速率为10Mbps。在DEC、Intel和Xerox等公司对以太网技术进行标准化的同时，电气和电子工程师协会（IEEE）组成了一个定义与促进局域网标准的委员会，简称802委员会。802委员会在1981年6月成立了802.3分委员会，研究以太网的标准化问题，并在1983年通过了802.3标准，同时，施乐公司也将自己的4件以太网专利转交给了IEEE，这样任何人都可以从IEEE获得使用以太网的许可权，费用是1000美元。198