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战国时期匈奴兴起后，东有东胡，西有月氏，匈奴受制于两方，匈奴单于甚至将自己的儿子送给月氏作质。公元前209年冒顿单于即位后，匈奴迅速强大起来，东败东胡，西破月氏，南逼河套。匈奴对月氏的压迫，促使月氏西迁，改变了西域的民族分布。月氏和乌孙本为近邻，分布在河西走廊，公元前3世纪末，月氏杀乌孙昆莫之父，乌孙北迁匈奴，公元前177至前176年，冒顿单于派右贤王率领匈奴和乌孙部众，向月氏进攻，月氏大部分被迫西迁天山以北地区。原来放牧天山南北的塞人无地可容，塞王率领部众由喀什噶尔河南下，出明铁盖山口越过悬度，占领克什米尔，另一部分则西走中亚细亚，进入阿姆河以北的广大草原。老上单于（公元前173—前160）时，匈奴再次大破月氏，月氏只得由伊犁河南迁大宛、大夏，小部分未能西迁的，留在昆仑山北，保南山羌，号称小月氏。乌孙昆莫占据月氏故地，建国于伊犁河流域和伊塞克湖地区，定都伊塞克湖东南的赤谷城，服属匈奴。乌孙统治区内仍然散居着塞人和月氏人。
天山南路城郭诸国，在汉初共有三十六国，以定居的农业为主，兼有畜牧。那里分布着很多不同的民族，有氐、羌、塞、月氏、匈奴和少数汉族。人口合计三十多万，各国以龟兹人口最多，有八万多人。在公元前176年以后，乌孙、楼兰等北道二十六国都在匈奴控制之下。
匈奴的日益强大对汉代构成一大危害，汉初六十年国力尚未恢复，对匈奴只能采取妥协政策，每年向单于赠送大批缯絮米蘖，又与匈奴和亲通婚。但匈奴仍自恃强大，拥有百万能骑善射的精兵，每到秋熟，便策骑南侵，掳掠汉的边民和财富，又强迫西域各地向匈奴贵族纳税和送人质，阻遏汉和中亚各国的商业来往。汉武帝刘彻（公元前140—前87）即位后，开始联络西域各国，取得他们的支持以发动对匈奴的反击，同时为了获得中亚所产的骏马，改善军事装备和交通工具，输出产量越来越丰富的丝帛，也亟须发展和中亚各国的关系。公元前138年，刘彻派遣张骞出使大月氏，目的是劝说大月氏王和汉联合起来共同击败匈奴。
张骞和一个少数民族的随从甘父一起，带领一百多人，从长安出发，经陇西时被匈奴拘留，在匈奴那里一住十一年。后来乘机和随从人员偷逃，经几十天的长途跋涉到了大宛、康居和大月氏。当时大月氏已立新王，吞并了大夏，已经安居乐业，加上和中原距离太远，无意于进攻匈奴。张骞从月氏到大夏都城巴尔克，住了一年多，不得要领而返。公元前128年张骞取道南山经羌中（今青海）归国，中途又被匈奴扣留，一年后，匈奴单于死，发生内乱，张骞乘机逃出，于公元前126年回到长安，前后共历十三年，回来时仅二人。
张骞初次出使，虽然没有达到和大月氏缔结盟约的目的，但获得了有关西域各国的地理、物产、军事知识，了解了许多匈奴的内情。汉武帝由此知道和中亚、西亚各国打交道，不仅在军事上极有意义，而且在经济上也会对汉朝产生很多效益，这些国家都很器重中国财物。张骞又根据自己的地理知识，提出开蜀道通身毒（印度），发展和大夏的贸易关系。张骞在大夏时曾见邛（西昌附近）竹杖、蜀布（土芦布、棉布），大夏人告诉他是大夏商人从印度得来的，印度在大夏东南数千里。公元前125年刘彻命张骞由蜀郡重新开通西南夷，因昆明游牧部落的阻挠，汉使无法通过。张骞又以他对匈奴的知识参与卫青出击匈奴的战争，因知水草处，使军士不乏，而立大功，在公元前123年被封为博望侯。此后汉军屡次征伐，打击河西匈奴。河西匈奴由休屠、昆邪二王治理，公元前121年昆邪王杀休屠王降汉，黄河以西、罗布淖尔以东的匈奴全被肃清，汉在这里设武威、酒泉两郡，后又分出张掖、敦煌两郡，并列玉门、阳关两关，于是通往西域的大道才得敞开。
公元前119年，卫青、霍去病再次率大军夹击匈奴，将匈奴进一步驱逐到漠北。但汉军也损失惨重，军马严重缺乏。刘彻因而决定派张骞再次出使西域，试图利用乌孙原先居住敦煌一带，后来和匈奴有尖锐的矛盾这一点，通过和乌孙结亲请他们迁回故地，“断匈奴右臂”（《史记·大宛列传》）。这次张骞带了许多副使，率随从三百人，各备马二匹，以便随时派往邻近各国，又带去牛羊数万，金币帛直数千万之多，积极发展和西域各国的友好关系。不过这次张骞仍未能达到预期的目的。乌孙昆莫和贵族都畏惧匈奴，国内又因王位纷争而分裂为三，昆莫虽总率诸部，但亦不敢擅自取信于张骞。张骞于是分别派遣副使到大宛、康居、大月氏、大夏、安息、身毒、于阗（和阗）、扜罙（策勒）及其邻近国家。张骞归国，乌孙遣导译相送，并派使者到长安，见到汉朝人众富厚，回去如实报告，汉朝的威望大大提高。张骞所派副使回国时也带回了许多所到国的使者，西北许多国家都和汉有了正式的外交往来。
张骞通使乌孙之后，汉使多取道乌孙南境绕过伊塞克湖前往大宛、大月氏等中亚国家。汉朝期盼从那里引进良马，当时中国人繁育的主要是经过驯化的蒙古矮种马，西方却出产更有耐力而奔跑迅疾的千里马。乌孙王于是献骏马，武帝取名“天马”。这种马产在中亚渥洼水（阿姆河）流域，是分布在亚洲西部的土库曼马或突厥马。后来李广利在公元前102年征伐大宛，取得了汗血马，这马由于有一种寄生虫，出汗时会显出红色的斑点，得了“汗血马”的称号。汗血马体态矫健，双耳间额头上生有一处锥形肉角，马的尾础高，尾巴上翘，深得刘彻欢心，于是封为“天马”，乌孙马改称“西极”马。乌孙王在公元前110年又娶江都王刘建的女儿，汉和乌孙的结亲对匈奴是一个打击，对发展西域交通是很有意义的策略。自此以后，汉代使者更远到安息、奄蔡、犁轩、条支、身毒。大宛的马匹成为这种官方贸易的一项特定的目标，汉的缯帛、漆器、黄金、铁器更是各国所欢迎的产品。汉代派出去的使节都具有贸易的目的，沿途给养多需自备，或以缯彩换取。每次多者数百人，少的一百多人，一年中常派出使者十多次，这些使节往返一次，常常远的要八九年，近的也要几年。而汉代西域交通的畅通，和张骞不顾艰险、再接再厉的“凿空”精神是不能分开的，他所开通的道路，在他以后的千秋万代，发挥了巨大的作用。迄今为人称颂的丝绸之路，从张骞的时代起，就成了中国和它以西各国的友谊之路。
2004年西安理工大学西汉M1壁画出土东壁中部骑马射猎图摹本（原图红、绿、褐三彩）
公元前60年，匈奴发生政变，处于匈奴西部的日逐王先贤掸被迫率众归属于汉，汉任命郑吉为西域都护，都护府设在乌垒城，职位略低于内地的郡太守，秩比二千石。从此西域这块地方，包括北疆和巴尔喀什湖以东以南的广大地区都正式列入汉代的版图，帕米尔以西以北的大宛、乌孙都在都护的统辖之下。
汉和中亚各国的交通出入天山南路，从长安经河西走廊的武威、张掖、酒泉、安西到敦煌，敦煌郡龙勒县有玉门、阳关，由此西行有南北二道。《汉书·西域传》卷九六上说：“自玉门、阳关出西域有两道。从鄯善傍南山北，波河西行至莎车，为南道；南道西逾葱岭则出大月氏、安息。自车师前王庭随北山，波河西行至疏勒，为北道；北道西逾葱岭则出大宛、康居、奄蔡焉。”南道出阳关（今南湖）西南沿阿尔金山北麓至伊循（今米兰）、且末（今且末）、精绝（今民丰）、扜弥（今策勒）、于阗（今和田）、皮山（今皮山）、莎车（今莎车），由此经蒲犁（今塔什库尔干）出明铁盖山口，沿兴都库什山北麓喷赤河上游西至大月氏（巴尔克）和安息（赫康托姆菲勒斯）。北道出玉门关（今小方盘城）西过白龙堆（罗布碱滩）至罗布淖尔西北的楼兰后，必须向北绕道车师前王国（吐鲁番西雅尔湖），西南取道塔克拉玛干沙漠北缘的危须（博斯腾湖北的乌沙克塔尔）、焉耆（今焉耆）、龟兹（今库车）、温宿（今乌什）、姑墨（今阿克苏）、尉头（今阿合奇）至疏勒（今喀什），经捐毒（今乌恰）越过帕米尔高原到大宛（费尔干纳盆地）、康居（撒马尔罕及其附近）。康居西北可通奄蔡（咸海东北），向南可到大月氏，西南则通安息。
上述南北两条国际交通干线之外，又有若干支线。在新疆境内还有两条大道联系各处。南边的一条出敦煌玉门关后西南至伊循，南至婼羌、小宛（今且末以南，已沦为沙漠）、戎卢（今民丰以南）、渠勒（今策勒南）到疏勒。从皮山西南还有一条国际交通线，经乌秅（巴勒提特、罕萨）、悬度（特鲁以东）到罽宾（查萨达），出开伯尔隘口后经过喀布尔西南到达乌弋山离（亚历山大里亚-普洛夫达西亚）。据《汉书》，南道至此而极，再经伊朗南道可以转北而东到安息国都。新疆境内北边的一条是从敦煌向北到伊吾（今哈密南），北越天山通蒲类（今巴尔坤），由此西向沿博格多山北麓到车师后王国（今济木萨尔），经卑陆（今阜康县东）、单桓（今乌鲁木齐以北）、乌贪訾离（今呼图壁南），西出特克斯河至乌孙（依什提克）。从北道另有一路由温宿西北越过别迭里隘口（勃达岭）到赤谷城，经都赖水（塔拉斯河）通康居。这些国际交通干道通过中亚伸向欧洲、地中海东部利凡特工商城市，甚至和埃及的亚历山大里亚城也发生了贸易往来。
《汉书》所记的北道是公元前60年汉在新疆设立西域都护府以后的情况。北道出玉门关后必须绕道车师前王国，再转焉耆、库尔勒而西。但从很早的时候起，玉门关以西实际已有北、中二道。中道西过榆树泉，经巴什托克拉克，穿越汉代称为白龙堆的罗布碱滩北头，由罗布淖尔北经楼兰，沿孔雀河北岸西抵库尔勒，和北道相接，这条路经过楼兰古国，又称楼兰故道，直到4世纪中叶塔里木河（下游孔雀河）改道，楼兰废弃，交通才绝。张骞通西域，已走楼兰故道，这条路路径虽短，但须过白龙堆，缺乏水草，行旅艰困。楼兰当道，又近汉，常主导发，负水儋粮，送迎汉使。李广利出征大宛，大宛才以为汉离开太远，“而盐水（碱滩）中数有败，出其北有胡寇，出其南，乏水草”。匈奴势力被驱赶到天山以北后，车师前王国土地肥美，物产饶富，行旅又循碱滩北缘，商旅宁肯绕道北行。前汉时代北道的这一段应是经过车师前王国转车师后王国，沿伊犁河而西至乌孙北境，然后至康居、奄蔡。中道则由楼兰而西至龟兹、疏勒，过大宛至康居。这条路在帕米尔高原以东的一段到三国初称为中道，而它的出现却是很早的。汉代丝绸大批西运，南北二道就成了丝绸之路 [1] 。