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计算机网络技术是当今最热门的专业之一。计算机网络随着现代社会对信息共享和信息传输日益增强的需求而发展起来，给人类社会的生产、生活都带来了巨大的影响，在过去的几十年里取得了长足的发展。近十几年来，计算机网络深入千家万户，网络已经成为一种全社会的、经济的、快速存取信息的必要手段，它经历了由低级到高级、由简单到复杂、从单机到多机的发展过程。计算机网络技术对信息产业甚至整个社会都产生了深远的影响。
计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，是信息技术进步的象征。近年来Internet的迅速发展，证明了信息时代计算机网络的重要性。那么什么是计算机网络？其结构又是怎样的呢？
计算机网络是利用通信线路和设备将分散在不同地点、具有独立功能的多个计算机系统互联，按网络协议互相通信，由网络操作系统管理，能够实现相互通信和资源共享的系统。
一般的网络拓扑结构有3层，即接入层、汇聚层、核心层，其中核心层还包括数据中心和管理区，如图1.1所示。将网络分为3层结构有诸多优点：每一层都有各自独立且特定的功能；使用模块化的设计，便于定位错误，简化网络拓展和维护工作；可以隔离一个区域的拓扑变化，避免影响其他区域。此结构可以满足不同用户对网络可扩展性、可靠性、安全性和可管理性的需求。
图1.1 一般的网络拓扑结构
计算机网络于20世纪50年代中期诞生，20世纪60年代，广域网（计算机网络的一种）技术从无到有并迅速发展起来；20世纪80年代，局域网（计算机网络的一种）技术得到了广泛的发展与应用，并日趋成熟；20世纪90年代，计算机网络向综合化、高速化发展，局域网技术发展成熟。局域网技术与广域网技术的紧密结合使企业得以迅速发展，同时为21世纪网络信息化的发展奠定了基础。
随着网络技术的发展，网络技术的应用也已经渗透到社会生活中的各个领域。计算机网络的发展经历了从简单到复杂的过程，可分为以下4个阶段。
1. 面向终端的计算机网络
第一阶段（网络雏形阶段，20世纪50年代中期～20世纪60年代中期）：以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机网络，称为第一代计算机网络。
1946年，世界上第一台通用电子计算机ENIAC研制成功，它的问世是人类历史上的一个重要里程碑。然而，最初的计算机数量很少且价格昂贵。用户必须进入计算机机房，在计算机的控制台上进行操作。这种方式不能充分利用计算机资源，用户使用起来也极不方便。为了实现计算机的远程操作，提高计算机资源的利用率，人们将分布在各地的多个终端通过通信线路与某地的中心计算机相连，以达到使用中心计算机系统主机资源的目的。这种具有通信功能的面向终端的计算机系统称为第一代计算机网络。
2. 面向通信的计算机网络
第二阶段（网络初级阶段，20世纪60年代中期～20世纪70年代中后期）：开始进行主机互联，多个独立的主机通过线路互联构成计算机网络，没有网络操作系统，只形成了通信网。20世纪60年代后期，阿帕网（Advanced Research Project Agency Network，ARPANET）出现，称为第二代计算机网络。
随着计算机硬件价格的不断下降和计算机应用的飞速发展，一个大的部门或者一个大的公司已经能够拥有多个主机系统，这些主机系统可能分布在不同的地区，它们经常需要交换信息，如子公司的主机系统需要将其信息汇总后传输给总公司的主机系统，供有关工作人员查阅和审批。这种利用通信线路将多台计算机连接起来的系统引入了计算机之间的通信，是计算机网络的低级形式。这种系统中的计算机彼此独立又相互连接，它们之间没有主从关系，其网络结构有如下两种形式。
第一种形式是通过通信线路将主机直接连接起来，主机既承担数据处理工作，又承担通信工作。
第二种形式是把通信任务从主机中分离出来，设置通信控制处理机，主机间的通信通过通信控制处理机中的中继功能间接进行。
3. 开放式标准化的计算机网络
第三阶段（第三代计算机网络，20世纪70年代后期～20世纪80年代中期）：以太网诞生，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）制定了网络互联标准，即开放系统互连（Open System Interconnection，OSI），这是世界统一的网络体系结构，在这一阶段遵循国际标准化协议的计算机网络开始迅猛发展。
20世纪70年代后期，人们开始提出研究新一代计算机网络的问题。许多国际组织，如ISO、电气电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）等成立了专门的研究机构，研究计算机系统的互联、计算机网络协议标准等问题，以使不同的计算机系统、不同的网络系统能互联，实现“开放”的通信和数据交换、资源共享和分布处理等。1984年，ISO正式发布了OSI参考模型，开创了一个网络体系结构统一、遵循国际标准化协议的计算机网络新时代。OSI参考模型不仅确保了各厂商生产的计算机之间能互联兼容，还促进了企业的竞争。厂商只有执行这些标准，才有利于产品销售，用户也可以从不同厂商获得兼容、开放的产品，从而大大加速了计算机网络的发展。
在ARPANET基础上发展起来的Internet，使用的是传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）与互联网协议（Internet Protocol，IP），尽管它们不是OSI参考模型，但至今仍被广泛使用，成为事实上的行业标准。
4. 互联网与综合智能化高速网络
第四阶段（第四代计算机网络，20世纪80年代后期至今）：计算机网络向综合化、高速化发展，局域网技术发展日益成熟，第四代计算机网络就是以吉比特（Gbit）传输速率为主的多媒体智能化网络。
随着计算机网络的发展，全球建立了不计其数的局域网和广域网，为了扩大网络规模以实现更大范围的资源共享，人们又提出了将这些网络互联在一起的迫切需求，Internet应运而生。到目前为止，Internet的发展正逐渐走向成熟。
目前，计算机网络面临着诸多问题，如网络带宽限制、网络安全、IP地址紧缺等。因此，新一代计算机网络应向高速、大容量、综合性和智能化的方向发展。不断出现的新网络技术，如移动互联技术、第6版互联网协议（Internet Protocol version 6，IPv6）技术、全光网络技术等，是构建新一代宽带综合业务数字网的基础。
计算机网络具有以下功能。
1. 数据通信
数据通信是计算机网络最基本的功能，计算机网络为分布在各地的用户提供强有力的通信手段。组建计算机网络的主要目的就是让分布在不同地理位置的计算机用户能够相互通信、交流信息和共享资源。计算机网络提供了一条可靠的通信通道，它可以传输各种类型的信息，包括数据信息以及图形、图像、声音、视频流等多媒体信息。
2. 资源共享
资源共享是计算机网络最重要的功能，“资源”是指构成系统的所有要素，包括软、硬件资源和数据资源，如计算处理能力、大容量磁盘、高速打印机、绘图仪、通信线路、数据库、文件和其他计算机上的有关信息；“共享”则指网络中的用户能够使用部分或全部的这些资源，受经济和其他因素的制约，所有用户并非（也不可能）都能独立拥有这些资源。网络上的计算机不仅可以使用自身的资源，还可以共享网络上的资源，从而增强网络上计算机的处理能力，提高计算机软、硬件的利用率。
3. 集中管理
集中式计算机网络有一个大型的中央系统，其终端是客户机，数据全部存储在中央系统中，由数据库管理系统进行管理。所有的数据处理都由中央系统完成，终端只用来进行输入和输出。终端自己不进行任何处理，所有任务都在中央系统中进行处理。集中管理的主要特点是能把所有数据保存在一个地方。
计算机网络实现了数据通信与资源共享，使得在一台或多台服务器上管理与运行网络中的资源成为可能，从而实现了数据的统一集中管理，这一功能在现实中尤为重要。
4. 分布式处理
随着网络技术的发展，分布式处理成为可能。分布式处理通过算法将大型的综合性问题交给不同的计算机同时进行处理，用户可以根据需求合理选择网络资源，以实现快速处理，可大大增强整个系统的性能。
随着信息化社会进程的推进及通信和计算机技术的迅猛发展，计算机网络的应用越来越普及，如今计算机网络几乎深入社会的各个领域。Internet已成为家喻户晓的网络，成为当今世界上最大的计算机网络，同时是贯穿全球的“信息高速公路主干道”。计算机网络主要应用于以下领域。
1. 科学计算
研制计算机的初衷就是共同完成一项工作或任务，节省人力资源，实现科学计算。目前，科学计算仍然是计算机网络应用的重要领域，如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。利用科学计算可实现震前预警系统，如图1.2所示。由于计算机具有较快的运算速度、较高的计算精度及较强的逻辑判断能力，因此，出现了计算力学、计算物理、计算化学等新的学科。
图1.2 震前预警系统
2. 信息管理
利用计算机可以加工、管理与操作多种形式的数据资料。信息管理是计算机网络应用最广泛的领域之一，如企业管理、物资管理、报表统计、账目管理、信息情报检索等，以及近些年的电子商务、无纸化办公系统。某公司的库存管理系统如图1.3所示。
图1.3 某公司的库存管理系统
3. 个人信息服务
计算机网络在个人信息服务中的应用与企业网络的不同，家庭或个人一般拥有一台或几台微型计算机，通过电话交换网或光纤连接到公共数据网，通常希望通过计算机网络获得各种信息服务。一般来说，个人通过计算机网络获得的信息服务主要有如下方面。
（1）个人与个人之间的通信。随着计算机网络的发展，个人与个人进行通信的基本工具从电话逐渐转变为依赖于计算机网络。最初，电子邮件用于传输文本，后来进一步用于传输语音与图像。目前，QQ、微信等被广泛应用于个人与个人之间的通信。
（2）远程信息的访问。可以通过万维网（World Wide Web，WWW）方式查询各类信息，包括政府、教育、艺术、保健、娱乐、体育、旅游等各方面的信息，甚至是各类商业广告。随着新闻服务走向线上，再加上其定制化的特点，使得人们可以通过网络查看新闻，或下载感兴趣的内容。
（3）家庭娱乐。家庭娱乐正在对信息服务产生巨大的影响，人们可以在家里点播电影和电视节目，还可以实时地发表评论，与他人互动。
4. 企事业单位办公
计算机网络可以使企事业单位和公司内部实现办公自动化，做到各种软件、硬件资源共享。如果将内部网络接入Internet，则可以实现异地办公。例如，通过办公自动化系统、万维网、电子邮件、虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）等，公司可以很方便地与分布在不同地区的子公司或其他业务单位建立联系，不仅能够及时地交换信息，还能够实现无纸化办公。出差在外的员工通过网络可以与公司保持通信，得到公司的指示和帮助，公司还可以通过Internet收集市场信息并发布公司产品信息。
5. 商业管理
随着计算机网络的广泛应用，电子数据交换（Electronic Data Interchange，EDI）已成为国际贸易往来的重要手段，它将标准的经济信息通过通信网络传输到贸易伙伴的电子计算机系统中进行数据交换和自动处理，代替了传统的贸易单据，节省了大量的人力和物力，提高了效率。
总之，随着网络技术的发展和各种网络应用需求的提出，计算机网络应用的范围和领域在不断地扩大与拓宽，许多新的计算机网络应用系统不断地被开发出来，如远程教学、远程医疗、工业自动化、电子博物馆、数字图书馆、信息查询、电子商务等。计算机网络技术的迅速发展和广泛应用对经济、教育、科技、文化等各方面的发展以及人们的工作和生活都产生了重要的影响。