第1章 計算機網絡概論與計算機網絡工程

計算機網絡已成為現代社會信息化的核心基礎設施，深刻改變了人類的生產、生活和學習方式。作為《網絡工程師教程第五版》的開篇，本章旨在系統闡述計算機網絡的基本概念、發展歷程、體系結構及其在現代工程實踐中的應用，為后續深入學習奠定堅實的理論基礎。

一、 計算機網絡的定義與核心目標

計算機網絡是指通過通信線路與通信設備，將地理位置分散的、具有獨立功能的多個計算機系統及其外部設備連接起來，在網絡操作系統、網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳遞的系統。其核心目標可概括為三點：

1. 資源共享：使網絡中的用戶能夠共享硬件（如打印機、存儲設備）、軟件（如應用程序）和數據資源，提高資源利用率，避免重復投資。
2. 信息交換與通信：為用戶提供強大的通信平臺，實現數據、語音、視頻等信息的快速、可靠傳輸。
3. 分布式處理與協同工作：將大型復雜的任務分解，交由網絡中的多臺計算機協同完成，提高系統的可靠性和處理能力。

二、 計算機網絡的發展歷程

計算機網絡的發展大致經歷了四個階段：

1. 面向終端的聯機系統階段（20世紀50-60年代）：以一臺中央主機為核心，通過線路連接多個地理上分散的終端，實現了初步的“計算機-通信”結合。這是計算機網絡的雛形。
2. 分組交換網絡階段（20世紀60-70年代）：以ARPANET的誕生為標志。其核心技術——分組交換，將數據分割成小的“分組”進行傳輸，極大地提高了通信線路的利用率和網絡的可靠性，奠定了現代互聯網的技術基礎。
3. 標準化與體系結構形成階段（20世紀70-80年代）：各大計算機廠商推出各自的網絡體系結構（如IBM的SNA，DEC的DNA），導致了互聯互通的困難。國際標準化組織（ISO）因此提出了著名的開放系統互連參考模型（OSI/RM），雖然未完全實用化，但其理論影響深遠。與此TCP/IP協議族在實踐中勝出，成為互聯網的事實標準。
4. 高速化、綜合化與全球化階段（20世紀90年代至今）：以Internet的商業化為起點，網絡技術進入爆發式增長期。光纖、高速路由交換、無線技術（如Wi-Fi、4G/5G）推動了網絡帶寬的指數級提升。網絡應用也從單一的數據傳輸，演變為融合數據、語音、視頻、物聯網、云計算、人工智能服務的綜合信息基礎設施。

三、 計算機網絡的分類

可以從不同維度對網絡進行分類：

• 按覆蓋范圍：
• 個域網（PAN）：覆蓋個人工作空間，如藍牙連接。

• 局域網（LAN）：覆蓋有限的地理范圍（如辦公樓、校園），具有高帶寬、低誤碼率的特點，典型技術如以太網、Wi-Fi。

• 城域網（MAN）：覆蓋一個城市，通常作為LAN的骨干。

• 廣域網（WAN）：覆蓋國家或洲際范圍，如Internet，強調遠距離通信。

• 按傳輸技術：廣播式網絡、點對點網絡。
• 按拓撲結構：總線型、星型、環型、網狀型等。
• 按使用性質：公用網（如電信網絡）、專用網（如企業、軍隊內部網絡）。

四、 計算機網絡體系結構：OSI與TCP/IP模型

網絡體系結構是分層描述網絡功能與協議的框架，是理解網絡工作原理的鑰匙。

1. OSI七層參考模型：由ISO提出，分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。它概念清晰，理論完整，是學習和分析網絡協議的理想工具。
2. TCP/IP四層模型：源于ARPANET實踐，分為網絡接口層（或主機至網絡層）、網際層（IP層）、傳輸層（TCP/UDP層）、應用層。它是互聯網實際運行的協議棧，簡潔高效。

兩者對比與融合：在實際的網絡工程教學與實踐中，常采用一種折中的五層模型：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層。這既吸收了OSI的層次清晰性，又貼合了TCP/IP的實際應用。

五、 計算機網絡工程概論

計算機網絡工程是將計算機網絡原理、技術、標準和方法，應用于網絡系統的規劃、設計、實施、運維和優化的系統性工程學科。它強調從工程實踐的視角解決實際問題，其生命周期通常包括：
1. 需求分析：明確網絡建設的目標、功能、性能、安全及擴展性要求。
2. 規劃與設計：進行拓撲設計、技術選型（有線/無線、路由/交換設備、IP地址規劃）、安全架構設計等，形成詳細的工程設計方案。
3. 實施與部署：依據設計方案，進行設備采購、安裝、配置、調試和系統集成。
4. 測試與驗收：對網絡的功能、性能、安全性進行全面測試，確保達到設計目標。
5. 運維與優化：網絡投入運行后的日常監控、故障排除、性能調優、安全加固和升級擴展。

六、 本章與展望

本章作為全書的導引，勾勒了計算機網絡的全貌。從基本概念到發展脈絡，從理論模型（OSI/TCP/IP）到工程實踐，構建了一個完整的知識框架。理解這些基礎是成為一名合格網絡工程師的第一步。隨著云計算、軟件定義網絡（SDN）、網絡功能虛擬化（NFV）、IPv6和萬物互聯（IoT）等新技術的發展，計算機網絡工程正面臨新的機遇與挑戰，要求工程師不僅掌握經典理論，更需具備持續學習和解決復雜工程問題的能力。后續章節將圍繞數據通信基礎、物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層及網絡安全與管理等內容展開深入探討。