第1章 计算机网络概论与计算机网络工程

计算机网络已成为现代社会信息化的核心基础设施，深刻改变了人类的生产、生活和学习方式。作为《网络工程师教程第五版》的开篇，本章旨在系统阐述计算机网络的基本概念、发展历程、体系结构及其在现代工程实践中的应用，为后续深入学习奠定坚实的理论基础。

一、 计算机网络的定义与核心目标

计算机网络是指通过通信线路与通信设备，将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统及其外部设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的系统。其核心目标可概括为三点：

1. 资源共享：使网络中的用户能够共享硬件（如打印机、存储设备）、软件（如应用程序）和数据资源，提高资源利用率，避免重复投资。
2. 信息交换与通信：为用户提供强大的通信平台，实现数据、语音、视频等信息的快速、可靠传输。
3. 分布式处理与协同工作：将大型复杂的任务分解，交由网络中的多台计算机协同完成，提高系统的可靠性和处理能力。

二、 计算机网络的发展历程

计算机网络的发展大致经历了四个阶段：

1. 面向终端的联机系统阶段（20世纪50-60年代）：以一台中央主机为核心，通过线路连接多个地理上分散的终端，实现了初步的“计算机-通信”结合。这是计算机网络的雏形。
2. 分组交换网络阶段（20世纪60-70年代）：以ARPANET的诞生为标志。其核心技术——分组交换，将数据分割成小的“分组”进行传输，极大地提高了通信线路的利用率和网络的可靠性，奠定了现代互联网的技术基础。
3. 标准化与体系结构形成阶段（20世纪70-80年代）：各大计算机厂商推出各自的网络体系结构（如IBM的SNA，DEC的DNA），导致了互联互通的困难。国际标准化组织（ISO）因此提出了著名的开放系统互连参考模型（OSI/RM），虽然未完全实用化，但其理论影响深远。与此TCP/IP协议族在实践中胜出，成为互联网的事实标准。
4. 高速化、综合化与全球化阶段（20世纪90年代至今）：以Internet的商业化为起点，网络技术进入爆发式增长期。光纤、高速路由交换、无线技术（如Wi-Fi、4G/5G）推动了网络带宽的指数级提升。网络应用也从单一的数据传输，演变为融合数据、语音、视频、物联网、云计算、人工智能服务的综合信息基础设施。

三、 计算机网络的分类

可以从不同维度对网络进行分类：

• 按覆盖范围：
• 个域网（PAN）：覆盖个人工作空间，如蓝牙连接。

• 局域网（LAN）：覆盖有限的地理范围（如办公楼、校园），具有高带宽、低误码率的特点，典型技术如以太网、Wi-Fi。

• 城域网（MAN）：覆盖一个城市，通常作为LAN的骨干。

• 广域网（WAN）：覆盖国家或洲际范围，如Internet，强调远距离通信。

• 按传输技术：广播式网络、点对点网络。
• 按拓扑结构：总线型、星型、环型、网状型等。
• 按使用性质：公用网（如电信网络）、专用网（如企业、军队内部网络）。

四、 计算机网络体系结构：OSI与TCP/IP模型

网络体系结构是分层描述网络功能与协议的框架，是理解网络工作原理的钥匙。

1. OSI七层参考模型：由ISO提出，分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。它概念清晰，理论完整，是学习和分析网络协议的理想工具。
2. TCP/IP四层模型：源于ARPANET实践，分为网络接口层（或主机至网络层）、网际层（IP层）、传输层（TCP/UDP层）、应用层。它是互联网实际运行的协议栈，简洁高效。

两者对比与融合：在实际的网络工程教学与实践中，常采用一种折中的五层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。这既吸收了OSI的层次清晰性，又贴合了TCP/IP的实际应用。

五、 计算机网络工程概论

计算机网络工程是将计算机网络原理、技术、标准和方法，应用于网络系统的规划、设计、实施、运维和优化的系统性工程学科。它强调从工程实践的视角解决实际问题，其生命周期通常包括：
1. 需求分析：明确网络建设的目标、功能、性能、安全及扩展性要求。
2. 规划与设计：进行拓扑设计、技术选型（有线/无线、路由/交换设备、IP地址规划）、安全架构设计等，形成详细的工程设计方案。
3. 实施与部署：依据设计方案，进行设备采购、安装、配置、调试和系统集成。
4. 测试与验收：对网络的功能、性能、安全性进行全面测试，确保达到设计目标。
5. 运维与优化：网络投入运行后的日常监控、故障排除、性能调优、安全加固和升级扩展。

六、 本章与展望

本章作为全书的导引，勾勒了计算机网络的全貌。从基本概念到发展脉络，从理论模型（OSI/TCP/IP）到工程实践，构建了一个完整的知识框架。理解这些基础是成为一名合格网络工程师的第一步。随着云计算、软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）、IPv6和万物互联（IoT）等新技术的发展，计算机网络工程正面临新的机遇与挑战，要求工程师不仅掌握经典理论，更需具备持续学习和解决复杂工程问题的能力。后续章节将围绕数据通信基础、物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层及网络安全与管理等内容展开深入探讨。