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但在孔雀河还没有到达焉耆盆地时，在它的北方有一条荒凉的东西走向的山脉，这就是库鲁克塔格山脉，这条山脉可以看作塔里木盆地的东北沿，和天山、昆仑山、阿尔金山等一同包围着巨大的塔克拉玛干沙漠。如果从孔雀河畔直接翻越库鲁克塔格山，就到了一个叫库米什的小盆地。这个盆地以北，是一道小一些的山梁，呈西北—东南走向，叫觉罗塔格山，在觉罗塔格山的东北方向，就是著名的吐鲁番盆地。
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在汉代，吐鲁番盆地并不在西域北道的正道上，而是处于更加偏北的位置。汉朝势力大都在天山以南活动，车师国退到了吐鲁番盆地，本以为已经避开了汉朝的锋芒，不幸的是，紧跟着车师国的迁移，汉朝也紧随其后来到了这里。原因在于，汉朝人很快发现，吐鲁番盆地同样具有战略价值。
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吐鲁番盆地是沟通天山南北的交通要道，如果一个人想去往天山以北，不管是从东面的哈密盆地，还是从西南的焉耆盆地，都必须首先到达吐鲁番盆地。在吐鲁番盆地北面是著名的博格达山，博格达山的西侧，和天山主脉之间有一道缺口，称为白水涧道，这条道通往现在乌鲁木齐所在地，就到了天山以北。
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由于天山通道的存在，在汉代，这里是沟通乌孙、匈奴和南疆各地的关键性区域，具有极大的军事价值。因为从这里出发，很容易去进攻西域北道上的焉耆，形成侧翼攻击。同时，由于这里距离匈奴更近，是匈奴重要的屏障，如果被汉朝控制，就成了进军西域的先锋地区。
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于是，车师撤到了这里不久，楼兰便投降了汉朝，吐鲁番盆地就成了下一个被汉朝进攻的地方。车师可以说是除匈奴之外，受到汉朝进攻最多的国家。
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公元前99年（天汉二年），汉武帝首次征召楼兰兵士，与汉军一起进攻车师，这一次汉军无功而返。
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公元前89年（征和四年），汉武帝派军进攻匈奴，迂回到了车师的北方，与楼兰、尉犁、危须等六国共同进攻车师，降服了它。
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但到了昭帝末年，匈奴又降服了车师。于是汉宣帝继位后，派出五位将军共同进攻匈奴，再次夺回了车师。但汉军撤离后，车师再次倒向了匈奴。
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公元前68年（地节二年），汉军再次进攻车师，攻克了车师首都交河城，但没有抓住车师国王，当粮食耗尽后，汉军撤离。
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第二年，汉军再攻车师，车师王投降汉朝。匈奴到来后，车师王害怕受到报复，逃到了乌孙。汉朝将车师王的妻子送往长安，待遇优厚地供养起来，接见外国使臣时请其登场，以显示大汉的优待。与此同时，汉军发兵三百人在车师屯田，准备持久战。
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下一年，匈奴将车师残部召集起来，另立国王，迁往东部，这是车师的第二次“搬家”。
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汉军在车师的屯田也进行得不顺利，只过了几年，就在公元前64年（元康二年）放弃了。
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公元前60年（神爵二年），匈奴日逐王投降了汉朝，汉军又一次发动攻击，击败了车师。
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在这一系列的打击下，车师再次成了碎片，它已经不再是一个国家，而是分成了八个国家。在车师国的首都，是一个叫车师前国的国家，而在吐鲁番盆地以北的博格达山北麓，分布着车师后国，以及所谓的“山北六国”[53]。车师分裂后，各个国家时而依靠汉朝，时而投往匈奴，但作为一个整体的车师国的消失，让这个碎片化的地区不再对汉朝构成明显的威胁了。
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表1 《汉书》记载的西域国家[54]
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共计54国，受西域都护府管辖的共50国，自译长、城长、君、监、吏、大禄、百长、千长、都尉、且渠、当户、将、相至侯、王，都被授予汉朝的官爵，共376人。康居、大月氏、安息、罽宾、乌弋山离等国因为距离遥远，不在统计之内。
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在西域，除了几个大国，其余大都是楼兰、车师这样的小国。它们虽然号称“西域三十六国”，但《汉书》一共记载了西域54个国家。这些国家大小相差巨大，除了几个大国，其余的人口甚至比不上一个村子。人口最少的只有194人（单桓），兵力最少的只有45人（单桓、狐胡）。可见，所谓的西域国家，有许多只是一个绿洲附近形成的居民点而已。它们与其说是一个国家，不如说只是一个城市或者一个村庄，只是幸运地占据了一片绿洲和草场，才被当作一个国家对待。
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但西域国家中也有一些大国，包括罽宾、乌弋山离、安息、大月氏、康居、奄蔡、大宛、乌孙。它们的人口大都有几十万甚至数百万，[55]是典型的占据了广大土地的大民族。
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除了这些大国，小国人口最多的是龟兹（81317人），其他大部分小国的人口都在几百到几千人之间。在西汉政府的西进政策下，到最后，这些国家大都在一定程度上表示对西汉政府的臣服。于是，西汉政府在西域建立了一个新的机构：西域都护府。
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西域都护府所辖的国家包括了所有的小国，外加大宛、乌孙两个大国，至于罽宾、乌弋山离、安息、大月氏、康居，可能还有奄蔡，由于位置偏远，连隶属关系都不存在。从这里也可以看出，西域都护府管辖的区域大致在现代中国边境以内，只有大宛（费尔干纳谷地）、乌孙（首都赤谷城位于吉尔吉斯斯坦的伊塞克湖南面，已经出了现代的中国边境）和奄蔡（花剌子模地区）在国境之外，但它们的情况在后面还会提到。