管理信息系统 - 万水书苑-出版资源网

第二章

管理信息系统的技术基础

内容提要 本章全面地介绍了计算机技术与信息系统的关系，使学生了解计算机系统硬件、软件的 构成，并深入介绍了计算机技术、数据库技术和计算机网络技术的主要构成及发展。

第一节 计算机和计算机学科的发展

一、计算机的诞生与发展 1．计算机的诞生 计算机的诞生源于人类对计算工具的需求。1642 年，法国物理学家帕斯卡发明了机械的 齿轮式加减法计算器，1673 年，德国数学家莱布尼兹发明了乘除法计算器，英国数学家巴贝 奇在 1884 年设计了一种程序控制的通用分析机。20 世纪以后，特别是第二次世界大战爆发前 后，军事科学技术对高速计算工具的需要尤为迫切。在此期间，德国、美国、英国都在进行计 算机的开拓工作，几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研究。 德国的朱赛最先采用电气元件制造了计算机。他在 1941 年制成的全自动继电器计算机 Z-3，已具备浮点计数、二进制运算、数字存储地址的指令形式等现代计算机的特征。在美国， 1940～1947 年间也相继制成了继电器计算机 MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5 等。1938 年，美籍保加利亚学者阿塔纳索夫首先制成了电子计算机的运算部件。1943 年，英国外交部 通信处制成了“巨人”电子计算机。这是一种专用的密码分析机，在第二次世界大战中得到了 应用。1946 年 2 月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的大型电子数字积分计算机（ENIAC），

2

2 C h ap te r 最初也专门用于火炮弹道计算，后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。 在计算机的诞生过程中，有两位杰出的科学家奠定了现代计算机的基础，他们是阿兰·图 灵（Alan Mathison Turing）和冯·诺依曼（John Von Neumann）。阿兰·图灵是计算机理论的 奠基人。他的著名论文《论可计算数在判定问题中的应用》以布尔代数为基础，将逻辑中的任 意命题（即可用数学符号）用一种通用的机器来表示和完成，并能按照一定的规则推导出结论。 冯·诺依曼是计算机的奠基人。冯·诺依曼为首的研制小组于 1946 年 6 月提出了“存储程序 控制”的计算机结构，并进行了电子离散变量自动计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）的研制。冯·诺依曼设计的计算机由 5 个基本部分组成，有存储器、运 算器、控制器以及输入输出设备。 2．计算机的发展 计算机的发展可以划分为六个阶段。 第一代：真空电子管计算机（1946～1957 年）。基本逻辑元件为电子管，主存储器采用延 时线或磁鼓，辅助存储器开始使用磁带。 第二代：晶体管计算机（1958～1964 年）。基本逻辑元件为晶体管，主存储器采用磁芯， 辅助存储器开始使用磁盘。 第三代：集成电路计算机（1965～1970 年）。基本逻辑元件为集成电路，主存储器以磁芯 为主，并开始使用半导体存储器，辅助存储器采用磁盘。 第四代：大规模集成电路计算机（1971 年～至今）。基本逻辑元件为大规模（或超大规模） 集成电路，主存储器采用集成电路，辅助存储器使用大容量的磁盘、光盘。 第五代：智能计算机。 第六代：光电子、超导电子和生物电子作逻辑元件。 二、计算机学科的简介 1．计算机学科的发展 计算机学科包括四大分支：计算机科学（Computer Science，CS）、计算机工程（Computer Engineering，CE）、软件工程（Software Engineering，SE）和信息系统（Information Systems， IS）。体现在计算机学科的基础知识体系方面，从计算机学科发展早期的数学、电子学、高级语 言和程序设计等主要支撑专业基础知识，到 20 世纪 60～70 年代的数据结构与算法、计算机原 理、基本逻辑、编译技术、操作系统、高级语言与程序设计、数据库原理等主要专业基础知识， 到 20 世纪 80 年代后的并行技术、分布计算、网络技术、软件工程等主要关注热点内容。 2．计算机学科的方法论 计算机学科的三个形态是理论、抽象和设计。它们描述了学科的研究与实践的三种形态， 是学科方法论最根本的内容。 （1）理论。 计算理论与数学所用方法类似，主要要素为定义、公理、定理、证明和结果的解释。用

2 C h ap te r 这一过程来建立和理解计算机科学与技术学科所依据的数学原理。其研究内容的基本特征是构 造数学特征。 （2）抽象（模型化）。 抽象源于实验科学，主要要素为数据采集方法和假设的形式说明、模型的构造与预测、 实验分析、结果分析。在为可能的算法、数据结构和系统结构等构造模型时使用抽象过程，然 后对所建立的模型的假设、不同的设计策略以及所依据的理论进行实验。用于实验相关的研究， 包括分析和探索计算的局限性、有效性和新计算模型的特性，以及对未加以证明的理论的预测 的验证。抽象的结果是概念、符号、模型。 （3）设计。 设计源于工程学，用来开发求解给定问题的系统和设备。主要要素为需求说明、规格说 明、设计与实现方法、测试和分析。 3．计算机学科的知识体系 计算机科学与技术学科的知识体系由以下部分组成： （1）离散结构（Discrete Structure，DS）。 （2）程序设计基础（Programming Foundation，PF）。 （3）算法与复杂性（Algorithm and Complexity，AL）。

（4）计算机组织与体系结构（computer framework and system ARchitecture，AR）。 （5）操作系统（Operating System，OS）。

（6）网络及其计算（Network and its Computing，NC）。 （7）程序设计语言（Programming Language，PL）。 （8）人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）。

（9）图形学和可视化计算（Graphic and Visual computing，GV）。 （10）智能系统（Intelligent System，IS）。

（11）信息系统（Information System，IS）。 （12）软件工程（Software Engineering，SE）。

（13）数值计算科学（Computing of Numerical value，CN）。 （14）社会与职业问题（Social and Professional problems，SP）。

第二节 计算机技术

计算机技术主要由两大类基本技术构成，即计算机硬件和软件。硬件是指组成计算机（通 常指计算机系统）的各种物理设备的统称，是计算机系统的物质基础；软件则是指为了运行、 管理和维护计算机而编制的各种程序、数据以及相关文档的总称。计算机系统的各种功能都是 由软件和硬件共同协作完成的。

2 C h ap te r 一、计算机硬件技术 计算机硬件由运算器、控制器、主存储器、辅助存储器、输入/输出设备等组成。从物理 结构讲，微型计算机由显示器、键盘和主机构成。主机是计算机的核心部件，它和其他外设安 装在主机箱中。在主机箱内有主板、硬盘驱动器、CD-ROM、软盘驱动器、电源、显示适配器 等。微机主板包括中央处理器、内部存储器、输入/输出接口部件三大部分。各种外部设备通 过 I/O 接口部件与主机相连。主机内部各部分之间由 3 条总线（地址总线、数据总线、控制总 线）相连。中央处理器把原始数据处理为有用的形式，控制计算机系统的其他部件。主存储器 暂时存储处理过程中的数据和程序指令，而辅助存储设备（磁盘、光盘和磁带）存储处理过程 中不使用的数据和程序。输入设备诸如键盘和鼠标，把数据和指令转换成为输入到计算机的电 子形式。输出设备诸如打印机和视频显示终端，把计算机系统产生的电子数据转换成为人们可 以理解的形式并加以显示。总线是在计算机各部件之间传送数据和信号的线路。 这些部件通过系统总线连接形成一个计算机系统。图 2-1 表示了这些部件之间的连接关系。 图 2-1 计算机系统结构 1．运算器

运算器（Arithmetic Logic Unit，ALU）是对数据进行加工处理的部件，它在控制器的作 用下与内存交换数据，负责进行各类基本的算术运算、逻辑运算和其他操作。运算器由算术逻 辑单元、累加器、状态寄存器和通用寄存器等组成。ALU 是用于完成加、减、乘、除等算术 运算，与、或、非等逻辑运算以及移位、求补等操作的部件。 2．控制器 控制器是整个计算机系统的指挥中心，负责对指令进行分析，并根据指令的要求，有序 地、有目的地向各个部件发出控制信号，使计算机的各部件协调一致地工作。控制器由指令指 针寄存器、指令寄存器、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成。 用来处理一个单一的机器指令的系列操作被称为机器周期（Machine Cycle）。机器周期具

2 C h ap te r 有两部分：指令周期和执行周期。在指令周期，控制器从主存储器中取出一条程序指令并对其 解码，这样 CPU 就可以知道应该做什么。在执行周期，控制器在主存储器中找到所需的数据， 把它放入存储寄存器内，然后通知运算器执行要求运算，接下来把运算结果临时地存放在累加 器内，最后把结果放到主存储器中。 3．主存储器 计算机系统的一个重要特征是具有极强的“记忆”能力，能够把大量的计算机程序和数 据存储起来。存储器是计算机系统内最主要的记忆装置，既能接收计算机内的信息（数据和程 序），又能保存信息，还可以根据命令读取已保存的信息。 存储器中的数据都是以二进制的形式来表示的，在计算机的存储器中，数据按字节编址， 每个地址单元 8 位，即一个字节（也称字节单元）。所有的字节单元的总数称为容量，存储容 量的单位是 KB、MB 与 GB 等。1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB。 4．辅助存储器 辅助存储器设置在主机的外部，又称为外部存储器（简称外存），是内存的扩充。外存一 般具有存储容量大、可以长期保存暂时不用的程序和数据、信息存储性价比高等特点。计算机 执行程序和加工处理数据时，外存中的信息按信息块或信息组先送入内存后才能使用，即计算 机通过外存与内存不断交换数据的方式使用外存中的信息。 常见的外存包括磁盘（简称硬盘）、光盘、磁带和 USB 盘（简称 U 盘）。 5．输入输出设备 （1）输入设备。 输入设备要把程序、数据、字符、图形、图像和声音等输入到计算机中去，因此输入设 备是人与计算机的一个接口。计算机数据输入最常见的设备有键盘、鼠标和触摸屏。源数据自 动化技术诸如光符识别、磁墨水字符识别、笔输入设备、数字扫描仪、语音输入设备与传感器 等为我们的数据输入带来了极大的方便。 （2）输出设备。 输出设备是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。它把各种计算结果以数字、 字符、图像、声音等形式表示出来，即将计算机输出信息的表现形式转换成外界能接受的表现 形式。主要的数据输出设备有视频显示器、打印机、语音及视频输出设备。 二、计算机软件技术 计算机硬件在信息技术基础设施中扮演着重要的角色，但是它需要计算机软件提供硬件 需要的指令。事实上，正是因为有了计算机软件，才使得计算机硬件能够变成有用的东西。软 件的功能主要有以下 3 个方面：①管理组织的计算机资源；②为人们利用这些资源提供工具； ③作为组织和存储信息之间的中介。 根据用途和性能，软件可以分为系统软件和应用软件两类。当计算机在执行各类信息处 理任务时，那些管理与支持计算机系统资源及操作的程序，称为系统软件。系统软件是处于硬

2 C h ap te r 件与应用软件之间，为有效地利用计算机的各种资源和方便用户使用计算机的一组程序。将特 定的硬件配置与系统软件包结合就形成了所谓的计算机系统平台。应用软件是那些综合用户信 息处理需求，直接处理特定应用的程序。应用软件能够帮助用户解决特定的技术问题。 各种类型的软件是相互关联的，它们好似一个相互嵌套的盒子，每一个盒子必须和周围 的盒子紧密地相互作用。图 2-2 表达了这种相互嵌套关系。系统软件（包括操作系统、语言翻 译器和实用程序）包围和控制着对硬件的访问。应用软件（如程序设计语言和第四代语言）必 须通过系统软件的运行才能工作。终端用户面对的是计算机的操作界面，他们主要和应用软件 打交道。 图 2-2 系统软件、应用软件和用户之间的关系 1．系统软件 系统软件包括各种语言的汇编、解释或编译系统，如计算机监控、调试、诊断、故障检 测程序，数据库管理程序，操作系统和网络通信管理程序等。系统软件根据所完成功能的不同， 可以分为以下 4 类。 （1）语言处理程序。这类程序主要帮助用户开发信息系统的应用程序。它是将各种程序 设计语言所编写的程序“翻译”成计算机的机器语言，从而被计算机执行的一种程序，主要包 括各种语言解释器（Interpreter）、编译器（Compiler）、程序设计工具及计算机辅助软件工程包 （Computer Aided Software Engineering，CASE）。

（2）操作系统。操作系统（Operating System，OS）是计算机最基本也是最重要的软件包。 它是用来对计算机软硬件资源进行统一管理、统一调度和统一分配的程序，如 CPU 管理、存 储器管理、文件管理和外部设备管理等程序。操作系统有用户界面、资源管理、任务管理、文 件管理、提供常用的实用程序与必要的支持服务五大功能。目前常用的操作系统有 Microsoft 的 Windows、Apple 的 Macintosh OS、UNIX、Sun Solaris 和 Linux 等。

（3）通信程序。通信管理软件是通信网络的一个重要部分。通信管理软件控制与支持通 信网络上的数据通信活动。数据通信是一个非常复杂的过程，通信程序就是用来控制数据通信

2 C h ap te r 过程，提高数据通信的自动化程度的。局域网依靠的通信管理软件称为网络操作系统，例如 Microsoft Windows 2000/NT、Linux、Novell NetWare。

（4）数据库管理系统。数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）也是一 种系统软件包，这种软件包帮助企业开发、使用、维护和组织数据库。它既能将所有数据集成 在数据库中，又允许不同用户运用程序方便地存、取相同数据库。数据库是数据之间关系错综 复杂的数据集合，DBMS 能够有效地管理和使用这些数据，它可完成对数据的编辑、查询、 统计、排序等操作，如常见的 SQL Server、Visual FoxPro 等。 2．应用软件 应用软件是计算机各种应用程序的总称。凡是用户利用计算机的硬件和系统软件所编制 的解决各类实际问题的程序都称为应用软件，它的主要功能是解决一个实际问题或完成一项具 体工作。应用软件分为两类：一类是不分业务、行业的公用应用软件；另一类是按业务、行业 分的专用应用软件。 （1）公用应用软件。 公用应用软件有进行数据分析、统计分析的数据处理软件，如统计分析软件包（SPSS）； 声音、图形、图像、文献等信息处理和进行信息检索的软件；自然语言识别、模式识别、专家 系统等人工智能方面的软件；计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、决策支持 系统（DSS）、结构分析等应用软件。 （2）专用应用软件。 最个别的专用应用软件是只能用于一个单位的软件，如果稍加扩充，则可以供多个单位 使用。某种专门用途的应用软件，如财会核算软件就是会计业务方面的应用软件。同一应用范 围的软件，经过实践检验、取长补短、修改完善，形成性能良好、规格统一的模块化程序，即 应用软件包。 （3）程序设计语言。 语言是人们描述现实世界、表达思想观念的工具。计算机语言就是计算机能读懂的语言， 是人与计算机通信所使用的语言，即我们通常所说的程序设计语言。 程序设计语言根据对机器的依赖程度可划分为低级语言、中级语言、高级语言、面向对 象的程序设计语言和可视化程序设计语言。

第三节 数据库技术

数据库技术是计算机科学的一个重要分支。当人们需要用数据来帮助做决策和采取行动 时，如果这些数据能够在限定的时间内被检索处理，并递交给需求者，那么这些数据就产生了 价值，成为信息。为了使数据成为有意义的信息，需要将数据有序地组织起来（即建立数据库）， 以便对数据进行有效的处理。因此，我们认为对于管理信息系统的建设来说，数据库是管理信 息系统的主要技术基础。

2 C h ap te r 一、数据管理技术的发展 人们对于数据的处理由来已久。开始是纯人工的处理，随着计算机的出现，人们将保存 的数据存放在计算机文件中，但由于早期的计算机不提供文件间运算，因此容易出现大量数据 冗余。数据库的产生为人们科学地组织数据提供了方法、原理，并为人们提供了对数据进行定 义、操作、控制的工具。由于数据库系统提供了数据演算语言，因此应用程序很容易实现对数 据库文件的各种操作。数据库发展历程如图 2-3 所示。 图 2-3 数据处理的 3 个发展阶段 1．人工管理 20 世纪 50 年代中期以前计算机主要用于数值计算。从当时的硬件发展水平看，外存只有 纸带、卡片、磁带，没有磁盘等直接存取的设备；从软件看，没有操作系统和管理数据的软件； 就数据本身而言，数据量小，数据间缺乏逻辑组织，数据依赖于特定的应用程序，缺乏独立性。 在人工管理阶段，数据管理呈现出如下特点：①数据不保存；②没有软件对数据进行管 理；③没有文件概念。 以某高校的数据管理为例，对教师相关数据的人工管理模式如图 2-4 所示。 图 2-4 数据的人工管理 在图 2-4 中，高校的人事处、教务处、财务处分别管理各自所需的数据，高校各部门用各 自的应用程序来分别处理这些数据，数据与程序没有独立性，数据也不能被共享。 2．文件系统 20 世纪 50 年代后期到 60 年代中期为文件系统阶段。这一阶段硬件方面出现了磁鼓、磁 盘等直接存储的存储设备，软件方面有了操作系统。当时随着计算机软硬件技术的发展，计算 机的应用领域也得到了拓宽，不仅用于科学计算，还大量应用于数据管理，新的数据处理系统 也迅速发展起来。 在文件系统阶段数据管理具有如下特点：①数据可长期保存在磁盘上；②文件系统提供 程序和数据之间的读写方法；③文件形式多样化；④数据的存取基本上以记录为单位。

2 C h ap te r 文件系统的缺陷如下：①数据冗余大；②数据不一致；③程序与数据之间的独立性差。 在文件系统阶段，某高校数据管理的文件管理模式如图 2-5 所示，其主要特征是各部门的 应用程序文件和数据文件分别独立保存，各应用程序通过文件系统来统一处理对数据的存储操 作，数据有了一定的独立性。 人事处 人事数据文件 教务处 授课数据文件 财务处 工资数据文件 文件 系统 图 2-5 数据的文件管理 以图 2-5 中的某高校数据为例，在人事数据文件中包含教师的基本信息（如教师编号、姓 名、性别、出生年月及联系电话等）和教师人事方面的信息（如工作年限、职称、最终学历等）； 在授课数据文件中包含教师的基本信息和授课信息（如所授课程名称、授课班级、授课时间等）； 在工资数据文件中包含教师的基本信息和工资方面的信息（如基本工资、职务工资、业绩津贴、 交通补助等）。高校中每一位教师在这三个数据文件中都有其对应的个人基本信息，这些基本 信息是重复保存的，所以数据冗余度大。并且由于这些信息被重复保存在三个相互独立的数据 文件中，如果只修改了其中一个文件中的数据，就会造成数据的不一致，因为文件系统没有体 现不同文件中相关记录之间的联系，即文件整体是无结构的，没有反映出现实世界中数据间的 逻辑关系。 3．数据库系统 到了 20 世纪 60 年代后期，硬件方面有了大容量的磁盘存储器，计算机越来越多地应用 于数据管理领域，数据规模也越来越大。同时，人们对数据管理技术提出了更高的要求：希望 面向企业或部门，以数据为中心组织数据，减少数据的冗余，提供更高的数据共享能力，同时 要求程序和数据具有较高的独立性，当数据的逻辑结构改变时，不涉及数据的物理结构，也不 影响应用程序，以降低应用程序研制与维护的费用。数据库技术正是在这样一个应用需求的基 础上发展起来的。数据库是结构化的相关数据集合，它不仅包括数据本身，而且包括数据之间 的联系。 与文件管理相比，数据库技术有了很大的改进，主要表现在以下方面：①数据库中的数 据是结构化的；②数据库中的数据是面向系统的；③数据库系统比文件系统有较高的数据独立 性；④数据库系统为用户提供了方便统一的接口。 不仅如此，数据库技术的发展使数据管理上了一个新台阶，在数据完整性、安全性、并 发访问和数据恢复方面，数据库管理系统都提供了非常完善的功能选择。 采用数据库管理某高校数据的模式如图 2-6 所示。

2 C h ap te r 图 2-6 数据的数据库管理 在图 2-6 中，高校的数据以数据库的形式存储和管理，各部门共享同一个数据库，并且在 文件系统中需要重复保存的教师基本信息在数据库中单独保存为一张数据表（教师基本信息 表），只需要保存一次。需要在其他数据表中重复保存的只有“教师编号”一个数据项，大大 减少了数据的冗余。不同数据表中记录之间的关系，正是通过这少量保留的冗余数据来表示的， 同一个教师的相关记录也是通过各数据表重复保存的“教师编号”数据项取值相同来表示这些 记录之间的逻辑关系的。 二、数据库系统 1．数据库系统的概念 （1）数据。 数据（Data）是数据库中存储的基本对象。狭义的数据通常表现为数据形式。在计算机领 域，数据的概念已经被大大拓展了，只要是能被计算机处理的、数字化的信息，都可以认为是 数据，包括数字、文字、声音、图形、图像和视频等。 （2）数据库。 数据库（Database）是长期存储在计算机内的、大量的、有组织的、可共享的数据集合。 数据库中的数据按一定的数据模型进行组织、描述和存储，它有以下特点。  最小冗余：数据库中的数据尽可能不重复。  数据独立性：数据库中的数据与应用程序没有依赖关系。  安全性：保护数据库，以防止不合法使用。  完整性：存取数据库中数据的过程要确保其正确性、一致性和有效性。  数据共享：数据库中的数据可以同时为多个用户和多个应用程序服务。 （3）数据库管理系统。 数据库管理系统（DBMS）是一个用来管理数据库的软件系统，它能科学地组织和存储数 据，以高效地获取和维护数据。 数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，主要用来定义和管理 数据库，处理数据库与应用程序之间的联系。它包括以下几个主要功能。

2 C h ap te r

 数据定义功能：数据库管理系统提供数据定义语言（Data Definition Language，DDL），

用户通过它可以方便地对数据库中的数据对象进行定义。

 数据操纵功能：数据库管理系统提供数据操纵语言（Data Manipulation Language，

DML），用户可以使用 DML 操纵数据，实现对数据库的基本操作，如查询、插入、 删除和修改等。  数据库的运行管理：数据库在建立、运行和维护时，由数据库管理系统统一管理、 控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系 统恢复。  数据库的建立和维护功能：包括数据库初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、 恢复功能，数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。 （4）数据库系统。 数据库系统（DataBase System，DBS）是实现有组织、动态地存储大量相关的结构化数据、 方便各类用户访问数据库的计算机软硬件资源的集合体。一个数据库系统通常由 5 个部分组 成，包含硬件支撑环境、数据库集合、数据库管理系统、相关软件和人员。 数据库系统的出现使信息系统从以加工数据的程序为中心转向以共享的数据库为中心的 新阶段，这样既便于数据的集中管理，又有利于应用程序的研制和维护，提高了数据的利用率 和相容性，提高了决策问题的可靠性。 2．数据库系统的构成 数据库系统是由计算机系统、数据库、数据库管理系统和有关人员组成的具有高度组织 性的总体。数据库系统的主要组成部分有： （1）计算机系统。计算机系统指用于数据库管理的计算机软硬件系统。数据库需要大容 量的主存以存放和运行操作系统、数据库管理系统程序、应用程序以及数据库、目录系统缓冲 区等，辅助存储方面则需要大容量的直接存取设备。 （2）数据库。数据库既有存放实际数据的物理数据库，也有存放数据逻辑结构的数据库。 （3）数据库管理系统。数据库管理系统是一组对数据库进行管理的软件，通常包括数据 定义语言及其编译程序、数据操纵语言及其编译程序，以及数据管理例行程序。 （4）人员。数据库系统主要由数据库管理员、系统程序员和相关用户来维护操作。 ①数据库管理员。为了保证数据库的完整性、明确性和安全性，必须有人来对数据库进 行有效的控制。行使这种控制权的人叫数据库管理员，他负责建立和维护模式，提供数据的保 护措施和编写数据库文件。所谓模式，指的是对数据库总的逻辑描述。 ②系统程序员。指设计数据库管理系统的人员。他们必须关心硬件特性及存储设备的物 理细节，实现数据组织与存取的各种功能，实现逻辑结构到物理结构的映射等。 ③用户。用户包括应用程序员、专门用户和参数用户。  应用程序员：负责编制和维护应用程序，如库存控制系统、工资核算系统等。  专门用户：指通过交互方式进行信息检索和补充信息的用户。

2 C h ap te r  参数用户：指那些与数据库的交互作用是固定的、有规则的人，如售货员、订票员 等就是典型的参数用户。 三、数据模型 数据模型是对客观事物及其联系的数据化描述。在数据库系统中，对现实世界中数据的 抽象、描述以及处理等都是通过数据模型来实现的。数据模型是数据库系统设计中用于提供信 息表示和操作手段的形式构架，是数据库系统实现的基础。它更多地强调数据库的框架、数据 结构格式，而不关心具体对象的数据。建立宏观的数据模型是数据库设计者的任务。数据模型 不同，数据库中数据的组织方式以及由此引发的操作方式也不同，数据库的类型就不同。目前， 有按图论建立起来的层次模型与网状模型，按照关系理论建立起来的关系模型，以及面向对象 程序设计与数据库技术相结合所产生的面向对象数据模型。 四、数据库的系统结构 从数据库管理系统的角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库管理系统 的内部结构，通常称为数据库体系结构；从数据库最终用户的角度看，数据库系统可分为三个 层次和多种类型，这是数据库系统的外部结构，称为数据库应用系统的体系结构。 1．数据库的体系结构 （1）三级模式结构。 模式是对数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅涉及类型的描述，而不涉及 具体的值。模式的一个具体值称为模式的一个实例。模式是相对稳定的，实例是相对变动的。 模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。数据库系统的三 级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式、内模式这三级结构构成的，如图 2-7 所示。 应用1 应用2 应用3 应用4 外模式1 外模式2 模式 内模式 数据库 图 2-7 数据库的三级模式结构

2 C h ap te r ①模式（Schema）。也称为逻辑模式，它是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述， 是所有用户的公共数据视图，是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节 和硬件环境，也与具体的应用程序、所使用的应用程序开发工具以及程序设计语言无关。DBMS 提供模式描述语言（模式 DDL）来严格地定义模式。 ②外模式（External Schema）。也称为用户模式或子模式，它是数据库用户（包括程序员 和最终用户）能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图， 是与某一特定应用有关的数据的逻辑表示。外模式通常是模式的子集。 ③内模式（Internal Schema）。内模式也称为存储模式，一个数据库只能有一个内模式。 它是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。 （2）两级映像与数据独立性。 ①外模式/模式映像。模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻 辑结构。对应于同一个模式可以有任意多个外模式。 ②模式/内模式映像。数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式的映 像是唯一的。它定义了数据库全局逻辑结构与物理存储结构之间的对应关系。 2．数据库应用系统的体系结构 （1）单用户数据库系统。 整个数据库系统（应用程序、DBMS、数据）装在一台计算机上，为一个用户独占，不同 机器之间不能共享数据。 （2）主从式结构的数据库系统。 一个主机带多个终端的多用户结构。数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据，都集中 存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成。各个用户通过主机的终端并发地存取数据库， 共享数据资源。 （3）分布式结构的数据库系统。 数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络的不同节点上。网络 中的每个节点都可以独立处理本地数据库中的数据，执行局部应用，也可以同时存取和处理多 个异地数据库中的数据，执行全局应用。 （4）客户/服务器结构的数据库系统。 客户/服务器（C/S）结构的数据库系统把 DBMS 功能和应用分开。网络中某个或某些节 点上的计算机专门用于执行 DBMS 功能，称为数据库服务器，简称服务器。其他节点上的计 算机安装 DBMS 的外围应用开发工具、用户的应用系统，称为客户机。 （5）浏览器/应用服务器/数据库服务器结构的数据库系统（B/S）。 B/S 结构是随着 Internet 技术的兴起，对 C/S 结构的一种变化或者改进的结构。在这种结 构下，用户工作界面是通过 WWW 浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现， 但是主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，形成所谓的三层结构。

2 C h ap te r 五、数据仓库与数据挖掘 1．数据仓库的概念 目前，数据仓库一词尚没有一个统一的定义，著名的数据仓库专家 W.H.Inmon 在其著作 《Building the Data Warehouse》中给出如下定义：数据仓库是一个面向主题的、集成的、稳定 的且随时间变化的数据集合，用来支持管理人员的决策。对于数据仓库的概念可以从两个层次 予以理解，首先，数据仓库用于支持决策，面向分析型数据处理，它不同于企业现有的、用来 处理日常事务的操作型数据库；其次，数据仓库对多个异构的数据源进行了有效集成，集成后 按照主题进行了重组，并包含大量的、长期的历史数据，而且存放在数据仓库中的数据一般不 做修改。 根据以上概念，数据仓库拥有以下 4 个基本特征。 （1）面向主题的。 操作型数据库的数据组织面向特定业务的日常事务处理任务，各个业务系统之间相互分 离，分析和决策所需的相关数据可能分散在不同的业务数据库中。例如，要分析的客户投保信 息就分散在汽车保险、健康保险、人寿保险、意外伤害保险等多个业务数据库中，这给分析和 决策带来了困难；而数据仓库中的数据则是按照一定的主题域进行组织的。主题是一个抽象的 概念，是指用户使用数据仓库进行分析和决策时所关心的重点方面，如客户、保险单、索赔等， 一个主题通常与多个业务系统相关。 （2）集成的。 面向事务处理的操作型数据库通常只与某些特定的应用相关，数据库之间相互独立，并 且往往是不一致的、异构的。而数据仓库中的数据则是在对原有分散的数据库数据进行抽取、 转换、清理、装载的基础上，经过系统加工、汇总和整理得到的，消除了源数据中的噪声和不 一致性，从而保证数据仓库中的信息是关于整个企业的一致的全局信息。 （3）稳定的。 操作型数据库中的数据通常需要实时更新，数据根据需要及时发生变化。而数据仓库中 的数据则主要供企业决策分析之用，所涉及到的数据只是历史数据，数据操作主要是查询操作， 一旦某个数据进入数据仓库以后，一般情况下将被长期保留，也就是数据仓库中一般有大量的 查询操作，但修改和删除操作很少，通常只需要做定期的装载、追加。 （4）随时间不断变化的。 操作型数据库主要关心当前某一个时间段内的数据，而数据仓库中的数据通常包含历史 信息，系统地记录了企业从过去某一时间点（如开始应用数据仓库的时间点）到目前的各个阶 段的历史信息，通过这些历史信息，可以对企业的发展历程和未来趋势做出定量的分析和预测。 企业数据仓库的建设，是以现有企业业务系统和大量业务数据的积累为基础的。数据仓 库不是静态的概念，只有把信息及时交给需要这些信息的使用者，供他们做出改善其业务经营 的决策，信息才能发挥作用，信息才有意义。而把信息加以整理、归纳和重组，并及时提供给

2 C h ap te r 相应的管理决策人员，是数据仓库的根本任务。因此，从产业界的角度看，数据仓库建设不只 是一个工程，还是一个过程。 2．数据挖掘技术 （1）数据挖掘的概念。 数据挖掘（Data Mining），就是从存放在数据库、数据仓库或其他信息库中的大量的数据 中获取有效的、新颖的、潜在有用的、最终可理解的模式的非平凡过程。数据挖掘支持 OLAP 的概念，即通过对数据的处理来支持决策任务。数据挖掘工具包括查询与报表工具、智能代理 和多维分析工具。从本质上看，数据挖掘工具是供数据仓库用户使用的，就像处理子系统工具 是供数据库用户使用的一样。 （2）数据挖掘过程。 数据挖掘是一个复杂的过程。数据挖掘充分利用人工智能、机器学习、统计学等多学科 的知识，并将它们同其他辅助技术结合到一起，从大量的数据中找出潜在的、有用的知识。数 据挖掘的过程如图 2-8 所示。 图 2-8 数据挖掘过程 ①识别业务问题、认清挖掘目标并据此有针对性地选择挖掘所需的目标数据是数据挖掘 的第一步。虽然挖掘出的知识是不可预测的，但要探索的问题应是有预见的，为了数据挖掘而 数据挖掘则带有盲目性，是不会成功的。 ②数据的质量关系着数据挖掘的成败。为了能成功地进行数据挖掘，需要对数据进行预 处理，消除数据中可能存在的噪声、不一致性和数据冗余，以提供高质量的挖掘数据源。 ③不同的数据挖掘算法对数据有不同的格式要求，因此，在挖掘之前，需要对数据进行 格式转换以符合数据挖掘算法的要求。例如，传统的决策树（Decision Tree）算法 ID3 只适合 处理离散型的数据，为此，需要对连续型的数据进行离散化处理；对于带有大量特征的数据， 为了提高数据挖掘的效率和有效性，需要对其进行特征选择和特征抽取，以获得数据相对少量 的、重要的特征。 ④根据挖掘任务，如数据总结、分类、聚类、关联规则发现、序列模式发现等，选择合 适的数据挖掘算法，获取数据中隐藏的模式（或知识）。数据挖掘算法不同，得到的知识可能 就有所不同。有些数据挖掘算法得到的是描述性的知识，而有些数据挖掘算法得到的则是预测 性的知识。 ⑤最后还要对挖掘出来的知识进行解释和评价，不但要为用户提供清晰、直观的结果描 述，而且还要看评价结果能否令决策者满意，如果不能，还需重新讲行挖掘。

2 C h ap te r （3）数据挖掘技术和工具。 数据挖掘技术和工具可分为 3 大类：统计分析或数据分析，知识发现以及其他工具和技术。 其他数据挖掘技术和工具包括：①可视化系统；②地理信息系统；③分形分析；④查询 和报表工具；⑤智能代理。

第四节 计算机网络

本节主要介绍计算机网络与因特网的基本知识和核心技术，包括计算机网络的概述、计 算机网络的组成、Internet 的基本技术、Internet 服务与系统结构，以及信息安全。这对于深入 理解网络互连技术大有裨益。 一、计算机网络技术概述 1．计算机网络的发展 计算机发展大致经历了 4 个阶段。 （1）面向终端的远程联机系统。 早在 20 世纪 50 年代初，美国建立的半自动地面防空系统就是将远距离的雷达和其他测 量控制设备的信息通过通信线路汇集到一台中心计算机并进行处理，开创了计算机技术和通信 技术相结合的先例。一台计算机可以通过多重控制器与许多远程终端连接，随着计算机用户的 增加，多重线路控制器逐渐被通信处理机（又称前端处理机，FEP）取代。有时为了节省费用， 在远程终端的集中处，加一个集中器（Concentrator），它的一端和高速的计算机线路相连，另 一端与低速的终端线路相连。这就是第一代计算机“网络”。 （2）以通信子网为中心的计算机网络。 由于计算机和各种终端的传输速度很不一样，在采用线路交换时，不同类型、不同速率、 不同规格的终端很难互相通信，加上计算机的数据是突发式出现的，占用通信线路的时间长， 造成了资源极大的浪费。为此，美国国防部远景规划局（DARPA）研究的分组交换网 ARPANET 使计算机网络的概念发生了根本变化，它改变了以单机为中心的面向终端的网络结构，实现了 以通信子网为中心、以主机和用户终端构成资源子网的新的体系结构。有人称它是以网络为中 心的第二代计算机网络。 （3）网络体系结构标准化阶段。 整个 20 世纪 80 年代是计算机局域网的发展时期。ISO 制订的 OSI/RM 成为研究和制订新 一代计算机网络标准的基础。各种符合 OSI/RM 与协议标准的远程计算机网络、局部计算机网 络与城市地区计算机网络开始广泛应用。计算机局域网及其互连产品的集成，使得局域网与局 域网互连、局域网与各类主机互连、局域网与广域网互连的技术越来越成熟。综合业务数据通 信网络（ISDN）和智能化网络（IN）的发展，标志着局域网的飞速发展。

2 C h ap te r （4）网络互连阶段。 20 世纪 90 年代初至现在是计算机网络飞速发展的阶段，其主要特征是：互连、高速、智 能与更为广泛的应用。各种网络进行互连、计算机网络化、协同计算能力发展以及全球互联网 络（Internet）的盛行，标志着计算机的发展已经完全与网络融为一体，体现了“网络就是计算 机”的口号。目前，计算机网络已经真正进入社会各行各业，为社会各行各业所采用。另外， 虚拟网络 FDDI 及 ATM 技术的应用，使网络技术蓬勃发展并迅速走向市场，走进平民百姓的生活。 2．计算机网络的定义 计算机网络就是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通 信线路连接起来，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 共享和信息传递的计算机系统。 计算机网络的重要概念有： （1）网络传输介质。网络中发送方与接收方之间的物理通路。它对网络的数据通信具有 一定的影响。常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤及无线传输介质。 （2）协议。网络设备间进行通信的一组约定，如 IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5 等。 网络协议具体规定了设备间通信的电气性能、数据组织方式等。 （3）节点。网络中某分支的端点或网络中若干条分支的公共交汇点。 （4）链路。指两个相邻节点之间的通信线路。 3．计算机网络的分类 按照计算机网络覆盖的地理范围分为局域网、城域网和广域网；按照交换方式分为总线 结构、环型结构、星型结构、树型结构、网络结构；按网络的拓扑结构划分为星型网、总线型 网和环型网；按网络的传输介质划分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网；按网络的用 途划分为教育网、科研网、商业网和企业网；按照传输带宽划分为基带网和宽带网；按网络的 通信介质可分为有线网和无线网；按网络协议可把计算机网络分为 Ethernet 网络（以太网）、 Token Ring 网络（令牌网）、FDDI 网络、X.25 分组交换网络、TCP/IP 网络、SNA 网络、ATM （异步传输模式）网络等。 4．计算机网络协议 由于计算机网络以网络上的资源共享为主要目的，为实现共享必须有一些约定，因此在 计算机网络中有一个重要的概念，那就是网络协议。 网络协议是网络通信的语言，是通信的规则和约定。通过协议，可以在物理线路的基础 上构成逻辑上的连接，给出响应和所需完成动作及它们的时间关系，实现网络中的计算机、终 端及其他设备之间直接进行数据交换。网络协议由三部分组成，即语义、语法和定时关系。语 义是规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议的类型；语法规定通信双方“如何讲”，即确定 协议的格式；定时是规定通信的执行顺序。 5．计算机网络的体系结构 网络体系是指为了完成计算机间的通信合作，把每台计算机互联的功能划分成有明确定

2 C h ap te r 义的层次，并规定了同层次进程通信的协议及相邻进程之间的接口及服务。网络体系结构是指 用分层研究方法定义的网络分层的功能、各层协议和接口的集合。 计算机网络结构采用结构化层次模型，有如下优点：①各层之间相互独立。即不需要知 道低层的结构，只要知道是通过层间接口所提供的服务；②灵活性好。只要接口不变就不会因 层次的变化（甚至是取消该层）而变化；③各层采用最合适的技术实现而不影响其他层；④有 利于促进标准化。 （1）OSI 参考模型的体系结构。 在计算机网络技术中，网络的体系结构是指通信系统的整体设计，它为网络硬件、软件、 协议、存取控制和拓扑提供标准。现在广泛采用的是国际标准化组织（ISO）在 1979 年提出 的开放系统互联参考模型（OSI/RM，Open System Interconnection Reference Model）。OSI 参考 模型采用七层结构，从下到上分别为物理层（Physical Layer，PH）、数据链路层（Data Link Layer， DL）、网络层（Network Layer，N）、传输层（Transport Layer，T）、会话层（Session Layer，S）、 表示层（Presentation Layer，P）和应用层（Application Layer，A）。

层次结构划分的原则如下：①每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的 具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。②层间接口必 须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。③层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太 复杂，若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。 （2）TCP/IP 参考模型的体系结构。 TCP/IP 通信协议采用了四层结构，每一层都调用它的下一层所提供的服务来完成自己的 需求。这四层分别为：

①应用层。应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol， SMTP）、文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

②传输层。提供了节点间的数据传送，应用程序间的通信服务，主要功能是数据格式化、 数据确认和丢失重传等。如传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）、用户数据报 协议（User Datagram Protocol，UDP）等，TCP 和 UDP 给数据包加入传输数据并把它传输到 下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。 ③互连网络层（Internet 层）。负责提供基本的数据包传送功能，让每一个数据包都能够到 达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（Internet Protocol，IP）。 ④网络接口层（主机－网络层）。接收 IP 数据报并进行传输，从网络上接收物理帧，抽取 IP 数据报转交给下一层，对实际的网络媒体进行管理，定义如何使用实际网络（如 Ethernet、 Serial Line 等）来传送数据。 6．计算机网络互联设备 （1）网络传输设备。 传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。计算机网络采用的传输介质可 分为有线和无线两大类。双绞线、同轴电缆和光纤是常用的 3 种有线传输介质；红外线、激光

2 C h ap te r 以及微波通信的信息载体都属于无线传输介质。 ①有线传输介质。 双绞线由两根有绝缘材料包裹而相互绞在一起的多股导线组成，绞在一起是为了抗干扰。 目前局域网使用的双绞线有非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两类，在以太网中常 用第 3～5 类非屏蔽双绞线。 同轴电缆由内外两条导线构成，内导线是单股粗铜线或多股细铜线，外导线是一条网状 空心圆柱导体。内外导线之间隔有一层绝缘材料，最外层是保护性塑料外皮。同轴电缆可以在 较宽的频率范围内工作，抗干扰能力强，传输距离可达几千米，在计算机网络中被广泛使用。 光导纤维是由高折射率的细玻璃或塑料纤维外包低折射率的外壳构成的。其基本工作原 理是在发送端通过发光二极管将电脉冲信号转换成光脉冲信号，在光纤中以全反射的方式传 输，在接收端通过光电二极管将光脉冲信号转换还原成电脉冲信号。 ②无线传播介质。 无线传输是以电磁波为介质，主要用于运动对象或一些不能铺设电缆的环境中。使用无 线传输介质时需要配置相应的无线发射和接收设备。按照不同频率的电磁波，无线介质可以分 为无线电、微波、红外线、激光、卫星等。 （2）网络互联设备。 网络互联是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的互联网络 系统，实现互联网络的共享。互联的网络设备可以是同种类型的网络，也可以是不同类型的网 络以及运行不同网络协议的设备与系统。各网络互联设备如表 2-1 所示。 表 2-1 网络互联设备 设备名称 功能和适用范围 中断器（Repeater）（重发器） 扩展网络电缆的长度、实现信号的放大和整形（以太网中使用） 集线器（Hub） 属于一种多口连接的中断器，功能与中断器相同 网桥（Bridge） 用于两个同类型的 LAN 互联，是数据链路层上的一种网络互联设备。功 能是数据接收、地址过滤、数据转发 交换机（Switch） 相当于多端口的网桥，可以在局域网中互联多个网段。其主要功能是进 行数据链路层的协议转换，允许多对端口同时收发数据 路由器（Router） 是实现网络层互联的智能设备，功能是路由选择、流量控制 7．计算机网络的组成 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大功能，从结构上可分为两个部分：通信子网 和资源子网。 （1）通信子网：负责通信处理的通信控制处理机 CCP 与通信线路，是由完成信息交换的 节点计算机和通信线路组成的独立的通信系统，它承担整个网络的数据传输、转接、加工和交 换等通信处理工作。主要包括：网络接口卡、通信线路、通信控制处理机、互联设备、交换机、

2 C h ap te r 路由器、Modem 等。 （2）资源子网：负责数据处理的计算机与终端，包括网络中所有的主机、输入输出设备、 各种软件资源和数据资源。资源子网负责向网络用户提供各种网络资源和网络服务。主要包括： 服务器、用户计算机、网络存储系统、网络打印机、网络终端等。 二、局域网 1．局域网的概念

局域网（Local Area Network）是在一个局部地区范围内，把各种计算机、外围设备、数 据库等互相连接起来组成的计算机通信网。局域网还可以通过数据通信网或专用的数据电路， 与其他局域网、数据库或处理中心等相连接，构成一个大范围的信息处理系统。 局域网具有以下一些主要优点：①资源共享；②快速通信；③分布处理；④传输速率高； ⑤误码率低。 2．网络拓扑结构 网络中的计算机等设备要实现互联，就需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式 称为“拓扑结构”（Topology）。目前常见的网络拓扑结构主要有以下四大类。 （1）星型拓扑结构。 星型拓扑结构由一个中心节点和一些与它相连的从节点组成：中心节点可与从节点直接 通信，而从节点之间必须经中心节点转接才能通信。在星型拓扑结构中，网络中的各节点均连 接到一个中心设备（集线器，Hub）上，由该中心设备向目的节点传送数据包，如图 2-9 所示。 它的主要优点是组网连接简便，易于扩展，只要完成设备与中心节点的连接即可；信息传输简 便，经过中心节点即可实现网络上任意两个设备的连接；每个节点都连接到中央点，便于故障 的检测和隔离；维护容易，网络传输速度快。它的缺点是连接电缆费用较大，而且对中心节点 的依赖性较强，中心节点一旦出现故障，则全网瘫痪。 图 2-9 星型拓扑结构 （2）环型拓扑结构。 环型拓扑结构为一个封闭环形，各节点通过中继器连入网内，各中继器间由点到点，链

2 C h ap te r 路首尾连接，信息单向沿环路逐点传送，如图 2-10 所示。在环型拓扑结构中，连接网络中各 节点的电缆组成了一个封闭的环。令牌传递方法经常用于在环型结构中控制信息传递，令牌沿 网络传递，得到令牌控制权的设备可以传输数据，数据沿环传输到目的地，目标设备发给源设 备一个确认，然后令牌传递给另一个设备。环型网络有许多好处，路由选择控制简单，电缆长 度短，适用于光纤。它的缺点是一个节点的故障可能引起整个环路的工作瘫痪，另外添加或拆 除一个节点比较麻烦，通常要断开整个环路，并中断网络的正常工作，维护困难。 图 2-10 环型拓扑结构 （3）总线型拓扑结构。 总线型拓扑结构是安装最简单的拓扑结构，所有的网络设备都连接到一条主干电缆上， 如图 2-11 所示。它所采用的介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光 缆作为总线型传输介质的，这条电缆称为总线，信息沿总线进行双向传输。任一时刻，只能有 一个节点用总线发送信息，其他节点只能接收信息。一个节点发送信息之前，先要检查总线上 是否有信息在传输，如果有，它只能等待并不断检测直至总线空闲为止。因为许多节点共享总 线，所以信息在到达目的地的途中要经过若干节点，每个节点都要检查信息的目的地址，如果 和自己的地址匹配就接收和处理这些信息。总线型拓扑结构的优点是易于安装和扩展，而且成 本较低，带宽共享，维护较容易，可靠性高。它的缺点是信号在总线上衰减使信号减弱，而且 信息沿公用线路传送，正确性和安全性较差；另外故障检测困难，可能需要检查全网的连接； 一旦总线出现故障，将导致整个网络瘫痪。 图 2-11 总线型拓扑结构

2 C h ap te r 三、广域网 1．广域网的基本概念

广域网（Wide Area Network，WAN）也称远程网，通常所覆盖的范围从几十里到几千公 里乃至全球，它能连接多个城市或国家，形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用 分组交换技术，利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，将分布在不同地区的局 域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。通常广域网的数据传输速率比局域网低， 而信号的传输延迟也比局域网要大很多。广域网的典型速率是从 56kbps 到 155Mbps，现在已 有 622Mbps、2.4Gbps，甚至更高速率的广域网，而传输延迟可从几毫秒到几百毫秒。 2．Internet 的基本技术 （1）Internet 的概念。

Internet 即是在 TCP/IP 协议下实现的全球性的互联网络，即“因特网”。Internet 网络大致 形成三层结构，最底层是大学、企业网络，中间层是地区网络，最上层是全国主干网。网络使 用户不受地域的分隔和局限，可在网络达到的范围内实现资源的共享。网络的出现，改变了计 算机的工作方式，而 Internet 的出现，又改变了网络的工作方式。

（2）Internet 的网络地址和域名。

在 Internet 中为了定位每一台计算机，需要给每台计算机分配或指定一个确定的“地址”， 称其为 Internet 的网络地址。IP 地址是指计算机在 Internet 网络中的地址，每一台计算机在 Internet 中具有唯一的地址，不能重复。

Internet 的网络地址是指联入 Internet 的节点计算机的网络互联地址（称为 IP 地址）。IP 地址是包含 4 个字节，共 32 位的二进制数，它逻辑上分成两个部分，一部分标识主机所属的 网络（网络标识），另一部分标识主机本身（主机标识），如图 2-12 所示。 0××××××× ×××××××× ×××××××× ×××××××× 图 2-12 A 类 IP 地址结构 常见的 IP 地址分为 A、B、C 三类，与它对应的网络有时被称为 A 类、B 类、C 类网络。 A 类网络用第 1 组数字（即第一个字节）标识网络本身，后面 3 组数字作为联接于网络上 的主机的地址，A 类地址的表示范围为：1.0.0.0～126.255.255.255，默认网络掩码为：255.0.0.0； A 类地址分配给规模特别大的网络使用。A 类网络通常分配给具有大量主机（直接个人用户） 而局域网个数较少的大型网络。例如，Microsoft 公司的网络。 B 类网络用第 1、2 组数字表示网络的地址，后面两组数字代表网络上的主机地址，且第 一个字节的前 2 位为 10，如图 2-13 所示。B 类地址的表示范围为：128.0.0.0～191.255.255.255， 默认网络掩码为：255.255.0.0；B 类地址分配给一般的中型网络。

2 C h ap te r 10×××××× ×××××××× ×××××××× ×××××××× 图 2-13 B 类 IP 地址结构 C 类网络用前 3 组数字表示网络的地址，最后 1 组数字作为网络上的主机地址，且第一个 字节的前 3 位为 110，如图 2-14 所示。C 类地址的表示范围为：192.0.0.0～223.255.255.255， 默认网络掩码为：255.255.255.0；C 类地址分配给小型网络，如一般的局域网，它可连接的主 机数量是最少的，通常把所属的用户分为若干个网段进行管理。 110××××× ×××××××× ×××××××× ×××××××× 图 2-14 C 类 IP 地址结构 与 IP 地址有关的另一个术语为子网掩码，其结构与 IP 地址一样也由 4 个字节的 32 位二 进制数组成，一般也用由圆点隔开的 4 个十进制数表示。在同一个子网中子网掩码相同，它的 作用是帮助人们方便地获得某台计算机所处的网络标识和主机标识。 为了使 IP 地址便于用户使用，同时也易于维护和管理，Internet 通过所谓的域名系统 （Domain Name System，DNS）对每一个 IP 地址指定一个（或几个）容易识别的名称，该名 称就是域名。通过域名与 IP 地址的对照表可比较直观、容易地识别网络上的计算机。 （3）Internet 的接入方式。 ①拨号 Modem。 Modem 就是调制解调器的简称，这也是最传统的一种接入方式，它只能提供最基本的广 域网接入，速度低，而且极易断线，一般速度在 18.75Kbps 到 56Kbps 之间。 ②ISDN 一线通。

ISDN（Integrated Service Digital Network），即综合业务数字网，它利用公众电话网向用户 提供端对端的数字信道连接，用来承载包括语音和非语音在内的各种电信业务。 ISDN 业务在国内俗称“一线通”，它主要解决了传统拨号 Modem 在进行上网时对应的电 话无法使用的问题。 ③xDSL。 xDSL 是 HDSL、ADSL、VDSL 等技术的统称，而其中应用最广泛的是 ADSL。 ADSL 是对称数字用户线路的缩写，它采用 PPPOE 虚拟拨号方式联网，具有以下优势： ①带宽充足，最大可以提供 8Mbps 的下行速率和 512Kbps 的上行速率，足够满足目前会议电 视、视频点播等要求；②采用独特的信号调制技术，用户使用 ADSL 的同时，并不影响普通 电话的使用；③由于 ADSL 入户采用的是普通的电话线，这样对于传统电信运营商，可以用相 对较小的投资，较快地为用户提供宽带接入，以最小的代价解决宽带网络入户问题。 但 ADSL 业务的信号从电信局端到用户端的途中迅速衰减，有质量保证的一般在 3 公里 内，这个距离在市区一般不会存在问题。但在郊区，由于距离远，会有很多地区的用户无法使 用 ADSL 服务。

2 C h ap te r ④DDN。 DDN 是数据传输网的简称，它采用的是数字专线和数字电路，传输质量高，时延小，可 靠性好。DDN 一般可以提供最大 2Mbps 的上下行对称的速率。 不过，由于 DDN 是按流量来进行计费的，而且需要铺设专门的线路，因此安装和使用成 本相当高，一般除了大型企业和对网络要求非常严格的企业外，一般企业都很少采用它。 ⑤FTTB。 FTTB 是光纤到楼的简称，是一种基于优化光纤网络技术的宽带接入方式。采用光纤到楼、 网线到户的方式实现用户的宽带接入，称为 FTTB+LAN 的宽带接入网，这是一种最合理、最 实用、最经济、最有效的宽带接入方法。 FTTB 的速度很快，上下行均可达到 10Mbps 的速率（甚至可以达到 100Mbps 的速率）， 由于采用的是双绞线（超五类双绞线或 4 对非屏蔽的双绞线）到户，简化了施工的难度，也有 效地控制了安装成本。 ⑥Cable Modem。

Cable Modem 是一种将个人计算机和有线网络连接起来的外部设备。和普通 Modem 不同 的是，它所连接的是有线网络而不是电话线，它能使计算机发出的数据信号与电缆传输的射频 信号实现相互间的转换。

Cable Modem 本身不单纯是调制解调器，它集 Modem、加密/解密设备、桥接器、网络接 口卡、虚拟专网代理和以太网集线器的功能于一身。它无需拨号上网，不用占用电话线，可提 供随时在线的永久连接。 ⑦FTTH。 FTTH 顾名思义就是一根光纤直接到家庭。具体来说，FTTH 是指将光网络单元安装在住家 用户或企业用户处，是光接入系列中除 FTTD（光纤到桌面）最靠近用户的光接入网应用类型。 FTTH 的优势主要有以下几点：①它是无源网络，从局端到用户，中间基本上可以做到无 源；②它的宽带是比较宽的，支持的协议比较灵活，而且可以长距离传输；③因为它是在光纤 上承载的业务，所以在功能的开发上不存在技术性的问题；④网络延时小，速度快，一般状态 下可以达到 1000Mbps 的速率。 3．Internet 服务与系统结构 （1）全球网络信息发布与查询系统。

基于 Internet 建立的全球网络信息发布与查询系统称为 WWW（World Wide Web）系统， 即“万维网”。WWW 系统由信息发布和信息查询两大部分组成。 WWW 系统的信息发布通过 Internet 的 WWW 服务器完成，它是 Internet 上的信息资源和 服务的提供者。一个 WWW 服务器在物理上是一台主机系统以及在它之上运行的服务器软件 和可供用户访问的数据的总和。 WWW 系统中，用户查询信息时借助一个被称为浏览器的客户端程序，现在常用的有微 软公司的 IE 和网景公司的 Netscape。WWW 的客户程序和服务器程序之间通过超文本传输协

2 C h ap te r

议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）进行通信。 （2）统一资源定位符。 统一资源定位符是一种地址寻址方式。对于每个服务器的信息资源，规定一个相应的地 址，它就是 URL。URL 是计算机系统文件名概念在网络环境下的扩展。用这种方式标识信息 资源时，不仅要指明信息文件所在的目录和文件名本身，而且要指明它存在于网络上的哪一个 节点计算机，以及它可以通过何种方式进行访问等。 （3）电子邮件。 电子邮件（E-mail）是指发送者和指定的接收者利用计算机通信网络发送信息的一种非交 互式的通信方式。这些信息包括文本、数据、声音、图像、视频等内容。 E-mail 采用了先进的网络通信技术，又能传送多种形式的信息，与传统的邮政通信相比， E-mail 具有传输速度快、费用低、效率高、全天候全自动服务等优点，同时 E-mail 的传送不 受时间、地点、位置的限制，发送者和接收者可以随时进行信件交换。近年来，随着电子商务、 网上服务（如电子贺卡、网上购物等）的不断发展和成熟，E-mail 越来越成为人们主要的通信 方式。 （4）计算机远程登录。 计算机远程登录使用的工具是 Telnet，它在接到远程登录的请求后，就试图把你所在的计 算机同远端计算机连接起来。一旦连通，你的计算机就成为远端计算机的终端。你通过计算机 远程登录的方式进入远端计算机系统后，就可以执行操作命令、提交作业、使用系统资源。在 完成操作任务以后，通过注销（Logout）退出远端计算机系统，同时也退出 Telnet，回到本地 系统。 （5）文件传输。

FTP 是 File Transfer Protocol 的缩写，也就是文件传输协议。在因特网中，文件传输服务 采用文件传输协议（FTP），用户可以通过 FTP 与远程主机连接，从远程主机上把共享软件或 免费资源拷贝到本地计算机（称“客户机”）上，也可以从本地计算机上把文件拷贝到远程主 机上。 （6）Web 系统结构。 随着互联网基础设施的不断改进和 Web 应用技术的快速发展，网络结构模式经历了对等 网模式、客户机/服务器结构、浏览器/服务器结构的发展过程。 四、无线网络 1．无线网络的概念 所谓的无线网络，是指既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语言和数据网络，也 包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术。它与有线网络的用途十分类似，最 大的不同在于传输介质的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。 目前主流应用的无线网络分为手机无线网络和无线局域网两种方式。应该说，手机无线

2 C h ap te r 网络是目前真正意义上的一种无线网络，它是一种借助移动电话网络接入互联网的无线上网 方式。 2．无线局域网标准 无线局域网常见的标准有以下几种： ①IEEE 802.11a：使用 5GHz 频段，传输速度 54Mbps，与 802.11b 不兼容。 ②IEEE 802.11b：使用 2.4GHz 频段，传输速度 11Mbps。 ③IEEE 802.11g：使用 2.4GHz 频段，传输速度主要为 54Mbps，可兼容 802.11b。 ④IEEE 802.11n：使用 2.4GHz 频段，传输速度可达 300Mbps，但目前标准尚为草案。 3．无线局域网的硬件设备 无线局域网的设备包括以下几种。 ①无线网卡。无线网卡的作用和以太网中的网卡的作用基本相同，它作为无线局域网的 接口，能够实现无线局域网各客户机间的链接和通信。 ②无线 AP。指无线局域网的接入点、无线网关，它的作用类似于有线网络中的集线器。 ③无线天线。当无线网络中各网络设备相距较远时，传输速率会明显下降以致无法实现 无线网络的正常通信，此时就要借助于无线天线对所接收或发送的信号进行增强。 4．无线局域网的技术要求 由于无线局域网需要支持高速、突发的数据业务，在室内使用还需要解决多径衰落及各 子网间串扰等问题。具体来说，无线局域网必须实现以下技术要求： ①可靠性。无线局域网的系统分组丢失率应该低于 5 10 _{，误码率应该低于} 8 10 _。 ②兼容性。室内无线局域网应和现有的有线局域网相互兼容。 ③数据速度。无线局域网的数据传输速率应该至少在 1Mbps 以上。 ④通信保密。由于数据通过无线介质在空中传播，无线局域网必须在不同层次上采取有 效措施，以提高通信保密和数据的安全性能。 ⑤移动性。支持全移动网络和半移动网络。 ⑥节能管理。当无数据收发时使站点机处于休眠状态，当有数据收发时再激活，从而达 到节省电力消耗的目的。 ⑦小型化，低价格。这是无线局域网得以普及的关键。 ⑧电磁环境。无线局域网应该考虑电磁对人体和周边环境的影响问题。

课后练习

一、名词解释 1．运算器。 2．应用软件。

2 C h ap te r 3．数据库系统。 4．无线网络。 二、思考题 1．计算机的发展阶段有哪些？ 2．存储器的分类及功能。 3．Internet 的网络地址和域名是怎么设计的？ 4．Internet 的接入方式有哪些？ 5．无线局域网的设备有哪些？