电子政务技术基础.ppt

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1、 第第4 4讲讲 电子政务技术基础电子政务技术基础 4.1 4.1 计算机系统计算机系统 人类的劳动和智慧创造了工具，用以扩展并延伸自人类的劳动和智慧创造了工具，用以扩展并延伸自己的功能，用机械工具扩展并延伸四肢的功能，用测试己的功能，用机械工具扩展并延伸四肢的功能，用测试工具扩展并延伸感官的功能。但是，能不能用一种工具工具扩展并延伸感官的功能。但是，能不能用一种工具来扩展和延伸大脑的计算和信息处理功能呢？从来扩展和延伸大脑的计算和信息处理功能呢？从2020世纪世纪4040年代，古老的计算技术与电子技术相结合以后，一个年代，古老的计算技术与电子技术相结合以后，一个令人震惊的奇迹出现了：用于扩展

2、和延伸大脑的计算和令人震惊的奇迹出现了：用于扩展和延伸大脑的计算和信息处理功能的工具终于出现了。这一奇迹的出现，竟信息处理功能的工具终于出现了。这一奇迹的出现，竟叩开了一个新时代叩开了一个新时代信息社会的大门。信息社会的大门。14.1.1 4.1.1 开关与计算机元件开关与计算机元件 电子计算机是一种极为复杂的电子机器，但是它的组成元件却是极为简单的电子开关。或者说，电子计算机最基本工作是由电子开关实现的。这里电子开关泛指具有“开”和“关”，或者具有“高”电平和“低”电平这样的两种状态的电子器件。 一个开关只有“开”和“关”两种状态。通常把这两种状态分别用符号“0”和“1”表示。计算机工作中所

3、需要的一切数据信息，都是用开关状态的组合表示的，或称为用“0”和“1”编码表示的。2表表4.1 4.1 几个十进制数与二进制数之间的对应关系几个十进制数与二进制数之间的对应关系 显然，与十进制的“逢十进一”相似，二进制具有“逢二进一”的特征。2. 2. 用开关表示非数值数据用开关表示非数值数据 计算机不仅能够对数值数据进行处理，还能够对文本和其他非数值数据信息进行处理。非数值数据是指不能进行算术运算的数据，包括字符、图形、图像和声音等。 为了处理文本，需要一个完整而足够大的字符集，这个字符集最少应包括： 26个小写字母； 26个大写字母； 约25个特殊字符，如：，+，-，|，# 等； 10个数

4、字码：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。3 共计87个字符。这87个字符须用7位“0”，“1”进行编码。常用的编码形式有两种：美国信息交换标准代码（ASCII）和扩展二十进制交换代码（EBCDIC），所有小型计算机和微型计算机都采用ASCII码。表4.2为ASCII码字符表，它用8位来表示字符代码。其基本代码占7位，第8位用作奇偶检验位，通过对奇偶检验位设置“1”或“0”状态，保持8位字节中的“1”的个数总是奇数（称奇检验）或偶数（称为偶检验），用以检测字符在传送（写入或读出）过程中是否出错（丢失1）。44.1.2 4.1.2 程序与计算机的工作原理程序与计算机的工作原理 1. 1. 程

5、序的概念程序的概念 程序是为特定问题求解而设计的指令序列。程序中的每条指令规定机器完成一组基本操作。如果把电子计算机完成一次任务的过程比作乐队的一次演奏，那么控制器就好比是指挥，计算机的其他功能部件好比是各个乐器与演员，而程序就好比是乐谱。因此，与其说是指挥在指挥乐队，不如说是乐谱在指挥乐队，或者说是指挥按照乐谱的规定指挥乐队。计算机的工作过程就是执行程序的过程。52. 2. 程序设计语言程序设计语言 算法只有用程序设计语言描述出来，才可以交计算机理解编译、执行。计算机程序设计语言可以分为二个层次：（1）机器语言，即用0、1码或符号描述的程序设计语言。这种语言有两大缺点： 不同种类的机器，语言

6、不同，不通用，一般人用起来不便； 符号记忆和查错费力。（2）高级语言。特点是： 基本与机器无关，可以通用。 用与人的语言相近的形式描述。 现在常用的高级语言有：C语言、Visual BASIC、JAVA等。64.1.3 4.1.3 计算机的程序存储控制原理计算机的程序存储控制原理1. 从算盘说起 算盘便是历史上所记载的、最早的、功能较完善的机械式计算工具。算盘由边、梁、档、珠4部分组成，每一档模拟一个人，每档梁上的2个珠子模拟了一个人的双手，梁下5个珠子模拟了一只手的5个指头，增加档数便可成倍地提高运算精度。 用算盘计算称为珠算。珠算除了要使用算盘之外，还要使用口诀。口诀是针对算盘的结构特点所

7、设计的基本操作集，用今天计算机的术语，可以称为算盘程序。对不同的计算，要使用这个指令系统中的操作的不同序列。 7珠算的发明是人类计算工具史上的一次大飞跃，它的科学性经住了长期实践的考验，在今天仍然有着极其顽强的生命力。这是中华民族为人类文明的重大贡献之一。据记载，公元前五、六世纪，我国便开始使用算盘了。15、16世纪我国的算盘传至日本，并影响于欧洲，激励了各国计算工具的发展。但是，算盘有一个最大的缺点，就是算盘无法记住程序，就像一个人记不住别人叫他干什么，只能是人家吩咐一条，干一件活，无法自动工作。 83. 3. 计算机的程序存储控制原理要求的计算机的功能计算机的程序存储控制原理要求的计算机的

8、功能 图图4.6 Von Neumann4.6 Von Neumann 在电子时代首先提出将程序存储控制原理运用到计算机中的Von Neumann（图4.6）在他的关于电子计算机逻辑设计的初步讨论报告中提出： 指令要像数据那样存放在存储器中，并且可以像数据那样进行处理； 要使用二进制； 要使用程序存储控制方式工作 92. 2. 计算机的程序存储控制原理计算机的程序存储控制原理 与算盘相比，现代计算机有两个突出的特点： （1）可以记住程序，一旦程序输入到计算机内后，一启动该程序，计算机就会自动执行该程序，无须人干预，实现了自动计算。 这一工作方式称为程序存储控制。即先把程序存入计算机内，再由程序

9、控制计算机自动工作。这就是程序存储控制原理。它由美籍匈牙利数学家Von Neumann。Neumann于1946年6月正式论证的。这条原理奠定了现代计算机的理论基础。 （2）用电子元件制作的，因而可以高速运算。当然，自动计算不须人介入，也是高速计算的一个条件。104.1.4 4.1.4 计算机的组成计算机的组成 根据程序存储控制原理（也称Neumann原理），一台完整的计算机系统必须具有如下功能：运算、自我控制、存储、输入输出。其中，运算和自我控制功能由中央处理器（Central Processing Unit，CPU），存储功能由存储器实现，输入输出功能由输入输出设备以及计算机的接口实现。下

10、面分别介绍这些部件和设备。1. CPU CPU是计算机的核心，它主要由运算部件和控制器组成。 (1) 控制器：控制器的主要功能是按时钟提供的统一节拍，使计算机中的各部件能协调地工作。11 (2) 运算部件（ALU）：可以实现有关的基本运算功能。 图4.7为中国科学院于2002年9月28日宣布的、由我国科学家自主设计的高性能通用CPU芯片“龙芯一号”。该芯片的芯核虽然只有钥匙孔大小，却集成了近400万个晶体管，每秒的运算速度超过2亿次，性能达到了1997年国际芯片设计水平。“龙芯一号”是一种高性能通用CPU，它既可以用在各类计算机上，也可以用于家用电器等产品上，可以运行LINUX等主流操作系统，

11、进行网络浏览、视频点播、程序设计等。 图4.7 我国自主研制成功的CPU芯片“龙芯一号”12 2. 存储器 它是计算机的记忆装置，用以保存程序、原始数据以及运算的中间结果。它有如下特点： (1) “取之不尽，新来旧去”，即只有存入新的数据才能将旧的数据去掉，所以“存”、“取”的准确叫法应当是“写”、“读”。存储单元内容 (2) 现代计算机基本上采用线性地址存取方式。如图4.8所示，每一个地址对应一个存储单元。存储单元可以按位(bit)或字节(8 bit)、字、半字、双字等编址。在按字节编址的情况下，每个存储单元存储1个字节（1 Byte）的信息。13 存储器中存储单元的数量称为该存储器的容量（

12、如640KB，2MB），它是评价计算机功能的重要指标之一。存储器容量愈大，所能存储的信息就越多。 (3) 容量、价格、存取速度是评价计算机存储器的三大指标。但三者之间又互相制约：容量大，存取速度就要低；采用存取速度高的元件，成本就高；成本高，就不允许做得容量太大。为此，现代计算机采用分级存储方式来解决这三者之间的矛盾。让存取速度高的存储器与CPU直接交换信息，它的价格高，但可以做得小一些，够CPU用便可以了；让存取速度稍低的存储器做它的后援，这一级可以做得大些；再让存取速度更低的做这一级的后援 14现代计算机最基本的是两级存储，即把存储器分为主（内）存储器与辅助（外）存储器两级。主存储器采用半

13、导体存储器，辅助存储器采用磁介质存储器。磁盘就是目前广泛使用的一种辅助存储器。为了进一步提高计算机的性能，现代计算机多在主存和CPU之间又增加一级比主存速度更高的高速缓冲存储器（Cache），形成三级存储体系。 153. 输入输出设备 I/O设备是接收外部信息（如输入原始数据和程序）或用来向外部输出信息（如计算结果）的功能部件，如打印机、显示器、键盘、磁带机、扫描仪、鼠标器、光笔、触摸屏、条形码阅读器等。164. 总线 计算机是一种复杂的电子设备，由许多部件组成。早期的计算机中典型的模块之间的连接如图4.9所示。图中，实线表示传输数据，虚线表示传输控制命令和信号。 图图4.9 4.9 典型的典

14、型的NeumannNeumann计算机结构计算机结构17 这种结构没有站在全局的角度统一考虑各部件之间的连接问题，造成部件之间连接的复杂性。随着计算机的发展，部件不断增加，问题越来越突出。为了减少部件连接的复杂性，在发展接口技术的同时开始考虑建立诸多个部件间的公用信息通道总线（bus），如图4.10所示。 图图4.10 4.10 计算机的单总线结构方式计算机的单总线结构方式18 在物理上，总线由直接印刷在电路板上的导线和安装在电路板上的各种插槽组成。其他部件以插件板的形式插装在插槽上。图4.11为总线、插槽和部件插件板之间的连接示意图。 图图4.11 4.11 总线、总线插槽和部件插件板之间的

15、连接总线、总线插槽和部件插件板之间的连接 随着计算机元器件的进步和计算机体系结构的发展，推动了总线技术的发展，使其逐渐成为计算机技术中的一个重要分支。19 5. 主板 主板是一块电路板，它提供了计算机的主要电路系统。计算机的主要模块CPU、存储器卡、总线及其扩充插槽、外设控制部件（如显示卡、打印卡、声卡等）、外设接口、电压调节器和时钟生成器等都安装在主板上。图4.12为一个主板结构实例。 20 6. 计算机的基本技术指标 全面衡量一台计算机的性能要考虑多种指标。并且对不同的用途，所侧重的方面不同。下面从普遍应用的角度，介绍3种主要的性能指标。 （1）CPU字长 CPU字长是指CPU一次所能处理

16、的位数。CPU字长越长，所处理的数据的精度越高，但是影响处理的速度。目前微型计算机的字长从8位、16位、32位，到64位等。当然CPU字长越长，价格就越高。选择CPU字长时，要权衡精度与成本。在机器方面，为了适应不同的需要，并协调精度与成本，设计了可变字长计算，如半字长、全字长、双字长等。 21（2）主存容量 主存用以直接与CPU交换信息。主存容量大，处理问题的能力就强。同时由于它与外存之间的信息交换次数少，解题时间效率也高。计算机的最大主存容量由CPU的地址总线的数目决定。地址总线为16条时，CPU的最大寻址范围为64K；地址总线为20条时，CPU的最大寻址范围为1M。 （3）CPU主频率

17、CPU工作的节拍是由主时钟控制的。主时钟不断地产生固定频率的时钟脉冲，时钟脉冲的频率就是 CPU 的主频率。主频率越高，CPU的工作节拍越快，是影响机器运算速度的重要参数。22 7. 7. 个人计算机（微型计算机）个人计算机（微型计算机） 计算机的发展历程是这样的：最先的计算机研制出来以后，由于最新的技术的采用，新的更强功能的计算机便出现。早期的计算机由于价格昂贵、体积庞大，一般都是作为公共设施被使用，计算机厂商的研制也把目标锁定在对公共设施需求的满足上，发展大、中、小型计算机，没有提供个人使用的计算机。 图图4.13 Gordon Moore4.13 Gordon Moore23 到了20世

18、纪60年代，半导体集成电路技术取得了重大突破，芯片集成度不断提高、而价格不断便宜。1965年还在仙童公司工作的戈登摩尔（Gordon Moore，图4.13）顺手拿了把尺子和一张纸，画了一张草图，纵坐标代表不断发展的集成电路，横坐标是时间。他在月份上逐个描点，得到一幅增长的曲线图。这条曲线显示出每24个月，集成电路由于内部晶体管数量的几何级数的增长，而使性能几乎翻倍提高，同时集成电路的价格也恰好减少一倍。后来高登摩尔把时间调整为18个月。这就是著名摩尔定律。摩尔于1968年创立了现在世界上最大的集成电路公司Intel。 24正是由于集成电路这样的发展规律，才为个人计算机的出现奠定了技术基础和经

19、济基础。到了20世纪70年代，Apple等公司开始研制出体积小（办公桌上可以放下）、价格便宜（个人可以承受）的计算机。相对于过去的大型、中型、小型计算机，把它称为微型计算机。 20世纪80年代，IBM开始跻身于微型计算机市场，并别开生面地称之为“IBM PC”（IBM Pasonal Computer）。254.1.5 4.1.5 计算机操作系统与计算机系统结构计算机操作系统与计算机系统结构 1. 操作系统的作用 使用计算机解题，不仅要编写解题所需的程序，还要进行地址的分配、输入输出、启停等系统的管理工作。在电子计算机出现的初期（电子管时代），计算机的工作速度很低（大约几千次/秒），计算机的存

20、储空间也很小，所能解的题目也有限，主要是进行科学计算，因而输入输出设备种类比较少，人们手工地进行这些管理工作还力所能及。 当计算机进入晶体管时代后，计算机的速度开始几十倍、上千倍地提高，存储容量大大增长，应用领域急剧扩展，输入输出设备的功能和种类有了较大的发展。这时手工地进行存储分配、设备管理一方面已经力不从心，也大大影响计算机系统充分发挥效率。于是，人们开始开发一些程序，用于计算机系统的管理。这就是计算机的操作系统（Operating System， OS）。26 计算机操作系统是管理计算机资源的一组程序，它是计算机系统中的一个重要部分。从计算机系统的层次结构来看，操作系统是建立在计算机硬件

21、上的第一层软件，是计算机系统中所有其他软件的基础；而操作系统又不完全依附于计算机硬件，其中很多内容能基本上与硬件无关。例如著名的操作系统UNIX，系统中很大一部分由C语言编写，因而可以应用于不同类型的计算机，提供相同的工作环境。操作系统是计算机系统中相对独立的一个部分，它通过计算机的资源的管理，使计算机的资源得以充分利用，并能方便利用。因此操作系统又被看做是用户和计算机硬件设备之间的界面。27 图4.14为操作系统与硬件之间的关系。可以看出，每一个部件功能的实现，都要辅以一个相应的管理程序，并且从整体上看，一个计算机系统由两大部分组成：硬件和对其进行管理的软件操作系统。 一般说来，在最基本的硬

22、件的支持下，其他的功能可以由硬件实现，也可以由软件实现。具体软硬件各占多大比例，由技术条件、成本以及应用需求决定。28 2. 微型计算机常用操作系统 目前在微型计算机上使用的操作系统主要有3种：（1）Windows Windows操作系统是Bill Gates(图4.15)创立的Microsoft公司于1983年开始研究开发，1985年正式面世的用于微型计算机的操作系统。目前已经经历了Windows 1.03、Windows 2.0、Windows 3.0、Windows 3.1、Windows 95、Windows 98、Windows 98 SE、Windows Me、Windows NT

23、、Windows 2000、Windows XP等版本。29 目前，Windows操作系统具有如下特点： 采用图形用户界面（Graphic User Interface，GUI）。用户使用时，大部分工作可以通过用鼠标点击图标或菜单的方式完成。 多任务执行能力。系统可以同时执行多个程序。 与常用应用软件捆绑。如与Office、浏览器等捆绑，给用户提供方便。（2 2）UNIXUNIX UNIX操作系统的第一个版本Version 1是AT&T公司下属的BELL实验室里两位程序员凭着个人的兴趣和爱好于1969年在一台闲置的PDP-7上开发的。 UNIX具有如下主要特点： 短小精悍 简洁有效 易移植 可

24、扩充 开放性 安全性容易保障30 （3）Linux Linux是Unix克隆或Unix风格的操作系统。它最初是由芬兰赫尔辛基大学学生Linus B.Torvalds（图4.16（a）开发的，其标志图标是一个小企鹅（图4.16（b）。 Linux具有如下特点： （a）与Unix兼容。现在，Linux已成为具有全部Unix特征的操作系统。所有Unix的主要功能都有相应的Linux工具和实用程序。31 （b）良好的可移植性。可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台使它仍然能按其自身的方式运行的能力。Linux是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。

25、可移植性为运行Linux的不同计算机平台与其他任何机器进行准确而有效的通信提供了手段，不需要另外增加特殊的和昂贵的通信接口。 （c）自由软件，源码公开。Linux项目从一开始就与GNU项目紧密结合起来，它的许多重要组成部分直接来自GNU项目。任何人只要遵守GPL条款，就可以自由使用Linux源程序。这样就激发了世界范围内热衷于计算机事业的人们的创造力。通过Internet，这一软件的传播和使用迅速蔓延。 （d）提供各种高性能的服务。在相同的硬件环境下，Linux可以像其它优秀的操作系统那样运行，提供各种高性能的服务，尤其是网络功能，可以作为中小型ISP或Web服务器工作平台。 Linux上包含

26、了大量网络管理、网络服务等方面的工具，用户可利用它建立起高效和稳定的防火墙、路由器、工作站、Intranet服务器及WWW服务器。Linux还包括了大量系统管理软件、网络分析软件、网络安全软件等。 32 （e）可靠的系统安全。Linux采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。由于Linux源码是公开的，所以可消除系统中是否有“后门”的疑惑。这对于关键部门、关键应用来说是至关重要的。 （f）便于定制和再开发。在遵从GPL版权协议的条件下，各部门、企业、单位或个人可根据自己的实际需要和使用环境对Linu

27、x系统进行裁剪、扩充、修改，或者再开发。 （g）支持多种文件系统。在Linux系统中，每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构。Linux的最重要特征之一就是支持多种文件系统，这样它更加灵活，并可以和许多其它种操作系统共存。Linux系统核心可以支持十多种文件系统类型：JFS、 ReiserFS、ext、ext2、ext3、ISO9660、XFS、Minx、MSDOS、UMSDOS、VFAT、NTFS、HPFS、NFS、SMB、SysV、PROC等。 33 （h）良好的用户界面。Linux向用户提供了两种界面：用户界面和系统调用： Linux的传统用户界面是基于文本的命令行界面。she

28、ll有很强的程序设计能力，用户可方便地用它编制程序，从而为用户扩充系统功能提供了更高级的手段。 Linux还为用户提供了图形用户界面。它利用鼠标、菜单、窗口、滚动条等设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面。 （i）设备独立性。设备独立性是指操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待，只要安装它们的驱动程序，任何用户都可以像使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。344.1.6 4.1.6 计算机系统结构计算机系统结构 一个完整的计算机系统有如图4.17所示的层次结构：操作系统建立在计算机硬件之上；语言处理程序、数据库管理系统和各种实用工具建立在操作

29、系统之上；应用程序建立在语言处理程序、或数据库管理系统之上。 35 1. 语言处理程序 语言处理程序用于将程序设计语言编写的程序处理为计算机可以直接执行的程序。 2. 数据库管理系统 数据库管理系统用于管理数据库。下面即将介绍。 3. 实用工具程序 实用工具程序能配合各类其他系统软件为用户的应用提供方便和帮助。如磁盘及文件管理程序PcTools、Norton、QAPlus等。 4. 应用软件 应用软件是指为用户解决某个领域或某个方面的实际问题而编制的程序和有关资料。如文字处理软件、表处理软件等。364.2 4.2 数据库数据库 计算机最初的目的是用于科学计算。从1955年，IBM用它进行工资管

30、理起，计算机开始在数据管理方面也大显身手。数据库是数据管理的计算机技术。4.2.1 4.2.1 文件文件 计算机用于数据管理以外部存储器和操作系统的发展为前提。由于外存出现，才有可能将大量数据进行保存，而不受计算机是否通电，程序是否运行。 文件（file）技术是最早的数据管理技术，它有如下特点： （1）数据在外存上，以文件的形式进行。一个文件有一个名字，程序可以用文件名对文件中的数据进行读、写操作。 （2）数据保存在外存上，可以长期保存。 （3）数据文件依赖于程序，一个数据文件基本上对应一个应用程序。当不同的应用程序要对相同部分数据进行操作时，必须为它们分别建立数据文件。所以数据不能共享。这就

31、造成数据冗余。 37 （4）数据文件的定义是靠程序进行的，所以若要改变数据文件的结构，必须修改程序，使得程序与数据文件之间不能独立。 （5）一个数据文件只针对特定的应用，对不同的应用要定义不同的数据文件。这也造成数据冗余。 4.2.2 4.2.2 数据库的特点数据库的特点 数据库就是针对文件技术的缺点提出的一种数据管理技术。它有如下特点： （1）数据库中的数据按照一定的模型（如按照关系模型）进行组织，使之可以为不同的应用服务，从而减少了数据冗余，提高了数据的共享性。 （2）数据操作主要依靠数据库管理系统，使得程序与数据相对独立，同一个数据库中的数据，可以供不同的应用程序操作，修改数据库中的数据

32、结构，不用修改程序。 384.3 4.3 计算机网络计算机网络 4.3.1 4.3.1 计算机网络概述计算机网络概述 1. 计算机网络的功能 计算机网络是计算机技术与通信技术的结合，或者说，计算机网络是用通信介质将多台计算机连接起来所形成的计算机系统。这里，连接有两重含义：一是指通过传输介质和传输设备建立的物理上的连接；一是由一些网络软件实现的逻辑上的连接。之所以要进行连接，是为了实现下列功能： （1）通信 在计算机之间传送数据。例如，文件传送（File Transfer Protokol, FTP）、电子邮件（E-Mail）、网络传呼（ICQ、OICQ）、IP电话、万维网（World Wid

33、e Web,WWW）、电子布告栏（Bulletin Board Service,BBS）等。 39 （2）资源共享 实现计算机硬件资源、软件资源和信息资源的异地互用。“共享”是指可以互通有无和异地使用。例如，使用异地的大型计算机进行本地计算机无法进行的计算，使用浏览器从其他计算机中获取信息等。这样，除互通有无外，还能均衡负载，使网络上各资源的“忙”、“闲”得到合理调整。 （3）提高计算机系统的可靠性 在计算机网络中,各台计算机间可以互为后备，从而提高了计算机系统的可靠性。 402. 计算机网络的拓扑结构 拓扑结构是计算机网络的重要特性。从拓扑学的观点看，网络是由一组节点(Node)和连接节点的

34、链路(Link)组成。在计算机网络中，计算机作为节点，连接计算机的通信线路作为链路，形成计算机的地理分布和互连关系上的几何排序（几何构形）。这种计算机与链路之间的拓扑关系，称为计算机网络的拓扑结构。计算机网络的拓扑结构有许多种。图4.23为几种点到点的计算机网络结构。 4142 （1）星形结构是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构，中央节点实施对全网的控制，并分别通过单独的链路与各个外围节点相连接。其拓扑特点是中央节点与多条链路连接，外围节点只与一条链路连接，如图4.23（a）所示。由于各外围节点分别用线缆与中央节点直接连接，因而在星形结构中数据的传输不会在线路上发生碰

35、撞，并且系统比较容易扩充，但中央节点会成为系统的“瓶颈”和可靠工作的最薄弱环节。 （2）树形结构由星形结构衍变而来。如图4.23（b）所示，它实际上是多个星形结构的级联组合。树形结构的特点是网络中有多个中心节点，但主要的数据流通是在网络的各分支之间进行，形成一种分级管理的集中式网络，适宜于各种管理部门进行分级数据传送的场合。其拓扑特点是多个中心节点与多条链路连接，其余节点（末端节点）只与一条链路连接。树形结构的优点是连接容易、管理简单、维护方便；缺点是共享能力差、可靠性低。 （3）环形结构（如图4.23（c）所示）是把所有节点首位相连的通信链路连接成环形。其拓扑特点是每一个节点都与两条链路连接

36、。当某一链路有故障时，还可以通过另一条路径进行通信。43 （4）格状结构（如图4.23（d）所示）是所有节点具有两个或两个以上直接通路的拓扑结构。全互连结构（如图4.23（e）所示）是所有节点之间都有直接通路的拓扑结构。这两种结构也称网状结构，具有较高的可靠性，但网络结构复杂，链路多，投资大。 （5）总线形结构（如图4.23（f）所示）是一种应用最普遍的广播型网络拓扑结构。 在总线形结构中各个计算机网络节点的设备用一根总线挂接起来。总线形结构目前在局域网中应用很广，有如下一些特点： 节点的插入或拆卸方便，易于扩充； 不需要中央控制器，有利于分布式控制，某个节点发生故障时对整个系统影响很小，网络

37、的可靠性高； 总线自身的故障对系统是毁灭性的，因而要求较高的安装质量。 当网络的总线首尾相连成闭合的环路时，这种总线形结构称为环形总线结构，如图4.23（g）所示。44 （6）卫星通信和微波通信采用电磁波传输信息（如图4.23（h）所示）。这种结构属无约束形或称任意型的广播式传输结构。 3. 广域网、城域网和局域网 计算机网络有许多分类方法。最常用的是按照其覆盖地域的大小分为三大类：广域网（Wide Area Network， WAN）、城域网（Metropolitan Area Network， MAN）和局域网（Local Area Network， LAN）。 （1）广域网 广域网又称远

38、程网，一般指跨地区甚至延伸到整个国家和全世界的网络。 （2）城域网 城域网指地理覆盖范围大约为一个城市的网络，其通信距离一般在5km50km以内。 （3）局域网 局域网(又称局部地域网)指通信距离通常在中等规模的地理区域内（一般在10 km范围内）的网络，如一幢办公楼、一座仓库、一所学校中的计算机网络。它能借助于具有中高速数据传输率的物理通信信道实现可靠通信。45 随着计算机网络的普及，近年来人们又提出了微微网（Piconet）和个人局域网（Personal Area Network， PAN）的新概念。个人局域网是近年来随着各种短距离通信技术的发展而提出的一个新概念，一般覆盖距离为100 m

39、以内。微微网是由采用蓝牙等技术设备以特定方式组成的网络。这种网络的建立是从两台设备（如笔记本电脑和移动电话）的连接开始，同一时刻最多可以激活8台设备。46 4. 网络层次结构 计算机网络是一种非常复杂的系统。实践证明，结构化方法是解决复杂问题的一种有效手段。结构化方法的核心是将系统模块化，并按层次组织各模块。因此研究计算机网络的结构时通常也按层次结构进行分析。使用层次结构，可以把相关的功能组合在一层中，把相关性不大的功能合理地分布在不同的层中，使网络结构简化，应用灵活、易于修改。例如目前应用极为普遍的Internet（TCP/IP）网络具有如图4.24所示的层次结构TCP/IP参考模型。在TC

40、P/IP网络中，网络层主要解决数据传输时，数据传输通过什么路径（路由）问题；传输层主要解决两个运行应用程序的计算机间的连接方式和数据包的发送与接收等问题；物理层主要解决网络接口、传输链路等问题；应用层用于解决具体应用（WWW、电子邮件、文件传输、远程登录等）中的有关特殊问题。47 5. 网络协议 协议(protocol)是存在于任何通信过程的约定、规则和标准。在大海中用旗语通信、哑人用哑语交流都需要一套约定的规则和标准。不按照这些约定、规则和标准，是无法互相理解的。这些约定、规则和标准就称为协议。在计算机网络中，为了能正确地传输和接收信息，接、收双方必须共同遵守一套关于信息的协议。 在网络的层

41、次结构中，通信的双方在不同的层次中，使用不同的协议，好像两国外交中，不同的层次要采用不同的交往礼仪一样。在图2.24所示的TCP/IP中，在网络层使用的主要是IP协议，在传输层使用的是TCP/UDP协议。 6. 带宽与传输速率 （1）带宽 任何信道都不是理想的，每一个信道对能通过信号的频率范围都有一个限制。信道允许通过的信号频率范围，即可传送的信号最高频率与最低频率之差，被称为信道的通频带宽，亦即信道带宽，单位为Hz。48 随着计算机网络的普及，人们对带宽的要求与日俱增，于是宽带（Broadband）技术应运而生。宽带技术主要用于带宽很宽（一般大于2.5Gb/s）的信道，这样就可以在同一传输介

42、质上实现多重（并行）传输的高速数据传输通道。图4.25为ADSL上的3个信息通道：POTS（话音）通道（4 kHz）、上行通道(10 kHz50 kHz)和下行通道(1 MHz以上) 。或者说，ADSL技术是在一对通信线上划分出3个信息通道的技术，从而在一对通信线上既可以打电话，又可以上网。 图图4.25 ADSL4.25 ADSL上的上的3 3个信息通道个信息通道49 关于“宽带”，目前国际上还没有公认的定义。一般可以将速度在1.54 Mb/s以上的数据传输叫做宽带。从运营商的角度，一般只把速度超过2 Mb/s的数据传输称作宽带传输。 （2）传输速率 数据的传输速率是指单位时间内所传输的数据

43、量多少。为了能够统一度量，通常以每秒钟传输的比特数作为传输速率的单位。 传输速率取决于时钟频率，例如在千兆的以太网上，最高传输速率可以大到1 000Mbit/s。 504.3.2 4.3.2 传输介质及其布线传输介质及其布线 传输介质是网络中起连接节点、并传输数据的组件。下面介绍几种常用的传输介质。 1. 双绞线 双绞线（TP：Twisted Pair wire）是综合布线工程中最常用的一种传输介质。一对双绞线一般由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。把一对或多对双绞线放

44、在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP：Unshilded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP：Shielded Twisted Pair）。它们的结构分别如图4.26（a）和（b）所示。51 一般说来，双绞线主要用来传输模拟声音信息，用来传输数字信号，信号的衰减比较大，并且产生波形畸变。因此传输数字信号只限于较短距离。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。通过精心选择和安装双绞线，可以在有限距离内达到每秒几M位的可靠传输率。当距离很短，并且采用特殊的电子传输技术时，传输率可达100Mbps155Mbps。52由于利用双绞线

45、传输信息时要向周围幅射，信息很容易被窃听，因此要花费额外的代价加以屏蔽。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹，以减小幅射，但并不能完全消除辐射。屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。类似于同轴电缆，它必须配有支持屏蔽功能的特殊连结器和相应的安装技术。但它有较高的传输速率，100米内可达到155Mbps。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。53 2同轴电缆及其结构 同轴电缆（Coaxial cable）是由一根空心的圆柱体及其所包围的单根内导线所组成，如图4.27所示，其由里往外依次是铜芯、塑胶绝缘层、细铜丝组成的网状导体

46、及塑料保护膜，铜芯与网状导体同轴，故名同轴电缆或同轴。塑料保护膜一般选用聚氯乙烯（如PVC）或类似材料。54 同轴电缆的这种结构，决定了其屏蔽性能好、抗干扰能力强，具有更高带宽和极好噪声抑制特性，可以更高速度传输更远的距离。同轴电缆的带宽取决于电缆长度，距离越短，带宽越高。同轴电缆曾广泛应用于电话系统，但现在已经几乎完全被光纤所替代。但是由于同轴电缆绝缘效果佳，频带也宽，数据传输稳定，价格适中，性价比高，仍广泛地应用于有线电视和局域网。 3. 光缆及其组成 光通信使用的光波波长范围是在近红外区内，波长为0.81.8um。可分为短波长段（0.85um）和长波长段（1.31um和1.55um）。光

47、纤通信具有一系列优异的特性：传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰、线径细、重量轻、资源丰富。近年来，光纤通信技术发展非常迅速，已成为通信网络中最主要的传输介质。55 光纤为光导纤维的简称，是一种传输光束的细而柔韧的媒质，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。光导纤维电缆由一捆纤维组成，简称为光缆。光缆是数据传输中最为有效的一处传输介质。光纤为圆柱状，由3个同心部分组成纤芯、包层和护套，如图4.28所示。其中心是光传播的玻璃芯，芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内，再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。 564.3.3 4.3.3 计算机网络中计算机的工作方式计

48、算机网络中计算机的工作方式 1. 工作站与服务器在计算机网络中，为了减低成本，把计算机分为两类：服务器和工作站。（1）服务器服务器是提供系统资源的计算机。常见的服务器有：打印服务器文件服务器应用程序服务器邮件服务器通信服务器数据库服务器域名服务器WWW服务器57 （2）工作站 工作站是享受资源的计算机。用户是在工作站上进行操作，所以工作站也称客户机。工作站要求具有独立处理能力，是普通的计算机，通常由主机系统（CPU和内存系统）、显示系统、外存系统组成。 2. 客户机/服务器模式 一个应用程序也至少应当包括两部分：接受用户要求并返回处理结果的部分和根据用户请求进行处理的部分。随着计算机网络应用的

49、不断深入和发展，网络程序的规模和数量越来越大，为了便于开发，提高程序的可靠性和运行效率，人们开始将程序按两大类功能分开进行设计。58这两类程序分别称为客户机程序和服务器程序，从而形成一种新的软件体系。在这种软件体系中，一个计算任务被分布在两类协作单元上：一类称为“前台”（Front-end）或客户机（Client）程序，用于接待用户，负责提出计算请求；一类称为“后台”（Back-end）或服务器（Server）程序，处理客户机程序的请求，然后将处理结果回送客户机。可见，客户机与服务器（C/S）并非通常意义上的硬件或系统，而是程序，进一步说，应当是进程。它们可以运行在一台计算机中，也可以运行在网

50、络环境中的两台或多台计算机中。59 与对等式工作模式相比，客户机/服务器计算模式最明显的特点是客户机的主动性和服务器的被动性。就是说，在C/S模式中，客户机和服务器不是平等工作的，而一定是先由客户机主动发出服务请求，服务器被动地响应。这是区分客户机与服务器的一条原则，看谁先发起通信，谁就是客户机。这种工作模式特别适合TCP/UDP工作方式。 60目前的计算机网络基本上都是采用C/S模式的，原因就是它能带来如下一些益处： （1）增强了系统的稳定性和灵活性 C/S模式将应用与服务相分离，使得系统具有即插即用的特点，减少了因系统变更带来的影响，模块易于替换、增减、移植，增强了系统的稳定性和灵活性。

51、（2）能够为作业配备较佳资源 C/S模式可以针对应用和服务的不同要求，以及针对不同的处理要求来配置相应的资源，取得最佳的性能/价格比，提高了服务质量、集成水平和事务处理能力。61 （3）大大减低了系统的开发成本和风险 C/S模式便于类似系统的开发，它提供了一个开发框架，缩短了解决问题的时间，减少了风险，有利于快速解决问题，能将开发过程中的重复劳动减少到最少。同时，它可以在较低廉的工作站上开发完成，然后移植到较昂贵的产品系统中，大大减少了开发费用。 （4）便于维护和应用 C/S模式为系统人员提供了一个共同的后台（服务器）环境，为用户提供了一个友好的操作环境，便于维护和使用。 623. 网卡 网络

52、接口卡NIA（简称网卡，又称网络适配器，参见图4.32），是安装在计算机扩展槽中连接计算机与网络的常用设备，是网上设备（如工作站、服务器等）与网上的通信介质进行连接的一种能够对通信进行服务的电路板。文件服务器、工作站都须使用一块网络接口卡和通信介质进行连接。它主要实现网络协议中与通信相关的低层部分。网络工作时，网卡通过通信介质的端口，监视网络的状态，侦听媒体上的信号；当收到有效的数据时，网卡会判断这是否发给本站的数据（是，则将数据通过与网络设备的接口发给网络设备；否，则放弃或按原方向转发）；另一方面，要掌握时机将所连设备要发送的数据发送到网上，以实现网络设备间的通信。 63 图4.32 网卡

53、网卡的选择应注意以下几个方面： （1）网卡的速度：网卡的速度表示它接受和发送数字信号的最高速度，如10 Mbps、100Mbps、1000Mbps等。普通小型共享式局域网中一般使用10 Mbps的网卡，在交换式局域网或要传输宽带信号时应选用速度较快（如100 Mbps）的网卡。另外，是否为双工也会影响网卡的速度。64 （3）网卡的接口：网卡与不同的线缆连接时，需要不同的固定接口，如与双绞线连接需有RJ-45接口，与细同轴电缆连接时需有BNC接口。 （4）网卡的驱动程序：网卡上的驱动程序应与操作系统相匹配，最好应有PnP（即插即用）功能。 为了适应网络设计的灵活性和对系统扩充的适应能力，早期的各

54、种网卡上都有多组开关或跳接线，用于网络接口参数的设置。现在新型网卡多用无跳线结构，采用软件设置各种参数。此外，每种网卡都有相应的驱动程序。65 4.3.4 4.3.4 以太网以太网 以太网是目前广为应用的一种局域网络标准。下面介绍有关它的基本概念。 1. 共享以太网 所谓“共享”，就是带宽共享，所有连接在以太网上的所有计算机共享以太网上的带宽，所以随着同时工作的计算机的增加，网速就会下降。 2. 交换以太网 交换式网络从根本上改变了共享介质工作方式，它可以通过交换机在多端口之间实现多个并发连接，实行带宽分配，实现多个站点间的并发通信，改善网络性能和服务质量。图4.33所示为一个交换式局域网结构

55、。664.3.5 Internet4.3.5 Internet 1. IP地址 Internet是由许许多多的物理网络组成的网上之网，其中每一个小型网络都是由信道和节点组成。由于两个节点可能在同一个物理网络之中，也可能不在同一个物理网络之中，因此关键就是如何从源节点出发找到目标节点，这就是寻址问题。 IP协议提供整个Internet通用的地址格式。为了确保一个IP地址对应一台主机，网络地址由Internet注册管理机构网络信息中心NIC分配，主机地址由网络管理机构负责分配。67 2. 域名系统 域名系统DNS的作用是用二进制表示的IP地址与人们容易记忆的域名进行转换。所谓域名，即用下列形式表示

56、的机器名： 计算机主机名.子域名.子域名.最高域名 例如表示江南大学的一台邮件服务器。 位于最右端的域称为顶层域。Internet的授权机构定义了两套顶层域名：一套称为generic TLDs是按机构划分的；一套称为country TLDs，是按地理范围划分的。 generic TLDs定义了七种机构名，如表4.6所示。68 country TLDs采用ISO-3166标准的两个字符国家码作为顶层域名，来表示国家或地区。表4.7列出了一些国家或地区的顶级域名。69 域名系统是一个复杂系统。为加强我国互连网络域名系统的管理，中国互连网络域名注册暂行管理办法规定在中国境内注册域名应采用如下层次结构

57、： （a）顶级域名使用.cn。在中国境内接入中国互连网络，而其注册的顶级域名不是CN的，必须在CNNIC（中国互连网络信息中心）登记备案。 （b）二级域名分为“类别域名”和“行政域名”两类。 类别域名6个。其中，AC适用于科研机构，其他5个为：COM,EDU,GOV,NET,NIC,ORG，含义见表4.6。 行政域名34个，适用于我国的各省、自治区、直辖市，具体见表4.8所示 70 为使用中文的人可以在不改变自己的文字习惯的前提下,使用中文来访问互联网上的资源，中文域名系统在技术方面取得了突破性进展。目前已经有不少网站注册了中文域名71 3. 路由器 路由器（Router）是互联网的主要节点设

58、备。路由器主要有连通不同的网络、选择传送路径和划分子网作用，它通过路由决定数据的转发，转发策略称为路由选择（Routing）。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于 TCP/IP 的国际互联网络 Internet 的主体脉络，也可以说，路由器构成了 Internet 的骨架。路由器的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互连的质量。因此，在园区网、地区网乃至整个 Internet 研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向成为整个 Internet 研究的一个缩影。724.4.4 搜索引擎 信息浩如烟海，获取有用的信息难于大海捞针。面对人们的信

59、息检索困境，搜索引擎（Search Engine）或者导航站点应运而生。 搜索引擎是一种用于帮助互联网用户查询信息的搜索工具，它以一定的策略在互联网中搜集、发现信息，对信息进行理解、提取、组织和处理，为用户提供与所需信息相关的网页名称，从而起到信息导航的目的。 73 1. 搜索引擎的产生 Internet上最早的搜索引擎当推1990年开发的Archie。它依靠脚本程序自动搜索网上的文件，然后对有关信息进行索引，使用者可以以一定的表达式进行查询。 随着WWW的出现，搜索引擎更加引起人们的研究热情。最早的设计是利用“机器人”程序在网络中爬来爬去地搜索，并将“机器人”程序形象地称为“蜘蛛”程序。世界

60、上第一个用于监测互联网发展规模的“机器人”程序是Matthew Gray开发的World wide Web Wanderer。刚开始它只用来统计互联网上的服务器数量，后来则发展为能够检索网站域名。后来，一些编程者又设想，一个网页既然通过可能到达其他网站，那么从跟踪一个网站的链接开始，就有可能检索整个互联网，并据此对“机器人”程序进行了改进。 1994年7月Michael Mauldin将John Leavitt的蜘蛛程序接入到其索引程序中，创建了大家现在熟知的Lycos。同年4月，斯坦福（Stanford）大学的两名博士生，David Filo和美籍华人杨致远（Gerry Yang）共同创办了

61、超级目录索引Yahoo，并将搜索引擎推向高速发展时期。74 2. 搜索引擎的基本工作过程 搜索引擎的目的就是寻找相关性最高的网页。基于这个原则，各种搜索引擎尽管功能、技术各有特色，但它们的工作过程基本一样，都包括3个方面。 （1）派出robots在网上搜索，发现、搜集网页信息 搜索引擎的第一项工作是收集网页资料。搜索能力是搜索引擎的基本品质。高品质的搜索引擎需要有高性能的“网络蜘蛛”(Spider)程序自动地到Internet中进行搜索。 75（2）将信息进行分类整理，建立索引数据库 搜索引擎的第二个工作是对已经收集到的资料给与按照网页中的字符特性予以分类，建立搜索原则。索引原则关系到用户能否

62、最迅速地找到最准确、最广泛的信息。同时，对bots抓来的网页信息要极快地建立索引，以保证信息的及时性。76（3）为用户提供浏览器界面 每个搜索引擎都提供了一个良好的用户界面。用户只要把想要查找的信息的关键词或短语输入查询框内，再点击 “GO”按钮或其他类似按钮，搜索引擎就会到索引中查找相应的词语，并进行必要的逻辑运算，最后给出查询的命中结果。这些查询结果均为超文本链接。用户根据搜索引擎提供的链接，很快就能访问到相应的信息。如果搜索引擎将搜索的范围进行了分类，查询就可以在指定的类别中进行。这样可以提高查询效率，提高了命中率，节省了查询时间。77 当用户以关键词查找信息时，搜索引擎会在数据库中进行

63、搜寻，如果找到与用户要求内容相符的网站，便采用特殊的算法通常根据网页中关键词的匹配程度，出现的位置/频次，链接质量等计算出各网页的相关度及排名等级，然后根据关联度高低，按顺序将这些网页链接返回给用户。 78搜索引擎的收录范围包括以下意义：搜索引擎的收录范围包括以下意义： （1）地域范围 大型搜索引擎的资料库，收录着全球的网站或网页，不过也会专门建立一些地域范围的检索。例如Yahoo，它一方面收录全球的网站，同时还开辟有收录亚州地区网站的分站。但是，一些中小型的搜索引擎，则专门收录某一地区的信息，如美洲、欧洲、亚洲地区，甚至小至一个城市的信息。全球性搜索引擎收录的范围虽然广泛，但对某一局部而言，

64、却很可能不如区域性搜索引擎内容来得丰富和完备。79（2）语言范围 网爷使用的语言是针对特定的人群的。在Internet中有各种语言的网站。即使是中文网站，也会使用不同的汉语内码来编写，常用的有GB简体中文（大陆地区、新加坡常用）、Big5繁体中文（港台地区常用）以及HZ码、图形方式等。80（3）网站类型范围 在所有国际互联网的网站中，除最常见的是www网站外，还有其他多种形式的网站，如Ftp、Gopher、BBS、新闻组等。大型搜索引擎往往能够搜索各种形式的网站信息，它们往往开辟专门的选项，来搜索Ftp、Gopher、BBS、新闻组中的内容。也有一些网站只有单一功能。81（4）专业范围 大型搜索引擎，一般是综合性的，它们收录有各个方面、各个学科、各个行业的信息。但也有一些搜索引擎，专门收录某一方面、某一行业、某一主题的信息。如商务查询、企业查询、人名查询、电子邮件地址查询，甚至医学论文查询等等。8283