试谈管理信息系统平台的构建技术

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1、第三章 管理信息系统平台的构建技术Computer technology is the technological basis to construct the platform of management information system. This chapter is mainly about the new development of computer hardware, data communication mode, data switching technology, computer network architecture, local area network med

2、ium access control technology, TCP/IP protocol set, database architecture, the features and operations of the relational model, the basic concept of data warehouse and so on.第一节 计算机系统一、计算机系统计算机是一种能够接收和存储信息，并按照存储在其内部的程序对输入的信息进行加工、处理，得到人们所期望的结果，然后把处理结果输出的高度自动化的电子设备。计算机的发展史大型主机的发展阶段1946年美国研制出第一台全自动电子计算

3、机ENIAC，标志着电子计算机的诞生，此后计算机进入了飞速发展的阶段。计算机发展史具体如表3-1所示。表3-1 计算机发展史 年代器件第一代1946-1957第二代1958-1964第三代1965-1969第四代1970-电子器件电子管晶体管中、小规模集成电路大规模和超大规模集成电路主存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓、半导体存储器半导体存储器外部存储器磁带、磁鼓磁带、磁鼓磁带、磁鼓、磁盘磁带、磁盘、光盘处理方式机器语言汇编语言监控程序连续处理作业高级语言编译多道程序实时处理实时、分时处理网络操作系统运算速度5千-3万次/秒几十万-百万次/秒百万-几百万次/秒几百万-千亿次/秒目前，世界各国

4、研究人员正在加紧开发以智能电子计算机、神经网络计算机、分子计算机、光子计算机、量子计算机等为代表的未来新一代计算机。智能电子计算机是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，可进行思维、联想、推理，具有汇集、记忆、检索等活动。神经网络计算机模仿人的大脑判断能力和适应能力，将具有类似人脑的智慧和灵活性，并具有可并行处理多种数据的功能。分子计算机运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积和耗电将剧减，并能更长期地存储大量数据。光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储，光子计算

5、机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。微型计算机的发展微型机又称为个人计算机（personal computer，PC），它的发展阶段以微处理器（microprocessor unit，MPU）为标志。世界上第一台微处理器Intel 4004诞生于20世纪70年代，第一台微型计算机MCS-4随之于1971年诞生，其后微机迅速普及。微型计算机发展至今，大约经历了五个阶段。第一代，1981年IBM公司的IBMPC/XT使用8位Intel 8088 CPU；第二代，1984年IBM公司的IBMPC/AT使用16位I

6、ntel 80286 CPU；第三代，1986年Compaq公司的386AT和1987年IBM公司的PS/2-50使用32位Intel 80386 CPU；第四代，1989年486微机使用Intel 80486 CPU；第五代，1993年微机使用Intel Pentium CPU（586）和其后的P、P、PIV，高档PIV已发展到字长64位，主频3.8GHz。计算机的分类按计算机的规模和性能可以分为六大类：超级计算机或称巨型机（supercomputer）超级计算机具有强有力的传输数据和处理数据能力，具有大容量的内外存，采用专用的操作系统等。我国研制的银河机也属于巨型机。1999年9月，我国研

7、制的“神威”巨型计算机系统研制成功，运算速度达每秒3840亿次浮点运算，其总设计师金怡濂获得2002年度国家最高科学技术奖。据2004年11月报道，由美国的蓝色基因L创下了70.72TFLOPS的新纪录，并荣登2004年超级计算机排行榜榜首。（T译为太拉，1太拉为1万亿，FLOPS为每秒可运行的浮点运算次数）。小超级机或称小巨型机（minisupercomputer）小超级机又称桌上型超级电脑，由并行的多个微处理器组成，它使巨型机缩小成个人机的大小，或者使个人机具有超级电脑的性能。大型主机（mainframe）它包括我们通常所说的大、中型计算机。这是在微型机出现之前最主要的计算模式。不过随着微

8、机与网络的迅速发展，许多大型机正在被高档微机群取代。小型机（minicomputer）小型机常采用多CPU结构，具有较大容量的内存和多台大容量硬盘，数据处理功能较强，实时处理性能比较好等。同样小型机也受到高档微机的挑战。工作站（workstation）工作站使用大屏幕、高分辨率的显示器，有大容量的内外存储器，大都具有网络功能。一般采用UNIX操作系统，具有多任务、多用户的功能，适合于分布式处理。它们的用途比较特殊，主要用于计算机辅助设计、图像处理、软件工程以及大型控制中心。个人计算机（personal computer，PC）或称微型机这是目前发展最快的领域。根据它所使用的微处理器芯片的不同而

9、分为若干类型。使用Intel公司的Pentium系列和AMD公司的Athlon系列微处理器的IBM PC及其兼容机最为普及。计算机的组成计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械、磁性和光电元件组成的各种计算机部件和设备。计算机的种类很多，但从功能上都可以划分为五个基本组成部分，即输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器，运算器和控制器常集成在一起，称为中央处理器（CPU）。计算机硬件结构如图3-1所示，双线代表数据流，实线代表控制流，计算机各部件间的联系通过信息流动来实现。图3-1 计算机系统基本硬件结构二、计算机硬件硬件设备是计算机物理设备的总称。中

10、央处理器（central processing unit，CPU）中央处理器在微机中又称为微处理器，它主要由运算器、控制器和寄存器组成。其主要功能是按照程序给出的指令序列分析指令、执行指令，控制并协调各部件的工作，完成对数据的加工处理。存储器（memory）存储器是是计算机的记忆和存储部件，负责存储数据和程序，并根据控制命令提供这些数据和程序，主要分为主存储器和辅助存储两类。主存储器又称内部存储器，简称内存，主要由半导体存储器组成。计算机运行过程中内存用来存储当前数据和程序指令的。计算机的辅助存储器又称外部存储器，简称外存，用于数据和程序的长久保存。常用的辅助存储器有磁盘（带）、移动硬盘、光盘

11、、闪存存储器（usb flash盘，又称优盘和闪盘）。为了解决成本价格、存取速度和存储容量的矛盾，目前计算机的存储系统是由各种不同的存储器组成的。主存储器内存和CPU一起构成了计算机的主机部分。内存储器按其工作方式的不同，可以分为随机存储器RAM和只读存储器ROM两种。RAM可以分为静态SRAM和动态DRAM两种，目前常用的DRAM有SDRAM（synchronous DRAM，同步动态随机存储器）和DDR SDRAM（dual date rate SDRAM，双倍数据传输速率同步动态随机存储器，DDR SRAM理论上具有双倍SDRAM内存的带宽）。ROM是一种内容只能读出而不能写入和修改的存

12、储器，其存储的信息是在制作该存储器时就被写入的。计算机断电后，ROM中的信息不会丢失。ROM常用来存放检测程序、ROMBIOS等。只读存储器除了ROM外，现在为方便BIOS的升级等又出现了PROM、EPROM、EEPROM（electrically erasable programmable ROM）等类型。PROM是可编程只读存储器，但只可编写（烧制）一次。EPROM器件是可擦除可编程只读存储器，使用EPROM写入器用紫外线照射的方法可以反复多次擦除原来写入的内容，重新写入新的内容。EEPROM是电可擦除可编程只读存储器，使用普通微机就可对它重写。EPROM、EEPROM与ROM不同，其内容

13、可以多次擦除而更新，但只要更新固化好以后，就只能读出，而不能象RAM那样可以随机读出和写入信息。外存储器外存储器根据使用介质的不同，可分为磁性、光电和电子几种。外存的容量一般都比较大，读写速度较慢。软磁盘是一种磁介质形式的存储器。常用的是容量为1.44MB的3.5英寸软盘。目前已经有大容量的ZIP软盘，一张盘片存储容量为100MB300MB左右。硬磁盘是由若干个硬盘片组成的盘片组，一般被封装在金属壳内。硬盘的容量要大得多，通常在几十个GB到几百个GB，存取信息的速度也快得多。移动硬盘的接口多为USB接口，便于移动。磁带存储器主要用于大型主机和小型机。用于计算机的磁带和普通录音磁带类似，并无物理

14、本质上的区别。只是前者记录数字信号，后者记录模拟信号，因此读写装置差别较大。光盘驱动器是读取光盘的设备。CD-ROM为只读光盘，它的容量为650MB，可用于存放各种信息。光驱的一个主要技术指标是数据传输速率，传输速率的单位是“倍速”，其基数是150KB/秒。40X就是指40倍速光驱，其数据的传输速率为6000KB/秒。常用的光盘有三种：只读光盘、一次性写入光盘（WORM简称WO）、可擦写光盘（CD-RW）。可擦写光盘是能够多次重写的光盘，目前常用的是磁光型（magneto optic disk，MO）。可擦写光盘需插入特制的光盘驱动器进行读写操作。DVD-ROM是CD-ROM的后继产品，DVD

15、盘光道之间的间距缩小，记录信息的最小凹凸坑长度缩小，导致了DVD盘的存储容量可提高至4.7GB，是CD-ROM的7倍。而且DVD驱动器具有向下的兼容性，也可以读取CD-ROM的光盘。闪存是一种新型的EEPROM内存，不需要特殊设备和方式即可实现实时擦写。市面上常用的有U盘/优盘，有数码相机、数码摄像机、MP3上用的CF（compact flash）卡、SM（smart media）卡，MMC（multimedia）卡等等。它们携带和使用方便，容量和价格适中，一般容量从64MB到1GB，深受广大计算机使用者的青睐。比较而言，存取速度由快到慢为：内存硬盘光盘软盘，存储容量由大到小为：硬盘光盘内存软

16、盘。外部设备外部设备包含输入设备和输出设备。键盘是微机的标准输入设备，显示器是微机的标准输出设备。在微型计算机系统中，最常用的输入设备是鼠标和键盘。扫描仪是一个典型的图像输入设备。它可以将照片、图片、图形输入到计算机中，并转换成图像文件存储于硬盘中。视频捕获卡是视频媒体信息的输入设备，它可以将电视、摄影机和录像的视频信号输入到计算机中，可以将视频片断录制到硬盘上。条形码读入器是一种输入设备。条形码是一种用线条和线条间的间隔按一定的规则表示数据的条形符号。条形码读入器用以扫描条形码，将光信号转变为电信号，经译码后输入计算机。光笔与相应的硬件和软件结合，可用来在屏幕或书写板上作图或写字输入计算机。

17、触摸屏是一种快速实现人机对话的工具。可分为电容式、电阻式和红外式三种，常用的为前两种。电容式触摸屏工作原理是在荧光屏前安装一块特殊玻璃屏，其正反两面涂上专门材料，当手指触摸屏幕时，引起正反面间电容值发生变化，控制器将这种变化编译成（X，Y）坐标值，传给计算机处理。而电阻式触摸屏所涂材料当手指触摸屏幕时，引起触点正反面间电阻值发生变化。微机的显示系统由显示器和图形适配器（graphics adapter，也称为图形卡或显卡）组成。它们共同决定了图像输出的质量。显示器的主要技术指标有分辨率、像素和点距（两个像素点间的距离）。显示器像素点越多，分辨率越高，点距越小，图像越清晰。目前的图形卡能够支持1

18、024768（或12801024）像素的分辨率，点距有0.28毫米，0.31毫米或0.39毫米等。通常显卡上有它自己的存储区视频随机存储器（video RAM），也称为显存或VRAM。VRAM用于存储当前正在显示的有关数据，以及此后将要显示的有关数据。VRAM的大小决定着显示器最大分辨率下所能显示的颜色数、分辨率和显示的速度。打印机主要有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机等。打印机的技术指标主要有打印速度、印字质量、打印噪声等。声卡又称音频卡（audio card），它用于处理音频媒体信息的输入输出，是一个重要的多媒体组件，与声卡相配套的硬件还有麦克风和音箱。一般声卡都具有如下功能：录音、播放

19、声音、乐器数字接口MIDI等。三、计算机软件软件系统是指计算机程序及其有关文档。软件系统由系统软件和应用软件两大部分组成。系统软件包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、网络通信管理程序等部分；应用软件是用来完成用户所要求的数据处理任务或实现用户特定功能的程序。操作系统软件操作系统（operation system，OS）是一组对计算机资源进行控制与管理的系统化程序集合，它是用户和计算机硬件系统之间的接口。操作系统具备五大功能：处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理。如Windows、Linux、Unix等。数据库管理系统软件数据库管理系统（database managemen

20、t system，DBMS）软件是专门对数据记录进行综合管理的软件，对数据文件结构的定义、数据记录的更新、数据记录的查询以及对数据记录的各种运算提供全面的支持。如Oracle，Sybase，Microsoft SQL Server，Access等。程序设计语言计算机指令是用程序设计语言编写的，程序设计语言是人与计算机进行交流的工具。机器语言是一种在计算机上可以直接执行的二进制代码指令。汇编语言用便于人记忆的助记符作为操作指令，是一种十分接近机器语言的符号语言。高级语言采用英语词汇作为指令关键词，按照规定的语义和语法结构要求编写程序。高级语言中每一条语句的功能相当于汇编语言的多条指令的功能，也被

21、称为第三代语言（3GL）。如C、PASCAL等。第四代语言（4GL）是为降低程序开发难度和提高程序开发效率而设计的通用语言。如某些数据库系统的查询语句（如SQL）和应用软件包的宏语言就具有第四代语言的特征。编写的程序是非过程化的，即程序指令只要告诉计算机需要“做什么”，而不必详述“怎样做”的具体过程。面向对象的程序语言是1980年后新发展的程序设计语言，面向对象语言将数据与操作合成为对象，即对象数据和操作，这样的对象可以重用，从而大大提高编程效率，如C+、Java等。由于因特网的广泛应用，标记语言也开始引起人们的注意，如HTML、XML等。应用软件应用软件是直接面向最终用户的具体应用软件，可分

22、为通用和专用两种。通用应用软件是某些具有通用信息处理功能的商品化软件。它的特点是通用性，因此可以被许多有类似应用需求的用户所使用。比较典型的通用软件有文字处理软件、表格处理软件、数值统计分析软件、财务核算软件等。如Microsoft Office、用友财务软件等。专用应用软件是专业人士为满足用户特定要求而单独开发的专门应用软件，如为某公司定制的人力资源管理信息系统。管理信息系统一般来说是借助于计算机硬件等设备，进行信息处理的应用软件系统，因此计算机系统是管理信息系统平台构建的技术基础。计算机系统所涉及的软硬件系统发展非常迅速，在管理信息系统软件开发过程中，需要不断跟踪其发展，充分利用和发挥其性

23、能。第二节 通信和网络一、数据通信技术数据是承载信息的实体，信息是数据的内容和含义。信号（signal）是数据的电磁或电子编码，按其编码机制可分为模拟信号和数字信号。数据通信技术是计算机网络发展的基础，通信的根本目的是传输信息如语言、文字、数码和图像等，而信息往往以具体的数据形式来表现，数据通过介质传送时又必须转换为一定形式的信号，因此通信归结到底是在一定的传输媒体上传送电信号，从而达到传送数据和交换信息的目的。数据通信网络的结构一个数据通信网络结构如3-2图所示。在数据通信网络中信息的发出者称其为信源；信息的接收者称为信宿；发送器对发送信号编码或转换，产生能够传输的光、电信号；接收器将收到的

24、信号转换成信宿设备可以处理的信号；传输系统是连接信源与信宿之间的复杂线路网络。连接信源与信宿的物理和逻辑设备称为信道。图3-2 通信网络结构数据通信方式并行通信和串行通信并行通信方式是将一组数据按数位宽度同时进行传输，每一个数位都要有自己的数据传输线和发送、接收设备。并行通信的传输速率高，但传输设备多，并行通信方式一般用在距离近、传输速率要求高的通信中。串行通信方式是在一根数据传输线上，每次传送一位二进制数据，即数据一位接一位地传送。在传输距离远，传输数字数据的场合，都采用串行传输方式，如计算机网络中。单工通信与双工通信按照数据传输方向及其时间关系可将通信方式分为单工、半双工和全双工三种。在单

25、工通信中，发送设备和接收设备之间只有一个传输通道，数据单方向的从发送端到接收端，传输通道的方向不能改变。在半双工通信中，两个设备之间有两个传输通道，可以轮流双方向地传送，但不能同时进行。在全双工通信中，两个设备之间有两个传输通道，并且可同时双向传送数据，相当于两个相反方向的单工通信的组合。基带传输与频带传输基带传输是指在数字信道直接传输数字信号。当进行远距离通信时，往往将数字数据转换成模拟信号（调制）后传输，在接收端再进行信号的恢复（解调），当调制成频率信号的频率范围在音频范围（200Hz3.4kHz）内时，这种传输方式称为频带传输。其频率范围比音频范围宽时，则称之为宽带传输。同步传输与异步传

26、输在串行通信通讯中，发送与接收方必须以同样的速率在相同的时段内发送和接收数据，否则收发会产生微小误差，微小误差的积累，会导致传输错误，为此要用到同步技术。所谓同步是指接收端要按照发送端所发送的每个数据的起止时间和重复频率来接收数据，即收发双方在时间上必须一致（同步）。数据传输的同步方式有异步传输与同步传输两种。异步传输是以字符为单位的数据传输。每个字符都要附加1位起始位“0”、1位寄偶校验位和l位停止位“1”，以标记一个字符的开始和结束。起始位和停止位结合起来，便可实现字符的同步。同步传输是以数据块为单位的数据传输。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，标记一个数据块的开始和

27、结束，一般还要附加一个校验序列，以便对数据块进行差错控制。数据通信传输介质传输介质分为有线介质和无线介质。有线介质常用的有双绞线、同轴电缆和光纤三种。双绞线是以螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成的。两根线扭在一起是为了减少相互间的辐射电磁干扰。双绞线早就用在电话通信中，用于模拟信号的传输，它也可常用于数字信号的传输。同轴电缆也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按“同轴”形式构成线对。基带同轴电缆用来直接传输数字信号，宽带同轴电缆多用于频分多路复用的模拟信号发送，闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆。光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成。用光纤来传输电信号时

28、，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检波器还原成电信号。无线传输介质是通过大气传输，目前有三种技术：微波、红外线和激光。微波通信是在对流层视线距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式，频率范围为2GHz-40GHz。卫星通信是微波通信的特殊形式，卫星接收来自地面发送站发出的电磁波信号后，再以广播方式用不同的频率发回地面，为地面工作站接收。红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。所不同的是红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，直接在空间传播。调制和解调调制即把数字数据对应的原始电脉冲信号变换成适合于远距离模拟传输线路传输的

29、模拟信号，反之模拟信号还原为数字信号称为解调。调制方法有以下几种：振幅、频率、相位。调幅方式也称为幅移键控法ASK ，它是用固定频率的正弦信号的两种不同幅度来表示二进制数的“1”和“0”。通常对“1”信号，调制器送出一幅度恒定的固定频率的模拟信号；而对于“0”，输出幅度为0的信号。调频方式也称移频键控法FSK，它是用载波信号的两种不同的频率来表示二进制数的“1”和“0”。一般用载波频率附近的两个不同频率表示两个二进制的值。调相方式即移相键控法PSK，它是用载波信号的不同相位来表示二进制数。根据确定相位参考点的不同，调相方式可分为绝对调相和相对调相（或差分调相）。多路复用技术在一条介质上同时传送

30、多路信号的传输方式，叫做介质的多路复用。有频分、时分和波分三种。信道所能传输的信号频率有一定的范围，这一范围称作该信道频带的宽度，即带宽。频分多路复用（FDM）技术应用的基本条件是传输介质的可用带宽必须超过各路给定信号所需带宽的总和。传输介质的带宽划分为若干个窄频带，每一路信号占用一个窄频带的方法称为频分多路复用。时分多路复用TDM应用的基本条件是传输介质能达到的数据传输率应超过各路传输数字信号所需的数据传输率的总和。即将每一条物理信道按时间分成若干时间片，使其每个信号按时间片轮流交替地使用单一信道，这种使多个数字信号在宏观上同时进行传输的方法称为时分多路复用（TDM）。波分多路复用（WDM）

31、用于光纤，允许在一条光纤中同时传送多束互不干扰的不同波长的激光光束。数据交换技术通常采用的数据传送技术有3种：电路交换、报文交换和分组交换。电路交换在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条利用中间节点构成的专用的物理连接线路，在数据传输结束之前，一直保持这条线路。用电路交换技术完成的数据传输要经历如下三个过程：电路建立、数据传输和电路拆除。报文交换不需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文（站点一次发送的数据块），长度不限且可变。传送过程采用存储转发方式，即发送站在发送一个报文时，把目的地址附加在报文上，途经的网络节点在收下整个报文后，暂存这个报文并检查有无错误，然后利用目的

32、地址和路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点，通过逐个节点转送直到目的站点。在某一时间内，报文的传输只占用两个节点之间的一段线路。而在两个通信用户间的其它线路段，可传输其它用户的报文，不像电路交换那样必须端到端信道全部占用。分组交换为了更好地利用信道容量，并降低节点中数据量的突发性，可以使用分组交换。在分组交换网络中，每个分组的长度有一个上限，因此，一个较长的报文必须分成若干个分组，每个分组中包括数据和目的地址。其传输过程与报文交换类似，但由于限制了每个分组的长度，因此大大地改善了网络传输的性能。分组交换可分为虚电路分组交换和数据报分组交换两种。在虚电路方式中，仍然要经历建

33、立虚电路、交换数据和拆除虚电路三个过程。逻辑通路所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，每个分组被称为一个数据报，每个数据报自身带有分组序号和地址信息，传送过程亦采用存储转发方式。当某一个站点要发送报文时，先把报文拆成若干个数据报，依次发送到网络节点。但以后，各个数据报所走的路径就可能不再相同，从而各个数据报的到达也不保证是按顺序的，目的站必须对到达的数据报排序重组。二、计算机网络概述计算机网络的定义美国国防部1971年2月建成了具有15个结点、23台主机的网络，这就是著名的ARPAnet，这是世界上最早出现的计算机网络之一，现代计算机网络的许多

34、概念和方法都来源于ARPAnet。计算机网络定义为：用通信设备和传输介质将地理上分散的、功能独立的计算机连接起来，并在网络通信协议的控制和网络操作系统的管理下实现信息传递和资源共享的系统。计算机网络的组成与结构计算机网络要完成数据处理、资源共享和数据通信的功能，从逻辑功能上可分为资源子网和通信子网两个部分。结构如图3-3所示。资源子网由主计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种资源组成，向用户提供各种网络资源和网络服务，负责整个网络的数据处理业务和各种网络资源的共享服务。通信子网由通信控制处理机（CCP）、通信线路与其他通信设备组成，完成数据的传输、转发、加工和交换等通信处理功能。图3-3

35、 计算机网络结构图计算机网络分类计算机网络的分类标准很多，比如按网络覆盖面积、传输介质、数据传输技术以及数据传输率等，下面介绍两种重要的网络分类标准。按拓扑结构分类将连接在网络上的计算机和互连设备看作一个结点，将设备之间的通信线路看作线，进而以图的形式来表示这些点与线之间的关系，这种抽象方法称为拓扑，图被称为拓扑结构图。计算机网络中常见拓扑结构有总线型、星型、环型、树型和网状型等，如图3-4所示。图3-4 常用网络拓扑结构按网络覆盖范围分类按网络覆盖范围大小可将计算机网络分为局域网（local area network，LAN）、城域网(metropolitan area network，MA

36、N）、广域网(wide area network，WAN)三种。计算机局域网地理分布范围较小（如办公楼群或校园），数据传输速率高，误码率低，协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。计算机网络的硬件组成及互连设备网络硬件主要有网络服务器、工作站、网络连接设备和网络通信介质等。服务器是连在局域网上的一台计算机，为网络用户提供各种网络服务和共享资源。工作站是指用户使用它能够在网络环境中工作，访问网络共享资源的计算机系统，通常又被称为客户机。网络连接设备包括用于网内连接的网络适配器（即网卡，用于计算机处理数据和网线传输信号的转换）、调制解调器（完成数字信号和模拟信号的转换）、中继器（对

37、传输信号进行放大和传输）、集线器（多端口中继器，是共享带宽方式的，其各个端口平均分享带宽）、交换器（又叫交换式集线器，每个端口都具有相同的固定的带宽）、网桥（有两个端口，用于连接不同的网段，可以再生和过滤传输信号，并能识别数据的目的地址）、路由器（用于不同类型网络连接，完成数据格式转换、路由选择从而把数据包按照一条最优的路径发送至目的网络）、网关（协议转换器，主要用于连接不同体系结构的网络或局域网到主机的连接）等。网络通信介质在前面已经提到。网络软件构成网络操作系统(NOS)一个计算机网络拥有丰富的软硬件资源，为了能使网络用户实现通信、共享网络资源，需要对用户通信过程和网络资源进行有效管理，完

38、成这一功能的软件系统称为网络操作系统。常见的网络操作系统有Novell公司的Netware，Microsoft公司的Windows、悠久稳定的Unix和开放源代码的Linux等。网络体系结构和网络通讯协议（protocol）计算机网络中多个互连的节点要交换数据，必须遵守一些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而制定的关于信息顺序、格式和内容的规则、约定与标准被称为网络协议。由于网络通信是一个复杂的过程，网络体系结构多采用分层式结构，每一层关注和解决通信中的某一方面的问题，每一层都具有相对独立的通信功能，以减少问题的复杂性。每一层只使用下一层提供的服务，并向上一层提供服务，而且仅在相邻层间有接口

39、。每层协议都有自己的数据包格式，依据每层之间的数据包组装原则，在源端数据包每向下传送一层，都会添加本层协议的报头，目的端向上传输时则去掉协议的报头，依靠各层功能的逻辑组合，实现从一端主机到另一端主机的通信。常见的分层体系结构模型有OSI、TCP/IP和IEEE802等。开放系统互联参考模型国际标准化组织ISO于1982年制定了一个开放系统互联参考模型OSI/RM，就是常说的网络七层协议。其层次结构和数据传输如图3-5所示。OSI/RM仅是一个概念模型，并不是一个具体的计算机或网络，也未确切描述用于各层的协议和服务。但可使任何两个遵守参考模型和有关标准的主机进行互连以实现相互通信，这正是“开放”

40、这个词表示的含义。OSI/RM低三层面向数据传输，实现通信子网的功能。高三层面向两端具体应用进程，实现资源子网的功能。传输层是整个协议层次结构的中心，它下靠传输服务提供者低三层通信子网的支持，上为传输服务用户高三层资源子网提供从源端机到目的端机的可靠的数据传输服务。每一对等层之间进行对等的通信，对等层的通信必须遵循该层的协议（如两端传输层的通信就要遵守传输层协议），除了最低层物理层间的比特流传输是真实通信外，其它对等层之间的通信都是虚拟通信，都是在各自下一层通信的支持下进行的。图3-5 OSI模型层次和数据传输TCP/IP模型TCP/IP协议的体系结构分为四层，它与OSI模型各层的对应关系如图

41、3-6所示。建立在TCP/IP结构体系上的TCP/IP协议是应用最广泛的协议。TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口层协议，一般各物理网络可以使用自己的数据链路层协议和物理层协议。网际层负责将源主机的分组发送到目的主机上，互联网协议IP和互联网控制报文协议ICMP属于该层。传输层主要功能是提供从一个应用程序到另一个应用程序的通信，即端对端的通信。面向连接的传输控制协议TCP和面向无连接的用户数据报协议UDP属于该层。应用层相当于OSI参考模型高3层的功能，通过使用下面各层所提供的服务，直接向用户提供服务，是TCP/IP网络与用户之间的界面或接口。其最常用的协议有超文本传输协议HTTP、文件传

42、输协议FTP、简单邮件传输协议SMTP、邮局协议POP3、域名服务DNS、远程登录协议Telnet等。图3-6 TCP/IP模型层次结构局域网IEEE802标准（IEEE国际电气和电子工程师协会）局域网一般仅包含OSI参考模型中的低三层通信子网功能。又由于局域网拓扑结构简单，任意两个结点间都有唯一的路由，因此不需要网络层的路由选择功能，所以IEEE802协议中不再设立单独的网络层。传统局域网是共享介质式局域网（如总线型拓扑网络或用集线器连接各个结点的星型拓扑网络），所有结点共享一条公共通信传输介质，在任何一个时间段内，只能有一个结点占用公用通信信道。分配信道的使用权，也就是当信息传输为使用传输

43、介质产生竞争或冲突时，介质访问控制（控制谁先使用传输介质）的问题就是关键。这样将数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC（medium access control），加上物理层构成局域网的三层体系结构。MAC子层的主要功能就是介质访问控制技术，常用的主要有三种：1）载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）：每个站在发送数据前先监听信道，如果空闲，则发送数据；如果忙，就不发送，等待一段时间后再重发。并且为进一步消除冲突，发送数据的站点边发送数据边监听信道，只要监听到发生冲突，就立即停止发送，并发送若干比特的干扰信号。以太网（ethernet）是基于总线型的广播

44、式网络，它是最成功的局域网技术。IEEE802.3即是采用CSMA/CD的10Mbps标准以太网标准，其物理层标准为10BASE-T。在标准以太网技术的基础上，IEEE于1995年通过了100Mbps快速以太网的IEEE802.3u标准，1998年又公布了基于光纤的IEEE802.3z和基于5类双绞线的IEEE802.3ab的1000Mbps高速以太网标准，其MAC子层均沿用了CSMA/CD技术。2002年10Gbps以太网的标准IEEE802.3ae也已公布，实验性网络已在试用。2）令牌环（token ring）介质访问控制技术：用于环型拓扑结构的网络，属于有序的竞争协议。使用一个特殊的标志

45、（令牌），当某个站点有数据要发送时，必须等待标记为空的令牌到来，将令牌的空标记改为忙，并将数据发送到环上。发送的数据在环上循环的过程中，所经过的环上的各个站点都将数据的目的地址与本站点的地址进行比较，若不同则直接传给后面的站点，若相同则将数据复制接收，然后继续传给后面的站点。IEEE802.5标准就采用该技术。3）令牌总线（token bus）访问控制技术：应用于总线拓扑结构网络，访问控制采用与令牌环相似的访问控制方法。该技术令牌的传递不依总线上的物理顺序，而按结点的地址高低形成的逻辑环形顺序。IEEE802.4标准采用令牌总线访问控制技术。除了共享介质式局域网，现在常用的为交换式局域网，核心

46、设备是交换机，其各个端口都与一个结点相连，多个端口之间建立并发式连接而可以独享交换机的带宽，增加了网络带宽。Internet基础InternetInternet是一个全球性的计算机网络，是众多计算机网络互相连接组成的一个大的网络。TCP/IP协议族就是Internet上的常用通讯协议。IP地址和域名系统在Internet上，所有的计算机都有一个Internet上唯一的数字编号作为其在Internet的标识，这个编号称为IP地址。IP地址包含两个重要的标识符：网络地址和主机地址。IP地址用32位二进制数码表示，每8位用圆点分割，常用4个用圆点隔开的十进制数表示IP地址。IP地址分为A、B、C、D

47、、E五类，适用于不同规模的子网。子网掩码也称为屏蔽码，是一个32bit的值，可以用来区分IP地址中网络地址和主机地址。为记忆方便，TCP/IP协议专门设计了一种层次结构的字符型主机命名机制：域名，这种管理机制被称为域名系统（DNS）。Internet上IP地址和域名都是唯一的，域名地址与IP地址之间存在一一对应的关系。TCP/IP协议族它是一组数据传输协议，下面简单介绍这些协议的作用。传输控制协议TCP建立主机间可靠的连接，将数据包按正确的顺序发送，如果数据丢失了，TCP负责自动重传丢失的数据。用户数据报协议UDP在传输前不需建立连接，用于传送一次性数据较小的应用，或对可靠性要求不高的实时语音

48、视频传送。IP数据包是一个独立的信息包，由路由器通过包中的地址信息进行寻址和路由选择以进行数据传输，IP协议是提供这种数据包传输服务的通讯协议。TCP和IP协同工作，IP协议用来给传输信息包编址并将它们以尽可能最佳的路由路径发送到目的地址。而TCP协议负责数据包的正确到达。Internet控制信息协议ICMP负责传送各种信息、错误报告。WWW上每个Web页面由超文本标记语言HTML来编写，页面中包含指向其他页面链接地址，万维网实际上是一个由千千万万个页面组成的信息网。存放Web页面的计算机称为Web站点或WWW服务器。索取页面、浏览信息的程序称为浏览器（browser）。HTTP超文本传输协议

49、就是用来在浏览器和WWW服务器之间传送超文本的协议，HTTP协议由两个部分组成：从浏览器到服务器的请求和从服务器到浏览器的应答。文件传输协议FTP建立在TCP协议上，用于实现文件传输。网络上存在着大量的共享文件，获得这些文件的主要方式就是FTP，可以实现文件的下载download（从远程主机向本地主机复制文件）和上传upload（从本地主机向远程主机复制文件）。若想获取FTP服务器的资源，需要拥有该主机的IP地址（主机域名）、账号、密码。但许多FTP服务器允许用户用匿名用户名anonymous登录，口令任意，一般为电子邮件地址。在Internet上收发电子邮件时常用简单邮件传输协议SMTP和邮

50、局（post office protocol）POP3协议。SMTP是基于TCP协议的简单的基于文本的电子邮件传输协议，用于邮件服务器之间交换邮件的协议。POP3是可以从邮件服务器将邮件下载到本地计算机，在自己的客户端阅读邮件。POP3协议是用于接收邮件的协议，SMTP协议为用于发送邮件的协议。DNS域名系统实现域名和IP地址之间的相互转换。通过域名不能直接找到主机，需要从域名查找IP地址，这个过程就是域名解析。大部分域名系统都维护着一个大型的数据库，它描述了域名与IP地址的对应关系，数据库被定期地更新，DNS即通过查找这个数据库完成域名和IP地址之间的相互转换。远程登录协议Telnet用来将

51、一台计算机连接到远程计算机上，使之相当于远程计算机的一个终端。Telnet实现虚拟或仿真终端的服务，使用户通过TCP连接注册到远地的另一个主机上，将用户的键盘操作传到远地主机，将远地主机的输出通过TCP连接返回到用户屏幕。第三节 数据库和数据仓库一、数据库概述数据库技术的产生在20世纪50年代中期以前没有专门用于数据管理的软件，操作系统出现以后可以通过操作系统管理数据。但是操作系统是以文件为单位进行管理的，文件之间没有联系，很难解决数据在多个文件中重复存储和数据不一致的问题。为此，20世纪60年代后期出现了数据库系统，如图3-7所示。数据库的产生使得信息系统的研制围绕共享的数据库为中心来进行，

52、实现了数据的集中管理，提高了数据的利用率和一致性，从而能更好地为决策服务。图3-7 数据库系统数据与程序的关系数据库系统基本概念主要有数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统四个概念。数据（data）是描述事物的符号记录，是数据库中存贮的基本对象。数据库（database，DB）是长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合。DB能为各种用户共享，具有较小冗余度、数据间联系紧密而又有较高的数据独立性等。数据库管理系统（database management system，DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，它为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、

53、更新及各种数据控制，并能够保证数据的安全性、完整性。数据库系统（database system，DBS）是实现有组织地、动态地存储大量关联数据，方便多用户访问的计算机硬件、软件和数据资源组成的系统，即它是采用数据库技术的计算机系统。一般由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员和用户构成。二、数据库的三级模式在数据模型中有型（type）和值（value）的概念。型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个具体赋值。例如：学生记录的型为（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯），该记录型的一个记录值为（900201，李明，男，计算机，22，江苏）。三级模式数据库系统采用外模式、模式和内模

54、式三级模式结构，如图3-8所示。图3-8 数据库三级模式内模式（internal schema）又叫物理模式、存储模式。内模式是数据在数据库系统的内部表示，即对数据的物理结构/存储方式的描述。模式（schema）又叫逻辑模式、概念模式。模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特性的描述，是所有用户的公共数据视图。DBMS提供数据定义语言DDL来描述逻辑模式，严格定义数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）以及数据间的相互关系和数据的约束等。模式仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。模式的一个具体值称为模式的一个实例。同一个模式可以有很多实例。模式是相对稳定的，而实例是相对变动的。模式反映的是

55、数据的结构及其关系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。数据库中的数据经常变化，而数据库的结构在一定时间范围内不会改变。外模式（external schema）又叫用户模式、子模式。外模式是模式的子集，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。注意一个数据库只有一个模式，一个内模式，但可以有多个外模式。两级映象在三级模式中提供了两级映象，这不仅在三级数据库模式之间建立了联系，也保证了数据库系统的数据独立性。如图3-8所示。外模式/模式映象定义并保证了外模式和模式之间的对应关系。数据库系统投入使用后，可能有必要修改模式（如增加新关系、属性、改变类型），这时可以重新定义外模式/模式映象，而使现存外模式和应

56、用程序保持不变，保证了数据的逻辑独立性。这些映象定义通常包含在各自外模式的描述中。模式/内模式映象定义并保证了模式和内模式之间的对应关系。当内模式发生变化时，重新定义模式/内模式映象，从而使模式和外模式保持不变，建立在外模式上的应用程序也保持不变，保证了数据的物理独立性。该映象定义通常包含在模式描述中。三、数据模型（data model）概述模型是现实世界事物特征的模拟和抽象。如航模飞机是对实际飞机的模拟和抽象，它不是真正的飞机，但又真实的反映了实际飞机的属性和特征。为便于人和计算机都能理解，信息抽象采用逐步抽象的方法，把数据模型分成两个不同的层次：按用户的观点来对现实世界的抽象称为概念模型（

57、也称信息模型）；以计算机系统的观点模拟现实世界的模型叫做数据模型。也就是说，首先按人们的认识观点将现实世界抽象为信息世界的概念模型，然后再通过数据模型将信息世界转换为机器（计算机）世界。数据模型又可进一步细分为逻辑（数据）模型和物理（数据）模型两个分层次。如图3-9所示。图3-9 模型的转换概念模型（conceptual data model，CDM）概念模型就是概念层次的数据模型，简称为概念模型。是现实世界的事物经过人脑的抽象加工，提取出对用户有用的信息，经过组织整理加工形成的。概念模型按用户的观点来对现实世界进行建模，这种建模方法是缺乏计算机知识的用户最容易理解的，并便于和数据库设计人员进

58、行交流，是系统分析员、程序设计员、维护人员、用户之间相互理解的共同语言；概念模型必须转换成逻辑模型，才能在DBMS中实现。逻辑模型（logical data model，LDM）逻辑数据模型是用户通过数据库管理系统看到的现实世界，它描述了数据库数据的整体结构。是具体的DBMS所支持的数据模型，不同的DBMS提供了不同的逻辑数据模型，如层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等。物理模型（physical data model，PDM）物理数据模型用来描述数据的物理存储结构和存储方法，面向具体的DBMS，面向操作系统和机器。PDM不仅与具体的DBMS有关，还与操作系统和硬件有关。每一种逻辑模型

59、在实现时都有其对应的物理模型。DBMS为保证其独立性和可以执行，大部分PDM的实现工作由系统自动完成，而设计者只设计某些特殊结构。也就是说，一般用户看不到物理数据结构，所以无须过多了解。概念模型基本术语首先介绍E-R模型中常用的几个基本术语，利用它们可构造出概念模型。实体、实体型、实体集：实体（entity）是客观存在并能相互区分的事物。实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系。如：人、数据库课程、计算机，正如几何中“点”、“线”一样。关键之处是一个实体能和别的实体区分开，一场足球赛不能严格地定义实体。实体型（entity type）是用实体名及属性名集合来抽象刻画同类实体。实体集

60、（entity set）为同型的实体组成的集合。属性（attribute）、域（domain）、码（key）：属性指实体所具有的某一方面的特性，一个实体可由若干个属性来刻画。属性取值在一定的范围，称为该属性的值域/域。其类型可以是整数型、实数型、字符串型等。唯一标识实体的属性集称为码，也称为实体标识符。联系（relationship）是实体集合之间的相互关系。现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。联系的类型为了建立现实世界的完整模型，常常需要对联系分类，根据一个实体集合的实体可以和多少个另一类实体集合的实体相联系，可将联系分为三种：一对一、一对多

61、、多对多。如果对于实体集E1中的每一个实体，实体集E2中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集E1与实体集E2具有一对一联系。记为1：1，如座位乘客。如果对于实体集E1中的每一个实体，实体集E2中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集E2中的每一个实体，实体集E1中至多只有一个实体与之联系，则称实体集E1与实体E2有一对多联系。记为1：n，如车间工人。如果对于实体集E1中的每一个实体，实体集E2中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集E2中的每一个实体，实体集E1中也有m个实体（m0）与之联系，则称实体集E1与实体E2具有多对多联系。记为m：n，如学生课程。三种联系示意图如图

62、310所示。图3-10 实体联系示意图概念模型的表示方法最常用的概念模型表示方法是实体联系方法，该方法用E-R图来描述某一组织的概念模型。E-R图用矩形方框表示实体集合，方框内标明实体集合名称；用椭圆框表示属性，通过无向边连接到实体集。只有一个属性的实体集可用属性代替，附加到它参加的联系上；如某属性为实体的关键字，用下划线在属性名上标明；用菱形框表示联系，框内标明联系的名称，通过无向边连接到参加联系的每个实体集合；在用无向边连接联系到实体集时，在边上注明1或n（多）来标明联系的类型。若实体之间联系也具有属性，则把属性和菱形代表的实体联系也用无向边连接上。例如，一个学生可选多门课程，而一门课程又

63、有多个学生选修，一个教师至多可讲三门课程，一门课程至多只有一个教师教授，该教学组织的E-R图如图3-11所示。图3-11 教学E-R模型（逻辑）数据模型数据模型三要素逻辑数据模型是数据库系统的核心和基础，常简称为数据模型。逻辑数据模型包含数据结构、数据操作和数据完整性约束三个部分，称为数据模型三要素。数据结构描述数据的静态特征，是指对实体类型和实体间联系的描述。数据操作描述数据的动态特征，是指对数据库中各种数据对象允许执行的操作的集合。数据约束条件是一组数据完整性规则的集合，给出数据及其联系应具有的制约和依赖规则，数据库中的数据必须满足这组规则。常见数据模型数据模型主要有层次模型、网状模型、关

64、系模型、面向对象模型等四种。层次模型（hierarchical model）用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系。记录类型描述的是实体，对应一个节点，字段描述实体的属性。上层节点叫父节点，下层节点叫子节点，同一双亲的节点叫兄弟节点。只有一个节点没有双亲节点，称之为根节点。根以外的其它节点有且只有一个双亲节点。网状模型（network model）用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型。与层次模型一样每个节点表示一个记录类型，每个记录类型可包含若干个字段，节点之间的连线表示记录类型间的联系。关系模型（relational model）用二维表表示实体和实体之间的联系。将面向对象程序设计方法和面向对象数据库技术相结合就产生了面向对象数据库系统。面向对象模型（object-oriented model）将实体视为对象，对象是现实世界中实体的模型化。关系模型和关系数据库关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。关系数据库系统是支持关系模型的数据库系统。例如，表3-2的学生数据表表示了一个学生关系模型。表3-2 学生数据表学号姓名性别系别年龄政治面貌200