第二章計算機系統(tǒng)技術基礎

第二章計算機系統(tǒng)技術基礎第一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機系統(tǒng)的發(fā)展與分類計算機發(fā)展概況微處理器及其主要性能指標計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的發(fā)展趨勢第二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機發(fā)展概況常識：1946年，美國賓夕法尼亞大學的科學家和工程師設計制造了世界上第一臺電子計算機。第三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機發(fā)展歷經的階段第一代電子管計算機（1946~1956）以真空電子管為基礎電子管體積大、能耗高、受命短、產生熱量大，存儲和處理能力極為有限以磁鼓作為內存儲器，以穿孔卡片作為輔助存儲器應用領域為部分科學和工程計算第四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四第二代晶體管計算機（1957~1963）以晶體管為基礎穩(wěn)定性和可靠性有所提高，產生熱量少晶體管制作過程復雜，且費用昂貴每秒鐘可執(zhí)行20萬到30萬條指令在科學領域廣泛應用，并擴展到業(yè)務管理領域第五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四第三代集成電路計算機（1964~1979）以集成電路為基礎速度達到每秒鐘5百萬條指令，高性能促進了操縱系統(tǒng)軟件的應用和開發(fā)計算機的使用更加趨于平民化應用領域和范圍更具廣泛的擴展第六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四第四代大規(guī)模集成電路計算機（1980~現(xiàn)在）大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路為基礎成本降低、體積減小、速度提高、存儲器容量更大、出現(xiàn)了一定的智能特征基于計算機處理器的科技領域不多的擴大，新技術和新興行業(yè)日益出新第七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2.計算機系統(tǒng)的種類和結構按計算機的規(guī)模、速度和性能，可以分為超級計算機、大型機、小型機、微型計算機和工作站六大類。（1）超級計算機超級計算機是一種用于軍事、科學運算、人口普查等要求處理速度快、存儲容量大、功能強大的計算機，但價格也非常昂貴。其運算速度一般都在每秒千萬條指令以上，甚至于可達上億條指令。(2)大型機與小型機大型機的運行速度和處理功能相對超級計算機而言較弱，運行速度一般為每秒三千多萬條指令，是一種大型的多用戶系統(tǒng)。小型機與大型機很相似，只是規(guī)模小些。第八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（3）工作站工作站一般采用RISC芯片，體積較小，可以放在桌面上，但它的處理能力、運行速度、存儲容量和成本介于微型機與小型機之間。（4）微型計算機微型計算機又稱個人計算機（PC）。其體積小，價格便宜，通常只可一個人使用。微型計算機又分為臺式機、便攜式機兩種。網絡計算機是一種用在計算機網絡和Internet環(huán)境中的個人計算機，一般用作網絡環(huán)境中的客戶機，它沒有存儲功能，也不具備典型臺式PC機的功能，所以價格便宜。臺式機、一體機、筆記本、掌上電腦、平板電腦第九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（5）多媒體計算機系統(tǒng)媒體是信息的載體，如數字、聲音、圖像等是不同的媒體。媒體的作用是存儲、表達和傳播信息。多媒體是多種媒體的綜合。例如，將聲音、動畫和數字視頻等媒體綜合在一起便為多媒體。多媒體計算機系統(tǒng)是指將文字、圖形、聲音、動畫和視頻等各種媒體的系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)集成而組成的系統(tǒng)，由計算機系統(tǒng)對多媒體信息進行輸入、存儲、加工和輸出處理。多媒體系統(tǒng)中的關鍵技術是計算機系統(tǒng)綜合處理多種媒體信息的能力。多媒體技術是指能綜合處理多種媒體信息、實現(xiàn)人機交互的技術。在計算機上運用和發(fā)展這種技術，稱為多媒體計算機技術。第十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四3.計算機系統(tǒng)的性能指標

評價計算機性能的指標主要有：運算速度：用每秒鐘能執(zhí)行多少條指令來表示，單位一般用MIPS(百萬條指令/秒)。為了統(tǒng)一標準，現(xiàn)在用各種指令的平均執(zhí)行時間及相對應的指令運行比例來綜合計算。第十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四

內存容量：內存儲器中能存儲信息的總字節(jié)數。計算機內存容量越大，程序運行速度越快，可運行的程序也越多。

第十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四

（5）存取周期：存儲器完成一次讀(取)或寫(存)信息操作所需的時間稱存儲器的存取(或訪問)時間，而連續(xù)兩次讀或寫所需的最短時間，稱存儲器的存取周期(或存儲周期)。存儲器的存取周期越短，計算機的運算速度就越快。

第十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四微處理器及其主要性能指標微處理器定義：運用超大規(guī)模集成電路技術將計算機的運算器、控制器和存儲器等功能部件集成在一塊集成電路芯片上，就形成了微處理器。廣泛使用的通用微處理器芯片：Intel公司的Pentium系列、Motorola公司的PowerPC系列、AMD公司的AMD系列。第十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四微處理器的主要性能指標字長CUP中運算器的二進制位數，微處理器一次能夠運送的二進制數的位數。子長越大，計算機的運算速度越快、運算精度越高。按微處理器子長將計算機稱為8位機、16位機、32位機或64位機。第十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四時鐘頻率也稱為主頻，是衡量內容時鐘推進速度的指標，含義是時鐘在一秒鐘內發(fā)生的周期數，單位是MHz。是確定計算機運行速度的重要因素。第十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四數據總線寬度數據總線是CPU、主存儲器和其他部件之間通信的通道，總線寬度是指在該數據通道上一次能夠傳遞的數據位數?？赏ㄟ^對上述指標的優(yōu)化來提高計算機的性能。第十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四精簡指令集（RISC）計算機進行數據處理的基本指令是固化在處理器芯片上的。RISC是通過對原始的CISC（復雜指令集）進行精簡得到的，以保證絕大多數的處理指令都能夠在一個時鐘周期內執(zhí)行完，提高計算機的運行速度。RISC的出現(xiàn)是對計算機性能提高的一次重大突破。第十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機系統(tǒng)的分類大型計算機（Mainframe）處理方式以批處理為主小型計算機（Minicomputer）交互式的批處理方式工作站（Workstation）微型機（Microcomputer）－PC超級計算機（Supercomputer）第十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2.1計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，如圖2.1所示。第二十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四1.計算機的基本組成計算機硬件是指組成一臺計算機的各種物理裝置，是計算機進行工作的物質基礎。根據馮·諾依曼體系結構，計算機硬件系統(tǒng)一般由五大部分組成，即運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。（1）運算器運算器由邏輯運算單元ALU（ArithmeticLogicUnit）、寄存器和一些控制門電路等組成。算術邏輯運算單元通過算術運算或邏輯運算來進行算術邏輯運算。寄存器用來提供參與運算的操作數，并存放運算的結果。哪些數參與運算，由輸入控制門的條件決定。2.1.1計算機硬件系統(tǒng)第二十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（2）控制器控制器是計算機的核心部件，它的功能是指示程序的執(zhí)行過程，即決定在什么時間根據什么條件做什么事情。微型計算機系統(tǒng)中，把運算器和控制器做在一起，叫做中央處理器(CPU)，各部分之間采用總線方式連接。（3）存儲器存儲器分為兩大類：內存儲器和外存儲器。內存儲器又稱為主存儲器，外存儲器又稱為輔助存儲器。內存是CPU可直接訪問的存儲器，是計算機中的工作存儲器，可以分為兩大類：隨機存取器RAM和只讀存儲器ROM第二十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（4）輸入設備常用的輸入設備有：鼠標、鍵盤、掃描儀、數字化儀、攝像機、條形碼閱讀器、筆輸入設備、數碼相機、傳真機、A/D轉換器等，從信息的輸入輸出角度來說，磁盤驅動器和磁帶機既可以看作輸入設備，又可以看作輸出設備。（5）輸出設備最常用的輸出設備有：顯示器、打印機、繪圖儀、X-Y記錄儀、各種數模轉換器（D/A）等第二十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2.1.2計算機軟件系統(tǒng)1．計算機軟件的概念和分類一般從應用的角度出發(fā)，將軟件劃分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類，如圖2.2所示第二十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四

分類：系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件：用來管理計算機中CPU、存儲器、通信聯(lián)結及各種外部設備等所有系統(tǒng)資源的程序，主要作用是管理和控制計算機系統(tǒng)的各個部分，使之協(xié)調運行，并為各種數據處理提供基礎功能。應用軟件：用來完成用戶所要求的數據處理任務或實現(xiàn)用戶特定功能的程序。第二十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四操作系統(tǒng)（OperationSystem）操作系統(tǒng)是計算機最基本的軟件。操作系統(tǒng)的基本功能：是分配和調度計算機內部的各種資源，安排和執(zhí)行數據處理的基本操作，監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行。第二十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四操作系統(tǒng)中的幾個基本概念多道程序運行多個程序同時共享計算機的資源。允許程序在不占用系統(tǒng)相同資源的情況之下多個程序同時運行。提高了計算機設備的利用率。第二十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四多任務操作在單用戶操作系統(tǒng)上實現(xiàn)多道程序運行方式。多個任務同時執(zhí)行，處理結果可同時顯示。第二十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四虛擬存儲利用對應用程序進行分片的方式實現(xiàn)程序的存儲，使程序能夠及時的調入到CPU中進行處理。提高了存儲器的利用效率，執(zhí)行程序的大小也可以不受主存儲器容量的限制，使得中小型的計算機的適應能力更強。第二十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四分時處理使多個用戶共享計算機處理能力的一種有效的手段。利用對CPU分片的方式賴實現(xiàn)同時對多個程序進行處理的操作。第三十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四并行處理操作系統(tǒng)支持計算機中的多個CPU并行聯(lián)合工作，能夠將程序所要求的處理分解在多個CPU上同時進行，每個CPU執(zhí)行程序的一部分指令。第三十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四

常識在管理信息系統(tǒng)中應用最為廣泛的主要有微型機磁盤操作系統(tǒng)DOS、基于圖形用戶界面的Windows系統(tǒng)以及多用戶、多任務操作系統(tǒng)Unix等。第三十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2.1.3操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，它負責控制和管理計算機系統(tǒng)的各種硬件和軟件資源，合理地組織計算機系統(tǒng)的工作流程，提供用戶與操作系統(tǒng)之間的軟件接口。1.操作系統(tǒng)的功能（1）進程管理（即處理機管理）：在多用戶、多任務的環(huán)境下，主要解決對CPU進行資源的分配調度，有效地組織多個作業(yè)同時運行。（2）存儲管理：主要是管理內存資源，合理地為程序的運行分配內存空間。第三十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（3）文件管理：有效地支持文件的存儲、檢索和修改等操作，解決文件的共享、保密與保護。（4）設備管理：負責外部設備的分配、啟動和故障處理，讓用戶方便地使用外設。（5）作業(yè)管理：提供使用系統(tǒng)的良好環(huán)境，使用戶能有效地組織自己的工作流程。第三十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2.操作系統(tǒng)的分類通常按照操作系統(tǒng)的使用環(huán)境，可將其分為三大類：多道批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)。（1）多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)實質上是“多道程序”和“批處理”的結合?！叭蝿铡被颉白鳂I(yè)”是指用戶一次上機要求計算機系統(tǒng)完成的工作的總稱；“多道程序”是指在計算機內存中同時可以存放若干道作業(yè)，允許交替地由處理機運行；“批處理”是指用戶與作業(yè)之間沒有交互作用，用戶不能直接控制作業(yè)的運行，即一批經過合理組織的作業(yè)一旦提交給計算機系統(tǒng)，其執(zhí)行將由計算機系統(tǒng)控制。第三十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（2）分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)是一種多用戶操作系統(tǒng)，它是將中央處理機（CPU）的處理時間進行分割，即把工作時間分割成一個個時間片，每個用戶輪流使用時間片。一臺計算機為一組終端用戶服務，每個用戶通過終端控制程序的運行。由于時間分割得很小，每個用戶感覺不到時間上的差別，如同自己在獨占一臺計算機一樣。（3）實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)是指要求系統(tǒng)及時響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成該事件的處理并控制所有實時設備和實時任務協(xié)調一致的運行。實時系統(tǒng)包括實時過程控制和實時信息處理兩種，前者主要應用于工業(yè)生產的過程控制，而后者主要應用于信息處理系統(tǒng)，如查詢與定票系統(tǒng)。第三十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四3.常用操作系統(tǒng)簡介（1）WindowsWindows以其靈活方便的窗口操作、彈出式菜單以及命令對話框，為用戶使用計算機提供了便利，并為人們廣泛接受，它從1990年由Microsoft公司推出Windows3.0，先后進行了多次改進，產生了多個版本。如Windows3.1、Windows3.2、Windows95、Windows98、WindowsNT及Windows2000，其中Windows95以上版本提供了網絡功能。Windows主要具有一下特點：友好、方便的人機界面；功能強大的應用軟件工具；多任務并行處理功能等。第三十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（2）UNIXUNIX操作系統(tǒng)是一個通用的、交互式的分時系統(tǒng)，適用于小型機和微型機。它由美國貝爾實驗室于1969年研制，其特點是結構緊湊、功能強大、使用方便、易于擴充、修改、維護和移植。它主要由兩部分組成：內核和外殼（shell語言）。其內核部分負責進程管理、文件管理、存儲管理、設備管理等，而shell語言是用來控制、使用內核以及語言處理程序和軟件工具。（3）LinuxLinux是目前最流行的操作系統(tǒng)之一，是UNIX的PC版。它從1991年由芬蘭人LinuxTorvalds創(chuàng)建至今，發(fā)展迅速。它具有占用空間小、高效、健壯和功能強大等特性，特別是可以免費使用俄源代碼開放，為用戶廣泛接受。其中的RedHatLinux版是一個杰出的代表，它在Linux的基礎上開放了許多優(yōu)秀的工具和軟件，并提供了對最新軟硬件技術的支持。第三十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2.程序設計語言一組用來定義計算機程序的語法規(guī)則，標準化交流工具，用來向計算機發(fā)出指令。與計算機溝通的平臺或者工具。程序設計語言一般分為機器語言、匯編語言和高級語言、4GL、面向對象的編程語言、標識語言。（1）機器語言:計算機可以直接執(zhí)行的二進制代碼表示指令機器語言是最底層的面向機器硬件的計算機語言，是由0和1組成的二進制代碼序列。機器語言程序執(zhí)行的速度快，效率高;缺點是指令代碼記憶困難，編寫和閱讀程序的難度大,通用性和可移植性較差.第三十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四

（2）匯編語言將二進制形式的機器指令代碼序列用符號（或稱助記符）來表示的計算機語言成為匯編語言。用匯編語言編寫的程序（稱匯編語言源程序）計算機不能直接執(zhí)行，必須由機器中配置的匯編程序將其翻譯成機器語言目標程序后，計算機才能執(zhí)行。將匯編語言源程序翻譯成機器語言目標程序的過程稱為匯編。機器語言與匯編語言均與計算機硬件相關。（3）高級語言機器語言和匯編語言都是面向機器的語言，而高級語言則是面向問題的語言。高級語言與具體的計算機硬件無關，其表達方式接近于人們對求解過程或問題的描述方法，容易理解、掌握和記憶。用高級語言編寫的程序通用性和可移植性較好。

面向過程，只關注編寫程序的方法（Basic，F(xiàn)ORTRAN，C）第四十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四第四代語言類似于自然語言的交互方式描述用戶信息的處理要求，編寫的語言是非過程化的。此階段開發(fā)工具往往包括一些可直接使用的軟件包。SQL宏語言面向對象的程序語言對象封裝了數據以及對數據的操作C++Java標記語言

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第四十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四系統(tǒng)開發(fā)工具：在高級程序設計語言的基礎上，提高軟件開發(fā)的質量和效率，從規(guī)劃、分析、設計、測試、成文和管理各方面，對軟件開發(fā)者提供各種不同程度的幫助的一類廣泛的軟件。1.軟件技術進一步發(fā)展的產物；2.開發(fā)軟件過程中給予不同方面同程度的支持或者幫助；3.支持軟件開發(fā)全過程PowerBuilder、VB、Delphi、InterDev、DreamWeaver、ASP、CASE等。第四十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四第四十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四中間件中間件（middleware）是分布式環(huán)境中保證操作系統(tǒng)、通信協(xié)議、數據庫等之間進行對話、互操作的軟件系統(tǒng)。中間件是一種支持完成不同的硬件平臺、不同的網絡環(huán)境、不同的數據庫之間的應用軟件移植，可以實現(xiàn)一個平臺對多種應用軟件的支持，保證系統(tǒng)的可靠高效的數據轉換和傳遞的協(xié)同性的軟件技術，解決了網絡分布計算環(huán)境中多種異構數據資源的互聯(lián)共享的問題第四十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四什么是平臺由于中間件需要屏蔽分布環(huán)境中異構的操作系統(tǒng)和網絡協(xié)議，它必須能夠提供分布環(huán)境下的通訊服務，我們將這種通訊服務稱之為平臺。第四十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四平臺的分類基于目的和實現(xiàn)機制的不同，我們將平臺分為以下主要幾類：遠程過程調用中間件（RemoteProcedureCall）面向消息的中間件（MesSAge-OrientedMiddleware）第四十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四遠程過程調用（一）遠程過程調用是一種廣泛使用的分布式應用程序處理方法。一個應用程序使用RPC來“遠程”執(zhí)行一個位于不同地址空間里的過程，并且從效果上看和執(zhí)行本地調用相同。事實上，一個RPC應用分為兩個部分：server和Client。server提供一個或多個遠程過程；client向server發(fā)出遠程調用。server和client可以位于同一臺計算機，也可以位于不同的計算機，甚至運行在不同的操作系統(tǒng)之上。它們通過網絡進行通訊。相應的stub和運行支持提供數據轉換和通訊服務，從而屏蔽不同的操作系統(tǒng)和網絡協(xié)議。在這里RPC通訊是同步的。采用線程可以進行異步調用。第四十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四面向消息的中間件（一）MOM指的是利用高效可靠的消息傳遞機制進行平臺無關的數據交流，并基于數據通信來進行分布式系統(tǒng)的集成。通過提供消息傳遞和消息排隊模型，它可在分布環(huán)境下擴展進程間的通信，并支持多通訊協(xié)議、語言、應用程序、硬件和軟件平臺。目前流行的MOM中間件產品有IBM的MQSeries、BEA的MessageQ等。主要特點：

通訊程序可在不同的時間運行程序不在網絡上直接相互通話，而是間接地將消息放入消息隊列，因為程序間沒有直接的聯(lián)系。所以它們不必同時運行。消息放入適當的隊列時，目標程序甚至根本不需要正在運行；即使目標程序在運行，也不意味著要立即處理該消息。第四十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機系統(tǒng)發(fā)展的趨勢1.高性能計算機2.量子計算機3.網絡計算技術（大型化，網絡化，技術融合）4.微計算機的發(fā)展（CPU，內存，存儲技術）計算機軟件系統(tǒng)的發(fā)展趨勢資源共享、人機交互，服務的協(xié)同與動態(tài)性，中間件等；軟件開發(fā)工具第四十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機網絡是一個復合系統(tǒng)，它是由若干地理上分散的、具有獨立功能的計算機系統(tǒng)通過各種通信手段相互連接起來，按照網絡協(xié)議進行數據通信，以實現(xiàn)相互通信、資源共享或協(xié)同工作而形成的計算機系統(tǒng)集合計算機網絡技術地理上分散的具有獨立功能的通過通信系統(tǒng)連接起來的以實現(xiàn)信息交換、資源共享、協(xié)同工作為目的第五十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四第五十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（1）資源子網資源子網由主計算機系統(tǒng)、終端、終端控制器、聯(lián)網外設、各種軟件資源組成。①主計算機（Host）主計算機為本地用戶訪問網絡其他主計算機設備、共享資源提供服務，同時為網中其他用戶共享本地資源提供服務。它是資源子網的主要組成單元，通過高速通信線路與通信子網的通信控制處理機相連。②終端終端是用戶訪問網絡的界面。終端可以是僅具有簡單輸入和輸出功能的啞終端，也可以是帶有微處理器的智能終端。它可以通過主機連入網中，也可以直接同通信控制處理機聯(lián)結入網中。第五十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四（2）通信子網通信子網由網絡通信控制處理機、通信線路與其他通信設備組成，完成全網的通信管理與控制。①通信控制處理機通信控制處理機CCP（communicationcontrolprocessor）又稱前端處理機或節(jié)點處理機，在網絡拓撲中被稱為網絡結點。其主要功能是：●網絡接口：實現(xiàn)資源子網和通信子網的接口協(xié)議，接收/發(fā)送用戶信息?！翊鎯?轉發(fā)：實現(xiàn)對報文分組的接收、校驗、存儲、轉發(fā)功能?！窬W絡控制：對進網信息提供路徑選擇、網絡流量控制等功能。第五十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四②通信線路通信線路為通信控制處理機之間、通信控制處理機與主計算機之間提供通信信道。它可以是同軸電纜、光纖等有線線路，也可以是微波、無線信道和衛(wèi)星信道等。第五十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2、計算機網絡的典型分類1）按網絡覆蓋范圍分類局域網LAN（LocalAreaNetwork）城域網MAN（MetropolitanAreaNetwork）廣域網WAN（WideAreaNetwork）第五十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2、計算機網絡的典型分類2）按拓撲結構分類計算機網絡的拓撲結構表示網絡中的結點與通信線路之間的幾何關系，反映網絡中各實體間的結構關系。

第五十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2.計算機網絡的功能計算機網絡的主要功能如下。（1）資源共享（2）分布式處理（3）信息的快速傳輸與集中處理（4）網絡用戶的通信與合作（5）綜合信息服務第五十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四二、遠程通信（telecommunications)基礎1、遠程通信系統(tǒng)遠程通信：以電子方式傳送信號遠程通信系統(tǒng)：兼容硬件和軟件的集合，以完成一地到另一地的信息通信。遠程通信系統(tǒng)的重要組成部分：（1）終端（2）遠程通信處理器（3）遠程通信通道和介質(communicationschannels)（4）計算機（5）通信軟件第五十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四數據通信(datacommunication)：是遠程通信的一個特殊子集，將地理位置不同的計算機或者終端設備連接，高效完成數據傳輸、信息交換、數據處理任務。計算機A通信處理機數據信號轉換器通信處理機數據信號轉換器計算機B數據通信系統(tǒng)簡化模型第五十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四2、數據通信的主要性能傳輸速率單位：bit/s帶寬(bandwidth)：能夠傳送信號的頻率寬度音頻帶寬：300-9600bps中頻帶寬：9600-256000bps寬帶：256000-1000000bps在一個給定的介質上可同時傳送信號的頻率范圍，介質的容量誤碼率被傳錯的二進制碼數與所傳送二進制總碼數的比值一般要求低于10E-06第六十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四3、通信傳輸介質雙絞線無屏蔽雙絞線（UTPunshieldedtwistedpair)屏蔽雙絞線同軸電纜coxialcable基帶同軸電纜50寬帶同軸電纜75光導纖維（fiberopticcable）微波蜂窩傳輸紅外線傳輸第六十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四圖3.3網絡傳輸媒體第六十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四第六十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四3、網絡的拓撲結構（topologies）定義：表示網絡中的結點與通信線路之間的幾何關系，反映網絡中各實體間的結構關系。含義一：研究網絡上各個點的物理布局的含義二：描述網絡如何構造或配置的邏輯模型含義三：局域網中不同結點的連接方式分類：星型環(huán)型總線型混合型第六十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四星形拓撲（路由選擇、存儲轉發(fā)、主從、集中監(jiān)控）結構簡單、延遲小、易于擴充可靠性差、線路使用效率不高交換機第六十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四環(huán)形拓撲（首尾相連、地位均等、定向流動）管理簡單，通信線路節(jié)省可靠性差，節(jié)點多則造成效率低，延遲大小型局域網第六十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四總線拓撲（廣播式發(fā)送、網絡管理負擔輕）節(jié)點增刪方便，便于調整擴充，線路少，布線容易，可靠性高，相應快，共享能力強故障排除困難第六十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四混合型適應性強，能滿足特殊要求光纖/同軸電纜第六十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四程序開發(fā)語言計算機發(fā)展的趨勢計算機網絡（定義、結構、類型、功能）數據通訊網絡拓撲結構網絡體系結構與協(xié)議第六十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四社會上存在的郵政系統(tǒng)二、計算機網絡體系結構第七十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機網絡的種類很多，分類方法也多種多樣。按拓撲結構：集中式、發(fā)散式、分布式使用對象：公用網和專用網網絡交換：電路交換、報文交換、分組交換、混合交換通信方式：點對點、廣播網絡使用目的：共享網、處理網、傳輸網企業(yè)和公司的管理范圍：內聯(lián)網、外聯(lián)網、互聯(lián)網按網絡的覆蓋的地理范圍：局域網、廣域網、城域網第七十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四局域網的組成傳輸介質網絡連接設備網卡（網絡適配器）集線器(HUB)：接收信號再整形放大，以擴大傳輸距離，同時把所有節(jié)點集中調制解調器(Modem)：使數字數據能在模擬信號傳輸線上傳輸的轉換接口中繼器(Repeater)：通過對數據信號的重新發(fā)送或者轉發(fā)，來擴大網絡傳輸的舉例網橋(Bridge)：網橋是一種對幀進行轉發(fā)的技術，根據MAC分區(qū)塊，可隔離碰撞。交換器（Switcher)：每個port都享有一個專屬的頻寬：所能傳輸的資料量較大路由器(Router)：根據信道情況自動選擇設定路由，以最佳路徑，按前后順序發(fā)送信號網絡服務器共享資源的存取與訪問通信處理、快速訪問、安全容錯用戶工作站：網絡通信，數據處理網絡軟件：網絡協(xié)議軟件、通信軟件、網絡操作系統(tǒng)第七十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四5、計算機廣域網WAN（WideAreaNetwork）連接地理位置較遠的計算機連接分散于各地的局域網廣域網絡技術有：數字程控交換機分組公共交換數據網綜合業(yè)務數字網ISDN第七十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四問題:異質環(huán)境中任意兩臺計算機之間如何通信?二、計算機網絡體系結構問題:異質環(huán)境中任意兩人如何通過郵政信件通信?第七十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四社會上存在的郵政系統(tǒng)二、計算機網絡體系結構在發(fā)信地---歷經了發(fā)送用戶發(fā)信地郵局發(fā)信地運輸部門的過程；在收信地---歷經了從收信地運輸部門收信地郵局接收用戶的過程（順序相反）。第七十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四理解協(xié)議的分層理解“分而治之”的思想[※]A，B兩人借助郵局進行郵件通信，可以從三個層次來實現(xiàn)該任務。信件內容貨物地址郵政局郵件地址運輸系統(tǒng)發(fā)信人收信人郵政局運輸系統(tǒng)信件內容郵件地址貨物地址對信件內容的共識對信件如何傳遞的共識對貨物如何運輸的共識P3P2P1公路、鐵路、航空第七十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四理解協(xié)議的分層在信件的傳遞過程中，共涉及三個層次：用戶、郵局和傳輸部門。每一層都完成自己的任務，同時高層使用低層的服務。A使用郵局的郵遞服務，郵局使用鐵路部門的運輸服務，最終信到了B手中。要解決網絡通信中諸多復雜問題，需要制定一系列的網絡協(xié)議。這些協(xié)議也是采用分層的結構，每層協(xié)議實現(xiàn)特定功能，同時也需要依靠低層協(xié)議所提供的服務。第七十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四協(xié)議（protocol）

我們每做一件事都必須遵循一種事先規(guī)定好的規(guī)則與約定接口（interface）

接口是同一結點內相鄰層之間交換信息的連接點,低層向高層通過接口提供服務。層次（layer）層次是人們對復雜問題處理的基本方法,它解決的方法是：將總體要實現(xiàn)的很多功能分配在不同的層次中，每個層次要完成的服務及服務實現(xiàn)的過程都有明確規(guī)定；不同地區(qū)的系統(tǒng)分成相同的層次；不同系統(tǒng)的同等層具有相同的功能；高層使用低層提供的服務時，并不需要知道低層服務的具體實現(xiàn)方法。體系結構（architecture）我們將網絡層次結構模型與各層協(xié)議的集合定義為計算機網絡體系結構第七十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四二、計算機網絡體系結構國際標準化組織ISO發(fā)布了網絡互連的七層框架，即開放系統(tǒng)互連(OSI，OpenSystemInterconnection)參考模型第七十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四OSI環(huán)境中的數據傳輸過程數據從發(fā)送方的最高層一層一層地往下送至最低層，再通過物理信道將數據傳送到對方的最下層。在接收方順序則相反,如圖所示。第八十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四OSI參考模型應用層：實現(xiàn)具體的應用。如網頁瀏覽、文件傳輸、發(fā)送電子郵件。表示層：應用層交給表示層的數據可以是字符、數字或其他的形式，不同的計算機系統(tǒng)會使用不同的編碼規(guī)則，這樣同一個字符在兩個計算機里會有兩種表示方法。在通信時，需要按照雙方商定的方式對字符進行編碼，即對應用層的數據進行格式轉換。表示層還承擔對應用層數據的壓縮、解壓縮，加密，解密的任務。第八十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四OSI參考模型會話層：管理會話過程，包括會話的建立、維持和結束。網絡里面的一次通話過程（例如一次遠程登錄，一次文件的傳輸）稱為會話。會話層協(xié)議要約定的內容包括：如何開始會話；雙方如何交互數據，是輪流發(fā)送數據還是同時發(fā)送數據；會話中斷后如何恢復；會話如何結束等。第八十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四OSI參考模型運輸層：為兩個通信進程之間提供端到端的通信服務。這里的“端”指的是信息傳輸的兩個端點，即正在通信的兩個應用進程。在兩個端點之間包括多個其它結點。運輸層要為用戶進程提供可靠的端的通信服務，比如負責檢測數據是否丟失、出錯并負責糾正這些錯誤。運輸層還要負責流量控制的工作。第八十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四OSI參考模型網絡層：為分組選路。發(fā)送方和接收方之間會間隔其他的網絡，網絡層的作用就是為分組找到一條合適的路徑。網絡層還要能夠檢測到擁塞并采取措施解決擁塞。擁塞：如果在通信中數據過多，造成分組交換機來不及處理而丟失數據的現(xiàn)象，稱為擁塞。第八十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四OSI參考模型數據鏈路層：在相鄰的結點間傳輸數據幀。相鄰的結點指的是這兩個點之間存在具體的物理鏈路。數據鏈路層也要解決數據丟失、出錯和流量控制問題。物理層：是體系結構中的最底層，直接和物理鏈路打交道。它的任務是0，1比特流從物理鏈路的一端發(fā)送到另一端。具體有如何表示0，1比特；比特之間的間隔是多少；如何開始通信和終止通信；通信接口有多少個針以及每個針的用途的。第八十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四OSI環(huán)境中的數據傳輸過程第八十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四●發(fā)送方逐層封裝。發(fā)送方至上而下，每一層為了實現(xiàn)本層的功能都要附加相應的控制信息，再把這種協(xié)議數據交給它的下一層，稱為數據封裝?！窠邮辗街饘硬鸱狻＝邮辗皆谧韵露?，每一層都要卸下在發(fā)送方對等層所加上的那些控制信息，稱為數據拆封。第八十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四4、計算機局域網LAN（LocalAreaNetwork)小范圍終端高速線路三大應用覆蓋范圍比較小通信速率比較高適合于一個部門內部的數據管理成本低，便于安裝和維護介質訪問控制方式（“交通規(guī)則”）CSMA/CD方式帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問(carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection)令牌訪問控制方式FDDI光纖介質訪問控制方式第八十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四TCP/IP模型第八十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四TCP/IP參考模型與OSI參考模型的對應關系

第九十頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四TCP/IP參考模型（TCP/IPreferencemodel）最初定義，1974年核心協(xié)議網際協(xié)議IP(internetprotocol)尋址路由數據包傳輸控制協(xié)議TCP（transmissioncontrolprotocol）用戶數據報協(xié)議UDP第九十一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四TCP/IP協(xié)議群中編址網絡可以識別兩類地址:邏輯地址：IP地址，唯一地標識Internet上的計算機物理地址(MAC)IP地址：由4個字節(jié)（32位）組成，可以用4個十進制數字表達，每個數字可取值0～255，數字間用“.”隔開（如：85）IP地址分為A、B、C三類。第九十二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四A類地址A類0128162431網絡號主機號0A類地址（126個），第一個數字表示網絡地址，后三個數字表示網絡內部主機地址，網內最多可連2563（1677216）臺主機~55第九十三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四網絡號主機號1B類00128162431B類地址B類地址（16382個），前二個數字表示網絡地址，后二個數字表示網絡內部主機地址，網內最多可連2562（65536）

臺主機~54第九十四頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四網絡號主機號1C類010128162431C類地址C類地址（2097152個），前三個數字表示網絡地址，最后一個數字表示網絡內部主機地址，網內最多可連254

臺主機~55第九十五頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四IPv6與IPv4IPv4：4字節(jié)，共40億個地址我國900萬個全球地址美國斯坦福大學1700萬個全球地址一半地址分配給126個A類地址（1600萬個節(jié)點）C類網絡地址，最多只能處理254個節(jié)點IPv6：16字節(jié)可用地址量比IPv4擴展了，地球上每平方米可使用個IP地址第九十六頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四域名

由于用數字難于記憶，為便于解釋機器的IP地址，人們又采用英文符號來表示IP地址，這就產生了域名系統(tǒng)（DNS－DomainNameSystem），并按地理和機構類別來分層。每個域名也由幾部分組成，每部分稱之為域，域與域之間用圓點（.）隔開，最末的一組叫域根，前面的叫子域。

它的格式一般是：主機名.單位名.類型名.國家或地區(qū)代碼例如北京大學的域名為：。其中，最高域名為cn（表示中國），次高域名為edu（表示教育機構），單位名為pku，主機名為www（這里是用服務器表示主機名）。域名與IP地址是一一對應的，例如：網站名域名地址IP地址新浪10搜狐百度第九十七頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四計算機體系結構單機結構主從結構文件服務器/工作站結構客戶機/服務器（C/S）結構瀏覽器/服務器（B/S）結構第九十八頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四單機結構如果在一個系統(tǒng)內的多臺計算機是各自獨立使用的，這樣的系統(tǒng)就是單機結構的系統(tǒng)。單機系統(tǒng)中的計算機處于各自為政的孤立狀態(tài)，各自運行一套系統(tǒng)軟件、應用軟件和業(yè)務數據，計算機之間不能進行通信和資源共享，系統(tǒng)靠磁盤備份完成兩機之間的數據傳輸。單機結構不能直接交流信息，不能共享資源，效率低、實時性差、手段落后。但單機系統(tǒng)具有天生的安全性和易操作性。第九十九頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四主從結構

主從結構又稱主機—終端結構，它有一臺大型主機，可以同時在本地或遠程掛接多個終端，主機對各終端用戶傳來的數據進行分時處理，使每個終端用戶感覺像擁有一臺自己的大型計算機一樣。用戶借助終端訪問計算機，終端只是一種數據輸入輸出（I/O）設備，沒有CPU和存儲器，沒有處理能力，只負責將用戶鍵盤輸入的信息傳到主機，然后顯示由主機返回的處理結果。第一百頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四主機Host終端(Terminal)特點：集中存儲、集中處理終端發(fā)出請求、顯示結果第一百零一頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四文件服務器/工作站結構在文件服務器/工作站系統(tǒng)中，一個組織的多個工作站與一臺服務器互相連接起來。使用微機作為工作站，以高性能微機或小型機作為服務器。數據庫管理系統(tǒng)安裝在文件服務器上，而數據處理和應用程序分布在工作站上，文件服務器僅提供對數據的共享訪問和文件管理,沒有協(xié)同處理能力。文件服務器管理著網絡文件系統(tǒng)，提供網絡共享打印服務,處理工作站之間的各種通信，響應工作站上的網絡請求。工作站上運行網絡應用程序時，先將文件服務器上的程序和數據調人本機內存之中，運行后在本機上輸出或在打印機上輸出。文件服務器的處理方式會增加網絡線路的傳輸負荷，降低傳輸的效率和響應時間，很容易造成網絡阻塞。第一百零二頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四文件/服務器結構（File/Server）文件服務器工作站取數據存數據特點：

集中存儲，分散處理第一百零三頁，共一百一十五頁，編輯于2023年，星期四客戶機/服務器（C/S）結構在客戶機/服務器結構中,網絡系統(tǒng)上的計算機系統(tǒng)分成客戶機與服務器兩類,其中服務器可能包括文件服務器、數據庫服務器、打印服務器、專用服務器等，網絡系統(tǒng)結點上的其他計算機系統(tǒng)稱為客戶機。用戶通過客戶機在網絡系統(tǒng)上向服務器提出服務請求，服務器根據請求向有關方面提供經過加工的信息。這種結構不同于多用戶聯(lián)機系統(tǒng)和傳統(tǒng)文件