第4章 互联网

4.2　Internet 100
4.2.1　TCP/IP 101
4.2.2　TCP/IP应用 106
4.2.3　网络操作系统的功能 112
4.2.4　网络安全的概念 116

4.3　计算机软件编程基础 118
4.3.1　数据库系统的基本概念 118
4.3.2　程序设计语言的基本概念 122
4.3.3　软件工程的基本概念 124

4.4　互联网应用技术 126
4.4.1　云计算技术 126
4.4.2　大数据技术 129
4.4.3　物联网技术 130

互联网（Internet）是指通过TCP/IP将世界各地的网络连接起来实现资源共享，提供各种应用服务的全球性计算机网络。

计算机网络基础

计算机网络是将若干台具有独立功能的计算机通过通信设备及传输媒体互连起来，在操作系统和网络协议等软件等支持下，实现计算机之间信息传输与交换的功能。

计算机网络的主要功能：

1⃣️资源共享：包括计算机资源共享以及通信资源共享。计算机资源主要指计算机的硬件、软件和数据信息共享。

2⃣️数据传输：计算机网络提供网络用户之间、各个处理器之间以及用户与处理器之间的通信，这是资源共享的基础。

3⃣️除了上述功能之外，计算机网络还可以实现集中管理、分布式处理和负载均衡等其他功能。

计算机网络的组成：

1⃣️资源子网。负责全网的数据处理，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。资源子网由用户的主机和终端组成，主机通过高速通信线路与通信子网的路由器相连接。

2⃣️通信子网。完成网络的数据传输、转发等通信处理任务。通信子网包含传输线路、网络设备和网络控制中心等硬、软件设施，电信部门提供的网络（如X.25网、DDN、帧中继网等）一般都属于通信子网。通信子网与具体的网络应用无关。

计算机网络的体系结构：

基本思想——采用分层次的设计方法，使其达到在相互通信的两个计算机之间高度协调工作的目的。

网络体系结构规定了同层进程通信的协议，以及相邻层之间的接口及服务。

网络体系结构=（分层、协议、接口）

网络体系结构分层原则：各层功能明确、接口清晰简洁、层次数量适中。

开放系统互连参考模型（OSI/RM）定义了一个7层模型，用以进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定。

1⃣️物理层。是数据终端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）之间的接口。物理层定义了建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。其目的是在物理介质上传输原始的数据比特流。

2⃣️数据链路层。使用物理层提供的服务，建立通信联系，将比特流组织成名为帧的协议数据单元进行传输。

3⃣️网络层。实现网络互连，主要功能是路由选择和拥塞控制。

4⃣️传输层。是分层结构体系高低层之间的接口。主要采用的技术手段有分流技术、复用技术、差错检测与恢复、流量控制等。

5⃣️会话层。是进程间的通信协议，主要功能是组织和同步不同主机上各种进程间的通信；负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。

6⃣️表示层。执行协议转换、数据翻译、压缩与加密、字符转换以及图形命令的解释功能。

7⃣️应用层。提供文件服务、数据库服务、电子邮件及其他网络软件服务。

局域网的基本原理

计算机网络可以根据网络覆盖的范围划分为局域网、城域网和广域网。

局域网指在较小区域范围内由各种计算机和数据通信设备互连在一起形成的计算机通信网络。

局域网的组成：计算机（包括个人计算机和服务器）、传输介质、网络适配器（网卡）、网络操作系统。

局域网的特点：

1⃣️网络覆盖范围小，适合于校园、机关、公司、企业等机构和组织内部使用。

2⃣️数据传输速率较高，一般为10Mbps～100Mbps，光纤高速网可达10Gbps。

3⃣️传输质量好，误码率低。

4⃣️介质访问控制方法相对简单。

5⃣️软、硬件设施及协议方面有所简化。

6⃣️有相对规则的拓扑结构。

局域网的拓扑结构：指连接网络设备的传输介质的铺设形式。局域网的拓扑结构主要有星形、总线型、环形和混合型。

局域网参考模型：包含了OSI/RM中物理层和数据链路层的功能。在局域网标准中，数据链路层被进一步划分成两个子层：介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层，其目的是将数据链路层功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分区分开来，降低研究和实现的复杂度。其中MAC子层主要负责实现共享信道的动态分配，控制和管理信道的使用。LLC子层具有差错控制、流量控制等功能，负责实现数据帧的可靠传输。各种不同的LAN标准体现在物理层和MAC子层上，传输介质的区别对LLC来说是透明的。

局域网协议与应用：

CSMA/CD协议解决多结点共享公用总线传输介质的问题，适用于总线型拓扑结构网络 e.g以太网、高速以太网、吉比特以太网。

Internet

Internet是指通过TCP/IP将世界各地的网络连接起来实现资源共享，提供各种应用服务的全球性计算机网络，中文称为“因特网”或“国际互联网”。

TCP/IP

TCP/IP采用分层体系结构，划分为4个层次，分别为网络接口层、网络层、传输层和应用层。

TCP/IP是由许多协议组成的协议簇，协议分类有：

1⃣️应用层：Telnet、FTP、SMTP、DNS、TFTP、HTTP、NFS等。

2⃣️传输层；TCP、UDP、NVP

3⃣️网络层：ICMP、IP、ARP、RARP

4⃣️数据链路层：网络接口协议

5⃣️物理层：以太网、令牌环、X.25PDN、FDDI等。

TCP/IP的主要特点：高可靠性、安全性、灵活性、互操作性。

TCP/IP模型各层的功能：

1⃣️应用层：为用户提供访问Internet的一组应用高层协议，即一组应用程序。

2⃣️传输层：提供应用程序间（端到端）的通信服务。TCP负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于一次传送大量报文，如文件传送等；UDP负责提供高效率的服务，用于一次传送少量的报文，如数据查询等。

3⃣️网络层：该层核心协议上IP协议，该协议提供主机间的数据传送能力。网络层的主要功能有3点——处理来自运输层的分组发送请求；处理输入数据报；处理差错与控制报文，如路由选择、流量控制、拥塞控制等问题。

4⃣️网络接口层：负责接收IP数据报，并且通过特定的网络进行传输；或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，上交给IP层。

IP

IP上Internet协议簇中最主要的协议之一。IP协议的主要功能是无连接数据报传送、数据报路由选择和差错控制。

每个IP地址长32比特。

IP地址分为5类，其中A类，B类和C类地址为基本的IP地址，称为主类地址，D类和E类地址为次类地址。

A类地址，第1个比特为“0”，其网络地址空间为7比特，主机地址空间为24比特，起始地址为1～126。

B类地址，前2个比特为“10”，其网络地址空间为14比特，主机地址空间为16比特，起始地址为128～191。

C类地址，前3个比特为“110”，网络地址空间为21比特，主机地址空间为8比特，起始地址为192～223。

TCP/IP应用

1⃣️IP数据报的传输

2⃣️子网与子网掩码

子网编址是在Internet地址中，网络地址部分不变，原主机地址划分为子网络地址和主机地址，这样，IP地址就划分为“网络——子网——主机”3个部分。

子网掩码是一个IP地址对应的32位数字。其中用所有的“1”表示IP地址中的网络地址段和子网地址段，用所有的“0”表示IP地址中的主机地址段。

要根据一个IP地址来确定其网络号和子网号，需要用子网掩码和这个IP地址进行布尔与运算。

3⃣️域名系统

4⃣️IPv6

IPv6数据报头发生根本性改变，主要提供对新的、更长的128位IP地址的支持以及去掉作废的和不用的域。

IPv6和IPv4相比，最大的变化部分是IP地址的长度和结构。

IPv6定义了3种不同的地址类型，分别是单播地址、多播地址和任意播地址。所有类型的IPv6地址都属于接口而不是节点。

IPv6的128位地址以16位为一分组，每个16位分组写成4个16进制数，中间用冒号分隔，称为冒号分十六进制格式。

IPv4向IPv6的过渡技术：双协议栈、隧道技术和协议翻译技术。

网络操作系统的功能

网络操作系统（NOS）是使网络上各计算机可以方便而 有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。网络操作系统实质上就是具有网络功能的操作系统。

网络操作系统的特征：单机操作系统并发、资源共享、虚拟、异步性、开放性、一致性和透明性。

网络操作系统的功能：

网络系统作为操作系统，应提供单机操作系统的各项指标，包括进程管理、存储管理、文件系统和设备管理。除此之外，网络操作系统还应具有以下功能：

1⃣️网络通信，提供通信双方之间无差错的、透明的数据传输服务，主要功能包括建立和拆除通信链路；对传输中分组进行路由选择和流量控制；对传输数据的差错检测和纠正等。

2⃣️共享资源管理，协调各用户对共享资源的使用，使用户在访问远程共享资源时能像访问本地资源一样方便。

3⃣️网络管理，通过“存取控制”来确保数据的安全性，通过“容错技术”来保证系统故障时数据的安全性。

4⃣️网络服务，直接面向用户提供多种服务。

5⃣️互操作，把若干相似或不同的设备和网络互连，用户可以透明地访问各服务点、主机，以实现更大范围的用户通信和资源共享。

6⃣️提供网络接口，向用户提供一组方便、有效、统一的取得网络服务的接口，以改善用户界面。

网络操作系统的安全性：

1⃣️用户账号的安全性

2⃣️时间限制

3⃣️站点限制

4⃣️磁盘空间限制

5⃣️传输介质的安全性

6⃣️加密

7⃣️审计

网络安全的通用定义是：网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的或者人为恶意的原因而遭到破坏、更改、泄露，系统连续、可靠、正常地运行，网络服务不中断。

网络安全包含两大部分内容：一是网络系统安全；二是网络上的信息安全。它涉及网络系统的可靠性、稳定性以及网络上信息的保密性、完整性、可用性、真实性和可控性等。

网络安全的本质是保证所保护的信息对象在网络上流动或者静态存放时不被非授权用户非法访问。

网络安全的概念包括：

1⃣️网络系统安全

2⃣️网络信息安全

3⃣️网络信息传播安全

网络安全的需求：

1⃣️保密性，确保非授权用户不能获得网络信息资源的性能。

2⃣️完整性，确保网络信息不被非法修改删除或增添，以保证信息正确、一致性的性能。

3⃣️可用性，确保网络合法用户能够按所获授权访问网络资源，同时防止对网络非授权访问的性能。

4⃣️可控性，确保合法机构按所获授权能够对网络及其中的信息流动与行为进行监控的性能。

5⃣️真实性，确保接收到的信息不是假冒的，而发信方无法否认所发信息的性能。

OSI安全体系结构的三维空间表示：

1⃣️安全攻击：任何可能会危及机构的信息安全的行为。

2⃣️安全机制：用来检测、防范安全攻击并从中恢复系统的机制。

3⃣️安全服务：一种用来增强组织的数据处理系统安全性和信息传递安全性的服务。

计算机软件编程技术

数据库系统是为适应数据处理的需要而发展起来的一种较为理想的数据处理系统，也是一个为实际可运行的存储、维护和应用系统提供数据的软件系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。

数据库系统（DBS）是指在计算机系统中引入数据库后的系统。它主要由数据库、数据库用户、计算机硬件系统和计算机软件系统等几部分组成。

数据库（DB）是存储在计算机内、有组织的、可共享的数据和数据对象的集合，该集合按一定的数据模型（或结构）组织、描述并长期存储，并以安全可靠的方法进行数据的检索和存储，具有集成性和共享性。

数据库管理系统（DBMS）借助操作系统完成对硬件的访问和对数据库的数据进行存取、维护和管理，它是数据库系统的核心组成部分，用户在数据库系统中的一切操作，都是通过数据库管理系统进行的。

DBMS的主要功能：

1⃣️提供数据定义语言（DDL）定义数据的模式、外模式和内模式三级模式结构，定义外模式/模式和模式/内模式二级映像，定义有关的约束条件。

2⃣️提供数据操纵语言（DML）实现对数据库的基本操作，包括检索、更新等。

3⃣️对数据库的运行进行管理。

4⃣️提供与其他软件系统进行通信的功能。

5⃣️负责对数据库中需要存放的各种数据的组织、存储和管理工作，确定以何种文件结构和存取方式物理地组织这些数据，以提高存储空间的利用率和对数据库进行增、删、改、查的效率。

DBMS的组成：语言编译处理程序；系统运行控制程序；系统建立、维护程序和数据字典。

数据模型：用来描述数据、组织数据核对数据进行操作的一种模型。是数据库的框架，是数据库系统的核心和基础。

数据模型的分类：

1⃣️概念模型，也称信息模型，按用户的观点对数据和信息建模，是对现实世界的事物及其联系的第一级抽象。

2⃣️逻辑模型和物理模型，属于计算机世界中的模型，是对现实世界的第二级抽象。

概念模型的实体联系模型（E-R）的表示方法：

1⃣️实体型：用矩形框表示，框内标注实体名称。

2⃣️属性；用椭圆形框表示，框内标注属性名称，通过无向边与实体相连。

3⃣️联系：用菱形框表示，框内标注联系名称，并用无向边与有关实体相连，同时在无向边旁标上联系的类型，即1:1（一对一）、1:n（一对多）或m：n（多对多）

4种数据模型：

1⃣️层次模型：类似倒置树形的父子结构。优点是不同层次之间的关联性直接且简单。

2⃣️网状模型：使用倒置树形结构，结点间可任意发生联系，能够表示各种复杂的联系。优点是可以避免数据的重复性。

3⃣️关系模型：由行与列构成的二维表。实体与实体间的联系都是用关系表示。

4⃣️面向对象的数据模型：以对象为单位，每个对象包含对象的属性和方法，具有类和继承等特点。

SQL语言

SQL是结构化查询语言，是介于关系代数和关系演算之间的语言。

SQL具有丰富的查询功能，还具有数据定义和数据控制功能，是关系型数据库的标准语言。

SQL的基本应用：

1⃣️数据定义：包括定义表、定义视图和定义索引。

2⃣️数据查询：查询是数据库的核心操作。SELECT

程序设计语言

程序是一组有序的计算机指令，这些指令用来指挥计算机硬件系统进行工作。

程序设计语言是用于书写计算机程序的语言。人们通过程序设计语言编写程序来指挥和控制计算机运行。

指令：控制计算机执行特定操作的命令。

指令系统：一台计算机所能执行的所有指令的集合。

编程模式：在编写计算机程序时，看待要解决的问题的方式。当前可分为：过程式、面向对象式、函数式和说明式。

非机器语言编写的源程序只有翻译成机器语言程序，计算机才能识别和执行。

常见的解释方式：

1⃣️编译方式：把源程序的每一条语句都翻译成机器语言，并把翻译之后的结果保存成二进制文件。此种方式下，翻译与执行是分开的。执行速度快。

2⃣️解释方式：对源程序的语句依次翻译并执行，翻译一句执行一句，不生成可存储的目标代码。执行速度慢。

软件工程

软件工程不仅涉及软件开发的技术过程，还包括软件项目管理和开发支持软件生产的工具、方法和理论等活动。

软件生命周期（SDLC），又称软件生存周期或系统开发生命周期，是软件从定义、生产、运行直到报废或停止使用的生命周期。

软件生命周期由软件定义、软件开发和软件维护3个时期组成。

软件生命周期的基本模型：

1⃣️问题定义及规划

2⃣️需求分析

3⃣️软件设计

4⃣️程序编码

5⃣️软件测试

6⃣️运行维护

互联网应用技术

云计算技术

云计算是一种模式，能以泛在的、便利的、按需的方式通过网络访问可配置的计算资源（如网络、服务器、存储器、应用和服务），这些资源可实现快速部署与发布，并且只需要极少的管理成本或服务提供商的干预。

云计算的特征：按需获得的自助服务；广泛的网络接入方式；资源的规模池化；快捷的弹性伸缩；可计量的服务。

云计算的主要服务模式：

1⃣️软件即服务（SaaS），以服务的方式将应用软件提供给互联网最终用户。

2⃣️平台即服务（PaaS），以服务的方式提供应用程序开发和部署平台，就是指将一个完整的计算机平台作为一种服务提供给客户。

3⃣️基础设施即服务（IaaS），以服务的形式提供服务器、存储和网络硬件以及相关软件。

云计算的关键技术：

1⃣️分布式计算，主要解决的核心问题是如何把一个大的应用程序分解成若干可以并行处理的子程序。

2⃣️分布式存储，核心是应用软与存储设备相结合，通过应用软件来实现存储设备向存储服务的转变。

3⃣️服务器虚拟化

4⃣️多租户，是支撑SaaS的一项核心软件架构技术

5⃣️存储虚拟化

6⃣️桌面虚拟化

7⃣️云管理平台，特指IaaS云管理平台。

云计算系统的典型架构：

1⃣️虚拟资源池，主要实现物理资源与虚拟资源的管理，对资源的池化管理，便于资源的动态分配、再分配和回收，充分体现云计算弹性、可伸缩的特点。

2⃣️基础架构层

3⃣️PaaS平台层，提供一个SaaS软件开发、管理与托管运营平台。

4⃣️运营管理平台层，主要实现映像与实例的全生命周期管理、资源的调度和监控、用户管理、合作伙伴管理、业务管理、平台接口管理、运营管理等功能。

5⃣️服务接入与门户层，主要实现服务接入、自助服务门户、运营管理门户与PaaS平台门户等功能。

大数据技术

大数据：任何超过了一台计算机处理能力等数据量。

大数据等4V特征：

1⃣️数量巨大

2⃣️多样性

3⃣️速度

4⃣️真实性

（5V模型就再加一个低价值密度）

大数据技术：

1⃣️数据存储，非关系型数据库NoSQL开始发展。

2⃣️数据分析，大数据的分析方法是决定最终信息是否有价值的决定性因素。

3⃣️数据可视化，将结构或非结构数据转换成适当的可视化图表，然后将隐藏在数据中的信息直接展现于人们面前。

4⃣️大数据处理过程，包括大数据采集、大数据导入和预处理、大数据统计和分析以及数据挖掘。

大数据分析的6个基本方面：

1⃣️预测性分析能力

2⃣️数据质量和数据管理

3⃣️可视化分析

4⃣️语义引擎

5⃣️数据挖掘算法

6⃣️数据存储

物联网技术

物联网被称为是继计算机、互联网与移动通信网之后的第3次信息革命浪潮。

物联网是指通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各种可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

物联网的核心和基础仍然是物联网。

物联网的主要特征：

1⃣️全面感知

2⃣️可靠传输

3⃣️智能处理，是物联网应用实施的核心。

物联网的技术架构：

1⃣️感知层，主要实现物理世界信息的采集、自动识别和智能控制，包括传感器、RFID等数据采集设备，以及在数据传送到接入网关之前的小型数据处理设备和传感器网络。

2⃣️传输层，是基于现有的通信网络和互联网建立的，包括各种无线网络、有线网络、接入网、核心网，主要实现感知层数据和控制信息的双向传递、路由和控制。

3⃣️应用层：物联网应用涉及行业众多、涵盖面宽泛，总体上可分为身份相关应用、信息汇聚型应用、协同感知类应用和泛在服务应用。