（电路与系统专业论文）信息网络技术在现代电子电路实验教学中的应用.pdf

3 9 3 7 9 3 北捌走涮静史 北方交通大学9 8 级硕士学位论文摘要 信息网络技术在现代电子电路实验教学中的应用 ? ，电子与信息工程学院硕士研究生纪松 ( 随着微电子技术、计算机技术、通信技术、测量控制技术的 飞速发展，信息网络技术日新月异。以i n t e r n e t 为代表的信息网络 技术的出现以及它与其它高新科技的相互结合，为各项传统技术带 来了前所未有的发展空间和机遇。 控制技术与计算机技术和通信技术相结合，使控制系统从传 统的集中j ! ! 制方式向现场总线分布控制方式转化。现场总线结构使 工业控制系统真正开始了从信号处理转向信息处理、从控制网络转 向网络控制、从控制器智能化转向全系统设备智能化。现场总线技 术标志着控制系统信息化、网络化、智能划时代的开始。 测量技术与仪器不断进步，相继出现了智能仪器、p c 仪器、 v x i 仪器、虚拟仪器等。总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技 术的应用，计算机软、硬件技术的不断升级与进步，给组建测控网 络提供了越来越优越的技术条件。 现代远程教育是随着现代通信技术和信息技术的发展而产生的 一种新型教声模式。借助于现代的通信和信息处理技术，重猩塾寅 可以有效地发挥现有的各种教育资源优势，实现教育资源的共享。 在现代教育中，实验教学占有非常重要的地位。实验教学的 实践性非常强，由于其实现的特殊性和现代通信技术和信息处理技 术的局限性，如何在现代远程教育中开展远程电子电路实验教学， 是一个具有挑战性的课题。、】 本论文首先对信息网f n t e m e t 、现场总线控制网络、网络化仪 器技术进行分析讨论，提出基于信息网络技术的控制网络概念，并 应用于远程电子电路实验教学，根据实验室的现有条件和要求研究 设计开发了一个基于几种技术结合的远程实验系统w 曲l a b 远 程实验系统。 ( 所设计的远程实验系统模型具体如下： 底层是用基于现场总线概念连接的测试设备和被测电路，形成 一个小型控制网络； 仪器设备的远端操作采用客户机，服务器( c s ) 连接方式，仿 真仪器的操作平台安装在客户机上，远端用户通过互联网访问服务 器，其对仪器的操作形成数据库客户访问，服务器把操作结果以一 北方交通大学硬士论文 定的数据文件的方式发送给客户。因此所有的实验操作将形成一个 数据库查询请求，服务器处理查询的方法是利用关系条件和数据库 字典对现场总线部分的仪器设备进行读写，再把数据传给客户。从 而，实现； 1 ) 全局数据库管理。 2 ) 本地知识库结构。 3 ) 服务器现场总线通信连接。 4 ) 本地数据库操作界面4 本文设计的一组基于i n t g m e t 和现场总线控制网络技术的远程 实验系统基本上实现了以下功能： 1 用户通过客户端应用程序登录到服务器上。 2 用户可以通过客户端应用程序的仿真仪器界面设置电路、 操作仪器并得到结果。 3 支持多用户。 ；多个客户端通过基于t c p f i p 协议的网络登陆到实验室的服务 器上。用户使用客户端上装有的设备界面仿真软件对软件仿真的虚 拟设备进行操作，软件将用户操作转换为命令数据，并将之发送到 服务器的数据库中。 在做完一个实验之前，该用户的所有操作均保存在服务器的数 据库中。服务器收集该用户的所有操作，通过r s 2 3 2 接口控制实 验室内的设备迅速建立用户需求的环境，并将结果输出到数据库 中，然后转向对下一个用户需求的处理。服务器在处理完一个用户 的操作后，把实验结果发送回客户端，并由客户端程序仿真显示在 客户端的虚拟信号发生器和虚拟示波器的面板上。据此，用户可以 观察到真实的实验结果，并记录实验数据。j 。 关键词： 信息网? 现场总绣j 测控网络：v ，远程测控，远程实验系统， 客户机服务器( c s ) 北方交通大学硕士论文 a p p l i c a t i o n o f n e t w o r k st e c h n o l o g yt om o d e m d i s t a n c ec i r c u i t se x p e r i m e n t se d u c a t i o n j i s o n g e l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gs c h o o l n o r t h e r nj i a o t o n gu n i v e r s i t y m a s t e rt h e s i s ( s u m m a r y ) 2 0 0 1 2 w h e nc o m i n gi n t ot h e1 9 9 0 s ，t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r 、 c o m m u n i c a t i o n 、m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lh a sm a d ear a p i dp r o g r e s s a n da l s ot h et e c h n o l o g yo fn e t w o r k n o ww ea l em a r c h i n gi n t oan e w e r ai nw h i c hi n t e r n e tn e t w o r kw i l lb e c o m et h eb a s i so fo u ri n f o r m a t i o n s o c i e t y a tt h es a m e t i m e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n f c ) r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i o ns y s t e mh a sa l s oc h a n g e d g r e a t l y u n d e rt h i s s i t u a t i o n ，an e wt e c h n o l o g y - - - - - f i l e d b u sc o m e si n t ob e i n gw h i c hc a l l e d l a ni nt h ea u t o m a t i o na r e a a st i m eg o e sb y , i ti so b v i o u st of i n dt h a tb o t ht h e s et w on e t w o r k h a v et h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t sh o wt oc o m b i n et h o s eg o o d sa n da v o i d b a do n e si sa g o o dq u e s t i o n t o s t u d y , a c t u a l l y , t h e r e a r e m a n y c o m p a n i e si nt h ew o r l dw h o a r ea c t i v ei nd e v e l o p i n gan e t w o r ks y s t e m b a s e do ni n t e r n e t - i n f r a n e tu s i n gt h ew w w t e c h n o l o g y d i s t a n c ee d u c a t i o ni so n eo ft h e a p p l i c a t i o n s o fn e t w o r k t e c h n o l o g y t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ec o n c e p to f c o n t r o ln e t w o r k s , a n d a p p l i e di tt od i a a n c e c i r c u i t se x p e r i d l e n t se d u c a t i o n t h i st h e s i sd e s i g n s a n dd e v e l o p sad i s t a n c ec i r c u i t s e x p e r i m e n t se d u c a t i o ns y s t e m w e b l a bd i s t a n c ec i r c u i t se x p e r i m e n t ss y s t e m s o m eb a s i cc o n c e p t i o n , t h e o r i e sa n di m p o r t a n tt e c h n o l o g ya b o u t t h ei n t e r n e t 、t h ef i l e d b u s 、t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e r n e s p e c i a l l yt h ec o m b i n a t i o no f t h e i rm e r i t sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i la t f i r s t w i t ht h eb a f i cf i m c t i o n sa s f o l l o w i n g ： 1 u s e r sc a nl o go nt h es e r v e rt h r o u g ht h e a p p l i c a t i o np r o g r a mo f 1 1 i 托寿交通大学硕士论文 t h ec l i e n t 2 u s e r sc a n s e t u pc i r c u i t ，o p e r a t ei n s t r u m e n ta n d g e t t h er e s u l t si n t h er e m o t ec l i e n t 3 m u l t i u s e ri ss u p p o r t e d m u l t i c l l e n tl o go nt h es e r v e ro ft h e1 a bt h r o u g ht c p i p n e t w o r k w i t ht h ev i r t u a li n s t r u m e n ti n s t a l l e di nt h ec l i e n t ， o n ec a nc o n t r 0 1t h ea c t u a li n s t r u m e n t si nt h e1 a be a s i1 y t h e s e r v e rr e c e i y e st h ec o m m a n d sa n d s e t u p t h e r e q u i r e d e n v i r o n m e n tt h r o u g ht h ei n t e r f a c eo fr s 2 3 2a n dg p i b ，t h e ng e t t h er e s u l t sa n ds e n db a c kt ot h ec l i e n t s s ot h eu s e rc a ns e e t h er e s u l t sa n dc u r v eo nt h es c r e e nr a p i d l yi nt h er e a lt i m e t h ed e s i g no ft h i ss y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o3p a r t s ：t h e c 1 i e n t 、t h es e r v e ra n dd a t a b a s e 、t h eh a r d w a r e s y s t e m t h e s t r u c t u r e 、f u n c t i o n sa n dm e t h o do ft h en e t - l a bs y s t e ma r e i n t r o d u c e di nd e t a i lf r o mc h a p t e r5 ，u s i n gl o t so ff l o wc h a t 、 t a b l e sa n ds oo n k e y w o r d s ： i n t e m e t ，f i j e d b u s ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r k ，r e m o t e c o n t r o l ，d i s t a n c ec i r c u i t se x p e r i m e n t ss y s t e m i v 北方交通x - 学硕士学位论文 序言 当今时代，微电子、计算机、网络通信、测量控制等技术飞速发展。 信息网络技术的出现以及它与其它高新科技的相互结合，为各项传统技术 带来了前所未有的发展空间和机遇。 以i n t e m e t 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善， 突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十 分容易。i n t e m e t 拥有的资源正在应用于越来越多的领域中，比如电子商 务、网上教学、远程医疗、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源 的远程实时调用、远程设备故障诊断，等等。 i n t e r n e t 主要依靠t c p 佃通信协议保证网络各节点间的互相连接，它 包括了种类繁多的技术，其中最重要的技术有：t c p i p 、h t f p 、l d a p 、 s m t p 、兀p 、h t m l ，而t ( 驯疋是构成i n t e m e t 的基础。t c p i p 协议是 用于计算机通信的一个协议组，t c p i p 协议具有广泛的兼容性和可伸缩 性，可连接不同的计算机网络协议、不同的网络设备。t c p i p 己成为网 络互连事实上的标准，并成为支持i n t e m e t 的协议标准。i n t e m e t 的功能及 资源十分丰富，通信技术也已经相当成熟。它有电子邮件、远程连接、 u s e n e t 、t a l k 、f t p 及w w w 等服务。 i n t e m e t 网络较之其它的网络( 如控制网络) 其特点是：数据通信量 较大，需要经常传送文档、报表、图形，以及信息量更大的音频、视频等 多媒体数据。但是，对于；受4 控领域内要求较高的实时性、安全性和可靠性 等问题，i n t e m e t 功能较为薄弱。因此在利用i n t e m a 强大的信息及文件传 输功能的时候，应该针对澳9 控系统的特点，重点考虑：信息流处理问题， 如信息延时；实时性问题；网络安全性问题，如何避免非法用户的访问。 i n t e m e t 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，高 性能、高可靠性、低成本的网络互连设备的不断进步，又方便了i n t e m e t 、 不同类型钡牦! 网络、企业网络间的互联。利用现有i n t e m e t 资源而无须建 立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与i n t e m e t 的互联都十分方便，这就为测控网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。 控制网络是指用于完成自动化任务的网络系统，它的网络节点除了普 通计算机、工作站外，更大量的是具备有c t g 与通信能力的测控仪表。这 些测控设备分布于工厂、建筑和家庭中，用于生产和生活的各个方面。 控制网络的技术要求和特点：( 1 ) 要求有高实时陛与良好的时间确定 性；( 2 ) 传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁；( 3 ) 容错能力强，可 靠性、安全性好；( 4 ) 控制网络协议实用简单，工作效率高；( 5 ) 控制网 北方变通大学硪士学位论文 络结构的高度分散性；( 6 ) 控制设备的智能与控制功能的自制性；( 7 ) 与 信息网络有高通信效率，易于实现与信息网络集成；( 8 ) 性能价格比高。 现代测量技术与仪器技术的发展为构建控制网络提供了有力的支持。 随着测量技术与仪器不断发展，相继出现了智能仪器、p c 仪器、v ) 仪 器、虚拟仪器等。各种微机化仪器技术利用计算机的软件和硬件优势，既 增加了测量功能，又提高了技术性能。 现代高新科学技术的迅速发展，有力地推动着仪器仪表技术的不断进 步。仪器仪表的发展将遵循跟着通用计算机走、跟着通用软件走和跟着标 准网络走的指导思想；仪器标准将向计算机标准、网络规范靠拢。继“计 算机就是仪器”和“软件就是仪器”概念之后，“网络就是仪器”的提法 也已出现。 总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用，计算机软、硬件技 术的不断升级与进步，给组建测控网络提供了越来越优越的技术条件。 从控制网络的组网技术来说，控制网络有共享式控制网络与交换式控 制网络两大类。现场总线控制网络一般为共享式网络结构。 现场总线将具有通信能力的测控仪表作为网络节点，连接成开放式、 数字化、多点通信的底层控制网络，并通过网络将节点连接成为控制系统。 现场总线控制网络系统最显著的特征是：具有开放的通信协议，担负着测 量控制任务。- 现场总线基于开放统一的通信协议标准，为控制网络与信息 网络的连接提供了方便，因而对控制网络与信息网络的融合起到了积极的 促进作用。当传统的控制系统逐步走向现场总线控制网络i n a i l e t 的时候， 便为构建i n t e m 靠i n 舶n e t 的网络结构、组成一个协调的整体铺平了道路。 随着现场总线控制网络的进一步发展，人们逐渐意识到控制网络与信 息网络结合的重要性，两者的结合为开放型、全分布式控制系统与网络系 统的进一步开拓提供了新的领域。 控制网络与信息网络相比，主要有以下特点：1 控制网络主要用于 生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视与控制，或实现 “家庭自动化”等；2 控制网络要求具备高度的实时性、安全性和可靠 性，一般其数据传输量较小。 控制网络与信息网络的结合有以下优点：( 1 ) 实现控制网络与信息网 络的信息集成，建立综合实时信息库，为企业优化控制、生产调度、计划 调度、计划决策提供依据，创造良机。( 2 ) 建立分布式的数据库管理功能， 保证数据一致性、完整性和可互操作性。( 3 ) 现场控制信息、生产情况实 时与信息网通信，有关人员可在任何地方通过标准化、友好的图形界面浏 览了解生产情况。( 4 ) 能够实现对控制网络工作状态的远程监控，优化调 北方交通大学硕士学位论文 度，也能实现控制网络的远程诊断与维护等。 控制网络与互联网的连接，使控制网络与信息网络融为一体，让控制 信息汇入到信息网络，从而进一步拓宽了控制系统的范围和视野，丰富了 网络系统的信息内容与应用领域。实现两者的结合对于人们的生产和生活 有着重要的作用，如远程测控系统就是一个典型的应用。 远程测控是指本地计算机通过网络系统( 主要是广域网i n t e m e t ) ，采 用服务器，浏览器方式实现的对远端生产过程的测量、监视和控制。能够 实现远程测控的计算机软硬件系统统称为远程测控系统。现场总线系统接 入i n t e r n e t ，在一定e x i s t ，便可通过i n t e r n e t 监视、测量并控制这些生产 系统和现场设备的运行状况及各种参数，通过网络实现对远程被控对象的 测试控制，还可以根据需要建立起地区级、国家级的乃至世界级的测试监 控中心。 要实现远程测控系统，第一要有一个能够稳定运行现场总线的控制系 统；第二要有一个能够通过i n t e m e t 进行远程访问的通信系统；第三要有 远程测试监控在控制系统的各个组成部分间建立的虚拟通信关系，通过 i n t e r n e t 接通远程异地的控制网络，并利用公用数据网络丰富的软硬件资 源，以便通过i n t e m e t 来监视和控制生产现场。 站 图o - l 远程测控系统结构简图 要实现这种意义下的远程测控，比较直接的方案是运用o p c ( o l e f o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术来实现通用数据库与运行数据库的实时数据“共享”。 在此基础上再运用现有的w w w 技米、浏览器技术、o d b c 技术等实现 对通用数据库的远程访问，实现远程测控 1 l 】。出于对现场总线系统安全 性的考虑，远程测控软件可设置在服务器或另外的计算机上运行，而与图 0 - 1 所示的“现场总线工作站”分开。 当然，远程测控系统是相对而言的。可以从本地测试监视远端，也可 以实现本地与远端的双向测控。 随着控制网络操作系统的发展，控制网络和信息网络正在结合而逐步 走向一体化。当控制网络中的操作信息和信鼠网络中的管理决策信息能更 北方交通大学硕士学位论文 好地结合之时，网络系统的功能会得到更大发挥。 现代远程教育是信息网络技术的应用之一，是随着现代通信技术和信 息技术的发展而产生的一种新型教育模式。借助于现代的通信和信息处理 技术，远程教育可以有效地发挥现有的各种教育资源优势，实现象睛资源 的共享。 从教学手段上讲，与传统教育方式相比远程教育有以下优势 3 5 ：( i ) 充分的交互性。( 2 ) 学习的自主性。( 3 ) 教育资源的共享性。( 4 ) 学习的个 性化。 开展远程教育必然要涉及网络通信和信息处理两大问题。网络主要解 决如何将教育资源传送到企业和家庭的问题。信息处理主要解决教育的内 容问题。远程教育系统主要由三部分组成 3 5 】，即通信网络、终端设备和 教学资源。通信网络和终端设备构成了远程教育系统的硬件支撑环境，而 教学资源是远程教育的软件系统。一个远程教育系统通常应该包括以下几 个主要的子系统：教师授课系统，学生自主学习系统，答疑系统，作业与 考试系统和教学教务管理系统。为了实现这些在远程教育中起不同作用的 功能模块，在远程教育系统中使用了大量的现有技术 3 5 】：音频、视频压 缩编码技术、网络技术、接入技术、视频会议技术、基于的信息发布技 术、数据库技术、多媒体课件制作技术。目前在计算机远程教育中常见的 方式是，利用i n t e r n e tw w w 服务具有的各种功能，以浏览主页( m ep a g e ) 的形式提供远程教学服务。 实验教学是工科院校重要的实践性教学环节。在远程教育中，由于教 学机构与学生在空间上分离，学生无法到学校实验室做具体的实验，这已 经成为了制约远程教育质量的一个重要因素。 近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟 实验室已经成为可能，网上实验己成为远程教学研究的重要方面。如何 构建远程实验系统是一个具有挑战性的课题，它包含了网络通信、测量与 仪器、远程测控等多项技术，具有庀阔的应用前景。 本论文首先对信息网i 旅釉e t 、现场总线控制网络、网络化仪器技术这 几项技术进行分析讨论，提出基于信息网络技术的控制网络概念，并应用 于远程电子电路实验教学，根据实验室的现有条件和要求研究设计开发了 一个基于几种技术结合的远程实验系统w 曲l a b 远程实验系统。 w 曲l a b 远程实验系统的设计开发以基于信息网络技术的控制网络技 术为基础，该系统是一个远程测控系统。所设计的远程测控系统模型具体 如下： 底层是用基于现场总线概念连接的测试设备和被测电路，形成一个 4 北方交通大学硕士学位论文 小型控制网络，包括w e b l a b 实验箱、h p 5 4 6 4 5 d 数字示波器、h p 3 3 1 2 0 a 信号发生器； 仪器设备的远端操作采用客户机服务器( c s ) 连接方式，仿真仪器 的操作平台安装在客户机上，远端用户通过互联网访问服务器，其对仪器 的操作形成数据库客户访问，服务器把操作结果以一定的数据文件的方式 发送给客户。因此所有的实验操作将形成一个数据库查询请求，服务器处 理查询的方法是利用关系条件和数据库字典对现场总线部分的仪器设备进 行读写，再把数据传给客户。从而，实现； 1 全局数据库管理。 2 本地知识库结构。 3 服务器现场总线通信连接。其中，对上级全局性的访问，采用全 局通信结构；对现场总线设备的访问，采用现场总线规定的访问协议；全 局数据库的用户层与应用层之间采用逻辑判断关系；现场总线设备访问采 用设备返回数据优先的关系。 4 本地数据库操作界面。包括，地址透明，操作对象和属性透明， 虚拟仪器代替电子地图。虚拟仪器由不同的模块、i c o n 和事件组成。虚 拟仪器后台与地址表和图形表( 操作命令) 、知识关系连接。 本文设计的基于i n t e r n e t 和坝场总线控制网络技术的远程实验系统基 本上实现了以下功能： 1 用户通过客户端应用程序登录到服务器上。 2 用户可以通过客户端应用程序的仿真仪器界面设置电路、操作仪 器并得到结果。 3 支持多用户。 多个客户端通过基于t c p i p 协议的网络登陆到实验室的服务器上。 用户使用客户端上装有的设备界面仿真软件，就象处身于真正的实验室中 一样。用户可以对软件仿真的虚拟设备进行操作，软件将用户操作转换为 命令数据，并将之发送到服务器的数据库中。在做完一个实验之前，该用 户的所有操作均保存在服务器的数据库中。服务器收集该用户的所有操 作，通过总线接口控制实验室内的设备迅速建立用户需求的环境，并将结 果输出到数据库中，然后转向对下一个用户需求的处理。服务器在处理完 一个用户的操作后，把实验结果发送回客户端，并由客户端程序仿真显示 在客户端的虚拟信号发生器和虚拟示波器的面板上。据此，用户可以观察 到真实的实验结果，并记录实验数据。 w e b l a b 远程实验系统应用于电子电路实验教学，与应用于工业控制 中的远程测控系统有所不同，工业控制系统中对控制与测量的准确性、可 北方变通大学硕士学位论文 靠性要求很高，这是由其应用场合所决定的。而在远程实验系统系统中， 对控制与测量的可靠性、准确性要求可以低于在工业控制系统中应用的要 求，系统首要的任务是，准确地控制信号发生器产生相应的信号波形，控 制硬件实验电路的连接与设置，并控制数字示波器把采样结果准确地发送 回服务器。能够提供真实的实验结果对于本系统是最重要的。 与在实验室中面对实验仪器、实验电路进行实验操作不同，w e b l a b 远程实验系统是由用户通过网络操作远端的实验仪器、实验电路，由于当 前网络技术及网络基础设施的限制，在远程操作中会出现延时、噪声、失 真等问题，这也是此系统的限制之一。w 曲l a b 远程实验系统的主要目是 为高等院校低年级学生提供验证性试验，使他们认识电路的基本物理现 象。现在的系统完全可以满足此要求。 当前许多工程师都在使用一些流行的仿真软件( 比如p 印i c e 、 w o r k b e n c h 等) ，对电路功能进行仿真，也有人把利用仿真软件进行电路 功能仿真称为做“虚拟实验”。但是使用这些仿真软件需要使用者具备较 强的技术背景，对于那些初学者学习使用这些仿真软件本身就是一件非常 困难的事情。而w 曲l a b 远程实验系统正是面向那些没有很强的技术背景 的学习者的远程实验教学系统，学习者利用网络终端使用此系统，可以获 得与在实验室中直接操作实验仪器与实验电路相同的直观的感性认识。因 此w e b l a b 远程实验系统是远程教育领域应用中一次有益的尝试。 w 曲l 曲远程实验系统是一项庞大的工程，需要集体协作攻关。在开 发设计此系统的过程中，本论文的作者主要参与系统的仪器部分，w e b l a b 实验箱主控板的设计开发。而系统的服务器程序由康鹏同学负责设计开 发，客户端程序由蒙立益、张丹同学负责设计开发，系统的实验内容及其 电路的设计开发由刘元盛老师负责。 经过一段时间的开发，初步设计完成客户端程序、服务器程序、w e b l a b 实验箱，已经初步建成w e b l a b 远程实验系统的第版本的样品，并在北 方交通大学的校园网上进行了实验运行，运行情况良好。本论文将详细介 绍此系统的设计思想。 在目前的开发阶段，由于技术手段的限制，w e b l a b 远程实验系统还 只能完成一些验证性试验，指导学生完成基本电子电路实验，进行实验仪 器操作的训练，还不能满足完成学生的实验设计的需求。随着微电子技术、 现代测控技术的不断发展，以及在设计开发中不断使用新的技术，本系统 正在向这个方向不断努力。 6 北方交通大学硕士学位论文 第一章信息网i n t e r n e t 信息网络技术是计算机、通信和信息内容这三种技术的汇合，其核一1 1 , 是信息基础设施。以i n t e r a c t 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术 的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内 的通信变得十分容易。 i n t e r n e t 主要依靠t c p i p 通信协议保证网络各节点间的互相连接，它 包括了种类繁多的技术，其中最重要的技术有：t c p i p 、h t r p 、l d a p 、 s m t p 、f t p 、h i m l ，而t c p m 是构成i n t e m e t 的基础。 i n t e m e t 的功能及资源十分丰富，通信技术也已经相当成熟。它有电 子邮件、远程连接、u s c n e t 、t a l k 、f t p 及、 n ，、v 等服务。 1 1i n t e m e t 的形成和发展 i n t e m e t 是全球最大的、开放的、由众多网络互联而成的计算机互联 网，这是i n t e r n e t 的一般定义，意味着全世界采用开放系统协议的计算 机都能相互通信。窄义的i n t e r n e t 指上述网中所有采用i p 协议的网络互 连的集合，其中t c p i p 协议的分组可通过路由选择相互传送，通常把 这样的一个网称为mi n t e r a c t 2 9 】。 i n t e m e t 起源和发展基本经过了以下几个阶段【2 9 ： 1 ) 6 0 年代i 啪1 e t 的萌芽阶段。一般认为，i n t e m e t 起源于6 0 年 代的美国国防部的a r p a n e t 。 2 ) 7 0 年代t ( ：p 佃的出现。 3 ) 8 0 年代1 n 自锄d 雏形的建立。1 9 8 5 年，美国国家科学基金会 ( n s f ) 在美国建立了五个超级计算机中心。1 9 8 6 年7 月，n s f 资助了 一个直接连接这些超级计算机和一些校园网络的主干网络，这就是 n s f n e t 。n s f n e t 逐渐成为美国最大的t c p i p 网络，并且取代a r p a n e t 成为新的i n t e m o t 主干。在整个8 0 年代，由于n s f n e t 的巨大推动作用， i n t e m e t 有了较大的发展。 4 1 9 0 年代一难以置信的高速发展时期。9 0 年代是i n t e r n e t 真正开 始高速膨胀的时期，在9 0 年代，i n t e r n e t 的发展有三个趋势【2 9 ：全球化 趋势、商业化趋势、生活化趋势。 1 - 2i n t e m e t 体系结构 7 北方交通大学硕士学位论文 i n t e m e t 是全球最大的、开放的、由众多网络互联而成的计算机互联 网，它的核心是开放，且贯穿在整个体系结构中，下图1 - 2 - 1 表示i n t e r n e t 图1 2 1i n t e r n e t 体系结构框图 最底层是物理传输管道，i n t e r a c t 可建立在任何物理传输网之上，包 拒讳b 线、拨号电话网、x 2 5 网、i s d n 网、以太网、f d d i 网、a t i v l 网、 高速的h i p p i 接口以及无线网、卫星网等。 在高层，t 四仰协议为i n t e r n e t 用户提供了终端访问方式和客户服 务器方式的服务工具。而作为整个网络管理，i n t e r n e t 制定了简单网络管 理协议s n m p ( s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 。 t c p i p 协议是实现互联网络连接性和操作性的关键，下面就t c p i p 协议层次结构及分层的功能作进一步的阐述。 1 - 2 - 2t c p i p 协议概述 虽然t c p i p 网络的特点在于网际互联功能，但它本身就是在物理网 ( x 2 5 、p d n 、l a n 等) 上的一组完整的网络协议。为了更好地了解t c p ，p 的体系结构特点，我们将t c p i p 协议和o s i 七层参考模型作为一个对 照，以便更清楚地了解t c p i p 的网络协议，可用图1 - 2 - 2 层次结构描述。 其中，第二层表示t c p i p 的实现基础，其它( o t h e r ) 表示m i l n e t ， i e e 8 0 2 3c s m a c d ，i e e 8 0 2 4t o k e nb u s 及i e e e 8 0 2 5t o k e n r i n g 等。 在第三：层网络中，口为互联网络协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) ，i c m p 为互联网控制的报文协议( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 。a r p 为 地址转换协议( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) ，r a r p 为反向地址协议 ( r e v e r s ea r p ) 。 托寿交通大学硕士学位论文 图1 - 2 - 2t c 朋p 协议层次结构 第四层为传输层，t c p 为传输控制协议( t r a n s i l l i s s i o nc o n t r o l p 咖c 0 1 ) ，u d p 为用户数据报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，n v p 为 网络语音协议( n e t w o d ( 、b i c e 胁o c 0 1 ) 。 五一七层中，s m t p 为简单邮件传送协议( s i n l p l em a i l t r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) ，d n s 为域名服务( d o m a i nn a m es e r v i c e ) ，n s p 为名字服 务协议( n a m es e r v i c ep r o t o c 0 1 ) ，f t p 为文件传输协议( f i l et r a n s f e r m o c 0 1 ) ，t e l n e t 为虚拟终端( 1 萌e c o m m u m c 砒i o nn e t w o d c ) 。 下面着重从体系结构的角度分层介绍t c p i p 的协议组 2 9 】 3 3 】。 数据链路层不是t ( 聊m 的一部分，但它是t c p i p 赖以存在的各种 通信网络和t ( 渤口之间的接口。d 层提供了专门的功能，解决与各种 网络物理地址的转换。 网络层含有四个协议：口，i c m ，a r p 和r a r p 。为了克服数据链 路层帧大小的限制，网络层提供数据分组和重组功能，使得很大的m 数 据报以较小的分组在网上传输。网络层的功能主要由互联网协议( p ) 来提供，m 主要提供端到端的分组分发功能。网络层的另一个重要服务 是在相互独立的局域网上建立互联网络，网间的报文根据它的目的地址 通过路由器传送到另一网络。 第三层最重要的协议是口，它将多个网络联成一个互联网，它可以 把高层的数据以多个数据报的形式通过互联网分发出去。p 的基本任 务是通过互联网传送数据报，各个诤数据报之间是相互独立的。主机上 的伊层向传输层提供服务。口从源传输实体取得数据，通过它的数据 链路层服务传给目的地口层。口不保i 正服务的可靠性，在主机资源不 足的情况下，它可能丢弃某些数据报，同时m 也不检查被数据链路层遗 失或丢失的报文。 在传送时，高层协议将数据传递给m 以便发送，p 将数据封装为互 联网数据报，将它传给数据链路协议层，并通过局域网传送。数据报可 通过m 路由器中继后传到别的网络或子网。每个路由器有一个p 模块 9 1 e 方交通大学矮士学位论文 及两个以上的数据链路实体。 在网络中，地址是网络位置的唯一标识。互联网每一台主机都分配 唯一的3 2 位互联网地址，与这台主机进行的所有通信都使用这个地址。 为了使互联网能报告差错，或提供有关意外情况的信息，设计者在p 层中加入了一类特殊用途的报文机制，即互联网控制报文协议( i c ，) 。 分组接收方利用i c m p 通知i p 模块发送方的某些方面所需的修改。i c m p 通常是由发现别的站发来的报文有问题时产生的，如果一分组不能传 送，i c m 便可以被用来警告分组源，说明有网络、主机端口不可达。i c m p 也可以用来报告网络拥塞。 t c p 腰在第四层提供了两个主要的协议：传输控制协议( t c p ) 和 用户数据报协议( u d p ) ，另外还有一些别的协议，例如用于传送数字 化语音的n ，协议。 1 传输控制协议t c p ( t h a m n i s s i o n c o n t r o l p r o t o c 0 1 ) t c p 提供了一种可靠的数据流服务。尽管t c p 是d a r p a 协议组的 一员，但它却有很大的独立性。它对下层网络协议只有很基本的要求， 很容易在不同的网络上建立。t c p 可以在众多的网络上工作，它可以提 供虚电路服务和面向数据流的传输服务，用户数据可以有序而且可靠地 传送。当一个分组通过不可靠分组子网时可能发生丢失、破坏、重复、 延迟及失序，t c p 服务提供了一种可靠的进程间通信机制，协议可以自 动纠正各种差错。 2 用户数据报协议u d p ( u s e rc u t a g r a m p r o t o c 0 1 ) 用户数据报协议是对口协议组的扩充，它增加了一种机制，发送方 使用这种机制可以区分一台计算机上的多个接收者。每个u d p 报文除 了包含某用户进程发送的数据外，还有报文目的端口的编号，从而使l i i p 软件可以把报文递送给正确的接收者，然后接收者要发出一个问答。由 于l i ) p 的这种扩充，使得在两个用户进程之间递送数据报成为可能。 因为d t ) p 是依靠m 协议传送报文，因而它的服务和m 样，是不可靠 的。这种服务不用确认，不对报文排序，也不进行流控制，因而u d p 报文可能会出现丢失、重复、失序等现象。 t c p i p 的上三层和o s i 参考模型有较大区别，也没有非常明确的层 次划分，其中f t p ，t e l n e t ，s m t p ，d n s 是几个在各种不同机型上广泛 实现的协议，t c p i p 中还定义了许多别的高层协议。文件传输协议f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ，用于控制两个主机之间文件的交换。远程终端 访问t e h l e t ( t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 提供_ 种与终端设备进程交互 的标准方法。它也支持连接( 终端到终端) 和分布式计算( 进程到进程) 1 0 北方交通大学硕士学位论2 - 通信。域名服务d n s ( d o m a i nn r m cs e r v i c e ) ，提供了名字到m 地址的 转换。简单邮件传送协议s m t p 是互联网标准中的电子邮件是一个简单 的面向文本的协议，用来有效地和可靠地传送自眵件。 t c p i p 的应用正在向更广泛、更深入的方向发展。从应用开发的角 度来看，t c p i p 提供了多种程序级的网络开发接口，提供了不同层次、 不同服务类型的网络服务功能，为网络应用技术的开发带来了极大的方 便。 1 - 3i n t e m e t 应用和工具 i n t e m e t 的应用可分为三大类： 通信：如电子邮件e - m a i l 、电子新闻u s e n e t n e w s 、对话t a l k 等。 获取信息：如匿名文件传送a n o n y m o u s 硒、索引检索数据库a r c h i c 、 分布式文本检索g o p h e * 、环球网w w w 等。 共享计算机资源：如虚拟终端t e l n e t 、客户机阴酲务器等。 i n t e m e t 的工具提供了访问资源的手段，i n t e m e t 目前常用的工具有： 电子邮件、文件传输协议f r p 、远程登录t e l n e t 、a r c h i e 、广域信息服务 器w a i s ( w i d ea r e ai n f o r m a t i o ns e r v e r ) 、g o p h e r 、w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 、 m o s a i c 、u s e 烈e tn e w s 、l i s t s e r v 等。 w w w ( 、r l dw d ew 曲) 是一种遍布在i n t e r n e t 上的全球性的超媒 体系统。超文本的概念是由计算机理论科学家t e dn e l s o n 在2 0 世纪6 0 年代提出的，他提供了一种全局性的信息结构，用户可以随意浏览，自由 地查阅一些相互交叉引用的资料。 环球信息网是基于客户机服务器方式的信息发现技术和超文本技术 的综合。、 ，、 ，、v 服务器把信息组织成为分布式的超文本，这