第三章 信息系统的技术应用

1 第三章第三章 信息系统的技术应用信息系统的技术应用 引入语引入语 信息技术的飞速发展对于整个科技领域发展起着至关重要的作用 推动了科学与技术 不断登上新的台阶 其中处理信息的计算机系统和传输信息的计算机网络是信息技术的重 要组成部分 一个完整的计算机系统包括硬件和软件两大部分 硬件是系统的可见部分 是计算机系统工作的基础 而软件是帮助用户使用计算机硬件以完成数据的输入 处理 输出及存储等活动 而计算机网络是现代计算机技术与通信技术密切结合的产物 是随着 社会对信息共享和信息传递的要求而发展起来的 它用通信介质把分布在不同地理位置的 计算机和其他网络设备连接起来 实现了不同企业或组织之间的信息互通和资源共享 是 信息系统运行的基础 学完本章 应掌握以下主要内容 一个完整的计算机系统有哪几个组成部分 每一部分的主要功能 理解计算机系统平台的概念 掌握计算机硬件平台和软件平台的功能组成 五种网络拓扑结构的特点和优缺点 TCP IP 协议的具体内容 TCP IP 协议的分层结构与 OSI 模型的分层结构的对应关 系 C S B S 两种主要的网络体系结构的特点和各自具有的优缺点 第一节第一节 计算机系统平台计算机系统平台 一一 计算机系统组成计算机系统组成 计算机系统由计算机硬件和计算机软件两大部分组成 计算机硬件是指由电子线路 元器件和机械部件等构成的具体装置 是看得见 摸得着的实体 是机器系统 软件是在 计算机中运行的程序 这些程序所使用的数据以及相应文档的集合 仅有计算机硬件是什 么事也做不成的 要发挥硬件的作用 必须配备各种各样的软件才有可能 因此 硬件一 旦确定 计算机用得好不好的关键是软件 从这个角度来说 计算机软件比硬件具有更重 要的地位 如果说计算机硬件是计算机的肌体 那么计算机软件则是计算机的灵魂 计算 机系统组成如图 4 1 所示 2 计 算 机 系 统 硬件系统 存储器 CPU 控制器 运算器 I O 设备 软件系统 系统软件 应用软件 中间件 操作系统 语言处理程序 数据管理系统 服务程序 汇编程序 编译程序 解释程序 编辑程序 调试程序 诊断程序 链接程序 通用软件包 用户编写应用 图 4 1 计算机系统结构图 二二 计算机系统的发展计算机系统的发展 从 1949 年 第一台可操作的电子计算机的诞生到现在 计算机系统经历了几个大的 发展阶段 计算机系统的每一次技术变革和技术创新都引发了一次新的生产力飞跃 将人 类社会推向一个新的阶段 20 世纪 50 年代初到 50 年代末 是计算机系统的第一个发展阶段 这一阶段是真空电 子管计算机的应用时期 计算机硬件的基本电子元件是电子管 内存储器采用的是水银延 迟线 外存储器主要包括磁鼓 磁带 纸带等 这时候的应用程序主要采用二进制码表示 的机器语言进行编程 程序设计主要由计算机专业技术人员完成 编程工作十分复杂 由 于技术条件的限制 这一阶段计算机系统的特点是计算速度慢 为每秒几千次至几万次 内存容量小 仅有几千个字节 而且耗电多 体积庞大 维护困难 价格昂贵 主要用于 科学和工程计算 20 世纪 50 年代末到 60 年代中期 是计算机系统的第二个发展阶段 这一阶段 计算 机中的电子管被晶体管替代 晶体管计算机由此诞生 此时内存储器是磁性材料制成的磁 心存储器 外存储器主要包括磁盘 磁带等 同时 计算机软件有了较大发展 出现了操 作系统 应用程序也逐渐采用高级程序语言进行设计 与电子管计算机相比 晶体管计算 机在速度和可靠性上得到较大的提高 同时 体积缩小 成本下降 功耗降低 应用范围 逐渐扩大 除用于科学研究和工程计算外 还应用于商业数据处理等更广泛的领域 3 20 世纪 60 年代中期到 70 年代末 是计算机系统的第三个发展阶段 随着固体电子技 术的发展和集成电路工艺技术的应用 这一时期的计算机主要采用小规模集成电路 small scale integration SSI 作为主要逻辑器件 内存开始采用半导体存储器 与 此同时 在计算机软件方面 操作系统逐步完善 出现了多种高级程序设计语言 集成电 路计算机的运算速度有了更大的提高 每秒可达几十万次到几百万次 这个时期的计算机 设计思想已逐步走向标准化 计算机硬件向品种多样化 类型系列化方向发展 计算机的 性能和可靠性有了很大的提高 应用范围更加广泛 20 世纪 70 年代末至今 是计算机系统的第四个发展阶段 这一时期的计算机的主要 逻辑器件采用了大规模集成电路 large scale integration LSI 和超大规模集成电路 very large scale integration VLSD 运算速度每秒可达几百万次到几亿次 内存采 用的是集成度更高的半导体芯片 存储容量从几兆字节发展到了几千兆字节 在系统结构 方面 多处理机系统 分布式系统 计算机网络的研究进展迅速 在计算机软件方面 系 统软件逐渐向智能化方向发展 而各种应用软件也不断的推出 应用范围延伸到了社会生 活的各个角落 计算机特别是微型计算机的应用也开始普及 目前 日本和一些西方国家正在开展和推进第五代计算机的研制工作 第五代计算机 将在逻辑器件 处理技术和体系结构等方面有新的突破 三 计算机系统平台三 计算机系统平台 平台的语文含义是指高出地面或水面的一片平地 如火车站台 钻井平台及跳水平台 等 借助其概念的抽象性 在计算机界 平台被借用来指代类似的能够提供方便的 提高 水准的基础硬件 基础软件或者开发工具 计算机系统是一个非常复杂的硬件和软件结合 而成的有机整体 在使用计算机时 可根据需要选择某一层次 去观察分析计算机系统的 组成 性能和工作机理 或进行层次的设计工作 有了系统平台的概念后 我们在构造一个大型的 复杂的系统时 可以遵循结构化设 计策略的指导 按平台 分层次的逐步加以实现 使系统开发的组织效率和工作效率得到 进一步提高 同时 开发完成的系统在运行过程中也更易于调试 维护和扩充 一般而言 计算机系统平台主要分为两大类 计算机硬件平台和软件平台 图 4 2 是计算机系统分层 平台示意图 应用系统平台 中间件平台 操作系统平台 硬件平台 图 4 2 计算机系统平台的构成 高 层次 粒度 小 大 低 最基本的计算机平台是硬件平台 主要是指中央处理器及其相应的总线结构 在其之 上是软件平台 传统上 软件只有一层基本运行平台 也就是操作系统平台 一般的应用 软件就直接地运行在操作系统之上 随着技术的发展和软件应用数量的增加 中间件开始 出现 中间件的产生和发展是软件演进的必然结果 中间件平台是适合于某一类应用或功 能的一个运行平台 网络应用中有很多基础性的部分可以在绝大多数的网络应用之间共享 把它们归纳集中在一起成为一个平台 就可以很好地提升软件的开发效率 对于软件平台来说 运行平台的概念逐步地推广 由此产生了开发平台的概念 比如 4 说 JAVA 提供了一套比较完整的编程接口 因此也称为 JAVA 平台 有的软件工具 比如微 软的 VISUAL STUDIO NET 本身可以进一步地扩展 增加功能 因而也称为一个开发工具平 台 不管是运行平台也好 开发平台也好 分层平台反映了服务的思想 下层平台对上层 平台提供一些服务 越往上服务的力度越大 越接近于应用领域 所用的平台层次越高 应用的开发越容易 如果说我看得比别人远些 那是因为我站在巨人的肩膀上 好的 软件平台就是这样一个巨人的肩膀 计算机硬件平台 计算机硬件平台的组成如图 4 3 所示 图 4 3 计算机硬件平台的组成 由图 4 3 可以看出 计算机的硬件平台主要由输入设备 输出设备 存储器 运算器 和控制器五个部分组成 输入设备 输入设备的功能是把原始数据和处理这些数据的程序通过输入到计算机的存储器中 键盘是最常用的输入设备 它是现代计算机系统 特别是微型计算机系统中不可缺少 的人机对话工具 用来输入主要由字符和数字组成的数据和程序 键盘的按键包括数字键 字母键 符号键 功能键和控制键 每个按键都对应它惟一的代码 当把某个按下去时 键盘驱动电路发出一串代码 键盘的控制电路接收并向 CPU 发出请求 CPU 响应请求后就 把此数据读入 所以 从本质上讲 键盘是通过按键把机械信号转换为电信号的机电转换 设备 鼠标器 Mouse 用以确定显示器屏幕位置坐标 是近年来在一些菜单式软件和图形 系统中常用的输入设备 鼠标器使用方便灵活 可靠 它的应用日趋广泛 其他输入设备还有 把图形的模拟量转换成数字量输入计算机的图形输入设备 图形 数字化仪 在显示器屏幕上输入 修改图形或写字的光笔 广泛应用于商品流通管理 图 书管理等领域的条形码阅读器 数码相机 扫描仪以及各种模 数 A D 转换器等 输出设备 输出设备的功能是用来输出计算机的处理结果 输出的形式可以是数字 字母 表格 图形等 最常用的输出设备是显示器和打印机 还有绘图仪 X Y 记录仪 各种数 模 5 D A 转换器等 存储器 存储器 Memory 是计算机用来存放程序和数据的记忆部件 是计算机各种信息存放 和交流的中心 它的基本功能是在控制器的控制下按照指定的地址存入和取出信息 一个 存储器有许多存储单元 一个存储单元由若干个存储元组成 一个存储元存放一个二进制 信息 0 或 1 所有的存储单元都按顺序编号 这些编号称为地址 存储器可分为内存储器与外存储器 简称为内存与外存 内存是由中央处理器直接访问的存储器 它用来存放当前运行的程序和数据 也可以 存储计算的结果或中间结果 由于其直接和运算器 控制器交换信息 因此要求存取速度 快 但存储容量较小 目前许多微型机的内存储器都采用大规模集成电路制成的半导体存 储器 半导体存储器具有存储密度大 体积小 重量轻 存取速度快等优点 并且使用灵 活 微型计算机的不断升级换代 也要求其内存容量不断增加 大规模集成电路 超大规 模集成电路制造工艺的进步 使这一要求成为可能 现代微型计算机内存容量一般都在 64MB 以上 内存通常由两种半导体存储芯片随机存取存储器随机存取存储器 RAM Random Access Memory 和只读存储器只读存储器 ROMROM Read Only Memory 组成 通常叫做主存储器 RAM 主要存放 计算机执行的程序及程序执行的结果 其特点是可以随机存取和读写信息 但当计算机断 电时 RAM 中的数据也随之丢失 ROM 中的信息只能读出而不能写入 断电后 ROM 中的原 有内容保持不变 在计算机重新接通电源后 ROM 中的内容仍可被读出 因此 ROM 常用来 存放一些固定的程序如自检程序 字库等 外存储器简称 外存 是主机的外部设备 用来存储大量的暂时不参加运算或处理 的数据和程序 因而允许速度较慢 一旦需要 可成批地与内存交换信息 它是主存储器 的后备和补充 因此叫它为 辅助存储器 如磁盘存储器等 外存的特点是存储容量大 可靠性高 价格低 在脱机情况下可以永久保存信息 外存按存储介质分为磁表面存储器 和光存储器 现在人们使用的磁表面存储器主要是磁盘和磁带 微机上使用的主要是硬盘 存储器和软磁盘存储器 近年来光存储器如 CD ROM DVD 等已得到越来越多的应用 现在 的半导体存储器 闪存 Flash Memory 即通常所说的 U 盘 也日益为人们所熟悉 并大 有取代软磁盘存储器之势 中央处理器 CPU 中央处理器 Central Processing Unit CPU 是电脑中处理信息及控制系统操作的 中枢 中央处理器主要由两个部分组成 运算器和控制器 如图 4 3 所示 运算器 运算器的功能是在控制器的指挥下 对信息或数据进行处理和运算 包括算术运算和 逻辑运算 所以在其内部有一个算术逻辑运算部件 ALU Arithmetic Logic Unit 因为所有 的算术运算基本上都可以分解为加法和移位两种基本操作 运算器中还有存放运算对象和 运算结果的寄存器 包括移位寄存器和若干通用寄存器 运算器的功能可以归纳为 实现对数据的算术和逻辑运算 暂时存放参与运算的数据和某些中间运算结果 挑选参加运算的数据 并把运算结果输到所要求的部件中 控制器 控制器是计算机的控制中心 用来实现计算机本身运算过程的自动化 它指挥计算机 6 各部件按照指令功能的要求进行所需要的操作 它从存储器中取出指令 分析指令 指令 译码 产生一系列的控制信号 去控制计算机各部件协调地工作 并控制程序的执行顺序 因此 控制器的主要工作是不断地取指令 分析指令和执行指令 总线 Bus 为了节省计算机硬件连接的信号线 简化电路结构 计算机各部件之间采用公共通道 进行信息传送和控制 计算机部件之间分时占用着这些公共通道进行数据的控制和传送 这样的通道简称为总线 共分成以下 3 类 数据总线 DBUS Data Bus 数据总线用来传输数据信息 是双向传输的总线 CPU 既可通过 DBUS 从内存或输入设 备读入数据 又可通过 DBUS 将内部数据送至内存或输出设备 地址总线 ABUS Address Bus 地址总线用于传送 CPU 发出的地址信号 是一条单向传输总线 目的是指明与 CPU 交 换信息的内存单元或 I O 设备的地址 控制总线 CBUS Control Bus 控制总线用来传送控制信号 时序信号和状态信息等 其中有的是 CPU 向内存和外设 发出的控制信号 有的则是内存或外设向 CPU 传递的状态信息 相关链接相关链接 新一代并行技术的发展和应用新一代并行技术的发展和应用 英特英特尔尔迅迅驰驰双核移双核移动计动计算技算技术术 1 并行技术可分为硬件层面的并行技术和软件层面的并行技术 基于硬件的并行技术则 主要集中在计算机的中央处理器上 包括指令级的和处理器级的并行开发 指令级的并行开 发在力求 CPU 与其他部件并行工作的同时 努力改变 CPU 内部 取指令 分析指令 执行 指令 再到指令 的串行工作方式 让后一条的指令与前一条的分析指令以及再前一条的 执行指令并行地进行 使一个时钟周期内 CPU 可以处理 3 条甚至更多的指令 指令级的并 行性开发的主要目的是在硬件条件 集成度 速度等 的限制下 从结构上加以改进 提高系 统的运行速度 不过 指令级的并行性开发是从处理器内部的结构入手 但它提高处理速度 的效果一般在 5 10 倍以内 要想成十倍 成百倍地提高处理速度 就要使用处理器级的并行 技术 处理器级的并行开发是建造有多台处理器或多台计算机组成的计算机系统 单个处理 器的能力总是有限的 如果让多个处理器同时协同工作 就可以大大提高计算机系统的性能 2006 年 1 月 英特尔有限公司推出两款面向新一代家用电脑和笔记本电脑的新平台 英特尔 Viiv 技术平台和英特尔迅驰双核移动计算技术平台 这两款新平台旨在进一步推动 消费者在家中 工作和出行途中新的数字生活方式 采用英特尔 Viiv 技术的娱乐电脑使人们 可以更加轻松地在家中浏览 管理并共享数字娱乐内容和信息 而英特尔迅驰双核移动计算 技术提供了突破性的性能 能够为人们带来真正的移动娱乐体验 并提高移动工作的响应速 度和工作效率 新平台的核心组件是采用英特尔领先的 65 纳米制程技术制造的英特尔全新 1 来源 天极网 7 双核处理器 其中包括英特尔酷睿双核处理器 该款处理器的突出优势在于其独特的设计 两枚处理器被集成在一个邮票大小的封装内 加上它具有突破性的低功耗性能 使得充满创 意的台式机和笔记本电脑设计成为可能 每块英特尔酷睿双核处理器中均包含有两个经过为移动计算优化的执行内核 这一设 计可利用专用的 CPU 资源 在单独的内核中执行并行线程或应用 因此 在同时运行多个要 求苛刻的应用时 英特尔酷睿双核处理器可以保证极为卓越的性能和更快的系统响应速度 此外 多线程应用的性能也得到了相应提升 英特尔酷睿双核处理器具有一个高性能的内核 架构 该内核架构采用了微操作融合以及高级堆栈管理 Advanced Stack ManaGement 技术 因而能够在最大限度提高性能的同时 优化能效 微操作融合技术整合了相同宏操作 macro op 中的多个微操作 高级堆栈管理则可以在局部范围内追踪有关堆栈指针的变化 从而降 低堆栈相关操作中的微操作数量 微操作数量的减少意味着 可以在能耗更低的情况下 更 加有效地实施调度 按需 提供性能 计算机软件平台 计算机软件平台按照功能和应用范围可以分解为系统软件平台 中间件平台和应用软 件平台三个部分 系统软件平台 系统软件是计算机系统必备的软件 主要功能是管理 监控和维护计算机资源 包括 硬件和软件 以及开发应用软件 用户在购置计算机时 一般都根据需要及可能配备了相 应的系统软件 系统软件包括的 4 种类别的软件 操作系统 操作系统是最底层的系统软件 它是对硬件功能的首次扩充 也是其他系统软件和应 用软件能够在计算机上运行的基础 它主要用来对计算机系统中的各种软 硬件资源进行 统一的管理和调度 如 MS MOS 和 PC DOS 是 IBM PC 系列微型计算机及其兼容机的操作系统 Windows 是微机使用的图形界面的操作系统 UNIX 则为许多种型号计算机 包括大 中 小型 高档微型机 所采用的多用户操作系统 各种语言处理程序 各种程序设计语言 如汇编语言 FORTRAN Pascal C Basic 等高级语言所编写的 源程序 计算机是不能直接执行的 必须经过翻译 对汇编语言源程序是汇编 对高级语 言源程序则是编译或解释 这些翻译程序就是语言处理程序 包括汇编程序 编译程序和 解释程序 它们的基本功能是把用面向用户的高级语言或汇编语言编写的源程序翻译成机 器可执行的二进制语言程序 系统支撑和服务程序 这些程序又称工具软件 如系统诊断程序 调试程序 排错程序 编辑程序 查杀病 毒程序等等 都为维护计算机系统的正常运行或支持系统开发所配置的软件系统 数据库管理系统 主要用来建立存储各种数据资料的数据库 并进行操作和维护 在 IBM PC 系列微型计 算机上运行的最普及的数据库管理系统是 Dbase FoxPro 和 Visual FoxPro 它们是一 种关系型数据库管理系统 应用软件平台 8 为解决计算机各类应用问题而编制的软件称为应用软件 应用软件具有很强的实用性 随着计算机应用领域的不断拓展和计算机应用的普及 各种各样的应用软件与日俱增 它 又可分为用户程序和应用软件包 它是由系统软件开发的 程序设计语言 要使用计算机解决某一实际问题 就需要编写应用程序 编写计算机程序 就必须掌 握计算机的程序设计语言 程序设计语言分为 3 种类型 机器语言 汇编语言和高级语言 A A 机器语言机器语言 计算机每一条最基本的操作称作指令 一台机器所有指令的集合称作该机器的指令系 统 指令通常由操作码和地址码组成 操作码表示操作的性质 即计算机执行的是什么操 作 地址码指出了参加运算的数据存放在什么地址上 这些操作码和地址码都是用二进制 数码表示的 这一系列的机器指令就是机器语言 机器语言是一种二进制语言 用机器语 言编写程序就是用机器指令来描述的求解问题的过程和步骤 这样的程序称为机器语言程 序 或二进制语言程序 由于计算机的机器指令与计算机的硬件密切相关 所以用机器语言编写的程序具有充 分发挥硬件功能的特点 程序也容易编写得紧凑 机器语言又是计算机惟一能直接识别 直接执行的计算机语言 所以程序的运行速度很快 但是用机器语言所编写的程序很不直 观 难懂 难写 难记 也难以修改和维护 同时 机器语言是每种计算机所固有的 不 同类型的计算机 其指令系统和指令格式都不一样 针对某一种型号计算机所编写的程序 就不能在另一种计算机上运行 即机器语言程序没有通用性 机器语言只在计算机发明初 期使用 B B 汇编语言汇编语言 汇编语言和机器语言基本上是一一对应的 但在表示方法上作了根本性的改动 用一 种助记符来代替操作码 用符号来表示操作数地址 地址码 这些助记符通常使用英文单 词的缩写 以便于记忆 又缩短了冗长的书写 给程序的编写带来很大的方便 汇编语言比较直观 易懂 易用 而且容易记忆 它的特点是与特定的计算机结构及 其指令系统密切相关 其助记符操作码与其机器语言操作码是一一对应的 不同 CPU 的计 算机 针对同一问题所编写的汇编语言程序往往是互不通用的 用汇编语言编写的程序质 量高 执行速度快 占用内存少 因此常用于编写系统软件 实时控制程序 经常使用的 标准子程序和用于直接控制计算机的外部设备或端口数据输入输出程序等 汇编语言和机 器语言一样 也是面向机器的程序设计语言 通用性差 使用仍不方便 机器语言和汇编 语言一般都称为低级语言 C C 高级语言高级语言 使用汇编语言编写程序 虽然比用机器语言方便得多 但它仍没有摆脱机器指令的束 缚 这对于人们抽象思维和学术交流十分不便 人们需要有更接近思维逻辑习惯 容易读 写和理解 且有很强描述解题方法的程序设计语言 经过许多人的不断努力 面向问题的 程序设计语言 各种高级语言 发明了 用高级语言编写程序是用一系列的语句 或函数 组成的 每一条语句常常可以对应 几条 十几条 甚至几十 上百条机器指令 所以用高级语言编写计算机程序大大提高了 9 编程效率 而且由于高级语言的的书写方式更接近人们的思维习惯 这样的程序更便于阅 读和理解 出错时也容易检查和修改 给程序的调试带来了很大的方便 高级语言更容易 为人们所接受 这样就使得非计算机专业人员能够使用计算机 大大地促进了计算机的广 泛应用和普及 所以有人说 高级语言的发明是计算机发展史上最惊人的成就 高级语言 的种类很多 从 20 世纪 50 年代中期研制出 FORTRAN 语言起 到现在已有几百种 而且还 在不断地设计出新的高级语言 最常用的有十几种 如 FORTRAN ALGOL COBOL C Pascal Basic LISP LOGO PROLOG FoxBASE 等 在不断 设计出新的高级语言的同时 这些程序设计语言本身也在不断的发展 用户程序 用户程序是用户为解决自己特定的具体问题而开发的软件 编制用户程序应充分利用 计算机系统的现有软件 在系统软件和应用软件包的支持下进行开发 各种各样的科学计 算程序 工程设计程序 数据处理程序 自动控制程序 企业管理程序 情报检索程序等 都是用户程序 应用软件包 应用软件包是为实现某种特殊功能或特殊计算 经过精心设计的独立软件系统 是一 套满足同类应用的许多用户需要的软件 应用软件包的种类很多 可以说 凡是应用计算 机的行业都有适合本行业的应用软件包 例如 Microsoft Office 是 Microsoft 公司开发 的一套包含字处理软件 Word 表格处理软件 Excel 文稿演示软件 PowerPoint 数据库软 件 Access 等集成的办公自动化应用软件包 中间件平台 随着 Internet 的迅速发展 应用程序的规模不断扩大 许多应用程序需在网络环境的 异构平台上运行 这对软件开发提出了新的要求 在这种分布异构环境中 通常存在不同 硬件平台 不同的操作系统 不同数据库系统 以及多种风格各异的用户界面 而且这些 硬件系统平台还可能采用不同的网络协议和网络体系结构连接 如何把这些系统集成起来 并开发新的应用是一个非常现实而困难的问题 为了解决这一问题 人们提出了中间件 middleware 的概念 它的主要作用是用来屏蔽网络硬件平台的差异性和操作系统与网络 协议的异构性 使应用软件能够比较平滑地运行于不同平台上 中间件技术的发展将有机 地结合操作系统 系统集成以及网络技术的发展 成为推动软件技术革命的中坚力量 中间件的基本定义是指位于底层的操作系统平台和上层应用之间的软件和服务 而且 这些软件和服务具有标准的程序接口和协议 针对不同的操作系统和硬件平台 它们可以 有符合接口和协议规范的多种实现 中间件的主要特点是支持分布计算 支持标准的协议 支持标准的接口 由于标准接 口对于可移植性和标准协议对于互操作性的重要性 中间件已成为许多标准化工作的主要 部分 对于应用软件开发 中间件提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境 不管底层的计算机硬件和系统软件怎样更新换代 只要将中间件升级更新 并保持中间件 对外的接口定义不变 应用软件几乎不需任何修改 从而保护了企业在应用软件开发和维 护中的重大投资 中间件所包括的范围十分广泛 针对不同的应用需求涌现出多种各具特 色的中间件产品 中间件最初只有分布对象中间件 消息中间件 数据库中间件等几种通 用类型 目前 随着在专业应用领域的广泛使用 Web 中间件 XML 中间件以及电子商务 中间件 财务中间件等产品逐步投放市场 10 随着软件应用复杂程度的增加 单一的中间件产品已难以胜任 因此 构建中间件软 件平台成为一种必然趋势 中间件平台是采用多种不同的中间件产品搭建起适用的软件支 撑环境 能够作为单独的中间件产品使用 又能够提供完整的软件平台支撑功能 具备优 异的灵活性和可扩展性 中间件平台是实现了开发 部署 运行 管理 集成和安全的一 体化开放平台 案例说明 中间件在电信呼叫案例说明 中间件在电信呼叫 2中心系统中的应用案例 中心系统中的应用案例 2 中间件在电信呼叫中心系统的建设中是比较关键的技术 其中应用最广泛的是 CTI 中 间件和数据库中间件 CTI 中间件在计算机网和电信网之间发挥桥梁和纽带作用 而数据库 中间件是数据使用者和核心数据库之间的桥梁 用来解决电信运营商计费数据库的安全访 问问题 下面通过一个案例介绍这两种中间件在呼叫中心系统中的应用 假设中国移动的一名客 户被莫名停机了 那么对客户来说 最方便的方式是拨打 10086 移动服务热线去询问是怎么 回事 该客户拨打 10086 移动的交换局把这个电话路由到呼叫中心的交换机 交换机会获 得客户的手机号码等信息 并把这个呼叫分配到自动语音应答系统 IVR 然后 IVR 根据用 户的操作把电话转接到人工服务 话务员接听该客户的电话 注意 到这里为止 所作的一切 都是在电信网发生的事情 就在话务员接听客户电话的同时 她的电脑上会弹出有关客户详 细信息的资料框 这是怎么来的呢 这就是 CTI 中间件的作用 从客户的电话被分配到 IVR 的时候开始 会产生很多事件 包括振铃 应答 数据交换 用户与 IVR 交互时的按键动作 IVR 转接人工服务等 这些事件信息连同客户的手机号码全部被送到 CTI 中间件 CTI 中间 件再把这些信息送到客户端 也就是话务员的电脑 然后 客户端程序才能根据客户的手机 号码从用户资料数据库中获取详细资料 显示在电脑屏幕上 话务员也可以通过客户端程序 发送挂机或转接电话命令到 CTI 中间件 CTI 中间件再把命令发送到交换机 交换机执行命 令 电话接通后 该客户询问话务员为什么他的手机被停机 话务员请他稍等 然后通过客 户端软件查询客户账户的当前状态 这里就要通过数据库中间件来处理客户端的查询请求 客户端肯定不能直接去查询计费数据库 因为成百上千的客户端同时访问很可能导致数据 库反应缓慢 甚至崩溃 数据库中间件提供安全访问的机制 所有来自客户端的请求都要在 这里排队 通过数据库中间件向核心数据库发送请求 然后把核心数据库的应答返回给客户 端 数据库中间件控制并发请求的数量 保证核心数据库的负载均衡 问题讨论问题讨论 1 呼叫中心系统中 CTI 中间件的功能在传统的电话客户服务系统如何实现 2 数据库中间件在其他应用系统中的应用 第二节第二节 计算机网络计算机网络 2 来源 赛迪网技术应用 11 一一 计算机网络的基本知识计算机网络的基本知识 利用通信线路将分散在不同地方 具有独立功能的计算机连接起来 并按照一定的通 信规则实现这些计算机之间资源与数据的共享 这样的一个计算机集合便称为计算机网络 计算机网络与通信技术是现代信息技术的重要组成部分 计算机网络正逐渐成为人类信息 交流的主要媒体之一 了解网络的基本知识已成为现代社会每一个人所必须具有的技术素 质 网络设备 网络设备是指构成整个网络的基本 必需的硬件设备 这些设备包括 用于信息通信 的网络传输设备 如 光纤 同轴电缆 双绞线等 用于网络连接和终端连接的网络连接 设备 如集线器 中继器 以及路由器 网关等 网络传输设备 双绞线 双绞线是最常用的传输媒体 它是由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成 最早用于 电话系统的通信模拟信号的传输 双绞线既可以用于传输模拟信号也可以用于传输数字信 号 普遍用于近距离的点对点连接 其优点是成本便宜 缺点是传输数据的速度极慢 且 快速传输会引起数据的相互干扰 不过 随着通讯技术的发展 目前的双绞线的实用速度 可达到每秒 10M 位 这对个人电脑与办公室其他设施的连线 通常已足够了 同轴电缆 同轴电缆是由一对导体按同轴形式构成线对 其结构如图所示 最里层是内芯 外包 一层屏蔽层 最外面是起保护作用的塑料外层 同轴电缆适用于点对点和多点连接 其优 点是传输速度较快 每秒可达到 200M 位 通常用于较重要的通讯网络连接上 光纤 光纤是由能够传导光波的石英玻璃纤维 外加保护层构成 用光纤传输电信号时 先 将数据转换成光信号 然后由激光系统以每秒 500K 位至数 10 亿位速度传送 光纤通信具 有损耗低 数据传输率高 抗电磁干扰能力强等优点 对于需要极高速度 或极高保密性 的网络连接 使用光纤是十分合适的 微波 微波是通过大气传输的高频率的广播信号 通常运用于长距离 点对点的信息传输 不需要架设或铺埋电缆或光纤 因为频率很高 可同时传送大量信息 微波讯号是沿直线 传播的 不随地面的曲度而折射 因此微波在地面的传输距离有限 直线传播的距离与天 线的高度有关 天线越高距离越远 但超过一定距离后就要用中继站来接力 一般每隔 25 到 30 英里就需要设置一个中继站 因此 微波的使用成本非常高 通讯卫星 卫星通信是微波通信中的一种特殊形式 它是利用与地球同步的通讯卫星作中继来转 发微波信号的 通讯卫星的轨道一般在地球上方 22000 英里处 一个通讯卫星可以覆盖地 球的 1 3 以上表面 三个这样的卫星就可以覆盖地球上全部通信区域 因此卫星通信可以 克服地面微波通信距离的限制 使地球上的各个地面站之间都可以相互通信了 12 网络连接设备 中继器 中继器 Repeater 是网络的一种介质连接设备 电磁信号在传输介质中传递时 由于 衰减和噪声使有效数据信号变弱 中继器实际上是一种信号再生放大器 它将接收到的弱 信号数据予以放大再生 集线器 集线器 HUB 可以说是一种特殊的中继器 它作为网络传输介质间的中央节点 克 服了单一介质的限制 可连接各个电缆段 目前有四种类型的集线器 不具备网管功能的 集线器 具备网管功能的集线器 可堆叠 stackable 集线器和智能型集线器 路由器 路由器是一种根据目的站地址等读到的其他信息在不同的 独立的局域网段之间传送 数据的设备 路由器主要连接不同的逻辑连接控制 用来决定网络传送最有效的路径 使 分组以最快 最直接的路由通过网上的不同通道 原则上它只能连接相同协议的网络 而 不适合用于使用多种协议的网络 网关 网关是一种连接两个异构系统 特别是两个不同协议系统的设备 它可执行协议的转 换 使不同协议的网络实现通信 计算机网络的类型 按网络的拓扑结构分类 拓扑学是几何学的一个分支 是一种研究与大小 形式无关的点和线特征的方法的集 合 为了分析和研究复杂的计算机网络系统 人们采用拓扑学中研究点 线特征的方法 将网络中起信息转换或信息访问作用的设备定义为结点 将结点间的通信线路定义为链路 计算机网络是由一组结点和链路组成 网络结点和链路构成的几何图形就是计算机的网络 拓扑结构 网络的拓扑结构有很多种 可分为星型 环型 树型 网型和总线型等五种类 型 如图 4 4 所示 a 星型 b 树型 c 环型 b 网型 b 总线型 图 4 4 计算机网络拓扑结构 13 星型结构 在星型网络结构中 所有的结点都通过独立的链路与一个中心交汇点相连 中心结点 外的任何两个结点之间没有直接连通的线路 这种结构适用于主从式网络 采用集中式控 制 这种网络结构的优点是结构简单 维护管理比较容易 缺点是通信线路连线长 线路 成本高 安装工作量大 环型结构 在环型网络结构中 所有结点连接成一个环形回路 每个结点同时与两个结点相邻 环上每个结点都是平等的 均可向其他结点发送信息 环中的数据沿环单一方向传输 信 息流是单向的 这种网络结构的优点是通信线路总厂较短 安装比较容易 故障诊断比较 容易和准确 缺点是 可靠性比较差 回路中任意一个结点出现故障时会影响整个回路的 通信 树型结构 在树型结构中 所有结点按级分层连接 同一结点可以和多个结点相连 结点之间的 连接像一棵倒挂着的树 这种网络结构的优点是通信线路总长较短 易于扩展 故障隔离 容易 缺点是结构复杂 可靠性比较差 如果根结点出现故障将导致整个网络不能正常工 作 网型结构 在网型结构中 任何一个结点至少有两条链路与其它结点相连 每个结点都具有选择 链路和控制信息流的功能 这种网络结构的优点是可靠性高 某一线路或结点出现问题时 不会影响整个网络的运行 缺点是通信线路较长 硬件成本较高 网络管理比较复杂 总线型 在总线型网络结构中 所有结点都连接在一根称为总线的中心传输线上 总线上的任 何一个结点都是平等的 任何时候它们中的任何一个都可以主动发送信息 当一个结点发 送信息时 其他结点则被抑制发送信息 但允许接收信息 如果出现两个或两个以上结点 同时需要发送信息 则需要有某种仲裁机制来解决可能引起的冲突 这种网络结构的优点 是结构简单 易于安装 而且可靠性高 缺点是故障诊断和故障隔离比较困难 而且一旦 总线发生故障 将导致整个网络陷入瘫痪 按地理覆盖距离分类 从网络的地理覆盖范围来分 网络可分为两种类型 一种是局域网 Local Area Network LAN 另一种是广域网 Wide Area Network WAN 局域网 局域网是指在一个相对较小的区域内的计算机互联网络 这个较小的区域可以是一间 房间 一幢建筑物 一个企业或学校 甚至是一个方圆几十公里的区域 局域网具有距离 短 传输速率高 一般不使用公用通信线路 网络上的任何设备可以和其他设备进行交互 网络上包括 PC 机和共享资源 如 打印机 大容量磁盘等 局域网上的设备称为节点 节 点之间用电缆连接 常用的几种局域网络包括 以太网 Ethernet 令牌环网 Token Ring 快速以太网 Fast Ethernet FDDI 光纤分布式数据接口 ATM 异步传输模式 等 14 广域网 广域网是一种地理范围分布较广的网络 网络覆盖区域可以是一个城市 一个国家 甚至是整个世界 广域网既可以是个很大的网络 也可以是由若干局域网组成 广域网用 于通信的传输装置和介质 一般由电信部门提供 能实现较大范围的资源共享 因特网就 是一个典型的广域网 二二 网际互联技术 网际互联技术 OSI 模型和模型和 TCP IP 协议协议 网际互联是通过主干网络把不同标准 不同结构甚至不同协议类型的局域网在一定的 网络协议的支持下联系起来 从而实现更大范围的信息资源共享 为了实现网络互联 国 际标准化组织 ISO 提出了开放系统互联 Open System Interconnection OSI 参考模型 凡按照该模型建立起来的网络就可以互连 Internet 就是在 TCP IP 协议下实现的全球性的 互连网络 而该协议则或多或少地遵循了 OSI 模型 OSI 模型 在局域网和广域网中 不同的主机 不同用户的网络实现互联需要一致的协议和统一 的标准 为了建立一个使各种计算机在世界范围内实现网络通信的概念性标准框架 国际标准 化组织 ISO 于 1984 年提出了一个指导网络通信的参考模型 开放系统互连网络参考模型 简称 OSI 模型 OSI 模型是一个理论参考模型 它给出了计算机网络的一些原则性说明 并提出了一 套严格的网络通信准则和接口规范 它不是一个具体的网络 也不是一套特定的通讯设备 或软件 O S I 模型主要提供以下功能 使得不同类型的 L A N 和 WAN 间进行通信 提供网络设备标准化 协调使用不同协议的网络设备之间的通信过程 使旧的网络设备可与新的网络设备通信 因此安装了新设备后 不必要更换原有设 备 从而协助用户投资维持较长的一段时间 对于网络内和网络间的通信 允许使用通用接口开发软硬件 确保数据传输被正确接收的方法 使世界范围内的网络通信成为可能 使通信在不同的制造商的设备和应用软件所形成的网络上的进行成为可能 根据 OSI 模型各层次的关系 发现并解决网络故障问题 OSI 模型是一个网络层次结构模型 它将网络计算机的整个远程通讯任务划分为七个 更小 更易于处理的功能组 每个功能组对应为一个 OSI 层 如图 4 5 所示 分别为物理 层 Physical Layer 数据链路层 Data Link Layer 网络层 Network Layer 传输层 Transport Layer 会话层 Session Layer 表示层 Presentation Layer 和应用层 Application Layer 将模型分层是使网络通信功能尽可能离散和互相独立 每一层都是独 自存在的 因此分配到各层的功能可以独立地执行 层与层之间的联系是通过各层之间的 接口来进行的 上层通过接口向下层提出服务请求并接收数据 而下层通过接口向上层提 供服务 这样一层有变化时不必改变其它层 同时使得其中某个层次提供的解决方案能够 在不影响其他层的情况下被更新 15 图 4 5 OSI 参考模型 两个用户计算机通过网络进行通信时 每个用户的计算机都有这七层的功能 用户的 报文从任务从发送方计算机的应用层开始 经由较低的层格式化某类信息 直至数据到达 物理层 然后通过网络传输到接收方计算机 接收方计算机的物理层获取信息 向上层发 送信息以解释信息 直接到达应用层 除了物理层之外 其余各对等层之间均不存在直接 的通信关系 而是通过各对等层之间的通信协议来进行通信 只有两个物理层之间通过传 输介质进行真正的数据通信 完成这 7 层功能的硬件和软件包含计算机网络操作系统 应 用程序 TCP IP 或其他传输协议 以及能把输入信号传递到与计算机相连的电缆的硬件和 软件 物理层 物理层是 OSI 模型的最低层 其功能主要包括为数据链路层提供网络的物理连接 在 通信线路上传输数据比特的电脉冲信号 确定网络连接设备的电气特性和机械特性等 物理层的协议主要规定了计算机或终端和通信设备之间的接口标准 包含接口的机械 电气 功能和规程四个方面的特性 典型的物理层协议包括 EIA RS 232 系列 CCITT V 24 EIA RS 443 ISO 2593 等 物理层使用的设备主要用来传输 接收网络信号 处理数据传输速率 监控数据出错 频率 产生 携带并检查电压电平等 工作在物理层的设备主要包括电线电缆 物理端口 和附属设备 如 RJ 45 双绞线 同轴电缆 网络接口卡 NIC 串口和并口等 数据链路层 数据链路层的主要功能是负责把上层的数据打包 按一定格式组装成数据链路数据单 元帧 每一帧中带有同步 收发地址 顺序控制 差错及流量控制等信息 然后利用物理层 所建立的物理连接 在两个网络实体之间通过检测和重发等手段 无差错地传送以帧为单 位的数据 数据链路层的协议主要有两类 一类是面向字符的传输控制协议 另一类是面向比特 的传输控制协议 典型的数据链路层协议包括 ATM X2 5 IEEE 802 2 帧中继 Frame Relay 高级数据链路控制协议 High Level Data Link Control HDLC 等 16 工作在数据链路层的设备主要包括集线器 网桥和交换机等 网络层 网络层主要解决的是网络与网络之间的通信问题 其主要功能是选择合适的路由和交 换节点 确定最优网络路径 使上层传下来的分组信息能够正确无误地按照网络地址沿着 该路径传送到目标系统 同时 网络层还具有消除网络拥挤 进行流量控制的功能 网络层主要使用两类协议 路由传送协议 routed protocol 和路由选择协议 routing protocol 典型的网络层协议包括 IP IPX AppleTalk X 25 RIP OSPF 和 BGP 等 网络层的设备主要用来完成路由选择 阻塞控制和网络寻址等功能 工作在网络层的 设备主要包括路由器 Router 和三层交换机 Switch 等 传输层 传输层是 OSI 模型中最关键的一层 该层以上各层将不再管理信息传输问题 只考虑 应用方面的问题 其主要功能包括提供端到端的数据交换机制 为端到端连接提供可靠的 数据传输服务 为端到端连接提供流量控制 差错控制 服务质量 Quality of Service QoS 等 管理服务 典型的传输层协议包括 TCP SPX NetBIOS 和 UDP 等 会话层 两个通信主机的应用进程间的一次连接称为一次会话 如一个用户通过网络登录到一 台主机 或一个正在用于传输文件的连接等都是会话 会话层的主要功能是负责提供建立 协调和终止两个进程间的会话连接等会话管理服务 典型的会话层协议包括 RPC LDAP 等 表示层 表示层负责管理数据的编码方法 对数据进行加密和解密 压缩和恢复 并不是每个 计算机都使用相同的数据编码方案 表示层提供不兼容数据编码格式之间的转换 从而保 证一个系统应用层发的数据可以被另一个系统的应用层读取 具有表示层功能的协议包括 HTTP HTML FTP 和 Telnet 等 应用层 应用层直接面向用户 是 OSI 中的最高层 该层的主要任务是为用户提供应用的接口 服务 即提供不同计算机间的文件传输 访问与管理 电子邮件服务 不同计算机通过网 络交互访问的虚拟终端功能等 具有应用层功能的协议包括 FTP SMTP 和 POP 等 相关链接相关链接 基于基于 OSI 参考模型的计算机参考模型的计算机 3网络通信的过程 网络通信的过程 3 一位用户从一台 PC 机向一台服务器发送一个文件 一旦用户指示应用程序执行文件传 输任务 应用程序就联系网络的 API 第七层 转交这些指令 数据然后被转换成 ASCII 文 本 第六层 并进行压缩 第六层 用户的 PC 机用可解析成 IP 地址的主机名 第五层 请求 连接到主机上 为了建立一个会话 会话请求被分段 第四层 并被封装在 UDP 数据报里 3 来源 17 第四层 网络驱动软件依次接到数据报 将其封装在一个 IP 分组里 其中包括 IP 源地址 目标 IP 地址和其他字段 然后 确定目标服务器的位置 第三层 并且把分组交给以太网络 驱动器 用以太网络的头部和尾部封装分组 称为一帧 最后 物理层阅读该帧的每位比特 产生对应的电压脉冲 沿着网络媒介发送出去 服务器接受到这些电压脉冲 把他们转化成 比特 而且把由 1 和 0 组成的位信息传送给数据链路层 该层把它们再转成帧 以太网头部 包括协议字段 告诉驱动器应把分组放到服务器上的那部分存储器缓冲区 IP 驱动器阅读 IP 头部的协议字段 把分组 数据报 的内容交给 UDP UDP