第四章 计算机技术

第4章计算机技术 4 1数据库系统 1 信息的定义信息是关于现实世界事物的存在方式或运动状态的反映的综合 具体说是一种被加工为特定形式的数据 但这种数据形式对接收者来说是有意义的 而且对当前和将来的决策具有明显的或实际的价值 2 信息的特征信息源于物质和能量 它不可能脱离物质而存在 信息是可以感知的 人类对客观事物的感知 可以通过感觉器官 也可以通过各种仪器仪表和传感器等 不同的信息源有不同的感知形式信息是可存储 加工 传递和再生的 4 1 1数据处理技术的产生与发展 3 数据的定义数据是用来记录信息的可识别的符号 是信息的具体表现形式 4 数据的表现形式可用多种不同的数据形式表示同一信息 而信息不随数据形式的不同而改变 数据的概念在数据处理领域中已大大地拓宽了 其表现形式不仅包括数字和文字 还包括图形 图象 声音等 这些数据可以记录在纸上 也可记录在各种存储器中 5 数据与信息的联系数据是信息的符号表示或载体 信息则是数据的内涵 是对数据的语义解释 6 数据处理数据处理是将数据转换成信息的过程 包括对数据的收集 存储 加工 检索 传输等一系列活动 其目的是从大量的原始数据中抽取和推导出有价值的信息 作为决策的依据 可用下式简单的表示信息 数据与数据处理的关系 信息 数据 数据处理数据是原料 是输入 而信息是产出 是输出结果 信息处理 的真正含义应该是为了产生信息而处理数据 信息系统是一种面广量大的计算机应用系统 教学管理系统地理信息系统信息检索系统医学信息系统决策支持系统民航订票系统电子政务系统电子商务系统 数据处理技术的发展 计算机对数据的处理是指对将数据的组织 分类 编码 存储 检索和维护提供操作手段 发展分为三个阶段人工管理文件系统数据库系统 1 人工管理阶段时间 20世纪50年代中期以前主要特点 数据不保存 系统没有专用软件对数据进行管理 数据不共享 数据不具有独立性 程序依赖于数据 2 文件系统阶段时间 20世纪50年代中期后期至60年代中期主要特点 数据以文件形式可长期保存 文件系统可对数据的存取进行管理 文件形式多样化 程序与数据有一定独立性 存在的问题 数据冗余度大 数据重复 数据独立性低 数据一致性差 3 数据库系统阶段时间 20世纪60年代末期主要特点 数据的结构化 数据的共享性 数据的独立性 数据的完整性 数据的灵活性 数据的安全性 9 数据库系统的相关概念 数据库技术涉及到许多基本概念 主要包括数据 数据处理 数据库 数据库管理系统以及数据库系统等 1 数据 数据是数据库中存储的基本对象 是事实的反映和记录 由于描述事实有不同的方法 故描述的表达方式也多种多样 2 数据库 数据库是指在计算机存储设备上合理存放的结构化的相关数据集合 3 数据库管理系统 位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件 用来操纵和管理数据库 是数据库系统的核心 4 数据库系统 数据库本身不是孤立存在的 而是与其它部分一起构成数据库系统 在实际应用中人们面对的是数据库系统 它一般由数据库 数据库管理系统 及其开发工具 应用系统 数据库管理员和用户构成 4 1 2数据描述 1 现实世界现实世界是指客观存在的世界中的事实及其联系 2 信息世界 实体客观存在并可相互区别的事物 实体可以是具体的人 事 物 也可以是抽象的概念或联系 例如一个学生 一个教师 一所学校 一门课 一次会议 一堂课 一场球赛等 这里从建立信息结构的角度出发 强调实体是被认识的客观事物 实体集性质相同的同类实体的集合叫实体集 研究实体集的共性是信息世界的基本任务之一 属性实体的某一特征称为属性 每个实体都有许多特征 以区别于其它实体 如一本书的主要特征是书名 作者名 出版社 出版年月和定价等 元组实体的每个属性都有一个确定值 称为属性的值 当某实体有多个属性时 则它们的值就构成一组值 称为元组 码 Key 唯一标识实体的属性集称为码 例如学号是学生实体的码 联系 Relationship 实体间的 联系 反映了现实世界中客观事物之间的关联 这种联系是复杂的 多种多样的 但归纳起来可分为三类 一对一一对多多对多 3 计算机世界 这一阶段的数据处理是在信息世界对客观事物的描述基础上做进一步抽象 使用的方法为数据模型的方法 这一阶段的数据处理在数据库的设计过程中也称为逻辑设计 与信息世界常用概念对应 计算机世界中涉及的基本概念有 1 字段对应与信息世界中的属性 用于标记实体属性的命名单位称为字段 或数据项 字段是数据库中可以命名的最小逻辑数据单位 例如 学生关系有学号 姓名 年龄 性别等字段 2 记录字段的有序集合称为记录 一般用每一个记录对应描述一个实体 因此记录又可以定义为能够完整地描述一个实体的字段集 例如 对应某一教师的有属性姓名 年龄 性别 职称等 3 文件同一类型记录的集合称为文件 文件是用来描述实体集的 例如所有学生记录组成一个学生文件 4 关键字能够唯一标识文件中每个记录的字段或字段集 称为关键字或主码 如在学生实体中的学号可以作为关键字 因为每个学生只有唯一的学号 数据模型用来表示实体和实体之间的联系 常用的数据模型有三种 层次模型 网状模型和关系模型 1 层次模型它用树形结构表示数据之间的联系 这种树由结点和连线组成 结点表示现实世界中的实体集 连线表示实体之间的联系 层次模型的特点是 有且只有一个结点无双亲 上级结点 此结点叫根结点 其它结点有且只有一个双亲 在层次模型中双亲结点与子女 下级 结点之间的联系只能表示实体与实体之间一对多的对应关系 4 1 3数据模型 2 网状模型网状模型是一种比层次模型更具普遍性的结构 它去掉了层次模型的两个限制 它允许多个结点没有双亲结点 也允许一个结点可以有多于一个的双亲 还允许两个结点之间有多种联系 因此网状模型更能描述现实世界 图4 5是一个学生选课数据库的网状模型 学生与选课 课程与选课是一对多的联系 3 关系模型关系模型的基本思想是把事物与事物之间的联系用二维表格的形式来描述 一个关系可以看着一张二维表 表中的每一行是一个记录 在关系中称为元组 表中的每一列是一个字段 在关系中称为属性 关系模型的特点如下 表格中的每一列都是不可再分的基本属性 各列被指定一个相异的名字 各行不允许重复 行 列的次序无关 E F Codd 关系数据库之父亲 关系 一个关系就是一张二维表 每个关系有一个关系名 在计算机中 一个关系可以存储为一个文件 属性 二维表中垂直方向的列称为属性 也叫做一个字段 域 一个属性的取值范围叫做一个域 元组 二维表中水平方向的行称为元组 也叫做一条记录 码 又称为关键字 二维表中的某个属性 若它的值唯一地标识了一个元组 则称该属性为侯选码 4 1 4数据库的体系结构 1 三级模式结构美国ANSI X3 SPARC的数据库管理系统研究小组于1975年和1978年提出了将数据库结构分为三级模式的标准化建议 这三级模式分别称为外模式 概念模式和内模式 2 数据库操作过程数据库管理系统是数据库系统的核心软件 它与数据库的各个部分都有密切的联系 对于数据库的一切操作 如数据的装入 检索 更新 再组织等都是在DBMS的控制和管理下进行的 数据库读取一个记录访问过程见下图 1 关系代数关系运算是设计关系数据语言的基础 按表达查询的方法不同 关系运算可分为关系代数和关系演算两大类 关系代数操作简称为关系操作 分为两类 1 传统的集合操作 把关系看成元组的集合 以元组作为集合中元素来进行运算 运算是从关系的 水平 方向即行的角度进行的 包括并 差 交和笛卡尔积等运算 2 关系专用的操作 涉及行 列运算 是为数据库的应用而引进的特殊运算 包括选取 投影 连接等运算 关系操作的结果仍为关系 可再参与其他关系操作 构成关系代数表达式 由此描述对关系的各种复杂操作 其中并 差 广义笛卡尔积 选择和投影五种操作为基本操作 4 1 5关系数据库 关系代数是用数学语言对关系操作的抽象描述 与此相适应 关系数据库管理系统配置了相应的语言 使用户可以对数据库进行各类操作 其中应用最广泛的是SQL SQL StructuredQueryLanguage 是一种基于关系代数和关系演算之间的结构化查询语言 2 关系数据库标准语言SQL 1 SQL数据库的体系结构 SQL数据库的体系结构 SQL数据库具有三级模式体系结构 1 SQL视图对应于用户模式 2 SQL基本表对应于数据库的逻辑模式 3 存储文件对应于数据库的存储模式 基本表 独立存在的表 不是由其它的表导出的表 一个关系对应一个基本表 一个或多个基本表对应一个存储文件 视图 是一个虚拟的表 是从一个或几个基本表导出的表 它本身不独立存在于数据库中 数据库中只存放视图的定义而不存放视图对应的数据 这些数据仍存放在导出视图的基本表中 当基本表中的数据发生变化时 从视图中查询出来的数据也随之改变 1 SQL语言类似于英语的自然语言 简洁易用 2 SQL语言是一种非过程语言 即用户只要提出 干什么 即可 不必管具体操作过程 也不必了解数据的存取路径 只要指明所需的数据即可 3 SQL语言是一种面向集合的语言 每个命令的操作对象是一个或多个关系 结果也是一个关系 4 SQL语言既是自含式语言 又是嵌入式语言 可独立使用 也可嵌入到宿主语言中 自含式语言可以独立使用交互命令 适用于终端用户 应用程序员和DBA 嵌入式语言使其嵌入在高级语言中使用 供应用程序员开发应用程序 2 SQL语言的主要特点 3 SQL功能动词 1 安全性目前 关系数据库的安全性不仅成熟而且已进入实际应用 其主要包括三方面 用户身份标识和鉴别 存储权限控制策略和数据加密技术 1 用户身份标识和鉴别 2 存储权限控制策略 3 数据加密技术 3 关系数据库的安全性和完整性 2 完整性关系数据库的完整性是指数据的正确性及相容性 即合法用户对数据的增删改必须符合一定的语义 有时要通过几种完整性约束条件来保证 实体完整性 指主关系键的值不能为空或部分为空 关系模型中的一个元组对应一个实体 一个关系则对应一个实体集 引用完整性 要求在关系中不允许引用不存在的实体 用户定义完整性约束 反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求 由应用环境对数据的需求而决定 实体完整性和引用完整性是关系模型必须满足的完整性约束条件 被称作关系的两个不变性 任何关系数据库系统都应该支持这两类完整性 3 关系数据库的安全性和完整性 4 1 6常用数据库管理系统 1 桌面数据库1 Access关系数据库管理系统MicrosoftAccessforWindows是Microsoft公司推出的面向办公自动化 功能强大的关系数据库管理系统 Access数据文件的后缀名为 MDB 2 XBaseXBase作为个人计算机系统中使用最广泛的小型数据库管理系统 具有方便 廉价 简单易用等优势 2 大型数据库1 SQLServer数据库SQLServer是微软公司开发和推出的大型关系数据库管理系统 DBMS 它最初是由Microsoft Sybase和Ashton Tate三家公司共同开发的 并于1988年推出了第一个OS 2版本 SQLServer近年来不断更新版本 1996年 Microsoft推出了SQLServer6 5版本 1998年 SQLServer7 0版本和用户见面 SQLServer2000是Microsoft公司于2000年推出的最新版本 2 Oracle数据库Oracle是目前世界上最流行的大型关系数据库管理系统 具有移植性好 使用方便 功能齐全 性能强大等特点 适用于各类大 中 小 微机和专用服务器环境 3 开源数据库开源数据库是指开放源代码的数据库 Linux系统下最受程序员喜爱的三种数据库是MySQL PostgreSQL和Oracle 其中MySQL PostgreSQL就是开源数据库的优秀代表 开源数据库具有速度快 易用性好 支持SQL语言 支持各种网络环境 可移植性 开放和价格低廉 甚至免费 等特点 1 MySQLMySQL数据库管理系统是MySQL开放式源代码组织提供的小型关系数据库管理系统 可运行在多种操作系统平台上 是一种具有客户机 服务器体系结构的分布式数据库管理系统 MySQL适用于网络环境 可在Internet上共享 由于它追求的是简单 跨平台 零成本和高执行效率 因此它特别适合互联网企业 例如动态网站建设 许多互联网上的办公和交易系统也采用MySQL数据库 其控制台管理器界面如图4 11所示 2 PostgreSQLPostgreSQL是一种相对较复杂的面向对象关系型数据库管理系统 OODBMS 也是目前功能最强大 特性最丰富和最复杂的开源数据库之一 它的某些特性甚至连商业数据库都不具备 PostgreSQL主要在UNIX或Linux平台上使用 目前也推出了Windows版本 4 新型Java数据库伴随着互联网的发展 一种新型程序设计语言Java开始流行开来 使用Java语言开发的软件项目也越来越多 许多公司都试图在这一领域大显身手 在Java盛行的同时 使用Java语言编写的面向对象数据库管理系统也应运而生 下面简单介绍一JDataStore JDataStore是Borland公司推出的纯Java数据库 主要用于J2EE平台 有跨平台移植性 与Borland新一代Java开发工具JBuilder结合 数据库管理员可打开JDataStoreExplorer来管理数据库 5 国产数据库 已经获得实际应用的国产数据库主要包括 1 东软OpenBASE 2 华易数据库管理系统HYSQL 3 金鼎数据库管理系统 4 武汉华工数据库管理系统DM3 5 北京国信iBASE数据库 数据库系统 DBS 的组成 数据库 设计 开发 管理DBS的人员和用户 利用DBS资源开发的 解决管理和决策问题的各种应用程序 对数据进行管理的软件系统功能 创建DB结构 对DB中的数据操作 对DB数据管理和控制 指按一定的数据模式组织并长期存放在外存上的 可共享的 面向部门全局应用的数据集合 DBMS 操作系统 应用系统 应用开发工具 4 1 7数据库系统及应用新技术 1 数据库系统 2 数据库新技术 1 数据库体系结构的发展 1 集中式数据库系统 早期的DBMS以分时操作系统作为运行环境 采用集中式的数据库系统结构 把数据库建立在本单位的主计算机上 且不与其他计算机系统进行数据交互 在这种系统中 不但数据是集中的 数据的管理也是集中的 2 客户 服务器结构 C S 是一种网络处理系统 有多台用作客户机的计算机和一至多台用作服务器的计算机 客户机直接面向用户 接收并处理任务 将需要DB操作的任务委托服务器执行 而服务器只接收这种委托 完成对DB的查询和更新 并把查询结果返回给客户机 C S结构的DBS虽然处理上是分布的 但数据却是集中的 还是属于集中式数据库系统 2 分布式数据库系统分布式数据库 如图4 18所示 是其存储的数据可以在多个不同的地理位置存储的数据库 目前 许多大型数据库管理系统都支持分布式数据库 如Oracle Sybase 达梦II号 DM2 等 DM2是国内具有自主知识产权的分布式多媒体数据库3 并行数据库系统4 工程数据库5 数据库技术在决策中的应用 4 2多媒体技术 多媒体计算机不仅能处理文字和数字信息 而且能处理影像 声音等其它形式的信息 多媒体技术是90年代计算机发展的新领域 是计算机技术 广播技术 电视技术和通信技术等领域尖端技术相结合的产物 Microsoft等一大批软件开发商推出的各类多媒体软件和CD光盘 造就了一大批计算机的多媒体用户 多媒体技术及计算机网络的飞速发展 使计算机的应用进入了一个新的阶段 媒体是信息表示和传播的载体 根据国际电信联盟 ITU 下属的国际电报电话咨询委员会 CCITT 的定义 与计算机信息处理有关的媒体有五种 感觉媒体 表示媒体 存储媒体 表现媒体和传输媒体 4 2 1文本 文本 Text 是人类表达信息最基本的方式之一 数字技术的发展 使得文本信息的创作 编排 印刷 发行 检索和阅读方式发生了很大的变化 文本是计算机表示文字及符号信息的一种数字媒体 实际使用的数字文本有如下几种类型 1 简单文本 是指只存储文本的内容 不包含格式控制信息的文本 简单文本对应的计算机文件扩展名一般为 txt 2 格式文本 是在简单文本的基础上加入了字体格式 段落格式 并可包含图片 表格 公式等内容 与简单文本相比 格式文本包含的信息更多 表现能力更强 如 doc 文件 3 超文本 是对传统线性文本的扩展 能够方便地通过链接 跳转 导航 回溯等操作 来访问一个或多个文档的内容 超文本典型的用途是通过Web浏览器展示的Web页面 一个页面上有大量的链接 点击这些链接 可以在不同的页面或网站之间跳转 4 2 2数字声音 1 数字音频的表示人类接收的声音是以波的形式传输的 多媒体计算机能处理的信息只能是数字信号 我们将多媒体计算机以数字形式进行声音处理的技术 所以叫数字音频技术 数字音频技术首先需要对模拟信号进行模 数转换得到数字信号 用以进行处理 传输和存储等 输出时进行数 模转换还原成模拟信号 其过程如图根据奈奎斯特采样定律 只要采样频率高于信号中最高频率的两倍 就可以从采样中完全恢复出原始信号波形 因为人耳所能听到的频率范围为20Hz至20KHz 2 声音的符号化表示波形声音可以把音乐 语音都进行数据化并且表示出来 但是并没有把它看成音乐和语音 对于声音的符号化 也可以称为抽象化 表示包括两种类型 一种是音乐 一种是语音 1 音乐的符号化 MIDIMIDI实际上就是乐谱的数字描述 在这里 乐谱完全由音符序列 定时以及被称为合成音色的乐器定义组成 与波形声音相比 MIDI数据不是声音而是指令 所以它的数据量要比波形声音少得多 半小时的立体声16位高品质音乐 如果用波形文件无压缩录制 约需300MB的存储空间 而同样时间的MIDI数据大约只需200KB 两者相差1500倍之多 2 语音的符号化语音与文字是对应的 波形声音可以记录表示语音 它是不是语音取决于听者对声音的理解 对语音的符号化实际上就是对语音的识别 将语音转变为字符 反之也可以将文字合成语音 语音指构成人类语音信号的各种声音 3 声音数据的压缩格式1 压缩率压缩率 又称为压缩比或压缩倍数 是指数据被压缩之前的容量和压缩之后的容量之比 2 MPEG声音压缩算法MPEG是MovingPictureExpertsGroup 运动图像专家组 的简写 是一系列运动图像 视频 压缩算法和标准的总称 其中也包括了声音压缩编码 称为MPEGAudio MPEG声音压缩算法是世界上第一个高保真声音数据压缩国际标准 并且得到了极其广泛的应用 MPEG声音标准提供了三个独立的压缩层次 层1 Layer1 层2 Layer2 和层3 Layer3 层1的编码器最为简单 输出数据率为384kbps 主要用于小型数字盒式磁带 层2的编码器的复杂程度属中等 输出数据率为256kbps 192kbps 用于数据广播 CD I和VCD视盘 层3 MPEG 1AudioLayer3 就是现在非常流行的MP3 它的编码器较层1和层2最为复杂 输出数据率为64kb s MP3格式在16 1压缩率下可以实现接近CD的音质 所以原来只能容纳十几首未压缩歌曲的CD光盘可以容纳音质相近的200首左右的MP3歌曲 如果提高压缩率 还可以容纳更多 3 声音文件格式WAV格式Microsoft公司开发的一种声音文件格式 也叫波形 wave 声音文件 被Windows平台及其应用程序广泛支持 WMA格式WMA WindowsMediaAudio 是Microsoft公司专为互联网上的音乐传播而开发的音乐格式 其压缩率和音质可与MP3相媲美 RealAudio格式RealAudio是由RealNetworks公司推出的文件格式 分为RA RealAudio RM RealMedia RealAudioG2 RMX RealAudioSecured 等三种 它们最大的特点是可以实时传输音频信息 能够随着网络带宽的不同而改变声音的质量 QuickTime格式QuickTime是Apple公司推出的一种数字流媒体格式 它面向视频编辑 Web网站创建和媒体技术平台 QuickTime支持几乎所有主流的个人计算平台 可以通过互联网实现实时的数据传输和回放 4 2 3数字图像 1 图像的数字化数字图像有三个主要来源 1 现有图片经图像扫描仪生成数字图像 2 使用数码相机或数字摄像机将自然景物 人物等拍摄为数字图像 3 使用计算机绘图软件生成数字图像 2 图像的基本要素1 图像的分辨率一幅图像的像素是成行和列排列的 像素的列数称为水平分辨率 行数称为垂直分辨率 整幅图像的分辨率是由 水平分辨率 垂直分辨率 来表示的 分辨率是度量一幅图像的重要指标 对于同样的表达内容 分辨率越高 图像越清晰 细节的表达能力越强 130 x94 260 x188 520 x376 2 图像的像素深度像素深度是指图像中每个像素所用的二进制位数 因为这个二进制数用来表示颜色 所以也称为颜色深度 图像的像素深度越深 所使用的二进制数的位数越多 能表达的颜色数目也越多 3 图像的数据量如果图像未经压缩处理 一幅图像的数据量可按下面的公式进行计算 图像数据量 水平分辨率 垂直分辨率 像素深度3 图像的压缩4 图像的各式 不同的图象文件格式采用了不同的数据压缩技术和数据组织方法 有不同的应用常用的图像文件格式有 文件1 GIF 文件2 JPG 数字图像处理的应用 X光图像 CT图像 核磁共振图像 指纹图像 图像 图形 通过计算机建模并绘制而成的 图 称为矢量图形 通常简称图形 通过数字化设备获取的 图 它们称为取样图像 点阵图像 或位图图像等 通常简称图像 4 2 4数字视频 视频源于电视技术 它由连续的画面组成 这些画面以一定的速率连续地投射在屏幕上 使观察者具有图像连续运动的感觉 视频的数字化指在一段时间内以一定的速度对视频信号进行捕获并加以采样后形成数字化数据的处理过程 视频可以看成是配有相应声音效果的图像的快速更替 数字视频用三个基本参数来进行描述 即用于描述视频中每一帧图像的分辨率 颜色深度 以及描述图像变化速度的图像更替率 计算机视频可分为以下几类 1 电影或录像剪辑2 计算机动画3 交互式视频4 网络电视与视频点播 数字视频的数据量是非常大的国际标准化组织和各大公司都积极参与视频压缩标准的制定 并且已推出大量实用的视频压缩格式 4 2 5多媒体技术的研究内容及前景 1 多媒体技术的研究内容1 多媒体数据压缩 解压算法的研究2 多媒体数据存储技术3 多媒体计算机硬件平台及软件平台4 多媒体开发和创作工具5 多媒体数据库6 超文本和超媒体7 多媒体系统数据模型8 多媒体通信与分布式多媒体系统 2 多媒体技术的应用前景1 教育和培训2 咨询和演示3 娱乐和游戏4 管理信息系统 MIS 5 视频会议系统6 计算机支持协同工作7 视频服务系统 4 3计算机安全技术 4 3 1计算机安全概述 1 什么是信息安全信息安全是指对信息资源实施保护 以防止信息资源被泄漏 修改 破坏 具体来讲 信息安全包括以下几个层面 1 信息安全理念 良好的监控 完善的记录 定期检查 检测 2 信息安全观点 网络安全具有整体性 网络安全需要规划 网络安全是动态的 3 信息安全机制 加密机制 数字签名机制 访问控制机制等 4 物理安全 对网络与信息系统的物理装备的保护 5 运行安全 对网络与信息系统的运行过程和运行状态的保护 6 数据安全 对信息在数据收集 处理 存储 检索 传输等过程中的保护 7 内容安全 防止信息的内容对系统造成威胁 2 安全威胁安全威胁主要来自于各种失误 出错 病毒 攻击 以及软件和硬件设计的后门 对系统构成安全威胁的几个方面如下 人为预谋犯罪 主动型攻击 篡改 破坏程序和数据 冒充 拒绝服务 恶意否认 病毒 被动型攻击 窃听 信息分析 非法访问 调用 职员无意失职 编程错误 误操作 无意损坏 无意泄密 电子系统故障 硬件 软件故障 网络故障 电源空调环境故障 自然灾害 利用计算机犯罪 计算机病毒 4 3 2数据加密技术 1 对称式加密法这种方法就是加密和解密使用同一密钥 2 非对称式加密法非对称式加密法也称公钥密码加密法 这一加密方法的最大特点是采用两个密钥将加密和解密分开 一个密钥公开 作为加密密钥 叫做公