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第三章管理信息系统的技术基础 第三章管理信息系统的技术基础 本章所讲内容如下 3 1数据管理技术 本节所讲的内容如下 计算机数据管理的发展 数据库系统 数据库系统的结构 数据库设计 企业对信息的应用 一 计算机数据管理的发展计算机进行数据处理的效率 主要取决于数据在机器中的存储结构和处理方式 根据数据存储结构和处理方式 把计算机数据管理分为三个阶段 即 一 人工管理阶段 20世纪50年代中期以前 二 文件管理阶段 20世纪50年代后期 20世纪60年代中期 三 数据库管理阶段 20世纪60年代后期开始 3 1数据管理技术 一 计算机数据管理的发展 一 人工管理阶段 背景 计算机主要用于科学计算数据量小 结构简单 如高阶方程等数值计算 外存为顺序存取设备磁带 卡片 纸带 没有磁盘等直接存取设备 没有操作系统 没有数据管理软件用户用机器指令编码 通过纸带机输入程序和数据 程序运行完毕后 由用户取走纸带和运算结果 再让下一用户上机操作 数据并不长期保存在计算机内 3 1数据管理技术 一 计算机数据管理的发展 一 人工管理阶段 特点 用户完全负责数据管理工作数据的组织 存储结构 存取方法 输入输出等 数据完全面向特定的应用程序每个程序使用自己的数据 数据不保存 用完就撤走 数据与程序没有独立性程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变 3 1数据管理技术 一 计算机数据管理的发展 二 文件管理阶段 背景 计算机不但用于科学计算 还用于管理 外存有了磁盘 磁鼓等直接存取设备无须顺序存取由地址直接访问所需记录 有了专门管理数据的软件 一般称为文件系统文件存储空间的管理 目录管理 文件读写管理文件保护向用户提供操作接口 3 1数据管理技术 一 计算机数据管理的发展 二 文件管理阶段 特点 系统提供一定的数据管理功能支持对文件的基本操作 增 删 改 查等 用户程序不必考虑物理细节数据的存取基本上以记录为单位 数据仍是面向应用的一个数据文件对应一个或几个用户程序 数据与程序有一定的独立性文件的逻辑结构与存储结构由系统进行转换 数据在存储上的改变不一定反映在程序上 3 1数据管理技术 一 计算机数据管理的发展 三 数据库管理阶段 背景 计算机管理的数据量大 关系复杂 共享性要求强 多种应用 不同语言共享数据 外存有了大容量磁盘 光盘 软件价格上升 硬件价格下降 编制和维护软件及应用程序成本相对增加 其中维护的成本更高 力求降低 3 1数据管理技术 一 计算机数据管理的发展 三 数据库管理阶段 特点 有了数据库管理系统 采用复杂的数据模型表示数据结构 数据冗余度小 能够实现数据共享 易于扩充 具有较高的数据独立性 为用户提供了方便的用户接口 提供统一的数据控制功能并发控制 数据恢复 数据完整性 数据安全性 3 1数据管理技术 一 计算机数据管理的发展 一 人工管理阶段 二 文件管理阶段 三 数据库管理阶段表3 1三个阶段数据管理技术的特点 3 1数据管理技术 Stop IjustwanttoknowwhatisDatabase 回去看看 二 数据库系统 一 数据库数据库是以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合 它用综合的方法组织数据 使数据独立性高 冗余小 可供多个用户共享 能够保证数据的安全性和可靠性 允许并发地使用数据库 并能保证数据的一致性和完整性 数据库的三个主要目标 使数据冗余最小 达到数据独立性和共享性 数据冗余 数据的重复 即同一数据存储在多个文件中 数据独立性 数据结构与处理该数据的应用程序相互独立 数据共享性 允许多用户并发地使用数据库中的数据 3 1数据管理技术 二 数据库系统 二 数据库系统数据库系统是指组织 存取和维护大量数据的人 机管理系统 是由计算机 数据库 数据库管理系统和有关人员组成的有机整体 一个组织的数据库系统一般有四个组成部分 计算机系统 数据库 数据库管理系统 知识工作者 3 1数据管理技术 二 数据库系统 二 数据库系统 计算机系统指用于数据库管理的计算机软硬件系统 数据库需要大容量的主存以存放和运行操作系统 数据库管理系统程序和应用程序以及数据库 目录和系统缓冲区等 外存则需要大容量的直接存取设备 此外系统还应具有网络功能以实现数据资源的共享 3 1数据管理技术 二 数据库系统 二 数据库系统 数据库数据库是存储在一起的结构化的 逻辑相关的数据集合 并为多种应用服务 数据库既有存放实际数据的物理数据库 也有存放数据逻辑结构的描述数据库 3 1数据管理技术 二 数据库系统 二 数据库系统 数据库管理系统数据库管理系统 databasemanagementsystem DBMS 是一个负责数据库管理和维护的软件系统 通常包括数据定义语言及其编译程序 数据操纵语言及其编译程序以及数据管理例行程序等一组软件 3 1数据管理技术 二 数据库系统 二 数据库系统 知识工作者数据库用户 包括最终用户和程序设计人员 最终用户是组织中的业务和管理人员 数据库设计人员 指从事数据库开发的信息专家 包括系统分析员 数据库管理员 DBA 是负责数据库全面管理的信息专家 3 1数据管理技术 二 数据库系统 三 数据库管理系统数据库管理系统 DBMS 是指对数据进行管理的软件系统 是数据库系统的核心 它与数据库系统中各个部分都有着密切联系 具体来说 一个数据库管理系统应具备以下功能 数据库定义数据库操纵数据库查询数据库控制数据库通信 3 1数据管理技术 回去看看 三 数据库系统的结构 一 数据描述在人们对现实世界的认识和对其进行数字化描述的过程中经历了三个不同的世界 或称领域 现实世界 信息世界 数据世界 3 1数据管理技术 现实世界 信息世界和数据世界三个世界的关系如下图所示 3 1数据管理技术 三 数据库系统的结构 一 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 它是人类社会存在和发展的环境 如 学生 课程 教师等2 信息世界信息世界是现实世界中客观事物在人们头脑中的反映 是一种抽象化 概念化了的世界 3 1数据管理技术 3 1数据管理技术 三 数据库系统的结构信息世界相关术语 实体 是指客观存在并相互区别的事物 如 一名教师 一名学生 学生的一次选课 一次借书属性 实体具有许多特性 每一个特性都称为属性 如 学生实体可由学号 姓名 性别 年龄 系别等属性构成主键 惟一标识实体的属性集称为主键 如 学生实体的学号可作为学生实体的主键实体集 是具有相同特性的同类实体的集合 如 所有教师 所有学生 实体之间的联系 a 一对一联系 1 1 如 学校里一个班级中有一个正班长 而一个正班长只在一个班级中任职 则班级与班长之间具有一对一联系 b 一对多联系 1 n 如 一个班级中有若干名学生 而每个学生只在一个班级中学习 则班级与学生之间具有一对多联系 c 多对多联系 m n 如 一门课程同时有若干名学生选修 而一名学生可以同时选修多门课程 则课程与学生之间具有多对多联系 3 1数据管理技术 三 数据库系统的结构3 数据世界数据世界也称计算机世界 它是现实世界中的事物及其联系经过信息世界的抽象后 转换到计算机中的表示形式 字段 fields 标记实体属性的命名单位称为字段 或数据项 如 学生有学号 姓名 性别 出生年月等字段记录 record 字段的有序集合称为记录文件 file 同一类记录的汇集称为文件如 所有学生记录组成一个学生文件主键 file 能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集如 学号可以作为学生记录的主键 3 1数据管理技术 三个不同世界术语对照表 3 1数据管理技术 二 数据模型简介数据模型是是用来表示和处理数据之间联系的 它是对客观事物及其联系的数据化描述 是关于全局数据的组织方式的抽象表达 数据模型的设计方法决定着数据库的设计方法 目前 在实际数据库系统中支持的数据模型主要有三种 层次模型 网状模型 关系模型 3 1 3数据库系统的结构 二 数据模型简介1 层次模型数据库系统最早使用的一种数据模型 以层次或树状结构来表示实体之间的联系 3 1 3数据库系统的结构 只能描述数据之间一对一或一对多的关系 层次模型 树型结构 实例 2 网状模型 教师 课程 学生 图3 6网状模型 3 1 3数据库系统的结构 描述数据之间多对多的关系 网状模型 允许有一个以上结点无父结点 允许有一个结点有多于一个的父结点 3 关系模型 用二维表的形式表示实体及其之间的联系 通俗地讲 关系就是二维表格 表格中的每一行称作一个元组 它相当于一个记录值 每一列是一个属性值集 列可以命名 称为属性名 表3 3关系模型的一种关系 3 1 3数据库系统的结构 关系模型中的主要术语有 关系 一个关系对应于一张二维表 元组 二维表中的一行称为一个元组 属性 二维表中的一列称为一个属性 关键字 二维表中的属性或属性的组合 它的值能惟一地标识一个元组 域 属性的取值范围 3 1 3数据库系统的结构 属性列 二维表 三 数据库的三级模式结构 图3 7数据库的三级体系结构 外模式A 外模式B DBMS OS 3 1 3数据库系统的结构 数据库三级模式结构 1 外模式外模式也叫子模式或用户模式 是用户和数据库系统的接口 是不同数据库用户的数据视图 是对数据库的局部数据的逻辑结构和特征的描述 是模式的子集 2 模式模式又称逻辑模式或概念模式 是数据库中全体数据的全局逻辑结构和特征的描述 是所有用户的公共数据视图 3 内模式内模式也称存储模式 是对数据物理结构和存储结构的描述 它依赖于数据库的全局逻辑结构 但独立于用户模式 也独立于具体的存储设备 3 1 3数据库系统的结构 图3 8数据库系统的不同视图 3 1 3数据库系统的结构 应用系统 DBMS OS DB 外模式 模式 内模式 最终模式 程序设计人员 数据库管理员系统分析员 给定一组数据 如何能够构造出一个好的关系模式呢 这要研究关系数据库的规范化理论 规范化理论研究关系模式中各属性之间的依赖关系及其对关系模式性能的影响 探讨关系模式应该具备的性质和设计方法 规范化可以使关系的结构简化 存储尽量减少数据冗余 使数据库的设计更加合理 3 1 3数据库系统的结构 3 1 3数据库系统的结构 四 关系的规范化 数据依赖 关系中数据项之间存在两种依赖关系函数依赖 设R U 是属性集U上的关系模式 X和Y是属性集U的子集 若对于R U 的中的任意一个可能的关系r r中不可能存在两个元组在X上的属性值相等 而在Y上的属性值不等 则称X函数确定Y或Y函数依赖于X 记为X Y 例如对一个学生的描述 其属性有学号 姓名等 给定学号唯一的确定姓名 学号 姓名 44 多值依赖 若给定X 有一组属性值与之对应 则称X多值决定Y或Y多值依赖于X 记为X Y 如学生选课 一个学生可以选多门课程 同给定一个学号 就可以找出多门课程与之对应 则称 课程 多值依赖于 学号 3 1 3数据库系统的结构 四 关系的规范化 规范化所谓规范化是把关系模式从低一级向高一级转换的过程 满足不同条件的关系模式称为不同的范式 在规范化理论中通常将关系模式分为五种规范模式 简称范式 它表示的是关系模式的规范化程度 也即满足某种约束条件的关系模式 第一范式 1NF 如果一个关系模式中的所有属性都是不可再分的数据项 则称该模式为第一范式 回去看看 46 第二范式 2NF 如果一个关系模式R满足1NF 并且所有的非主属性都完全依赖于关键字 则称该模式为第二范式 第三范式 3NF 如果一个关系模式R满足2NF 并且所有的非主属性都不传递依赖于关键字 则称该模式为第三范式 四 数据库设计数据库设计是指对于一个给定的应用环境 提供一个良好的数据模型与处理模式的逻辑设计 以及确定一个良好的数据库存储结构与存取方法的物理设计 从而建立起既能反映现实世界信息和信息联系 满足用户数据要求和处理要求 又能被某个数据库管理系统 DBMS 所接受 同时能实现系统目标并能有效地存取数据的数据库 3 1数据管理技术 四 数据库设计数据库设计分为需求分析 概念结构设计 逻辑结构设计和物理结构设计四个阶段 3 1数据管理技术 用户需求 概念结构设计 逻辑结构设计 物理结构设计 数据库实施 需求说明 数据说明 概念结构 逻辑结构 物理结构 图3 9数据库设计的四个阶段 四 数据库设计 一 用户信息需求分析目标是获得用户对计划建立的数据库的信息需求的全面描述 通常使用数据流程图 DFD 和数据字典 DD 方法 二 概念结构的设计将需求转化为信息世界中的实体及其联系 用概念模型描述 概念模型的设计是不依赖于任何数据库管理系统的 它是对用户需求的归纳 能够方便 准确地表示出信息世界的常用概念 与具体的硬件环境和软件环境均无关 3 1数据管理技术 二 概念结构的设计概念模型的表示方法很多 其中最为常用的是实体 联系方法 该方法用E R Entity Relationship 图来描述现实世界的概念模型 第1步 抽象出实体 并一一命名第2步 根据实体的属性描述期间的各种关系E R图的符号表示 3 1数据管理技术 实体 实体的属性 实体间的关系 二 概念结构的设计例如在学校课程管理中 涉及的实体包括 学生 属性有学号 姓名 性别 出生年月 系 属性有系号 系名 系主任 教师 属性有职工号 姓名 性别 出生年月 职称 课程 属性有课程号 课程名 学分 3 1数据管理技术 学生 学号 姓名 性别 出生年月 课程 课程号 课程名 学分 学生 实体及其属性 课程 实体及其属性 二 概念结构的设计在上个例子中学校课程管理中 实体之间的联系包括 组成 一个系由多名学生组成 而一名学生只属于一个系 为1 n联系 选修 一个学生可选修多门课程 而一门课程也可以被多名学生选修 所以是m n联系 其属性为成绩 讲授 一门课可由多名教师讲授 而一名教师可讲授多门课程 所以是m n联系 3 1数据管理技术 学生 系 组成 n 1 学生 课程 选修 n m 成绩 课程 教师 讲授 m n 四 数据库设计 三 逻辑结构设计逻辑结构设计是将概念模型从E R图转换成某种数据库管理系统支持的数据模型 一般是转换为关系数据模型 E R图中每个实体相应地转换为一个关系 即一个二维表 该关系应包括对应实体的全部属性 并确定出主键 对E R图中的联系要根据联系的不同采取不同的手段将其转换为不同的关系 具体规则如下 3 1数据管理技术 四 数据库设计 三 逻辑结构设计 每一个实体都转换为一个关系模式 实体的名称作为关系的名称 实体的属性就是关系的属性 前例 系 系号 系名 系主任 学生 学号 姓名 性别 出生年月 课程 课程号 课程名 学分 教师 职工号 姓名 性别 出生年月 职称 3 1数据管理技术 四 数据库设计 三 逻辑结构设计 将每一个多对多联系都转换为一个关系模式 联系的名称为关系的名称 联系的属性由相关联系的各实体中的关键属性 能唯一地标识出一个实体的属性 和该联系自己所具有的属性组成 前例 选修 学号 课程号 成绩 讲授 课程号 职工号 3 1数据管理技术 四 数据库设计 三 逻辑结构设计 将每一个一对多联系都转换成一个关系模式 也可以不单独转换为一个关系模式 只需在联系的 n 端实体所对应的关系模式中加 1 端实体的关键属性即可 前例 组成 学号 系号 或学生 学号 姓名 性别 出生年月 系号 两个实体集的一对一联系的转换 可按 或 进行 视具体情况而定 3 1数据管理技术 四 数据库设计 三 逻辑结构设计根据上述规则 上例学校课程管理的概念模型可转换为如下关系模型 系 系号 系名 系主任 学生 学号 姓名 性别 出生年月 课程 课程号 课程名 学分 教师 职工号 姓名 性别 出生年月 职称 选修 学号 课程号 成绩 讲授 课程号 职工号 组成 学号 系号 3 1数据管理技术 课程 课程号 课程名 学分 教师 选修 n m 成绩 系 组成 讲授 学生 学号 姓名 性别 出生年月 职工号 姓名 性别 出生年月 职称 系号 系名 系主任 n m n 1 图3 12学校课程管理E R图 四 数据库设计 四 物理结构设计物理结构设计是为数据模型在可用的硬件设备上确定合适的存储结构和存取方法 并建立索引等 物理结构设计以逻辑结构设计结果为输入 结合具体的DBMS功能 DBMS所提供的物理环境和工具 应用环境和数据存储设备 进行数据存储组织和方法的设计 主要包括确定数据的存储结构 存取路径的选择和调整 确定数据存放位置和存储分配等 3 1数据管理技术 回去看看 五 企业对信息的应用 一 联机事务处理联机事务处理是以数据库为基础 面对的是操作人员和基层管理人员 对基本数据进行查询和增加 删除 修改等处理 它涉及到对要输入的信息进行收集和处理 反过来 再对收集到的和经过处理的信息加以利用 去更新已有的信息 3 1数据管理技术 例 书店的售书系统 将客户的购书信息不断录入到系统中 然后再利用这些信息去更新书店藏书的库存数据 另外客户还可以利用该系统对图书进行查询操作 在信息处理的过程中 书店的售书管理系统将支持联机事务处理的概念 目前大多数企业运用DB和DBMS对联机事务处理提供技术支持 支持联机事务处理功能的DB 最常见的就是业务DB 五 企业对信息的应用 二 联机分析处理联机分析处理是一种为支持决策而进行的信息处理方式 它是针对特定问题的联机数据访问和分析 通过对信息进行快速 稳定 一致和交互式的存取 对数据进行多层次 多阶段的分析处理 以获得高度归纳的分析结果 例 在书店售书系统中 管理人员可能希望知道类似这样的问题 如 在最近三个月中哪些类型的书籍比较畅销 相应的库存情况如何 今后的进书策略是什么 等 这就是联机分析处理的 OLAP 一种形式 3 1数据管理技术 与联机事务处理相比OLAP的特征 快速性 可分析性 多维性 信息性 快速性 OLAP能快速响应用户的分析请求 OLAP系统应能在几秒内对用户的大部分分析要求做出回应 如果终端用户在30秒内没有得到OLAP系统的响应会变得不耐烦 从而使用户的思路受到干扰 影响分析质量 对于大量的数据分析要达到这个速度并不容易 因此就更需要一些技术上的支持 如专门的数据存储格式 对频繁查询的数据预先进行计算 特别的硬件设计等 可分析性 指OLAP系统可以提供给用户强大的统计 分析 包括时间序列分析 成本分配 货币兑换 非过程化建模 多维结构的随机变化等 和报表处理功能 多维性 多维性是OLAP的关键属性 系统必须提供对数据分析的多维视图和分析 包括对层次维和多重层次维的完全支持 事实上 多维分析是分析企业数据最有效的方法 是OLAP的灵魂 直观的多维数据模型使用户很容易就能选择 浏览和研究数据 信息性 不论数据量有多大 也不管数据存储在何处 OLAP系统应能及时获得所需信息 并导出有用信息 需要考虑许多因素 如数据的可复制性 可利用的磁盘空间 OLAP产品的性能及与数据仓库的结合度等 3 2数据仓库与数据挖掘 本节所讲的内容如下 一 数据仓库 一 数据仓库的定义数据仓库是支持管理决策过程的 面向主题的 集成的 随时间变化的 但信息本身是相对稳定的数据集合 DW的最终目标是把企业范围内的所有数据集成在一个大仓库中 让用户能运行查询 产生报告 执行分析 3 2数据仓库与数据挖掘 一 数据仓库的定义 主题 是指用户使用DW辅助决策时所关心的重点问题 每个主题对应一个客观分析领域 如销售 成本 利润的情况等 所谓面向主题就是指DW中的信息是按主题组织的 按主题来提供信息的 集成的 是指DW中的数据不是事物处理系统数据的简单拼凑 而是经过系统地加工整理 是相互一致的 具有代表性的全局数据 3 2数据仓库与数据挖掘 一 数据仓库的定义 随时间变化的 指DW中存储的是一个时间段的数据 而不仅仅是某一个时间点的数据 所以主要用于进行时间趋势分析 一般DW的数据时限为5 10年 数据量也比较大 一般为10GB左右 信息本身相对稳定 指数据一旦进入DW后 一般情况下将被长期保留 极少有更新或删除操作 3 2数据仓库与数据挖掘 一 数据仓 二 数据仓库的特征1 数据仓库将来自不同数据库的信息结合在一起2 数据仓库是多维的3 数据仓库支持决策而不是事务处理 三 数据仓库的发展前景 3 2数据仓库与数据挖掘 数据仓库将来自不同DB的信息结合在一起 数据仓库将企业中各个业务DB中的信息结合起来 通过汇总与合计 当人们从各类业务DB中提取信息来创建数据仓库时 收集的只是那些进行决策所需的信息 这种 所需的信息 是用户按照他们对逻辑化的决策信息需求而确定的 故数据仓库只包含与用户进行决策有关的信息 数据仓库是多维的 RDB模型中 信息是用一系列二维表表示的 数据仓库是多维度的 即它们包含若干层的行和列 称为多维数据库 数据仓库中的层次根据不同的维度来表示信息 这种多维度的信息图表被称为超立体结构 数据仓库支持决策而不是事务处理 在企业中 多数DB是面向事务对象的 即它们都支持联机事务处理 OLTP 可以说这类DB是一种事务性DB 数据仓库不是面向事务对象的 它们是用来支持企业中各类决策任务的 故 数据仓库支持联机分析处理 0LAP 数据仓库的发展前景 如 在证券业中 它可处理客户分析 账户分析 证券交易数据分析 非资金交易分析等多个业界关心的主题 这是证券业扩大经营 防范风险的预警行动 在税务领域中 通过对大量数据资料的分析来掌握各行各业 各种产品和各类市场的从业人员以及企业的纳税能力 并与其实际纳税金额进行对比 从而查出可能的偷漏税者 此外 数据仓库技术还在保险业 银行业 营销业 保健业以及客户关系管理中都有广泛应用 二 数据挖掘 一 数据挖掘的定义数据挖掘是从大量的 不完全的 模糊的 随机的数据中抽取出有效的 新颖的和潜在有用的知识的过程 DM的过程一般由三个主要的阶段组成 数据准备 挖掘操作 结果表达和解释 3 2数据仓库与数据挖掘 数据源 数据 目标数据 预处理后数据 模式 知识 数据集成 数据选择 预处理 数据挖掘 解释评价 数据准备 数据挖掘 结果表达和解释 二 数据挖掘 二 数据挖掘的应用1 数据库营销 databasemarketing 数据库营销的任务是通过交互式查询 数据分割和模型预测等方法来选择潜在的顾客以便向他们推销产品 2 货篮分析 basketanalysis 货篮分析是分析市场销售数据 如POS数据库 以识别顾客的购买行为模式 3 2数据仓库与数据挖掘 3 3数据通信与计算机网络 本节所讲内容 计算机体系结构 数据通信概述 计算机网络概述 网络体系结构与协议 Internet 计算机网络应用 一 计算机体系结构经历了从单机结构到主从结构 客户机 服务器结构到浏览器 服务器体系结构的发展过程 一 单机结构如果在一个系统内的多台计算机是各自独立使用的 这样的系统就是单机结构的系统 二 主从结构主从结构又称主机 终端结构 它有一台大型主机 可以同时在本地或远程挂接多个终端 主机对各终端用户传来的数据进行分时处理 使每个终端用户感觉像拥有一台自己的大型计算机一样 3 3数据通信与计算机网络 一 计算机体系结构 二 主从结构 3 3数据通信与计算机网络 应用 如订票系统 银行储蓄系统 出纳系统 登记查询系统等等 三 文件服务器 工作站结构在文件服务器 工作站系统中 一个组织的多个工作站与一台服务器互相连接起来 使用微机作为工作站 以高性能微机或小型机作为服务器 数据库管理系统安装在文件服务器上 而数据处理和应用程序分布在工作站上 文件服务器仅提供对数据的共享访问和文件管理 没有协同处理能力 3 3数据通信与计算机网络 文件服务器 工作站 工作站 工作站 工作站 四 客户机 Client 服务器 Server C S 结构在客户机 服务器结构中 网络系统上的计算机系统分成客户机与服务器两类 其中服务器可能包括文件服务器 数据库服务器 打印服务器 专用服务器等 网络系统结点上的其他计算机系统称为客户机 3 3数据通信与计算机网络 服务器 客户机 客户机 客户机 四 客户机 Client 服务器 Server C S 结构常用的C S模式有两层结构 三层结构两种 3 3数据通信与计算机网络 数据库服务器 客户机 数据库服务器 客户机 应用服务器 a 两层结构 b 三层结构 五 浏览器 Browser 服务器 Server B S 结构在浏览器 服务器结构中 大量的应用程序都在客户端进行 每个客户都必须安装应用程序和工具 在Internet环境中C S结构自然延伸为三层或多层结构 3 3数据通信与计算机网络 数据库 数据库服务器 服务器层 实施应用 中间层 用户使用的前台应用程序 客户层 二 数据通信概述 一 数据通信系统数据通信就是通过适当的传输线路将数据信息从一台机器传送到另一台机器 数据通信实质上包含了数据处理和数据传输两方面内容 通信系统的基本构成要素为 计算机 通信处理机 数据信号转换器 通信信道 即传输介质 及通信协议 3 3数据通信与计算机网络 主要由计算机系统完成 依靠通信系统实现 计算机A 数据信号转换器 通信处理机 计算机B 数据信号转换器 通信处理机 通信信道 图3 22数据通信系统简化模型 二 数据通信概述 二 数据通信中的基本概念1 模拟数据通信与数字数据通信模拟数据是连续变化的数值 模拟数据通信是指在传输介质上用模拟信号进行传输数字数据是离散的数值 数字数据通信是指直接在传输介质上传送脉冲数字信号 两者差异 模拟通信比数字通信误码率高得多 数字通信可将多种多媒体信息合成起来传输 而模拟通信不行 数字通信设备可用性越来越强趋势 无论是模拟数据还是数字数据 都将用数字通信传输 3 3数据通信与计算机网络 2 信号传输方向单工通信方式半双工方式全双工方式3 通信传输介质双绞线同轴电缆光纤无线传输介质 3 3数据通信与计算机网络 A B A B A B 通信传输介质 双绞线由两根相互绝缘并绞扭在一起的铜导线对组成 绞扭的目的 是为减少线对间的电磁干扰 双绞线很早就用于传统的电话系统中 即用于传输模拟信号 也可用于传输数字信号 传输的距离可达几公里到十几公里 在局域网中 常选用双绞线进行点对点的高速连接 每段长度不超过100米 数据速率可达100Mbit s 双绞线各线对之间以色标相区别 不同颜色的线对用于实现不同功能 安装使用非常方便 常用的八芯UTP 无屏蔽 四对线的颜色及实现模拟的功能分别为 蓝 模拟话音橙 数据绿 数据棕 电源 同轴电缆 由一对导体组成 其内导体为铜质导线 外包一层绝缘材料 再外边为网状编织细铜丝组成的外导体 最外层是保护性塑料外套 同轴 指内导体的铜芯线与外导体铜丝编织网是同轴的 这种结构中的铜丝编织网可以有效地屏蔽外界电磁干扰 故而同轴电缆可用于较高速的数据传输 基带同轴电缆 用于传输数字信号 通常用于局域网 使用曼彻斯特编码 数据速率可达10Mbps 优点 安装简单 价格便宜 但信号易衰减和畸变 故传输距离较短 通常不超过一公里 近年因为100Mbps以上的高速网已成为主流 局域网中已很少选用同轴电缆作传输媒体 宽带同轴电缆 传输模拟信号 带宽可达300 500MHz 典型的应用为CATV 有线电视 中用来作为标准传输电缆 因其频带特宽 故常使用频分多路复用技术将其划分为多个子频带 这些子频带可同时传输声音信号 视频图像和数字信号等综合信息 传送的距离可达几十公里 不足 电缆中的模拟信号只能进行单向传输 传输技术较复杂 设备相对昂贵 光导纤维 光纤 它的内层是能传导光波的玻璃纤维 外层加比玻璃折射率低的材料作保护层 以一定角度进入光纤的光波可在两种材料的介面上形成全反射 从而可以不断地向前传输 相对金属导线 光纤中传输的是光信号 故而用于传送电信号时在发送端和接收端要进行光电信号的转换 两端的转换设备一般比较昂贵 光纤的优点 可提供高速的数据速率 100Mbit s以上 更低的误码率 10 9 较低的损耗和更宽的频带 光纤不受电磁干扰或噪声影响 可进行长距离传输 而且不能被偷听 安全保密性好 光纤重量轻 体积小 易于铺设 以前制约光纤大量应用的因素主要是价格昂贵 安装和配置技术复杂 随着技术的进步 这两个障碍已经不再重要 光纤正在逐步取代金属类介质成为有线类介质的第一选择 微波通信 无线通信介质指的是不须通过线缆 通过空间传输信号 包括微波 激光 红外线和短波等几种 微波通信的载波频率为2GHz 40GHz 因为频率高 故而可以同时高速传递大量信息 微波通信系统分 地面微波系统和卫星微波系统 地面微波系统中 因为微波以直线传播 地球表面是曲面 因而要架设较高的天线并在超过一定距离后用中继站来接力 通信卫星可以看成设在空中的微波中继站 一般利用的是地球同步卫星 三个地球同步卫星就可以覆盖地球上的全部通信区域 卫星通信的优点 容量大 距离远 但因为地球同步卫星位于距地36000公里的高空 从发送站经卫星到接收站有约270ms的延迟 组建卫星网络时必须对这一因素加以考虑 4 数据传输形式基带信号传输 按数据波的原样传输 不包含任何调制频带信号传输 把二进制信号调制成音频模拟信号再传输宽带信号传输 将多路视频信号调制复用为一个宽带信号传输数字数据传输 数据信号在数据信道上传输数据通信的主要性能指标传输速率 每秒能传输数据代码的位数 单位为比特 秒带宽 信道能够传送信号的频率宽度误码率 二进制码在传输过程中被传错的概率 3 3数据通信与计算机网络 三 计算机网络概述计算机网络是用传输介质把分布在不同地理位置的计算机和其他通信设备连接起来 实现数据通信和资源共享的分布式系统 计算机网络的构成包括 计算机系统 通信设备 传输介质和网络软件 一 计算机网络的功能计算机网络从功能上分成通信子网和资源子网两部分 通信子网 计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合 主要负责整个网络的通信管理与控制 资源子网 计算机网络中实现资源共享的设备和软件的集合 由主机和终端设备构成 负责数据处理 向网络提供可供选用的硬件资源 软件资源和数据资源 3 3数据通信与计算机网络 三 计算机网络概述 一 计算机网络的功能1 数据通信2 资源共享3 提高计算机的可靠性和可用性4 易于进行分布式信息处理 二 网络拓扑结构网络拓扑是网络布局的方法 常见的拓扑结构有星型 环型 总线型 树型等 如下图所示 3 3数据通信与计算机网络 图3 27网络拓扑结构 3 3数据通信与计算机网络 网络拓扑结构 星型网络有一个中央节点 任何两个节点的通信都要经过中央节点 该拓扑结构简单 建网容易 便于管理 但它属于集中控制 对中央节点的依赖性大 环型 各节点连成环状 信息沿着一个方向传递 通过各个中间节点的存储转发 最后到达目的节点 该拓扑结构管理简单 总路径长度较短 但一旦一个节点出故障 则可造成全网不能工作 并且当环中节点过多时 传输效率降低 响应时间长 总线型 各节点都连接在一条公共的总线上 由于节省了电缆和其它连接设备 使用的电缆较少 安装容易 网络连接成本较低 但网络线路对整个系统影响较大 树型 各个节点按层次进行连接 该拓扑结构比较复杂 成本较高 但易于扩展 网型 三 网络的类型1 按网络的覆盖的地理范围分局域网 localareanetwork LAN 几公里 几十公里城域网 metropolitanareanetwork MAN 10 100公里广域网 wideareanetwork WAN 几百公里 几千公里2 按网络的所有权分类公共网络专用网增值网虚拟专用网 3 3数据通信与计算机网络 四 网络的接口部件调制解调器 完成调制与解调任务的设备 网络适配器 简称网卡 发送和接受数据的计算机接口设备多路复用器 将多种通信介质中的信息集中在一起 共用一个具有较高容量的通信干线传输 中继器 局域网下 在传输介质上用于放大和整形传输信号集线器 Hub 也成多端口中继器 网桥 桥连器 连接两个局域网的一种存储 转发设备 路由器 连接类型不大相同的网络 网关 互联网中的协议转换器 能在高层协议不同的情况下提供协议转换服务 3 3数据通信与计算机网络 3 3数据通信与计算机网络 四 网络体系结构与协议 一 网络协议与体系结构网络协议 网络数据交换的规则 约定与标准 其作用是控制并指导通信双方的对话过程 发现对话过程中出现的差错并确定处理策略 一个网络协议主要由三个要素组成 语法 语义与时序 语法 规定了用户数据与控制信息的结构与格式语义 规定了用户控制信息的意义 以及完成的控制动作与响应时序 对事件实现顺序进行