第二章 計算機網絡基礎知識
計算機系統 由 硬件和軟件組成，軟件通常分爲 系統軟件和應用軟件。
系統軟件支持應用軟件的運行，爲用戶開發應用軟件提供平臺，用戶可以使用它，但不能隨意修改它。
常用的系統軟件有 操作系統、語言處理程序、連接程序、診斷程序、數據庫 等。
應用軟件指 計算機用戶利用 軟硬件資源 爲某一專門的應用目的而開發的軟件。
2.1 操作系統基礎知識
操作系統 Operating System，是計算機系統的核心繫統軟件。
2.1.1 操作系統的原理、類型、結構
1、操作系統定義
硬件資源包括 中央處理器、存儲器、輸入輸出設備。
軟件資源是以 文件形式保存在存儲器上的 程序和數據。
操作系統既 有效組織和管理 系統中各種 軟硬件資源，合理地組織計算機系統的工作流程，又控制程序的執行，爲用戶使用計算機 提供了一個 良好的環境和友好的接口。
2、操作系統分類
按功能不同分：單用戶操作系統、批處理操作系統；分時操作系統、實時操作系統；網絡操作系統、分佈式操作系統；嵌入式操作系統。
3、操作系統的特徵
併發性、共享性、虛擬性、不確定性。
4、操作系統的功能
進程管理、文件管理、存儲管理、設備管理、作業管理。
2.1.2 處理機 與 進程管理
1、進程的定義及其分類
進程通常由 程序、數據、進程控制塊 PCB 組成。
2、進程的狀態轉換與控制
就緒、運行、阻塞。
進程控制是通過 進程控制原語實 現的，進程控制原語主要有：創建原語、撤銷原語、掛起原語、激活原語、阻塞原語、喚醒原語。
注：原語不可分割，不允許中斷。
3、進程互斥與同步 以及 P/V 操作
同步是使在異步環境下的各進程按一定的 順序和速度 執行。
互斥 要保證臨界資源 一次只能提供一個進程使用，稱爲 臨界資源 CR。
PV操作是低級通信原語，在執行期間不可分割，P表示申請一個資源，V表示釋放一個資源。
P操作定義：S:=S-1，若S>=0，則執行P操作的進程繼續執行，否則若S<0， 則置該進程爲阻塞狀態（因爲無可用資源），並將其插入阻塞隊列。
V操作定義：S:=S+1，若S>0， 則執行V操作的進程繼續執行，否則若S<=0，則從阻塞狀態喚醒一個進程，並將其插入就緒隊列，然後執行V操作的進程繼續執行。
4、進程通信與管程
控制信息的交換稱爲低級通信，數據的交換稱爲高級通信。
高級通信的類型有 共享存儲系統、消息傳遞系統、管道通信。
在任一時刻最多隻有一個進程能夠真正地進入管程，其他的只能等待。
5、進程調度與死鎖
產生死鎖的四個必要條件：互斥條件、請求保持條件、不可剝奪條件、環路條件。
預防策略，破壞死鎖的四個必要條件之一。
6、線程
線程是進程中的一個實體，是被系統獨立分配和調度的基本單位。
線程只擁有一些運行中必不可少的資源。
同一個進程中的多個線程可以併發執行，線程具有：就緒、運行、阻塞，三個基本狀態。
2.1.3 存儲管理
存儲器的發展方向是：高速、大容量、小體積。
存儲管理的主要任務是：如何提高主存的 利用率、擴充主存 以及對主存信息實現有效保護。
2.1.4 設備管理
設備管理的目標是：提高設備的利用率，爲用戶提供方便統一的界面。
磁盤調度算法：先來先服務 FCFS、最短尋道時間優先 SSTF、掃描算法SCAN。
2.1.5 文件管理
隨機訪問是指對文件中的信息可以按任意次序隨機讀寫文件中的信息。
文件控制塊FCB，描述和控制文件的數據結構。
2.1.6 作業管理
常用的作業調度算法有：先來先服務、短作業優先、相應比高優先、優先級調度算法、均衡調度算法。
2.1.7 網絡操作系統 NOS
網絡操作系統分爲：集中模式、客戶機/服務器模式、對等模式。
現代操作系統已經把網絡功能包含到操作系統的內核中，作爲操作系統核心功能的一個組成部分。
2.2.1 關係數據庫基礎
數據庫的三要素：數據結構、數據操作、數據約束條件。
特別需要指出的是，E-R模型強調的是 語義。
關係數據庫設計理論的核心是 數據間的函數依賴，衡量的標準是 關係規範化的程度 及分解的無損連接 和 保持函數依賴性。
數據依賴包括：函數依賴、非平凡的函數依賴、平凡的函數依賴、完全函數依賴、部分函數依賴、傳遞依賴、碼、主屬性、非主屬性、外碼、值依賴定義、函數依賴的公理系統。
事務是數據庫環境中 不可分割 的邏輯工作單位。
四個特性：原子性、一致性、隔離性、持久性，ACID。
SQL語言中事務定義語句有三條：BEGIN TRANSACTION 事務開始、COMMIT 事務提交、ROLLBAK 事務回滾。
併發操作是指：在多用戶共享系統中，用戶可能同時對同一數據庫進行操作。
帶來的問題主要有：丟失更新、不可重複讀、讀髒數據。
併發控制主要技術是封鎖：排他鎖（簡稱 X鎖、寫鎖）、共享鎖（簡稱 S鎖、讀鎖）。
保護數據庫的關鍵技術在於 建立冗餘數據、即 備份數據。
方法是：數據轉儲、建立日誌。
2.2.2 關係數據庫設計
需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計、應用程序設計、運行維護。
E-R 方法的數據庫概念結構設計可分三步：設計局部E-R模型、設計全局E-R模型、全局E-R模型優化。
2.2.3 分佈式數據庫系統
滿足 分佈性、邏輯相關性、場地透明性、場地自治性 的數據庫系統被稱爲 完全分佈式數據庫系統。
分佈式數據庫系統的特點：數據的集中控制性、數據獨立性、數據冗餘可控性、場地自治性、存取有效性。
4層模式劃分爲：全局外層、全局概念層、局部概念、局部內層，各層還有相應的 層間映射。
2.2.4 商業智能
一般認爲：數據倉庫、連機分析處理、數據挖掘技術 是 商業智能BI 的三大組成部分。
數據倉庫的關鍵特徵：面向主題、集成的、非易失的、時變的。
三層結構：數據倉庫服務器、OLAP服務器（連機分析處理 服務器）、前端工具。
數據倉庫的實現步驟：規劃、需求研究、問題分析、數據的 抽取 清洗 集成 裝載、數據倉庫設計、數據倉庫管理、分析報表查詢、數據倉庫性能優化、數據倉庫部署發佈。
切片、切塊、下鑽、上卷、旋轉 等多維度分析與跨維度分析。
OLAP 系統架構主要分爲：基於關係數據庫的ROLAP、基於多維數據庫的MOLAP、基於混合數據組織的HOLAP。
數據挖掘是在 沒有明確架設的前提下 去挖掘信息、發現知識。
所得的信息應具有 先知、有效、實用，三個特徵。
主要功能有5類：自動預測趨勢和行爲、關聯分析、聚類、概念描述、偏差檢測。
2.3 計算機網絡基礎知識
計算機網絡
按通信距離分 廣域網、局域網、城域網；按信息交換方式分 電路交換網、分組交換網、綜合交換網；按拓撲結構分 星型網、樹形網、環形網、總線型網；按傳輸帶寬分 基帶網、寬帶網；
按使用範圍分 公用網、專用網；按通信傳播方式分 廣播式、點到點式……
OSI/RM：把複雜的問題分解開，保持了層次之間的獨立性。
物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。
2.3.2 計算機網絡
1、廣域網、局域網、城域網
廣域網又稱遠程網，覆蓋範圍廣，傳輸速率相對低，以數據通信爲主要目的 的數據通信網。數據傳輸可靠性隨着傳輸介質不同而不同、拓撲結構複雜。
有公共交換電話網、各種公用數據網。
局域網是指傳輸距離有限，傳輸速度較高，以共享網絡資源爲目的的網絡系統，數據傳輸可靠 誤碼率低，網絡控制一般爲分佈式，總線拓撲、環形拓撲、星型拓撲、混合型。
城域網 是一種較大範圍的高速網絡。
網絡拓撲結構：網絡中通信線路和節點的幾何排序，反映各節點之間的結構關係，影響着整個網絡的 設計、功能、可靠性、通信費用 等重要方面。
局域網和城域網 都是IEEE802標準，決定局域網主要技術有：傳輸介質、拓撲結構、介質訪問控制方法。
決定了傳數據的類型、網絡響應時間、吞吐率、利用率，以及網絡應用。
最重要的是 介質控制訪問方法。（CSMA/CD）
無線局域網具有以下優點：安裝便捷、使用靈活、經濟解約、易於擴展。IEEE8.2.11
2、網絡互聯
網絡互聯目的是 使一個網絡的用戶能訪問其他網絡的資源，使不同網絡上的用戶能夠 互相通信、交換信息。
網絡互聯設備的作用是 連接不同網絡。
傳輸介質是信號傳輸的 媒體，常用的介質分爲 有限介質 和 無線介質。局域網中，其基本組成部件爲 服務器、客戶機、網絡設備、通信介質、網絡軟件 等。
3、Internet 及應用
世界上規模最大、覆蓋面最廣 且 最具影響力 的 計算機互聯網絡，它將分佈在世界各地的計算機利用開放系統互連協議連接在一起，用來進行數據傳輸、信息交換、資源共享。
TCP/IP作爲Internet的核心協議，已被廣泛應用於局域網和廣域網中，主要特性爲：邏輯編址、路由選擇、域名解析、錯誤檢測、流量控制、對應用程序的支持 等。
TCP/IP是一個協議族，網際層除了IP協議外，還有ICMP、ARP、RARP等幾個重要協議……
Internet的地址主要有兩種書寫形式：域名格式、IP地址格式。
www也成萬維網/全球網，是指在Internet上 以超文本爲基礎形成的 信息網。採用統一的資源定位器URL 和 圖文聲並茂的用戶界面。
2.3.3 網絡管理與網絡安全
1、網絡管理
網絡管理是對計算機網絡的 配置、運行狀態、計費 等進行管理。它提供了 監控、協調、測試 各種網絡資源 以及 網絡運行狀況的手段，還可以提供 安全處理和積分 等功能。
OSI網絡協議標準中定義了 網絡管理的5大基本功能：配置管理、性能管理、故障管理、安全管理、計費管理。
實際上還應該包括 網絡規劃、網絡操作人員管理 等。
2、計算機網絡安全
計算機網絡安全是指 計算機、網絡系統的 硬件、軟件、數據 收到保護，不因偶然或惡意的原因而遭到 破壞、更改、泄漏，確保系統能 連續、可靠 地運行，使網絡服務 不中斷。
網絡安全從本質上講 就是 網絡上的 信息安全。
信息的 傳輸、存儲、訪問 提供安全保護，以 防止信息被 竊取、篡改、非法操作。
信息安全的基本要素是 保密性、完整性、可用性、真實性、可控性。
完整的信息安全保障體系應包括：保護、檢測、響應、恢復。
信息安全術語：密碼學、鑑別、Kerberos鑑別、公鑰基礎設施、數字簽名、訪問控制。
3、VPN
所謂虛擬專用網，是建立在公用網上，沒有專用物理連接，而通過ISP提供的公共網絡來實現通信，VPN內部用戶可以實現安全通信。
關鍵技術：隧道技術、加密技術、密鑰管理技術、身份認證技術。
解決方案：內聯網VPN、外連網VPN、遠程接入VPN。
2.3.4 網絡工程
網絡規劃、網絡設計階段、工程組織、實施階段、維護階段。
2.3.5 存儲及負載均衡技術
RAID磁盤陣列，目的是 建立數據冗餘、增強容錯、提高容量、增進性能。
網絡存儲體系結構大致分爲三種：直接式存儲DAS、網絡連接存儲NAS、存儲區域存儲SAN。
負載均衡 LoadBalance 從結構上分爲：本地負載均衡、全局負載均衡。
一般情況下從 傳輸鏈路聚合、採用更高層網絡交換技術、設置服務器集羣策略 三個角度實現。
集羣 Cluster，大多數模式下，集羣中所有的計算機擁有一個共同的名稱，各節點服務器通過一個內部局域網相互通訊，集羣內任一系統上運行的服務都可被所有的網絡客戶所使用，當一臺
節點服務器發生故障時，這臺服務器上所運行的應用程序將在另一節點服務器上被自動接管，客戶也能很快自動地連接到新的應用服務器上。
2.4 多媒體技術及其應用
媒體有兩種含義：信息的載體、存儲信息的實體。
根據ITU-T（原CCITT）建議，媒體有5種：感覺媒體、表示媒體、顯示媒體、存儲媒體、傳輸媒體。
International Consultative Committe On Telecommunication And Telegraphy，CCITT，國際電報電話諮詢委員會。
多媒體技術是指：以數字化爲基礎，對多種媒體信息進行 採集、編碼、存儲、傳輸、處理、表現，使之建立有機的邏輯聯繫，具有良好的 交互性 的技術。
多媒體的特徵：多樣性、集成性、交互性、實時性。
2.4.2 多媒體數據壓縮編碼技術
JPEG，Joint Photographic Experts Group，聯合圖像專家小組，是一種對靜態圖像壓縮的編碼算法。“聯合”的含義是：CCITT 和 ISO 聯合組成的圖像專家小組。
MPEG，Moving Picture Experts Group，運動圖像專家小組，是作爲一個國際標準來研究制訂的，具有很好的兼容性。
其次，比其它算法提供更好的壓縮比，最高可達 200:1。更重要的是對數據損失很小。
不存在專利問題，適合大力推廣。
數據壓縮編碼兩大類：無損壓縮編碼法（也稱 冗餘壓縮法、熵編碼法），有損壓縮編碼法（也稱 熵壓縮法）。
2.4.4 多媒體技術的研究內容
對數據進行有效壓縮將是多媒體發展中必須要解決的最關鍵的技術之一。
數據量大、種類繁多、關係複雜，是多媒體數據的基本特徵。
虛擬現實
首先，“逼真”就是要達到 三維視覺、聽覺、觸覺 等效果；其次，通過人的感官與這個環境進行交互；最後，爲用戶提供一個逼真的操作環境。
虛擬現實是一種 多技術 多科學 相互滲透集成 的技術。
只能多媒體技術
將具有推理功能的 知識庫 與 多媒體數據庫 結合起來，形成 智能多媒體數據庫。
發展趨勢：把 多媒體和通信 功能 集成到CPU芯片中。
其一，專用設備、家電及寬帶通信設備，可以取代這些設備中的CPU及大量Asic和其他新品。
其二，與現有的計算機系列兼容，同事具有多媒體和通訊功能。
2.5 系統性能
系統性能 是一個系統提供給用戶的 衆多性能指標的集合。既包括 硬件性能，也包括軟件性能；既包括部件性能指標，也包括綜合性能指標。
系統性能包含 性能指標、性能計算、性能設計、性能評估，四個方面內容。
2.5.3 系統性能設計
是一系列重複的受控的性能試驗，循環的調整過程爲 收集、分析、配置、測試。
阿姆達爾定律 Amdahl：系統中 對某一部件採用某種更快的執行方式所獲得的系統性能改變程度，取決於這種方式被利用的頻率，或所佔總執行時間的比例。
被改進並增強的部分 在總時間中所佔的比例，增強比例，永遠小於等於1.
2.5.4 性能評估
對測試結果做出解釋，並形成一分文檔的技術。
目的是爲了性能的優化提供參考。
用得最多、最頻繁 的那部分核心程序作爲評價計算機性能的標準程序，稱爲基準測試程序 Benchmark。