【系统分析师】第4章-基础知识：计算机网络与分布式系统（核心总结）

计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，是信息收集、分发、存储、处理和消费的重要载体，对人类社会的各领域影响深刻。分布式系统在计算机网络的基础上为用户提供了透明的集成应用环境。用户可以用名字或命令调用网络中的任何资源或进行远程的数据处理， 而不必考虑这些资源或数据的地理位置。

4.1 计算机网络基础

计算机网络按照数据通信和数据处理的功能可分为两层: 内层通信子网和外层资源子网。

• 通信子网的特点计算机和高速通信线路组成独立的数据系统，承担全网的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作。
• 资源子网包括计算机、终端、通信子网接口设备、外部设备(如打印机、磁带机和绘图机等)及各种软件资源等，它负责全网的数据处理和向网络用户提供网络资源及网络服务。

4.1.1 数据通信基础

通信中产生和发送信息的一端称为信源，接收信息的一端称为信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。信息在进入信道时要变换为适合信道传输的形式，在进入信宿时又要变换为适合信宿接收的形式。信道的物理性质不同，对通信的速率和传输质量的影响也不同。另外， 信息在传输过程中可能会受到外界的干扰(常称为噪声)，不同的物理信道受各种干扰的影响不同，例如，如果信道上传输的是电信号，就会受到外界电磁场的干扰，光纤信道则基本不受电磁场干扰。

信源产生的信息可能是模拟数据，也可能是数字数据。在数据进入信道之前要变换成适合传输的电磁信号，这些信号可以是模拟的或数字的。模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量(如幅度、相位和频率等)可以表示要传送的信息。数字信号只取有限个离散值，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的，数字信号以某一瞬间的状态表示它们传送的信息。

1.信道带宽和奈奎斯特定理
模拟信道的带宽 W=f2 - f1，其中，f1是信道能通过的最低频率，f2是信道能通过的最高频率， 两者都是由信道的物理特性决定的。当组成信道的电路制成时，信道的带宽也就决定了。为了 使信号传输中的失真小一些，信道要有足够的带宽。

2. 误码率
在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。用误码率来表示传输二进制位时出现差错的概率。

3. 信道延迟
信号在信道中传播，从源端到达宿端需要一定的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关， 也与具体信道中的信号传播速度有关。

4.1.2 数据编码

在计算机中，数据是以离散的二进制比特流方式表示的，称为数字数据。在网络中传输时， 通信信道有模拟信道和数字信道两种类型。计算机数据在模拟信道中传输时，要将数字信号转 换成模拟信道能够识别的模拟信号;在数字信道中传输时，要把计算机中的数字信号转换成网 络媒体能够识别且利于网络传输的数字信号。

1.模拟数据编码
将计算机中的数字数据在网络中用模拟信号表示时，需要进行调制，也就是要进行波形变 换，或者是频谱变换，将数字信号的频谱变换成适合在模拟信道中传输的频谱。最基本的调 制方法有 调幅、调频和调相 3 种。

• 调幅 (AmplitudeModulator, AM) 即载波的振幅随着基带数字信号而变化，例如数字信号 1 用有载波输出表示，数字信号 0 用无载波输出表示。
• 调频 (Frequency Modulator, FM) 即载波的频率随着基带数字信号而变化，例如数字信号 1 用频率八表示，数字信号 0用频率几表示。这种调频的方法又叫频移键控( Frequency Shift Keying, FSK), 其特点是信号容易实现，技术简单，抗干扰能力较强。
• 调相 (Phase Modulator, PM) 即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，例如数字信号 l 对应于相位 180° ，数字信号 0对应于相位 00 。这种调相的方法又叫相移键控 (Phase Shift Keying, PSK), 其特点是抗干扰能力较强，但信号实现的技术比较复杂。

2.数字数据编码
在数字信道中传输时，要对计算机中的数字信号重新编码后进行基带传输。在基带传输中， 数字信号的编码方式主要有以下几种。

• 不归零编码 (Non-Return-Zero, NRZ) 用低电乎表示二进制 0, 用高电乎表示二进制1。
• 曼彻斯特编码 (Manchester Encoding, ME) 不用电平的高低表示二进制，而是用电平的 跳变来表示的。在曼彻斯特编码中，每一个比特的中间均有一个跳变，这个跳变既作为时钟信 号，又作为数据信号。电平从高到低的跳变表示二进制1,从低到高的跳变表示二进制 0。
• 差分曼彻斯特编码 (Differential Manchester Encoding, DME) 是对曼彻斯特编码的改进， 每比特中间的跳变仅做同步之用，每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每比特的 开始无跳变表示二进制 l，有跳变表示二进制0.
• 多电平编码：这种编码的码元可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位。
• 4B/5B 编码：在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码中，每位中间都有一次电乎跳变，因此波特率是数据 速率的两倍。

4.1.3 差错控制

通信过程中出现的差错可大致分为两类:—类是由热噪声引起的随机错误;另一类是由冲 击噪声引起的突发错误。

1. 奇偶校验检错码
奇偶校验是最常用的检错方法，其原理是在 7 位的 ASCII 代码后增加一位，使码字中 1 的 个数成奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。经过传输后，如果其中一位(甚至奇数个位)出错， 则接收端按同样的规则就能发现错误。这种方法简单实用，但只能对付少量的随机性错误。

2. 海明码
1950 年，海明 (Hamming)研究了用冗余数据位来检测和纠正代码差错的理论和方法。按 照海明的理论，可以在数据代码上添加若干冗余位组成码字。码字之间的海明距离是一个码字 要变成另一个码字时必须改变的最小位数。

3.循环冗余校验码
所谓循环码是这样一组代码，其中任一有效码字经过循环移位后得到的码字仍然是有效码字，不论是右移还是左移，也不论移多少位。

4.2 网络体系结构与协议

网络体系结构是指计算机网络的各层及其协议的集合。计算机之间要交换数据，就必须遵 守一些事先约定好的规则，用于规定信息的格式以及如何发送和接收信息的一套规则就称为网络协议。通常，网络协议由如下 3 个要素组成:

• (1)语法，即控制信息或数据的结构和格式。
• (2)语义，即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答。
• (3)同步，即事件实现顺序的详细说明。

采用分层设计方法，按照信息的传输过程将网络的整体功能分解为多个功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。

4.2.1 OSI体系结构

国际标准化组织( ISO) 推出了开放系统互连参考模型 (Open System Interconnection Reference Model, OSI/RM),该模型定义了不同计算机互连的标准， 是设计和描述计算机网络通信的基本框架。开放系统互连参考模型共分 7 层，层与层之间在逻 辑上对等通信，最后由物理层实现真正的通信，每一层完成相应的功能，下一层为上一层提供 服务，从而把复杂的通信过程分成了多个独立的、比较容易解决的子问题。

1. 物理层
物理层是 OSI 分层体系结构中最重要、最基础的—层，它建立在传输媒介基础上，实现设 备之间的物理接口。物理层包括对连接到网络上的设备描述其各种机械的、电气的和功能的规定，还定义电位 的高低、变化的间隔、电缆的类型、连接器的特性等。

2. 数据链路层
数据链路层实现实体间数据的可靠传送。通过物理层建立起来的链路，将具有一定意义和结构的信息正确地在实体之间进行传输，同时为其上面的网络层提供有效的服务。数据链路层的数据单位是帧。

3. 网络层
网络层也称为通信子网层，是高层协议与低层协议之间的界面层，用于控制通信子网的操 作，是通信子网与资源子网的接口。网络层的主要任务是提供路由，为信息包的传送选择一条最佳路径。网络层还具有拥塞控制、信息包顺序控制及网络记账等功能。在网络层交换的数据单元是包。

4. 传输层
传输层建立在网络层和会话层之间，实质上它是网络体系结构中高低层之间衔接的一个接口层。传输层不仅是一个单独的结构层，还是整个分层体系协议的核心。

5. 会话层
会话层用于建立、管理以及终止两个应用系统之间的会话。它是用户连接到网络的接口， 基本任务是负责两主机间的原始报文的传输。

6. 应用层
应用层是通信用户之间的窗口，为用户提供网络管理、文件传输、事务处理等服务，其中包含若干个独立的、用户通用的服务协议模块。

7. 应用层
应用层是通信用户之间的窗口，为用户提供网络管理、文件传输、事务处理等服务，其中包含若干个独立的、用户通用的服务协议模块。应用层是 OSI 的最高层，为网络用户之间的通 信提供专用的程序。应用层的内容主要取决于用户的各自需要，这一层涉及的主要问题是分布 数据库、分布计算技术、网络操作系统和分布操作系统、远程文件传输、电子邮件、终端电话 及远程作业登录与控制等。

4.2.2 TCP/IP 协议簇

TCP/IP 协议分为 4 层，由下至上分别是 网络接口层、网际层、传输层和应用层， ISO/OSI 模型与 TCP/IP 分层模型的关系如图

应用层：TCP/IP 的最上层是应用层，是与用户打交道的部分，如收发电子邮件、文件传输等。
传输层：传输层的主要功能是对应用层传递过来的用户信息进行分段处理，然后在各段信息中加入—些附加说明，如说明各段的顺序等，保证对方收到可靠的信息。该层有两个协议，一个是传输控制协议 (TCP), 另一个是用户数据报协议 (User Datagram Protocol, UDP), SNMP 就是 基于 UDP 协议的一个应用协议。
网际层：网际层将传输层形成的一段一段的信息构造为 IP 数据报，在报头中填入地址信息，然后选 择好发送的路径。
网络接口层：网络接口层是最底层，也称链路层，其功能是接收和发送 IP 数据报，负责与网络中的传输 媒介打交道。

如图 4-5 所示为主要协议之间的关系。

1. IP协议
在 TCP/IP 的标准中，各种数据格式常以 32 位(即 4 字节)为单位来描述。一个 IP 数据报 由首部和数据两部分组成。首部由固定 20 个字节的基本首部和 0~40 字节可变长度的任选项 组成，如图

其中的字段说明如下:

• 版本号:协议的版本号，不同版本的协议格式或语义可能不同，目前常用的是IPv4, 正在逐渐过渡到 IPv6。
• IHL: IP头长度，以 32位字计数，最小为 5, 即20字节。
• 服务类型:用于区分不同的可靠性、优先级、延迟和吞吐率的参数。
• 段总长度:包含IP头在内的数据单元的总长度(字节数)。
• 标识符:唯一标识数据报的标识符。
• 标志:包括3个标志， M标志用于分段和重装配;另一个是禁止分段标志，如果认为目 标站不具备重装配能力，则可使这个标志置位，这样如果数据报要经过一个最大分组长 度较小的网络，就会被丢弃，因而最好使用源路由以避免这种灾难发生;第 3个标志当 前没有启用。
• 段偏置值:指明该段处于原来数据报中的位置。
• 生存期:用经过的路由器个数表示。
• 协议:上层协议 (TCP或UDP) 。
• 头校检和:对IP头的校验序列。在数据报传输过程中IP头中的某些字段可能改变(例如生存期，以及与分段有关的字段)，所以校检和要在每一个经过的路由器中进行校验和 重新计算。校检和是对 IP头中的所有 16位字进行 l的补码相加得到的，计算时假定校检 和字段本身为 0。
• 源地址:给网络和主机地址分别分配若干位，例如7和24、 14和 16、 21和8等。 ·目的地址:同上。
• 任选数据:可变长，包含发送者想要发送的任何数据。
• 补丁:补齐32位的边界。
• 用户数据:以字节为单位的用户数据，和 IP头加在一起的长度不超过65535字节。

2. ICMP协议
ICMP Onternet Control Message Protocol) 与 1P 协议同属于网络层，用于传送有关通信问题 的消息，例如数据报不能到达目标站，路由器没有足够的缓存空间，或者路由器向发送主机提 供最短通路信息等。 ICMP 报文封装在 IP 数据报中传送，因而不保证可靠的提交。 ICMP 报文 有 11 种之多，报文格式如图 4-7 所示。其中的类型字段表示 ICMP 报文的类型，代码字段可表 示报文的少置参数，当参数较多时写入 32 位的参数字段， ICMP 报文携带的信息包含在可变长的信息字段中，校验和字段是关于整个 ICMP 报文的校验和。

3. TCP协议
传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP) 是面向连接的协议。 (也叫 TCP 头或传输头)的格式如图

4. UDP协议
用户数据报协议 (UserDatagram Protocol, UDP) 是无连接的。UDP 对应用层提供无连接的传输服务，虽然这种服务是不可靠的、不保证顺序的提交，但这并没有减少它的使用价值。相反，由于协议开销少而在很多场合相当实用，特别是在网络管理方面，大多使用 UDP 协议。

5. ARP 和 RARP
地址解析协议 (Address Resolution Protocol, ARP) 及反向地址解析协议 (Reverse Address Resolution Protocol, RARP) 是驻留在网际层中的重要协议。 ARP 的作用是将 IP 地址转换为物理地址， RARP 的作用是将物理地址转换为JP地址。

6. 应用层协议
为了让不同乎台的计算机能够通过计算机网络获得一些基本的、相同的服务，也就应运而生了一系列应用级的标准， 实现这些应用级标准的专用协议被称为应用级协议，相对于 OSI 参考模型来说，它们处于较高 的层次，所以也称为高层协议，常用的应用层协议有 NFS、 Telnet、 SMTP、 DNS、 SNMP 和 FTP 等。

4.2.3 网络地址

在 Internet上，每个节点都依靠唯一的 IP 地址互相区分和相互联系。

1. IP 地址
lP 地址是一个 32 位的二进制数逻辑地址(这种表示方式称为 IPv4), 为了人们使用方便， 习惯上将这个 32 位的数字划分成 4 个字节，并在每个字节之间以“.”来区分。如， IP 地址 11000000 10101000 11001000 10000000, 每字节用十进制数来表示，字节之间用圆点分隔，表示为 192.168.200.128。

每个 IP 地址由两部分组成，分别是网络号和主机号。网络号用于唯一标识一个网络，主机 号则确定了某个网络上的某一台主机。根据网络号和主机号的不同划分， IP 地址可以分为 5 类， 如图

A类IP地址的最高位为o, 高8位为网络号，其后的24位用于表示主机号: B类IP地址 的最高位为 10, 其高 16 位为网络号，后面的 16位用于表示主机号; C 类 IP 地址的最高位为 110, 高 24位为网络号，后面的 8位为主机号; D 类地址也称为组播地址，它是一类特殊的地址，用于网络中的组播; E类地址为保留地址，目前尚未定义和使用。
另外，为了满足内网的使用需求，保留了一部分不在公网使用的 IP 地址，如表

2. 子网的划分
子网由子网掩码进行标识。子网掩码是一个 32 位的二进制数，其网络标识和子网标识部分全为1,主机标识部分全为 0。

3. 构造超网
划分子网在一定程度上缓解了 Internet在发展中遇到的问题，然而，各种类别的子网会使得 Internet路由表中的项目数急速增长。为了解决这个问题，可以采用无分类编址技术，即无分类域间路由( Classless Inter-Domain Routing, CIDR) 。 CIDR 的特点主要有以下两个:

• (1) CIDR 消除了传统 IP 地址的分类和划分子网的概念，可以更加有效地分配 1Pv4 的地址 空间。
• (2) CIDR 将网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成一个 CIDR 地址块。

4.IPv6
IP 地址协议的下一个版本就是 1Pv6。与 IPv4 相比， 1Pv6 具有以下几点优势:
(1) 1Pv6 具有更大的地址空间。 1Pv4 中规定 IP 地址长度为 32 位，而 1Pv6 中 IP 地址的长 度为 128位。
(2) IPv6 使用更小的路由表。 IPv6 的地址分配一开始就遵循路由汇聚的原则，使路由器能 在路由表中用一条记录表示一个子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发 数据包的速度。
(3) 1Pv6 增加了增强的组播支持和对流的支持，使网络上的多媒体应用有了长足发展的机 会，为服务质量(Qualityof Service, QoS) 控制提供了良好的网络平台。
(4) IPv6 加入了对自动配置的支持。这是对 DHCP 协议的改进和扩展，使得网络(尤其是 局域网)的管理更加方便和快捷。
(5) 1Pv6 具有更高的安全性。在使用 IPv6 网络时，用户可以对网络层的数据进行加密，并 对 IP 报文进行校验，极大地增强了网络的安全性。

4.3 局域网与广域网

4.3.1 局域网

局域网通常具备以下特点:
(1) 地理分布范围较小，一般为数百米至数公里的区域范围之内。
(2) 数据传输速率高，早期的局域网数据传输速率一般为 10~I00Mb/s, 目前， l000Mb/s 的局域网已经非常普遍，可适用于语音、图像、视频等各种业务数据信息的高速交换。
(3)数据误码率低，这是因为局域网通常采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，从而提高数据传输质量。
(4) 一般以 PC 为主体，还包括终端和各种外设，网络中一般不架设主骨干网系统。
(5) 协议相对比较简单、结构灵活，建网成本低、周期短，便于管理和扩充。

构成局域网的网络拓扑结构主要有 星形结构、总线结构、环形结构和网状结构。

4.3.2 以太网

目前，以太网技术在局域网领域占据主导地位，以太网几乎成为局域网的代名词。
1. 以太网基础
以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问 (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD) 技术。

4.3.3 无线局域网

无线局域网 (Wireless Local Area Networks, WLAN) 所使用的关键技术除了红外传输技术、 扩频技术、窄带微波技术外，还有一些其他技术，如调制技术、加解扰技术、无线分集接收技 术、功率控制技术和节能技术。无线局域网在室外主要有以下几种结构:点对点型、点对多点型、多点对点型和混合型。与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活、经济节约、 易于扩展等优点。

4.3.4 广域网

广域网是一种将分布于更广区域(譬如一个城市、一个国家，甚至国家之间)的计算机设 备连接起来的网络。广域网的特点有:
(l) 主要提供面向数据通信的服务，支持用户使用计算机进行远距离的信息交换。
(2) 覆盖范围广，通信的距离远，广域网没有固定拓扑结构。
(3) 由电信部门或公司负责组建、管理和维护，并向全社会提供面向通信的有偿服务等。

广域网由 通信子网与资源子网 组成。

4.4 网络工程

4.4.1 网络规划

网络规划是网络建设过程中非常重要的环节，同时也是一个系统性的过程。网络规划应该 以需求为基础，同时考虑技术和工程的可行性。具体来说，网络规划包括 网络需求分析、可行性研究和对现有网络的分析与描述。

4.4.2 网络设计

网络设计的工作是在网络规划的基础上，设计一个能够解决用户问题的方案。在整个设计过程中，首先要确定网络总体目标和设计原则，然后设计网络的逻辑结构，再设计网络的物理结构。

4.4.3 网络实施

网络实施是在网络设计的基础上进行设备的购买、安装、调试和系统切换工作。网络实施主要包括以下步骤:

• (I)工程实施计划
• (2) 网络设备到货验收。
• (3)设备安装
• (4) 系统测试。
• (5) 系统试运行。
• (6) 用户培训。
• (7) 系统转换。

4.5 分布式系统

分布式系统是其组件分布在联网的计算机上，组件之间通过消息传递进行通信和动作协调的系统。

构建分布式系统的挑战是处理其组件的异构性 CHeterogeneity)、开放性 (Openness) (允许增加或替换组件)、安全性 (Security)、可伸缩性(Scalability)(用户的负载或数量增加时，系统能正常运行的能力)、故障处理 (Failure handling)、并发性 (Concurrency)、透明性 (Transparency)和服务质量(Quality of Service, QoS) 。

典型的分布式系统类型有 分布式文件系统、分布式数据库、分布式缓存系统、分布式协调服务系统、分布式计算框架 等。

4.6 构件与中间件

构件又称为组件，是一个自包容、可复用的程序集，通过源程序或二进制代码的方式提供， 整体向外提供统一的访问接口，构件外部只能通过接口来访问构件，而不能直接操作构件的内 部。构件的两个最重要的特性是 自包容与可重用 。
中间件是为应用提供通用服务和功能的软件，数据管理、应用服务、消息传递、身份验证 和 API 管理通常都要通过中间件。中间件可以帮助开发人员更有效地构建应用。

4.6.1 构件

基于构件的软件工程 (Component-Based Software Engineering, CBSE) 是一种基于分布对象技术、强调通过可复用构件设计与构造软件系统的软件复用途径。基于构件的软件系统中的 构件可以是 COTS (Commercial-Off-the-Shelf)构件，也可以是通过其他途径获得的构件(如自 行开发)。

4.6.2 中问件

中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之 间共享资源，中间件位于操作系统之上，管理计算资源和网络通信，实现应用之间的互操作。 具体来说，中间件的基本功能包括以下 6 个方面:
(1)负责客户机与服务器之间的连接和通信，以及客户机与应用层之间的高效率通信机制。
(2) 提供应用层不同服务之间的互操作机制，以及应用层与数据库之间的连接和控制机制。
(3)提供一个多层架构的应用开发和运行的平台，以及一个应用开发框架，支持模块化的应用开发。
(4) 屏蔽硬件、操作系统、网络和数据库的差异。
(5) 提供应用的负载均衡和高可用性、安全机制与管理功能，以及交易管理机制，保证交易的一致性。
(6) 提供一组通用的服务去执行不同的功能，避免重复的工作并使应用之间可以协作。

4.7 Web服务

关于Web服务的定义有很多种，其核心是面向服务的架构 (ServiceOrientedArchitecture,SOA), 即通过完善的接口实现远程访问应用。通过提供简单和普遍适用的标准， Web 服务可以作为信息系统集成及系统间自动化信息交换的基础。

从技术角度来讲， Web 服务是一种可以用来解决跨越网络的应用集成问题的开发模式，这种模式为实现“软件即服务”提供了技术保障。

1. Web 服务的体系结构
Web服务的体系结构如图所示，其中，服务提供者(服务器)和服务请求者(客户端)是 必需的，服务注册中心是可选的角色。

2. Web 服务的技术平台
Web服务平台由支待 Web服务的基本技术和协议组成主要包括 HTIP、 XML、 SOAP、 WSDL、 UDDI、 WSIF 和 WSFL 等。

4.8 云计算

云计算指通过计算机网络(多指因特网)形成的计算能力极强的系统，可存储、集合相关资源，并可按需配置，向用户提供个性化服务。

1.云计算的服务方式
产业界和学术界目前一致认为云计算有 3 类典型的服务方式，自上而下分别为

• 软件即服务 CSoftware as a Service, SaaS)、
• 平台即服务 (Platform as a Service, PaaS) 和
• 基础设施即服务 (In frastructure as a Service, laaS) 。

2.云计算的部署模式
根据美国国家标准与技术研究院 (National Institute of Standards and Technology, NIST) 的定义，云计算从部署模式上看可以分为 公有云、社区云、私有云和混合云 4 种类型。