网络应用开发与系统集成

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绪论

网络设计与系统集成概述

1. 网络工程设计概念

按照工程的定义，网络工程是计算机及相关科学指导下的现代网络技术应用。通过这一应用，使网络设备和资源的特性能够通过网络结构、设备、系统和过程，以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的计算机网络。设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程。人类最基础、最主要的创造活动是造物，设计便是进行预先计划的造物活动。任何造物活动的计划技术和计划过程都可以理解为设计。

2. 网络系统集成的定义

网络系统集成是在信息系统工程方法的指导下，根据网络应用的需求，将网络硬件设备、系统软件和应用软件等产品和技术，系统性地集合在一起，成为满足用户需求的、较高性价比的计算机网络系统。

3. 网络系统集成的发展

网络集成朝着互联和大规模集群的方向发展

• LAN-LAN互连和LAN-WAN的互连
• 云计算（Cloud Computing）模式

网络集成朝着高速率、大容量的方向发展

• 局域网速度已经从共享式10Mbps升级到交换式100Mbps～1000Mbps，甚至已达到10Gbps。

4. 网络系统集成的层面

• 网络软硬件产品的集成
• 网络技术的集成
• 网络应用的集成

5. 系统集成体系框架

该体系框架自底向顶，主要由以下几部分组成。

（1）网络通信支持平台。该平台是为了保障网络安全、可靠、正常运行所必须构建的环境保障设施，主要包括网络机房建设和综合布线系统。

（2）网络通信平台。该平台主要包括网络接口卡（NIC）、集线器、交换机、三层交换机、路由器、远程访问服务器、Modem、收发器、无线网桥、网卡等通信设备。

（3）网络资源硬件平台。该平台主要包括服务器和网络存储系统。服务器是网络信息资源的宿主设备，网络存储系统是信息资源备份和集中管理的设施。二者相辅相成共同构成网络资源支持平台。

（4）网络操作系统。网络操作系统是实施网络资源的架构与管理的操作平台。网络操作系统分为两大类：一类是采用Intel处理器的PC服务器操作系统家族，另一类是采用小型机处理器的UNIX操作系统家族。

（5）网络应用系统。网络应用系统采用ASP、XAPI、ODBC等技术与数据库连接，采用HTML、XML、Flash、Java和JavaScript等开发工具制作Web信息系统，为用户提供各种形式的信息。用户采用Web浏览器，通过HTTP、FTP、DNS等协议使用这些服务。

（6）网络系统安全。网络系统安全主要设施有防火墙、入侵检测、防病毒、身份验证、防窃听和防辐射，功能涵盖了整个系统。加密、授权访问、数字签名与验证、站点属性设置、访问控制列表等保障了网络数据传输和访问的安全性。

（7）网络系统管理。网络系统管理是对网络通信、网络服务和应用系统的管理，可分为静态运行管理和动态运行管理。系统配置管理、性能调整管理、信息资源管理、系统人员管理等，保障了网络整体系统高效、可靠及方便快捷地使用。

网络体系结构与协议

计算机网络由多个互连的节点组成，节点之间要不断地交换数据和控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个节点必须遵守一些事先约定好的共同规则。为数据交换而制订的规则、约定和标准统称为网络协议（Network Protocol）。

1. 网络协议

一般来说，一个网络协议由三个要素构成：语法、语义和时序。语法确定通信双方之间“如何讲”，由逻辑说明构成；它确定通信时采用的数据格式、编码、信号电平、应答结构等。语义确定通信双方之间“讲什么”，由通信过程的说明构成；它要对发布请求、执行动作及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息。时序则确定事件的顺序及速度匹配、排序等

2.网络体系结构

世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年提出的，命名为系统网络体系结构（System Network Architecture，SNA）。在此之后，许多公司纷纷提出了各自的网络体系结构。这些网络体系结构的共同之处是结构化分层，但层次划分、功能分配与采用的技术术语均不相同。网络体系结构的提出，是为了完成计算机协同工作，把计算机互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信协议及相邻层之间的接口服务。这些同层次进程通信协议及相邻层接口统称为网络体系结构。

网络协议是计算机网络不可缺少的。一个完善的网络需要一系列网络协议构成一套完备的网络协议集。大多数网络在设计时，将网络划分为若干个相互联系而又各自独立的层次，然后针对每个层次及层次间的关系制定相应的协议，这样可以减少协议的复杂性。像这样的计算机网络层次结构模型及各层协议的集合，也称为计算机网络体系结构（Computer Network Architecture，CNA）。

IEEE 802委员会于1981年提出了OSI。OSI定义了异构计算机（硬件结构、指令系统、操作系统均不同）连网标准的框架结构，受到计算机和通信行业的极大关注。不断发展的OSI，得到了国际上的承认，成为其他计算机网络体系结构靠拢的标准，大大推动了计算机网络与通信的发展。

• IEEE 802 OSI参考模型

OSI采用三级抽象，即体系结构、服务定义和协议规格说明。体系结构部分定义OSI的层次结构、各层间关系及各层可能提供的服务。

从总体上看，计算机网络分为“通信子网”和“网络高层”两大层次。通信子网（1～3层）支持通信接口，提供网络访问。网络高层（4～7层）支持端到端通信，提供网络服务。无论怎样分层，较低的层次总是为与它紧邻的上层提供服务

OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。

传输层及以下各层的PDU有各自特定的名称：

• 传输层——数据段（Segment），
• 网络层——分组数据报文（Packet），
• 数据链路层——数据帧（Frame），
• 物理层——二进制比特流（Bit）。

TCP/IP是一个协议集，如图所示。TCP/IP协议集中最重要是传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和网际互连协议（Internet Protocol，IP），统称为TCP/IP。

TCP/IP具有如下四个特点。

（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。

（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于网络互连。

（3）统一的网络地址分配方案，使得网络中的每台主机在网络上都具有唯一的地址。

（4）标准化的高层协议（FTP、HTTP、SMTP等），可以提供多种可靠的信息服务。

TCP/IP起源于美国国防部高级研究规划署（DARPA）的一项研究计划——实现若干台主机的相互通信。

现在TCP/IP已成为Internet上通信的标准。

TCP/IP模型包括4个概念层次：

• 应用层（application）
• 传输层（transport）
• 网际层（internet）
• 网络接口（network interface）

ICMP消息被封装在IP数据报里，用来发送差错报告和控制信息。

地址解析协议（ARP， Address Resolution Protocol），ARP用于将一个已知的IP地址映射到MAC地址。

计算机网络中各节点相互连接的方法和形式称为网络拓扑结构。网络拓扑结构主要有总线型、星形、环形、树形、扩展星形和网形多种拓扑结构。

网络拓扑结构的选择往往和传输介质的选择、介质访问控制方法的确定等紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点。

（1）费用。不论选用什么样的拓扑结构都需进行安装，如电缆、光缆敷设等。要降低安装费用，就需要对拓扑结构、传输介质、传输距离等相关因素进行分析，选择合理的方案。

（2）灵活性。在设计网络时，考虑到设备和用户需求的变迁，拓扑结构必须具有一定的灵活性，易于重新配置。此外，还要考虑原有节点的删除、新节点的加入等问题。

（3）可靠性。在局域网中有两类故障：一类是网络中个别节点的损坏——只影响局部；另一类是网络本身无法运行。拓扑结构的选择要使故障的检测和隔离较为方便。

目前使用的IP是IPv4，新版本的IP是IPv6。IPv4要寻找的“地址”是32位长（4个分段的十进制组成），由网络号（网络ID）和主机号（主机ID）两部分构成。按照IP规定，Internet上的地址共有五类：A、B、C、D、E。常用的A、B、C三类网络地址和主机数量及网络规模如表所示。

类别	第一字节范围	网络地址长度	最大的主机数目	适用的网络规模
A	1～126	1个字节	16,777,214	大型网络
B	128～191	2个字节	65,534	中型网络
C	192～223	3个字节	254	小型网络

子网与子网掩码

Internet规模的急剧增长，促使人们对IP地址的需求剧增。由此带来的问题是：IP地址资源的严重匮乏和“路由表”规模的急速增长。解决办法就是当网络规模较小，即IP地址空间没有全部利用时，从主机号部分拿出几位作为子网号。这种在原来IP地址结构的基础上增加一级结构的方法称为子网划分。

子网掩码∧IP地址，结果就是该 IP地址的网络号。

例如：IP地址202.117.1.207，子网掩码255.255.255.224

11001010 01110101 00000001 110 01111

∧ 11111111 11111111 11111111 111 00000

11001010 01110101 00000001 110 00000

子网地址为：202.117.1.192

主机号为：15

主机之间要能够通信，它们必须在同一子网内，否则需要使用路由器（或网关）实现互联。

域名系统

IP地址是全球通用地址，但对于一般用户来说，IP地址太抽象，而且用数字表示，不容易记忆。因此，TCP/IP为方便人们记忆，设计了一种字符型的计算机命名机制，这就是域名系统（Domain Name System，DNS）。域名系统的结构是层次型的，如cn代表中国计算机网络，cn就是一个域。域下面按领域又分子域，子域下面又有子域。表示域名时，自右到左越来越小，用圆点“.”分开。

Internet通信软件要求在发送和接收数据包时，必须使用数字表示的IP地址。因此，一个应用程序在与用字母表示名字的计算机上的应用程序通信之前，必须将名字翻译成IP地址。Internet提供了一种自动将计算机名翻译成IP地址的服务，即域名解析服务。域名系统与IP地址有映射关系，采用层次型管理。在访问一台计算机时，既可用IP地址表示，也可用域名表示。例如，mail.sxnu.edu.cn与202.207.160.4指的是同一台计算机。域名与IP地址的关系如同人的姓名与身份证号码的关系一样。Internet 上有很多负责将主机地址转为IP地址的域名服务器，这个服务系统会自动将域名翻译为IP地址，或将IP地址翻译为域名。一般情况下，一个域名对应一个IP地址，但并不是每个IP地址都有一个域名和它对应。