第八章 信息系统的网络基础
8.1 计算机与移动终端
计算机在信息系统中的角色
计算机是信息系统的核心处理设备，负责数据的存储、计算和逻辑处理。根据应用场景不同，计算机可分为服务器、工作站、个人计算机等类型。
移动终端的崛起
移动终端是指可以在移动中使用的计算机设备，主要包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。随着4G/5G网络的普及，移动终端已成为人们访问信息系统的主要入口。
智能手机
集通信、计算、传感于一体，是最普及的移动终端。支持App安装，可访问各类信息系统。
平板电脑
屏幕尺寸介于手机和笔记本之间，适合阅读、演示和轻办公场景。
笔记本电脑
兼具移动性和计算能力，是商务办公和学生学习的主要工具。
智能穿戴设备
智能手表、手环等，可采集健康数据，与手机App联动。
移动终端与信息系统的连接
- 无线局域网（WiFi）：通过无线路由器接入局域网，速度快、稳定性高
- 蜂窝移动网络：通过4G/5G基站接入互联网，覆盖范围广，随时随地可上网
- 蓝牙：短距离无线通信，用于连接耳机、键盘等外设
- NFC：近场通信，用于移动支付、门禁刷卡等场景
思考
你身边有哪些移动终端？它们分别通过什么方式连接到信息系统？
8.2 通信网络与数据交换
什么是计算机网络？
计算机网络是将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
计算机网络的分类
- 按覆盖范围：
- 局域网（LAN）：覆盖范围通常在一栋楼或一个校园内
- 城域网（MAN）：覆盖一个城市范围
- 广域网（WAN）：覆盖国家、洲际甚至全球范围
- 按拓扑结构：总线型、星型、环型、树型、网状型
- 按传输介质：有线网络（双绞线、光纤、同轴电缆）、无线网络（WiFi、蓝牙、5G）
数据交换技术
数据交换技术是指网络中数据从源节点传输到目的节点的方式，主要有三种：
| 交换方式 | 原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 电路交换 | 在通信双方之间建立一条专用物理通路 | 传输延迟小、实时性好 | 线路利用率低、建立连接时间长 |
| 报文交换 | 将整个报文发送到中间节点存储，再转发 | 无需建立专用通路、线路利用率高 | 存储转发延迟大、节点需大容量存储 |
| 分组交换 | 将数据分割成小包（分组），独立传输 | 灵活高效、容错性好、适合计算机网络 | 分组可能乱序到达、需重组 |
生活中的数据交换
传统电话使用电路交换，通话前需要拨号建立连接；而互联网使用分组交换，数据被分成许多小包，每个包可以走不同的路径，最后到达目的地再重新组装。这就是为什么网络电话（如微信语音）比传统电话更灵活、成本更低。
网络设备
常见网络设备功能
- 网卡（NIC）：计算机连接网络的接口，每个网卡有唯一的MAC地址
- 交换机（Switch）：在局域网内转发数据帧，根据MAC地址进行数据交换
- 路由器（Router）：连接不同网络，根据IP地址进行数据包转发和路径选择
- 防火墙（Firewall）：监控和控制网络流量，保护内部网络安全
- 无线AP：将有线网络转换为无线网络，提供WiFi接入
8.3 网络协议与IP地址
什么是网络协议？
网络协议是计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。就像人类交流需要共同的语言一样，计算机通信也需要共同的协议。
TCP/IP协议族
TCP/IP是互联网最核心的协议族，采用分层结构：
| 层次 | 主要协议 | 功能 |
|---|---|---|
| 应用层 | HTTP、FTP、SMTP、DNS | 为应用程序提供网络服务 |
| 传输层 | TCP、UDP | 提供端到端的数据传输 |
| 网络层 | IP、ICMP、ARP | 负责数据包的路由和转发 |
| 网络接口层 | Ethernet、WiFi | 负责物理网络的数据传输 |
IP地址
IP地址是互联网协议地址，用于标识网络中的设备。目前主要使用IPv4和IPv6两种版本：
- IPv4：32位地址，通常表示为4个0-255的十进制数，如 192.168.1.1
- IPv6：128位地址，表示为8组16进制数，如 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334
IP地址分类（IPv4）
- A类：1.0.0.0 - 126.255.255.255（大型网络）
- B类：128.0.0.0 - 191.255.255.255（中型网络）
- C类：192.0.0.0 - 223.255.255.255（小型网络）
- D类：224.0.0.0 - 239.255.255.255（组播）
- E类：240.0.0.0 - 255.255.255.255（保留）
私有IP地址范围
以下IP地址段专用于局域网，不会在互联网上路由：
- 10.0.0.0 - 10.255.255.255（A类）
- 172.16.0.0 - 172.31.255.255（B类）
- 192.168.0.0 - 192.168.255.255（C类）
互动实验：IP地址计算器
输入IP地址和子网掩码，计算网络地址、广播地址和可用主机数：
广播地址: 192.168.1.255
可用主机数: 254
8.4 网络拓扑与组建
组建局域网的基本步骤
- 规划网络拓扑：确定网络规模、设备数量和连接方式
- 选择网络设备：路由器、交换机、网线、网卡等
- 物理连接：铺设网线，连接各设备
- 配置IP地址：为每台设备分配IP地址（静态或DHCP自动分配）
- 配置网络服务：设置DNS、网关、共享资源等
- 测试连通性：使用ping命令测试网络连通
常用网络命令
- ping：测试网络连通性，如 ping www.baidu.com
- ipconfig / ifconfig：查看本机IP配置信息
- tracert / traceroute：追踪数据包路由路径
- netstat：查看网络连接状态
- nslookup：查询域名对应的IP地址
互动实验：网络拓扑模拟
选择不同的网络拓扑结构，了解其特点和适用场景：
点击上方按钮查看拓扑结构说明
8.5 带宽和接入方式
什么是带宽？
带宽是指网络传输数据的能力，通常用比特每秒（bps）来表示。带宽越大，单位时间内传输的数据量就越多，网络速度就越快。
- 1 Kbps = 1千比特/秒（约0.125KB/s）
- 1 Mbps = 1兆比特/秒（约125KB/s）
- 1 Gbps = 1吉比特/秒（约125MB/s）
互联网接入方式对比
| 接入方式 | 传输介质 | 典型带宽 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 光纤宽带（FTTH） | 光纤 | 100Mbps - 1000Mbps | 速度快、稳定性高、目前主流 |
| ADSL | 电话线 | 1Mbps - 24Mbps | 利用现有电话线、速度较慢、逐渐淘汰 |
| 有线电视网络 | 同轴电缆 | 10Mbps - 100Mbps | 利用有线电视线路、带宽共享 |
| 4G/5G移动网络 | 无线电波 | 100Mbps - 1Gbps | 随时随地接入、适合移动设备 |
| 卫星通信 | 卫星信号 | 20Mbps - 100Mbps | 覆盖偏远地区、延迟较大 |
带宽对信息系统的影响
- 网页浏览：低带宽即可满足，但高带宽加载更快
- 视频直播：需要稳定的高带宽，否则会出现卡顿
- 在线游戏：对延迟敏感，需要低延迟的网络连接
- 云计算：大量数据传输，需要高带宽支持
- 物联网：设备数量多，需要网络支持大量并发连接
域名系统（DNS）
DNS是互联网的"电话簿"，负责将人类易记的域名（如 www.baidu.com）转换为计算机可识别的IP地址（如 14.215.177.38）。
域名解析过程
- 用户在浏览器输入 www.example.com
- 浏览器先查询本地DNS缓存
- 如果缓存中没有，向DNS服务器发起查询请求
- DNS服务器返回对应的IP地址
- 浏览器使用IP地址与目标服务器建立连接
前沿案例：5G与物联网
5G网络的特点
- 高速率：峰值速率可达20Gbps，是4G的20倍
- 低延迟：空口延迟低至1ms，支持实时应用
- 大连接：每平方公里可连接100万个设备
- 应用场景：自动驾驶、远程医疗、工业互联网、智慧城市