第三部分计算机控制技术 计算机网络介绍 独立技术已经支配了过去 3 个世纪中的每一个。18 世纪是伴随工业革命的大机械系统的时间。19 世纪是蒸气机的时代。在 20 世纪，关键技术是信息的收集，处理，以及分配（分类） 。在其他发展中，我们已经看见全世界电话网络的安装，收音机和电视的发明，计算机工业的诞生和空前的发展，以及通信卫星的发射。 由于技术的快速进步，这些领域正在快速融合。信息的收集、传送、存储和处理之间的区别正在迅速消失。拥有数百遍布世界各地的办公室的组织，通常期望只按一下按钮，即使他们在最遥远的村落也能检查当前工作状态。作为我们收集，处理，分配信息的才能的增长，更复杂信息处理的那些需求更迅速的增长了。 虽然计算机工业与其他工业相比很年轻( 例如,汽车和空运) ,在很短的时间内计算机工业已经取得壮观的进步。在他们存在的前两十年期间，计算机系统是高度集中的，通常在一个单独的大房间内。通常，这个房间有玻璃墙，参观者能通过它看到里面的电子奇迹。一个中型公司或者大学可能有一两个计算机，而大机构有至少几打。在 20 年内，比邮票还要小的同样大功率的计算机将会成千上万的大量生产，是纯粹的科学幻想。 计算机与通信的合并已经对电脑系统组织的方式有深远的影响。一台大型计算机充斥一个房间给用户处理他们的工作，这样的 计算机中心 的概念，现在完全是过时的。为组织内部所有的计算需求提供服务的旧的单机模式已经被另一个模式替换，在这个模式中，由许多独立的但又相互联系在一起的计算机完成工作任务。这些系统被叫为计算机网。这些网络的设计和组织是这章的主题。 我们将使用 计算机网络 这个术语，来表达自治计算机的相互连接的集合。如果两台计算机之间能交换信息，也可以说他们是互连的。连接不一定非要通过铜线，光纤，微波，通信卫星也能被使用。通过需要计算机是自治的，我们希望从我们定义的系统中排除哪一个有清楚的主/从关系，如果一台计算机能强迫启动，停止，或者控制另一个，计算机不是自治的。有一个控制单元和很多从属机器的系统不是一个网络；有远程打印机和终端的大型计算机也不是。 在计算机网络和分布系统之间在文献（资料）上相当混乱。在分布系统内关键区别是,那些存在的多自治计算机对用户是透明的( 即, 不可见 ) 。他能键入一个命令运行程序，并且运行它。选择最好的处理器是操作系统的责任，发现并且把全部输入的文件传送到处理器，并且把结果放进合适的地方。 换句话说，一个分布系统的用户不会意识到有多台处理器；它看起来象实际上的单处理机。处理器的工作分配和文件存入磁盘，文件在他们被储存的地方和需要的地方的运动，心脏全部其他系统函数都必须是自动的。 对于一个网络，用户必须明确地登录到一台机器，明确地远程提交作业，明确地移动文件并且一般亲自处理全部网络管理。对于一个分布系统，没有什么必须被要求去做；不依赖于用户的知识，它全部自动通过系统做了。 实际上，一个分布系统是在一个网络之上建造的一个软件系统。 软件给它一种高度的内聚性（粘结性）和透明度。 因此在一个网络和分布系统之间的区别在于软件(特别是操作系统) ,而不是硬件。 虽然如此，在两个主题之间有相当多的重叠。 例如，分布系统和计算机网都需要移动文件。 差别在于谁产生运动，系统还是用户。 9.1 计算机网络的用途 在我们开始详细检查技术问题之前， 很值得投入一些时间，指出人们为什么对计算机网络感兴趣和计算机网络能被用来作什么。 9.1.1 公司网络 很多组织有大量的计算机运行，经常他们离得很远。例如，一个公司有很多工厂，可能每个地方都有一计算机在跟踪存货清单，显控生产，并且做本地的薪水名册。 最初， 这些计算机中的每个可能与其他隔离，但是在一些点上，管理者可能决定连结它们，以选出和关联整个公司的信息。 放进更一般的形式考虑，这里的问题是资源共享， 目标就是将全部程序，设备，特别是数据，不管物理位置在哪儿的资源和用户，在网络上的任何人可得到。 换句话说， 一个用户碰巧离他的数据 1 000 公里的事实不应该阻止他使用数据，好象他们在本地。这个目标可能被总结为结束 地理暴行（专政）的尝试第 2 个目标是通过有可选的资源提供高可靠性。 例如，全部文件可能复制在 2 或者 3 台机器上，如果他们中的一个是不可获得(由于硬件失败)的，,其它副本可以被使用。另外， 多 CPU 的存在表明如果其中一个坏了，其他的能接管它的工作，虽然以降低的性能的代价。 对于军队，银行业，空中交通管制，核反应堆安全和很多其他应用来说，在硬件问题前持续操作的能力具有最大的重要性。 另一个目标是省钱。小型计算机与大的相比较，有更高的性价比。主机(空间尺寸计算机) 大约比个人计算机快十倍，每用户，有数据保存在一台或更多共享文件服务器中。这个模型，那些用户被叫为客户机，并且整个安排被叫作客户机/服务器模型。它在图 9.1 说明。 在客户机服务器模型里，一般从客户机到要求工作的服务器，通讯采取一条请求消息的形式。服务器响应并且送回回复。通常，有很多客户使用小数量 og 服务器。 另一联网目标是可伸缩性，这种性能是通过增加更多的处理器，工作量增长是逐渐增加系统的性能。对集中化主机，当系统是完整时，它必须被更大的替换，通常对用户有更大的花费和更大的混乱。由于客户机服务器模型，新客户机和新服务器可以按需要增加。 建立计算机网的又一个目标确实与技术无关。计算机网能在广泛分开的雇员中提供一种强有力的通讯媒介。使用一个网络，为两个或更多离得很远的人们写同一份报告更容易。 一个工人对在线资料作一下变动的时候，其他的人能立即而不是等了几天就看见变化。这样的加速使遥远的许多人之间的合作容易，而在以前这是不可能的。归根结底（从长远看） ，使用网络提高人与人间的通讯或许将证明比技术目标更重要，例如改进的可靠性。9.1.2 面向人们的网络 以上给出的建造计算机网的动力（动机） ，性质上全部基本是经济的和技术的。如果足够大而且大功率的主机以可接受的价格提供，大多数公司将选择仅仅把他们的全部数据保存在主机中，只给雇员终端并连接起来。在 20 世纪 70 年代和 80 年代的初期，大多数公司以这种方法操作。当个人计算机网络超过主机，能提供一个很高的性价比优势时，计算机网变得更受欢迎。 在 20 世纪 90 年代开始，计算机网开始在家里把服务提供给私密个人。这些使用的服务和动机与先前章节里描述的 团体效率 方式非常不同。下面我们将概括开始发生的令人激动的其中 3 个： (1) 接入远程信息。 (2) 人与人间通信。 (3) 交互式娱乐。 远程信息的接入将有很多形式。已经发生的一个领域是进入金融机构。人们付账，管理他们的银行账户，并且通过电子方式处理他们的投资。家庭购物也变得受欢迎，能检查数千家公司的在线目录。一些目录不久将提供在任何产品上只点击产品的名字，得到瞬间录像的能力。 报纸将在线并且个性化。把你想要的一切告诉报纸都是可能的，如关于腐败的政治家的，大火灾，丑闻，流行病，但是没有足球，谢谢。当夜里你睡时，报纸将被下载到你的计算机磁盘或者在你的激光打印机上打印。小规模中，这种服务已经存在。在报纸以外(加上杂志和科学杂志)下一步是在线的数字图书馆。依赖费用，尺寸，和笔记本电脑的重量，打印的书可能变得过时。怀疑者应该注意印刷机对中世纪照亮手稿的作用。 属于这个范畴的另一应用是，接入象当今的万维网一样的信息系统，包括有关艺术，生意，烹饪，政府，健康，历史，业余娱乐，科学，体育，旅行和提及的太多其他题目的信息。 所有上述应用都与个人和远程数据库之间的相互作用有关。网络的第 2 大类使用作叫面对面（人与人）交互，基本上是 21 世纪对 19 世纪电话的答案。电子邮件已经广泛地被数百万人使用，并且不久将很普遍的包含音频，视频以及正文。可闻的杂志将花费稍微长一些时间到完美。 实时电子邮件将允许远程用户无延迟交流，也许能彼此看见和听到。这项技术使遥远人们之间的虚拟会议成为可能，这叫电视会议。有时说传输和通信之间有一比赛，无论哪个获胜将使另一个过时。虚拟会议可能用于遥远学校，从远方的专家那里得到医学意见，以及许多其他应用。 万维新闻组，在特定的人群中关于一切可以想象的题目的讨论已经很平常，并且这将渐渐地包括所有人口。一个人邮寄一消息和全部其它用户在新闻组能读它，这些讨论的全部从幽默到热情。 第 3 种类是娱乐，这是一个巨大的且正在增长的工业。这里最受欢迎的应用是视频点播(可能占据了全部休息时间) 。因此大约十年后，选择在任何国家的任何电影或者电视节目，都是可能的，并且它立刻显示在你的屏幕上。新电影可能变成交互式，偶尔地提示用户指示故事方向(应该 MacBeth 谋杀邓肯还是等待时机 ) 供选择的情景提供给所有情况。电视实况转播节目可能也变成交互式，与观众参加智力竞赛节目，在选手中选择，等等。 另一方面，或许最受欢迎的应用将不是视频点播。或许它将是电子游戏。我们已经有多人实时模拟（仿真）游戏，象在一座虚拟的地牢里捉迷藏，通过模拟射击，一个队的玩家努力击落对方队的玩家。如果使用护目镜并进行 3 维实时，以摄影质量移动图像，我们在世界范围内分享虚拟现实。 简而言之，合并信息的能力，通讯娱乐将肯定引起一个基于计算机联网的巨大新工业。9.1.3 社会问题 联网的广泛介绍将涉及新社会的，伦理的，政治的问题(伦敦，1995)。我们只简单提及他们中的一些；一项彻底的研究将至少需要一整本书。很多网络的受欢迎的特征是新闻组或公告板，在上面人们能与有同样思想的人交换信息。只要主题限制在技术主题或者象园艺一样的爱好上，不会出现太多问题。 当新闻组建立的题目是关于人们关心的象政治或者宗教一样的问题时麻烦就来了。公布到这样的组的观点可能是对一些人深深的冒犯。此外，信息不局限于文本。高分辨率彩色照片，甚至短的录像剪辑，现在能很容易的传输到计算机网络中。某些人带和平共处的观点, 但是另一些人感到那些记录的某些材料(例如，儿童色情 ) 是完全不可接受的。因此辩论很强烈。 人们起诉网络操作员，要求他们对他们传送的内容负责，正象报纸和杂志那样。不可避免的反应是一个网络象一家电话公司或者邮局，并且不可能期望用户说的送给警方。尽管他们很强大而且他们被起诉的可能性很小，让网络操作员检查信息可能会造成他们删除所有内容，因此会破坏他们用户自由言论的权利。说这场辩论将继续一段时间或许是安全的。 另一个有趣领域是雇员权利与雇主权利。很多人在工作时读写电子邮件。一些雇员消息，包括下班后从一个家用终端传送消息。并非全部雇员都同意这点。 即使雇主有支配雇员的权力，这咱关系也管理大学和学生吗？中学和学生怎么样？ 在 1994 年, 卡内基- 梅隆大学决定关闭几个新闻组的有关性的消息流，因为大学感觉资料不适当未成年人 (即，这些少数学生是在 18 以下)。来自这次事件的副作用将要花费数年解决。 计算机网提供传送匿名消息的潜能。在一些情况下，这能力可能是合乎需要的。例如，它为学生，士兵，雇员和公民提供一种方式，揭发教授、军官、雇主和政客的非法行为，不用惧怕报复。另一方面，在美国和大多数其他民主国家，法律明确允许一被告在法庭内有面对和挑战原告的权利。匿名指责不能被用作证据。 简而言之，计算机网，象 500 年以前的印刷机一样，允许普通市民以不同方式发表意见给不同观众比以前更有可能。用这种新发现的自由带来很多未解决的社会，政治和道德问题。解决这些问题的方法作为读者的练习留下。 9.2 网络硬件 现在是时间转移我们的的注意力,从网络的应用和社会方面到关于网络设计的技术问题。没有所有计算机网络都适合的通遍承认的分类法，但是二个因素显然很重要：传送技术和规模。我们现在将依次检查每一个。 一般说来，有两类传送技术： (1) 广播式网络。 (2) 点对点的网络。