【信息学奥赛】CSP-J/S初赛03 计算机网络与编程语言分类

第1节 计算机网络基础

1.1 网络的定义

所谓计算机网络，就是利用通信线路和设备，把分布在不同地理位置上的多台计算机连

接起来。计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。

网络中计算机与计算机之间的通信依靠协议进行。协议是计算机收、发数据的规则。

TCP/IP：用于网络的一组通讯协议。包括IP(Internet Protocol)和TCP(Transmission Control Protocol)。TCP/IP是一组协议，包括上百个各种功能的协议，其中TCP和IP是最核心的两个协议。TCP/IP 协议把 Internet网络系统描述成具有四个层次功能的网络模型（DITA）。

1. 链路层：这是 TCP/IP 结构的第一层，也叫网络接口层，其功能是提供网络相邻节点间的信息传输以及网络硬件和设备驱动。

2. 网络层：（IP协议层）其功能是提供源节点和目的节点之间的信息传输服务，包括寻址和路由器选择等功能。

3. 传输屋：（TCP 协议）其功能是提供网络上的各应用程序之间的通信服务。

4. 应用层：这是 TCP/IP 最高层，其功能是为用户提供访问网络环境的手段，主要提供FTP、TELNET、GOPHER等功能软件。

IP协议适用于所有类型网络。TCP协议则处理 IP 协议所遗留的通信问题，为应用程序提供可靠的通信连接，并能自动适应网络的变化。TCP/IP 目前成为最为成功的网络体系结构和协议规范。

Netbeui：一种非常简单的协议，MICROSOFT开发。

IPX：用于 NOVELL网络。

1.2 网络的发展

计算机网络的发展过程大致可以分为三个阶段：

远程终端联机阶段：主机—终端

计算机网络阶段：计算机—计算机

Internet阶段：Internet

1.3 网络的主要功能

• 资源共享
• 信息传输
• 分布处理
• 综合信息服务

1.4 网络的分类

计算机网络的分类方式有很多种,可以按地理范围、拓扑结构、传输速率和传输介质等分类。

Ø 按地理范围分类

局域网LAN(Local Area Network)：局域网地理范围一般几百米到 10km 之内,属于小范围内的连网。如一个建筑物内、一个学校内、一个工厂的厂区内等。局域网的组建简单、灵活,使用方便。

城域网 MAN(Metropolitan Area Network)：城域网地理范围可从几十公里到上百公里,可覆盖一个城市或地区,是一种中等形式的网络。

广域网 WAN(Wide Area Network)：广域网地理范围一般在几千公里左右,属于大范围连网。如几个城市,一个或几个国家,是网络系统中的最大型的网络,能实现大范围的资源共享,如国际性的 Internet 网络。

Ø 按传输速率分类

网络的传输速率有快有慢,传输速率快的称高速网,传输速率慢的称低速网。传输速率的单位是b/s(每秒比特数,英文缩写为bps)。一般将传输速率在 Kb/s—Mb/s范围的网络称低速网,在 Mb/s—Gb/s 范围的网称高速网。也可以将 Kb/s 网称低速网,将 Mb/s网称中速网,将 Gb/s网称高速网。

网络的传输速率与网络的带宽有直接关系。带宽是指传输信道的宽度,带宽的单位是Hz(赫兹)。按照传输信道的宽度可分为窄带网和宽带网。一般将 KHz—MHz带宽的网称为窄带网,将 MHz—GHz 的网称为宽带网,也可以将 kHz 带宽的网称窄带网,将 MHz 带宽的网称中带网,将 GHz 带宽的网称宽带网。通常情况下,高速网就是宽带网,低速网就是窄带网。

Ø 按传输介质分类

传输介质是指数据传输系统中发送装置和接受装置间的物理媒体,按其物理形态可以划分为有线和无线两大类。

有线网：传输介质采用有线介质连接的网络称为有线网,常用的有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维。

双绞线是由两根绝缘金属线互相缠绕而成,这样的一对线作为一条通信线路,由四对双绞线构成双绞线电缆。双绞线点到点的通信距离一般不能超过 100m。目前,计算机网络上使用的双绞线按其传输速率分为三类线、五类线、六类线、七类线,传输速率在10Mbps到600Mbps之间,双绞线电缆的连接器一般为 RJ-45。

同轴电缆由内、外两个导体组成,内导体可以由单股或多股线组成,外导体一般由金属编织网组成。内、外导体之间有绝缘材料,其阻抗为 50Ω。同轴电缆分为粗缆和细缆,粗缆用 DB-15连接器,细缆用 BNC和 T 连接器。

光缆由两层折射率不同的材料组成。内层是具有高折射率的玻璃单根纤维体组成,外层包一层折射率较低的材料。光缆的传输形式分为单模传输和多模传输,单模传输性能优于多模传输。所以,光缆分为单模光缆和多模光缆,单模光缆传送距离为几十公里,多模光缆为几公里。光缆的传输速率可达到每秒几百兆位。光缆用 ST 或 SC 连接器。光缆的优点是不会受到电磁的干扰,传输的距离也比电缆远，传输速率高。光缆的安装和维护比较困难,需要专用的设备。

无线网：采用无线介质连接的网络称为无线网。目前无线网主要采用三种技术：微波通信，红外线通信和激光通信。这三种技术都是以大气为介质的。其中微波通信用途最广,目前的卫星网就是一种特殊形式的微波通信,它利用地球同步卫星作中继站来转发微波信号,一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上表面,三个同步卫星就可以覆盖地球上全部通信区域。

Ø 按拓扑结构分类

计算机网络的物理连接形式叫做网络的物理拓扑结构。连接在网络上的计算机、大容量的外存、高速打印机等设备均可看作是网络上的一个节点,也称为工作站。计算机网络中常用的拓扑结构有总线型、星型、环型等。

- 总线拓扑结构

总线拓扑结构是一种共享通路的物理结构。这种结构中总线具有信息的双向传输功能，普遍用于局域网的连接,总线一般采用同轴电缆或双绞线。

总线拓扑结构的优点是：安装容易,扩充或删除一个节点很容易,不需停止网络的正常工作,节点的故障不会殃及系统。由于各个节点共用一个总线作为数据通路,信道的利用率高。但总线结构也有其缺点：由于信道共享,连接的节点不宜过多，并且总线自身的故障可以导致系统的崩溃。

- 星型拓扑结构

星型拓扑结构是一种以中央节点为中心,把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。这种结构适用于局域网,特别是近年来连接的局域网大都采用这种连接方式。这种连接方式以双绞线或同轴电缆作连接线路。

星型拓扑结构的特点是：安装容易,结构简单,费用低,通常以集线器(Hub)作为中央节点,便于维护和管理。中央节点的正常运行对网络系统来说是至关重要的。

- 环型拓扑结构

环型拓扑结构是将网络节点连接成闭合结构。信号顺着一个方向从一台设备传到另一台设备,每一台设备都配有一个收发器,信息在每台设备上的延时时间是固定的。这种结构特别适用于实时控制的局域网系统。

环型拓扑结构的特点是：安装容易,费用较低,电缆故障容易查找和排除。有些网络系统为了提高通信效率和可靠性,采用了双环结构,即在原有的单环上再套一个环,使每个节点都具有两个接收通道。环型网络的弱点是,当节点发生故障时,整个网络就不能正常工作。

1.5 网络的体系结构

ISO（国际标准化组织）制定了国际标准OSI（开放式通信系统互联参考模型），并作为一种理论下的模型。右侧是OSI的七层体系结构与TCP/IP分层模型及关系。

1.6 局域网的工作方式

通常有两种：

Ø 客户机/服务器(Client/Server)

提供资源并管理资源的计算机称为服务器；使用共享资源的计算机称客户机；

Ø 对等(Peer-to-Peer)

不使用服务器来管理网络共享资源，所以的计算机处于平等的地位。

1.7 Internet的形成与发展

又称国际互联网，规范的译名是“因特网”，指当前各国、各地区众多开发的网络连接在一起而形成的全球性网络。

我国 Internet 的发展情况:八十年代末，九十年代初才起步。1989 年我国第一个公用分组交换网 CNPAC建成运行。

我国已陆续建成与 Internet 互联的四个全国范围的公用网络：中国公用计算机互联网（CHINANET）、中国金桥信息网（CHINAGBN）、中国教育和科研计算机网（CERNET）、中国科学技术网（CSTNET）。

1.8 IP地址

我们把整个 Internet看作一个单一的、抽象的网络，所谓 IP地址，就是为 Internet中的每一台主机分配一个在全球范围唯一地址。IP v4地址是由 32位二进数码表示的，为方便记记忆，把这 32位二进制数每 8个一段用“.” 隔开，再把每一段的二进制数化成十进制数，也就得到我们现在所看到的 IP地址形式。

IP地址是用“.”隔开地四个十进制整数，每个数字取值为 0—255。

IP地址分 A、B、C、D、E五类，目前大量使用的是 A、B、C三类，D类为 Internet体系结构委员会 IAB专用，E类保留在今后使用。

最高位 0..127为 A类，128..191是 B类，192..223是 C类。

1.9 域名

域名地址采用层次结构，一个域名一般有 3－5个子段，中间用“. ”隔开。IP地址作为 Internet 上主机的数字标识，对计算机网络来说是非常有效的。但对于使用者来说，很难记忆这些由数字组成的 IP 地址了。为此，人们研究出一种字符型标识，在 Internet上采用“名称”寻址方案，为每台计算机主机都分配一个独有的“标准名称”，这个用字符表示的“标准名称”就是我们现在所广泛使用的域名（DN，domain name）。因此主机的域名和 IP 地址一样，也采用分段表示的方法。其结构一般是如下样式：计算机名.组织结构名.网络名.最高层域名。

顶级域名有三类：

• 国家顶级域名,如 cn（中国）、us（美国）、uk（英国）；

• 国际顶级域名—— int，国际性组织可在 int下注册；

• 通用顶级域名，如：com、net、edu、gov、org、……

有了域名标识，对于计算机用户来说，在使用上的确方便了很多。但计算机本身并不能自动识别这些域名标识，于是域名管理服务器 DNS（domain name system）就应运而生了。所谓的域名管理系统 DNS（domain name system）就是以主机的域名来代替其在 Internet上实际的 IP 地址的系统，它负责将 Internet 上主机的域名转化为计算机能识别的 IP 地址。从 DNS 的组织结构来看，它是一个按照层次组织的分布式服务系统；从它的运行机制来看，DNS 更像一个庞大的数据库，只不过这个数据库并不存储在任一计算机上，而是分散在遍布于整个 Internet上数以千计的域名服务器中而已。

通过上面的 IP 地址、域名 DN 和域名管理系统 DNS，就把 Internet 上面的每一台主机给予了唯一的定位。三者之间的具体联系过程如下：当连接网络并输入想访问主机的域名后，由本地机向域名服务器发出查询指令，域名服务器通过连接在整个域名管理系统查询对应的IP 地址，如找到则返回相应的 IP 地址，反之则返回错误信息。说到这里，想必大家都明白了为什么当我们在浏览时，浏览器左下角的状态条上会有这样的信息：“正在查找xxxxxx”、“xxxxxx已经发现，正在连接 xxxxxx”，其实这也就是域名通过 DNS 转化为 IP地址的过程。

当然域名通过 DNS转化为 IP地址需要等待一段时间，因为如果你所使用的域名服务器上如果没有你所需要域名的对应 IP 地址，它就会向上级域名服务器查询，如此类推，直至查到结果，或返回无效信息。一般而言，这个查询过程都非常短，你很难察觉到。

1.10 Internet（译为因特网或国际互联网）的服务与工具

Internet的服务有：电子邮件、远程登陆、文件传输、信息服务等。

- 电子邮件（E-Mail）：电子邮件地址格式为：收信人邮箱名@邮箱所在主机的域名。例：winner01@ 21cn.com ，[e-mail]

- 远程登陆（Telnet）：指通过 Internet 与其它主机连接。登陆上另一主机，你就可以使用该主机对外开放的各种资源，如联机检索、数据查询。

- 文件传输（FTP）：用于在计算机间传输文件。如下载软件等。

1.11 全球信息网（WWW－World Wide Web）

又称万维网，是一个全球规模的信息服务系统，由遍布于全世界的数以万计的 Web 站点组成。

1.12 与 Email有关的协议

POP3(Post Office Protocol 3) POP适用于 C/S结构的脱机模型的电子邮件协议，目前已发展到第三版，称 POP3。,它规定怎样将个人计算机连接到 Internet的邮件服务器和下载电子邮件的电子协议。它是因特网电子邮件的第一个离线协议标准, POP3服务器则是遵循 POP3协议的接收邮件服务器，用来接收电子邮件的。

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)即简单邮件传输协议, SMTP服务器则是遵循 SMTP协议的发送邮件服务器，用来发送或中转你发出的电子邮件。

IMAP (Internet Message Access Potocol) 是一种用于邮箱访问的协议，使用 IMAP协议可以在 Client端管理 Server上的邮箱，它与 pop不同，邮件是保留在服务器上而不是 download到本地，在这一点上 IMAP是与 Webmail相似的。

1.13 信息安全

计算机安全(computer security)是指防范与保护计算机系统及其信息资源在生存过程中免受蓄意攻击、人为失误和自然灾害等引起的损失和破坏。

计算机病毒是人类自己想像和发明出来的，它是一种特殊的程序，有着与生物病毒极为相似的特点。一是寄生性，它们大多依附在别的程序上面。二是隐蔽性，它们是悄然进入系统的，人们很难察觉。三是潜伏性，它们通常是潜伏在计算机程序中，只在一定条件下才发作的。四是传染性，它们能够自我复制繁殖，通过传输媒介蔓延。五是破坏性，轻则占用一定数量的系统资源，重则破坏整个系统。

对于计算机病毒，我们不必谈虎变色，而应采取积极的防治态度。首先，要防止“病从口入”，因为病毒不是自生的，而是外来的。另外，要用优秀的防杀病毒软件，对外来的软件和资料要进行严格的检查和杀毒。注意，防杀病毒软件需要及时更新(主要是其中的数据文件)，一般每周一次，不更新基本上等于没有防杀毒功能。

20世纪50、60年代，黑客(hacker)曾是编程高手的代名词。后来，黑客成为一个独特的群体，他们通过各种渠道交流技艺，不少人以攻击计算机及其网络系统为乐趣。黑客们的胆大妄为已经给社会造成了很大的影响，一些黑客已经蜕变为威胁社会安全的罪犯。要防止“黑客”攻击，主要方法是加强安全措施，例如设置防火墙。防火墙是一种计算机设备，它设置在内部网络与外部网络之间，起一个隔离的作用，既可以阻止外部信息非法进入内部系统，也可以阻止内部人员非法访问外部系统。

第2节 计算机语言

计算机语言分为高级语言和低级语言。

2.1 低级语言

低级语言依赖于硬件，可读性和可移植性差。

机器语言：机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的指令，具有灵活、直接执行和速度快等特点。

汇编语言：是第二代计算机语言，用一些容易理解和记忆的字母、单词来代替一个特定的指令，比如用“ADD”代表数字逻辑上的加减，汇编语言必须翻译成机器语言才能执行。通常被应用在底层，硬件操作和高要求的程序优化的场合。驱动程序、嵌入式操作系统和实时运行程序都需要汇编语言。

2.2 高级语言

高级语言是一种计算机程序设计语言，它使用人类易于理解和编写的语法、结构和指令，来描述计算机任务和操作。高级语言与低级语言相对，低级语言更接近计算机硬件和机器语言，而高级语言更加抽象和模块化，可以显著提高程序员的开发效率和代码质量。

从解决问题的角度可以分为面向过程语言（C、Pascal、Fortran）和面向对象语言（C++、C#、Java、Python、JavaScript）。

• 面向过程：面向过程是一种基于步骤或操作序列的编程思想，其主要思路是将一个大问题分解成一系列小的子问题，然后使用一些预定义的过程或函数（也称为子程序）来完成这些子问题，最终达到完成大问题的目标。在面向过程的编程模型中，数据和功能是紧密耦合的。面向过程更加注重数据的处理。优点是对于一些简单的、直接操作数据的任务，面向过程往往比面向对象更高效。缺点是代码可维护性较低，难以应对复杂系统的开发。
• 面向对象：把事物抽象成类，再实例化对象，对象包括属性和行为。面向对象编程常用于开发大型复杂系统和框架，因为它可以将问题分解为更小的模块，并通过继承、多态、接口等方式实现模块之间的耦合度降低，提高代码的可重用性和可维护性。

高级语言设计的程序必须经过“翻译”后才能被机器执行，将高级语言编写的程序翻译成机器语言程序，翻译过程有编译和解释两种方式。

Ø 编译型语言

编译型程序在执行之前需要有专门编译的过程，把程序编译成机器语言文件，运行时不需要重新翻译，直接使用编译的结果就可以了。编译型程序执行效率高，依赖编译器，跨平台性差一些，例如C/C++、Pascal、Delphi等。

Ø 解释型语言

解释就是把源程序翻译一句，执行一句的过程。解释型程序不需要编译，程序在运行时才翻译成机器语言，每执行一次就要翻译一次，因此效率比较低。解释型语言逐行解释执行，因此不产生目标文件，例如ASP、Java、C#、PHP、JavaScript、VB、Perl、Python、Ruby、MATLAB等