计算机网络与互联网：物联网与传感器技术

1.计算机应用与网络技术

在物联网技术发展中，不仅要依靠各种传感器，还需要大量依靠计算机和网络技术。计算机和网络技术的发展，大致历经了以下几个阶段。

多人共用计算机阶段：其特点是硬件体积大，软件是分时操作；其方法是将计算机的中央处理单元（CPU）分成若干区域，每个区按时间分配给各用户。当计算机为N个用户服务时，每个用户获得的平均计算时间为总处理时间的1/N。当用户数N增加时，每个终端获得的计算时间将随之减少。

个人计算机阶段：随着集成电路（IC）技术的飞速发展，使一个人单独使用计算机成为现实。尽管它的功能不断完善、软件能力不断提升，但数据资源和处理能力无法适应越来越高的需求。尤其是当个人计算机应用于办公自动化（OA）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助教育（CAE）等领域时，更深层次的资源共享还是无法实现。

局域网阶段：不同计算机要执行不同的任务，内部装有不同的数据处理与制图软件，都在完成各自的任务。存储的信息不能共享，计算机外部设备也不能高效地共享。随着科技的快速进步，需要运算的工作量也越来越多，终端用户大量增加，系统每次命令响应时间也越来越长，这正孕育了局域网的产生。因此人们想到将这些计算机和外部设备硬件互连，并将软件与数据共享，从而将大大提高工作效率。局域网实现了将小到一个实验室，大到一座楼、一个学校或公司的计算机互连起来，实现了有限区域的资源共享。

多网互连互通的互联网阶段：这使更多的个人用户能够获得资源的共享，并使互联网技术在全球迅速被广泛应用。网间协议（IP）和路由器等软硬件技术的快速发展，使众多局域网、广域网、城域网、国家网成为互联网中的一部分，更是人们获取基本信息的主要工具。

2.网络技术

计算机技术与通信技术结合，奠定了数据通信技术与计算机通信网络结合的理论基础。分组交换技术的出现为网络技术发展提供了重要的技术支持。

随着各种广域网、局域网与公用分组交换网的发展，各生产商纷纷发展各自的网络系统，网络结构与协议标准等技术的国际化，推动了网络技术的迅速发展。互联网作为全球信息网络，从有线网络到无线网络技术，以及基于光纤通信技术的宽带城域网和移动网络计算、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算与存储区域网络等，使互联网技术日趋成熟。

3.互联网基础技术与服务功能

（1）基础技术

网络、通信、交换和服务是网络技术的基础，分组交换、网络结构、分组域交换是基本的要素。

分组交换技术：该技术考虑了分布在不同地理位置的多台计算机通过通信线路连接成计算机网络的需要。即使部分网络设备或通信线路遭到破坏的情况下，网络系统仍然能利用剩余的网络设备与通信线路继续工作。这种网络也被称为“可生存系统”。

通信网络典型结构：有集中式、非集中和分布式3种，图1-5所示为集中式和非集中式通信网络拓扑结构。在集中式通信网络中，所有节点都与唯一的中央交换节点相连，所有数据都要发送给中央节点，再通过它传送到目的地。如果该中心节点受到损坏或功能不正常，所有通信就会完全中断。非集中式通信网络使用了若干个中心节点，相当于许多集中式网络连接起来，固有的缺点仍然无法避免。

图1-5 集中式和非集中式通信网络拓扑结构

分布式通信网络结构：在这种网络中，网络没有中心交换节点，每个节点都有若干个近邻节点，新的通信系统中采用数字的分组交换技术。分组交换特点如图1-6所示，其原理是网络中每个节点都可根据线路通信状态为通过它的数据分组选择路由，并把数据传输到目的节点。节点可以使用一种存储转发方法，通过计算机快速完成这些工作，将分组发送到下一个节点。如一个节点损坏，分组可以通过修改分组的路由，绕道而行，并最终完成分组的转发。

图1-6 分组交换特点

分组交换技术的出现，标志着现代电信时代的开始，阿帕（ARPA，美国国防部高级研究计划局）方案中采取了分组交换的思想，内部分为通信子网与资源子网两个部分。通信子网的报文存储由小型机组成转发节点，这些小型机称为接口报文处理器。阿帕网（AR-PAnet）是今天互联网广泛使用前使用的一种技术，该技术促进了公用数据网与局域网技术的发展。这种网络的特点是硬件可以共享，软件和数据库资源也可共享。这种后产生的技术利用分散控制结构，应用分组交换技术以及运用高功能的通信处理机，通过采用分层的网络协议实现了今天很多网络中的功能。为了保证高度的可靠性，每个报文处理器至少连接到两个其他的同类处理器上，如有线路或报文处理器被毁坏，仍然可以通过其他的路径，自动地完成报文的转发。接口报文处理器实际上就是现在我们大量使用的路由器的雏形。(www.xing528.com)

互联网的演进：虚拟网络技术节省了大量的人力物力，并可使更多人共享网络资源。采用分为主干网、地区网与校园网的层次结构，可以使各大学的主机连入校园网，校园网连入地区网，地区网连入主干网，主干网再通过高速通信线路与阿帕网连接。

（2）互联网的服务功能与Web技术

互联网最初主要应用是E-mail（电子邮件）、Web、Telnet（远程登录）与FTP（文件传送协议）等。随着浏览器、超文本标记语言、搜索引擎、Java跨平台编程技术的发展，使互联网中的信息更丰富和使用更简便。互联网的服务功能是继E-mail、Usenet（新闻讨论组）与BBS（电子布告栏系统）之后，人与人之间通过网络交流信息的一种新的方式。远程登录、远程讨论等已成为今天常见应用，这为全球化的物联网技术奠定了必要的技术基础。

Web技术使互联网成为网上信息交互广泛使用的一种工具，其主要技术是超文本传送协议（HTTP）、超文本标记语言（HTML）和超链接（Web浏览器与Web服务器之间）的通信协议。通过定义说明Web页内容结构和层次，为用户提供一种近于现场真实环境的各种服务（无论是界面还是浏览器，都更接近人们生活中的场景）。还可通过扩展标记语言创建Web，可提供更多的灵活性和更强的编程能力。统一资源定位标识符是对互联网资源位置和访问方法的一种简洁表示，只要能对资源进行定位，计算机就可对资源进行存取、更新、替换和查找等各种操作。

P2P（对等）网络应用：在Web的网络应用基础上，出现了基于对等结构的P2P网络新的应用，如网络电话、网络电视、博客、播客、即时通信、搜索引擎、网络视频、网络游戏、网络广告、网络出版、网络存储与分布式计算服务等。

（3）互联网应用的典型模式

从互联网应用系统的工作模式角度来看，互联网应用可以分为两类：客户端/服务器（C/S）模式与对等（P2P）模式。

客户端/服务器模式：以E-mail应用程序为例，E-mail应用程序分为服务器的邮局程序与客户端的邮箱程序。用户在自己的计算机中安装并运行客户端的邮箱程序，就能够成为电子邮件系统的客户端，发送和接收电子邮件。互联网应用系统采用客户端/服务器模式的主要原因是网络资源分布的不均匀性，主要表现在硬件、软件和数据3个方面。

1）硬件差异性：网络中计算机系统的类型、硬件结构、功能都存在着很大的差异。它可以是一台大型计算机、高档服务器，也可以是个人计算机，或是一个个人数字助理（PDA）或家用电器等。它们的运算能力、存储能力和外部设备的配备等方面差异很大。

2）软件各不相同：不同用途的系统中有不同的应用软件，尤其是专用的服务器中有大型应用软件，当用户需要时，在得到许可后，可通过互联网去访问该服务器，这使软件资源得到充分利用。

3）数据的完整性与一致性：从应用角度来看，如某一类数据、文本、图像、视频或音乐资源存放在一台或几台大型服务器中，合法的用户可以通过互联网访问这些信息资源，这不仅保证了资源使用的合法性与安全性，而且保证数据的完整性与一致性。

客户端/服务器模式：客户端与服务器在网络服务中的地位不平等，服务器在网络服务中处于中心地位。为了有效地实现资源的共享，必须注重网络中节点的硬件配置、运算能力、存储能力，以及数据分布等方面的差异与分布不均匀性等问题。

P2P模式：P2P是网络节点之间采取对等的方式，通过直接交换信息达到共享计算机资源和服务的工作模式。以Web服务器为例，Web服务器是运行Web服务器程序、计算能力与存储能力强的计算机，所有Web页都存储在Web服务器中。服务器可以为很多Web浏览器客户端提供服务。但是，Web浏览器之间不能直接通信。目前，P2P技术已广泛应用于实时通信、协同工作、内容分发与分布式计算等领域。互联网流量中P2P流量超过60%，是互联网应用的新的重要形式。

在P2P网络环境中，各终端计算机之间处于平等地位。每台计算机既可以作为网络服务的使用者，也可以向提出服务请求的客户提供资源和服务。这类资源可以是数据资源、计算资源、存储资源等。其特点是：

1）资源更多共享，使计算机硬件资源、计算机软件资源、信息资源得到更多共享。

2）更多服务，网络用户的信息资源（如文档、音乐、语音、视频）可提供更多的服务。

3）角色互转，可同时扮演信息享受者和信息提供者的双重身份。

由此可见，在计算机硬件配置提高、网络应用水平提高、网络信息资源积累与存储格局变化的基础上，必将导致网络资源共享模式的变化，因此，P2P网络也就自然产生了。