二、信息系統的物理結構
按照信息系統硬件在空間上的拓撲結構，其物理結構一般分為集中式與分布式兩大類。集中式結構是指物理資源在空間上集中配置。早期的單機系統是最典型的集中式結構，它將軟件、數據與主要外部設備集中在一套計算機系統之中。由分布在不同地點的多個用戶通過終端共享資源的多用戶系統，也屬于集中式結構。集中式結構的優點是資源集中，便于管理，資源利用率較高。但是隨著系統規模的擴大，以及系統的日趨復雜，集中式結構的維護與管理越來越困難，也不利于用戶在信息系統建設過程中發揮積極性與主動性。此外，資源過于集中會造成系統的脆弱性，一旦主機出現故障，就會使整個系統癱瘓。目前在信息系統建設中，一般很少使用集中式結構。
隨著數據庫技術與網絡技術的發展，分布式結構的信息系統開始產生。分布式系統是指通過計算機網絡把不同地點的計算機硬件、軟件、數據等資源聯系在一起，實現不同地點的資源共享。各地的計算機系統既可以在網絡系統的統一管理下工作，也可以脫離網絡環境利用本地資源獨立運作。由于分布式結構適應了現代企業管理發展的趨勢，即企業組織結構朝著扁平化、網絡化方向發展，分布式結構已經成為信息系統的主流模式。它的主要特征是：可以根據應用需求來配置資源，提高信息系統對用戶需求與外部環境變化的應變能力，系統擴展方便，安全性好，某個結點所出現的故障不會導致整個系統的停止運作。然而由于資源分散，且又分屬于各個子系統，系統管理的標準不易統一，協調困難，不利于對整個資源的規劃與管理。
分布式結構又可分為一般分布式與客戶機/服務器模式。一般分布式系統中的服務器只提供軟件與數據的文件服務，各計算機系統根據規定的權限存取服務器上的數據文件與程序文件。客戶機/服務器結構中，網絡上的計算機分為客戶機與服務器兩大類。服務器包括文件服務器、數據庫服務器、打印服務器等；網絡結點上的其他計算機系統則稱為客戶機。用戶通過客戶機向服務器提出服務請求，服務器根據請求向用戶提供經過加工的信息。
信息系統的物理結構涉及計算機技術基礎與運行環境：包括計算機硬件技術、計算機軟件技術、計算機網絡技術和數據庫技術。
（一）計算機硬件技術
計算機硬件（Computer Hardware）是指計算機系統中由電子、機械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱。這些物理裝置按系統結構的要求構成一個有機整體為計算機軟件運行提供物質基礎。簡言之，計算機硬件的功能是輸入并存儲程序和數據，以及執行程序把數據加工成可以利用的形式。從外觀上來看，微機由主機箱和外部設備組成。主機箱內主要包括CPU、內存、主板、硬盤驅動器、光盤驅動器、各種擴展卡、連接線、電源等；外部設備包括鼠標、鍵盤等。
計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五個邏輯部件組成。如圖2-2所示。
圖2-2 計算機硬件關系圖
（1）運算器。運算器由算術邏輯單元（ALU）、累加器、狀態寄存器、通用寄存器組等組成。算術邏輯運算單元（ALU）的基本功能為加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、求補等操作。計算機運行時，運算器的操作和操作種類由控制器決定。運算器處理的數據來自存儲器，處理后的結果數據通常送回存儲器，或暫時寄存在運算器中。與Control Unit共同組成了CPU的核心部分。
（2）控制器。控制器（Control Unit），是整個計算機系統的控制中心，它指揮計算機各部分協調地工作，保證計算機按照預先規定的目標和步驟有條不紊地進行操作及處理。控制器從存儲器中逐條取出指令，分析每條指令規定的是什么操作以及所需數據的存放位置等，然后根據分析的結果向計算機其他部件發出控制信號，統一指揮整個計算機完成指令所規定的操作。計算機自動工作的過程，實際上是自動執行程序的過程，而程序中的每條指令都是由控制器來分析執行的，它是計算機實現“程序控制”的主要設備。
通常把控制器與運算器合稱為中央處理器（Central Processing Unit，簡稱CPU）。工業生產中總是采用最先進的超大規模集成電路技術來制造中央處理器，即CPU芯片。它是計算機的核心設備。它的性能，主要是工作速度和計算精度，對機器的整體性能有全面的影響。
硬件系統的核心是中央處理器。它主要由控制器、運算器等組成，并采用大規模集成電路工藝制成的芯片，又稱微處理器芯片。
（3）存儲器。存儲器（Memory）是計算機系統中的記憶設備，用來存放程序和數據。計算機中全部信息，包括輸入的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。它根據控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（內存）和輔助存儲器（外存），也有分為外部存儲器和內部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質或光盤等，能長期保存信息。內存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執行的數據和程序，但僅用于暫時存放程序和數據，關閉電源或斷電，數據會丟失。
（4）輸入設備。輸入設備是向計算機輸入數據和信息的設備，是計算機與用戶或其他設備通信的橋梁。輸入設備是用戶和計算機系統之間進行信息交換的主要裝置之一。鍵盤、鼠標、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫輸入板、游戲桿、語音輸入裝置等都屬于輸入設備。輸入設備（InputDevice）是人或外部與計算機進行交互的一種裝置，用于把原始數據和處理這些數的程序輸入到計算機中。計算機能夠接收各種各樣的數據，既可以是數值型的數據，也可以是各種非數值型的數據，如圖形、圖像、聲音等都可以通過不同類型的輸入設備輸入到計算機中，進行存儲、處理和輸出。
（5）輸出設備。輸出設備（Output Device）是計算機的終端設備，用于接收計算機數據的輸出顯示、打印、聲音、控制外圍設備操作等。也是把各種計算結果數據或信息以數字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。如圖2-3所示。
圖2-3 硬件系統構成圖
（二）計算機軟件技術
軟件是用戶與硬件之間的接口界面。用戶主要是通過軟件與計算機進行交流。軟件是計算機系統設計的重要依據。為了方便用戶，為了使計算機系統具有較高的總體效用，在設計計算機系統時，必須通盤考慮軟件與硬件的結合，以及用戶的要求和軟件的要求。
①運行時，能夠提供所要求功能和性能的指令或計算機程序集合。
②程序能夠滿意地處理信息的數據結構。
③描述程序功能需求以及程序如何操作和使用所要求的文檔。
①計算機軟件與一般作品的目的不同。計算機軟件多用于某種特定目的，如控制一定生產過程，使計算機完成某些工作；而文學作品則是為了閱讀欣賞，滿足人們精神文化生活需要。
②要求法律保護的側重點不同。著作權法一般只保護作品的形式，不保護作品的內容。而計算機軟件則要求保護其內容。
③計算機軟件語言與作品語言不同。計算機軟件語言是一種符號化、形式化的語言，其表現力十分有限；文字作品則是人類的自然語言，其表現力十分豐富。
④計算機軟件可援引多種法律保護，文字作品則只能援引著作權法。
軟件系統工作圖見圖2-4。
圖2-4 軟件系統工作圖
（三）計算機網絡技術
（1）按廣義定義。計算機網絡也稱計算機通信網。關于計算機網絡的最簡單定義是：一些相互連接的、以共享資源為目的的、自治的計算機的集合。若按此定義，則早期的面向終端的網絡都不能算是計算機網絡，而只能稱為聯機系統（因為那時的許多終端不能算是自治的計算機）。但隨著硬件價格的下降，許多終端都具有一定的智能，因而“終端”和“自治的計算機”逐漸失去了嚴格的界限。若用微型計算機作為終端使用，按上述定義，則早期的那種面向終端的網絡也可稱為計算機網絡。
從邏輯功能上看，計算機網絡是以傳輸信息為基礎目的，用通信線路將多個計算機連接起來的計算機系統的集合，一個計算機網絡組成包括傳輸介質和通信設備。
從用戶角度看，計算機網絡是這樣定義的：存在著一個能為用戶自動管理的網絡操作系統。由它調用完成用戶所調用的資源，而整個網絡像一個大的計算機系統一樣，對用戶是透明的。
一個比較通用的定義是：利用通信線路將地理上分散的、具有獨立功能的計算機系統和通信設備按不同的形式連接起來，以功能完善的網絡軟件及協議實現資源共享和信息傳遞的系統。
從整體上來說，計算機網絡就是把分布在不同地理區域的計算機與專門的外部設備用通信線路互聯成一個規模大、功能強的系統，從而使眾多的計算機可以方便地互相傳遞信息，共享硬件、軟件、數據信息等資源。簡單來說，計算機網絡就是由通信線路互相連接的許多自主工作的計算機構成的集合體。
最簡單的計算機網絡只有兩臺計算機和連接它們的一條鏈路，即兩個節點和一條鏈路。
（2）按連接定義。計算機網絡就是通過線路互連起來的、資質的計算機集合，確切地說就是將分布在不同地理位置上的具有獨立工作能力的計算機、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，并配置網絡軟件，以實現計算機資源共享的系統。
（3）按需求定義。計算機網絡就是由大量獨立的、但相互連接起來的計算機來共同完成計算機任務。這些系統稱為計算機網絡（Computer Networks）
雖然網絡類型的劃分標準各種各樣，但是從地理范圍劃分是一種大家都認可的通用網絡劃分標準。按這種標準可以把各種網絡類型劃分為局域網、城域網、廣域網和互聯網四種。局域網一般來說只能是在一個較小區域內，城域網是不同地區的網絡互聯，不過在此要說明的一點就是這里的網絡劃分并沒有嚴格意義上地理范圍的區分，只能是一個定性的概念。下面簡要介紹這幾種計算機網絡。
局域網（Local Area Network,LAN）。通常我們常見的“LAN”就是指局域網，這是我們最常見、應用最廣的一種網絡。局域網隨著整個計算機網絡技術的發展和提高得到充分的應用和普及，幾乎每個單位都有自己的局域網，有的甚至家庭中都有自己的小型局域網。很明顯，所謂局域網，就是在局部地區范圍內的網絡，它所覆蓋的地區范圍較小。局域網在計算機數量配置上沒有太多的限制，少的可以只有兩臺，多的可達幾百臺。一般來說，在企業局域網中，工作站的數量在幾十到兩百臺次左右。在網絡所涉及的地理距離上一般來說可以是幾米至10公里以內。局域網一般位于一個建筑物或一個單位內，不存在尋徑問題，不包括網絡層的應用。這種網絡的特點就是：連接范圍窄、用戶數少、配置容易、連接速率高。目前局域網最快的速率要算現今的10G以太網了。IEEE的802標準委員會定義了多種主要的LAN網：以太網（Ethernet）、令牌環網（Token Ring）、光纖分布式接口網絡（FDDI）、異步傳輸模式網（ATM）以及最新的無線局域網（WLAN）。這些都將在后面詳細介紹。
城域網（Metropolitan Area Network,MAN）。這種網絡一般來說是在一個城市，但不在同一地理小區范圍內的計算機互聯。這種網絡的連接距離可以在10—100公里，它采用的是IEEE802.6標準。MAN與LAN相比擴展的距離更長，連接的計算機數量更多，在地理范圍上可以說是LAN網絡的延伸。在一個大型城市或都市地區，一個MAN網絡通常連接著多個LAN網。如連接政府機構的LAN、醫院的LAN、電信的LAN、公司企業的LAN等等。由于光纖連接的引入，使MAN中高速的LAN互連成為可能。城域網多采用ATM技術做骨干網。ATM是一個用于數據、語音、視頻以及多媒體應用程序的高速網絡傳輸方法。ATM包括一個接口和一個協議，該協議能夠在一個常規的傳輸信道上，在比特率不變及變化的通信量之間進行切換。ATM也包括硬件、軟件以及與ATM協議標準一致的介質。ATM提供一個可伸縮的主干基礎設施，以便能夠適應不同規模、速度以及尋址技術的網絡。ATM的最大缺點就是成本太高，所以一般在政府城域網中應用，如郵政、銀行、醫院等。
廣域網（Wide Area Network,WAN）。這種網絡也稱為遠程網，所覆蓋的范圍比城域網（MAN）更廣，它一般是將不同城市之間的LAN或者MAN網絡互聯，地理范圍可從幾百公里到幾千公里。因為距離較遠，信息衰減比較嚴重，所以這種網絡一般是要租用專線，通過IMP（接口信息處理）協議和線路連接起來，構成網狀結構，解決循徑問題。這種城域網因為所連接的用戶多，總出口帶寬有限，所以用戶的終端連接速率一般較低，通常為9.6Kbps—45Mbps如：郵電部的CHINANET、CHINAPAC和CHINADDN網。
上面講了網絡的幾種分類。在現實生活中我們真正遇到最多的還要算是局域網，因為它可大可小，無論在單位還是在家庭，實現起來都比較容易，是應用最廣泛的一種網絡。下面我們對局域網及局域網中的接入設備作進一步的介紹。
隨著筆記本電腦（NoteBook Computer）和移動終端等便攜式計算機的日益普及和發展，無線網也逐漸發展起來，人們經常要在路途中接聽電話、發送傳真和電子郵件閱讀網上信息以及登錄到遠程機器等。然而在汽車或飛機上是不可能通過有線介質與單位的網絡相連接的，這時候人們可能會對無線網感興趣了。雖然無線網與移動通信經常是聯系在一起的，但這兩個概念并不完全相同。例如當便攜式計算機通過PCMCIA卡接入電話插口，它就變成有線網的一部分。另一方面，有些通過無線網連接起來的計算機的位置可能又是固定不變的，如在不便于通過有線電纜連接的大樓之間就可以通過無線網將兩棟大樓內的計算機連接在一起。
無線網特別是無線局域網有很多優點，如易于安裝和使用。但無線局域網也有許多不足之處：它的數據傳輸率一般比較低，遠低于有線局域網；誤碼率比較高，而且站點之間相互干擾比較厲害。用戶無線網的實現有不同的方法。國外的某些大學在它們的校園內安裝許多天線，允許學生們坐在樹底下查看圖書館的資料。這種情況是通過兩個計算機之間直接通過無線局域網以數字方式進行通信實現的。另一種可能的方式是利用傳統的模擬調制解調器通過蜂窩電話系統進行通信。在國外的許多城市已能提供蜂窩式數字信息分組數據（Cellular Digital Packet Data,CDPD）的業務，因而可以通過CDPD系統直接建立無線局域網。無線網絡是當前國內外的研究熱點，無線網絡的研究是由巨大的市場需求驅動的。無線網的特點是使用戶可以在任何時間、任何地點接入計算機網絡，而這一特性使其具有強大的應用前景。當前已經出現了許多基于無線網絡的產品，如個人通信系統（Personal Communication System,PCS）電話、無線數據終端、便攜式可視電話、個人數字助理（PDA）等。無線網絡的發展依賴于無線通信技術的支持。無線通信系統主要有低功率的無繩電話系統、模擬蜂窩系統、數字蜂窩系統、移動衛星系統、無線LAN和無線WAN等。
（四）數據庫技術
數據庫技術是通過研究數據庫的結構、存儲、設計、管理以及應用的基本理論和實現方法，并利用這些理論來實現對數據庫中的數據進行處理、分析和理解的技術。即數據庫技術是研究、管理和應用數據庫的一門軟件科學，主要包括信息、數據、數據處理、數據庫、數據庫管理系統以及數據庫系統等。
數據庫技術研究和管理的對象是數據，所以數據庫技術所涉及的具體內容主要包括：通過對數據的統一組織和管理，按照指定的結構建立相應的數據庫和數據倉庫；利用數據庫管理系統和數據挖掘系統設計出能夠實現對數據庫中的數據進行添加、修改、刪除、處理、分析、理解、報表和打印等多種功能的數據管理和數據挖掘應用系統；利用應用管理系統最終實現對數據的處理、分析和理解。
（1）數據模型的概念及要素。數據模型是現實世界在數據庫中的抽象，也是數據庫系統的核心和基礎。
數據模型通常包括3個要素：
①數據結構：數據結構主要用于描述數據的靜態特征，包括數據的結構和數據間的聯系。
②數據操作：數據操作是指在數據庫中能夠進行的查詢、修改、刪除現有數據或增加新數據的各種數據訪問方式，并且包括數據訪問相關的規則。
③數據完整性約束：數據完整性約束由一組完整性規則組成。
數據庫理論領域中最常見的數據模型主要有層次模型、網狀模型和關系模型3種。
①層次模型（Hierarchical Model）：層次模型使用樹形結構來表示數據以及數據之間的聯系。
②網狀模型（Network Model）：網狀模型使用網狀結構表示數據以及數據之間的聯系。
③關系模型（Relational Model）：關系模型是一種理論最成熟，應用最廣泛的數據模型。在關系模型中，數據存放在一種稱為二維表的邏輯單元中，整個數據庫又是由若干個相互關聯的二維表組成的。
（2）數據（Data）。數據是用于描述現實世界中各種具體事物或抽象概念的，可存儲并具有明確意義的符號，包括數字、文字、圖形和聲音等。數據處理是指對各種形式的數據進行收集、存儲、加工和傳播的一系列活動的總和。其目的之一是從大量的、原始的數據中抽取、推導出對人們有價值的信息以作為行動和決策的依據；目的之二是為了借助計算機技術科學地保存和管理復雜的、大量的數據，以便人們能夠方便而充分地利用這些寶貴的信息資源。
（3）數據庫管理系統（Database Management System,DBMS）。是對數據庫進行管理的系統軟件，它的職能是有效地組織和存儲數據，獲取和管理數據，接受和完成用戶提出的各種數據訪問請求。能夠支持關系型數據模型的數據庫管理系統，稱為關系型數據庫管理系統（Relational Database Management System,RDBMS）。
①數據定義功能：RDBMS提供了數據定義語言（Data Definition Language,DDL），利用DDL可以方便地對數據庫中的相關內容進行定義。例如，對數據庫、表、字段和索引進行定義，創建和修改。
②數據操縱功能：RDBMS提供了數據操縱語言（Data Manipulation Language,DML），利用DML可以實如今數據庫中插入、修改和刪除數據等基本操作。
③數據查詢功能：RDBMS提供了數據查詢語言（Data Query Language,DQL），利用DQL可以實現對數據庫的數據查詢操作。
④數據控制功能：RDBMS提供了數據控制語言（Data Control Language,DCL），利用DCL可以完成數據庫運行控制功能，包括并發控制（即處理多個用戶同時使用某些數據時可能產生的問題），安全性檢查，完整性約束條件的檢查和執行，數據庫的內部維護（例如索引的自動維護）等。RDBMS的上述許多功能都可以通過結構化查詢語言（Structured Query Language,SQL）來實現。SQL是關系數據庫中的一種標準語言，在不同的RDBMS產品中，SQL中的基本語法是相同的。此外，DDL、DML、DQL和DCL也都屬于SQL。
（1）針對關系數據庫技術現有的局限性，理論界如今主要有三種觀點：
①面向對象的數據庫技術將成為下一代數據庫技術發展的主流。部分學者認為：現有的關系型數據庫無法描述現實世界的實體，而面向對象的數據模型由于吸收了已經成熟的面向對象程序設計方法學的核心概念和基本思想，使得它符合人類認識世界的一般方法，更適合描述現實世界。甚至有人預言，數據庫的未來將是面向對象的時代。
②面向對象的關系數據庫技術。關系數據庫幾乎是當前數據庫系統的標準，關系語言與常規語言一起幾乎可完成任意的數據庫操作，但其簡潔的建模能力、有限的數據類型、程序設計中數據結構的制約等卻成為關系型數據庫發揮作用的瓶頸。面向對象方法起源于程序設計語言，它本身就是以現實世界的實體對象為基本元素來描述復雜的客觀世界，但功能不如數據庫靈活。因此部分學者認為將面向對象的建模能力和關系數據庫的功能進行有機結合而進行研究是數據庫技術的一個發展方向。
③面向對象的數據庫技術。面向對象數據庫的優點是能夠表示復雜的數據模型，但由于沒有統一的數據模式和形式化理論，因此缺少嚴格的數據邏輯基礎。而演繹數據庫雖有堅強的數學邏輯基礎，但只能處理平面數據類型。因此，部分學者將兩者結合，提出了一種新的數據庫技術——演繹面向對象數據庫，并指出這一技術有可能成為下一代數據庫技術發展的主流。
（2）數據庫技術發展的新方向。
非結構化數據庫是部分研究者針對關系數據庫模型過于簡單，不便表達復雜的嵌套需要以及支持數據類型有限等局限，從數據模型入手而提出的全面基于因特網應用的新型數據庫理論。其支持重復字段、子字段以及變長字段，并實現了對變長數據和重復字段進行處理和數據項的變長存儲管理，在處理連續信息（包括全文信息）和非結構信息（重復數據和變長數據）中有著傳統關系型數據庫所無法比擬的優勢。但研究者認為此種數據庫技術并不會完全取代如今流行的關系數據庫，而是它們的有益補充。
（3）數據庫技術發展的又一趨勢。
有學者指出：數據庫與學科技術的結合將會建立一系列新數據庫，如分布式數據庫、并行數據庫、知識庫、多媒體數據庫等，這將是數據庫技術重要的發展方向。其中，許多研究者都將多媒體數據庫作為研究的重點，并認為多媒體技術和可視化技術引入多媒體數據庫將是未來數據庫技術發展的熱點和難點。
未來數據庫技術及市場發展的兩大方向是數據倉庫和電子商務。部分學者在對各個數據庫廠商的發展方向和應用需求的不斷擴展的現狀進行分析的基礎上，提出數據庫技術及市場在向數據倉庫和電子商務兩個方向不斷發展的觀點。他們指出：從上一年開始，許多行業如電信、金融、稅務等逐步認識到數據倉庫技術對于企業宏觀發展所帶來的巨大經濟效益，紛紛建立起數據倉庫系統。在中國提供大型數據倉庫解決方案的廠商主要有Oracle、IBM、Sybase、CA及Informix等廠商，已經建設成功并已收回投資的項目主要有招商銀行系統和國信證券系統等。當前，國內外學者對數據倉庫的研究正在繼續深入。與此同時，一些學者將數據庫技術及市場發展的視角瞄準電子商務領域，他們認為：如今的信息系統逐漸要求按照以客戶為中心的方式建立應用框架，因此勢必要求數據庫應用更加廣泛地接觸客戶，而Internet給了我們一個非常便捷的連接途徑，通過Internet我們可以實現所謂的One One Marketing和One One Business，進而實現E business。因此，電子商務將成為未來數據庫技術發展的另一方向。
（4）面向專門應用領域的數據庫技術.
許多研究者從實踐的角度對數據庫技術進行研究，提出了適合應用領域的數據庫技術，如工程數據庫、統計數據庫、科學數據庫、空間數據庫、地理數據庫等。這類數據庫在原理上也沒有多大的變化，但是它們卻與一定的應用相結合，從而加強了系統對有關應用的支撐能力，尤其表現在如數據模型、語言、查詢方面。部分研究者認為，隨著研究工作的繼續深入和數據庫技術在實踐工作中的應用，數據庫技術將會更多地朝著專門應用領域發展。