计算机与信息安全导论第十一章-文件系统和计算机网络

一. 文件系统和目录

章节目标

本章的主要目标是通过学习以下内容，使读者全面理解文件系统的结构与操作：

文件、文件系统、目录的用途：
- 文件是用于组织和管理数据的命名集合，数据以持久化的形式保存在辅助存储器中。
- 文件系统是操作系统对文件进行管理的逻辑视图，提供了用户与文件的交互接口。
- 目录是文件的容器，用于组织和管理文件，通过目录，文件可以按层次结构进行管理。
文本文件与二进制文件的区分：
- 文本文件包含ASCII或Unicode字符，以字符序列表示，常用于文本文档，如.txt文件。
- 二进制文件包含计算机能够直接处理的特定格式数据，如图片（.jpg）、音频（.mp3）等。
文件类型及扩展名：
- 文件名通常由文件名和扩展名两部分组成，扩展名用于表示文件类型（如.doc、.jpg、.wav等），扩展名帮助系统和用户快速识别文件的用途与打开方式。
文件的基本操作：
- 文件操作包括创建、读取、写入、删除、关闭、移动等，是文件系统中最常见的任务。
顺序与直接文件访问的比较：
- 顺序访问适用于大量顺序存储的数据，操作系统按文件中数据的顺序一条一条读取。
- 直接访问允许用户通过逻辑记录号定位文件中的任意数据，适合处理随机存取的应用场景，如数据库系统。
文件保护与目录树的结构：
- 文件保护通过权限控制限制文件的访问，确保文件的机密性和安全性。
- 目录树是文件系统的逻辑视图，通过嵌套的目录结构展示文件系统的层次组织。
磁盘调度算法的应用：
- 当多个进程请求磁盘I/O操作时，磁盘调度算法用于决定处理请求的优先顺序，优化系统性能。

详细笔记内容

文件系统

文件的定义：文件是对辅助存储设备上数据的一种抽象表示，它允许用户以更便捷的方式管理数据。
文件系统的定义：文件系统是操作系统管理文件的方式，它将文件组织成层次结构，并为文件的存储、访问、修改等操作提供接口。
目录的定义：目录是文件的容器，用于组织和管理多个文件。每个目录可以包含子目录，形成树形结构。

文本文件与二进制文件

文本文件：
- 文本文件的内容是可阅读的字符数据，如英文、中文等语言文本。每个字符被解释为8位（或16位）数据块，如.txt文件。
二进制文件：
- 二进制文件直接包含数据位，如图片、音频、视频文件。二进制文件不能被简单地用文本编辑器读取，而需要特定的软件进行解释，如图片的二进制文件需要图像处理软件才能解码并显示。
文本和二进制文件的共同点：尽管表面上文本文件和二进制文件不同，但实际上它们在底层都是以二进制数字存储在磁盘上，区别在于解释方式和格式。

文件类型

文件扩展名的作用：扩展名帮助操作系统和用户快速识别文件的类型，决定如何处理文件。例如：
- .doc表示Word文档文件。
- .jpg表示图片文件。
- .wav表示音频文件。
文件类型示例：典型的文件类型和其扩展名包括：
- Chapter.doc：Word文档。
- Figure1.jpg：图片文件。
- Interview.wav：音频文件。
- MyFavorite.mp3：音频文件。
扩展名的统一化有助于提高文件的使用效率，并简化了文件的分类和处理。

文件操作

文件创建：创建文件时，操作系统分配磁盘空间，并在目录中为该文件记录一个条目。
文件读取：读取文件时，操作系统将文件中的数据从存储设备载入内存，以便用户或应用程序访问。
文件写入：写入文件时，操作系统将数据写入文件，修改文件内容或在文件末尾追加数据。
文件删除：删除文件意味着操作系统释放文件所占的存储空间，并从目录中删除文件的记录。
文件关闭：当应用程序不再使用文件时，文件被关闭，释放相关资源，确保文件安全性。

文件访问

顺序访问：
- 顺序访问是一种按顺序读取文件记录的方式，必须逐条读取记录，直到获取到目标数据。适用于处理大文件，例如日志文件、数据记录等。
直接访问：
- 直接访问允许通过逻辑记录号直接读取文件中的特定数据，跳过不必要的记录。它使用逻辑记录编号，通过索引定位文件中的数据。

文件保护

文件保护的作用：文件保护机制防止未授权用户访问文件。在多用户系统中，文件保护尤为重要，确保不同用户对文件的权限正确设置。
文件保护的例子：
- 例1：公司内部的机密文件，只有拥有特定权限的员工才能访问。
- 例2：个人的隐私文件，不希望被其他用户查看。
Unix中的文件保护机制： Unix文件系统通过分配用户、组和其他权限，控制文件的访问权限。三种权限是：
- 读：允许查看文件内容。
- 写：允许修改文件内容。
- 执行：允许执行文件（对于可执行文件）。

目录树

目录树的结构：目录树是文件系统的逻辑表示，展示了文件及目录之间的层次关系。根目录位于树的顶端，所有其他目录和文件都从根目录派生出来。
父目录和子目录：
- 父目录：包含其他目录的目录。
- 子目录：父目录中的目录。
工作目录：在操作文件时，用户当前所处的目录称为工作目录，操作文件时可以使用相对路径进行定位。

路径

绝对路径： 绝对路径从根目录开始，包含到目标文件或目录的完整路径。示例：
- C:\Program Files\MS Office\WinWord.exe。
相对路径：相对路径是从当前工作目录开始的文件路径。例如当前目录为C:\My Documents\letters时，相对路径applications\calState.doc指向文件calState.doc。

磁盘调度

I/O与磁盘调度的关系： I/O操作是计算机系统中最慢的环节之一，磁盘调度用于提高磁盘访问的效率。多个进程的I/O请求会排队，磁盘调度算法决定哪个请求先被处理。
先到先得（FCFS）：请求按其到达顺序处理，不考虑磁盘磁头的当前位置。尽管公平，但可能导致较差的寻道性能。
最短寻道时间优先（SSTF）：优先处理磁盘磁头移动距离最短的请求，减少寻道时间，但可能导致某些请求被长时间延迟（饿死现象）。
SCAN算法：磁盘磁头像电梯一样，从磁盘一端移动到另一端，处理沿途的所有请求。该算法减少了磁头反复移动的次数，提高了效率。

二. 计算机网络

1. 与计算机网络相关的概念及其解释

（1）计算机网络（Computer Network）：指通过通信介质（如电缆、光纤、无线信道等）将多个计算机和网络设备连接在一起的系统，实现资源共享和信息交换。

（2）协议（Protocol）：网络通信中双方必须遵循的规则和约定，确保数据传输的可靠性和一致性。例如，HTTP用于网页传输，FTP用于文件传输。

（3）OSI模型（Open Systems Interconnection Model）：由国际标准化组织（ISO）提出的网络通信参考模型，分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有特定的功能，简化了网络设计和实现。

（4）TCP/IP模型：实际应用中广泛采用的网络模型，由四层组成：网络接口层、互联网层、传输层和应用层。TCP/IP协议族是互联网的基础。

（5）带宽（Bandwidth）：指网络中单位时间内能够传输的最大数据量，通常以比特每秒（bps）为单位。带宽越大，网络传输能力越强。

（6）延迟（Latency）：数据从源节点传输到目的节点所需的时间，影响网络的响应速度。延迟由传播延迟、传输延迟、处理延迟和排队延迟等组成。

（7）分组交换（Packet Switching）：将数据分割成独立的数据包，通过网络独立传输，目的节点再将其组装。提高了网络的效率和可靠性。

（8）电路交换（Circuit Switching）：在通信前建立专用的通信路径，整个传输过程中该路径被独占。适用于需要持续传输的场景，如传统电话通信。

（9）IP地址：网络中设备的唯一标识，分为IPv4（32位）和IPv6（128位）。用于定位和识别网络中的设备。

（10）MAC地址（Media Access Control Address）：网络接口的物理地址，由制造商分配，通常烧录在网卡的ROM中，用于局域网中的设备识别。

（11）域名系统（DNS）：将人类易读的域名转换为机器可读的IP地址的系统，类似于互联网的电话簿。

（12）防火墙（Firewall）：一种网络安全设备，用于监控和控制网络流量，阻止未经授权的访问，保护网络安全。

（13）路由器（Router）：连接不同网络的设备，根据目标IP地址选择最佳路径，转发数据包，实现不同网络之间的通信。

（14）交换机（Switch）：工作在数据链路层的网络设备，根据MAC地址转发数据，提高局域网的效率和安全性。

（15）网络拓扑（Network Topology）：描述网络中各节点的物理或逻辑连接方式，影响网络的性能和可靠性。

2. 各种类型的网络及其特性

（1）个人区域网络（PAN）

特性：覆盖范围为个人工作空间，通常在10米以内。
应用：蓝牙耳机、无线鼠标、智能手表与手机的连接。

（2）局域网（LAN）

特性：覆盖有限的地理范围，如办公室、学校或家庭。
应用：共享资源（打印机、文件）、高速数据传输。

（3）城域网（MAN）

特性：覆盖一个城市或城镇，将多个局域网连接起来。
应用：城市内部的宽带接入、政府机构网络。

（4）广域网（WAN）

特性：覆盖国家、洲际甚至全球范围，连接多个城域网。
应用：互联网本身、跨国公司的全球网络。

（5）无线局域网（WLAN）

特性：利用无线通信技术（如Wi-Fi）构建的局域网。
应用：移动设备接入互联网、无线热点。

（6）存储区域网络（SAN）

特性：高速专用网络，用于连接服务器和存储设备。
应用：企业数据中心、大型数据库。

（7）虚拟专用网络（VPN）

特性：在公共网络上建立的安全加密连接，提供专用网络的功能。
应用：远程办公、安全访问公司内部资源。

3. 局域网的各种拓扑结构解释

（1）总线型拓扑（Bus Topology）

结构：所有设备共享一条主干线，数据在主干线上双向传输。
优点：布线简单，成本低。
缺点：主干线故障会影响整个网络，难以故障定位，性能受限。

（2）星型拓扑（Star Topology）

结构：所有设备连接到中央节点（如交换机）。
优点：易于管理，故障易于隔离，单个节点故障不影响整体。
缺点：中央节点故障会导致网络瘫痪，需要较多的电缆。

（3）环型拓扑（Ring Topology）

结构：每个设备连接到两个相邻设备，形成一个闭合的环。
优点：数据按一定方向传输，减少碰撞。
缺点：任何一个节点故障都会影响网络，需要特殊的介质访问控制。

（4）网状拓扑（Mesh Topology）

结构：每个设备都与其他设备直接相连。
优点：冗余度高，可靠性强，路径选择灵活。
缺点：布线复杂，成本高，难以管理。

（5）树型拓扑（Tree Topology）

结构：由多个星型拓扑通过总线型连接，形成分层结构。
优点：易于扩展，结构清晰，便于管理大型网络。
缺点：上层节点故障会影响下层节点，布线复杂。

4. 为什么网络技术最好作为开放系统来实现

将网络技术作为开放系统实现，具有以下优势：

（1）互操作性：开放系统遵循统一的国际标准，不同厂商的设备和软件可以互相兼容，方便用户组合使用。

（2）标准化：采用开放标准，避免了专有技术的壁垒，促进了技术的普及和应用。

（3）可扩展性：开放系统设计灵活，易于添加新功能和支持新技术，满足不断变化的需求。

（4）竞争与创新：开放环境下，厂商之间的竞争促进了技术创新，用户可以享受到更好的产品和服务。

（5）成本降低：由于采用标准化组件和协议，生产和维护成本降低，用户有更多的选择，价格更具竞争力。

（6）安全性提升：开放的标准和协议接受广泛的审查，安全漏洞更容易被发现和修复，提高了整体安全水平。

5. 家庭互联网连接的各种技术的比较和对比

技术类型	优点	缺点	适用情况
拨号上网（Dial-up）	成本低，覆盖范围广	速度慢（最高56kbps），占用电话线，稳定性差	偏远地区，无其他接入方式
DSL（数字用户线路）	速度较快（几Mbps至数十Mbps），不占用电话线	速度受距离限制，距离电话局越远速度越慢	城市和郊区，已有电话线路
有线宽带（Cable Internet）	速度快（可达数百Mbps），稳定性好	带宽共享，用户多时速度下降，覆盖范围有限	有有线电视网络的地区
光纤接入（Fiber-optic）	速度极快（可达Gbps级别），稳定性强	安装成本高，部分地区覆盖不足	需要高速互联网的用户，城市地区
卫星上网（Satellite Internet）	覆盖范围广，不受地理限制	延迟高，受天气影响，成本高	偏远和农村地区，无地面网络
无线网络（Wi-Fi）	设备连接方便，移动性强	覆盖范围有限，易受干扰，安全性需保障	家庭内部设备互联
移动网络（3G/4G/5G）	移动性强，覆盖广，部署迅速	流量资费高，信号不稳定，可能有流量限制	无固定网络接入，需要移动上网

总结：

速度：光纤 > 5G > 有线宽带 > DSL > 卫星 > 拨号。
覆盖范围：卫星 > 移动网络 > DSL/拨号 > 有线宽带/光纤。
成本：拨号 < DSL < 有线宽带 < 移动网络 < 光纤 < 卫星。
适用性：城市用户优先选择光纤或有线宽带，郊区和农村可考虑DSL或移动网络，偏远地区可选择卫星上网。

6.网络协议

应用层：

HTTP：网页浏览
FTP：文件传输
SMTP：电子邮件发送
DNS：域名解析

传输层重点：

TCP：可靠的、面向连接的传输
UDP：快速的、无连接的传输

网络层：

IP协议是整个互联网的核心
负责路由选择和转发

数据链路层：

负责点对点的可靠传输
处理物理地址（MAC地址）

7. IP地址详解

1. IP地址基本概念

IP地址是互联网协议地址(Internet Protocol Address)的简称
作用:用于标识互联网上每一个网络接口的唯一编号
主要版本:
- IPv4:32位地址
- IPv6:128位地址

2. IPv4地址结构

2.1 基本格式

由4个8位字节(octets)组成
每部分取值范围:0-255
使用点分十进制表示法，如:192.168.0.1

2.2 地址分类

类别	首位范围	网络号位数	主机号位数	网络数量	每个网络可容纳主机数
A类	0-127	8位	24位	126个	16,777,214个
B类	128-191	16位	16位	16,384个	65,534个
C类	192-223	24位	8位	2,097,152个	254个
D类	224-239	用于多播	-	-	-
E类	240-255	保留实验用	-	-	-

3. 特殊IP地址

127.0.0.1: 回环地址(localhost)
0.0.0.0: 表示本网络
255.255.255.255: 广播地址
169.254.x.x: APIPA地址(自动私有IP地址)

4. 私有IP地址范围

A类私有地址：10.0.0.0 - 10.255.255.255
B类私有地址：172.16.0.0 - 172.31.255.255
C类私有地址：192.168.0.0 - 192.168.255.255

5. 子网掩码

5.1 基本概念

用于划分子网
由连续的1和0组成
1表示网络位，0表示主机位

5.2 常用子网掩码

A类默认：255.0.0.0
B类默认：255.255.0.0
C类默认：255.255.255.0

6. IPv6

6.1 基本特点

128位地址长度
使用16进制表示
格式：8组，每组4个16进制数，用冒号分隔
示例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

6.2 IPv6优势

更大的地址空间
更好的安全性（IPSec）
更高的效率
对移动设备更友好
简化的包头格式