第2章 互联网与物联网

第2章互联网与物联网本章学习路径1互联网、物联网与人工智能“网络”“互联网/因特网”“物联网”三者之间什么关系？网络（Network）是指通过物理或虚拟媒介（如电缆、无线电波）连接多个设备（计算机、手机等），使其能够共享资源和通信的系统。网络是底层基础，所有连网技术（包括互联网和物联网）都依赖网络实现通信。互联网（Internet，因特网）是网络的子集，特指全球性、基于TCP/IP的公共网络，是网络的全球化实现。物联网（TheInternetofThings）是互联网的延伸，将物理设备接入互联网，实现智能化控制。互联网解决“全球互联”问题；物联网解决“万物互联”问题。1互联网、物联网与人工智能互联网、物联网与人工智能的关系是什么？三者相互依存、促进，共同推动信息技术发展与社会智能化进程。互联网是海量数据的来源和应用的广阔平台，为人工智能提供数据及应用拓展支撑，同时是物联网的基础架构。物联网通过感知设备采集实时数据为人工智能提供分析基础并借助人工智能实现智能决策与执行。2互联网与移动互联网（1）什么是计算机网络？传统网络通常涵盖“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。随着技术的不断演进，电信网络和有线电视网络也已逐渐融入现代计算机网络的技术体系，“三网融合”催生了全新的业务形态和服务模式。计算机网络是指将多台具有独立功能的计算机通过通信线路和网络设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的系统。一个计算机网络（Network）由若干节点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成。2.1互联网的概念2互联网与移动互联网（1）什么是计算机网络？根据覆盖范围，计算机网络可以分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）。2.1互联网的概念2互联网与移动互联网（2）什么是互联网？多个计算机网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的网络，即互连网（internet）。互联网（Internet）是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定的国际计算机网络。从工作方式上看，互联网的可以划分为边缘和核心两个部分。边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。2.1互联网的概念2互联网与移动互联网（1）互联网采用什么结构连接独立的计算机？可以采用全网状结构来连接独立的计算机。现代互联网的拓扑结构是一个基于网络服务提供商（InternetServiceProvider，ISP）的分层混合型结构的互连网络。2.2互联网的关键技术2互联网与移动互联网（2）信息在互联网中如何传输？信息在互联网中并不是采用点对点整体传输机制，而是采用分组交换技术。具体步骤如下：数据分割。发送端将原始数据分割成多个较小的数据包（分组）。每个分组包含：头部信息（源地址、目标地址、序列号、校验和等控制信息）和有效载荷（实际传输的数据）。路由选择。分组通过互联网传输时，会经过多个路由器。每个路由器根据数据包的目标地址和路由表，选择最佳路径将数据包转发到下一个节点。分组交换。每个分组独立传输，在传输过程中会被路由器逐跳转发，直到到达目标网络。不同分组可能通过不同的路径到达目的地。数据重组。接收端收到所有分组后，根据序列号重新组合成完整的数据。2.2互联网的关键技术2互联网与移动互联网（3）异构互连网如何相通？在各类网络通信协议中，ARPANET的TCP/IP协议最终胜出，成为迄今为止共同遵循的网络传输控制协议。TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）是互联网的核心通信协议，通过分层设计，实现了从应用层到物理层的全面通信功能，使得不同网络和设备能够无缝通信，为互联网的全球普及奠定了坚实基础。2.2互联网的关键技术2互联网与移动互联网（4）互联网如何便捷地连接到所有人？1990年代，图形化浏览器（如Mosaic和NetscapeNavigator）的出现，使得互联网变得易于使用，普通用户开始能够方便地浏览网页。万维网（WorldWideWeb，WWW）的出现为图形化浏览器的诞生提供了技术基础。万维网是由蒂姆•伯纳斯-李（TimBerners-Lee）于1989年发明的一种基于互联网的信息系统。它通过超文本传输协议（HTTP）和超文本标记语言（HTML），将互联网上的信息以网页的形式组织起来，并通过统一资源定位符（URL）进行访问。2.2互联网的关键技术2互联网与移动互联网（1）什么是移动互联网？移动互联网是指通过移动设备（如智能手机、平板电脑等）接入互联网的技术和应用。它结合了移动通信技术和互联网技术，使用户能够随时随地接入互联网，获取信息、访问网络资源、使用在线服务和进行通信。移动互联网的主要特点有：移动性、实时性、便携性和个性化。移动互联网相关技术可分成3个部分：终端技术：包括硬件设备的设计和智能操作系统（如iOS和Android）的开发技术等。通信技术：包括通信标准与各种协议、移动通信网络技术（如4G、5G）等。应用技术：包括服务器端技术、浏览器技术和移动互联网安全技术等。2.3移动互联网2互联网与移动互联网（2）移动互联网的发展经历了哪些关键阶段？萌芽期（1990年代末~2000年代初）：移动互联网的初步探索成长期（2000年代中期~2010年代初）：3G时代与智能手机的崛起爆发期（2010年代中期~2020年代初）：4G时代与移动互联网的全面普及深化期（2020年代初至今）：5G时代与移动互联网的智能化2.3移动互联网2互联网与移动互联网（3）移动互联网的普及对日常生活产生了哪些影响？信息获取与传播社交与互动工作与学习娱乐与文化生活方式与消费习惯社会与经济影响移动互联网的普及极大地改变了人们的生活方式和社会运行模式，带来了诸多便利和机遇，同时也伴随着一些挑战。2.3移动互联网2互联网与移动互联网（4）互联网/移动互联网会消失吗？互联网作为现代信息技术的核心基础设施和全球通信网络的基石，不会“消失”。它将不再局限于传统的计算机或移动终端接入，而将延伸到“人-机-物”融合的状态。1995年，微软帝国的缔造者比尔•盖茨撰写过一本在当时轰动全球的书——《未来之路》，书中多次提到了“物物互联”的设想，通常被认为是“物联网”的雏形。2.3移动互联网3物联网（1）什么是物联网？早在1980年代，物联网的初步理念已经出现。1982年，卡内基梅隆大学的可口可乐机被连网，能够通过网络报告库存情况。1995年比尔•盖茨撰的著作《未来之路》中提到了物物相连的设想，为物联网的核心思想奠定了基础。1999年，美国麻省理工学院的凯文•阿什顿（KevinAshton）首次正式提出“物联网”（IOT，InternetofThings）这一术语：把所有物品通过射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了物联网的概念，指出：物联网是互联网的自然延伸和拓展，物联网的目标是实现物理世界与信息世界深度融合，物联网那个将引领新一代信息技术的应用集成创新。3.1物联网的概念3物联网（1）什么是物联网？2008年5月，欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS）在发布的InternetofThingsin2020报告中对物联网的定义是：由具有标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性运行在智能空间，使用智慧的接口与用户、社会和环境的上下文进行连接和通信。2009年9月，欧盟第七框架RFID和互联网项目簇发布的InternetofThingsStrategicResearchRoadmap报告中对物联网的定义是：物联网是未来互联网的整合部分，它是以标准、互通的通讯协议为基础，具有自我配置能力的全球性动态网络设施。在这个网络中，所有实质和虚拟的物品都有特定的编码和物理特性，通过智能界面无缝链接，实现信息共享。3.1物联网的概念3物联网（1）什么是物联网？2010年3月，我国《政府工作报告》所附的注释中对物联网定义是：通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。物联网至今没有一个明确的定义，正说明它是一个不断发展创新的复杂技术，我们可以认为所有通过互联网、传统电信网将所有能被独立寻址的普通物理对象连接起来，实现互联互通的网络就是物联网，它是互联网的延伸，是一种建立在互联网上的泛在网络。3.1物联网的概念3物联网（2）物联网与互联网是什么关系？互联网帮助人们解决了信息共享、交互的问题，建立了一个神奇的虚拟信息世界。物联网是互联网向物体世界的延伸，它所面向的对象是现实物理世界的人和物，而且是赋予了感知、通信和计算能力的“智能物体”或者“智能对象”。物联网是物理世界和信息世界的融合，将为人们创造一个更加智能的现实世界，给人类带来更加智能的生活。3.1物联网的概念3物联网（3）物联网有智慧吗？物联网本身不具备“智慧”，但通过与大数据、人工智能等技术深度融合，展现出类似“智慧”的能力，主要体现在以下几个方面：数据驱动的决策能力。物联网通过传感器和设备收集大量数据，运用机器学习算法分析这些数据后，可以为系统提供决策依据。自适应与自组织能力。物联网系统可以通过算法实现自适应和自组织，根据环境变化自动调整系统行为。情境感知与个性化服务能力。物联网系统可以通过对环境和用户行为的感知，提供个性化服务。协同工作能力。物联网设备之间可以通过网络协同工作，实现更复杂的任务。学习与进化能力。物联网系统可以通过持续学习不断优化自身性能。3.1物联网的概念3物联网（1）物联网是怎样的架构？物联网的架构通常分为4层，实现从数据采集到应用服务的完整闭环。3.2物联网的关键技术3物联网（2）物联网的关键技术有哪些？传感器技术：用于采集环境数据（如温度、湿度、光照等），是物联网感知层的基础。射频识别技术（RFID）：通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与目标之间建立机械或光学接触。嵌入式系统技术：集成了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术和电子应用技术于一体。为物联网设备提供计算和控制能力，通常集成在小型硬件中。通信技术：包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、LoRa、5G、NB-IoT等，确保设备间的数据传输。云计算与边缘计算：云计算用于大规模数据存储和处理，边缘计算则减少延迟，支持实时决策。大数据与人工智能：用于数据分析和智能决策，提升物联网的智能化水平。安全技术：包括数据加密、设备认证、访问控制等，确保物联网系统的安全性。协议与标准：如MQTT、CoAP等通信协议，确保设备间的互操作性和数据交换。3.2物联网的关键技术3物联网（3）物联网中的云计算和边缘计算有什么区别？在数据处理位置、延迟资源分配和应用场景等方面存在显著区别。3.2物联网的关键技术3物联网（4）物联网面临哪些安全威胁？设备层面安全威胁：默认密码和弱认证、固件和软件漏洞、物理攻击。应对措施：更改默认密码，使用强认证机制；定期更新固件，修复漏洞；使用安全芯片和加密技术保护硬件。通信层面安全威胁：中间人攻击和重放攻击、DDoS攻击、网络嗅探。应对措施：安全通信协议、网络分段：将物联网设备与其他网络隔离，减少攻击面、入侵检测系统（IDS）、分布式拒绝服务（DDoS）攻击防护。3.2物联网的关键技术3物联网（4）物联网面临哪些安全威胁？数据层面安全威胁：数据泄露和滥用、数据完整性问题。应对措施：数据加密、数据完整性检查、隐私保护。供应链层面安全威胁：供应链攻击、设备维护不足。应对措施：审核第三方组件和供应商；确保设备具备远程安全更新能力；遵循供应链安全标准。3.2物联网的关键技术3物联网（4）物联网面临哪些安全威胁？物理层面安全威胁：环境攻击、电磁干扰。应对措施：环境监控、电磁屏蔽。隐私层面安全威胁：数据收集和存储、数据共享。应对措施：数据最小化、数据匿名化、隐私政策。3.2物联网的关键技术4应用实践：手机和智能家居（1）手机是如何演变成互联网终端设备的？1973年，摩托罗拉工程师马丁•库珀成功研发了第一款商用移动电话DynaTAC8000X，标志着移动通信时代的开启。20世纪80年代，主要是以摩托罗拉品牌为主导的模拟信号手机（1G）。第一台进入中国市场的是摩托罗拉3200手机。4.1手机4应用实践：手机和智能家居（1）手机是如何演变成互联网终端设备的？1991年，芬兰推出了全球首个2G网络，采用数字信号，提升了通话质量和安全性，并引入了短信功能。1999年，诺基亚推出的3210成为经典，内置天线和可换外壳设计广受欢迎。21世纪初期，功能手机兴起，支持彩信、游戏、简单上网等功能，诺基亚、索尼爱立信等品牌主导市场。1994年，IBM推出了Simon；1999年12月摩托罗拉公司的天拓A6188上市；2007年苹果公司推出第一代iPhone；2008年谷歌发布Android操作系统，H同年Android操作系统手机HTCDream（G1）上市。4.1手机4应用实践：手机和智能家居（1）手机是如何演变成互联网终端设备的？随着触摸屏技术、操作系统、硬件性能提升以及网络技术的进步和及移动应用生态的繁荣，推动了手机的不断进化。如今，手机已经不仅仅是通信工具，更是人们生活中不可或缺的智能终端，深刻改变了人们的生活方式和社会的运行模式。4.1手机4应用实践：手机和智能家居（2）手机发展的未来趋势是怎样的？折叠屏：探索新形态。5G和物联网：万物互联新速度。5G网络的普及为智能手机带来了更高速的连接能力和更低的延迟，这不仅提升了用户的网络体验，还为物联网的发展奠定了基础。人工智能：体验新智能。人工智能（AI）技术在智能手机中的应用将越来越广泛，为用户带来更智能、更便捷的体验。4.1手机4应用实践：手机和智能家居（3）智能手机的普及对传统行业带来了哪些机遇和挑战？机遇数字转型与业务拓展精准营销与客户互动技术创新与效率提升挑战竞争持续深化与市场更加成熟隐私与安全问题技术更新与成本压力技术演进与资源优化4.1手机4应用实践：手机和智能家居（1）什么是智能家居？智能家居是指利用多种先进技术实现家居设备的互联互通和智能控制。智能家居的核心在于其网络化综合智能控制和管理能力。智能家居的功能和特点主要体现在：灵活性与可扩展性、