大学计算机教程-计算与人工智能导论（第4版）课件 顾彦慧 第1-5章 绪论 - 数据库与信息系统

第1章绪论1.1计算机概述1.2信息与信息技术1.3计算思维1.4AI发展、研究内容、应用及挑战1.5集成电路简介第1章绪论1.1计算机概述计算机的发展1946.2ENIACABCIASEDVAC电子管计算机晶体管计算机SSI/MSI计算机LSI/VLSI计算机新一代计算机1954TRADIC195x…..1965197120001964IBM360系列机1964DECPDP-8总线1965.摩尔定律…?电子管磁鼓机器语言计算晶体管磁芯高级语言数据处理SSI,MSI半导体存储(SSI,MSI)OS、DBMS计算、处理、工业控制等领域LSI,VLSI半导体存储(LSI,VLSI)开发平台、分布式网络软件等各领域新技术，智能设备1.1计算机概述计算机的特点:速度快、精度高、信息存储&逻辑判断、自动控制、二进制分类按工作原理:数字计算机、模拟计算机按用途：通用计算机、专用计算机按规模：巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站、个人计算机应用：计算、数据处理、自动控制、计算机辅助、人工智能、通信？1.2信息与信息技术信息概念信息技术：文字

印刷术

电话、广播和电视使用

现代信息技术(计算机+通信)计算机中信息的表示二进制数、八进制数、十六进制数及转换原码、反码和补码字符编码中西文编码：GB2312、GBK、GB18030;ASCII、EBCDIC、UCS字形码图形图像表示声音的处理与表示011010011101……十进制数二进制数转换方法：

整数和小数分开转换整数部分：除以2逆序取余小数部分：乘以2顺序取整例如：29.6875

11101.1011B

注意：十进制小数（如0.63）在转换时会出现二进制无穷小数，这时只能取近似值129371421222200111余数低位高位整数部分小数部分0.6875×21.37500.75001.50001.0000×2×2×2高位低位二进制数十进制数转换方法：二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累加即可得到它的十进制数值例：11101.1011B

=1×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20

＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3＋1×2－4

=29.6875

【例】（1）二进制数10110110.1010转换为十进制、八进制、十六进制;

（2）十进制数137.625转换为二进制、八进制、十六进制8位二进制代码无符号整数原码补码0000000000000000001111……………………01111111127127127100000001280－12810000001129－1－127……………………11111111255－127－1ASCII码表区位码国标交换码:区位码+32机内码:

国标码+128一级汉字（3755个）二级汉字（3008个）（扩充使用）位号：

………19423字母、数字和各种符号……区号：191655568794GB2312-80字符集88【例】：“大”字的区号20，位号83，区位码是2083

用2个字节表示为：0001010001010011【例】：计、算、机三个字的机内码分别是：

计

BCC6H1011110011000110B

算

CBE3H1100101111100011B

机

BBFAH1011101111111010B1.3计算思维概念：理论思维；实验思维；计算思维特征：人的思维;可由计算机执行;求解问题思想;概念化而非程序化基本方法约简、嵌入、转化和仿真方法递归&并行计算方法抽象思维方法建模思维方法预防、保护及纠错思维方法启发式推理面向海量数据快速计算，在处理能力和存储容量间折中的思维方法1.4人工智能的发展、

研究内容、应用及挑战概念发展学科诞生与初步发展(20世纪50年代至70年代)学科诞生：1956年达特茅斯学院学术研讨会符号主义兴起:20世纪60年代,符号主义学派专家系统技术低谷与重新崛起(20世纪70年代至90年代)第一次寒冬连接主义兴起:连接主义学派神经网络复兴深度学习与应用(2000年至今)深度学习兴起:GeoffreyHinton技术突破:自动驾驶、AlphaGo等大预言模型:GPT、BERT等发展趋势：通用人工智能;智能设备与AI深度融合;生成式AI兴起;AI助手普及;AI立法与伦理;与其他技术融合1.4人工智能的发展、

研究内容、应用及挑战研究内容三要素:算法、算力、数据主要研究内容：知识表示、自动推理、机器学习、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程

序设计、生成式人工智能(AIGC)应用：人脸识别、自动驾驶汽车、机器翻译、智能客服机器人、智能外呼机器人、个性化推荐挑战伦理挑战技术挑战治理挑战社会挑战1.5集成电路简介集成电路发展IC卡智能设备与机器人技术100019701975198019851990199520001000010000010610x106100x10640048008808080868028680386PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数8048620101000x106CORE2DuoCORE2QuadCOREi7计算机发展、特点及分类信息概念及表达计算思维人工智能概念、发展、研究内容、应用与挑战集成电路简介本章小结第2章计算机系统的组成和工作原理2.1计算机系统的基本组成2.2微型计算机系统的组成2.3计算机软件2.4计算机的工作原理2.1计算机系统的基本组成计算机系统硬件软件中央处理器(CPU)：运算器、控制器等连线及控制：主板等内存：主存RAM、BIOSROM、缓存Cache等主机外设外存:磁盘、闪盘、光盘等输入设备:鼠标、键盘、摄像头、麦克风等输出设备:显示器、打印机等系统软件应用软件操作系统：Windows、UNIX、Linux、iOS、AndroidOS等语言处理系统:C++、Java、Python等语言翻译系统数据库管理系统：Oracle、SQLite等系统工具:诊断工具、整理工具等Word、Excel、QQ等计算机系统层次结构图器件与电路功能部件(运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备)指令集结构(ISA)应用软件语言处理系统数据库管理系统系统工具计算机硬件体系结构

操作系统/虚拟机软件硬件（程序+数据+文档）（物理装置总称）计算机的逻辑组成：冯.诺依曼结构运算器+控制器+存储器+输入设备+输出设备用二进制数表示指令和数据用“存储程序控制”工作方式输入设备输出设备存储器运算器控制器数据流控制流典型的冯·诺依曼计算机结构2.2微型计算机系统的组成输入输出设备CPU内存条（主存）主板（总线）硬盘（外存）电源微型计算机的主板(总线)PCI-E总线插槽I/O接口插座内存条插槽CPU插座硬磁盘键盘鼠标光盘闪盘网线音箱麦克风

CPUUSB控制器外存控制器CPU总线接口部件运算器(ALU)控制器声卡网卡寄存器堆处理器总线PCI-E扩展槽显示器

主机南桥芯片北桥芯片显卡DMI总线PCI-E芯片组主存储器存储器总线I/O总线打印机外设外设操作码地址码指令的格式中央处理器(CPU)构成：控制器,运算器(ALU),寄存器,接口部件指令系统RISC:Power,SPAC,CRISP,AMD29000,ARM等CISC:x86,x86-64CPU接口部件指令cache数据cache程序计数器PC指令寄存器IR译码器……控制信号寄存器堆ALU数据或地址指令地址码操作码地址线数据线地址下址逻辑控制器时钟脉冲intel酷睿i9CPU及插座内存存储器的层次结构寄存器&高速缓存(cache)主存概念:存储单元,地址容量:KB,MB,GB,TB等开机内存：BIOSROM&CMOS存储器;UEFI内存外存寄存器（SRAM）高速缓冲cache（SRAM）主存储器（DRAM、ROM）辅助存储器（磁盘、光盘、闪盘）后备存储器（磁带机、磁盘阵列等）CPU及接口内主机速度容量位价格快小高慢大低微型计算机的层次化存储结构外设内存条和内存条插槽10010010100110111101001010110011……1001011100000000000000010000001000000011……11111111地址存储单元数据内容主存储器地址与存储单元字选择线W位线D1位线D0VccT5T6T1T2T3T4数据线(位线)地址线（字选择）总线与I/O接口微机主板组成芯片组：南北桥芯片组;PCH单芯片总线(插槽)：CPU插座,内存插槽,PCI-E插槽（PCI，PCI-Exn）性能:总线带宽＝总线位宽×总线工作频率×传输次数I/O接口：I/O控制器+I/O插座I/O控制卡显卡:GPU+显存+接口部件网卡声卡:DSP,AD转换器,电子合成器,混音器,接口部件等集成I/O接口USB接口PS/2接口,SATA接口视频接口VGA、HDMI、DVI、DP网络RJ-45接口音频接口(开机内存)PS/2DVIVGAUSB2.0HDMIRJ45音频接口USB3.0主板上的SATA接口PCI-E总线插槽I/O接口插座内存条插槽CPU插座硬磁盘键盘鼠标光盘闪盘

CPUUSB控制器外存控制器CPU总线接口部件运算器(ALU)控制器寄存器堆PCI-E扩展槽PCH显卡DMI主存I/O总线打印机显示核心、PCI-E控制器、内存控制器PCI-E存储器总线显示器主板总线&接口中央处理器内存储器系统总线I/O控制器外存储器输出设备输入设备I/O控制器I/O控制器I/O插座I/O插座外存储器接口主机外设微型计算机的外部设备外部输入设备键盘:USB接口,PS/2接口鼠标:dpi/cpi扫描仪、摄像头、数码相机和数码摄相机:CCD,CMOS触摸屏等其他传感器外部输出设备显示器打印机外部存储设备磁盘闪盘光盘感光器件CCD和CMOS3D鼠标被测信号被测信号被测信号传感器……传感器预处理微处理机微处理器存储器接口外部信号智能传感器组成3D打印机读写磁头磁盘盘片传动手臂传动轴主轴扇区磁道柱面闪存颗粒结构

浮栅层控制栅绝缘层隧穿层--------SD针式打印机激光打印机喷墨打印机微型计算机的主要性能指标运算速度(MIPS,MFLOPS)吞吐率执行时间:主频,CPI,外频,cache容量,内核架构字长内存储器容量外存储器容量外设及软件配置2.3计算机软件软件分类系统软件:操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、系统工具应用软件:办公多媒体软件、通讯软件、存储软件、AI软件操作系统作用:管理软硬件资源,提供应用程序接口,提供友好人机界面功能处理器管理(任务管理):带优先级时间片轮转内存管理:虚拟内存文件管理(外存管理):多层文件夹设备管理:轮询,中断,DMA常见操作系统:DOS,Windows,Unix,Linux,macOS,iOS,HarmonyOS等

裸机操作系统语言处理系统数据库管理系统系统工具应用软件多层次计算机系统结构虚拟内存（pagefile.sys）虚拟空间2虚拟空间1物理内存程序设计语言分类机器语言汇编语言高级语言:Fortran,BASIC,Pascal,C/C++,C#,Java,Python程序语言处理系统:解释,汇编程序语言构成…,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,temp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)10001100010011110000000000000000100011000101000000000000000001001010110001010000000000000000000010101100010011110000000000000100软件硬件高级语言程序汇编语言程序机器语言程序编译汇编指令集(InstructionSetArchitecture,ISA)机器解释控制信号编译程序操作系统应用程序指令集结构ISA最终用户应用程序员系统管理员系统程序员汇编程序CPU+主存+I/O数字设计电路设计应用软件办公软件：MicrosoftOffice、WPSoffice、GoogleDocs、CajViewer、AdobeReader等图像处理软件:AdobePhotoshop、GIMP、美图秀秀等图形动画软件:AutoCAD、CorelDraw、Flash、3DMax、Maya、即梦AI等。视频处理软件:AdobePremiere、会声会影、QuickTime、RealPlayer、暴风影音、MediaPlayer、可灵AI等。音频处理软件:CoolEdit、AdobeAudition、Audacity等通信社交软件:QQ、微信、腾讯会议、钉钉、Facebook、Twitter、YouTube、IE、Chrome、Safari等网络存储软件:百度网盘、腾讯微云、iCloud、阿里云盘等2.4计算机工作原理存储程序和程序控制的思想存储程序程序控制指令和指令系统指令格式:操作码+操作数地址指令种类:控制、传送、处理、I/O、其他指令系统分类累加器型、栈型、通用寄存器型、Load/Store型CISC、RISC指令的执行过程操作码02H地址5B1A0HPCIR译码器通用寄存器0000001CH

………………016C6820H……001CH…………00120025H……0020H……01A0H……内存代码区数据区ALU控制信号下址计算总线①③

④

⑤②

CPU取指段译码段取数段执行段写回段指令1取指段译码段取数段执行段写回段指令2取指段译码段取数段执行段写回段指令3执行时间

每一种CPU都有它自己认识的一套指令，含义事先约定。该CPU的指令系统操作码操作数地址ADD$2$4如：一条指令0110000010000100数据所在的地址“hello”Red：shell命令行处理Blue：可执行文件加载Cyan：hello程序执行过程“hello”“hello,world/n”“hello,world\n”所有过程都是在CPU执行指令所产生的控制信号的作用下进行的。unix>./hellohello,worldunix>[Enter]程序的执行过程指令的执行过程流水线技术Pentium处理器中以双流水线方式执行指令的过程本章小结计算机系统的基本组成微型计算机系统的组成计算机软件计算机的工作原理第3章算法和数据结构3.1算法的相关概念3.2穷举算法3.3查找算法3.4排序算法3.5递归算法3.6数据结构3.1算法的相关概念算法概念：算法&程序算法特点:确定性、有穷性、可行性、输入、输出算法性能:正确性、可读性、健壮性、时间复杂度、空间复杂度算法描述自然语言描述流程图描述伪代码描述程序设计语言描述起始或结束处理输入或输出判断连接点预定义过程不同的执行方向语句1语句2语句3三种基本结构的流程图描述条件语句1语句2YN条件语句1语句2NYa.顺序结构b.分支结构b.循环结构第1步：将数值1给变量t。第2步：将数值2给变量i。第3步：使变量t和变量i相乘，将结果存放到变量t中。第4步：将变量i的值加1。第5步：如果变量i的值不大于6，则重新执行第3步到第5步。如果变量i的值大于6，则算法结束。6!算法自然语言描述计算6!算法的流程图描述开始1=>ti>62=>it*i=>ti+1=>i结束Y输出tNBegin1=>t2=>iDo{t*i=>t;i+1=>i}untili>6;PrinttEnd

计算6!算法的伪代码描述#include"stdio.h"intmain(){ inti,t; t=1; i=2; do{

t=t*i;

i=i+1;

}while(i<=6); printf("t=%d",t);}计算6!的C语言程序3.2穷举算法算法思想步骤确定枚举对象及范围明确问题解答具体要求罗列所有可能的情况，逐一求解筛选答案，直到找到所有解常见的穷举算法：顺序、排列、组合例鸡兔同笼是在1500年前《孙子算经》中提出的数学问题：“今有雉兔同笼，上有三十五头，下有九十四足，问雉兔各几何？”。其大意是：有若干只鸡兔同在一个笼子里，从上面数，有35个头，从下面数，有94只脚。问笼中各有多少只鸡和多少只兔？开始1=>aa>3535-a=>ba*2+b*4=94输出a,ba+1=>a结束YYNN鸡兔同笼穷举算法流程图Step1:初始化鸡的数量1=>a。Step2:判断鸡的数量a是否大于35，若大于35转Step7。Step3:计算兔的数量35-a=>b。Step4:计算腿的数量a*2+b*4=9是否成立，若不成立，转Step6。Step5:输出鸡和兔的数量a和b。Step6:更新鸡的数量a+1=>a。转Step2。Step7:算法结束。例输入一个大于2的整数，判断其是否为质数。用穷举法求解算法用自然语言描述如下。Step1:输入数据到n。Step2:初始化数据2=>i。Step3:判断i是否等于n。若是，则转Step6。Step4:判断n除i的余数是否为0。若是，转Step6。Step5:更新数据i+1=>i，转Step3。Step6:判断i是否等于n。若是，输出“n是质数”，否则输出“n不是质数”。Step7:程序结束。开始i=n?N除i余数为0?输出”该数不是质数”i+1=>i结束YYNN输出”该数是质数”输入数到ni=n？YN质数判断穷举算法流程图3.3查找算法算法思想步骤顺序查找步骤从待查找序列中顺序选择一个元素，比较目标与当前元素如果相等，则查找成功，返回元素位置如果不相等，继续查找，直到找到目标或遍历完整个序列二分查找步骤：有序序列中查找①初始化：0=>low,len-1=>high②如果low>high，转⑤③mid=(low+high)/2④比较mid位置元素a[mid]与目标k。若k=a[mid]，返回mid，查找成功。若k>a[mid],mid+1=>low。

若k<a[mid],mid-1=>high。转②。⑤查找失败，返回失败标记-1。例在有序数组A=[9，11，18，21，25，31，45，55，68]中查找数字33的位置并输出。若找不到，输出“该元素找不到”。911182125314555689111821253145556891118212531455568leftmidrightleftrightmidleftrightmid91118212531455568leftright二分查找算法查找目标元素过程开始Low>high?33=A[mid]?找到，输出mid0=>low,8=>high结束YYNN输出”未找到目标”33>A[mid]?(low+high)/2=>midmid+1=>lowmid-1=>highNY3.4排序算法冒泡排序算法思想步骤初始化待排序序列为整个数组。按从前往后的顺序，将待排序序列中相邻两元素两两进行比较，若前面元素大于后面元素则交换相邻两元素的位置。缩小待排序范围，将当前待排序序列最后一个元素剔除。重复步骤②直到待排序序列只包含1个元素。例:用冒泡排序算法对数组A=[5,7,8,9,3,1]进行升序排序。A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]578931578931578931578931578391578319(a)第1轮比较A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]578319578319578319573819573189(b)第2轮比较A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]573189573189537189531789(c)第3轮比较A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]531789351789315789(d)第4轮比较A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]315789135789(e)第5轮比较图3-17冒泡排序过程示意图Step1:初始化0=>i。Step2:判断i是否小于5。若否，则转Step9。Step3:初始化0=>j。Step4:判断j是否小于5-i。若否，则转Step8。Step5:判断A[j]是否大于A[j+1]。若否，则转Step7。Step6:交换A[j]和A[j+1]，即A[j]=>tmp,A[j+1]=>A[j],tmp=>A[j+1]。Step7:j+1=>i。转Step4。Step8:i+1=>i。转Step2。Step9:算法结束。选择排序算法思想步骤初始化当前交换位置为待排序序列第一个元素位置。在剩余待排序元素中，选择最小元素，与当前交换位置元素交换。排除已排序元素，重复步骤②，直到所有元素都被排序。例:用选择排序算法对数组A=[5,7,8,9,3,1]进行升序排序。578910311789103513891075min13591078第1次交换选择排序算法排序过程第2次交换第3次交换第4次交换iiminiminimin1357109813578910第5次交换第6次交换iiminminStep1:初始化待排序序列首元素位置0=>i和元素个数7=>n。Step2:判断i是否小于n-1。若否，转Step9。Step3:初始化待排序最小元素位置i=>min和当前位置i+1=>j。Step4:判断j是否小于n。若否，转Step7。Step5:判断A[min]是否大于A[j]。若是，则j=>min。Step6:j+1=>j，转Step4。Step7:交换A[min]和A[i]，即A[min]=>tmp，A[i]=>A[min]，tmp=>A[i]。Step8:i+1=>i，转Step2。Step9:算法结束。插入排序算法思想步骤初始化将待排序序列的第一个元素作为有序序列。选择待排序序列第一个元素，将其插入到有序序列中。缩小待排序序列范围，重复步骤②直到完成所有元素插入。例:用插入排序算法对数组A=[5,7,8,9,3,1]进行升序排序。578931A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5](a)第1次插入d=7(b)第2次插入A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]578931d=8578931A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]d=9(c)第3次插入插入排序过程示意图A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]578931578991578891577891(d)第4次插入557891d=3357891A[0]A[1]A[2]A[3]A[4]A[5]357891357899357889357789(e)第5次插入355789d=1335789135789Step1:6=>n，0=>i。Step2:若i=n-1，转Step7。Step3:A[i+1]=>d,i=>j。Step4:若d>=A[j]或j<0，转Step6。Step5:A[j]=>A[j+1]，j-1=>j，转Step4。Step6:d=>A[j+1]，i+1=>i，转Step2。Step7:算法结束。3.5递归算法算法思想递推算法步骤确定递推的变量；建立递推关系式；确定递推的初始（边界）条件；明确递推终止的条件，控制递推过程，实现问题求解;递归算法步骤确定递归对象；建立递归关系式；明确递归终止条件，控制递归过程，实现问题求解;例：如果每对兔子（一雄一雌）每月能生一对小兔子（也是一雄一雌，下同），每对兔子第一个月没有生殖能力，但从第二个月以后便能每月生一对小兔子。假设这些兔子都没有死亡现象，那么从第一对刚出生的兔子开始，12个月以后会有多少对兔子？

用递推算法求解斐波那契数列问题的自然语言描述如下。Step1:设置初始条件1=>F1,1=>F2，3=>n。Step2:若n>12，转Step4。Step2:根据递推公式计算F=F1+F2。Step3:n+1=>n，F2=>F1，F=>F2，转Step2。Step4:输出F。Step5:算法结束。开始1=>F1,1=>F2,3=>nn>12?F1+F2=>F输出Fn+1=>n结束YN用递归算法求解斐波那契数列问题的自然语言描述如下。Step1:定义斐波那契数列问题求解过程F，参数为月份n。Step2:若n<3，返回1。Step3:返回当前n月兔子对数为F(n-1)+F(n-2)。F(n-1)和F(n-2)为过程F的递归调用。Step4:过程F结束Step5:调用过程F，月份参数n=12。Step6:输出过程F返回的值。Step7:算法结束。开始F(12)=>t输出t结束开始F(n)n<3?返回F(n-1)+F(n-2)返回1结束FYN(a)预定义过程F(n),n为月份(b)主模块(a)移动前(b)将n-1个盘子移动B后(c)将最下面盘子移动C后(d)将B上的n-1个盘子移动到CABCABCABCABC汉诺塔问题递归移动方法示意图例：汉诺塔问题源于印度一个古老传说。大梵天创造世界时做了三根金刚石柱子，在一根柱子上从下往上按照大小顺序摞着64片黄金圆盘。大梵天命令婆罗门把圆盘从下面开始按大小顺序重新摆放在另一根柱子上。并且规定，任何时候，在小圆盘上都不能放大圆盘，且在三根柱子之间一次只能移动一个圆盘。问应该如何操作？Step1:定义汉诺塔求解过程F，参数为盘子个数n，源位置标识S，辅助位置标识H，目标位置标识T。Step2:若n=1，输出一个盘子的移动路径S

T。转Step6。Step3:递归调用过程F(n-1,S,T,H)，将n-1个盘子移动从源位置S经过目标位置T移动到辅助位置H。Step4:输出最下面盘子移动路径S

T。Step5:递归调用过程F(n-1,H,S,T)，将n-1个盘子移动从辅助位置H经过源位置S移动到目标位置T。Step6:过程F结束。Step7:调用过程F，参数盘子个数n=64，源位置标识S=’A’，辅助位置标识H=’B’，目标位置标识T=’C’。Step8:算法结束。开始F(64,’A’,’B’,’C’)输出S

T结束开始F(n,S,H,T)n=1?调用F(n-1,S,T,H)结束FYN(a)预定义过程F(n,S,H,T)(b)主算法调用F(n-1,H,S,T)输出S

T3.6数据结构数据的逻辑结构:集合、线性结构、树结构、图结构数据的存储结构:顺序存储、链式存储数据的操作运算算法(a)集合结构(b)线性结构(c)树结构(d)图结构35Link35Link35NULL…..A[4]8866A[5]

888A[0]1111A[1]2222A[2]4444A[3]6665(a)线性表顺序存储插过程

(b)顺序表链式存储插入过程1

2

4

6

8

1

2

4

6

8

5

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p3.7算法与程序设计程序=数据结构+算法(NikiklausWirth)程序语言基本结构：数据、运算、控制、传输程序设计举例本章小结算法的相关概念穷举算法查找算法排序算法递归算法数据结构算法与程序设计第4章互联网与物联网4.1计算机网络基础4.2互联网4.3物联网4.4网络安全技术4.1计算机网络基础计算机网络是利用通信设备和线路，将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。4.1.1计算机网络组成与分类计算机网络组成计算机系统数据通信链路通信协议组成计算机网络功能数据通信资源共享高可靠性节省投资分布式处理4.1.1计算机网络组成与分类计算机网络分类计算机网络的分类方法有多种，按传输介质可分为有线网和无线网；按网络的使用性质可分为公用网和专用网；按网络的拓扑结构可分为总线型、星型、树型、环型和网状型等。最常见的分类方法是按网络覆盖的地理范围进行分类，网络可以分为局域网、城域网和广域网。4.1.1计算机网络组成与分类计算机网络工作模式客户/服务器方式（Client/Server，C/S）：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。对等方式（Peer-to-Peer，P2P）：通信中的两个主机并不区分哪一个是服务请求方，哪一个是服务提供方4.1.2数据通信基础通信的目的就是传递信息，通信的主体包括信源，即通信中产生和发送信息的一端，和信宿，即接收信息的一端；通信的载体是信道。如文字、图像、语音等信息以电（或光）信号方式从信源通过信道传输到信宿信源信宿信道（传输介质）发送终端接收终端噪声通信系统模型4.1.2数据通信基础模拟信号和数字信号

根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号可分为连续取值的模拟信号和离散取值的数字信号tt幅度(a)模拟信号幅度01010101(b)数字信号模拟信号和数字信号4.1.2数据通信基础模拟信道和数字信道直接传输模拟信号的信道为模拟信道，而传输数字信号的信道为数字信道如：打电话时电话机送出的语音信号就是模拟信号，而传输语音信号的电话线就是模拟信道；计算机发出的信号则是数字信号，传输数字信号的双绞线或光纤就是数字信道模拟信号和数字信号经过转换，都可以通过模拟信道和数字信道进行传输模拟信号在传输过程中容易受噪声的干扰，传输质量不够稳定数字通信的抗干扰能力强，差错可控制，可靠性好，还可以方便地对信号加密，安全性更容易得到保证，广泛地用于网络通信移动通信、数字有线电视（或卫星电视）和固定电话中继通信（及长途通信）都是将信源发出的声音和图像的模拟信号转换成数字信号进行传输的4.1.2数据通信基础传输介质

计算机网络通信中使用的传输介质分为导向型（即有线）和非导向型（即无线）两种。导向型传输媒体中的信号是沿着固体媒体（比如铜线、光纤）传播，而非导向型传输媒体中的信号是在自由空间中传播。传输介质（有线）

双绞线：同轴电缆光纤

非屏蔽双绞线电缆UTP屏蔽双绞线电缆STP自由空间（无线）无线和微波微波通信微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信卫星通信微波通信中还有一个发展十分强劲的，人们日常生活已经离不开的通信技术，即移动通信。无线接入及移动蜂窝系统4.1.2数据通信基础调制解调技术

调制是指利用源信号(如语音、图像等)按照一定的规律去调整（改变）高频的载波信号形成调制信号，使得信源信号能够适应传输媒介的特性，以便能够在传输媒介中远距离传输。解调是指在接收端将接收到的调制信号去除高频的载波信号，还原成原始信号的过程。调制器与解调器往往做在一起，称为“调制解调器”(MODEM)信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波基带信号调制后的载波基带信号

调制解调器调制解调器载波载波多路复用技术1.时分复用多路复用技术同步时分复用（同步TDM）统计（异步）时分复用（统计TDM）ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2t1复用帧t2复用帧同步TDM带宽浪费A1B1B2统计TDM可用带宽C2t1复用帧t2复用帧多路复用技术2.频分复用3.波分复用说明：移动通信使用的是码分多路寻址交换技术1.电路交换

通信双方进行数据传输时必须经过“建立连接（占用通信资源）→通信（一直占用资源）→释放连接（归还通信资源）”2.分组交换和存储转发数据数据数据报文首部首部首部分组

1分组

2分组

3报文划分成若干更小的数据段，每一个数据段前面加上对应的地址信息和控制信息组成的首部，就构成了一个分组（packet）分组交换技术工作原理每一个数据报在传输过程中都必须带有源地址和目的地址；同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的端时可能出现乱序、重复或丢失现象；目的端判断分组的正确性，并重新排列成原来的报文形式。4.1.3局域网组成及工作原理局域网以以太网（Ethernet）为代表常见于公司、学校、机构和家庭，目前有成千上万个局域网在运行。主要特点：局域网通常是为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限使用专门铺设的传输介质进行连网和数据通信传输速率高(10Mbps～10Gbps)，延迟时间短，误码率低4.1.3局域网组成及工作原理局域网的组成

局域网大体由计算机、传输介质、网卡、网络互连设备组成。数据传输

通信双方将数据在数据链路层封装成MAC帧，然后交给物理层进行位传输和接收信源的物理地址（6B)信宿的物理地址（6B)上层协议类型（6B)数据（46B-1500B)帧检验序列（4B)4.1.3局域网组成及工作原理网卡

插在计算机总线插槽内或某个外部接口上的扩展卡，与网络程序配合工作，负责将要发送的数据转换为网络上其他设备能够识别的格式（封装成MAC帧），通过传输介质进行传输，或将接收到的信息转换成网络程序能够识别的格式（帧解封装），交给网络操作系统。4.1.4常用局域网网络互连设备把从一个端口接收到的数据帧以广播方式向其他所有端口分发出去，并对信号进行放大，以扩大网络的传输距离，起到中继器的作用。组建共享式以太网每个端口都直接与主机相连，交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。组建交换式以太网交换机集线器千(万)兆位以太网以太网构成示例主干交换机次级交换机再次级交换机无线局域网无线网络组成

无线网卡：主要分为三种类型，即PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡和USB无线网卡。

无线接入点（AccessPoint，AP）：将无线站点连接成为网络，相当于集线器和交换机，是移动计算机用户进入有线以太网骨干的接入点。

无线天线：发送和接收电磁波。无线天线分为室内和室外两种。

无线局域网采用的协议：802.11（俗称Wi-Fi）、“蓝牙”(Bluetooth)

无线局域网无线自组网（Adhoc）不需要使用无线接入点AP，而是由一组无线工作站以自组织、多跳移动通信的方式构成，是一种无线对等局域网在这种网络中，所有工作站都可以自由移动，它们均具有动态搜索、定位和恢复连接的能力（a）重组前（a）重组后4.2互联网互联网也叫因特网（Internet），它起源于1969年美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET，最初只是一个单个的网络，连接在网络上的主机都直接与就近的结点交换机相连。1983年，TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议，使用该协议的所有计算机都可以相互通信。4.2.1网络分层结构与TCP/IP协议网络协议网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。无论想让网络上的另一台计算机做什么事，都需要有协议。计算机网络的协议采用“分层”的方法进行设计和开发国际标准化组织（ISO）提出开放系统互连（OSI）参考模型，将网络分成7层，概念清楚但过于复杂。TCP/IP模型将计算机网络分成4层：应用层、传输层、网络互连层和网络接口层4.2.1网络分层结构与TCP/IP协议TCP/IP协议目前，流行的UNIX、Linux和Windows操作系统等都已将实现TCP／IP协议的通信软件作为其内核的重要组成部分4321网络接口和硬件层(以太网,FDDI,ATM等)网络互连层（IP）传输层（TCP或UDP）应用层(SMTP,HTTP,FTP等)如电子邮件、HTML文档等应用数据由应用数据转换而成的1个或多个TCP数据报或UDP数据报由TCP或UDP数据报封装而成的IP数据报IP数据报封装为以太网信息帧或ATM信元4.2.2IP协议与路由器互联网连接不同的局域网和公用数据网（例如以太网、FDDI网、ATM网等），它们使用不同的帧（包）格式和编址方案异构网络的互连要解决计算机统一编址、数据包格式转换等、数据传输路由等问题承担这一任务的是TCP/IP协议系列中的网络互连协议IP和路由器。1.IP地址（IPV4）IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围内惟一的标识符，以此来屏蔽物理地址的差异。机器中存放的IP地址是32bit二进制代码11010101000100100000001001111000将每8bit的二进制数转换为十进制数采用点分十进制记法则进一步提高可读性182132120213.18.2.1202.分类IP地址host-id24位net-id8位0A类地址net-id16位host-id16位B类地址01net-id24位C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

1例.

判断IP地址是属于哪一类地址，网络地址是什么？

根据IP地址的第一个字节202的二进制为11001010，属于C类网络，网络号由前3个字节表示，即网络地址是：。例.主机IP地址为20，子网掩码为，两者与运算后得到主机的网络号为。

3.子网的划分

从主机号借用若干个位作为子网号，而主机号也就相应减少了若干个位，利用子网掩码来确定网络号和主机号。例如，B类网络地址：，从主机号中借4位作为子网号，则子网掩码是，用IP地址与子网掩码进行与运算就可以得到网络地址：。IPV6由于IPv4中地址长度仅为32位，目前已全部分配完毕,解决IP地址不够使用的技术:网络地址转换（NAT）动态主机设置协议（DHCP）采用第6版IP协议（IPv6）

IPv6把IP地址的长度扩展到128位，几乎可以不受限制地提供IP地址。目前IPv6已得到广泛应用4.IP数据报

不同的物理网络，它们使用的数据包（或帧）的格式互不兼容，一个网络数据包不能直接传送给另一个网络。IP协议定义了一种独立于各种物理网的数据包的格式，称为IP数据报（IPdatagram）。

所有需要在TCP/IP网络中传输的数据，在IP这一层面，都必须封装或分拆成IP数据报之后才能进行发送或接收。3.路由器

路由器是连接异构网络的关键设备，它把IP数据包按接收计算机的IP地址进行转发，屏蔽各种网络的技术差异，将IP数据报正确送达目的计算机，确保了各种不同物理网络的无缝连接

EthernetFDDIATMIP路由器路由器转发IP数据包0目的网络地址下一跳接口0接口1R23源主机H1R1

的路由表（未给出默认路由器）R11R2子网2：网络地址

目的主机H2380129H3子网3：网络地址2子网1：网络地址

主机H1

向H2

发送IP数据报过程:

H1要发送分组给H2

0目的网络地址下一跳接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）R11R2H2380129H32要发送的分组的目的IP地址：38因此

H1

首先检查主机

38

是否连接在本网络上如果是，则直接交付；否则，就送交路由器

R1，并逐项查找路由表。因此H1必须把分组传送到路由器R1

然后逐项查找路由表子网1：网络地址

子网2：网络地址

子网3：网络地址子网2：网络地址

4.3.3IP数据报路由器R1收到分组后就用路由表中第1个项目的

目的网络进行比较0目的网络地址下一跳接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）30R11R2H2380129H3

R1

收到的分组的目的IP地址：38不一致子网1：网络地址

子网3：网络地址2目的网络地址不匹配!（因为38是C类网络，网络地址应为，与路由表中的

不一致）子网2：网络地址

4.3.3IP数据报路由器R1再用路由表中第2个项目的

目的网络和38所属网络比较0目的网络地址下一跳接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）30R11R2H2380129H3R1

收到的分组的目的IP地址：38一致!子网1：网络地址

子网3：网络地址2目的网络地址匹配!这表明子网2就是收到的分组所要寻找的目的网络4.主机地址和域名系统

互联网中使用具有特定含义的符号来表示互联网中的服务器（主机），当用户访问网络中的某个服务器时，只需按名访问。例如，是南京师范大学WWW服务器主机名（对应的IP地址为

0

）互联网中主机的符号名就称为它的域名。域名使用的字符可以是字母、数字和连字符，但必须以字母或数字开头并结尾。域名的格式一般为“计算机名.网络名.机构名.最高域名”根milgovcomnetorgcnukedu根intacedunetnjnuseutsinghuapku域名管理

域名空间分为若干层次，分别为根域（或顶级域）、二级、三级和四级。comnetorgedugovmilintcnukhk…..comnetedu….govibmhpintel…3comNjnunjusjtufudan…xjtuwwwmailftp…bbsroot根域二级域三级域四级域例如:南京师范大学的万维网域名为：comnetorgedugovmilintcnukhk…..comnetedu….govibmhpintel…3comNjnunjusjtufudan…xjtuwwwmailftp…bbsroot根域二级域三级域四级域互联网的顶级域名代码及含义把域名翻译成IP地址的软件称为域名系统DNS。它根据域名就可以查到它的IP地址，查找操作是自动完成的。运行域名系统的主机叫做域名服务器。4.2.3互联网的接入

1.ADSL接入技术

非对称数字用户线(AsymmetricDigitalSubscriberLine，ADSL)技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。ADSL为下行数据流提供比上行流更高的带宽,一条电话线可同时接听、拨打电话并进行数据传输互联网滤波器分离器(滤波器)电话机PC机

以太网卡（住户）ADSLMODEM电话交换机（电话局）ADSLMODEM电话网用户线4.2.3互联网的接入

2.光纤同轴混合网利用CableMODEM，其原理与ADSL相似，但CableMODEM不是成对使用，而是只安装在用户端，它将同轴电缆的频带划分为三个部分，分别用于数据上传、数据下传以及电视节目的下传。HFC网的主干线路采用光纤连接到小区，然后在“最后1公里”时使用同轴电缆以树枝型总线方式接入用户居所4.2.3互联网的接入

3.光纤接入技术4.无线接入技术光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体。光纤接入可以分为有源光接入和无源光接入。根据光纤深入用户群的程度，可将光纤接入网分为FTTC（光纤到路边）、FTTZ（光纤到小区）、FTTB（光纤到大楼）、FTTO（光纤到办公室）和FTTH（光纤到户），它们统称为FTTx。通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络间的信息传递。目前主要采用无线局域网和移动通信网方式接入因特网小区核心交换机城域网骨干交换机ONU光网络单元光纤双绞线双绞线4.2.4互联网提供的服务

互联网由大量的计算机和信息资源组成，为用户提供了非常丰富的网络服务，基本的服务包括电子邮件（E-mail）、即时通信、文件传输（FTP）、远程登录（Telnet）、信息服务（WWW）、电子商务及电子游戏等。近年来互联网与人工智能相融合，为用户提供了更广阔的应用1.电子邮件邮件缓存

接收方邮件服务器用户代理SMTPSMTPPOP3

发送方邮件服务器用户代理用户邮箱(发送邮件)（发送邮件）(读取邮件)因特网SMTPPOP3发送邮件发送邮件SMTP读取邮件TCP连接TCP连接发送方邮件服务器SMTP客户POP3客户接收方邮件服务器SMTP服务器POP3服务器SMTP服务器SMTP客户TCP连接

电子邮件中最重要的就是邮件地址，无论发信人还是收信人都必须有邮件地址。TCP/IP体系规定电子邮件地址格式为：

邮箱名@邮箱所在的主机域名

邮箱名在该主机中是唯一的，而主机的域名在整个因特网范围内是唯一的，因此，邮件地址在整个因特网范围内是唯一的。例如，wang@是一个邮件地址，邮箱名wang，其所在主机域名是。4.即时通信

即时通信(InstantMessage，IM)是指能够即时发送和接收互联网消息等业务。1998年即时通信的功能日益丰富，已经发展成集交流、资讯、娱乐、搜索、电子商务、办公协作和企业客户服务等为一体的综合化信息平台。微软、腾讯、推特、新浪、Facebook、Yahoo等即时通信提供商市场优势更突出。微博：即一句话博客，是一种通过关注机制分享简短实时信息的广播式的社交网络平台。微信：腾讯公司于2011年1月21日推出的一款为智能终端提供即时通讯服务的免费应用程序。IM工作方式（以QQ为例）

下载并安装QQ软件（免费软件），申请一个QQ号就可以工作了。1.登录到QQ服务器2.服务器判断有您的哪些朋友、家人、同事(称为伙伴)已经在线，并通知您知道3.给在线的伙伴发消息4消息也可通过P2P方式直接发给您的伙伴4消息由服务器立即转发给您的伙伴5.您的伙伴立即就能看到您发的消息

QQ的通信工作过程3.文件传输服务FTP文件传输服务FTP，是在网络上实现文件的上传和下载文件传输服务必须遵循一种统一的文件传输协议FTPFTP协议规定，需要进行文件传输的两台计算机应按客户/服务器模式工作。主动要求文件传输的发起方是客户方，它运行FTP客户程序（称为FTP客户机）被动参与文件传输的另一方为服务方，运行FTP服务器程序（称为FTP服务器），两者协同完成文件传输任务。FTP客户程序:LeapFTP、CuteFTP等FTP客户程序工作的另一个途径是使用浏览器，用户只需要在浏览器地址栏中输入如下格式的URL地址：

ftp://[用户名:口令@]FTP服务器域名[:端口号]4.WWW信息服务WWW（WorldWideWeb）译作万维网或称Web网、3W网，是一个大规模的、联机式的信息储藏所。万维网用链接的方法能非常方便地从因特网上的一个站点访问另一个站点，从而主动地按需获取丰富的信息统一资源定位URL<协议>://<主机（域名或IP地址）>:[端口]/<路径>例.写出访问南京师范大学Web服务器的方法，并说明。超文本传输协议HTTP

将用户对网页的请求发给Web服务器，然后将Web服务器中的网页传输给用户的浏览器。URL：

访问协议域名,端口缺省,默认的80路径缺省,网站默认设置静态网页网页是一种采用HTML超文本标记语言描述的超文本文档（HTML文档），其文件后缀为.html或.htm静态网页是指在文档创建完毕后就存放在Web服务器中，在被用户浏览的过程中内容不会改变静态网页静态网页动态网页动态网页则是指文档的内容在浏览器访问Web服务器时才由应用程序动态创建用户看到的内容是不断变化的。例如，动态网页表示的学生成绩单、股市行情、天气预报等动态网页动态网页动态网页Web浏览器WWW是典型的客户/服务器工作模式。Web服务器上运行着Web服务器程序，它们是信息资源（网页）的提供者用户计算机上运行的是Web客户机程序（如微软公司的IE浏览器、奇虎的360浏览器等），用来为用户完成信息查询、网页请求与浏览任务浏览器包括一组客户程序、一组解释程序和一个控制程序控制模块cacheHTTP客户端FTP客户端可选客户端网络接口HTML解释器JAVA虚拟机可选解释器驱动模块与网络服务器进行通信鼠标和键盘输入输出5.搜索引擎分类目录索引一级分类标题二级分类标题全文索引输入检索内容就可以得到相关的信息索引AI索引输入检索内容就可以生成相关的信息Web信息处理系统在Web平台上运行的信息处理系统（如淘宝网、京东商城、网上银行等）都是使用动态网页技术开发实现的访问动态生成的网页，需要采用客户/服务器/数据库的三层结构（模式)客户机浏览器

网络Web服务器程序应用程序脚本程序数据库系统ODBC/JDBC应用程序接口API第1层客户层第2层Web服务器层第3层数据库服务器层请求响应静态网页4.3物联网

目前，普遍认可的物联网定义是指通过使用RFID、条形码、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按照约定的协议将任何物品与互联网连接起来，实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络系统4.3.1物联网的概念

物联网是在因特网的基础上，任何物品与物品之间都可以进行信息交换和通信。具有3个特征:1.全面感知。利用RFID、传感器、二维码等识别技术获取连接在网络上的“物”的信息。2.可靠传递。通过各种网络将物体的信息实时、可靠地传送出去。3.智能处理。利用大数据和人工智能对数据进行识别和处理,达到管理和控制的目的。4.3.2物联网体系架构

感知识别：数据采集与感知，相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源。网络构建：实现信息的可靠、安全的传递。网络层相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。信息处理：提供物联网资源的初始化，监测资源的在线运行状况，协调多个物联网资源之间的工作综合应用：是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务4.3.3物联网感知识别技术

无线射频识别（RFID）技术当RFID卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，RFID卡获得能量被激活RFID卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去系统接收天线接收到从RFID卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台应用系统进行相关处理应用程序接口应用系统读写器电子标签中间件及应用软件查询数据协议处理器响应单元存储器编码解码命令写数据读数据调制解调标签驱动（射频单元）读取写入能量数据感知接口4.3.3物联网感知识别技术

传感技术传感器是高品质传感技术系统构造的关键设备，它是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感知的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出传感器由敏感元件、转换元件、转换电路组成。敏感元件直接感受被测量，例如温度、压力、加速度等转换元件敏感元件转换电路被测量电量2.物联网的工作流程射频读写器扫描物体的EPC标签，将标签中的EPC代码信息读出并送到EPC中间件进行处理，中间件根据EPC数据信息在ONS服务器上查询EPC代码对应的EPCIS服务器上的IP地址，然后在EPCIS服务器上找到保存产品信息的PML文件。4.3.4EPC物联网

4.4.5物联网应用示例

物联网在智能交通上的应用交通信息服务系统(ATIS)交通管理系统(ATMS)公共交通系统(APTS)电子收费系统(ETC)物联网在智慧物流方面的应用仓库储存运输监测冷链物流智能快递柜4.4网络安全技术在网络环境下使用计算机，信息安全是一个非常突出的问题。这是因为信息在传输、存储和处理的过程中，其安全有可能受到多种威胁具有4个主要特征：保密性：信息不泄露给非授权的用户、实体或过程，或供其利用；完整性：数据未经授权不能进行改变，即信息在传输或存储过程中保持不被修改、不被破坏和丢失；可用性：由被授权的实体访问并按需求使用；可控性：对信息的传播和内容具有控制能力。4.4.1网络安全概述对网络的主动攻击和被动攻击绝对安全的网络是没有的,网络安全评估是实现网络安全的必不可少的工作。评估内容包括：有没有一套网络安全方案、内部网络的安全策略与因特网接入方式的管理方案、用户信息传输的加密手段等。截获拒绝服务被动攻击主动攻击目的站源站源站源站源站目的站目的站目的站篡改恶意程序4.4.2网络安全技术数据加密斯坦福大学的Diffie与Hellman于1976年提出公钥密码体制，使用不同的加密密钥和解密密钥，满足了数字签名的需求。在公钥密码体制中，解密密钥、加密算法E和解密算法D都是公开的，而解密密码（即私钥）是保密的。明文X

截获密文Y加密密钥K明文X密文Y截取者篡改ABE

运算加密算法D运算解密算法因特网解密密钥K4.4.2网络安全技术对称密钥与公共密钥对称密钥加密系统采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密。其优点是算法公开、计算量小、加密速度快加密效率高。常用的加密软件WinRAR采用的是对称加密算法公共密钥加密系统给每个