大学计算与人工智能 课件第5章计算机网络与物联网

大学计算与人工智能（第5章计算机网络与物联网）配套清华出版社《大学计算与人工智能》通识教材本章目录5.1计算机网络的概念与体系5.2计算机网络协议5.3计算机网络设备5.4物联网的概念与体系5.5物联网感知技术5.6物联网标识技术5.7卫星定位技术

2计算思维+人工智能第5章计算机网络与物联网本章学习目标：（1）理解计算机网络的概念与体系、数据发送中的封装过程。（2）理解计算机网络的节点身份标识协议和数据传输协议。（3）能够使用交换机和路由器搭建和配置计算机网络。（4）理解物联网的基本概念和特征，能够使用手机进行定位和计步。（5）理解一维码的作用，能够使用Python编程实现EAN-13码。（6）理解二维码的作用，能够使用库函数生成QR二维码。

35.1计算机网络的概念与体系5.1.1计算机网络的概念和分类1.计算机网络的概念计算机网络是指将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，实现资源共享和信息传递的计算机系统。2.计算机网络的分类根据不同的用户视角或应用方式，计算机网络可以划分出不同的类型。（1）按照网络共享服务方式划分从网络服务的管理角度，网络可以划分为客户/服务器（C/S）网络、对等（P2P）网络、浏览器/服务器（B/S）网络和混合网络。图5-1给出了P2P网络、C/S网络和B/S网络的工作模式图。

45.1.1计算机网络的概念和分类2）按照网络节点分布范围划分按照网络节点分布的地理范围，可以将网络分为局域网、城域网和广域网。局域网（LAN）是指网络中的计算机分布在相对较小的区域，通常不超过10km。在局域网中，当网络节点采用无线连接时，就是无线局域网。城域网（MAN）是指网络中的计算机分布在同一城区内，覆盖范围大约在10～100km的数量级，如一个城市。广域网（WAN）是指网络中的计算机跨区域分布，地理范围能够覆盖100km以上的范围。广域网也称为互联网（Internet），通常是由多个局域网或城域网组成。（3）根据网络的传输介质划分根据计算机网络所采用的传输介质，可以将计算机网络分为有线网络和无线网络。有线网络是指采用双绞线和光纤来连接的计算机网络。无线网络是指采用电磁波作为载体来实现数据传输的网络类型。由于无线网络联网方式较为灵活，已经成为有线网络的有效补充和延伸。

55.1.2计算机网络的体系结构OSI参考模型定义了计算机相互连接的标准框架，该框架将网络结构分为七层，具体包括：应用层：提供网络服务与最终用户的接口；表示层：提供数据表示、加解密和解压缩等功能；会话层：建立、管理和终止网络会话（即通信连接）；传输层：定义传输数据的协议端口号，以及流量控制和差错校验功能；网络层：进行逻辑地址寻址并实现不同网络之间的路径选择；数据链路层：建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等；物理层：建立、维护、断开物理连接。随着技术的发展，OSI参考模型中的“会话层”和“表示层”已经被合并到“应用层”之中，所以，目前流行的计算机网络是五层互联网参考模型（见4.17）。

65.1.3计算机网络的数据封装1.计算机网络节点的数据发送

75.1.3计算机网络的数据封装2.计算机网络节点的数据接收

85.2计算机网络协议计算机网络作为一种“信息高速公路”，面临着“公路”管理同样的难题。在公路管理中，人、车、路如何协同工作，长期面临挑战。为了解决上述挑战，不仅需要通过技术来解决，更要通过法律、法规来疏导和预防。在计算机网络中也是如此，必须通过各种规程或协议（类似于法律法规）来保证网络安全、稳定、高效运行。

95.2.1网络节点身份标识协议计算机网络的发展是从局域网发展到互联网。为了唯一标识网络中的每个节点，局域网使用了网络硬件地址（即MAC地址）来标识网络节点，而由多个局域网互联而成的广域网网络，则使用了逻辑地址（IP地址）来标识网络节点。MAC地址的直译为媒体存取控制地址，也称为局域网地址、或以太网地址，或网卡地址、或物理地址，它是用来确认网络节点的身份（或位置），由网络设备制造商生产时写在硬件内部（一般是网卡内部）。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡。一台设备若有多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。MAC地址由48位（6个字节）组成。书写时通常在每个字节之间用“：”或“-”隔开，如08-00-20-0A-8C-6D就是一个MAC地址。

10IP地址被用来给网络上的电脑一个编号。大家日常见到的情况是每台联网的PC上都需要有IP地址，才能正常通信。我们可以把“个人电脑”比作“一台电话”，那么“IP地址”就相当于“电话号码”，而Internet中的路由器，就相当于电信局的“程控式交换机”。IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4字节，书写时用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a、b、c、d都是0～255之间的十进制整数。例如，点分十进IP地址（），实际上是32位二进制数10000000.00000000.00000000.00001001。

115.2.2网络节点数据传输协议实现数据安全、可靠和高效传输是互联网的核心目标。在局域网内部，主要通过数据链路层协议来保障数据可靠传输；在广域网之中，主要通过传输层协议来进一步提高数据传输的可靠性，防止链路拥堵。下面重点介绍其中的两种数据传输协议：HDLC和TCP协议。

121.HDLC协议概述1974年，IBM公司推出了面向比特的同步链路控制协议（SDLC）。后来，ISO把SDLC修改后称为高级数据链路控制协议（HDLC）。HDLC协议支持两种类型的传输模式：同步传输模式和异步传输模式。

132.TCPTCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。为了使TCP协议能够独立于特定的网络，TCP对报文长度有一个限定，即TCP传送的数据报长度要小于64K字节。这样，对长报文需要进行分段处理后才能进行传输。TCP协议不支持多播，但支持同时建立多条连接。TCP协议的连接服务采用全双工方式。在数据传输之前，TCP协议必须在二个不同主机的传输端口之间建立一条连接，一旦连接建立成功，在二个进程间就建立了两条相反方向的数据传输通道，可同时在两个相反方向传输字节流。TCP建立的端到端的连接是面向应用进程的，对中间节点（如路由器）是透明的。

14图给出了两个进程建立TCP连接时，数据的传输过程（图中只给出了一个方向的数据传输）。由于TCP协议是基于字节流的，当上层发送进程的应用数据到达TCP发送缓冲后，原始数据的边界将淹没在字节流中。当TCP进行发送时，从发送缓冲中取一定数量的字节加上报头后组织成TCP报文进行发送。当TCP报文到达接收方的接收缓冲时，TCP报文携带的数据也将被作为字节流处理，并提交给应用进程。这时，接收进程必须能从这些字节流中划分出原始的数据边界。

15值得注意的是，TCP在发送报文之前，必须首先通过三次握手建立连接。传输结束后，可以释放连接。5.2.3网络资源共享协议计算机网络的主要目标就是实现资源共享。可共享的资源主要包括存储资源、设备资源（如打印机）和程序资源等。针对不同的资源共享模式，由于历史原因和技术差异，导致存在多种协议共存的局面。表4-6给出了几种常用的网络资源共享协议的概要信息。

16Web服务协议Web服务协议主要包括HTTP、HTML和DNS等协议。（1）HTTP协议超文本传输协议（HTTP）是一个客户端和服务器端请求和应答的标准。通常由HTTP客户端发起一个请求，建立一个到服务器指定端口（默认是80端口）的连接。HTTP服务器则在指定端口监听客户端发送过来的请求，一旦收到请求，服务器向客户端发回一个响应的消息。消息体可能是请求的文件、错误消息、或者其他一些信息。客户端接收服务器所返回的信息通过浏览器显示在用户的显示屏上，然后客户机与服务器断开连接。

17（2）DNS协议为了能够正确地定位到目的主机，HTTP协议中需要指明IP地址。但这种4个字节的IP地址很难记忆，因此，Internet提供了域名系统（DNS）。DNS可以有效地将IP地址映射到一组用“.”分隔的域名（DomainName，DN），比如3对应的域名是。DNS最早于1983年由保罗·莫卡派乔斯（PaulMockapetris）发明，原始的技术规范在RFC882中发布。

18Internet域名空间为树状层次结构，如图4-24所示。最高级的节点称为“根”，根以下顶级域名，再以下是二级域名、三级域名，以此类推。每个域名对它下面的子域名或主机进行管理。Internet的顶级域名分为两类：组织结构域名和地理结构域名。按照组织结构分，有com、edu、net、org、gov、mil、int等顶级域名，分别代表商业组织、大学等教育机构、网络组织、非商业组织、政府机构、军事单位和国际组织；按照地理结构分，美国以外的顶级域名，一般是以国家或地区的英文名称中的两字母缩写表示，如cn代表中国、uk代表英国、jp代表日本等。

19FTP协议FTP协议提供文件的上传（upload）和下载（download）功能。上传是指用户通过FTP客户端将本地文件传送到FTP服务器上，下载是指从FTP服务器获取文件到本地。要连上FTP服务器，一般要有该FTP服务器授权的账号，不同的账号有不同的权限（读或写权限）。通用的FTP地址格式为ftp://用户名：密码@FTP服务器IP或域名：FTP命令端口/路径/文件名。

20电子邮件服务协议4．电子邮件服务协议电子邮件是—种用电子手段提供信息交换的通信方式，是互联网应用最广的服务。我们每天都在使用电子邮箱进行交流，发送或接收各种电子邮件(E-mail)。在电子邮件系统中，邮件发送方和接收方作为客户端，一般通过用户代理（如Hotmail、Foxmail）来进行邮件的编辑、发送和接收.如图4-24所示，发送方的用户代理通过SMTP协议将邮件投递到发送端邮件服务器，发送服务器通过因特网投递到接收端邮件服务器，接收方的用户代理通过POP3协议读取邮件信息。

215.3计算机网络设备不论是局域网、城域网还是广域网，在网络互联时，一般要通过传输介质（网线）、网络接口（RJ45）和网络设备相连，这些设备可分为网内互联设备和网间互联设备.网内互联设备主要有网卡、中继器、集线器和交换机；网间互联设备主要有网桥、路由器和网关等。

22网内互联设备数据的传输最重要依靠传输介质，网络中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光缆3种。其中，双绞线是经常使用的传输介质，它一般用于星形网络中，同轴电缆一般用于总线型网络，光缆一般用于主干网的连接。中继器是局域网互联的最简单设备，它工作在OSI体系结构的物理层，用来连接不同的物理介质，并在各种物理介质中传输数据包。交换机（switch）是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路，在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。

23利用交换机堆叠式组网

24交换机交换机交换机网间互联设备网桥是在数据链路层上实现网络互联的设备，它工作在以太网的MAC子层上，是基于数据帧的存储转发设备，用于两个或两个以上具有相同通信协议、传输介质及寻址结构的局域网。路由和交换之间的主要区别就是交换发生在OSI参考模型第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。网关（gateway）是一种充当转换重任的计算机系统或设备，既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互联。

255.4物联网的概念与体系本节从物联网的基本概念入手，探讨“物”的含义和物联网的主要特征，为物联网的体系结构和应用提供支撑。5.4.1物联网的概念 物联网，作为新技术，定义千差万别。一个普遍可接受的定义为：物联网是通过使用RFID、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，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络（或系统）。

265.4.2物联网的主要特征物联网主要特征包括：全面感知、可靠传递、智能处理和广泛应用四个方面。如图3-1所示。1）全面感知“感知”是物联网的核心。2）可靠传递为了实现物与物之间信息交互，将不同传感器的数据进行统一处理，必须开发出支持多协议格式转换的通信网关。3）智能处理物联网的目的是实现对各种物品（包括人）进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。4）广泛应用物联网的应用正向广度和深度两个维度发展。特别是大数据和人工智能技术的发展，使得物联网的应用向纵深方向发展，产生了大量基于大数据物联网应用系统。

275.4.3物联网的起源与发展物联网的起源可以追溯到1995年。比尔·盖茨在《未来之路》一书中对信息技术未来的发展进行了预测。其中，描述了物品接入网络后的一些应用场景，这可以说是物联网概念最早的雏形。1998年，麻省理工学院（MIT）提出基于RFID技术的唯一编号方案，即产品电子代码（EPC），并以EPC为基础，研究从网络上获取物品信息的自动识别技术。在此基础上，1999年，美国自动识别技术（AUTO-ID）实验室首先提出“物联网”的概念。2005年，国际电信联盟ITU发布《ITU互联网研究报告2005：物联网》，描述了网络技术正沿着“互联网—移动互联网—物联网”的轨迹发展，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临，信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的连接就形成了物联网。

285.4.3物联网推动工业4.0从18世纪中叶以来，人类历史上先后发生了三次工业革命，主要发源于西方国家，并由他们所创新所主导。中国在第四次工业革命中与世界同步，并立于浪潮。

295.4.3物联网支撑智能制造中国制造2025，是中国政府实施制造强国战略的第一个十年行动纲领。2015年3月，《政府工作报告》中首次提出“中国制造2025”的宏大计划，并审议通过了《中国制造2025》。事实上，最近几年，中国制造取得了辉煌成就。（1）空中造楼机武汉某中心项目预计建筑高度有635米，面对超高建筑的挑战，建造者们使用了一个神奇的机器，那是一个足有4.5层楼高的红色巨型机器，它就是中国最新一代的空中造楼机，也就是武汉绿地项目的智能顶升平台。（2）穿隧道架桥机近些年，中国高铁的发展速度令世人瞩目，逢山开路、遇水架桥，中国速度的背后，离不开一种独一无二的机械装备，穿隧道架桥机。

30（3）隧道掘进机2015年12月，中国首台双护盾硬岩隧道掘进机研制成功，该机器具有掘进速度快、适合较长隧道施工的特点。每台隧道掘进机上包括使用物联网技术的探测系统和控制系统，如激震系统、接收传感器、破岩震源传感器、噪声传感器等。现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通信技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装管片、隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，是目前最先进的隧道掘进设备。显然，随着物联网的发展，中国智能制造技术不断被激发，呈现出蓬勃生机。

315.5物联网感知技术传感与检测是实现物联网系统的基础。传感技术是把各种物理量转变成可识别的信号量的过程，检测是指对物理量进行识别和处理的过程。例如，我们用湿敏电容把湿度信号转变成电容信号，这就是传感；我们对传感器得来的信号进行处理的过程就是检测。本节重点介绍传感器的功能特性、分类、技术原理以及典型应用。

325.5.1传感检测模型图给出的是将“物理信号”转换为“数字信号”的传感检测与反馈控制模型。该模型由传感器部件、信号处理部件和反馈控制部件（可选）三大部分组成。

335.5.2传感器的分类传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，数据显示或精确控制都是不可能实现的。传感器一般是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的，其种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。

34根据被测对象划分(1)温度传感器：它是利用物质各种物理性质随温度变化的规律将温度转换为电量的传感器。(2)湿度传感器：它是能感受气体中水蒸气含量，并将其转换成电信号的传感器。

(3)压力传感器：它是能感受压力并将其转换成可用输出信号的传感器，主要是利用压电效应制成的。

(4)位移传感器：位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器，超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器。

(5)加速度传感器：加速度传感器是一种能够测量加速度的电子设备。

35手机中的传感器随着智能手机硬件配置不断提高，内置的传感器种类越来越多，如图3-3所示。这些传感器不仅提高了手机的智能，还让手机的功能越来越强大。

36气压传感器光感传感器角度传感器图像传感器重力传感器距离传感器RFID识读磁感应传感器……声音传感器5.6物联网标识技术条形码是集条形码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条形码印制技术于一体的物品身份自动识别方法，其作为自动识别技术中应用较早的一类，诞生于20世纪50年代的美国，并于70年代在国际上得到推广和应用。1949年，美国工程师乔·伍德兰德（JoeWoodLand）和伯尼·西尔沃（BernySilver）在一个食品项目中开始研发并设计了一种同心圆的特殊编码，被称“公牛眼”，并设计出能够解码的自动识别设备，并因此获得了美国专利。一维码是由一组反射率不同、宽窄各异的条、空符号按一定规则交替排列编码而成的图形符号，可用以表示一定的信息，例如表示物体名称、种类或者产地等，能在信息交换过程中实时快速地提供正确的标识。

375.6.1一维码一维码的组成结构一个完整的一维码的组成结构如图所示，从左到右依次是左侧空白区、起始符、数字字符、校验符、终止符和右侧空白区，下面分别进行说明。

38一维码的编码一维码是利用反射率不同的‘条’和‘空’，以不同的宽度和规则的排列，来构成具有一定排列规则的二进制‘0’和‘1’，并借以表示某个字符或者数字，最后将‘0’和‘1’连在一起反映一定的信息。在一维码中，不同码制的编码方式不同。主要编码方式包括：（1）宽度调节编码法宽度调节编码法就是指一维码符号中的‘条’和‘空’均有宽、窄两种类型的条形码编码方法。根据宽度调节编码法制定的码制，通常是用窄单元的‘条’或者‘空’来表示计算机二进制的‘0’，而用宽单元的‘条’或者‘空’来表示计算机二进制的‘1’。（2）模块组配编码法模块组配编码法是指一维码的字符结构由规定数量的数个模块组成的编码方式。该码制的‘条’和‘空’是由不同数量的模块组合而成，二进制的‘1’是由1个单位模块宽度的’条’来表示，而二进制的‘0’是由1个单位模块宽度的’空’来表示。

395.6.2一维码一维码实例：EAN根据数据结构和编码长度的不同，分为EAN-13码和EAN-8码。EAN-13商品码的编码内容为一组13位的阿拉伯数字，用来标识某种商品。其中，国家代码占3位，厂商代码占4位，产品代码占5位，校验码占1位。EAN-13码的结构与编码方式如图所示。

40EAN-13商品码的编码方法根据EAN-13标准规定，每个数字的条空组合有三套字符集可选，即A、B和C。在这三套字符集中，每个数字的条空组合的规则如左表所示（表中S表示空，B表示条），根据条空规则转换为二进制后，每个数字对应的二进制序列如右表所示。例如，在选用字符集A时，数字“2”的条空组合为2个S、1个B、2个S、一个B，即“SSBSSBB”，对应二进制0010011。

41EAN-13商品码由8个部分组成，包括左右两侧的空白区域、起始符及终止符、两侧数据符、分隔符和校验符。EAN-13商品码构成示例如图所示。

42例如已知某EAN-13条形码为0903244981003，请给出该条形码的完整二进制序列。问题分析：该条形码的第1位为“0”，就是前缀码；第2-7位为“903244”，就是六位左侧数据符；第8-12位为“98100”，是五位右侧数据符；第13位即最后一位为“3”，就是校验符（即校验码）。

435.6.3二维码二维码是用某种特定的几何图形按一定规律相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”，由“点”和“空”的排列组成的代码。二维码是一种比一维码更高级的条形码格式。一维码只能在一个方向（一般是水平方向）上表达信息，而二维码在水平和垂直方向都可以存储信息。按原理来分，二维码可以分为堆叠式/行排式二维码和矩阵式二维码。堆叠式/行排式二维码形态上是由多行短截的一维码堆叠而成；矩阵式二维码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”，“点”和“空”的排列组成代码。代表性的行排式二维码有Code16K、Code49、PDF417等具有代表性的矩阵式二维码有CodeOne、MaxiCode、QRCode等

443.二维码的构成二维码是在一维码的基础上扩展出另一维具有可读性的条形码，使用黑白矩形图案表示二进制数据，被设备扫描后可获取其中所包含的信息。每一种二维码都有其编码规则。按照这些编码规则，通过编程即可实现条形码生成器。目前，我们所看到的二维码绝大多数是QR码，QR码是QuickResponse的缩写。QR码一共有40个尺寸，包括21×21点阵、25×25点阵，最高是177×177点阵。一个标准的QR二维码的结构如图3-11所示。

45

46二维码的识读二维码的识读需要读写器，读写器利用自身光源照射条形码，再利用光电转换器接受反射的光线，将反射光线的明暗转换成数字信号。二维码的识读设备种类繁多，根据不同的识读原理，可以分为以下三类。（1）基于CCD的线性图像式读写器（2）基于激光扫描器的读写器（3）基于摄像的读写器

475.6.4射频识别技术1、RFID系统的组成通常，RFID系统由电子标签、读写器和数据管理系统组成，其组成结构如图所示。

481）电子标签电子标签由耦合元件及芯片组成，每个电子标签都具有全球唯一的电子编码，将它附着在物体目标对象可上实现对物体的唯一标识。2）读写器读写器又称阅读器，是利用射频技术读写电子标签信息的设备，通常由天线、射频模块控制模块和接口模块四部分组成。2、RFID的识读协议随着物联网的广泛应用，RFID识读时的安全问题日益突出。为了阻止非授权的RFID读写器访问非授权的电子标签，多种基于RFID安全认证的识读协议相继提出。在这些安全认证协议中，比较流行的是基于Hash运算的安全认证协议，它对消息的加密通过Hash算法实现。HashLock协议是一种经典的隐私增强的RFID识读协议。该协议是MIT的Sarma等人提出的，不直接使用真正的节点ID，取而代之的是一种短暂性节点，即临时节点ID。这样做的好处是，保护了真实的节点ID。该协议在RFID系统中存储了两个电子标签ID：metaID与真实电子标签ID。其中，metaID通过一个给定的密钥key，利用Hash函数计算得到，即metaID=hash(key)。metaID与真实ID的对应关系通过后台应用系统中的数据库获取。即数据库中存储了三个参数：metaID、真实ID和key。

49HashLock协议

503.RFID防碰撞技术在RFID系统应用中，经常会遇到多读写器、多电子标签的情景，这就会造成电子标签之间或读写器之间在工作时的相互干扰，这种干扰被称为碰撞或者冲突（collision）。为了保证RFID系统能够正常地工作，这种碰撞应予以避免。避免碰撞的方法或者操作过程就被称为防碰撞算法。RFID碰撞可以分为两种：电子标签碰撞和读写器碰撞，（1）电子标签碰撞当多个电子标签同时处于同一个读写器的工作范围内时，则多个电子标签之间的应答信号就会相互干扰，导致电子标签内的信息无法被读写器正常读取，形成碰撞。（2）读写器防碰撞算法高密度的读写器必然会导致读写