信息技术导论

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第一章 信息和信息系统

一．信息和信息技术

1.信息的定义

信息是事物运动状态和特征的反映。信息与物质、能量是客观世界的三大构成

要素。

国际标准化组织（ISO）对信息的定义是对人们有用的数据。数据是信息的载 体，信息是数据的内涵。计算机信息处理的本质是数据处理，数据处理的目的是获取有用的信息。

2.信息的性质:

1. 普遍性：凡有事物的地方，就必然存在信息，信息广泛存在
2. 动态性：事物是在不断运动变化之中的，信息也必然随之而改变
3. 时效性：由于信息的动态性，信息的使用价值会随着时间而衰减
4. 多样性：语言、文字、声音、图片等(通称为信息的载体或媒体)都是信息的表现形式
5. 可传递性：信息可通过媒体在人-人，人-物，物-物之间传递，信息传递才能发挥信息的作用
6. 可共享性：信息与物质、能量不同，同一信息在同一时间可被多个主体共有，信息能无限地进行复制和传递，不因使用而有损耗
7. 快速增长性：随着社会的发展，信息在快速增长！(信息爆炸) 信息处理指的是与下列内容有关的行为和活动：
8. 信息的收集（如信息的感知、测量、获取、输入等）
9. 信息的传递（如邮寄、出版、电报、电话、广播等）
10. 信息的加工（如分类、计算、分析、转换、检索等）
11. 信息的存储（如书写、摄影、录音、录像等）
12. 信息的施用（如控制、显示、指挥等）

3.信息技术

信息技术定义：信息技术（Information Technology，简称 IT 或 ICT）指 的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。

基本的信息技术内容：

（1）. 扩展感觉器官功能【感测(获取)与识别技术】

（2）扩展神经系统功能【通信技术】

（3）扩展大脑功能【计算与存储技术】

（4）扩展效应器官功能【控制与显示技术】

现代信息技术的三大特征：

1. 采用微电子和光电子器件
2. 以数字技术（计算机）为基础
3. 以计算机软件为核心

核心技术包括：计算机与软件、集成电路、通信与互联网、自动控制、机器人

4.信息产业:

信息产业(也称为“电子信息产业”)是指信息设备生产制造，以及利用这些设

备进行信息采集、储存、传递、处理、制作与服务的所有行业与部门的总和。

我国信息产业存在的问题：

1. 核心技术、关键设备和元器件受制于人（高端芯片、核心软件、关键元器 件、高端设备以及专用设备等）
2. 产业结构亟需优化（信息产业位于国际产业分工的价值链低端，加工组装 的比重高，经济效益低，主要依靠降价销售参与市场竞争）
3. 信息技术应用水平不高
4. 体制机制有待完善

5.移动互联网:

“互联网+”代表一种新的经济形态，即充分发挥互联网在生产要素配置中的

优化和集成作用，将互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域之中，提升实体 经济的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展 新形态。

移动互联网就是将移动通信和互联网二者结合起来，成为一体，是指互联网的

技术、平台、商业模式和应用与移动通信技术结合并实践的活动的总称。

6.云计算

云计算定义：云计算（Cloud Computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交互模 式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。

云计算是与信息技术、软件、互联网相关的一种服务。云计算不是一种全新的网络技术，而是硬件技术和网络技术发展到一定阶段而出现的一种技术总称。

云计算具有很强的扩展性和需求性，可以为用户提供一个全新的体验。

云计算的核心：可以将很多计算机资源集合为一个共享资源地，因此，用户通过网络就可以获取到无限的资源，同时，获取的资源不受时间和空间的限制。

7.大数据

大数据（big data），指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流 程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。

8.物联网

物联网（Internet of Things，缩写 IoT）是互联网、传统电信网等信息承载 体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络，一般为无线网。

9.虚拟现实

虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

10.增强现实技术

增强现实技术（Augmented Reality，简称 AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D 模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

二．信息通信技术

1.数字通信的基本原理

1.1通信的定义

通信是信息的(远距离)传递与交流，而现代通信是使用电波或光波传递信息的 技术，也称为电信（telecommunication）

通信的基本要求：远距离、高速度、低成本、安全、可靠、方便。

1.2通信的三要素

信源、信宿、信道和信号

通信系统的模型如下：

通信系统举例：

1.3信道的传输模式

1. 单工：单工（Simplex Communication）模式的数据传输是单向的。通信双 方中，一方固定为发送端，一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用 一根传输线。单工模式一般用在只向一个方向传输数据的场合。例如计算机与打印机之间的通信是单工模式，因为只有计算机向打印机传输数据，而没有相反方向的数据传输。还有在某些通信信道中，如单工无线发送等。
2. 半双工：半双工通信使用同一根传输线，既可以发送数据又可以接收数据，但不能同时进行发送和接收。数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在任何 时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工模式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线。
3. 全双工：全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力，就和电话一样。在全双工模式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传输线，可在交互式应用和远程监控系统中使用，信息传输效率高。目前的网卡一般都支持全双工

信道的传输速率：数据传输速率即数据率(data rate)，也称为比特率(bit rate),是计算机网络中最重要的性能指标，指数据链路中每秒传输的二进位数目。速率的单位是 b/s，或 kb/s, Mb/s, Gb/s 等。

2.模拟信号与数字信号

通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号) 才能进行传输。电信号(或光信号) 有两种形式：模拟信号形式和数字信号形式。

2.1模拟信号

模拟信号是通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号。

2.2数字信号

数字信号是使用有限个状态(一般是 2 个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号。

有线通信：需使用物理介质进行信号传输的是有线通信，例如：金属导体（双绞线、同轴电缆），它传输电流信号和光导纤维（简称光纤），它传输光信号。在自由空间进行信号传输的是无线通信，传输的是电磁波信号。

2.3传输介质的类型与特点:

双绞线：双绞线利用电流(电压)传输信息。可分为：3 类线（10 Mb/s）、5 类线（100Mb/s） 和 6 类线（200Mb/s）；又可分为：无屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。 STP 在双绞线外面加上了用金属丝编织成的屏蔽层，可用于较远距离的数据传送， 屏蔽性能较好，价格较高；UTP 不使用金属丝屏蔽层，价格便宜，但易受外部高频 电磁波干扰，误码率较高，且传输距离不长，通常只在建筑物内部使用（如计算机局域网）。

同轴电缆：基带同轴电缆（50Ω）（以前主要在以太网中使用）和宽带 同轴电缆（75Ω）（现在在有线电视网使用）。

光导纤维：单模光纤与多模光纤。单模光纤纤芯细（孔径在传输光波波长的 10 倍之内），传输距离远、速率高（例如 100km 距离时速率可达 10Gbps），适合远程通信使用；多模光纤纤芯较粗（孔径大于 10 微米），传输距离近、速率低（例如 1km 距离内速率为 1Gbps），一般在局域网中使用。（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）

光缆的本质：包含了多根光纤。

光纤通信的原理：利用光波携带信息在光纤中传输，达到通信目的。

光纤通信的优点：

1. 通信容量大：一束光每秒能传输 2.5G 或 10Gb 信息！
2. 传输距离远：无中继距离超过几十公里。
3. 保密性强，信息不易泄露。

为了实现远距离传输，光纤通信中需要使用中继器，光纤通信属于中继通信。

无线通信：利用电磁波携带信息在自由空间中传播，进行通信。

电磁波的种类与频率：

2.4微波

微波：是频率为 300MHz～300GHz 范围内的电磁波，它的波长为 1m～1mm。

微波通信的特点：直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几

十公里设立一个中继站，容量大、可靠性高，建设费用低，抗灾能力强。

微波的传统应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）

等通信领域。

微波的当前应用：手机通信、GPS、WiFi、蓝牙、校园卡

卫星通信：卫星通信是将中继站设置在人造地球卫星上的一种微波通信。通信距离远、频

带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定，但是造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅 180 颗。

导航定位：卫星通信的重要应用之一就是导航定位。

2.5移动通信

个人移动通信：个人移动通信是指移动对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等

移动通信原理：每 10km～20km 的区域称为单元（形似蜂窝），每个单元中心高处建有一个基站，所有单元既相互分割，又彼此交叠（单个通信服务网内部），形成整个移动通信服务网，所以也称为“蜂窝式移动通信”。位于某单元内的所有手机都向该基站发送信号，并接收基站发给它的信号。所有基站都通过微波或光缆与移动交换中心通信。手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信，相互不影响。

5G 的两种组网方式：

（1）非独立组网（NSA）：以 4G 加 5G 的双连接方式进行组网，4G 网络作为锚点支持新的 5G 基站；

（2）全功能独立组网（SA）：核心网和无线网架构都独立建造。

3.数字通信采用的技术

◼ 数字调制/解调技术（调幅；调频；调相）

◆ 解决信号传得远的问题

◼ 多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路）

◆ 提高传输线路使用效率、降低传输成本

◼ 交换技术（电路交换；分组交换）

◆ 动态分配信道资源，提高传输效率和质量

◼ 数字编码和数据压缩技术

数字信号的三种调制方法：调幅、调频和调相。

通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器（MODEM），远距离通信必须使用 MODEM。

4.“交换”

“交换”（switching）的含义就是转接即把一条链路转接到另一条链路，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路。常用的两大类交换方式：电路交换和分组交换：电路交换技术是将每个电话与电话交换机连接。通话时经过拨号交换机把双方的线路接通（建立一条物理通路），通话后再释放该线路（拆线）。电路交换的特点是通话全过程中用户始终占用端到端的传输信道。

电路交换的过程：是建立连接、通信和释放连接。由于计算机数据传输具有突发性和不连续性，线路上真正用来传输数据的时间不到 10%甚至不到 1%，绝大多数时间线路是空闲的，效率太低，所以不适合计算机数据通信。计算机数据传输采用的是分组交换技术。

分组交换：也称为包（packet）交换，要求被传输的数据必须划分为若干“分组“(packet, 简称“包”)进行传输。每个分组中必须包含收、发双方的地址、数据块的编号、校验信息（以上称为“头部”）和传输的数据块（有效载荷）。每个分组的

格式如下：

分组交换机的任务：负责包（分组）的转发。分组交换机的工作方式是：存

储转发 + 路由选择。

分组交换机的工作过程：

1. 从输入端口收到一个包后，放入缓冲区

2. 检查数据包的目的地址，查转发表，决定该送哪个输出端口进行转发

3. 把包从输入缓冲器中取出，送到相应输出端口的缓冲区中排队

4. 输出端口每发送完一个包，就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发送

举例：计算机 A 的文件＝>计算机 G

分组交换技术的优点：

◼ 高效，动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用

◼ 灵活，以分组为传送单位和查找路由。

◼ 迅速，不必先建立连接就能向其他主机发送分组。

◼ 可靠，保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换技术不足:

（1）分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。

（2）分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开

销。

分组交换技术的应用：几乎所有数据通信网都采用分组交换技术，包括：交换式以太局域网、公用数据网（传统的广域网）、互联网（Internet）和移动通信网（手机）。不同的分组交换网，基于不同的技术，采用不同的协议（协议(protocol)是通信各方协商一致并必须严格遵守的规则和约定），因而性能与应用各不相同！

5.计算机信息系统

计算机信息系统（Computer _based Information System ，简称信息系统）是

一类以提供信息服务为主要目的的数据密集型、人机交互的计算机应用系统。

计算机信息系统的4个主要技术特点：

◼ 数据量大，一般需要存放在外存中；

◼ 数据长久持续有效（持久性）；

◼ 数据共享使用（共享性）；

计算机信息系统的组成：

信息处理的深度来区分信息系统：

◼ 业务处理系统：一次信息处理系统，采用计算机技术进行日常业务处理的系统，主要有管理业务系统、辅助技术系统和办公信息系统等。

◼ 信息检索系统：二次信息处理系统，如中国科技文献库、中国专利数据库等。

◼ 信息分析系统：三次信息处理系统，是为管理决策人员掌握运行规律和趋势、制定规划、进行决策的辅助系统。主要有决策支持系统（DSS）和经理支持系统（ESS）等。

◼ 专家系统（Expert System，简称 ES）一种知识信息的加工处理系统，也是人工智能最重要的应用系统。专家系统模仿人类专家的思维活动，通过推理与判断求解问题。专家系统具有解决特定问题所需的专门领域知识。由知识库与推理机两部分组成。

6.案例例题

1. 2020年，新一代信息技术与节能环保、生物、高端装备智造产业将成为国民经济的支柱产业，新一代信息中的人工智能可以广泛应用于机器视觉，视网膜识别，自动规划、专家系统。
2. 第一个提出大数据概念的公司是麦肯锡公司
3. 关于大数据在社会综合治理中的作用，以下理解不正确的是（C）
   1. 大数据的运用能够维护社会治安
   2. 大数据的运用能够加强交通管理
   3. 大数据的运用能够杜绝抗生素的滥用
   4. 大数据的应用有利于走群众路线
4. Al是Artificial Intelligence的英文缩写。
5. 2010年，中国将物联网发展写入了《政府工作报告》。
6. 三层结构类型的物联网：感知层、网络层、应用层
7. 云计算是对并行计算、网络计算、分布式计算技术的发展和运用。
8. 下列说法错误的是：
   1. 云计算平台可以灵活地提供各种功能
   2. 云计算平台需要管理人员手动扩展。
   3. 云计算平台能够根据需求快速调整资源
   4. 用户可以在任何时间获取任意数量的功能

1. 要想让机器具有智能，必须让机器具有知识。因此，在人工智能中有一个研究领域，主要用于研究计算机如何自动获取知识与技能，实现自我完善，这门分支学科被称为机器学习。
2. 利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息，指的是全面感知。

第二章   物联网技术

一．物联网的概念

1.物联网的定义

物联网就是指“物物相连的互联网”。从网络结构上看，物联网就是通过 Internet 将众多信息传感设备与应用系统连接起来并在广域网范围内对物品身份进行识别的分布式系统。在计算机互联网的基础上，利用RFID技术、无线通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网。

公认的物联网定义：通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、 全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，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。

当每个而不是每种物品能够被唯一标识后，利用识别、通信和计算等技术，在互联网基础上，构建的连接各种物品的网络，就是人们常说的物联网。

“物联网”的范围：① 要有相应信息的接收器；

② 要有数据传输通路；

③ 要有一定的存储功能；

④ 要有 CPU；

⑤ 要有操作系统；

⑥ 要有专门的应用程序；

⑦ 要有数据发送器；

⑧ 遵循物联网的通信协议；

⑨ 在世界网络中有可被识别的唯一编号。

物联网的核心：IPv6 技术、云计算技术、传感技术、RFID 智能识别技术、无线通信技术

物联网关键技术: 标识技术、物联网体系结构技术、通信与网络技术、数据和信号处理技术、软件和算法、发现与搜索引擎技术、电源和能量储存技术等。

2.物联网与互联网的区别

物联网的发展和形成：物联网的发展跟互联网是分不开的，主要两个层面的意思：

物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础上的延伸和扩展;

第二，物联网是比互联网更为庞大的网络，其网络连接延伸到了任何的物品和物品之间，这些物品可以通过各种信息传感设备与互联网络连接在一起，进行更为复杂的信息交换和通信。

物联网的三大特征：

1. 全面感知：利用 RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。
2. 可靠传递: 通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。
3. 智能处理：利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，对海量的数据和信息进

行分析和处理，对物体实施智能化的控制

3.物联网层次结构

3.1 物联网的三大特征

感知层：实现对物理世界的智能识别，信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。

网络层：主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网，接入网和核心网，网络层可以依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。

应用层：类似于人类社会的“分工”，包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用，应用基础设施/中间件为物联网提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域中的应用。

1. 1. 物联网感知层关键技术
2. RFID技术：它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。

RFID系统主要分为：电子标签(Tag)、读写器(Reader)和天线(Antenna)。

RFID技术的工作原理：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据的处理。

RFID的优点：

⚫ 非接触操作，长距离识别，有效识别距离可达 30 米以上；

⚫ 无机械磨损，寿命长，应用范围广；

⚫ 识别速度快，可实现批量识别；

⚫ 读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口；

⚫ 更好的安全性，读取方便快捷；

⚫ 数据容量大： RFID 标签可根据用户的需要扩充到数 10K；

⚫ 动态实时通信；

2． 二维码技术

二维码的特点：①高密度编码，信息容量大②编码范围广③容错能力强，具有纠错功能④译码可靠性高⑤可引入加密措施⑥成本低，易制作，持久耐用⑦条码符号形状、尺寸大小比例可变。

⑧二维码可以使用激光或 CCD 摄像设备识读，十分方便。

RFID与二维码功能比较：

1. 传感器技术

传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装备，通常由敏感元件和转换元件。

传感器是一种检测装置，能感受到被测的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

1. 电子产品代码

电子产品代码（EPC）系统在计算机、互联网和RFID技术的基础上，利用全球统一标识系统编码技术给每一个实体对象一个唯一的编码，构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网。

EPC系统主要组成：

EPC编码标准 、  EPC标签 、 识读器、神经网络软件、对象名解析服务、实体标记语言

3.3物联网网络层的关键技术

Internet、移动通信网、无线传感器网络、紫蜂技术（zigBee）、蓝牙、Wi-Fi

1. ZigBee: ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线传输技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术.

ZigBee技术特点：(1)数据传输速率低 (2)低功耗 (3)成本低 (4)网络容量大 (5)有效范围小 (6)工作频段灵活 (7)可靠性高 (8)时延短 (9)安全性高

1. Wi-Fi: 是使用无线连接把分布在数公里范围内的不同物理位置的计算机设备连在一起，在网络软件的支持下可以相互通信和资源共享的网络系统。

Wi-Fi的优点：（1）安装便捷：（2）使用灵活：（3）经济节约：（4）易于扩展：

1. 蓝牙：是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。

蓝牙的特点：(1)同时可传输语音和数据。(2)可以建立临时性的对等连接(Ad hoc Connection)。(3)开放的接口标准

蓝牙的优势：稳定、全球可用、设备范围广、易于使用、采用了通用规格。

1. 无线传感器网络：无线传感器网络(WSN)的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。

3.4物联网应用层关键技术

M2M 、云计算、人工智能、数据挖掘、中间件

主要分为最底层的基础设施即服务、中间层的平台即服务和最顶层的软件即服务。

1. 基础设施即服务位于最底层，该层提供的是最基本的计算和存储能力，其中，自动化和虚拟化是核心技术。
2. 平台即服务位于三层服务的中间，该层涉及两个关键技术，基于云的软件开发、测试及运行技术和大规模分布式应用运行环境。
3. 软件即服务位于最顶层，该层涉及的关键技术有Web2.0中的Mashup、应用多租户、应用虚拟化等。

物联网技术的融合：云计算 、人工智能、数据融合技术、M2M技术

物联网的应用：书上P28~~P42

1. 课后习题

1. .第三次信息技术革命指的是物联网。
2. “智慧地求“是IBM公司提出的。
3. 物联网的核心是应用
4. 光敏传感器接收光的信息，并将其转化为电信号。
5. 以下不是物理传感器的是（B）
   1. 视觉传感器  
   2. 味觉传感器
   3. 听觉传感器
   4. 触觉传感器
6. 机器人中的皮肤采用的是温度传感器
7. RFID属于物联网的感知层
8. 无线传感器网络需要解决的问题是物物交互和人机交互。
9. 下列（D）技术不适用于个人身份认证。

1. 手写签名识别技术      B.指纹识别技术

C.语言识别技术           D.二维码识别技术

1. 简述未来物联网的发展趋势

规模化发展、 重点应用领域、 协同化发展、智能化发展