第2章信息技术发展2.1 信息技术及其发展信息技术IT是研究如何获取、处理、传输和使用信息的技术。它就像人类的“神经系 统”传感器是“感官”通信技术是“神经网络”计算机是“大脑”。信息技术包括硬件技术和软件技术两大类。2.1.1 计算机软硬件计算机系统由硬件和软件两部分组成二者缺一不可。硬件是计算机的“身体”软件是计算机的“思想和灵魂”。1. 计算机硬件硬件是看得见摸得着的物理设备主要包括五大部件控制器计算机的“指挥官”负责从内存中取出指令分析并控制其他部件协同工作。运算器计算机的“计算器”负责算术运算加减乘除和逻辑运算与或非等。它和控制器一起组成中央处理器CPU。存储器计算机的“记忆仓库”分为内存临时存储和外存长期存储。内存速度快但断电数据丢失如RAM外存速度慢但能永久保存如硬盘、U盘。存储容量单位从小到大B、KB、MB、GB、TB、PB等。输入设备给计算机“喂”信息的工具如键盘、鼠标、麦克风、扫描仪。输出设备计算机把结果“吐”出来的工具如显示器、打印机、音响。2. 计算机软件软件是计算机运行的程序和数据分为三类系统软件负责管理和控制硬件为应用软件提供运行平台比如操作系统Windows、Linux、驱动程序。应用软件直接面向用户的软件用来解决具体问题比如Word、微信、游戏。中间件位于操作系统和应用软件之间就像“翻译官”或“桥梁”帮助不同系统或应用之间通信简化开发。例如数据库中间件、消息中间件。2.1.2 计算机网络计算机网络是把多台计算机连接起来实现资源共享和信息传递。1. 通信基础通信系统由发送端、传输网络和接收端组成。比如你打电话你的手机是发送端基站和交换网是传输网络对方手机是接收端。关键通信技术数字通信把信息变成0和1传输、信息传输技术管理信息、通信网络技术构建网络。2. 网络分类按范围PAN个人局域网10米左右比如蓝牙连接耳机、手机和手表。LAN局域网1公里左右覆盖一个办公室、学校。MAN城域网5~50公里覆盖一个城市。WAN广域网几十到几千公里覆盖国家甚至全球如互联网。按使用者分公用网面向大众收费的网络如电信、联通提供的宽带。专用网某个单位自建自用如银行、军队的内部网络。3. 网络设备网络设备像道路上的各种设施中继器信号放大器延长传输距离。网桥连接两个局域网根据物理地址MAC转发数据。路由器连接不同网络根据IP地址选择最佳路径相当于“交通警察”。网关连接不同协议的网络比如连接以太网和电话网。交换机多端口设备用于局域网内数据交换。无线设备无线AP、无线路由器等。4. 网络协议协议是通信双方必须遵守的规则好比两个人说话要用同一种语言。协议的三个要素语义做什么、语法怎么做、时序做的顺序。OSI七层模型国际标准从下到上七层每一层负责不同功能物理层传输比特流0/1定义电压、接口等。数据链路层将比特组成帧进行错误检测如以太网。网络层路由选择IP协议在此层。传输层端到端可靠传输TCP/UDP协议。会话层建立、管理和终止会话。表示层数据格式转换、加密解密。应用层为用户提供网络服务如HTTP、FTP。TCP/IP协议族互联网实际使用的协议核心协议TCP面向连接、可靠传输像挂号信确保收到。UDP无连接、不可靠但速度快像普通信件。应用层协议HTTP网页、FTP文件传输、SMTP邮件、DNS域名解析、DHCP自动分配IP等。5. 软件定义网络SDNSDN是把网络的控制功能从硬件中抽出来由软件集中管理。传统网络设备交换机、路由器既负责转发又负责决策而SDN把决策权交给中央控制器底层设备只负责转发就像交通警察控制器统一指挥车辆数据按指令行驶。这样网络更灵活、可编程。6. 5G移动通信5G是第五代移动通信具有高速率、低时延、大连接的特点。主要指标远超4G峰值速率10~20Gbps4G约1Gbps时延1毫秒4G约50毫秒连接密度每平方公里百万级设备5G三大应用场景eMBB增强移动宽带高速上网、高清视频。uRLLC超高可靠低时延自动驾驶、远程医疗。mMTC海量机器类通信物联网、智慧城市。2.1.3 存储和数据库1. 存储技术存储设备就像数字世界的“仓库”分类如下DAS直连式存储存储设备直接连在服务器上就像电脑外接一个硬盘只能给这台服务器用。NAS网络接入存储存储设备连到局域网像共享文件夹多台设备可通过网络访问支持文件共享。SAN存储区域网络通过高速光纤网络连接存储设备像给服务器组建一个专门的存储网络速度快适合大型数据中心。存储虚拟化把多个物理存储资源整合成一个逻辑存储池用户看到的是一个“大硬盘”背后可能是多个设备。绿色存储节能环保的存储技术比如低功耗硬盘、数据压缩去重降低能耗。2. 数据结构模型数据模型是数据库的骨架描述数据的组织方式。层次模型像一棵树父子节点一对多比如公司组织结构。优点是结构清晰缺点是处理多对多关系麻烦。网状模型像一张网一个节点可以有多个父节点可以表示复杂关系但结构复杂用户使用困难。关系模型用二维表格表示数据行是记录列是字段。最常用如MySQL、Oracle。优点是简单、易用建立在数学基础上。3. 常用数据库类型关系型数据库SQL支持ACID原子性、一致性、隔离性、持久性适合需要强一致性的场景如银行交易。常见的有MySQL、Oracle、SQL Server。非关系型数据库NoSQL不遵循ACID适合海量数据、高并发场景如社交网络、大数据。分为键值数据库如Redis用key-value存取速度快。列存储数据库如HBase适合存储海量数据按列族存储。文档数据库如MongoDB存储JSON文档灵活。图形数据库如Neo4j存储节点和关系适合社交网络。4. 数据仓库数据仓库是用于分析的数据库从多个业务系统抽取数据经过清洗、转换后加载ETL形成面向主题的、集成的、稳定的数据集合用于决策支持。它像一个“数据超市”把各种数据整理好供分析使用。OLAP联机分析处理对数据仓库进行多维分析如从时间、地区、产品角度分析销售额。数据集市部门级的小型数据仓库。元数据关于数据的数据比如数据定义、转换规则。2.1.4 信息安全信息安全就是要保证信息的保密性不被泄露、完整性不被篡改、可用性需要时可用即CIA三要素。1. 信息安全层次设备安全硬件设备稳定可靠防止物理损坏。数据安全数据本身保密、完整、可用。内容安全信息内容合法、健康符合道德法律。行为安全操作过程安全可控防止越权操作。2. 加密与解密对称加密加密和解密用同一个密钥如DES速度快但密钥分发困难。非对称加密一对密钥公钥加密私钥解密如RSA安全但速度慢。Hash函数将任意长度数据映射为固定长度摘要不可逆用于数据完整性校验。数字签名用私钥签名公钥验证保证身份真实、不可抵赖。认证验证身份真实性如密码、指纹、数字证书。3. 信息系统安全计算机设备安全包括抗否认、可审计、可靠性。网络安全防范网络攻击如DoS/DDoS、网络钓鱼、病毒等。操作系统安全防止病毒、木马、后门等。数据库安全防止数据泄露、篡改。应用系统安全Web安全、SQL注入、跨站脚本等。4. 网络安全技术防火墙内外网之间的“门卫”只允许合法流量通过。入侵检测/防护IDS/IPSIDS是“监控摄像头”发现入侵报警IPS是“自动门”主动拦截攻击。VPN虚拟专用网络在公共网络上建立加密隧道实现远程安全访问。安全扫描自动检测系统漏洞。蜜罐技术故意设置诱饵吸引攻击者分析其行为。5. Web威胁防护访问控制限制谁可以访问什么。单点登录SSO一次登录多处访问。网页防篡改监控网页是否被修改及时恢复。Web内容安全过滤不良信息防止恶意代码。6. 下一代防火墙NGFW传统防火墙只检查IP和端口NGFW还能检查应用层内容识别具体应用如微信、抖音并集成入侵防御、智能分析等功能。7. 安全行为分析UEBA通过机器学习分析用户和实体的行为模式发现异常比如内部人员异常下载数据。8. 网络安全态势感知像天气预报一样收集网络中的各种安全信息综合分析预测未来可能的安全威胁帮助管理员提前应对。2.1.5 信息技术的发展信息技术正朝着智能化、系统化、微型化、云端化发展。硬件越来越小、越来越快软件定义一切网络融合数据库适应新需求信息安全标准化、集成化。2.2 新一代信息技术及应用2.2.1 物联网IoT物联网让物品“说话”实现万物互联。架构分三层感知层传感器、RFID、摄像头等采集信息。网络层互联网、移动网络等传输信息。应用层智能家居、智慧城市等处理信息并提供服务。关键技术传感器技术把物理量温度、压力转成电信号。RFID无线射频识别像电子标签用于物品追踪。MEMS微机电系统微型传感器和执行器集成在芯片上。应用智能物流、智能交通、智能医疗等。2.2.2 云计算云计算就像用电一样按需获取计算资源。三种服务模式IaaS基础设施即服务提供虚拟机、存储等基础设施如阿里云ECS。PaaS平台即服务提供开发平台、数据库等如Google App Engine。SaaS软件即服务直接提供应用软件如Office 365。关键技术虚拟化一台物理机虚拟成多台虚拟机提高资源利用率。容器技术更轻量的虚拟化如Docker快速部署应用。云存储分布式文件系统海量数据存储。多租户多个用户共享同一套系统数据隔离。云安全保护云上数据和业务。发展趋势创新、垂直行业、混合云、生态建设。2.2.3 大数据大数据指无法用传统工具处理的海量数据特点是4VVolume大量PB级起步。Variety多样包括结构化、非结构化数据。Value价值密度低数据量大但真正有用的少。Velocity高速处理速度快。关键技术数据采集爬虫、日志收集等。数据清洗去除错误、重复数据。分布式计算Hadoop批处理、Spark快速处理、Storm实时处理。数据挖掘从数据中发现模式、规律。数据可视化用图表展示数据易于理解。应用互联网精准营销、政府数据共享、金融风控、工业预测、疾病预测等。2.2.4 区块链区块链是一种分布式账本技术数据由多个节点共同维护具有不可篡改、去中心化等特点。类型公有链任何人可参与完全去中心化如比特币。联盟链多个机构共同管理如银行间清算。私有链一个组织内部使用。混合链结合公有链和私有链特点。特征多中心化没有单一控制点。不可篡改一旦记录难以修改。智能合约自动执行合同条款。共识机制节点间达成一致的规则如PoW工作量证明、PoS权益证明。应用数字货币、供应链溯源、电子存证、数字身份。2.2.5 人工智能AI人工智能让机器模仿人类智能包括学习、推理、感知等。发展历程起步→反思→应用→低迷→稳步→蓬勃发展。关键技术机器学习让计算机从数据中学习包括监督学习、无监督学习、强化学习。深度学习是多层神经网络擅长图像、语音识别。自然语言处理NLP让计算机理解人类语言如机器翻译、聊天机器人。专家系统模拟专家决策如医疗诊断系统。应用人脸识别、语音助手、推荐系统、自动驾驶。趋势人机混合智能、自主智能、AI各行业、AI伦理法律。2.2.6 虚拟现实VR虚拟现实创建沉浸式虚拟环境让人身临其境。主要特征沉浸性感觉像在真实世界。交互性可与虚拟物体互动。多感知性视觉、听觉、触觉等。构想性创造现实中不存在的场景。自主性虚拟物体按物理规律运动。关键技术人机交互手柄、手势识别、眼动追踪。传感器捕捉用户动作、位置。动态环境建模构建虚拟场景。系统集成整合多种技术。应用游戏、教育、医疗、工业仿真。发展趋势硬件轻薄化、5G赋能、与产业融合、元宇宙。2.3 新一代信息技术发展展望未来信息技术发展方向泛在智能网络5G/6G、云网融合。大数据深化数据治理、数据安全。自主创新关键核心技术突破。数字化转型从信息化到数字化。产业融合AI、大数据赋能各行各业。社会治理智慧城市、公共安全。数字政府一网通办、数据共享。普惠民生数字教育、医疗、社保。国际合作参与全球数字规则制定。安全治理网络安全、数据安全、法律法规。信息技术将继续引领产业发展成为经济和社会发展的核心引擎。