第2章 - 信息技术发展

2.1 信息技术及其发展

2.1.1 计算机软硬件

1. 计算机硬件

计算机硬件主要分为：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。

• (1) 控制器 (Controller)：控制器根据事先给定的命令发出控制信息，使整个电脑指令执行过程一步一步地进行。控制器是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释并根据其要求进行控制，调度程序、数据和地址，协调计算机各部分的工作及内存与外设的访问等。取指、译码，发送控制信号，协调整机硬件工作

• (2) 运算器 (Arithmetic Unit)：运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。

• (3) 存储器 (Memory)：存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息。存储器分为：内存和外存。内存储器从功能上可以分为：读写存储器 RAM、只读存储器 ROM 两大类；计算机的外存储器一般有：软盘和软驱、硬盘、光盘等，以及基于 USB 接口的移动硬盘、可擦写电子硬盘 (优盘) 等。

• (4) 输入设备 (Input Device):简称外设,输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入计算机。常见输入设备：键盘、鼠标、麦克风等。

• (5) 输出设备 (Output Device):把计算机运算结果、数据、控制信号等信息输出。常见输出设备：显示器、打印机、激光印字机、绘图仪等。

2. 计算机软件

计算机软件分为系统软件、应用软件和中间件。

• (1) 系统软件 (System Software)：控制和协调计算机及外部设备，支撑应用开发与运行，无需用户干预，负责调度、监控、维护系统，管理硬件协同工作。

• (2) 应用软件 (Application Software)：用户可直接使用的程序集合，分为应用软件包、用户程序。

• (3) 中间件 (Middleware)：处于操作系统与应用程序之间的软件，依托系统基础服务，衔接跨系统应用，实现资源与功能共享；具备标准接口与协议，属于平台与应用间的通用服务。

2.1.2 计算机网络

1. 通信基础

1) 通信系统和模型

通信系统三大部分：源系统（发送端）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收端）

2) 现代通信关键技术

2. 网络基础

（1）按作用范围划分

（2）按使用者划分

1. 公用网：电信运营商建设，面向全体公众提供网络服务（公众网）
2. 专用网：企业 / 行业自建，仅内部使用，如电力、军队、铁路、银行内网

3. 网络设备与交换技术

网络交换是指通过一定的设备（如交换机等）将不同的信号或者信号形式转换对方可识别的信号类型，从而达到通信目的的一种交换形式，常见的有数据交换、线路交换、报文交换和分组交换。

在网络互连时，各节点一般不能简单地直接相连，而是需要通过一个中间设备来实现。

中继器/集线器 可以连接所有设备形成一个局域网，所有设备在同一网段（看子网掩码，如果子网掩码是255.255.255.0，说明IP地址前三位一致的就是同一个网段），只有一个冲突域（也就是同一时间只能有一个设备通信）；
网桥/交换机 可以使同一网段设备分成多个冲突域，实现过程是不同设备不再广播式通信，而是统一传递给交换机，交换机从中调度；
路由器主要是可以连接不同局域网。

4.网络标准协议

1）OSI 七层网络模型

开放式系统互联七层模型（OSI七层模型） (从上到下）

• 应用层 Application ：用户操作、软件交互（微信/浏览器/文件传输） 所有应用软件协议：HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNSHTTP、Telnet、FTP、SMTP
• 表示层 Presentation ：翻译、加密、解密、压缩、格式转换 JPEG、ASCII、GIF、DES、MPEG
• 会话层 Session ：管理通信过程，建立/维持/断开通信会话
• 传输层 Transport ：提供两个端系统之间的可靠通信，TCP、UDP TCP：可靠、连接、三次握手；UDP：快速、无连接、直播/语音
• 网络层 Network ：IP 地址、路由器 IP、ICMP、IGMP、IPX、ARP
• 数据链路层 Data Link ：MAC 地址、网桥、交换机、网卡。
• 物理层 Physical ：网线、光纤、中继器、集线器。
• 

2）IEEE 802 协议族

以太网规范IEEE 802.3是重要的局域网协议。

1. IEEE 802.3：标准以太网，10Mb/s，细同轴电缆
2. IEEE 802.3u：快速以太网，100Mb/s，双绞线
3. IEEE 802.3z：千兆以太网，1000Mb/s，光纤 / 双绞线
4. IEEE 802.11：WLAN 无线局域网标准

3）TCP/IP 四层协议栈

OSI 七层合并为四层，互联网核心协议体系：

1. 应用层（对应 OSI 应用 / 表示 / 会话层）
2. 传输层：TCP、UDP，负责流量控制、校验、数据排序
3. 网络层：IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP，路由寻址、地址解析
4. 网络接口层（对应 OSI 数据链路 + 物理层）：底层硬件传输协议，负责物理介质数据传输

5.软件定义网络 SDN

核心原理
将网络设备的控制面与数据面分离，通过软件编程管控网络，集中化控制器全局调度。

SDN 三层架构（由下至上）

1. 数据平面：哑交换机，仅转发数据包
2. 控制平面：SDN 控制器，掌握全网拓扑，下发转发规则
3. 应用平面：各类网络业务应用，可编程调度网络资源

SDN 三类接口

1. 南向接口：控制器 ↔ 交换机，OpenFlow 协议
2. 北向接口：控制器 ↔ 上层应用，REST API
3. 东西向接口：多台控制器之间通信，实现集群扩展、负载均衡

6.第五代移动通信技术 5G

第五代移动通信技术（5G）是具有高速率、低时延等特点的新一代移动通信技术。
为了支持低时延、高可靠，5G采用短帧、快速反馈、多层/多站数据重传等技术 在频段方面，与4G支持中低频不同，考虑到中低频资源有限，5G同时支持中低频和高频频段，其中中低频满足覆盖和容量需求，高频满足在热点区域提升容量的需求。

5G 三大应用场景

1. eMBB 增强移动宽带：大流量移动互联网（高清视频、VR）
2. uRLLC 超高可靠低时延：工业控制、自动驾驶、远程医疗
3. mMTC 海量机器类通信：智慧城市、智能家居、环境传感器采集

2.1.3 存储与数据库

1. 存储技术分类

• 存储按服务器类型划分
  • 封闭系统存储：主要为大型机等服务器，私有协议，没有通用互通标准
  • 开放系统存储：基于麒麟、欧拉、UNIX、Linux等操作系统的服务器，遵循国际标准化通用协议，全行业统一标准
    • 内置存储
    • 外挂存储，根据连接方式
      • 直连式存储（DAS，Direct-Attached Storage），无独立存储操作系统，存储设备是通过电缆 (通常是SCSI接口电缆)直接到服务器的。用于一般服务器
      • 网络化存储（FAS，Fabric-Attached Storage），根据传输协议
        • 网络接入存储（NAS，Network-Attached Storage），内置文件管理系统，基于局域网文件共享
        • 存储区域网络（SAN，Storage Area Network），高速专用存储子网，分 FC SAN（光纤）、IP SAN（以太网），用于大型数据中心
• 存储虚拟化：是云存储的核心，整合不同的物理存储，对外统一逻辑访问，提升利用率、简化管理。存储虚拟化使存储设备能够转换为逻辑数据存储。
• 绿色存储：是指从节能环保的角度出发，用来设计生产能效更佳的存储产品，降低数据存储设备的功耗，提高存储设备每瓦性能的技术。以绿色理念为指导的存储系统最终是存储容量、性能和能耗三者的平衡。

2.数据结构模型

1. 层次模型：树形结构，最早数据库模型
2. 网状模型：有向图结构，多对多实体关联
3. 关系模型：二维表格，当前主流数据库模型

3.常用数据库类型

（1）关系型数据库 SQL

• 遵循 ACID 事务：原子性、一致性、隔离性、持久性
• 结构：主键 PK、外键 FK、行（记录）、列（字段）、值域

（2）非关系型数据库 NoSQL
无固定表结构，分布式架构，不强制 ACID，大数据高并发性能更强，分为 4 类：

1. 键值数据库：哈希表结构，高并发、易部署
2. 文档数据库：嵌套键值，查询灵活（MongoDB）
3. 列存储数据库：按列分组存储，海量分布式数据分析
4. 图形数据库：顶点（实体）+ 边（关系），社交、关联分析

4.数据仓库

为了满足人们对预测、决策分析的需要，在传统数据库的基础上产生了能够满足预测、决策分析需要的数据环境就叫做数据仓库。是面向主题、集成、非易失、随时间变化的数据集合，支撑管理决策

四层架构：

1. 数据源：数据仓库的基础，包括各类数据库
2. 存储与管理：数据仓库核心，ETL 抽取清洗加载
3. OLAP 服务器：联机分析处理服务器，多维数据分析
   • ROLAP：基于关系数据库
   • MOLAP：多维数据立方体
   • HOLAP：混合架构
4. 前端工具：查询工具、报表工具、数据挖掘工具、分析工具

2.1.4 信息安全

1.信息安全基础

信息安全三元组：

1. 保密性：信息仅授权主体访问，加密、访问控制实现
2. 完整性：数据不被非法篡改，校验哈希验证
3. 可用性：授权用户随时可访问数据

信息系统安全四个层次：

1. 设备安全：稳定性、可靠性、可用性
2. 数据安全：机密、完整、可用（静态安全）
3. 内容安全：合规、合法、符合道德法律
4. 行为安全：行为保密、完整、可控（动态安全）

2.加密与解密

• 对称加密：加密解密密钥相同，速度快。代表 DES
• 非对称加密：公钥加密、私钥解密，密钥分离。代表 RSA
• Hash 摘要：可以将任意长度报文生成固定长度Hash码，篡改即失效。代表 MD5、SHA
• 数字签名：来源真实，内容完整，不可抵赖；支持第三者验证，基于 RSA 实现
• 认证：通过收发双方共享的保密数据来认证被鉴别对象的真实性，不支持第三者验证。如 微信登录等

3.信息系统安全

1. 计算机设备安全：完整性、保密性、可用性、可靠性、可审计性、抗否认性
2. 操作系统安全：病毒、逻辑炸弹、木马、后门、隐蔽通道
3. 网络安全：监听、口令攻击、DoS/DDoS、漏洞攻击、僵尸网络
4. 数据库系统安全：存储数据防泄露、篡改、越权访问
5. 应用系统安全：Web 服务防护、程序完整性校验

4.网络安全技术

1. 防火墙：数据包过滤、应用网关、代理服务，管控进出流量
2. 入侵检测和防护：
   1. IDS 入侵检测系统：被动监控、告警，不阻断流量；像小区监控摄像头
   2. IPS 入侵防护系统：主动嵌入链路，实时拦截攻击；像小区保安岗哨
3. 虚拟专用网络 VPN：公网构建加密专用通信隧道
4. 安全扫描：漏洞、端口、弱口令检测
5. 网络蜜罐技术：诱捕攻击，分析黑客行为

5.Web 威胁防护技术

1. Web 访问控制技术：IP 限制、账号密码、CA 证书认证
2. 单点登录技术 SSO ：一次登录，多系统通行
3. 网页防篡改技术：内嵌水印、文件事件监控、文件过滤驱动技术
4. Web 内容安全：邮件过滤、网页过滤、反间谍软件

6.下一代防火墙 NGFW

下一代防火墙(NGFW)是一种可以全面应对应用层威胁的高性能防火墙。通过深入洞察网络流量中的用户、应用和内容，并借助全新的高性能单路径异构并行处理引擎，NGFW能够为组织提供有效的应用层一体化安全防护，帮助组织安全地开展业务并简化组织的网络安全架构。在传统防火墙基础上新增：IPS 入侵防护系统、七层应用识别、流量可视化、智能安全行为分析。

7.安全行为分析技术

基于用户/设备历史行为画像，结合机器学习识别异常访问、内部威胁，架构分三层：数据采集层、算法分析层、场景应用层。

8.网络安全态势感知

整合全网安全大数据，实时采集、评估、可视化展示安全风险，预测攻击趋势；核心技术：多源数据融合、威胁评估、态势可视化、风险预测。

2.2 新一代信息技术及应用

2.2.1 物联网 IoT

定义：通过传感设备，按协议连接物品与互联网，实现智能识别、定位、追踪、监控、管理。

三层架构

1. 感知层：传感器、RFID射频识别、摄像头、GPS，采集物理世界数据
2. 网络层：互联网、5G、专网、云平台，传输和处理感知层获取的数据
3. 应用层：对接行业业务，智能家居、智慧城市、工业监控等场景

关键技术

1. 传感器技术：传感器、RFID 射频识别（物品无接触识别、可跟踪）
2. 传感网：MEMS 微机电系统：是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成
3. 应用框架：终端、传感器硬件、通信网络、中间件、业务应用，依托云端智能决策

2.2.2 云计算

定义：依托网络按需共享计算、存储、软件资源，弹性分配。

三层服务模式

1. IaaS 基础设施即服务：服务器、存储、网络硬件资源
2. PaaS 平台即服务：虚拟机、数据库、Web 开发平台
3. SaaS 软件即服务：在线办公、CRM 等应用软件，浏览器直接使用

核心关键技术

1. 虚拟化：硬件虚拟化 + 操作系统容器 Docker，隔离多系统，区分多任务/超线程；
2. 云存储：分布式文件系统，提升复制、容错能力；
3. 多租户和访问控制管理：云计算核心权限管理，ABE 加密、租户隔离是重点；
4. 云安全：分云端自身防护、云端对外安全服务两大块，含基础设施安全、病毒木马检测。

2.2.3 大数据

定义：无法使用传统工具处理的海量、高增长、多类型的数据资产。

四大特征（4V）

1. Volume 数据海量：TB→PB→EB→ZB 级
2. Variety 数据类型多样：结构化、非结构化（视频、图片、日志）
3. Value 数据价值密度低：海量数据中有效信息极少
4. Velocity 数据处理速度快：实时快速处理数据

关键技术

1. 大数据获取技术：采集、整合、清洗
2. 分布式数据处理技术：Hadoop（离线复杂）、Spark（离线快速）、Storm（实时在线）
3. 大数据管理技术：存储、协同、安全隐私
4. 大数据应用和服务技术：数据分析、数据可视化

2.2.4 区块链

分布式加密账本技术，去中心化、不可篡改。

四大分类

1. 公有链：任何人自由接入，完全去中心化（比特币）
2. 联盟链：多机构共建，准入认证，可控去中心化
3. 私有链：单一组织管控，交易速度快，去中心化弱
4. 混合链：公私链结合，自定义访问权限

区块链核心特性

• 多中心化：无单一权威中心，多个节点共同管理，不存在单点故障；
• 多方维护：全网参与节点共同验证、记账，单一节点无法独断修改；
• 时序数据（时间戳可追溯）：每笔数据带时间戳，区块按时间链式排列，所有历史交易全程溯源；
• 不可篡改：区块含上块哈希值，改动任意数据会破坏哈希，全网节点可校验，篡改成本极高；
• 开放共识：节点通过统一共识算法达成数据一致，规则公开透明；
• 安全可信：密码学加密、分布式冗余存储，防伪造、防攻击；
• 智能合约：写入区块链的程序，触发预设条件后自动执行，省去第三方中介。

多中、多方、时序牢
共识、安全、合约跑

核心技术

1. 分布式账本：多节点同步完整副本，共同记账校验
2. 加密算法：哈希摘要、非对称加密
3. 共识机制：无中心节点下全网统一验证区块

2.2.5 人工智能 AI

模拟、延伸、扩展人类智能的技术学科。如：指纹识别、人脸识别、专家系统、人机对弈、机器人

关键技术

1. 机器学习
   • 神经网络：基础分层拟合模型，模仿人脑神经元，分层做简单判断。
   • 深度学习：多层神经网络，自动提取特征，堆很多层的神经网络，机器自己找特征，不用人手动标注。
   • 强化学习：目标导向，奖惩机制迭代优化模型，像训练小动物，靠奖惩不断试错，学会最优动作。
2. 自然语言处理 NLP：机器翻译、文本分类、语音识别、OCR
3. 专家系统：通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成，模拟行业专家决策

2.2.6 虚拟现实 VR/AR

VR 五大核心特征

1. 沉浸性：使用者置身虚拟环境，产生身临其境的真实感受。
2. 交互性：可通过设备与虚拟场景实时操作、反馈互动。
3. 多感知性：融合视觉、听觉、触觉等多种感官感知。
4. 构想性：依托虚拟空间拓展想象，创造现实不存在的场景。
5. 自主性：虚拟物体可遵循规则自主运动、产生行为。

关键技术

1. 人机交互：VR 眼镜、手柄实现三维交互
2. 传感器：人机交互的关键支撑
3. 动态环境建模：三维数据构建虚拟场景
4. 系统集成：信息同步、数据转换、模型标定、识别合成