1.5 计算机网络发展新技术

1.5.1 物联网

1.物联网的提出

物联网（Internet of Things,IoT）的概念是在1999年提出的，当时不叫物联网而叫传感网。中科院在1999年就启动了传感网的研究和开发。2009年8月，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，并写入政府工作报告，物联网在中国受到了全社会极大的关注。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息”时代的重要发展阶段。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。包含两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。

美国、欧盟等都在投入巨资深入研究、探索物联网。我国同时也高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

2.物联网的概念

物联网(Internet of things)的概念是在1999年提出的，目前，物联网的精确定义并未统一。关于物联网（IOT）比较准确的定义是：物联网是通过各种信息传感设备及系统（传感器、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器等）、条码与二维码、全球定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。这个定义的核心是，物联网的主要特征是每一个物件都可以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信。

3.物联网的特点

和传统的互联网相比，物联网有着鲜明的特征。首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性采集环境信息，不断更新数据。其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域；从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

物联网中的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：（1）要有数据传输通路；（2）要有一定的存储功能；（3）要有CPU;（4）要有操作系统；（5）要有专门的应用程序；（6）遵循物联网的通信协议；（7）在世界网络中有可被识别的唯一编号。

4.物联网分类

物联网可分为私有物联网（Private IOT）、公有物联网（Public IOT）、社区物联网（Community IOT）和混合物联网（Hybrid IOT）4种。私有物联网一般面向单一机构内部提供服务。公有物联网基于互联网（Internet）向公众或大型用户群体提供服务。社区物联网向一个关联的“社区”或机构群体（如一个城市政府下属的各委办局：如公安局、交通局、环保局、城管局等）提供服务。混合物联网是上述的两种或以上的物联网的组合，但后台有统一运维实体。

5.物联网的主要应用领域

物联网的应用领域非常广阔，从日常的家庭个人应用，到工业自动化应用，以至军事反恐、城建交通。当物联网与互联网、移动通信网相连时，可随时随地全方位“感知”对方，人们的生活方式将从“感觉”跨入“感知”，从“感知”到“控制”。目前，物联网已经在智能交通、智能安防、智能物流、公共安全等领域初步得到实际应用。2010年上海世博会的门票系统就是一个小型物联网的应用，该系统采用RFID技术，每张门票内都含有一块芯片，通过采用特定的密码算法技术，确保数据在传输过程中的安全性，外界无法对数据进行任何篡改或窃取。世博门票的内部包含电路和芯片，记录着参观者资料，并能以无线方式与遍布园区的传感器交换信息。通过这张门票，计算机系统能了解“观众是谁”、“现在在哪儿”“同伴在哪儿”。观众进入园区，手机上就能收到一份游览路线建议图；随着参观的进行，观众随时能知道最近的公交站、餐饮点的位置。相应地，组织者也能了解各场馆的观众分布，既能及时向观众发出下一步的参观建议，防止场馆间冷热不均；又能有效调动车辆，提高交通效率。

物联网比较典型的应用包括水电行业无线远程自动抄表系统、数字城市系统、智能交通系统、危险源和家居监控系统、产品质量监管系统等。

1.5.2 三网融合

三网融合又叫“三网合一”，是指电信网、广播电视网、互联网这三个网，在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演变过程中，相互渗透、互相兼容并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。三网融合并不意味着三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。三大网络通过技术改造，使其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。

三网融合可以将信息服务由单一业务转向文字、话音、数据、图像、视频等多媒体综合业务，有利于极大地减少基础建设投入，并简化网络管理，降低维护成本，使网络从各自独立的专业网络向综合性网络转变，网络性能得以提升，资源利用水平进一步提高。三网融合是业务的整合，它不仅继承了原有的话音、数据和视频业务，而且通过网络的整合，衍生出了更加丰富的增值业务类型，如图文电视、VoIP、视频邮件和网络游戏等，极大地拓展了业务提供的范围。三网融合还将打破电信运营商和广电运营商在视频传输领域长期的恶性竞争状态，对用户来说，看电视、上网、打电话资费可能打包下调。

2010～2012年为三网融合的试点阶段，重点开展广电和电信业务，双向进入试点，探索形成保障三网融合规范有序开展的政策体系和体制机制。2013～2015年为三网融合推广阶段，总结推广试点经验，全面实现三网融合发展，普及应用融合业务，基本形成适度竞争的网络产业格局，基本建立适应三网融合的体制机制和职责清晰、协调顺畅、决策科学、管理高效的新型监管体系。

1.5.3 3G技术

3G技术是指第三代移动通信技术（Third Generation），它的理论研究、技术开发和标准制定工作始于20世纪80年代中期，在此之前，移动通信技术经历了两个阶段。

第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，典型代表有美国的AMP高级移动电话系统和后来的改进型系统TACS，以及瑞典的NMT、日本的NTT等。第一代移动通信系统采用频分复用语音信号为模拟调制，其主要弊端有频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、保密性差、易被窃听和盗号、设备成本高、体积大、重量大等。

第二阶段是数字蜂窝移动通信系统，典型代表有美国的DAMPS（Digital AMPS）系统、IS-95和欧洲的GSM系统。由于第二代移动通信以传输语音和低速数据业务为目的，从1996年开始为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。第二代移动通信主要提供的服务仍然是语音服务及低速率数据服务。

由于网络的发展，数据和多媒体通信的发展势头很快，所以第三代移动通信的目标就是宽带多媒体通信。第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系统。虽然现在应用最广泛的仍是第二代移动通信系统，但第三代移动通信技术3G也已经逐渐开始规模商用。

国际上目前最具代表性的第三代移动通信技术标准有3种，它们分别是CDMA2000,WCDMA和TD-SCDMA。相对于第二代移动通信GSM系统，CDMA系统的信道容量是GSM系统的4倍左右，采用高质量的语音编码，比GSM拥有更好的通话质量；采用扩频调制，拥有很高的保密性；采用有效的功率控制方法，使手机发射功率控制在较低的水平；采用软切换技术，不容易掉话。由于其技术的优越性，CDMA已成为第三代移动通信系统采用的主要技术之一。

1.5.4 4G技术

1.4G的简介

4G技术是第四代移动通信及其技术（IMT-Advanced）的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。世界很多组织给4G下了不同的定义，而ITU代表了传统移动蜂窝运营商对4G的看法，认为4G是基于IP协议的高速蜂窝移动网，现有的各种无线通信技术从现有3G演进，并在3GLTE阶段完成标准统一。ITU4G要求传输速率比现有网络高1000倍，达到100Mbit/s。

在2005年10月的ITU-R WP8F第17次会议上，ITU给了4G技术一个正式的名称IMT-Advanced。按照ITU的定义，当前的WCDMA、HSDPA等技术统称为IMT-2000技术；未来新的空中接口技术，叫作IMT-Advanced技术。IMT-Advanced标准继续依赖3G标准组织已发展的多项新定标准加以延伸，如IP核心网、开放业务架构及IPv6。同时，其规划又必须满足整体系统架构能够由3G系统演进到未来4G架构的需求。

2.4G的通信特点

4G通信技术的特点可用“多”“快”“好”“省”来概括。

（1）业务种类“多”:LTE不仅能够支持2G/3G网络下的话音、短信、彩信；同时还能够支持高清视频会议、实时视频监控、视频调度等高带宽实时性业务。

（2）上网速度“快”:LTE峰值速率能达到百兆以上，是目前3G速度的5倍多。同样下载一部1GB的高清电影，使用3G网络最快需要接近7min，而使用LTE网络，不到1min30s。

（3）用户感知“好”:LTE网络时延比3G网络一半还要低，对于在线游戏、视频实时传送等这些实时性要求高的业务感知特别好。

（4）频谱资源“省”：和3G相比，在组网频宽上，LTE可以用1.4、3、5、10、15、20MHz 6种频宽进行组网，频谱利用率要高于3G，能更好地利用目前非常宝贵的频率资源。

3.4G的核心技术

4G通信系统的这些特点，决定了它将采用一些不同于3G的技术。对于4G中将使用的核心技术，业界并没有太大的分歧。

（1）正交频分复用（OFDM）技术。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。

（2）软件无线电。软件无线电的基本思想是把尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。也可以说，是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。

（3）智能天线技术。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等智能功能，是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号，并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

（4）多输入多输出（MIMO）技术。MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。

（5）基于IP的核心网。4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

1.5.5 云计算

1.云计算的由来

云计算（Cloud Computing）是IT产业发展到一定阶段的必然产物。在云计算概念诞生之前，很多公司就可以通过互联网发送诸多服务，如订票、地图、搜索以及硬件租赁业务。随着服务内容和用户规模的不断增加，市场对于服务的可靠性、可用性的要求急剧增加。这种需求变化通过集群等方式很难满足，于是各地纷纷建设数据中心。对于像Google和Amazon这样有实力的大公司，有能力建设分散于全球各地的数据中心来满足各自业务发展的需求，并且有富余的可用资源，于是这些公司就可以将自己的基础设施作为服务提供给相关的用户，这就是云计算的由来。

云计算是一种新兴的商业计算模型。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池中，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和各种软件服务。之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征，如规模较大、可以动态伸缩、边界模糊等。人们无法也无需确定云的具体位置，但它确实存在于某处。

2.云计算概念

云计算是以公开的标准和服务为基础，以互联网为中心，提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务，让云成为每一个网民的数据中心和计算中心。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义是：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

通俗地理解，云计算的“云”就是存在于互联网上的服务器集群上的资源，它包括硬件资源（如服务器、存储器、CPU等）和软件资源（如应用软件、集成开发环境等），本地计算机只需要通过互联网发送一个需求信息，远端就会有成千上万的计算机提供需要的资源并将结果返回到本地计算机。这样，本地计算机几乎不需要做什么，所有的处理都由云计算提供商所提供的计算机群来完成。

3.云计算的特点

云计算是通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将与互联网更相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。从研究现状上看，云计算具有以下特点。

（1）便捷性强。

用户可以使用任意一种云终端设备，在地球上任意一处获取相应的云服务。用户所请求的所有资源并不是有形的、固定不变的实体，而是来自于庞大的“云”。用户不需要担心，更不用了解应用服务在“云”中的具体位置，而仅仅需要使用“云终端”，如电脑或手机，就可以通过网络服务来满足需要。

（2）可靠性高。

“云”是一个特别庞大的资源集合体。云服务可按需购买，就像在日常生活中购买煤气、水、电一样。“云”本身使用了多种措施来保障提供服务的高可靠性，如数据多副本容错、计算节点同构可互换等，使用户使用云计算比使用本地计算机更加可靠、高效。

（3）成本低。

未来，用户仅需要花费很少的时间和金钱就能完成以前需要大量时间和金钱才能完成的任务。这正是“云”采用廉价的节点来施行特殊容错措施所带来的巨大好处。因此，提供云服务的企业也不必再为“云”的自动化、集中式管理负担过高的管理数据的费用了。

（4）潜在的危险性。

目前，云计算的所有服务全部都被私人企业垄断，而用户在使用云服务时都会涉及一些“数据”，所以用户选择云计算服务时都必须要保持高度警惕，避免让这些提供云服务的私有机构以“数据”的重要性挟制用户。与此同时，也要考虑到商业机构在使用国外企业提供的云服务时，商业机密的泄漏风险、数据的安全等因素。这些都是未来在“云”领域中需要改善的地方。

4.云计算应用

云计算应用的范围很广，如云物联、云服务、云计算、云存储、云安全、云游戏、云会议、云教育等，下面将从云服务、云计算、云存储、云安全这4个方面来分析云计算的应用。

（1）云服务。

云服务是一种更广义的服务方式，其中的典型代表就是苹果的全新云服务iCloud。这是一款可与iPhone、iPad、iPodtouch、Mac和PC应用程序完美兼容的突破性全新云服务免费套件，它能够无线存储某个苹果设备上的数据内容，并自动无线推送用户所有的苹果设备。也就是说当用户修改某个苹果设备上的信息时，所有设备上的信息几乎同时以无线方式得以更新。此外，iCloud还增加了云备份与音乐自动同步功能，云备份可以每天自动备份用户购买的音乐、应用、电子书、音频、视频、属性设置以及软件数据等，而以上备份仅支持通过Wi-Fi上传下载数据。

iCloud创新的PhotoStream服务可自动上传用户拍摄的照片，导入任意设备，并无线推送至用户的所有设备。当用户用iPhone为好友拍摄照片后，回家后即可与iPad（或AppleTV）上的整个群组共享，这项服务非常受欢迎。

（2）云计算。

云计算其实是一种资源交付和使用模式，指通过网络获得应用所需的资源。提供资源的网络被称为“云”。云计算具有按需服务、无限扩展、成本低和规模化四大特征。狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以与软件、互联网相关，也可是其他服务。

云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户提供按需服务。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。

（3）云存储。

云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新概念。云计算时代，用户可以抛弃U盘等移动设备，只需要进入如GoogleDocs的页面，新建文档，编辑内容，然后直接将文档的URL地址分享给朋友或者上司，对方可以直接打开浏览器访问URL。我们再也不用担心因PC硬盘的损坏或者优盘打不开而发生资料丢失事件。

（4）云安全。

云安全（CloudSecurity）是网络时代信息安全的新产物，它融合了并行处理、网格计算、未知病毒行为判断等新兴技术和概念，通过网状的大量客户端对网络中软件行为的异常进行监测，获取互联网中木马、恶意程序的最新信息，传送到服务器端进行自动分析和处理，再把病毒和木马的解决方案分发到每一个客户端。

云安全的策略构想是：使用者越多，每个使用者就越安全，因为如此庞大的用户群，足以覆盖互联网的每个角落，只要某个网站被挂马或某个新木马病毒出现，就会立刻被截获。

1.5.6 大数据

1.大数据的定义

大数据是一个较为抽象的概念，正如信息学领域大多数新兴的概念，大数据至今尚无确切、统一的定义。在维基百科中关于大数据的定义是指利用常用软件工具来获取、管理和处理数据所耗时间超过可容忍时间的数据集。这并不是一个精确的定义，因为无法确定常用软件工具的范围，可容忍时间也是个概略的描述。互联网数据中心对大数据作出的定义为：大数据一般会涉及2种或2种以上的数据形式。它要收集超过100TB 的数据，并且是高速、实时数据流；或者是从小数据开始，但数据每年会增长60%以上。这个定义给出了量化标准，但只强调数据量大、种类多、增长快等数据本身的特征。研究机构Gartner 给出了这样的定义：大数据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。这也是一个描述性的定义，在对数据描述的基础上加入了处理此类数据的一些特征，用这些特征来描述大数据。

2.大数据特征

（1）规模性（Volume）。Volume指的是大数据巨大的数据量以及其规模的完整性。目前，数据的存储级别已从TB扩大到ZB。这与数据存储和网络技术的发展密切相关。数据加工处理技术的提高，网络宽带的成倍增加以及社交网络技术的迅速发展，使得数据产生量和存储量成倍增长。实质上，在某种程度上来说，数据数量级的大小并不重要，重要的是数据具有完整性。数据规模性的应用有以下的体现，如对每天12 TB的tweets数据进行分析，了解人们的心理状态，可以用于情感性产品的研究和开发；基于Facebook上成千上万条信息的分析，可以帮助人们处理现实中朋友圈的利益关系。

（2）高速性（Velocity）。Velocity主要表现为数据流和大数据的移动性。现实中则体现在对数据的实时性需求上。随着移动网络的发展，人们对数据的实时应用需求更加普遍，如通过手持终端设备关注天气、交通、物流等信息。高速性要求具有时间敏感性和决策性的分析——能在第一时间抓住重要事件发生的信息。例如，当有大量的数据输入时，需要排除一些无用的数据或者需要马上做出决定的情况，如一天之内需要审查500万起潜在的贸易欺诈案件；需要分析5亿条日实时呼叫的详细记录，以预测客户的流失率。

（3）多样性（Variety）。Variety指大数据有多种途径来源的关系型和非关系型数据。这也意味着要在海量、种类繁多的数据间发现其内在关联。互联网时代，各种设备通过网络连成了一个整体。进入以互动为特征的Web2.0时代，个人计算机用户不仅可以通过网络获取信息，还成为了信息的制造者和传播者。在这个阶段，不仅数据量开始了爆炸式增长，数据种类也开始变得繁多。除了简单的文本分析外，还可以对传感器数据、音频、视频、日志文件、点击流以及其他任何可用的信息进行分析。例如，在客户数据库中不仅要关注名称和地址，还包括客户所从事的职业、兴趣爱好、社会关系等。利用大数据多样性的原理就是：保留一切我们需要并对我们有用的信息，舍弃那些我们不需要的信息；发现那些有关联的数据，加以收集、分析、加工，使其变为可用的信息。

（4）价值性（Value）。Value体现出的是大数据运用的真实意义所在。其价值具有稀缺性、不确定性和多样性。“互联网女皇”Mary Meeker在2012年互联网发展趋势中，用一幅生动的图像来描述大数据。一张是整整齐齐的稻草堆，另一张是稻草中缝衣针的特写。寓意通过大数据技术的帮助，可以在稻草堆中找到你所需要的东西，哪怕是一枚小小的缝衣针。这两幅图揭示了大数据技术一个很重要的特点，即价值的稀疏性。