《信息技术与通讯原理》教学课件

信息技术与通讯原理欢迎参加《信息技术与通讯原理》课程！本课程由王教授主讲，旨在为学生提供信息技术与通信原理的全面理解作为高等教育信息技术课程的重要组成部分，我们将探索从基础概念到前沿应用的广泛知识领域第1版教材将于2025年5月正式发布，融合了最新的技术发展和研究成果通过本课程，你将掌握信息处理、通信系统和网络技术的核心原理，为未来在信息通信领域的学习和工作奠定坚实基础课程概述学习目标与预期成果通过本课程学习，学生将掌握信息技术与通信原理的核心概念，能够分析和设计基本的通信系统，理解现代网络架构，并具备解决实际问题的能力课程结构与评分标准课程分为七大部分，包括理论讲授和实践环节评分由期末考试40%、实验报告30%、课堂表现10%和项目设计20%组成学习资源与参考文献主要教材《信息技术与通讯原理》第1版，辅以国内外经典教材和最新研究论文课程网站提供补充材料和在线资源周课程安排16每周3学时，包括2学时理论和1学时实验课程按照循序渐进的原则安排，从基础概念到高级应用，确保学生系统掌握知识体系第一部分信息技术基础计算机系统架构了解现代计算机系统的组成与工作原理信息存储技术掌握各类存储介质与系统的特性数据压缩原理学习信息压缩的算法与应用数字化信息表示理解不同类型信息的数字编码方式信息的本质与处理认识信息的基本特性与处理流程信息的本质与特性信息的定义与分类信息的基本特性信息熵与度量信息是对客观事物状态、特征及其变化信息具有客观性它反映客观事物的真信息熵是信息不确定性的度量，由香农的描述，是人类认识世界的基础按照实状态；时效性信息价值随时间推移提出信息量的基本单位是比特bit，不同标准，信息可分为感觉信息、知识而变化；价值性不同信息对接收者的表示二进制的一位；字节byte等于8比信息；原始信息、加工信息；声音信价值各异此外，信息还具有共享性、特，是计算机处理信息的基本单位信息、图像信息、文本信息等多种类型传递性、系统性等特征息量的计算基于概率理论信息处理的基本过程信息的采集与输入信息的存储与管理通过各类传感器与输入设备，将自然界利用数据库系统等工具，以结构化方式的多样化信息转换为可处理的信号形式保存信息，并实现有效的组织与检索信息的处理与转换信息的传输与输出应用算法和计算方法，对原始信息进行通过通信网络传递信息，或转换为人类筛选、整合、分析与变换，提取有价值可感知的形式呈现给最终用户内容数字化信息表示二进制编码原理数字化采样与量化数字系统使用二进制（0和1）表示所有信息，这与计算机电子电路的开将连续的模拟信号转换为离散的数字信号需要两个关键步骤采样（在关特性完美匹配二进制数可通过位组合表示更复杂的数值，如8位可时间上离散化）和量化（在幅值上离散化）根据奈奎斯特采样定理，表示0-255的数值范围，构成一个字节采样频率应至少是信号最高频率的两倍常见编码标准多媒体数据表示ASCII编码使用7位二进制表示英文字符；Unicode为几乎所有语言的字音频通过PCM等方式数字化；图像通过像素矩阵表示，每个像素包含符提供统一编码；UTF-8是一种可变长度编码方式，兼容ASCII的同时RGB等色彩信息；视频则是一系列按时间排列的图像帧，常采用特定的支持多语言字符集编码格式如H.264存储数据压缩原理无损压缩技术有损压缩技术压缩评估与应用无损压缩在保证信息完全恢复的前提下有损压缩通过舍弃人类感知不明显的信压缩技术的选择需权衡压缩率与质量损减少数据量Huffman编码根据符号出息实现更高压缩率JPEG利用人眼对色失文本和程序代码通常采用无损压现频率分配可变长编码，出现频率高的彩细节敏感度较低的特性，在频域上进缩；图片、音频和视频则根据应用场景符号使用较短的编码LZW算法则通过行量化；MP3基于心理声学模型，去除使用不同程度的有损压缩近年来，基建立字典，用索引替代重复出现的字符听觉不敏感的声音成分；H.264视频编码于机器学习的神经网络压缩方法显示出串，广泛应用于ZIP、GIF等格式则综合利用时间和空间冗余巨大潜力信息存储技术早期存储媒介从打孔卡片到磁带，存储容量从几KB发展到几MB，读写速度较慢，主要用于批处理系统的数据记录磁存储时代硬盘驱动器成为主流，采用磁性材料记录数据，容量从MB发展到TB级别，具有较高的性价比和可靠性光存储发展CD、DVD和蓝光光盘通过激光读写数据，提供了便携且耐用的存储解决方案，特别适合多媒体内容分发固态存储革命基于闪存技术的SSD无机械部件，具有高速读写、低功耗和抗震特性，已成为当代计算设备的标准配置云存储时代分布式存储系统支持数据远程访问，结合虚拟化技术提供弹性扩展能力，成为大数据时代的基础设施计算机系统架构冯诺依曼结构硬件组成分布式系统·1945年由冯·诺依曼提出的经典计算机体系现代计算机系统由中央处理器CPU、随随着网络技术发展，计算机系统已从单机结构，其核心思想是指令和数据存储在同机访问内存RAM、输入/输出设备和总线演变为分布式架构多台计算机通过网络一内存空间中这种架构包括运算器、控系统组成CPU负责指令执行和数据处协同工作，共享资源，提高性能和可靠制器、存储器、输入设备和输出设备五大理，内存提供临时存储，I/O设备实现与外性云计算、集群计算和网格计算是典型部分，奠定了现代计算机的基础部环境的交互，总线则连接各个组件的分布式系统实现方式第二部分通信原理基础信号与系统掌握信号表示与分析的基本方法模拟通信基础理解调幅、调频等传统通信技术数字通信基础学习现代数字调制与传输技术信道编码与纠错研究提高通信可靠性的编码方法多路复用技术了解高效利用通信资源的多路复用方案通信系统基本模型信息源与信息接收者信息源是通信的起点，可以是语音、数据或视频等；而信息接收者是通信的终点，负责接收并理解传输的信息两者之间的信息交换是通信系统的根本目的编码器与解码器编码器将信息源产生的消息转换为适合在信道中传输的信号；解码器则在接收端将接收到的信号转换回原始信息编解码过程直接影响通信系统的效率和可靠性通信信道与噪声信道是信号传输的媒介，可以是铜线、光纤或无线空间；噪声则是信道中不可避免的干扰，包括热噪声、量化噪声和干扰信号等，是通信系统设计必须考虑的关键因素Shannon-Weaver模型这一经典模型由Claude Shannon和Warren Weaver于1949年提出，将通信过程抽象为信息源、发送器、信道、接收器和目的地五个环节，为现代通信理论奠定了基础信号与系统信号类型与特性时域与频域分析系统特性与处理信号可分为连续时间信号和离散时间信时域分析关注信号随时间的变化，直观线性时不变LTI系统是信号处理的重要号连续信号在时间上连续变化，如自但难以揭示频率特性；频域分析则将信研究对象，具有叠加性和时移不变性然界的声音；离散信号则只在特定时间号分解为不同频率分量的组合，通过频卷积是LTI系统中输入与系统单位冲激响点有定义，如数字采样后的数据此谱表示信号特征二者是同一信号的不应的数学运算，决定了系统输出滤波外，信号还可根据确定性和随机性、周同表现形式，可通过傅里叶变换相互转器则是通过抑制或增强特定频率成分实期性等特性进行分类换现信号处理的系统模拟通信基础模拟通信是将信息调制到载波信号上实现远距离传输的技术调幅AM通过改变载波振幅传递信息，实现简单但抗噪声能力较弱；调频FM则通过改变载波频率承载信息，具有更强的抗干扰性能；调相PM通过载波相位变化表示信息，与FM有类似特性模拟调制技术的关键指标包括带宽占用、功率效率和抗噪声性能一般而言，AM的频谱效率较高但对噪声敏感，FM和PM需要更宽带宽但具有更好的信噪比尽管数字通信已成为主流，模拟技术仍在广播和特定场景中发挥重要作用数字通信基础数字调制技术带宽效率与可靠性码元与传输速率数字调制是将离散的数字信息映射到模拟数字通信系统的性能主要通过带宽效率码元是数字通信中的基本信号单位，每个载波上的过程基本方式包括幅移键控（比特/秒/赫兹）和可靠性（误码率）评码元可携带一个或多个比特码率表示每ASK通过改变载波幅度表示1和0；频移估更复杂的调制方式如高阶QAM可提高秒传输的码元数量，而比特率则是每秒传键控FSK使用不同频率表示不同比特；相带宽效率，但对信噪比要求更高香农容输的比特数高阶调制技术可在相同码率移键控PSK改变载波相位；正交幅度调量定理给出了在给定信噪比条件下可靠通下实现更高的比特率，但同时也增加了系制QAM则同时利用振幅和相位，提高频信的理论极限统复杂度和误码率谱效率信道编码与纠错信息论基础奈奎斯特准则指出，理想带宽为B的信道的最大码元速率为2B香农定理进一步确立了有噪声信道的容量上限C=B log₂1+S/N，其中S/N为信噪比这两个定理为通信系统设计提供了理论基础差错检测码校验和Checksum通过对数据进行简单加和运算，用于检测传输错误；循环冗余校验CRC利用多项式除法生成校验位，检测能力更强，广泛应用于各类数据通信和存储系统差错检测技术通常需要配合自动重传请求ARQ机制使用前向纠错码前向纠错FEC技术允许接收方在不请求重传的情况下纠正错误卷积码通过将输入比特序列与特定生成多项式进行卷积运算生成冗余信息；Turbo码通过并行级联的编码器和迭代解码实现接近香农限的性能抗干扰技术交织技术将相邻比特分散排列，使突发性错误转变为随机错误，便于纠错码处理在频谱扩展技术中，直接序列扩频和跳频技术通过增加信号带宽提高抗干扰能力，在军事通信和蜂窝移动通信中广泛应用多路复用技术时分复用TDM频分复用FDM将时间划分为周期性的时隙，每个用户在指定时隙内传输数据应用于数字电将可用频带分为多个子频带，每个用户话系统和计算机网络占用一个子频带进行通信常用于广播系统和早期电话网络码分复用CDM用户使用唯一的编码序列在同一频带同时传输，通过相关运算分离信号3G移动通信的核心技术空分复用SDM波分复用利用多天线系统在空间维度复用信号，WDM如MIMO技术现代无线通信提高容量在光纤中同时传输多个不同波长的光信的重要手段号，显著提高光纤容量现代光通信网络的关键技术第三部分计算机网络基础网络概念与架构网络协议模型局域网技术了解计算机网络的基本定义、功能深入理解OSI七层参考模型与掌握以太网工作原理与演进历程，与分类，掌握网络性能评估指标，TCP/IP协议族，明确各层次的功理解媒体访问控制方法，学习交换认识不同网络拓扑结构的特点与应能划分与协议实现，把握协议栈的机与虚拟局域网的配置与管理用场景整体工作机制广域网技术网络互连与路由研究电路交换与分组交换的区别，了解广域网通信技术的学习各类互连设备的功能与选择，掌握路由选择算法的基发展趋势，认识软件定义网络的创新理念本原理，理解典型路由协议的工作机制计算机网络概述534网络拓扑结构网络分类关键性能指标常见拓扑包括总线型、星型、环型、树型和按覆盖范围可分为局域网LAN、城域网带宽数据传输率、时延传输延迟、吞吐量网状拓扑，每种结构有其独特的可靠性和扩MAN和广域网WAN，从几百米到全球范实际数据传输率和丢包率共同决定网络质量展性特点围不等计算机网络是由多台计算机及相关设备通过通信设施连接而成的系统，实现资源共享和信息交换的目的网络的主要功能包括数据通信、资源共享、分布式处理和可靠性保障等随着技术发展，网络已从简单的计算机互连发展为复杂的信息基础设施，支撑着现代社会的各个方面七层参考模型OSI模型架构OSI参考模型由国际标准化组织ISO于1984年提出，将网络通信分为七个独立的功能层次物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层每层都有明确的功能定义和服务接口，实现了网络设计的模块化和标准化层次功能物理层定义物理介质和信号特性；数据链路层负责相邻节点间可靠传输；网络层实现路由选择和数据转发；传输层提供端到端可靠连接；会话层管理对话和同步；表示层处理数据格式转换；应用层为用户提供网络服务接口协议实现各层协议实例包括物理层的RS-

232、以太网标准；数据链路层的HDLC、PPP、

802.3；网络层的IP、ICMP；传输层的TCP、UDP；会话层的NETBIOS、RPC；表示层的ASN.1；应用层的HTTP、FTP、SMTP等尽管完整OSI实现较少，但其概念模型对网络技术发展影响深远协议族TCP/IP协议架构核心协议与IPv4IPv6TCP/IP协议族是互联网的核心协议栈，网际层的IP协议提供无连接的数据报服IPv4使用32位地址，格式为点分十进采用四层结构网络接口层、网际层、务，负责寻址和路由；传输层的TCP提制；IPv6则采用128位地址，以冒号十六传输层和应用层相比OSI模型更为简洁供可靠的面向连接服务，UDP则提供简进制表示IPv6除了扩大地址空间外，实用，已成为全球网络通信的事实标单的无连接服务；应用层包含HTTP、还简化了报头格式，增强了QoS支持，准其设计初衷是实现异构网络互连和FTP、SMTP、DNS等协议，直接服务于并原生集成了安全机制由于地址耗端到端通信的可靠性各类应用每层协议都有明确的接口定尽，IPv4到IPv6的过渡是当前网络发展义和功能分工的重要任务局域网技术以太网基本原理以太网是当今最主要的局域网技术，基于IEEE

802.3标准从最初的10Mbps共享介质发展到现在的千兆、万兆甚至更高速率，采用星型拓扑结构，使用双绞线或光纤作为传输介质CSMA/CD访问控制早期共享介质以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD机制工作步骤包括发送前侦听、检测冲突、退避重传在交换式以太网中，全双工通信使冲突不再发生，但CSMA/CD机制仍保留在标准中交换机工作原理以太网交换机通过MAC地址表实现高效数据转发，每个端口可视为独立冲突域交换机支持存储转发、直通转发等多种模式，通过自学习建立MAC地址与端口的映射关系，减少广播域内的无效流量虚拟局域网技术VLAN技术通过在交换机中配置逻辑划分，将一个物理网络分隔为多个广播域IEEE

802.1Q标准定义了帧格式，在原以太网帧中插入4字节VLAN标签VLAN提高了网络安全性和灵活性，是企业网络的基础技术广域网技术交换技术基础传统技术新一代技术WAN电路交换建立专用物理通路，适合持续帧中继Frame Relay通过虚电路提供可多协议标签交换MPLS在分组上附加标通信；分组交换将数据分成小包独立传变带宽服务，简化协议栈提高性能；异签，通过标签交换实现快速转发，支持输，提高线路利用率分组交换又分为步传输模式ATM采用固定53字节信流量工程和VPN服务；软件定义网络数据报和虚电路两种服务，各有优势元，支持不同业务质量需求，曾是宽带SDN分离控制平面和数据平面，通过现代网络多采用分组交换技术，但特定综合业务网的核心技术这些技术在互集中控制器管理网络；网络功能虚拟化应用如实时语音可能仍需电路交换特联网普及前为企业广域网提供了重要支NFV将网络设备功能软件化，提高网络性持灵活性和可扩展性网络互连设备中继器与集线器中继器工作在物理层，主要功能是放大信号，扩展网络覆盖范围，但不能隔离冲突域；集线器是多端口中继器，采用广播方式转发数据，所有端口共享带宽这些设备在现代网络中已很少使用，但理解其工作原理有助于把握网络发展历程网桥与交换机网桥和交换机工作在数据链路层，根据MAC地址表进行数据帧转发网桥通常只有两个端口；交换机则有多个端口且每端口可独立工作它们可以隔离冲突域，提高网络效率，并支持VLAN等高级功能，是现代局域网的核心设备路由器路由器工作在网络层，根据目的IP地址和路由表转发数据包它不仅隔离冲突域，还隔离广播域，实现不同网络的互联现代路由器集成了防火墙、NAT、QoS等多种功能，是互联网的关键基础设施网关与防火墙网关可工作在传输层及以上，实现不同协议族之间的转换；防火墙则是特殊的安全设备，通过访问控制、状态检测和应用层过滤保护网络安全随着功能融合，现代设备如综合业务网关常集成了路由、交换、防火墙等多种功能于一体路由选择原理第四部分无线通信技术蜂窝移动通信无线通信基本原理理解从2G到5G的技术演进路径掌握电磁波传播特性和天线理论基础无线局域网学习IEEE

802.11系列标准及应用卫星通信系统物联网通信掌握卫星通信与定位的基本原理了解面向物联网的低功耗通信技术无线通信基本原理电磁波传播特性无线通信基于电磁波传播，频率从数千赫兹到数百吉赫兹电磁波在传播过程中受到自由空间损耗、多径衰落、衍射、散射等影响，导致信号强度衰减和质量下降不同频段的电磁波具有不同的传播特性，如高频波直线传播但穿透能力弱，低频波则可绕过障碍物但带宽有限无线信道特征无线信道具有时变性、随机性和空间相关性，是一个复杂的随机过程阴影衰落和快速衰落是两种主要的衰落现象，前者由大尺度障碍物造成，后者则由多径效应导致克服无线信道衰落的技术包括分集接收、均衡器、MIMO技术等，这些是现代无线系统的关键组成部分天线系统天线是电磁波与电信号间的转换装置，其性能直接影响通信质量关键参数包括增益、方向性、带宽和极化方式常见类型有全向天线、定向天线、智能天线和相控阵列等现代无线系统中，多天线技术如MIMO已成为提高频谱效率和系统容量的重要手段蜂窝移动通信系统2G GSM/CDMA4G LTE/LTE-A数字语音服务，基于TDMA或CDMA技术，

9.6-

14.4kbps数据全IP分组交换网络，采用OFDMA技术，100Mbps-1Gbps数速率，实现了短信等简单数据服务据速率，实现高清视频流和云服务12343G WCDMA/CDMA20005G NR多媒体移动通信，基于宽带CDMA技术，384kbps-2Mbps数超高速低延时网络，采用大规模MIMO和毫米波技术，据速率，支持视频通话和移动互联网10Gbps峰值速率，支持物联网和垂直行业应用蜂窝网络的核心思想是将覆盖区域分为多个小区，实现频率复用提高系统容量移动性管理包括位置更新和切换控制，确保用户在移动过程中保持连接5G的关键技术包括Massive MIMO（大规模多入多出天线系统）、毫米波通信、边缘计算和网络切片，支持增强移动宽带、超可靠低延时通信和大规模机器通信三大场景无线局域网技术标准发布年份工作频段最大速率关键技术

802.11a19995GHz54Mbps OFDM

802.11b

19992.4GHz11Mbps DSSS

802.11g

20032.4GHz54Mbps OFDM

802.11n

20092.4/5GHz600Mbps MIMO,40MHz带宽

802.11ac20135GHz

6.93Gbps MU-MIMO,160MHz带宽

802.11ax Wi-Fi

620192.4/5GHz

9.6Gbps OFDMA,1024-QAM

802.11ax Wi-Fi6E

20202.4/5/6GHz

9.6Gbps6GHz新频段IEEE

802.11是无线局域网WLAN的国际标准，通常称为Wi-FiWLAN采用CSMA/CA机制避免冲突，包含分布式协调功能DCF和点协调功能PCF两种访问机制基本服务集BSS是WLAN的基本构建单元，可组成基础结构型网络或自组织网络Wi-Fi6/6E引入了OFDMA技术提高频谱利用率，目标唤醒时间TWT降低功耗，上行MU-MIMO提高容量，1024-QAM增加单流速率WLAN安全从早期的WEP发展到WPA3，采用更强的加密和认证机制，有效防止中间人攻击和密码破解物联网通信技术LPWAN技术低功耗广域网LPWAN技术特点是覆盖范围广、功耗低和成本低，适合大规模物联网部署LoRa采用扩频技术，通信距离可达15公里；NB-IoT基于蜂窝网络，与现有基站集成，提供更好的室内覆盖；SigFox使用超窄带技术，实现低成本广域覆盖这些技术在智慧城市、物流追踪等场景有广泛应用短距离通信技术蓝牙

5.0提供低功耗、高速率和远距离三种模式，最大速率可达2Mbps，覆盖范围提升四倍；ZigBee基于IEEE

802.

15.4标准，具有自组织、低功耗特点，最大传输速率250kbps，主要用于智能家居；Z-Wave是另一种智能家居无线协议，工作在900MHz频段，抗干扰能力强，但速率较低RFID与NFC技术射频识别RFID分为无源、半无源和有源三类，工作频段包括低频、高频和超高频，通信距离从几厘米到数十米不等；近场通信NFC工作在

13.56MHz，通信距离通常在10厘米以内，广泛应用于移动支付和智能门禁这两种技术为物联网提供了物品标识和简易交互能力传感器网络协议无线传感器网络WSN通常采用特定的通信协议栈IEEE

802.

15.4定义了物理层和MAC层；6LoWPAN实现IPv6与低功耗设备的连接；RPL是物联网路由协议；CoAP是轻量级的HTTP替代方案，适用于资源受限设备这些协议共同构成了物联网的通信基础卫星通信系统卫星轨道类型链路设计与预算卫星定位与导航地球同步轨道GEO卫星位于赤道上空35786卫星通信链路预算考虑发射功率、天线增益、全球定位系统通过测量用户接收机到多颗卫星公里处，相对地球静止，一颗可覆盖近1/3地自由空间损耗、大气衰减和接收灵敏度等因的距离来确定位置美国GPS使用24+颗球表面，但传输延迟约为250毫秒；中轨道素上行链路地面到卫星通常在较高频段，MEO卫星，定位精度约10米；中国北斗系统MEO卫星位于2000-35786公里间，周期需更大功率；下行链路卫星到地面则在较低采用三种轨道卫星组合，提供全球服务；俄罗为数小时，主要用于导航系统；低轨道LEO频段频率配置常见的有C波段4-8GHz、斯GLONASS和欧盟Galileo分别有24颗和30卫星位于500-2000公里，周期约90分钟，Ku波段12-18GHz和Ka波段26-40GHz，颗卫星，构成完整的全球导航系统多系统兼具有低延迟特性，适合通信和观测高频带提供更大带宽但受天气影响更大容接收机可显著提高定位精度和可靠性第五部分网络安全与隐私保护网络安全基础1掌握信息安全基本原则与风险评估方法密码学基础2学习加密算法与数字签名等核心技术网络安全协议3理解安全通信协议的设计与实现身份认证与访问控制掌握身份验证和权限管理的方法网络攻防技术了解常见攻击手段与防御策略数据隐私保护研究个人信息保护法规与技术措施网络安全基础完整性机密性保证信息在存储和传输过程中不被篡改，通过散列函数和数字签名验证信息篡改确保信息只能被授权用户访问，通过加密2会破坏系统可信度技术和访问控制实现未授权访问会导致1信息泄露可用性确保系统和信息能够正常访问使用，通过3冗余设计和容灾恢复实现拒绝服务攻击直接威胁可用性不可否认性5认证性确保行为主体不能否认已执行的操作，通过数字签名和审计日志实现保障电子交4验证通信各方身份的真实性，通过密码、易和通信的法律效力证书等机制实现身份欺骗会导致越权访问和责任混淆网络安全风险评估是识别威胁和漏洞、分析影响程度和发生概率、确定风险级别的系统化过程常用方法包括定性分析、定量分析和半定量分析防护层次包括物理安全、网络安全、系统安全、应用安全和数据安全，构成纵深防御体系密码学基础对称加密算法非对称加密算法数字签名与证书对称加密使用相同的密钥进行加密和解非对称加密使用一对密钥公钥加密，哈希函数如MD

5、SHA家族将任意长度密数据加密标准DES采用56位密私钥解密RSA基于大整数分解难题，消息映射为固定长度摘要，用于完整性钥，现已不安全；三重DES通过多次加安全性随密钥长度增加；椭圆曲线密码验证；数字签名是私钥加密的消息摘密提高安全性；高级加密标准AES支持ECC基于椭圆曲线离散对数难题，在要，提供认证和不可否认性；PKI体系通128/192/256位密钥，目前广泛应用对相同安全级别下密钥更短非对称加密过证书颁发机构CA为公钥提供信任背称加密速度快，适合大量数据处理，但解决了密钥分发问题，但计算开销大，书，X.509是主要的证书标准，包含身份密钥分发是主要挑战通常与对称加密结合使用信息、公钥和签名等网络安全协议SSL/TLS协议保护应用层通信安全，通过握手过程协商安全参数并验证身份，随后使用会话密钥加密数据传输TLS

1.3简化握手流程，提高性能和安全性，已广泛应用于HTTPS和安全电子邮件等场景IPSec协议族工作在网络层，包括认证头AH和封装安全载荷ESP两个主要协议，可在传输模式或隧道模式下运行VPN技术通过建立加密隧道实现安全远程访问和站点连接，主要实现方式包括IPSec VPN、SSL VPN和PPTP/L2TP等安全多方计算允许多个参与方在不泄露各自输入数据的前提下共同计算函数，如同态加密和零知识证明等技术支持隐私保护计算，在分布式机器学习和数据共享中有重要应用身份认证与访问控制身份认证因素访问控制模型身份认证基于你知道的（如密码、PIN）、你拥有的（如智能卡、手机）和自主访问控制DAC允许资源所有者自行定义访问权限；强制访问控制MAC你是什么（如指纹、面部特征）三类因素多因素认证MFA结合两种或以上根据系统安全策略控制访问；基于角色的访问控制RBAC通过用户角色分配权不同类型因素，显著提高安全性新型认证技术如行为生物识别基于用户独特限；基于属性的访问控制ABAC根据用户、资源、操作和环境属性动态评估访行为模式，可实现持续验证问决策，更具灵活性身份管理技术零信任架构单点登录SSO允许用户通过一次认证访问多个服务，如SAML、OAuth和零信任安全模型基于永不信任，始终验证原则，摒弃传统网络边界防护观念OpenID Connect等实现方式；联合身份管理使不同组织间用户身份互认；特权核心理念包括最小权限原则、微分段、持续认证和验证、全面加密和全程监访问管理PAM控制和监控管理员账户访问，防止内部威胁；用户生命周期管控实施路径包括身份为中心、网络为中心和资源为中心三种方法，需与现有理确保身份创建、变更和注销的一致性和自动化安全架构逐步融合网络攻防技术常见网络攻击手段恶意软件包括病毒、蠕虫、特洛伊木马和勒索软件；网络入侵包括扫描、嗅探和中间人攻击；社会工程学攻击如钓鱼和伪装；OWASP Top10涵盖注入、认证缺陷等主要Web漏洞；高级持续性威胁APT具有目标明确、周期长和技术复杂等特点防御系统与技术防火墙从包过滤发展到下一代防火墙；入侵检测系统分为基于特征和基于异常两类；入侵防御系统能主动阻断攻击；安全信息与事件管理SIEM系统集中收集和分析安全事件；终端检测与响应EDR和扩展检测与响应XDR提供更全面的威胁检测和响应能力DDoS攻击与防御DDoS攻击类型包括容量型、应用层和协议漏洞攻击；防御措施包括流量清洗、CDN分发、弹性扩容和应用层保护；防御部署位置包括设备端、网络端和云端；实时监测和智能分析是有效防御的关键，需结合攻击特征和流量行为模式安全审计与应急响应安全审计通过日志收集和分析监控网络活动；安全评估方法包括漏洞扫描、渗透测试和代码审计；应急响应计划包括准备、检测、控制、根除和恢复五个阶段；事件响应团队CERT/CSIRT负责协调安全事件处理，确保业务连续性和损失最小化数据隐私保护46隐私保护法规个人数据类别全球主要隐私法规包括欧盟GDPR、美国CCPA、从一般个人信息到敏感数据如生物特征、健康记中国个人信息保护法等，规范个人数据收集和处理录，法规对不同类别数据有不同保护要求3数据主体权利现代隐私法赋予数据主体访问、更正、删除、限制处理等多项权利，组织必须保障这些权利隐私增强技术PET是保护个人数据隐私的专用工具和方法匿名化技术通过删除或替换标识信息使数据无法关联到特定个人；加密技术在授权用户之外使数据不可读；数据最小化原则要求只收集必要的个人数据；隐私设计Privacy byDesign将隐私保护融入系统设计全过程差分隐私是一种数学框架，通过向数据添加精心设计的噪声，实现数据分析的同时保护个体隐私联邦学习允许多方在不共享原始数据的情况下协作训练机器学习模型，只交换模型参数这些技术在隐私保护数据分析和机器学习中具有广阔应用前景第六部分新兴技术与应用云计算技术边缘计算人工智能与机器学习大数据处理技术研究云服务模型与虚拟化技了解边缘节点分布式部署原掌握机器学习和深度学习基学习分布式存储与计算框架，术，掌握多云与混合云部署策理，学习边云协同机制，掌握础，理解分布式AI系统架构，理解流处理与批处理模型，掌略，适应分布式计算环境下的边缘智能应用设计方法探索AI在通信与网络中的创新握大数据分析与可视化方法应用开发应用区块链技术量子通信了解区块链工作原理与共识机认识量子力学在通信中的应制，掌握智能合约开发基础，用，了解量子密钥分发原理，探索在通信与信息安全领域的展望量子互联网的发展前景应用云计算技术软件即服务SaaS提供完整应用，用户无需关心底层实现平台即服务PaaS提供开发运行环境，简化应用部署基础设施即服务IaaS提供虚拟计算资源，用户自行配置云计算是通过网络提供可扩展的计算资源的服务模式虚拟化技术是云计算的核心，包括计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化，允许在同一物理资源上运行多个虚拟实例，提高资源利用率容器技术相比传统虚拟机更轻量化，微服务架构则将应用拆分为可独立部署的小型服务，两者结合成为现代云原生应用的标准架构多云战略指企业同时使用多个云服务提供商，避免供应商锁定并优化性能与成本；混合云则结合私有云和公共云的优势，敏感数据留在私有环境，同时利用公共云的弹性和扩展性云安全挑战包括数据保护、访问控制、合规性和供应链风险，需要全面的安全架构设计边缘计算边缘计算架构工作负载分配边云协同与智能边缘计算将计算能力部署在靠近数据源边缘节点上的资源有限，需要智能调度边云协同是将边缘计算与云计算优势结的网络边缘，减少数据传输延迟和带宽决定任务在边缘和云端的分配计算卸合的范式，实现资源互补和能力协作占用典型架构包括设备边缘终端设备载策略考虑任务的延迟敏感度、计算需典型架构包括数据平面实时处理、控制本地计算、网络边缘如基站、路由器的求和能耗；数据过滤与聚合在边缘进平面策略执行和管理平面统一管理计算能力和区域边缘小型数据中心三行，降低向云端传输的数据量；边缘智AI模型可在云端训练后部署到边缘，也个层次边缘计算适用于需要实时响能调度可根据应用特性、网络状况和资可采用联邦学习实现分布式训练，平衡应、大量数据生成和网络连接不稳定的源可用性动态决策隐私保护和模型性能场景人工智能与机器学习机器学习基础深度学习架构机器学习是AI的核心技术，通过从数据中学习规律而非显式编程实现深度学习基于多层神经网络实现强大的表示学习能力卷积神经网络智能主要类型包括监督学习如分类和回归、无监督学习如聚类和CNN擅长处理图像数据；循环神经网络RNN和长短期记忆网络降维、半监督学习和强化学习特征工程、模型选择、训练优化和评LSTM适合序列数据；Transformer架构通过自注意力机制实现并行估是机器学习流程的关键环节处理，在自然语言处理和计算机视觉领域取得突破性进展分布式AI系统通信领域应用大规模AI系统需要分布式训练和推理框架数据并行、模型并行和流AI在通信领域有广泛应用网络优化如自适应路由和智能资源分配；水线并行是主要的分布式训练策略；参数服务器和环型架构是常见的网络安全如异常检测和威胁识别；信号处理如信道估计和干扰消除；系统架构；通信优化包括梯度压缩、异步更新和局部敏感哈希等技智能天线和大规模MIMO；基于AI的编解码技术等端到端的智能无线术，有效缓解通信瓶颈通信系统是未来研究的重要方向大数据处理技术大数据特征大数据的6V特征包括Volume体量－数据规模巨大；Velocity速度－数据产生和处理速度快；Variety多样性－数据类型和形式多样；Veracity真实性－数据可靠性和准确性；Value价值－数据包含有用信息；Variability可变性－数据含义和解释随上下文变化这些特征对传统数据处理技术提出挑战分布式存储与计算分布式文件系统如HDFS提供可扩展的数据存储；NoSQL数据库如MongoDB、Cassandra适合处理非结构化数据；NewSQL数据库则兼顾可扩展性和事务支持MapReduce模型将计算拆分为映射和规约两个阶段；Spark通过内存计算加速处理；Flink提供统一的批处理和流处理框架这些技术共同构成大数据处理的基础架构数据处理模式批处理模式处理静态数据集，如定期报表生成；流处理模式实时处理持续产生的数据流，如传感器数据分析；Lambda架构结合两者优势，通过批处理层保证结果准确性，速度层提供实时近似结果；Kappa架构则将所有数据视为流进行处理，简化系统架构选择合适的处理模式需考虑时效性、准确性和复杂度分析与可视化大数据分析方法包括描述性分析了解发生了什么、诊断性分析为什么发生、预测性分析可能发生什么和指导性分析应该怎么做数据可视化将复杂数据转化为直观图形，帮助发现模式和趋势交互式仪表板、时间序列图、关系图和地理空间可视化是常用的展示方式，支持决策者深入理解数据区块链与分布式账本区块链工作原理共识算法智能合约与应用区块链是一种分布式账本技术，通过密码学和共识算法是区块链的核心组件，确保分布式网智能合约是自动执行的程序，当满足预定条件共识机制确保数据不可篡改每个区块包含多络达成一致工作量证明PoW通过解决计时触发相应操作以太坊是最早支持智能合约个交易记录、前一区块的哈希值和时间戳，形算难题验证交易，安全但能耗高；权益证明的公链平台，Solidity是主要开发语言区块成链式结构区块链分为公有链如比特币、PoS根据持有代币量确定验证权，节能但可链在通信领域的应用包括分布式身份管理、联盟链和私有链，根据应用场景和权限管理需能导致富者更富；授权权益证明DPoS通过安全凭证分发、网络资源交易、数据共享和物求选择去中心化、透明性和不可篡改性是区投票选举受托人，提高效率；实用拜占庭容错联网设备管理等这些应用提高了系统透明度块链的核心特性PBFT适用于联盟链，具有高吞吐量但节点和参与者间的信任扩展性有限量子通信量子力学基础量子通信基于量子力学原理，如叠加态、量子纠缠和测量坍缩，这些特性使量子信息处理与经典信息处理有本质区别量子密钥分发QKD利用量子不可克隆定理和测量干扰原理实现安全密钥分发，如BB84协议可检测窃听行为量子纠缠与隐形传态量子纠缠使两个粒子状态关联，即使相距遥远；量子隐形传态利用纠缠实现量子态的远程传输量子互联网展望未来量子互联网将连接量子计算机和传感器，支持分布式量子计算和超安全通信量子通信技术正从实验室走向实用化中国科学家在2016年发射了世界首颗量子科学实验卫星墨子号，实现了千公里级的量子密钥分发和量子纠缠分发地面光纤量子通信网络也取得重要进展，建成了多个城际量子保密通信网络当前量子通信面临的挑战包括量子存储器开发、量子中继器实现、抗噪声能力提升以及与现有通信网络的兼容性等第七部分信息通信产业与应用产业生态网络规划与优化了解信息通信产业链结构与价值分配，掌握全球市场趋势与商学习通信网络规划流程与方法论，掌握容量规划与质量保障技业模式创新，认识标准化组织与技术规范的重要性术，理解网络演进路径与升级策略制定方法应用案例分析技术发展趋势研究典型行业应用如智慧城市、工业互联网、车联网和远程医展望6G网络愿景与关键技术，了解全息通信与沉浸式体验技疗等，分析不同场景下的技术需求与解决方案术，认识空天地一体化网络的构建思路和绿色通信的发展方向信息通信产业生态通信网络规划与优化需求分析网络设计1明确业务需求与服务质量目标，预测流量增长确定网络架构与拓扑，进行设备选型与容量规趋势，制定网络规划约束条件划，制定地址分配与路由策略网络优化部署实施4性能监测与分析，参数调整与故障排除，容量硬件安装与软件配置，系统集成与互通测试，扩展与升级改造试运行与问题修正容量规划是网络建设的核心环节，包括流量预测、链路利用率控制和容量冗余设计业务质量保障涉及服务等级协议SLA制定、QoS实现机制和端到端性能监控现代网络规划工具结合人工智能和自动化技术，提高规划精确度和效率网络优化是一个持续过程，主要包括性能指标收集、问题分析诊断和优化方案实施三个步骤常见优化手段包括流量工程、负载均衡、拥塞控制和协议参数调优网络规划与优化过程需要考虑技术可行性、经济合理性和业务可持续性，平衡当前需求与未来发展行业应用案例分析应用领域关键通信需求技术挑战解决方案智慧城市大规模物联网连接设备能耗与覆盖NB-IoT/LoRa+边缘计算工业互联网超可靠低时延通信确定性传输保障5G URLLC+TSN网络车联网高速移动环境通信频繁切换与安全保C-V2X+MEC架构障远程医疗高清视频与实时控服务质量与隐私保专用5G网络+端到制护端加密智慧城市通信基础设施支撑智能交通、环境监测、公共安全等多个领域典型应用包括智慧路灯控制系统、市政设施监控和智慧停车管理关键技术包括异构网络融合、大规模低功耗连接和城域物联网平台挑战在于设备管理复杂性、数据处理能力和长期运维成本控制工业互联网要求通信网络具备高可靠性、低延时和确定性保障工厂内的工业控制网络逐步从传统现场总线向工业以太网和无线技术过渡5G技术与时间敏感网络TSN结合，为工业控制提供有力支撑远程医疗和车联网等应用则对通信稳定性和安全性提出更高要求，需要专用网络切片和多层次安全防护信息通信技术发展趋势网络愿景全息通信与沉浸式体验融合网络与可持续发展6G6G网络预计2030年左右商用，峰值速率可达全息通信将实现三维立体视频交互，支持远程空天地一体化网络通过卫星、高空平台和地面1Tbps，毫秒级端到端延迟，连接密度提升10呈现和协作；扩展现实XR技术融合虚拟与系统协同，实现全球无缝覆盖低轨卫星星座倍关键技术包括太赫兹通信、智能反射面、现实，创造沉浸式体验环境；脑机接口和触觉如Starlink将成为互联网接入的重要补充绿轨道角动量复用、集成感知与通信等6G将互联网进一步拓展人机交互维度，带来感官全色通信成为行业焦点，通过智能休眠、能效优从连接人扩展到连接智能体，支持数字孪方位的通信体验这些技术对网络带宽、实时化、可再生能源利用等技术降低能耗通信设生、全息通信和情境感知服务，实现物理世界性和同步精度提出极高要求，推动通信网络向备的循环设计和材料创新也是可持续发展的重与数字世界的深度融合更高能力演进要方向课程总结与展望课程知识点回顾本课程系统讲解了信息技术与通信原理的核心概念，包括信息处理基础、通信系统原理、计算机网络、无线通信技术、网络安全、前沿技术以及产业应用，构建了完整的知识架构2学习方法与技巧理论与实践相结合，建立概念联系，多进行实验验证，保持技术敏感度，关注学术前沿与行业动态，参与开源项目和技术社区，培养自主学习能力职业发展路径信息通信行业提供多样化的职业选择，包括网络工程师、系统架构师、安全专家、产品经理、研发工程师和技术咨询等了解不同岗位的能力要求和发展路径，有针对性地规划职业成长终身学习与持续进步信息通信技术快速迭代，要建立持续学习习惯，关注前沿趋势，积极参与业界交流，保持知识更新和技能提升，以适应行业变化和个人成长需求《信息技术与通讯原理》课程旨在为学生打造坚实的知识基础，培养解决实际问题的能力我们期待同学们在未来的学习和工作中不断探索和创新，为信息通信领域的发展贡献力量！。