新一代信息技术导论（微课版）课件 龚啓军第9章 如影随形-云计算；第10章 天地握手-现代通信技术

第9章如影随形—云计算CONTENTS目录9.1云计算的概念与特征9.2云计算的关键技术9.3云计算技术的应用初识云计算9.19.1.1云计算产生的背景1．经济方面（1）全球经济一体化后危机时代加快了全球经济一体化的发展速度。实践证明，国家和地区的区位优势和比较优势可以促使全球合作寻租的兴起，从而更好地实现优势互补。另外，基于成本考虑，价值链上的协作者会自发整合相关资源；基于效率考虑，协同效应需要弹性的业务流程支持，对成本和效率的需求进一步催化了云计算的发展。（2）日益复杂的世界和不可确定性在复杂的世界面前，不确定因素在更快、更多地涌现，计划跟不上变化，任何一台精于预测的计算机也无法准确预测未来。（3）需求是云计算发展的动力IT设施要成为社会基础设施，现在面临高成本的瓶颈。这些成本至少包括人力成本、资金成本、时间成本、使用成本、环境成本等。云计算带来的益处是显而易见的：用户不需要专门的IT团队，也不需要购买、维护、安放有形的IT产品，可以低成本、高效率、随时按需服务；云计算服务提供商可以极大提高资源（硬件、软件、空间、人力、能源等）的利用率和业务响应速度，有效聚合产业链。2．社会方面（1）数字一代的崛起未来的世界在网上，世界的未来在云中。截至2022年6月，中国网民规模为10.51亿人，较2021年12月新增网民1919万人，互联网普及率达74.4%。网民人均每周上网时长为29.5h，使用手机上网的比例达99.6%。中国拥有超大规模的社会化媒体内容的贡献者，他们使用博客、微博、社区、视频和图片分享等形式，更依赖于在线交流。云计算为数字一代消费者提供了良好的服务。（2）消费行为的改变“互联网+”已成为“云时代”天空下璀璨的一颗星。对消费市场参与者而言，基于互联网平台，利用信息通信技术，把互联网和包括传统行业在内的各行各业结合起来，在新的领域创造一种新的生态，就成为一种必然选择。3．技术方面（1）技术成熟技术是云计算发展的基础。首先是云计算自身核心技术的发展，主要包括硬件技术、虚拟化（计算虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化、桌面虚拟化、应用虚拟化）技术、海量存储技术、分布式并行计算技术、多租户架构技术、自动管理与部署技术等；其次是云计算赖以存在的移动互联网技术的发展，主要包括高速大容量网络、无处不在的接入、灵活多样的终端、集约化的数据中心、万维网（WorldWideWeb，Web）技术等。（2）企业IT的成熟和计算能力过剩需求的波动性使得按峰值设计建设的IT资源中存在大量的闲置资源。企业内部的资源平衡带来私有云需求，外部的资源协作促进公有云的发展。商业模式是云计算的内在要求，是用户需求的外在体现，而且云计算为这种特定商业模式提供了现实可能性。从商业模式看，云计算的主要特征是以网络为中心、以服务为产品、按需使用和付费，这些特征对传统的用户自建基础设施、购买有形产品或介质、一次性买断模式等是一个颠覆性的革命。9.1.2云计算的演进历程电厂模式网格计算模式云计算模式效用计算模式1．电厂模式阶段有人说电厂模式就好比利用电厂的规模效应来降低电价，并让用户使用方便，且无须维护和购买任何发电设备，这个比喻很好。云计算就是这样一种规模计算模式，通过将大量的分散资源集中起来，进行规模化管理，从而降低成本，方便用户使用。2．效用计算模式阶段在1960年左右，当时计算设备的价格是非常高昂的，远非普通企业、学校和机构所能承担，所以很多人产生了共享计算资源的想法。1961年，麦肯锡在一次会议上提出了“效用计算”的概念，其核心借鉴了电厂模式，具体目标是整合分散在各地的服务器、存储系统以及应用程序来共享给多个用户，让用户能够非常方便地使用计算资源，并且根据用量来付费。3．网格计算模式阶段网格计算是一种跨地区，甚至跨国家、跨洲的独立管理的资源结合。该模式对资源进行独立管理，而不是统一布置、统一安排。网格资源是异构的，不强调统一的安排。另外网格的使用通常让分散的用户构成虚拟组织，在这样一种统一的网格基础平台上用虚拟组织形态从不同的自治域访问资源。4．云计算模式阶段云计算的核心与效用计算和网格计算的核心非常类似，也是希望IT技术能像使用电力那样方便，并且成本低廉。但与效用计算和网络计算不同的是，云计算在需求方面已经有了一定的规模，同时在技术方面基本成熟。云计算的概念与特征9.29.2.1云计算的概念9.2.2云计算的特征按需服务云计算的特征资源池广泛的网络访问快速弹性使用可度量的服务高可靠性1.按需服务

用户可以根据自身实际需求扩展和使用云计算资源，云计算具有快速提供资源和服务的能力。服务商能通过网络方便地进行计算能力的申请、配置和调用，可以及时进行资源的分配和回收。2.广泛的网络访问

通过互联网提供自助服务，使用者不需要部署相关的硬件设施和应用软件，也不需要了解所使用资源的物理位置和配置等信息，可以直接通过互联网进行透明访问，来获取云中的计算资源。3.资源池汇集分配4.快速弹性使用

服务商的计算能力根据用户需求变化，能够快速而有弹性地实现资源供应，快速部署资源或获得服务。云计算平台可以按照客户需求快速部署和提供资源。通常情况下资源和服务是无限的，可以随时随地无限量购买。云计算业务使用则按资源的使用量计费。5.可度量的服务检测控制管理

云服务系统可以根据服务类型提供相应的计量方式，云计算控制系统通过一些适当的抽象服务计量能力来提高资源利用率，还可以检测、控制和管理资源使用过程。同时，在供应者和消费者之间提供透明服务。6.高可靠性通过虚拟化技术将分布在不同物理服务器上的应用进行恢复或利用动态扩展功能部署到新的服务器上进行计算数据多副本容错计算节点同构可互换9.2.3云计算的分类1．按服务类型分类云计算按服务类型可以分为三大类，分别是IaaS、PaaS、SaaS（1）基础设施即服务（InfrastructureasaService，IaaS）提供

IT基础设施，例如服务器、虚拟机、存储、网络、系统等。IaaS把计算、存储、网络以及搭建应用环境所需的一些工具当成服务提供给用户，使得用户能够按需获取IT基础设施。（2）平台即服务（PlatformasaService，PaaS）提供开发、测试、交付和管理软件应用程序所需的环境，无须考虑对基础结构进行设置或管理。PaaS是一种分布式平台服务，为用户提供一个包括应用设计、应用开发、应用测试及应用托管在内的完整计算平台，如图9.8所示。PaaS的核心技术主要有：描述性状态迁移（RepresentationalStateTransfer，REST）技术、多租户技术、并行计算技术、应用服务器技术、分布式缓存技术等。PaaS的主要用户是开发人员。PaaS平台的种类目前较少，比较著名的有：F、GoogleAppEngine、WindowsAzure、CloudFoundry。（3）SaaS向用户提供软件应用复合和用户交互接口等服务，以订阅为基础按需提供。SaaS云服务提供商负责维护和管理云中的软件以及支撑软件运行的硬件设施，同时免费为用户提供服务或者以按需使用的方式向用户收费，如图9.9所示。SaaS核心技术主要有：虚拟化技术、分布式存储技术、高速网络技术、超大规模资源管理技术、云服务计费技术等。SaaS就是软件服务提供商为满足用户的需求而提供的软件计算能力，用户无须安装、升级和防病毒等，并且免去了初期的软硬件支出。2．按部署类型分类云计算按部署类型主要分为公有云、私有云、混合云、社区云（1）公有云公有云通常指第三方提供商为用户提供的云，如图9.11所示。公有云一般可通过互联网使用，通常是免费或成本低廉的。这种云有许多实例，可在整个开放的公有网络中提供服务。公有云服务于普通大众，优点是：使用方便，除通过网络提供服务外，还可以通过其他方式提供服务；成本低廉，客户只需为他们使用的资源支付费用；无须担心安装和维护问题，服务商可以访问所提供的云计算基础设施。（2）私有云

私有云是为一个客户单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的有效控制。私有云公司拥有基础设施，并可以控制在此基础设施上部署应用程序。私有云可部署在企业数据中心的防火墙内，也可以将它们部署在一个安全的主机托管场所。私有云的核心属性是专有资源。私有云中的数据较安全，服务稳定，可以充分利用现有的硬件和软件资源。（3）混合云混合云融合了公有云和私有云，是近年来云计算的主要模式和发展方向。我们已经知道私有云主要面向企业用户，出于安全考虑，企业更愿意将数据存放在私有云中，但是同时又希望可以获得公有云的计算资源。在这种情况下混合云得到越来越多的使用，它将公有云和私有云进行混合和匹配，以获得最佳的效果。这种个性化的解决方案，达到了既低廉又安全的目的。（4）社区云社区云是由几个组织共享的云端基础设施，支持特定的社群，有共同的关切事项，例如使命任务、安全需求、策略与法规遵循考量等。管理者可能是组织本身或第三方；管理位置可能在组织内部，也可能在组织外部。公有云、私有云和混合云对比：云计算的关键技术9.3云计算怎么实现的？9.3.1虚拟化技术云计算组织和管理了大量的IT资源，按需服务，弹性资源池离不开云背后的虚拟化技术。虚拟化技术云计算能运行各种服务应用虚拟技术容器提供了一种简单的轻量级隔离方法使得不同的服务应用在云上运行相互不影响大大减小管理复杂度和运行压力提升灵活性1．CPU虚拟化CPU虚拟化指的是将单个CPU虚拟成多个CPU进行使用，可以解决一部分兼容问题，提升软件运行效率，充分利用计算机的资源。2．内存虚拟化

通过虚拟化技术对内存进行虚拟化，一方面可以使得进程拥有“更多的内存”，另一方面让多个虚拟机能同时利用同一块内存，内存的使用从0开始，并保持连续。3．网络I/O虚拟化网络输入输出（Input/Output，I/O）虚拟化是一种新型的虚拟化技术，源自对物理连接或物理传输上层协议的抽象，让物理服务器和虚拟机可以共享I/O资源。这种虚拟化技术大多应用在本地主机服务器连接到机器顶端单元的场景中，这个单元承载着各种网络、存储和图形适配器，它们构成了I/O连接资源的动态池。4．网络虚拟化技术网络虚拟化又称为网络功能虚拟化（NetworkFunctionVirtualization，NFV），是将以前基于硬件的网络转变为基于软件的网络。具体来说，它是一个在物理网络上模拟出多个逻辑网络的过程。这种技术允许独立于硬件来交付网络功能、硬件资源和软件资源，即虚拟网络它可以用来合并许多物理网络，或者将一个这样的网络进一步细分，又或者将虚拟机（VM）连接起来。其优势是提升硬件的利用率，加快新产品和新业务的推广效率，简化网络管理和提升网络安全性9.3.2分布式存储技术1．传统数据存储传统数据存储集中存储数据，其使得数据存储出现系统性能、可靠性的瓶颈问题，导致读写计算性能不足，扩展性差，数据规模较大时无法满足存储需求。2．分布式数据存储分布式数据存储运行在多个节点上，自动整合集群内所有的存储资源，并通过虚拟化对外提供文件访问服务，具有更好的扩展性与更大的容量，更符合大规模数据对计算机系统性能的要求。9.3.3云管理平台9.3.4云安全云安全：9.3.5自动化部署技术自动化部署技术

部署就是指完成软件开发后，通过一些配置使得开发的软件能够在目标环境中运行。在此过程中，源代码会转变为在目标环境中可运行的软件包。自动化部署指部署过程中的操作全部自动化，无须人工参与。在大型项目的部署上应用自动化部署技术可以大大提升效率。目前，已经有一些工具可以帮助我们实现这些操作，如Jenkins、GitLabCI/CD、GitHubActions等。云计算的应用9.41.云物联可穿戴设备智能家居车联网工业互联网生态环境监管设备2.云教育集中整合成资源池，各个资源相互展示和互动，按需交流，达成意向，从而降低教育成本，提高效率。3.云原生应用面向“云”而设计的应用开发者无需考虑底层的技术实现，可以充分发挥云平台的弹性和分布式优势，实现快速部署、按需伸缩、不停机交付等云原生架构4.人工智能技术通过部署GPU计算架构，存储架构为人工智能算法模型的运行和数据处理提供了平台5.医疗云课后习题：1．与云计算相关的技术有哪些？2．从云计算发展出的计算模式有哪些？3．云计算的核心技术有哪些？4．云计算与大数据、人工智能等新技术如何结合起来呢？第3章安全第一—信息安全第10章天地握手—现代通信技术CONTENTS目录10.1现代通信技术的概述10.25G技术10.35G的应用领域现代通信技术的概述10.1现代通信技术的概述什么是通信通信技术的发展10.1.1什么是通信10.1.1什么是通信

什么是通信字面通联信息——我把信息发给你，你把信息发给我，这就是通信定义人与人，或人与自然之间，通过某种行为或媒介，进行的信息交流与传递，叫作通信。通信是世间万物的一种权力，是一种行为。有生命的、没有生命的，都可以发起这种行为。这种行为，是每个人或每个物融入世界的一种必要方式。通过信息的交换，它可以表达自身的“存在感”和“价值”。通信技术的发展10.1.3现代通信技术的发展

现代通信简介

现代通信往往被理解为单一的电信通信、数字通信、IT产业及电子产品制造业等高新技术通信，而忽略了通信的本质。邮政通信也是现代通信的一部分，邮政通信以实物传递为基础，通过文字、图片、实物等的空间转移传递信息，是国家个人通信自由及隐私保护的体现。有效、合理地管理、发展邮政通信带动服务经济的增长，使各项资源（特别是人力资源）更合理、公平地符合人类发展，才能使国民经济往更好的方向前进，才能在不破坏资源的前提下和谐共处，真正达到“天人合一”，真正成为“自然人”。10.1.3现代通信技术的发展

1.1G时代概述1G是第一代移动通信技术（FirstGeneration），制定于上世纪80年代，是以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统特点这种模拟信号传输方式只能应用于语音传输业务，且涵盖范围小、信号不稳定、语音品质低s1.1G时代s由于中国在技术更新、观念更新、知识更新等方面速度之快，大哥大的业务功能无法满足中国人民的使用。1.1G时代大哥大2.2G时代概述2G是第二代移动通信技术(SecondGeneration)，主要的功能有语音和短信，以数字语音传输技术为核心，开启了数字通信之路。特点第二代移动通信具备频谱效率高，系统的容量大，语音质量好，同时比1G多了数据传输服务。2.2G时代从模拟调制进入到数字调制第二代移动通信具备高度的保密性系统的容量也在增加可以上网，只能浏览一些文本信息3.3G时代概述3G是第三代移动通信技术（ThirdGeneration）将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的一代移动通信系统。3G时代可以借助网络实现网上冲浪，查看图片等。特点3G手机除了能高质量的完成语音信外，还能进行多媒体通信；可以上网，查看电子邮件或浏览网页等。s3.3G时代BTSNodeB2G基站3G基站4.4G时代概述4G是第四代移动通信技术（FourthGeneration）完全进入数据网时代进入全IP时代，4G基站称为eNB同时4G的数据速率将提升10-100倍s4.4G时代5G技术10.210.2.15G技术5G技术

5G是第五代移动通信技术（5thGenerationMobileCommunicationTechnology），是实现人机物互联的网络基础设施。5G在4G基础上对移动通信技术提出了更高的要求，同时促使互联网从移动互联网过渡到智能互联网时代。5G基站为gNB。依据投资的成本大小，5G分为非独立组网（Non－Standalone，NSA）和独立组网（Standalone，SA）两种组网方式。在这里主要介绍一下独立组网的原理原理图说明

（1）在5G网络覆盖好的情况下，5G终端通过VoNR（高清通话）进行语音承载，如图中的1。（2）在5G网络不好的情况下，回落到4GVoLTE（高清语音）进行语音承载，如图中的2。（3）在无5G和4G网络的情况下，回落到2G/3G网络进行语音承载，如图中的3。10.2.25G技术的特点高速度5G技术的特点泛在网低功耗泛在网1.高速度

5G比4G的传输速度更快，不是靠增强通信基站的信号发射功率，而是靠扩容传输带宽，就像拓宽高速公路一样，两车道拓宽至四车道，甚至八车道，车辆的通行速度自然加快了。同时5G广泛采用大规模阵列天线技术，支持多流并行传输，大大提升了频谱效率，更进一步提升了峰值速率。5G的传输速度比4G快10倍以上。2.泛在互联

随着业务的发展，网络需要无所不包、无处不在，只有这样才能支持更加丰富的业务，才能在日趋复杂的场景下使用。

泛在互联有两个层面的含义：一是广泛覆盖，二是纵深覆盖。广泛覆盖纵深覆盖3.低功耗让大部分物联网产品一周充一次电，甚或一个月充一次电能大大改善用户体验促进物联网产品的快速普及4.低时延

网络延迟是衡量信息从网络的一端或节点传输到另一端所花费的时间，低时延意味着实时处理和即时反馈。低时延现在已经成为现实。5G应用的一个新领域是无人驾驶、工业自动化的高可靠连接。人与人之间进行信息交流，140ms的时延是可以接受的，但是如果这个时延用于无人驾驶、工业自动化领域就无法接受。5G对于时延的要求是不超过1ms，甚至更低5.万物互联迈入智能时代，除手机、计算机等上网设备需要使用网络以外，越来越多的智能家电设备、可穿戴设备、共享汽车等不同类型的设备以及电灯等公共设施也需要使用网络10.2.35G关键技术1．MassiveMIMO技术

MassiveMIMO（MassiveMultiple-InputMultiple-Output）技术即大规模天线阵列技术，是指能在不增加带宽的情况下，在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收。大规模天线阵列技术在4G中已经得到了应用，但是在4G中应用Massive

MIMO技术的一般都是基站，对于终端最多能够支持接收端采用多路，但是发射端需要采用单路1．MassiveMIMO技术

5G的超高下载速率主要来自MassiveMIMO技术，该技术通过在空中同时传输多路不同的数据来成倍地提升网速。MassiveMIMO技术是指能在不增加带宽的情况下，在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量2．NOMA技术

NOMA（Non-OrthgonalMultipleAccess）技术即非正交多址接入技术。NOMA的基本思想是，在发送端将多个UE信号叠加，占用所有时频资源，并通过空口发送，而在接收端基于多用户检测（MultipleUserDetection，MUD）和串行干扰消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC）技术来逐个解码信号，提取有用信号。

NOMA技术的应用主要有两种方式：基于码域和基于功率域。基于码域，即为每个用户分配非正交扩展码。基于功率域，即在发送端每个用户信号以不同的功率电平叠加。2．NOMA技术

NOMA（Non-OrthgonalMultipleAccess）技术即非正交多址接入技术。NOMA的基本思想是，在发送端将多个UE信号叠加，占用所有时频资源，并通过空口发送，而在接收端基于多用户检测（MultipleUserDetection，MUD）和串行干扰消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC）技术来逐个解码信号，提取有用信号。

NOMA技术的应用主要有两种方式：基于码域和基于功率域。基于码域，即为每个用户分配非正交扩展码。基于功率域，即在发送端每个用户信号以不同的功率电平叠加。3．网络切片技术网络切片技术可以将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，如图10.12所示。每个虚拟网络之间（包括网络内的设备、接入、传输和核心网）是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响其他虚拟网络。4.D2D技术

在现有的移动通信系统中，手机用户之间的通信都是由基站进行控制的。一直以来，我们都希望能在通信过程中尽量少占用基站资源，D2D（Device-to-Device）就是这样一种技术。

D2D技术可以实现终端直通，如图10.13所示。在邻近终端设备之间直接进行通信，一旦D2D链路建立起来，传输语音或数据消息就无须基站的干预，这样可减轻基站及核心网的数据压力，大幅提升频谱资源利用效率和吞吐量，增大网络容量，保证通信网络更为灵活、智能、高效地运行。5．边缘计算技术

边缘计算技术可解决集中部署的云计算带来的时延过长、带宽占用问题，更好地服务于实时性要求较高和带宽要求较高的业务。

边缘计算成为助力5G、赋能千行百业的关键词之一。物联网、车联网带来的新型服务模式迫切需要5G以极低的时延处理海量的数据，为了更加靠近终端用户及其设备，让用户获得更高的内容分发效率，边缘计算技术应运而生。边缘计算技术在工业互联网、自动驾驶、智慧交通、卫生医疗、智慧农业、VR等领域都将发挥重要作用，有着十分广阔的前景6．超密集组网技术超密集组网（Ultra-DenseNetwork，UDN）技术通过更加“密集化”的无线网络基础设施部署，在异构网络中引入超大规模低功率节点，满足了增强热点、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量的实际需求，打破了传统的扁平单层宏网络覆盖，使得多层立体异构网络（HeterogeneousNetwork，HetNet）应运而生，如图所示。这样不仅可获得更高的频率复用效率，还能在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升。5G的应用领域10.3工业领域物流领域教育领域能源，农业智慧交通生产单元模拟1.工业互联网领域生产数据的实时采集数字孪生人工智能建设虚拟生产单元实现产能预测、生产优化和精确管控

SG网络模拟、仿真、分析物理生产单元运行过程精准动态作业应用5G结合北斗定位能力对装船机、辊道等生产设备的位置和姿态精准测量生产单元模拟工业互联网领域实时动态调整生产需要提升作业精度和自动化水平精准动态作业生产单元模拟