1、計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿技術(shù)Frontier Technologies in Computer Science知識(shí)框架第1章 概述第2章 計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展第3章 高性能計(jì)算第4章 現(xiàn)代操作系統(tǒng)第5章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)第6章 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展第7章 數(shù)據(jù)挖掘及其應(yīng)用第8章 人工智能前沿第9章 搜索引擎技術(shù)第10章 集體智慧與Web 2.0第11章 云計(jì)算第12章 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)第13章 服務(wù)科學(xué)與服務(wù)計(jì)算第14章 智慧地球第1章 概述 在1895年出版的Darwin（達(dá)爾文）名著物種起源（The Origin of Species）第一版扉頁上寫道：“作為生物進(jìn)化論的完整理論體系，物種起源主要討論兩個(gè)問題：一

2、個(gè)是形形色色的生命是否由進(jìn)化而來，二是進(jìn)化的主要機(jī)理是什么”。達(dá)爾文對(duì)第一個(gè)問題的回答是肯定的，對(duì)第二個(gè)問題的回答是“自然選擇”。Charles Darwin知識(shí)概要計(jì)算機(jī)科學(xué)面臨的問題計(jì)算機(jī)學(xué)科概述計(jì)算機(jī)學(xué)科的特點(diǎn)基本學(xué)科能力計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展和分支學(xué)科的劃分計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)六大科學(xué)理論的突破量子力學(xué)相對(duì)論宇宙大爆炸模型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)板塊構(gòu)造理論計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)體系的主要基石之一21世紀(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)發(fā)展的新取向更加重視技術(shù)的多樣性、開放性和個(gè)性化更加重視計(jì)算機(jī)技術(shù)惠及大眾更加重視生態(tài)和環(huán)境影響更加重視醫(yī)學(xué)及與人類健康有關(guān)的科學(xué)技術(shù)將更加重

3、視計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉研究更加重視與人文藝術(shù)的結(jié)合更加重視計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)倫理道德方面的研究和對(duì)社會(huì)作用的法制化管理與監(jiān)督計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer Science）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，簡稱計(jì)算機(jī)科學(xué)ACM/IEEE-CS 的專家們認(rèn)為，目前已經(jīng)無法繼續(xù)用計(jì)算機(jī)學(xué)科來稱謂它，而改稱其為計(jì)算學(xué)科（Computing Discipline）計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer Science）Wikipedia：與計(jì)算相關(guān)的多種學(xué)科的集合，包括理論和實(shí)際兩方面：涉及信息和計(jì)算的理論基礎(chǔ)、語言理論、算法分析和開發(fā)、計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)通信等。美國的網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)研究與發(fā)展國家辦公室

4、：計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算的語義研究。美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（ACM）：計(jì)算機(jī)和算法過程的研究，包括它們的原理、它們的硬件和軟件設(shè)計(jì)、它們的應(yīng)用以及它們對(duì)社會(huì)的影響。計(jì)算機(jī)科學(xué)怎樣成為一種科學(xué)？科學(xué)Science藝術(shù)Art原理（Principles）實(shí)踐（Practice）基本原理的重復(fù)性（Fundamental recurrences）熟練運(yùn)用（Skilled performance）解釋說明（Explanation）行動(dòng)（Action）發(fā)現(xiàn)（Discovery）發(fā)明（Invention）分析（Analysis）合成（Synthesis）剖析（Dissection）構(gòu)造（Construction）1.1 計(jì)算

5、機(jī)科學(xué)面臨的問題計(jì)算機(jī)科學(xué)教育缺乏創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)課程體系的陳舊針對(duì)學(xué)生特別是本科學(xué)生的培養(yǎng)上，充分強(qiáng)調(diào)以興趣為主大學(xué)提供的是一種機(jī)會(huì)，讓學(xué)生自己做真正喜歡的事情從狹義工具論到計(jì)算思維的轉(zhuǎn)變計(jì)算機(jī)和信息科技的普及實(shí)際上是在全社會(huì)傳播一種計(jì)算思維計(jì)算思維是一種普適的思維，是每個(gè)人的基本技能計(jì)算機(jī)科學(xué)人才的匱乏企業(yè)、政府等部門都需要計(jì)算機(jī)人才德智體合格，在團(tuán)隊(duì)精神、敬業(yè)態(tài)度、工作能力等方面都能勝任計(jì)算思維計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)一切皆可計(jì)算，從物理世界到人類社會(huì)模擬，從人類社會(huì)再到智能活動(dòng)，都可認(rèn)為是計(jì)算的某種形式。計(jì)算思維是概念化思維，是人的思維，是數(shù)學(xué)和工程互補(bǔ)融合的思維，是面向所有人的思維。1.2 計(jì)算機(jī)科

6、學(xué)概述計(jì)算機(jī)學(xué)科的特點(diǎn)基本學(xué)科能力計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展和分支學(xué)科的劃分計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系1.2.1 計(jì)算機(jī)學(xué)科的特點(diǎn)根本問題Nicklaus Wirth：在較高的認(rèn)識(shí)層次上，硬件和軟件是一樣的。計(jì)算機(jī)學(xué)科的根本問題：什么能、且如何被有效地自動(dòng)計(jì)算?；咎卣饔?jì)算機(jī)學(xué)科具有“理論、抽象、設(shè)計(jì)”三個(gè)學(xué)科形態(tài)1.2.2 基本學(xué)科能力計(jì)算思維能力算法設(shè)計(jì)與分析能力程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力系統(tǒng)分析、開發(fā)與應(yīng)用能力1.2.3 計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展和分支學(xué)科的劃分計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer Science）計(jì)算機(jī)工程（Computer Engineering）軟件工程（Software Engineering）信

7、息技術(shù)（Information Technology）信息系統(tǒng)（Information System）1計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer Science）計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的范圍很廣，從理論和算法基礎(chǔ)到機(jī)器人開發(fā)、計(jì)算機(jī)視覺、智能系統(tǒng)、生物信息等。主要包括：尋找求解計(jì)算問題的有效方法構(gòu)建使用計(jì)算機(jī)的新方法軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2計(jì)算機(jī)工程（Computer Engineering）設(shè)計(jì)和構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，包括研究硬件、軟件、通信以及它們之間的交互。學(xué)科內(nèi)容集中在傳統(tǒng)的電子工程、數(shù)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的理論、原理和實(shí)踐。強(qiáng)調(diào)的是硬件而不是軟件，而且具有很強(qiáng)的工程特性。3軟件工程（Software En

8、gineering）軟件工程的主要目標(biāo)是開發(fā)系統(tǒng)模型和按時(shí)并在有限預(yù)算下生產(chǎn)高質(zhì)量軟件的可靠技術(shù)。軟件工程尋找計(jì)算機(jī)科學(xué)中科學(xué)與工程原理的結(jié)合，探討以工程的規(guī)范有效地開發(fā)和管理軟件系統(tǒng)。 4信息技術(shù)（Information Technology）信息技術(shù)主要用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總稱。它主要是應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)來設(shè)計(jì)、開發(fā)、安裝和實(shí)施信息系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。與信息系統(tǒng)學(xué)科的重點(diǎn)在于“信息”相對(duì)，信息技術(shù)學(xué)科的重點(diǎn)在于“技術(shù)”。5信息系統(tǒng)（Information System）信息系統(tǒng)學(xué)科可以理解為是基于技術(shù)的商務(wù)開發(fā)該學(xué)科強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)中的“信息”，而將“技術(shù)”看成是產(chǎn)生、處理和

9、分發(fā)所需的工具。他們面對(duì)的信息系統(tǒng)一般都是龐大和復(fù)雜的，既要懂技術(shù)，又要明白組織因素，知道如何有效地利用這類系統(tǒng)。1.3 計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)“高”：性能越來越高，速度越來越快提高器件速度并行處理“廣”：計(jì)算機(jī)的無處不在網(wǎng)絡(luò)化與向各個(gè)領(lǐng)域的滲透普適計(jì)算（Pervasive Computing）“深”：信息的智能化發(fā)展第2章 計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展知識(shí)概要計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史回顧我國計(jì)算機(jī)發(fā)展史新型計(jì)算機(jī)的發(fā)展CPU和GPU的發(fā)展1 計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史回顧早期計(jì)算機(jī)：機(jī)械式計(jì)算工具、機(jī)電式計(jì)算機(jī) 1 計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史回顧電子管、晶體管和集成電路電子計(jì)算機(jī)的誕生 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程第一代電子管計(jì)算機(jī)（1945

10、1956）第二代晶體管計(jì)算機(jī) (19561963) 第三代集成電路計(jì)算機(jī) (19631971) 第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) (1971至今) 1 計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史回顧2 我國計(jì)算機(jī)發(fā)展史第一代電子管計(jì)算機(jī)研制（19581964）第二代晶體管計(jì)算機(jī)研制（19651972）2 我國計(jì)算機(jī)發(fā)展史第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)研制（197320世紀(jì)80年代初）第四代超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)研制（80年代中期至今）3 新型計(jì)算機(jī)的發(fā)展量子計(jì)算機(jī)納米計(jì)算機(jī)DNA計(jì)算機(jī)光計(jì)算機(jī)4 CPU和GPU的發(fā)展CPU的發(fā)展Intel 4004和8080Intel 8086、Intel 80286、Intel 80386、

11、Intel 80486Intel PentiumIntel Pentium MMXIntel Pentium ProIntel Pentium IIIntel Celeron（賽揚(yáng)）Intel Pentium IIIIntel Pentium IV雙核處理器多核計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)多核技術(shù)的發(fā)展多核上將集成更多結(jié)構(gòu)簡單、低功耗的核心。異構(gòu)多核是一個(gè)重要的方向。多核上應(yīng)用可重構(gòu)技術(shù)多核的功率和熱管理片上多核處理器時(shí)代的到來多核計(jì)算的發(fā)展4 CPU和GPU的發(fā)展GPU的發(fā)展GPU簡介 Graphic Processing Unit，中文翻譯為“圖形處理器” GPU是顯示卡的“心臟”，也就相當(dāng)于CPU在電

12、腦中的作用20 世紀(jì)60-70年代，受硬件條件的限制，圖形顯示器只是計(jì)算機(jī)輸出的一種工具20世紀(jì)80年代初期，出現(xiàn)GE（Geometry Engine）為標(biāo)志的圖形處理器20世紀(jì)90年代，NVIDIA進(jìn)入個(gè)人電腦3D市場4 CPU和GPU的發(fā)展GPU的發(fā)展NVIDIA GPU的發(fā)展GPU通用計(jì)算 GPU結(jié)構(gòu)（左）與CPU結(jié)構(gòu)（右）的對(duì)比4 CPU和GPU的發(fā)展CPU和GPU的融合Intel推出了在單芯片上集成X86 CPU和DirectX引擎的Fusion系列處理器，AMD稱這種融合了傳統(tǒng)CPU和GPU功能的處理器為APUAMD第一款Fusion APU系列處理器是Llano處理器4 CPU和

13、GPU的發(fā)展第3章 高性能計(jì)算第3章 高性能計(jì)算高性能計(jì)算概述世界各地超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的發(fā)展概況高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)推薦閱讀1 高性能計(jì)算概述 什么是高性能計(jì)算 -高性能計(jì)算（High Performance Computing）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，研究并行算法和開發(fā)并行軟件，致力于研制高性能計(jì)算機(jī)（High Performance Computer） -高性能計(jì)算技術(shù)主要是指從體系結(jié)構(gòu)、并行算法和軟件開發(fā)等方面研究開發(fā)高性能計(jì)算系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)達(dá)國家在高性能計(jì)算方面的發(fā)展 “戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)計(jì)劃” “高性能計(jì)算和通信（HPCC）”“先進(jìn)模擬和計(jì)算（ASC）”1 高性能計(jì)算概述

14、 我國高性能計(jì)算的發(fā)展“天河一號(hào)” 由國防科技大學(xué)于2009年10月研制推出，目在國家級(jí)超級(jí)計(jì)算天津中心投入運(yùn)營，為天津市乃至環(huán)渤海地區(qū)的生物制藥、新能源新材料、航空航天裝備研制等新興產(chǎn)業(yè)服務(wù)。曙光“星云” 曙光“星云（Nebulae）”高性能系統(tǒng)，是我國自主研發(fā)的首款實(shí)測性能超千萬億次超級(jí)高性能計(jì)算機(jī)，該系統(tǒng)于2011年底落戶深圳，為我國華南、港澳乃至全國用戶提供計(jì)算和信息服務(wù)。2 世界各地超級(jí)計(jì)算中心的發(fā)展概況美國國家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心日本東京工業(yè)大學(xué)全球科學(xué)信息與計(jì)算中心 德國Jlich超級(jí)計(jì)算中心英國Edinburgh大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心上海超級(jí)計(jì)算中心中國科學(xué)院超級(jí)計(jì)算中心3 高性能計(jì)算機(jī)

15、的發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程1976年、1982年，Cray Research Inc 分別推出Cray-1型的單向量計(jì)算機(jī)，其速度僅為133MFlops，以及行向量處理Cray X-MP機(jī)型，其速度為941MFlops，處理器數(shù)是4個(gè)。1988年，John L. Gustafson（古斯塔夫森）在Communications of the ACM（ACM通訊）上發(fā)表了一個(gè)加速比公式：s = f + p ( 1 f )1993年克雷公司推出的Cray T3D，其峰值速度達(dá)21.4GFlops1997年，Intel公司推出世界上第一臺(tái)萬億次（TeraFlops）機(jī)器ASCI Red，其速度為1.

16、068TFlops2002年，日本NEC公司推出“地球模擬器”2008年，在高效能理念的推動(dòng)下，IBM公司研制了“走鵑”,其處理器數(shù)為122 400個(gè)，功耗為2.346MW，采用異構(gòu)集群的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度突破了Peta FLOPS大關(guān)，達(dá)到1.026PFlops。千萬億（1015）次系統(tǒng)研發(fā)1996年，每秒萬億次運(yùn)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)誕生，在計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史上建立了新的里程碑超級(jí)計(jì)算需求根據(jù)用途大致可分為能力計(jì)算（Capability Computing）和容量計(jì)算（Capacity Computing）兩類千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括生物醫(yī)學(xué)、航空航天制造、氣候和環(huán)境、核能、納米技術(shù)

17、、國防和國家安全艾級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)美洲豹（Jaguar）超級(jí)計(jì)算機(jī)艾級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)的概念4 高性能計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)高性能計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)體系結(jié)構(gòu)：商用混合式處理器 + 商用高性能互連網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)（“走鵑”） 、通用CPU + 定制多套互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（藍(lán)色基因）、商用高性能處理器 + 定制高性能互連網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) + 非一致性存儲(chǔ)訪問體系結(jié)構(gòu)（CRAY XT3）等等。微處理器： Intel的Nehalem、AMD的皓龍（Opteron）；基于單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）的分布存儲(chǔ)多核結(jié)構(gòu)，如IBM Cell；探索型多核結(jié)構(gòu)，具體實(shí)例有斯坦福大學(xué)的流處理器（Stanford Imagine

18、）和麻省理工學(xué)院的RAW芯片；光互連：具有高帶寬、低損耗、無串?dāng)_和匹配及電磁兼容等特點(diǎn)軟件技術(shù)：操作系統(tǒng)方面的熱點(diǎn)技術(shù)包括虛擬機(jī)技術(shù)（VMWARE、VPC機(jī)等）、自治技術(shù)（Self-configuring、Self-healing、Self-optimizing和Self-protecting）等；更深的存儲(chǔ)層次、多核/多線程微處理器編譯技術(shù)、流處理技術(shù)等納米技術(shù)：高密度、低功耗、適應(yīng)量子效應(yīng) 超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)大量應(yīng)用對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)訪問能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力提出了更高性能的要求存儲(chǔ)器墻（Memory wall）和編程墻（Programming wall）是超級(jí)計(jì)算中

19、兩個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題系統(tǒng)規(guī)模和能耗的挑戰(zhàn):將規(guī)模和功耗納入整體設(shè)計(jì)的考慮范圍更快速的算法挑戰(zhàn):千萬億次計(jì)算系統(tǒng)需要并行度和并行效率更高的算法更高效能的挑戰(zhàn):更加關(guān)注于系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)生態(tài)環(huán)境的挑戰(zhàn):任何新的重大創(chuàng)新如何融入這樣的生態(tài)環(huán)境，都需要技術(shù)、人才、資本的巨大支撐。4 高性能計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的技術(shù)路線可重構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要邏輯通過重構(gòu)機(jī)制控制，在一定范圍內(nèi)調(diào)整變化，以提高不同應(yīng)用程序核心算法的運(yùn)行效率流式結(jié)構(gòu)能夠針對(duì)某些類型算法獲得高計(jì)算/通信率，并且計(jì)算速度高、能耗低存儲(chǔ)器內(nèi)置處理器PIM將算法邏輯單元與存儲(chǔ)器相融合使邏輯存儲(chǔ)器訪問緊密耦合專用器件結(jié)構(gòu)利用超高速硬

20、件技術(shù)提供更高的邏輯密度，保證單元面積提供更高的性能和更低的計(jì)算能耗?；旌袭悩?gòu)結(jié)構(gòu)利用現(xiàn)有的高性能計(jì)算機(jī)資源作為節(jié)點(diǎn)互連構(gòu)成的集成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4 高性能計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)第4章 現(xiàn)代操作系統(tǒng)1946年2月14日世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（埃尼阿克）在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)誕生20世紀(jì)50年代中期， 在美國通用汽車研究 實(shí)驗(yàn)室誕生了世界上 第一個(gè)操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代末期，在兼容分時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，美國的麻省理工學(xué)院、貝爾實(shí)驗(yàn)室和通用電氣公司聯(lián)合開發(fā)出了稱為多路信息和計(jì)算系統(tǒng)（MULTiplexed Information and Computing System，Multics）的操作系

21、統(tǒng)20世紀(jì)70年代初期，Ken Thompson（湯普森）和Dennis Ritchie（里奇）開發(fā)出了UNIX操作系統(tǒng)，并因此獲得1983年圖靈獎(jiǎng)1 操作系統(tǒng)的歷史2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新特征：網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化現(xiàn)代操作系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)：并發(fā)性（采用多線程）和可靠性（采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)減小規(guī)模） 桌面操作系統(tǒng)的特點(diǎn)：桌面系統(tǒng)安全性受到高度重視，特別是通過與可信平臺(tái)模塊（Trusted Platform Module，TPM）等硬件安全技術(shù)的結(jié)合，使得桌面安全性和可信性得到改善。滿足新的計(jì)算模式將成為下一代桌面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，例如手機(jī)操作系統(tǒng)、云終端操作系統(tǒng)桌面操作系統(tǒng)分化出不同的功

22、能三維桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成：一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常由硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和用戶四個(gè)部分組成計(jì)算模式：多處理器計(jì)算基于互聯(lián)網(wǎng)和Web的計(jì)算嵌入式計(jì)算虛擬化計(jì)算所謂虛擬化，是通過硬件和操作系統(tǒng)的中間層虛擬機(jī)監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的管理和再分配，使資源利用率實(shí)現(xiàn)最大化?；ヂ?lián)網(wǎng)和Web的計(jì)算的發(fā)展及Web應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的發(fā)展2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)微內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)核通常是操作系統(tǒng)中最核心的部分，管理著所有的系統(tǒng)資源，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)備擁有完全的訪問權(quán)，通常運(yùn)行于特權(quán)模式具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代操作系統(tǒng)擁有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可伸縮性好，能適應(yīng)硬件更新和應(yīng)用變化（2）可移植性好，所有與具體機(jī)器特征相關(guān)的

23、代碼，全部隔離在微內(nèi)核中（3）實(shí)時(shí)性好，微內(nèi)核可以更有效地支持實(shí)時(shí)處理（4）安全可靠性高，微內(nèi)核將安全性作為系統(tǒng)內(nèi)部特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)外僅使用少量應(yīng)用編程接口（5）支持分布式系統(tǒng)，支持多處理器的體系結(jié)構(gòu)和高度并行的應(yīng)用程序（6）真正面向?qū)ο蟮牟僮飨到y(tǒng)，能顯著減小系統(tǒng)開銷，提高系統(tǒng)的正確性、可靠性和易擴(kuò)展性2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等綜合性要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有軟件代碼小、自動(dòng)化程度高和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)

24、的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面和標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。商用嵌入式系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)： WinCE、VxWorks Symbian OS、Android OS分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：UNIX和Windows NT。具有網(wǎng)絡(luò)功能，可以用來訪問遠(yuǎn)程資源。特點(diǎn)：運(yùn)行于其上的節(jié)點(diǎn)能獨(dú)立地管理自己的進(jìn)程資源用戶能夠可擴(kuò)展操作系統(tǒng)可擴(kuò)展操作系統(tǒng)所謂的可擴(kuò)展操作系統(tǒng)，即利用微內(nèi)核技術(shù)，使操作系統(tǒng)在保持核心功能的基礎(chǔ)上能夠靈活地結(jié)合各種服務(wù)及應(yīng)用這種外延和擴(kuò)展不僅體現(xiàn)在用戶應(yīng)用層，還體現(xiàn)在硬件層2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)多處理機(jī)并行操作系統(tǒng)多處理機(jī)并行操作系統(tǒng)新特征：（1）并行性，即增

25、強(qiáng)對(duì)程序并行執(zhí)行的支持。（2）分布性，即支持對(duì)分布的任務(wù)、資源的管理與控制。（3）通信及其同步性，即在不同處理機(jī)上運(yùn)行的不同進(jìn)程之間實(shí)現(xiàn)同步和通信，以共享資源和相互合作，支持程序的并行執(zhí)行，以改善系統(tǒng)的性能。（4）可重構(gòu)性，為了提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)處理機(jī)或存儲(chǔ)模塊等資源發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切除故障資源，換上備份資源，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，以保證其能繼續(xù)工作。并行操作系統(tǒng)版本：前SUN公司的Solaris、美國AT&T公司（AT&T）的UNIX SYSTEM V4.0 MP版本等等在提高系統(tǒng)性能方面，對(duì)稱式多處理機(jī)（Symmetric Multi-Processor，SMP）結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)

26、已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的潮流和趨勢(shì)，2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)虛擬化操作系統(tǒng)進(jìn)程級(jí)虛擬化，即不是用軟件模擬，而是在操作系統(tǒng)之上添加一個(gè)很“薄”的虛擬化程序來實(shí)現(xiàn)虛擬化，在這個(gè)虛擬化程序之上再模擬操作系統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)虛擬化，即操作系統(tǒng)幾乎可以不變，只是每個(gè)操作系統(tǒng)調(diào)度的是自己的虛擬化硬件資源，這些虛擬硬件資源是由系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)之間的虛擬監(jiān)控層（虛擬化操作系統(tǒng)）創(chuàng)建和管理的未來操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)（1）開源化（2）專用化（3）小型化或微型化（4）便攜化。（5）網(wǎng)絡(luò)化（6）安全化或可信化2 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)3 Windows操作系統(tǒng)Windows是微軟公司在操作系統(tǒng)領(lǐng)域中的品牌和產(chǎn)品系列2個(gè)分

27、支：一個(gè)分支是基于MS-DOS的Windows開發(fā)平臺(tái)，最后發(fā)展成為Windows 95/98/Me等一系列操作系統(tǒng)另一個(gè)分支則發(fā)展成以Windows NT為代表的操作系統(tǒng)系列，經(jīng)歷了Windows NT、Windows 2000、Windows XP/Server 2003，直到Windows Vista/Server 2008/Win7第二個(gè)分支是按照20世紀(jì)80年代后期的硬件水平進(jìn)行全新設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，包含了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的各個(gè)要素，也奠定了Windows作為現(xiàn)代操作系統(tǒng)典范的基礎(chǔ)Windows NT 3.13.51版本采用了Windows 3.1操作系統(tǒng)的窗口界面風(fēng)格，并且保持了對(duì)MS-

28、DOS和Windows 3.1應(yīng)用程序的兼容性。Windows NT 4.0是一個(gè)相對(duì)比較成熟和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器操作系統(tǒng)，并且內(nèi)置了微軟（IIS 6作為基本的Web服務(wù)器軟件Windows 2000在安全性方面也有顯著提高。它充分發(fā)揮了NT內(nèi)核中安全框架的作用，為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供全方位的安全服務(wù)Windows Server 2003在穩(wěn)定性、安全性和易管理方面都超過了其前身Windows 2000服務(wù)器版本，是微軟公司在服務(wù)器操作系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，并且也是微軟在倡導(dǎo)可信計(jì)算（Trustworthy Computing）以后發(fā)布的第一個(gè)操作系統(tǒng)Windows Vista于2007年1

29、月發(fā)布，全面更新用戶界面風(fēng)格，集成和增強(qiáng)桌面搜索能力，更加關(guān)注安全性3 Windows操作系統(tǒng)Windows Vista和Server 2008改進(jìn)了Windows NT文件系統(tǒng)NTFS（New Technology File System），采用了更新的SMB協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸效率更高Windows 7于2009年10月22日正式發(fā)布Windows家族樹（源自Wikipedia） Windows Vista和Windows 7界面3 Windows操作系統(tǒng)Windows Mobile的介紹Windows Mobile是微軟為智能移動(dòng)終端設(shè)備使用的操作系統(tǒng)，是基于一系列智能設(shè)備的操作系統(tǒng)（例如Po

30、cket PC，Pocket PC Phone和Smartphone）Bill Gates3 Windows操作系統(tǒng)4 UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展UNIX系統(tǒng)簡介1971年，UNIX誕生于美國AT&T公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室支持多用戶和多任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)，可靠性高，伸縮性突出，并支持多種處理器架構(gòu)UNIX、Linux和Windows成為三大類主流操作系統(tǒng)商業(yè)版UNIX：基于美國AT&T公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的UNIX逐步演化發(fā)展而來的各UNIX版本類UNIX：與UNIX有淵源，不能佩戴UNIX標(biāo)志的系統(tǒng)（比如BSD）；技術(shù)屬性上與UNIX類似或有關(guān)的系統(tǒng)UINIX的發(fā)展史（源自Wikipedia）UNI

31、X家族的演化UNIX初始研發(fā)階段：20世紀(jì)70年代1969年，Thompson和Ritchie共同動(dòng)手設(shè)計(jì)了一套包含文件系統(tǒng)、命令解釋器以及一些實(shí)用程序的支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)，UNIX第一版（UNIX V1）正式誕生1972年，UNIX發(fā)布了第二版，添加了管道功能- UNIX標(biāo)志特征之一。在開發(fā)UNIX V2的時(shí)候，Ritchie給B語言加上了數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)的支持，推出了C語言。1979年，UNIX V發(fā)布1975年，UNIX V6到達(dá)Berkley1983年，4.2 BSD發(fā)布Ritchie（左）和Thompson（右）以及所著的C語言教材4 UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展UNIX家族的演化UNI

32、X商業(yè)推廣階段1980年，美國AT&T公司發(fā)布了UNIX的可分發(fā)二進(jìn)制版許可證，啟動(dòng)了將UNIX商業(yè)化的計(jì)劃1982年，美國AT&T公司發(fā)布了UNIX System III的第一個(gè)版本1992年，前SUN公司基于美國AT&T公司UNIX SVR 4.2開發(fā)了Solaris 2.01983年， SCO公司發(fā)布SCO XENIX System V 1980年，微軟基于UNIX V7開發(fā)了運(yùn)行在 Intel平臺(tái)上UNIX操作系統(tǒng)XENIX UNIX成熟應(yīng)用階段 20世紀(jì)90年代中后期Solaris 10操作系統(tǒng)和SPARC處理器4 UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展類UNIX系統(tǒng)的發(fā)展1984年，Richar

33、d M. Stallman（理查德斯托曼）發(fā)起了一項(xiàng)國際性的源代碼開放的GNU計(jì)劃，制定了一項(xiàng)GNU通用公共許可證1993年，Linux發(fā)布標(biāo)志性的1.0版本1995年，Bob Young（鮑勃揚(yáng)）創(chuàng)辦了Red Hat（紅帽）公司，出售Red Hat LinuxRichard Stallman和GNU標(biāo)志Linus Torvalds和Linux標(biāo)志Bob Young和Red hat4 UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展類UNIX系統(tǒng)的發(fā)展1998年2月，以Eric Raymond（雷蒙德）創(chuàng)辦了開放源代碼促進(jìn)會(huì)（Open Source Initiative）目前，Linux可以支持x86、SPARC、M

34、IPS、Alpha、PowerPC、ARM及IA64等多種平臺(tái)，可以運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)、PC服務(wù)器、UNIX服務(wù)器、中型機(jī)和大型計(jì)算機(jī)上各大主流硬件廠商包括IBM、Intel、HP、Oracle和Dell等公司都已成為Linux的支持者。開源軟件的吉祥物大集合4 UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展 UNIX系統(tǒng)的展望UNIX從初期發(fā)展時(shí)的開放源代碼到商業(yè)推廣期的封閉源代碼，再到后面以前Sun公司的OpenSolaris為代表的開放源代碼，一直在開源與不開源的交織中前行，并由此帶來技術(shù)與商業(yè)的相互促進(jìn)開源文化：在將軟件銷售分為許可證銷售和訂閱這兩種主要模式的過程中，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到開源與商業(yè)并非完全對(duì)立。雖

35、然今天仍存在自由軟件與開源軟件的爭論、自由軟件與商業(yè)利益的沖突以及Hurd計(jì)劃與Linux內(nèi)核的微妙關(guān)系，但隨著Linux產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相信終有一天，Linux會(huì)接過傳統(tǒng)UNIX的接力棒，延續(xù)UNIX帶來的技術(shù)、文化和精神。4 UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展第5章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最成功的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)的誕生967年10月，Joseph Licklider為主的研究小組提出 “ARPANET”（阿帕網(wǎng)）的計(jì)劃，發(fā)明了一種叫做“分組交換（包交換）”的技術(shù)1981年，傳輸控制規(guī)范最終確定和發(fā)布，并得到采用1982年，在美國以外的ARPANET連接都被轉(zhuǎn)變使用新的TCP/IP協(xié)議，

36、互聯(lián)網(wǎng)誕生了Joseph Licklider和ARPANET計(jì)劃 分組交換的思想計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史第一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（早期的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)） ：20世紀(jì)50年代中后期以單個(gè)計(jì)算機(jī)為中心的遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)系統(tǒng)典型應(yīng)用：美國航空公司與IBM在20世紀(jì)50年代初開始聯(lián)合研究，20世紀(jì)60年代投入使用的飛機(jī)訂票系統(tǒng)SABRE-I，它由一臺(tái)計(jì)算機(jī)和全美范圍內(nèi)2 000個(gè)終端組成1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展電子訂票和網(wǎng)上值機(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史第二代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展）：20世紀(jì)60年代后期以遠(yuǎn)程大規(guī)模互聯(lián)為主要特點(diǎn)，以通信子網(wǎng)為中心，同時(shí)由“能夠相互共享資源為目的，互連起來的具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)的集合體”組成現(xiàn)代意義

37、上的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是1969年美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）建成的ARPAnet實(shí)驗(yàn)網(wǎng)開始的兩個(gè)主機(jī)間通信是對(duì)傳送信息內(nèi)容的理解、信息的表示形式，以及各種情況下的應(yīng)答信號(hào)必須遵守一個(gè)共同的約定，這就是“協(xié)議”在ARPA網(wǎng)中，將協(xié)議按功能分成了若干層次。如何分層，以及各層中具體采用的協(xié)議總和，成為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)最成功的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實(shí)例是OSI參考模型和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史第三代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化階段）：20世紀(jì)70年代至80年代中期開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM標(biāo)志著新一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的誕生OSI/RM參考模型把網(wǎng)絡(luò)劃分為七個(gè)層次，計(jì)算機(jī)之間只能在

38、對(duì)應(yīng)層之間進(jìn)行通信，這是公認(rèn)的新一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，為普及局域網(wǎng)奠定了基礎(chǔ) OSI參考模型（來源Wikipedia）1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史第四代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（微機(jī)局域網(wǎng)的發(fā)展時(shí)期，互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)）：20世紀(jì)90年代后此時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義為“將多個(gè)具有獨(dú)立工作能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路由功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)資源共享和數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)”1972年，Xerox公司發(fā)明了Ethernet（以太網(wǎng)）1980年2月IEEE組織了802委員會(huì)，開始制定局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。1992年，Internet學(xué)會(huì)成立局域網(wǎng)技術(shù) 1993年，美國總統(tǒng)Bill Clinton宣布正式實(shí)施國家信息基礎(chǔ)設(shè)施

39、（NII）計(jì)劃1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史下一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（Next Generation Network，NGN）普遍認(rèn)為是因特網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、固定電話通信網(wǎng)絡(luò)的融合、IP網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)的融合是可以提供包括語音、數(shù)據(jù)和多媒體等各種業(yè)務(wù)的綜合開放的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架是業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)、業(yè)務(wù)與呼叫控制分離、呼叫與承載分離的網(wǎng)絡(luò)1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中國的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史第一階段為1987至1993年，也是研究試驗(yàn)階段第二階段為1994年至1996年，同樣是起步階段第三階段從1997年至今，是Internet在我國發(fā)展最為快速的階段中國網(wǎng)民規(guī)模、增長率及普及率1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展拓展性受到限制安全性問題日益突出日益

40、增長的速度需求，使用與部署還不夠方便提高移動(dòng)性面臨挑戰(zhàn) 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和主要面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展2 下一代互聯(lián)網(wǎng)（Next Generation Internet）下一代互聯(lián)網(wǎng)的特征重要的科學(xué)和技術(shù)問題包括：擴(kuò)展性、安全性、高性能、實(shí)時(shí)性、移動(dòng)性和可管理性等。未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)（FIND）全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境（GENI）基于IPv4和IPv6技術(shù)逐步演進(jìn)IPv6（Internet Protocol Version 6），它是IETF（Internet Engineering Task Force）設(shè)計(jì)的用于替代現(xiàn)行版本IP協(xié)議（IPv4）的下一代IP協(xié)議IPv6介紹更大、更

41、快、更安全可信、更及時(shí)、更方便、更可管理、更有效未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)概念圖下一代互聯(lián)網(wǎng)的國內(nèi)外研究進(jìn)展美國最近提出的GENI發(fā)展計(jì)劃，實(shí)際上是在思考10年來發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)遇到的問題，準(zhǔn)備掀起新一輪發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)的高潮CERNET2是中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程核心網(wǎng)的重要組成部分，建成以后，將是世界上規(guī)模最大的純Ipv6國家主干網(wǎng)CNGICERNET主干網(wǎng)2 下一代互聯(lián)網(wǎng)（Next Generation Internet）3 對(duì)等計(jì)算的研究對(duì)等計(jì)算概述對(duì)等計(jì)算的核心思想是所有參與系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)（指互聯(lián)網(wǎng)上的某個(gè)計(jì)算機(jī)）處于完全對(duì)等的地位，沒有客戶機(jī)和服務(wù)器之分對(duì)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)取代了文件傳輸（FTP）以及超文本傳輸（HT

42、TP）結(jié)構(gòu)化覆蓋網(wǎng)（Structured Overlay Network，SON）及分布式哈希表（Distributed Hash Table，DHT）理論上實(shí)現(xiàn)對(duì)等計(jì)算的計(jì)算模式，必須完成：資源放置、資源定位、資源獲取覆蓋網(wǎng)絡(luò)的示意對(duì)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的底層架構(gòu)層次對(duì)等的無結(jié)構(gòu)系統(tǒng)利用構(gòu)造幾何造型和哈希函數(shù)的方法來建立的底層架構(gòu)常見的基于對(duì)等網(wǎng)的服務(wù)軟件常見對(duì)等網(wǎng)絡(luò)幾何架構(gòu)3 對(duì)等計(jì)算的研究對(duì)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用情況文件共享服務(wù) 文件共享是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中最基本的一項(xiàng)服務(wù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都把各自擁有的文件共享出來，從而使這些文件能夠在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)上獲得訪問傳輸服務(wù) 一類是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接傳輸，比如節(jié)點(diǎn)之間文件的上傳下載 另

43、一類則是流媒體服務(wù)，比如視頻點(diǎn)播等搜索服務(wù)：定位、檢索PPLive和PPStream的界面3 對(duì)等計(jì)算的研究國內(nèi)研究系統(tǒng)介紹Maze文件共享系統(tǒng)Maze是北京大學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的中心控制與對(duì)等連接相融合的對(duì)等計(jì)算文件共享系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上類似于Napster，對(duì)等計(jì)算搜索策略類似于GnutellaGranary廣域存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng) Granary是清華大學(xué)自主開發(fā)的對(duì)等計(jì)算存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)。存儲(chǔ)服務(wù)的提供者在互聯(lián)網(wǎng)中部署一定數(shù)量的存儲(chǔ)服務(wù)器，為用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，確保數(shù)據(jù)的可靠性、可用性、安全性和訪問效率；存儲(chǔ)服務(wù)的使用者按照所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量和質(zhì)量付費(fèi)AnySee視頻組播系統(tǒng)AnySee 是華中科技大學(xué)自

44、主設(shè)計(jì)研發(fā)的視頻直播系統(tǒng)。它采用一對(duì)多的服務(wù)模式，支持部分NAT 和防火墻的穿越，提高了視頻直播系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。3 對(duì)等計(jì)算的研究對(duì)等網(wǎng)絡(luò)面臨的問題信息或者服務(wù)的真實(shí)性和可靠性使用P2P文件共享系統(tǒng)傳播蠕蟲和木馬P2P文件共享系統(tǒng)中虛假文件P2P文件共享系統(tǒng)中的搜索毒害，即某些惡意用戶通過在索引中插入大量的虛假記錄來降低系統(tǒng)的可用性隱私問題、版權(quán)問題、系統(tǒng)安全問題對(duì)等網(wǎng)絡(luò)面臨的問題3 對(duì)等計(jì)算的研究4 無線局域網(wǎng)前沿技術(shù)無線局域網(wǎng)的基本概念無線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物1990年，Alcatel-Lucent（朗訊）科技在美國最先推出早期的計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)WLAN，用以解決

45、工廠、礦山的布線和隨時(shí)移動(dòng)的問題1997年6月，頒布了IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無線局域網(wǎng)不僅可以通過接入點(diǎn)（Access Point，AP）為其他節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，而且各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間也可以很好地互相通訊無線局域網(wǎng)技術(shù)主要包括：藍(lán)牙（Bluetooth）、智能家居無線射頻（HomeRF）、高性能無線局域網(wǎng)（HiperLAN）和IEEE 802.11系列無線局域網(wǎng)實(shí)例常見的無線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)紅外線（Infrared）紅外線是一種電磁波。在筆記本電腦、投影儀和一些手持設(shè)備中，紅外線也都是基本的無線通信手段不會(huì)產(chǎn)生干擾，不容易被竊聽，主要用于設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短距離通信藍(lán)牙（Bluetooth

46、）藍(lán)牙是一種使用2.45GHz的無線頻帶（ISM頻帶）的通用無線接口技術(shù)，主要為不同設(shè)備間提供雙向短程通信HiperLANHiperLAN作為“寬帶無線接入網(wǎng)”計(jì)劃的組成部分，由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）的寬帶無線電接入網(wǎng)絡(luò)（Broadband Radio Access Networks，BRAN）制訂，在歐洲得到了廣泛支持和應(yīng)用4 無線局域網(wǎng)前沿技術(shù)無線局域網(wǎng)的未來發(fā)展服務(wù)質(zhì)量（QoS）通常QoS描述的是一個(gè)定性的和量化的業(yè)務(wù)特征，如吞吐率、服務(wù)間隔、包的大小、延遲、抖動(dòng)、帶寬和優(yōu)先級(jí)等有線網(wǎng)絡(luò)下的傳輸機(jī)制對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)來說并不適合，沒有QoS保障機(jī)制是阻礙IEEE 802.11無線局域網(wǎng)大

47、范圍普及的主要因素之一無線網(wǎng)狀網(wǎng)無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Network，WMN）是一種通過無線鏈路以多跳方式連接的自組網(wǎng)絡(luò)，具有自組織、自配置、高容量、大覆蓋和可擴(kuò)展等特點(diǎn)安全無線局域網(wǎng)是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)在一定局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡(luò)，以無線多址信道作為傳輸媒介，提供有線局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）的功能無線局域網(wǎng)安全問題就成為了當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大問題4 無線局域網(wǎng)前沿技術(shù) IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑 IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)4 無線局域網(wǎng)前沿技術(shù)無線局域網(wǎng)

48、的安全WEP協(xié)議WEP協(xié)議是IEEE 802.11b協(xié)議中最基本的無線安全加密措施，主要提供接入控制、提供認(rèn)證功能、提供對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密WPA協(xié)議WPA解決了WEP中共享密鑰上的漏洞問題，此添加了用戶級(jí)的認(rèn)證措施，解決了系統(tǒng)的升級(jí)問題IEEE 802.11i安全標(biāo)準(zhǔn)WLAN的安全標(biāo)準(zhǔn)802.11i包括Wi-Fi保護(hù)存取（WPA）和健壯安全網(wǎng)絡(luò)（Robust Secure Network，RSN）WAPI協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：基于公鑰證書的終端設(shè)備和接入點(diǎn)之間的雙向身份認(rèn)證、動(dòng)態(tài)的會(huì)話密鑰協(xié)商、基于高強(qiáng)度加密算法的數(shù)據(jù)加密、靈活的集中式或分布集中式證書管理和無會(huì)話密鑰在信道中傳輸4 無線局域網(wǎng)前沿技術(shù)第6章

49、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展Scientific innovation has been called on to spur economic recovery; science and technology are essential to improving public health and welfare and to inform sustainability; and the scientific community has been criticized for not being sufficiently accountable and transparent. Data collecti

50、on, creation, and access are central to all of these issues.Science, 11 February, 2011 知識(shí)概要數(shù)據(jù)庫的發(fā)展史 -數(shù)據(jù)管理的誕生 -關(guān)系數(shù)據(jù)庫的由來 -結(jié)構(gòu)化查詢語言 -面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫 -數(shù)據(jù)管理的變革 -數(shù)據(jù)挖掘和商務(wù)智能數(shù)據(jù)管理新技術(shù) -未來全球和個(gè)人信息的管理 -數(shù)據(jù)是未來計(jì)算的核心知識(shí)概要 萬維網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù) -數(shù)據(jù)庫和萬維網(wǎng)信息檢索的融合 -XML數(shù)據(jù)的管理數(shù)據(jù)空間：數(shù)據(jù)管理新概念 -數(shù)據(jù)空間系統(tǒng)及其特征 -數(shù)據(jù)空間面臨的挑戰(zhàn)小結(jié)三位圖靈獎(jiǎng)得主三位圖靈獎(jiǎng)得主C.W. Bachman（左）-關(guān)系數(shù)據(jù)庫之

51、父E.F. Codd（中）-關(guān)系模型研究功臣J. Gray（右）-開創(chuàng)性的數(shù)據(jù)庫研究數(shù)據(jù)庫類型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫（Network database）層次數(shù)據(jù)庫（Hierarchical database）關(guān)系數(shù)據(jù)庫（Relational database）關(guān)系模型1970年，IBM的研究員E.F. Codd博士提出了關(guān)系模型的概念關(guān)系數(shù)據(jù)庫（左）和IBM的System R（右）結(jié)構(gòu)化查詢語言1974年，IBM的Ray Boyce和Don Chamberlin將Codd關(guān)系數(shù)據(jù)庫的12條準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)定義以簡單的關(guān)鍵字語法表現(xiàn)出來，里程碑式地提出了SQL（Structured Query Language）

52、語言。1976年IBM的Codd發(fā)表了一篇里程碑的論文“R系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫關(guān)系理論”，Oracle的創(chuàng)始人Larry Ellison在此基礎(chǔ)上他們就開發(fā)了Oracle 1.0。 圖為Larry Ellison數(shù)據(jù)管理的變革決策支持系統(tǒng)（左）和數(shù)據(jù)倉庫（右 ）20世紀(jì)60年代后期,決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，DSS），其目的是讓管理者在決策過程中更有效地利用數(shù)據(jù)信息。1988年，IBM公司的研究員Barry Devlin和Paul Murphy創(chuàng)造性的提出了一個(gè)新的術(shù)語數(shù)據(jù)倉庫（Data Warehouse）數(shù)據(jù)挖掘和商務(wù)智能數(shù)據(jù)挖掘是指通過分析大量的數(shù)據(jù)來揭示數(shù)據(jù)

53、之間隱藏的關(guān)系、模式和趨勢(shì)，從而為決策者提供新的知識(shí)。商務(wù)智能（Business Intelligent，BI）指的是一系列以數(shù)據(jù)為支持、輔助商業(yè)決策的技術(shù)和方法。數(shù)據(jù)挖掘 商務(wù)智能現(xiàn)代數(shù)據(jù)管理及特點(diǎn)第一個(gè)特點(diǎn)：海量第二個(gè)特點(diǎn)：共享第三個(gè)特點(diǎn)：多樣化數(shù)據(jù)管理：指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織、編碼、存儲(chǔ)、檢索和維護(hù)萬維網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)從萬維網(wǎng)數(shù)據(jù)的存在形態(tài)上來講，萬維網(wǎng)數(shù)據(jù)分為三種類型：靜態(tài)的HTML數(shù)據(jù)；通過開放查詢接口獲取的動(dòng)態(tài)HTML數(shù)據(jù)；已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中信息的表示和交換標(biāo)準(zhǔn)的XML數(shù)據(jù)。XML（eXtensive Markup Language）數(shù)據(jù) 目前已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的數(shù)據(jù)表示和交換的標(biāo)

54、準(zhǔn)。相對(duì)于靜態(tài)的HTML網(wǎng)頁，XML數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)信息更加豐富，能夠允許用戶表達(dá)更加準(zhǔn)確的查詢需求。數(shù)據(jù)庫和萬維網(wǎng)信息檢索的融合 隨著半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)XML作為網(wǎng)上數(shù)據(jù)表示和交換標(biāo)準(zhǔn)的流行，以及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（例如關(guān)系數(shù)據(jù)）所得到的廣泛的應(yīng)用與普及，人們期盼著也能像使用搜索引擎那樣用關(guān)鍵字來檢索這些半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。XML表示的數(shù)據(jù)類型以及XML數(shù)據(jù)模型XML數(shù)據(jù)的管理XML查詢處理由于XML是半結(jié)構(gòu)化的，因此XML上的查詢包含兩個(gè)方面，分別是結(jié)構(gòu)上的查詢和內(nèi)容上的查詢。數(shù)據(jù)的XML發(fā)布研究關(guān)系數(shù)據(jù)和XML數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換方法，以及如何實(shí)現(xiàn)各類異構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)源基于XML的發(fā)布，已成為當(dāng)前國際數(shù)據(jù)管理領(lǐng)

55、域重要的研究方向。數(shù)據(jù)空間：數(shù)據(jù)管理新概念 數(shù)據(jù)空間中包含一個(gè)組織或個(gè)人的一切數(shù)據(jù)。它的數(shù)據(jù)可能來自多個(gè)不同但又相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)源，具有各不相同的格式數(shù)據(jù)空間技術(shù)通過建立有效的集成機(jī)制、完善的擴(kuò)展機(jī)制以及合理的數(shù)據(jù)模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)多種數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)空間技術(shù) 數(shù)據(jù)空間系統(tǒng)及其特征 對(duì)于任意一組數(shù)據(jù)，只要本質(zhì)上反應(yīng)的是同一個(gè)實(shí)體，它們就屬于同一數(shù)據(jù)空間。 其特點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)多樣性數(shù)據(jù)源不確定性數(shù)據(jù)共存獨(dú)立性持續(xù)演化性數(shù)據(jù)空間面臨的挑戰(zhàn) 數(shù)據(jù)模型一個(gè)好的模型需要考慮很多問題，包括模型能夠以統(tǒng)一的方式描述數(shù)據(jù)源中所有的數(shù)據(jù)，需要建立一種能夠有效描述所有復(fù)雜多樣的聯(lián)系的模型，數(shù)據(jù)模型要能夠支持一套強(qiáng)大高

56、效的查詢機(jī)制，以及模型必須具有良好的可擴(kuò)展性。查詢處理由于數(shù)據(jù)空間中數(shù)據(jù)的多樣性，并要對(duì)取到查詢結(jié)果進(jìn)行排序，還要包含這些結(jié)果的數(shù)據(jù)源信息，往往用戶的查詢很可能是一個(gè)漸進(jìn)的探索式的過程。數(shù)據(jù)擴(kuò)展數(shù)據(jù)的范圍從局部擴(kuò)展到全局，而所有局部數(shù)據(jù)不可能都符合全局標(biāo)準(zhǔn)，所以產(chǎn)生了數(shù)據(jù)擴(kuò)展的需要推薦閱讀C. J. Date. An Introduction to Database Systems (Eighth Edition). Addison Wesley, 2003.Jennifer Widom, Jeffrey D. Ullman, Hector Garcia-Molina. Database Sy

57、stems: The Complete Book (Second Edition). Prentice Hall, 2008.王海勛. ACM SIGMOD數(shù)據(jù)管理國際會(huì)議.中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊, 2011, 7(9): 62-64.Clifford Lynch. How do your data grow? Nature, 2008, September, 455, 2829.Dealing with Data. Science, 2011, February, 331. Tong hey etc. The Fourth Paradigm: Data-Intensive Scientific

58、Discovery. Redmond, Washington.“生命的本質(zhì)在于創(chuàng)新”。當(dāng)人反省內(nèi)在生命的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它是動(dòng)態(tài)的、展開的、希望創(chuàng)新的，再由此推展到整個(gè)宇宙。整個(gè)宇宙就是一個(gè)“生命沖力”，通過某種很大的力量在運(yùn)轉(zhuǎn)，且不斷地自我呈現(xiàn)。而人是惟一能知道這個(gè)力量并與之呼應(yīng)的，因?yàn)槿说膬?nèi)心能夠有這種生命沖力的體會(huì)，希望能夠把它們對(duì)照起來。（柏格森，Henri Bergson，1859-1941）第7章 數(shù)據(jù)挖掘及其應(yīng)用Information is not knowledge, Knowledge is not wisdom, Wisdom is not truth, Truth is n

59、ot beauty, Beauty is not love, Love is not music, and Music is THE BEST.Frank Vincent ZappaWhere is the Life we have lost in living?Where is the wisdom we have lost in knowledge?Where is the knowledge we have lost in information?Where is the information we have lost in data?T. S. Eliot, The Rock, 19

60、34知識(shí)概要數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的由來數(shù)據(jù)挖掘的定義數(shù)據(jù)挖掘的研究內(nèi)容數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用小結(jié)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的由來 進(jìn)化階段商業(yè)問題支持技術(shù)產(chǎn)品特點(diǎn)數(shù)據(jù)搜集（20世紀(jì)60年代）“過去五年中我的總收入是多少？”計(jì)算機(jī)、磁帶和磁盤提供歷史性的、靜態(tài)的數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)訪問（20世紀(jì)80年代）“在新英格蘭的分部去年三月的銷售額是多少？”關(guān)系數(shù)據(jù)庫（RDBMS），結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL），ODBC Oracle、Sybase、Informix、IBM、Microsoft在記錄級(jí)提供歷史性的、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)倉庫；決策支持（20世紀(jì)90年代）“去年三月的銷售額是多少？據(jù)此可得出什么結(jié)論？”聯(lián)機(jī)分析處理（OLAP）、多維數(shù)據(jù)庫