數字通信技術

本書是描述現代數字化技術三部曲中的第一部，簡明扼要地敍述了數字信息和數字通信技術的基礎知識以及其產生的歷史背景，包括從史前的洞穴壁畫到今天的萬維網。全書系統地描述了互聯網的文本、音頻、圖像和視頻信息編碼方法和過程，此外，還重點介紹了網絡以及網絡安全技術的基礎知識和應用。本書集知識性和技術性於一體，不僅可以作為高等院校計算機相關專業本科生進入專業課學習的一本入門教材，也可作為網絡開發人員學習和工作的參考書，還適合作為對數字通信技術感興趣讀者的科普讀物。

本書作為我們描述現代數字化技術三部曲“數字通信“，“網絡技術“，和“Web程序設計“的第一部，勾畫出了一個通過利用新的數字通信信道從根本上推進無紙化數字商品社會的簡潔的素描。該書的一個重要特點是簡潔明瞭，清晰易懂，對許多看似簡單但是不易理解的概念以及他們之間的關係，都做了系統的整理和通俗的描述。

第 1章緒論 ................................................................................................................ 1

1.1 數字產品 ......................................................................................................... 1

1.2 數字通信及其基礎 ........................................................................................... 6

1.3 數字通信指南 .................................................................................................. 9

1.4 術語表 ...........................................................................................................10

第 2章歷史回顧 ........................................................................................................12

2.1 文字的發展 ....................................................................................................12 補充材料 1：語言的發展 .................................................................................14

2.2 第一個通信網絡 .............................................................................................20

2.3 印刷的發展 ....................................................................................................23

2.4 報業的誕生 ....................................................................................................28

2.5 電力和電信系統 .............................................................................................31

2.5.1光學電報 ..............................................................................................31

2.5.2電子電報 ..............................................................................................33

2.6 個人通信的推進 .............................................................................................35

2.6.1電話 .....................................................................................................35

2.6.2從留聲機到唱片機 ................................................................................37

2.6.3攝影 .....................................................................................................38

2.7 無線通信 ——廣播和電視 .............................................................................41

2.7.1無線電電報 ..........................................................................................41

2.7.2無線電廣播 ..........................................................................................42

2.7.3電影和電影院 .......................................................................................44

2.7.4電視 .....................................................................................................46

2.7.5模擬和數字錄製方法 ............................................................................48

2.8 個人計算機的通信及管理 ...............................................................................49

2.9 互聯網和萬維網之間不可分割的歷史 ..............................................................55

2.9.1阿帕網 ——一切的起源 .......................................................................55

2.9.2互聯網走進大眾生活 ............................................................................58

2.9.3萬維網徹底改變了互聯網 .....................................................................59

2.9.4 Web 2.0和語義網 ——萬維網的未來 ...................................................63

2.10術語表 ..........................................................................................................64

第 3章計算機網絡通信基礎知識 ................................................................................67

3.1 基本術語和概念 .............................................................................................67

3.1.1通信和數據傳輸 ...................................................................................67

3.1.2通信系統分類 .......................................................................................70

數字通信技術

3.2 計算機網絡與分組交換 ...................................................................................73

3.2.1傳統點對點連接 ...................................................................................74

3.2.2電路交換網絡 .......................................................................................74

3.2.3從電路交換到分組交換 .........................................................................75

3.2.4分組交換原理 .......................................................................................76

3.2.5分組交換的優點 ...................................................................................78

3.2.6報文頭 .................................................................................................79

3.2.7分組交換的缺點 ...................................................................................79

3.2.8無連接網絡服務和麪向連接的網絡服務 ................................................81

3.2.9計算機網絡服務範式 ............................................................................81

3.2.10錯誤檢測與校正 .................................................................................83 補充材料 2：錯誤檢測與糾錯碼 ......................................................................84

3.3 計算機網絡性能指標 ......................................................................................90

3.3.1用户性能指標 .......................................................................................90

3.3.2定性的性能準則 ...................................................................................90

3.3.3服務質量 ..............................................................................................91 補充材料 3：分組交換網絡中的延遲 ...............................................................94

3.4 通信協議 ........................................................................................................97

3.4.1協議族 .................................................................................................98

3.4.2層模型 .................................................................................................99 補充材料 4：ISO/OSI分層模型 .................................................................... 102

3.4.3互聯網和 TCP/IP分層模型 ............................................................... 105

3.4.4協議功能 ............................................................................................ 109

3.5 術語表 ......................................................................................................... 112

第 4章多媒體數據及其編碼 ..................................................................................... 116

4.1 媒體的多樣性和多媒體格式問題 ................................................................... 116

4.2 信息和編碼 .................................................................................................. 118

4.2.1信息和熵 ............................................................................................ 118

4.2.2冗餘 ——帶來的是價值還是浪費 ....................................................... 120

4.3 文本的數據格式與壓縮 ................................................................................. 121

4.3.1文字編碼 ............................................................................................ 121 補充材料 5：統一碼標準 ............................................................................... 126

4.3.2文本壓縮 ............................................................................................ 128 補充材料 6：數據壓縮的簡單算法 ................................................................. 130

4.4 圖形的數據格式與壓縮算法 .......................................................................... 132 補充材料 7：什麼是顏色 ——顏色和顏色系統 ............................................. 135

4.4.1圖形數據行程長度編碼的變量 ............................................................ 140

4.4.2 LZW-算法 .......................................................................................... 141

4.4.3 GIF-格式 ............................................................................................ 143

目錄 vii

補充材料 8：GIF文件結構 ........................................................................... 144

4.4.4 PNG格式 .......................................................................................... 147

4.4.5 JPEG格式 ......................................................................................... 148 補充材料 9：JPEG壓縮和 JPEG文件格式 ................................................... 150

4.5音頻的數據格式與壓縮方法 .......................................................................... 159

4.5.1模擬-數字轉換 .................................................................................... 161

4.5.2無損壓縮的音頻數據格式 ................................................................... 164

4.5.3音頻壓縮 ............................................................................................ 166

4.5.4 MPEG音頻編碼 ................................................................................ 171 補充材料 10：MPEG-1音頻編碼 .................................................................. 173 補充材料 11：MP3文件結構 ........................................................................ 177

4.5.5其他音頻壓縮方法 .............................................................................. 183

4.5.6流媒體技術 ........................................................................................ 185

4.6視頻和動畫：數據格式及壓縮 ....................................................................... 185

4.6.1數字化視頻編碼 ................................................................................. 186

4.6.2視頻信號的壓縮 ................................................................................. 190

4.6.3運動補償和運動預測 .......................................................................... 193

4.6.4 MPEG壓縮：關鍵問題 ...................................................................... 194

4.6.5 MPEG壓縮：基本步驟 ...................................................................... 195

4.6.6 MPEG-2標準 ..................................................................................... 200 補充材料 12：MPEG數據格式 ..................................................................... 203

4.6.7 MPEG-4標準 ..................................................................................... 208

4.6.8 MPEG-7標準 ..................................................................................... 215

4.6.9 MPEG-21標準 ................................................................................... 219 補充材料 13：其他視頻格式和壓縮方法 ........................................................ 220

4.7術語表 ......................................................................................................... 223

第 5章數字安全 ...................................................................................................... 229

5.1計算機網絡安全基礎 .................................................................................... 229

5.1.1安全目標 ............................................................................................ 230

5.1.2加密原理 ............................................................................................ 233

5.2保密性和加密 ............................................................................................... 236

5.2.1對稱加密算法 ..................................................................................... 236 補充材料 14：歷史上簡單的加密算法 ............................................................ 236 補充材料 15：數據加密標準 (DES)和高級加密標準 (AES) ............................ 241

5.2.2非對稱加密算法 ................................................................................. 244 補充材料 16：RSA公鑰加密算法 .................................................................. 246

5.2.3身份驗證 ............................................................................................ 248

5.3數字簽名 ...................................................................................................... 252

5.3.1數據完整性和真實性 .......................................................................... 252

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5.3.2信息摘要 ............................................................................................ 253 補充材料 17：密碼學中的 Hash函數 ............................................................. 255

5.4公共密鑰基礎設施和證書 ............................................................................. 260

5.4.1密鑰分發中心 ..................................................................................... 260

5.4.2數字證書認證機構 .............................................................................. 262

5.4.3信託模式 ............................................................................................ 264

5.5術語表 ......................................................................................................... 265 第 6章後記 ............................................................................................................. 270 附錄 A人物索引 ...................................................................................................... 277 附錄 B縮略語 .......................................................................................................... 295 表格索引 ...................................................................................................................... 301 插圖索引 ...................................................................................................................... 302 參考文獻 ...................................................................................................................... 306 ^[1-2]