第三课：信息编码与网络基础

一、信息编码基础

1.1 二进制基础

计算机使用二进制系统（0和1）表示所有数据

转换示例：

#include <bitset>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int num = 42;
    bitset<8> binary(num); // 8位二进制表示
    
    cout << "十进制: " << num << endl;
    cout << "二进制: " << binary << endl;
    cout << "十六进制: 0x" << hex << num << endl;
    
    return 0;
}

1.2 数据单位

单位	中文名称	换算关系	示例
KB	千字节（Kilobyte）	1 KB = 1024 Byte	一张低分辨率图片 ≈ 100 KB
MB	兆字节（Megabyte）	1 MB = 1024 KB = $1{,}048{,}576$ Byte	一首MP3歌曲 ≈ 4 MB
GB	吉字节（Gigabyte）	1 GB = 1024 MB	一部高清电影 ≈ 1-5 GB
TB	太字节（Terabyte）	1 TB = 1024 GB	一块普通机械硬盘 ≈ 1-4 TB
PB	拍字节（Petabyte）	1 PB = 1024 TB	大型数据中心存储 ≈ 数百PB
EB	艾字节（Exabyte）	1 EB = 1024 PB	全球互联网流量每月 ≈ 数百EB

1.3 ASCII码详解

核心知识：

• 标准ASCII：7位编码（0-127），包含：
  • 控制字符（0-31）：回车(13)、换行(10)、退格(8)
  • 可打印字符（32-126）：空格(32)、数字(48-57)、大写字母(65-90)、小写字母(97-122)
• 扩展ASCII：8位编码（128-255），包含特殊符号
• 大小写转换：小写字母ASCII码 = 大写字母ASCII码 + 32

C++实践：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 大小写转换
    char lower = 'a';
    char upper = char(lower - 32);
    cout << "小写a转大写: " << upper << endl;
    
    // 字符类型判断
    char ch = '7';
    if(ch >= '0' && ch <= '9') {
        cout << ch << " 是数字" << endl;
    } else if((ch >= 'A' && ch <= 'Z') || (ch >= 'a' && ch <= 'z')) {
        cout << ch << " 是字母" << endl;
    }
    return 0;
}

真题：

1. 字符'A'的ASCII码是65，则字符'D'的ASCII码是（ ）
   A. 68 B. 69 C. 70 D. 71
   答案：A（字母连续排列）

2. 执行cout << (char)(97-32);输出结果是（ ）
   A. A B. a C. 65 D. 97
   答案：A

3. 以下哪个ASCII码表示空格？
   A. 10 B. 13 C. 32 D. 48
   答案：C

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1.4 汉字信息编码深度解析

编码体系：

编码类型	作用	示例	特点
输入码（外码）	汉字输入	拼音、五笔	用户交互界面
机内码（内码）	内部存储	GB2312、GBK	双字节（16位）
字形码	显示打印	点阵字库	16×16=32字节/字

编码转换过程：

区位码 → +0x2020 → 国标码 → +0x8080 → 机内码

示例计算：

• "啊"的区位码：1601（十进制）
• 区码16 → 0x10（十六进制）
• 位码01 → 0x01（十六进制）
• 国标码：0x10+0x20=0x30, 0x01+0x20=0x21 → 0x3021
• 机内码：0x30+0x80=0xB0, 0x21+0x80=0xA1 → 0xB0A1

存储计算：

• 24×24点阵汉字：(24×24)/8 = 72字节
• 1000个汉字存储空间：1000×72 = 72,000字节 ≈ 70.3KB

真题：

1. 汉字"中"的区位码是5448，其机内码是（ ）
   A. 5650H B. D6D0H C. 3630H D. CEC4H
   解答：区位码54→0x36, 48→0x30 → 国标码0x5650 → 机内码0xD6D0 → 答案：B

2. 存储500个32×32点阵汉字需要（ ）KB
   A. 62.5 B. 125 C. 250 D. 500
   解答：(32×32)/8 = 128字节/字 → 500×128 = 64,000字节 = 62.5KB → 答案：A

3. 汉字输入法属于（ ）
   A. 内码 B. 外码 C. 字形码 D. 交换码
   答案：B

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1.5 多媒体编码技术

图片编码：

格式	压缩类型	特点	适用场景
BMP	无压缩	质量高、体积大	图像处理
JPEG	有损压缩	高压缩比	网页图片
PNG	无损压缩	支持透明通道	图标、网页元素

存储计算：
宽(像素) × 高(像素) × 色深(位) / 8

音频编码：

参数：

• 采样率（Hz）：44.1kHz（CD标准）
• 量化位数（位）：16位（CD标准）
• 声道数：1（单声道）、2（立体声）

存储公式：
采样率 × 量化位数 / 8 × 声道数 × 时间(秒)

视频编码：

核心参数：

• 分辨率：1920×1080（1080p）
• 帧率：24/30/60 fps
• 编码格式：H.264、H.265

真题：

1. 44.1kHz、16位、立体声音频，1分钟数据量约（ ）
   A. 5MB B. 10MB C. 15MB D. 20MB
   解答：44100×2×2×60÷1048576≈10.09MB → 答案：B

2. 1920×1080分辨率、24位色深视频，1帧未压缩大小约（ ）
   A. 2.37MB B. 5.93MB C. 6.22MB D. 24.88MB
   解答：1920×1080×3÷1048576≈5.93MB → 答案：B

3. 以下采用有损压缩的是（ ）
   A. PNG B. FLAC C. MP3 D. ZIP
   答案：C

二、计算机网络基础

2.1 什么是计算机网络

计算机网络是将地理位置不同的、具有独立功能的计算机系统通过通信设备和线路连接起来，实现资源共享和信息传递的系统。

核心要素：

• 节点：计算机、服务器、路由器等
• 连接介质：网线、光纤、无线电波
• 协议：TCP/IP、HTTP、FTP等

2.2 网络分类

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    cout << "网络类型分类：" << endl;
    cout << "1. 局域网 (LAN) - 覆盖范围小（<1km）" << endl;
    cout << "2. 城域网 (MAN) - 覆盖一个城市" << endl;
    cout << "3. 广域网 (WAN) - 覆盖范围大（>100km）" << endl;
    cout << "4. 互联网 (Internet) - 全球范围的网络互联" << endl;
    return 0;
}

2.3 网络拓扑结构

• 星型拓扑：中央节点连接所有设备
• 总线型：所有设备共享一条主干线
• 环型：设备形成环形连接
• 网状型：设备间有多条路径连接

网络拓扑结构对比分析表

特性	星型拓扑	总线型拓扑	环型拓扑	网状型拓扑
连接方式	中央节点连接所有设备	所有设备共享单条主干线	设备形成闭环单向连接	设备间多路径冗余连接
可靠性	★★☆☆☆中心节点故障全网瘫痪	★☆☆☆☆主干线故障全网瘫痪	★★★☆☆单点故障影响全环	★★★★★多点故障仍可运行
扩展性	★★★★☆易添加新设备	★★☆☆☆扩展需中断网络	★★★☆☆添加设备需中断环	★★★★☆可动态添加节点
故障影响范围	中心节点故障：100%边缘故障：局部	主干线故障：100%设备故障：局部	任何节点/线路故障：100%	单点故障：0%影响需多个节点故障才影响
传输性能	依赖中心设备性能延迟稳定	CSMA/CD冲突严重负载>40%时性能骤降	令牌控制无冲突确定性延迟	多路径负载均衡高吞吐量
安装成本	中等（需中央设备）	最低（布线简单）	中等（专用设备）	最高（布线复杂）
维护复杂度	简单（集中管理）	困难（故障定位难）	中等（需环网管理协议）	复杂（路由配置繁琐）
管理开销	低	低	中	高
数据流向	中心节点集中控制	广播式传播	单向循环	动态路径选择
典型应用场景	办公室网络校园网接入层	早期以太网（已淘汰）	工业控制系统令牌环网络	互联网骨干网军事通信
代表技术标准	10/100/1000BASE-T	10BASE2/10BASE5	Token Ring, FDDI	OSPF, BGP路由协议
安全性	较高（隔离性好）	低（数据广播易监听）	中	高（加密路由）
带宽利用率	70-85%	30-40%	80-95%	90%+
现代使用比例	85%+（主流拓扑）	< 1%（基本淘汰）	5%（特定工业场景）	10%（骨干网络）

关键对比维度详解

1. 故障恢复能力

2. 性能随规模变化

2.4 OSI网络分层模型与常见网络协议

协议对比：

协议	可靠性	连接性	速度	应用场景
TCP	高	面向连接	较慢	网页浏览、文件传输
UDP	低	无连接	快	视频流、在线游戏

真题：

1. 电子邮件传输使用的协议是（ ）
   A. HTTP B. FTP C. SMTP D. UDP
   答案：C

2. 视频会议最可能使用（ ）
   A. TCP B. UDP C. HTTP D. FTP
   答案：B

3. 路由器工作在（ ）
   A. 物理层 B. 数据链路层 C. 网络层 D. 传输层
   答案：C

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2.5 IP地址与子网划分

IP地址分类：

类别	首字节范围	默认掩码	网络/主机位
A	1-126	255.0.0.0	8/24
B	128-191	255.255.0.0	16/16
C	192-223	255.255.255.0	24/8

子网划分示例：

• IP地址：192.168.1.100
• 子网掩码：255.255.255.192
• 网络地址：192.168.1.64
• 可用主机范围：192.168.1.65～192.168.1.126
• 广播地址：192.168.1.127

C++子网计算：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    unsigned ip = 0xC0A80164; // 192.168.1.100
    unsigned mask = 0xFFFFFFC0; // 255.255.255.192
    
    unsigned network = ip & mask;
    unsigned broadcast = network | ~mask;
    
    cout << "网络地址: " 
         << ((network>>24)&0xFF) << "." 
         << ((network>>16)&0xFF) << "." 
         << ((network>>8)&0xFF) << "." 
         << (network&0xFF) << endl;
         
    cout << "广播地址: " 
         << ((broadcast>>24)&0xFF) << "." 
         << ((broadcast>>16)&0xFF) << "." 
         << ((broadcast>>8)&0xFF) << "." 
         << (broadcast&0xFF) << endl;
    return 0;
}

真题：

1. 192.168.2.1属于（ ）
   A. A类地址 B. B类地址 C. C类地址 D. 私有地址
   答案：D

2. 子网掩码255.255.255.128对应的CIDR表示是（ ）
   A. /24 B. /25 C. /26 D. /27
   答案：B

3. IP地址202.113.25.55，子网掩码255.255.255.0，网络地址是（ ）
   A. 202.113.25.0 B. 202.113.0.0 C. 202.0.0.0 D. 202.113.25.55
   答案：A

---

2.6 域名系统（DNS）

解析过程：

C++模拟DNS缓存：

#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;

class DNSCache {
private:
    map<string, string> cache;
public:
    void addEntry(string domain, string ip) {
        cache[domain] = ip;
    }
    
    string query(string domain) {
        if(cache.find(domain) != cache.end()) {
            return cache[domain];
        }
        return "Not Found";
    }
};

int main() {
    DNSCache dns;
    dns.addEntry("baidu.com", "110.242.68.66");
    dns.addEntry("csp.org", "203.0.113.5");
    
    cout << "baidu.com => " << dns.query("baidu.com") << endl;
    cout << "google.com => " << dns.query("google.com") << endl;
    return 0;
}

真题：

1. DNS解析的最终结果是获得（ ）
   A. MAC地址 B. IP地址 C. 端口号 D. 域名
   答案：B

2. 以下哪个是顶级域名？
   A. www B. example C. .com D. example.com
   答案：C

3. 本地DNS缓存查询属于DNS解析的（ ）
   A. 第一步 B. 第二步 C. 第三步 D. 最后一步
   答案：A

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2.7 HTML基础

核心结构：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>页面标题</title>
</head>
<body>
    <header>
        <h1>网站标题</h1>
        <nav>
            <a href="#home">首页</a>
            <a href="#news">新闻</a>
        </nav>
    </header>
    
    <main>
        <article>
            <h2>文章标题</h2>
            <p>段落内容</p>
            <img src="image.jpg" alt="示例图片">
        </article>
    </main>
    
    <footer>
        <p>© 2023 网站名称</p>
    </footer>
</body>
</html>

常用标签：

标签	作用	示例
<a>	超链接	<a href="https://csp.org">CSP</a>
<img>	插入图片	<img src="logo.png" alt="Logo">
<table>	创建表格	<tr><td>单元格</td></tr>
<form>	创建表单	<input type="text" name="username">

真题：

1. 定义HTML文档类型的声明是（ ）
   A. <html> B. <!DOCTYPE> C. <head> D. <body>
   答案：B

2. 创建超链接的标签是（ ）
   A. <link> B. <a> C. <href> D. <url>
   答案：B

3. 插入图片的正确属性是（ ）
   A. url B. source C. src D. image
   答案：C

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三、计算机语言

3.1 语言演进与技术

语言发展史：

语言对比：

特性	机器语言	汇编语言	C++	Python
可读性	极低	低	中	高
执行效率	极高	高	高	中
开发效率	极低	低	中	高
内存控制	直接	直接	手动	自动
典型应用	固件	驱动	系统	脚本

汇编语言示例（x86）：

section .data
    msg db 'Hello, Assembly!', 0xA
    len equ $ - msg

section .text
    global _start

_start:
    ; 系统调用号 (sys_write)
    mov eax, 4
    ; 文件描述符 (stdout)
    mov ebx, 1
    ; 消息地址
    mov ecx, msg
    ; 消息长度
    mov edx, len
    ; 调用内核
    int 0x80

    ; 退出系统调用
    mov eax, 1
    int 0x80

C++编译过程：

真题：

1. CPU直接执行的是（ ）
   A. C++代码 B. Java字节码 C. 机器码 D. Python脚本
   答案：C

2. 将汇编代码转换为机器码的是（ ）
   A. 编译器 B. 解释器 C. 汇编器 D. 链接器
   答案：C

3. 以下属于解释型语言的是（ ）
   A. C B. C++ C. Java D. Python
   答案：D

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四、综合应用题

1. 汉字编码计算：
   汉字"国"的区位码是2590，求其机内码（十六进制）
   解答：

   区位码(十进制): 区=25, 位=90
   十六进制: 19H, 5AH
   国标码 = 区位码 + 2020H = 193AH + 2020H = 395AH
   机内码 = 国标码 + 8080H = 395AH + 8080H = B9DAH

2. 网络配置：
   主机IP：172.16.8.1，子网掩码：255.255.0.0
   求网络地址和广播地址
   解答：

   网络地址: 172.16.0.0
   广播地址: 172.16.255.255

3. 多媒体存储：
   双声道音频，采样率48kHz，16位量化，时长5分钟
   计算未压缩数据量
   解答：

   48,000×2×2×300÷1024÷1024≈54.93MB

综合应用题（10道）

1. 汉字编码计算

题目：
汉字"科"的区位码是3139，求：

1. 国标码（十六进制）
2. 机内码（十六进制）
3. 在24×24点阵下占用的存储空间（字节）

解答：

1. 区位码: 区=31, 位=39
   十六进制: 1F27H
   国标码 = 区位码 + 2020H = 1F27H + 2020H = 3F47H
   
2. 机内码 = 国标码 + 8080H = 3F47H + 8080H = BF47H
   实际存储为 BFC7H（因为47H+80H=C7H）
   
3. 点阵空间 = (24×24)/8 = 72字节

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2. IP子网划分

题目：
给定IP地址：172.16.150.25/20

1. 计算子网掩码
2. 求网络地址
3. 求广播地址
4. 可用IP地址范围

解答：

1. /20 = 255.255.240.0
2. 网络地址：
   150二进制: 10010110
   子网掩码: 11110000 (240)
   按位与：10010000 = 144 → 172.16.144.0
3. 广播地址：172.16.159.255
4. 可用范围：172.16.144.1 - 172.16.159.254

---

3. 音频存储计算

题目：
某音频采用以下参数：

• 采样率：48kHz
• 量化位数：24位
• 声道数：5.1环绕声（6声道）
• 时长：2分30秒

计算未压缩数据量（MB，保留两位小数）

解答：

计算公式：
  数据量 = 采样率 × 量化位数/8 × 声道数 × 时间(秒)
  
代入：
  48,000 × (24/8) × 6 × 150
  = 48,000 × 3 × 6 × 150
  = 48,000 × 2,700
  = 129,600,000字节
  129,600,000 ÷ 1,048,576 ≈ 123.60 MB

---

4. DNS解析过程

题目：
描述在浏览器访问https://www.cspcontest.org时，DNS解析的完整过程（包括缓存查询）

解答：

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5. 网络协议分析

题目：
某主机发送数据包到203.0.113.5:80：

1. 该地址属于哪一层协议？
2. 传输层可能使用什么协议？为什么？
3. 若使用TCP协议，建立连接需要几次握手？

解答：

1. 传输层（TCP/UDP套接字地址）
2. TCP协议（:80是HTTP默认端口）
3. 3次握手：
   SYN → SYN-ACK → ACK

---

6. HTML结构修正

题目：
找出以下HTML代码中的5处错误并修正：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>CSP测试页</title>
<body>
    <h1>欢迎参加CSP-J竞赛</h2>
    <img source="logo.png" alt="赛事标志">
    <a link="https://csp.org">官方网站</a>
    <p><b>重要日期：<b>2023年10月21日</p>
</body>
</html>

解答：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>CSP测试页</title>
</head>  <!-- 1. 缺少head闭合标签 -->
<body>
    <h1>欢迎参加CSP-J竞赛</h1>  <!-- 2. h1/h2不匹配 -->
    <img src="logo.png" alt="赛事标志">  <!-- 3. source应为src -->
    <a href="https://csp.org">官方网站</a>  <!-- 4. link应为href -->
    <p><b>重要日期：</b>2023年10月21日</p>  <!-- 5. b标签未正确嵌套 -->
</body>
</html>

---

7. 语言转换分析

题目：
将以下C++代码转换为汇编语言（x86）和机器语言：

int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;

解答：

汇编语言：
mov eax, 10     ; a = 10
mov ebx, 20     ; b = 20
add eax, ebx    ; c = a + b
mov [c], eax    ; 存储结果

机器语言（部分）：
B8 0A 00 00 00   ; mov eax, 10
BB 14 00 00 00   ; mov ebx, 20
01 D8            ; add eax, ebx
A3 [c_addr]      ; mov [c], eax

---

8. 视频存储计算

题目：
某1080p视频（1920×1080）参数：

• 帧率：30 fps
• 色深：24位
• 时长：10分钟
• 压缩率：50:1

计算：

1. 未压缩总数据量（GB）
2. 压缩后文件大小（MB）

解答：

1. 单帧大小 = 1920×1080×3 = 6,220,800字节
   总帧数 = 30×60×10 = 18,000帧
   未压缩大小 = 6,220,800 × 18,000 = 111,974,400,000字节 ≈ 104.31 GB
   
2. 压缩后大小 = 104.31 GB / 50 = 2.0862 GB ≈ 2137 MB

---

9. 网络配置问题

题目：
某网络配置如下：

• IP地址：192.168.3.100
• 子网掩码：255.255.255.224
• 网关：192.168.3.1
• DNS：8.8.8.8

求：

1. 网络地址
2. 广播地址
3. 本网段可用IP数量
4. 该主机能否直接访问192.168.3.50？

解答：

1. 网络地址：
   224二进制：11100000
   100二进制：01100100 → 网络位：01100000 = 96 → 192.168.3.96
   
2. 广播地址：192.168.3.127（主机位全置1，01111111）
3. 可用IP数：-2=30个（主机位5位）
可用地址数：总地址（2^5=32） - 2（网络地址11100000 + 广播地址01111111）
4. 可以访问（50在96-127范围内）

---

10. 协议栈综合

题目：
描述从在浏览器输入https://www.example.com到页面显示的全过程（包含各层协议）

解答：

1. 应用层：
   - DNS解析：www.example.com → IP
   - HTTP GET请求（HTTPS加密）
   
2. 传输层：
   - TCP三次握手建立连接
   - 端口：源端口随机，目标端口443(HTTPS)
   
3. 网络层：
   - IP协议封装：源IP(本机) → 目标IP(服务器)
   - 路由选择
   
4. 数据链路层：
   - 封装MAC地址：源MAC(本机) → 网关MAC
   - ARP协议获取网关MAC
   
5. 物理层：
   - 转换为电信号/光信号传输
   
6. 服务器响应：
   - 反向解包过程
   - 返回HTTP响应（HTML/CSS/JS）
   
7. 浏览器渲染：
   - 解析HTML构建DOM树
   - 加载资源并渲染页面