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1841年4月4日凌晨12:30，美國總統威廉·亨利·哈里森死於肺炎。

北卡羅來納報紙於4月14日發表了這則消息。

但他的死亡訊息，直到7月23日才被洛杉磯的人們所知，也就是事件發生後110天。

小馬的熵

在信息論中，熵表示的是不確定性的量度。信息論的創始人香農在其著作《通信的數學理論》中提出了建立在概率統計模型上的信息度量。他把信息定義為“用來消除不確定性的東西”。

在信息世界，熵越高，則能傳輸越多的信息，熵越低，則意味著傳輸的信息越少。

圖1 小馬的驛站系統

小馬快車是由馬匹、騎手和救援站組成的系統，從內布拉斯加州西端延伸到加州的薩克拉門託。

該系統允許信息在短短十天內傳遍全國。

圖2 中國古代早有的驛站

它需要157個“驛站”，以及體重不能超過125磅的騎手，以允許小馬儘快攜帶它們。

如果平均每位騎手攜帶一封信，每封信大約100字，相當於640千字節的信息。在十天的時間裡，這相當於大約每秒6比特的數據傳輸速率。

因為小馬快車系統，亞伯拉罕·林肯在1860年發表就職演說的消息，在短短七天內完成了傳遞。

但小馬快車在電報系統出現前十六個月就完成建立，在電報開通兩天後就中斷了。

五針電報

威廉庫克和惠斯通建立了一個系統，使用模擬信號和指針。

圖3 五針電報

這是歷史上第一款具備一定實用價值的電報機。

它的工作原理是通過閉合由電池與雙向開關構成的迴路，利用線圈的電磁效應來控制磁針的偏轉方向。

五針電報機，意思就是有五根磁針，這五根針排列在一個菱形刻度盤的中心線上。

刻度盤上畫有字母。

圖4 展覽館中的五針電報

發報者可以控制其中任意兩根磁針的偏轉，通過排列組合來指向特定字母。

這是一個相當巧妙的設想，可惜的是由於幾何學上的限制，這個機器只能傳送20個字母，J、C、Q、U、X、Z是沒法表示的。

電報

五針電報可以使用，但終究被淘汰。取而代之的是連接世界的是莫爾斯電報。

圖5 正在使用莫爾斯密碼發報的女人

莫爾斯電報允許操作員按下一個鍵，通過電報線發送信號。

長按被解釋為“破折號”，短按解釋為“點”。

在早期的二進制編碼形式中，這些點和破折號被翻譯成字母表。

該系統簡單、快速。

僅僅需要熟練的操作人員，需要最低的基礎設施投資。

圖6 不同的字母與數字對應的點與線

1844年，塞繆爾·莫爾斯發送了第一個遠距離電報：從華盛頓特區的最高法院分庭發送到巴爾的摩的一個火車站。電報的內容是“上帝做了什麼！”。

早期的電報是用繼電器(relay)來完成的。

繼電器是法拉第發明的。

繼電器就是把一支筆纏上很多圈銅線。當給銅線兩端通電時，鉛筆兩端就會產生磁吸現象，當斷電，鉛筆兩端磁吸立即消失。

所以，早期的繼電器具有開關效應。

圖7 莫爾斯

摩爾斯開始鋪設電報系統，在繼電器的開關處連接一支鋼筆。

在發報端開關時，另一端繼電器通電，鋼筆落到紙上寫點(dot)或寫劃(dash)。

紙是移動的，發報端短促的按開關，接收端寫點(dot)；

發報端慢按開關，接收端寫劃(dash)。

這樣用了不久，人們感覺不是很方便。

後來摩爾斯進行了改進。

把鋼筆去掉，在繼電器一端接一個發聲器。

這樣，發報端，急促按兩下開關，接收端發聲器就發出快速的“嘀嗒”聲，代表點(dot)；

發報端，慢一點按開關，接收端發聲器就發出慢一點的“嘀-嗒”聲，代表劃(dash)。

這就是最早的電報。

發送電報，就要鋪設電纜。如果實現遠距離的發送，必然要面臨跨越海洋。

第一次嘗試製造能在水下運行的電纜，使用的是瀝青和繩子。不幸的是，這些電纜既脆又不防水。

在1842年，一位蘇格蘭外科醫生從印度進口了一種用於醫療設備的汁液。這種汁液被稱為牙膠，現在被稱為乳膠。

這種柔軟、防水的材料成為第一根成功海底電纜的關鍵部件。

當與外層鋼絲結合，以賦予電纜強度，這種絕緣電纜成為第一種跨越大西洋的電纜。

圖8 早期海底電纜的橫截面。外金屬線是用來增強強度的。裡面的黑色材料是牙膠絕緣材料。實際的信號是

雖然發現了橡膠，但阻抗匹配的原則並沒有被發現，導致第一條電纜產生非常可怕的回聲和干擾，第一條信息的傳送花費了至少17個小時。

圖9 現代的海底光纜

2016年，跨大西洋光纜每秒可傳輸40千兆比特。因此，在過去的一百五十年裡，我們傳遞信息的能力大約提高了130000000000倍。

baudot碼

電報雖然很好，但它需要訓練有素的操作員，他們的速度受到人類感知的限制。

即使對莫爾斯密碼很熟悉，也很少能超過40個字/每分鐘(記錄是75.2)。

另外，電報只能在任何給定的電線上一次發送一條信息。

解決方案是某種數字代碼，您可以將字母映射到較少的比特，然後可以更快地通過電線發送。

第一個流行代碼是由埃米爾·波多特在1870年發佈的。

它將字母映射到五位，這些字母是用一個特殊的五個按鈕鍵盤鍵入的：

圖10 baudot鍵盤碼

控制器單元將每秒幾次從鍵盤讀取當前按下的字符。

直到今天，一條線路上的信號速度被稱為波多的“波特”。

Baudot的一個變體叫做ita 2(國際電報字母表)，幾乎所有電報和電傳打字機都使用它，直到1963年ascii碼發明。

即使如此，ascii仍然缺乏對許多國際和特殊字符的支持，這意味著在電傳打字機的整個生命週期中，特殊用途字符集仍在使用。

圖11 國際電報字母表

Baudot代碼的固定時間採集鍵入的字符，意味著可以在同一條電報線路上“存在”許多打字員和打印機，這是一個巨大的技術進步。

物理控制器單元依次旋轉、檢查和發送每個鍵盤上的當前字符。另一方面，類似旋轉的控制器會將每個字符發送到適當的打印機。

圖12 旋轉的控制器

可以傳輸數據的電話

大家會對調制解調器非常熟悉。

調制解調器是一種計算機硬件，它能把計算機的數字信號翻譯成可沿普通電話線傳送的模擬信號，而這些模擬信號又可被線路另一端的另一個調制解調器接收，並譯成計算機可懂的語言。這一簡單過程完成了兩臺計算機間的通信。

一般人的語音頻率範圍是300-3400Hz，為了進行話音信號在普通的電話系統中傳輸，在線路上給它分配一定的帶寬，國際標準取4KHz為一個標準話路所佔用的頻帶寬度。

在這個傳輸過程中:語音信號以300-3400Hz頻率輸入，發送方的電話機把這個語音信號轉變成模擬信號，這個模擬信號經過一個頻分多路複用器進行變化，使得線路上可以同時傳輸多路模擬信號，當到達接收端以後再經過一個解頻的過程把它恢復到原來的頻率範圍的模擬信號，再由接收方電話機把模擬信號轉換成聲音信號。

圖13 modem可以轉換數字與模擬信號

計算機內的信息是由"0"和"1"組成數字信號，而在電話線上傳遞的卻只能是模擬電信號。

不採取任何措施利用模擬信道來傳輸數字信號必然會出現很大差錯(失真)，故在普通電話網上傳輸數據，就必須將數字信號變換到電話網原來設計時所要求的音頻頻譜內(即300Hz-3400Hz)。

調制解調器就是起到這個作用！

圖14 調制解調器的出現

電話調制解調器的速度最終達到每秒56 kbit。

以太網

圖15 以太網結構

施樂是個神奇的地方(美國施樂公司)。

其中的科學家發明了我們今天使用的大量網絡技術，包括你正在閱讀的圖形用戶界面，以及這個頁面上javascript用來渲染它的模型-視圖-控制器架構。

計算機網絡有點簡單，當你只想把兩個設備連接在一起，來自一個設備的信號會到達另一個設備。

當你想把十幾臺，或者一百到一百萬臺計算機連接到千里之外的時候，它就變得更加複雜了。

現有的解決方案包括令牌環系統，每臺計算機都會輪流持有“令牌”

當它持有令牌時，它可以通信。

簡單點理解就是，大家要想發信息就必須取得一個叫令牌的東西，令牌總線把總線形或樹形網絡中的各個工作站按一定順序（如按接口地址大小）排列形成一個邏輯環，只有令牌持有者才能控制總線，才有發送信息的權力。

圖16 令牌環網

這個系統是有問題的，因為只有當每個節點都等概率的需要發送數據時，它才是非常有效率的；

而且，如果計算機鏈中的一個環節被破壞，整個系統就會崩潰。

然而，梅特卡夫在上大學的時候發現有機會建立一個系統，讓每臺電腦都能連接到一輛普通的“公共汽車”。

他稱其為“以太網”。就是指總線型網絡，它的名字是從光學上得來的（科學家幻想出一中叫以太的物質）網絡中大家共用，一條信息通道，大家要傳輸數據就要等，只有網絡空閒時才可以發送信息。

圖17 以太網

在實際情況下，以太網實現了近98％的吞吐量，遠遠高於令牌環可以實現的。

隨著計算硬件變得越來越便宜，以太網的碰撞檢測實際上變得越來越不重要。在大多數現代網絡中，每臺計算機都有自己的“交換機”連接。交換機對每個數據包需要放在哪裡進行智能決策，以使網絡不發生衝突。

總結

驛站、電報的通信髮式，啟發了後續的發明創造。

例如今天的條形碼和二維碼都是摩爾斯編碼發展而來，思想原理是一樣的，只是做法不同；

驛站有如現在4G\\5G通信中的基站節點一樣，今天的蜂窩通信與互聯網就是電報能力的擴展；

為了提升電報的發送效率，當時提出的各種編碼，啟發了後人，發明了各類存儲信息的內存、硬盤、磁盤、光盤等，進行二進制編碼存儲。

開關電路，啟發計算機中央處理器的發明。