计算机网络第一章-优快云博客

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第一章

1.1 网络体系结构

计算机一切皆0、1
在计算机内部，数据的存储、运算、通信均是采用二进制

网络协议

协议三要素
网络协议(network protocol)，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

语法(network protocol)，即数据与控制信息的结构或格式。例如，地址字段多长以及它在整个分组中的什么位置。
语义(network protocol)，即各个控制信息的具体含义，包括需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
同步(或时序)(network protocol)，即事件实现顺序和时间的详细说明，包括数据应该在何时发送出去以及数据应该以什么速率发送。

协议的分层模型

分层设计

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的，计算机网络是一个非常复杂的系统。
“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
采用分层的方法来组织和设计计算机网络的各种协议

公司文件交互分层实例

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计算机网络层次结构的好处

各层之间是独立的
灵活性好
结构上可分割开
易于实现和维护
有利于功能复用
能促进标准化工作

计算机的网络体系结构

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OSl的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用
TCP/IP最下面的网络接口层并没有定义具体内容。
因此在学习计算机网络原理时往往采用具有五层协议的原理体系结构

各层协议要解决的问题

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应用层 解决应用进程之间的通信，比如两个微信之间的通信。
传输层 TCP/UDP协议做进程的区分，通过端口号来区分不同的进程，判断数据传输给哪个应用进程，我们称之为端到端（端口、末端）通信
网络层 解决主机之间的的通信当进程把数据给了传输层，传输层把数据给了网络层，网络层把数据送到对方主机，我们把它称之为点到点通信，也就是节点之间的通信
链路层 链路层解决的是一条链路之间两端之间的通信，局域网、广域网链路两端的通信
物理层 物理层指的是整个通信过程中所用到的物理元件或者物理链路等，解决最终0101的传输（最底层）网线、光纤

各层协议的主要功能

应用层: 如何通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。
运输层:负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
网络层: 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
数据链路层: 将分组从链路的一端传送到另一端。
物理层: 在传输媒体上传送比特流。

主机1 向主机2 发送数据过程

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各层协议在实现自己的功能时都需要加上自己特殊的控制信息，而这些控制信息就作为首
部添加在上层协议数据单元之外。

本章小结

理解网络分层模型
(OSI七层、TCP/IP四层、五层)
网络通信的实现过程
(自上向下封装数据，自下向上解封装数据)

1.2 数据通信基础

1.2.1 几个常用术语

数据(data):承载信息的实体。
信号(signal):数据的电气的或电磁的表现。

模拟信号(analogous signal):代表消息的参数的取值是连续的。（电话线、WiFi无线传输）

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数字信号(digital signal):代表消息的参数的取值是离散的。（光纤、双绞线）

同轴电缆既有模拟信号也有数字信号

码元(code):在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
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1.2.2 编码与调制

要利用信道传输数据，必须将数据转换为能在传输媒体上传送的信号。
信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。
数字数据转换成数字信号的过程称为编码(coding)。
数字信号还原成数字数据称之为解码。
数字数据转换成模拟信号的过程称为调制(Modulation) 。
模拟信号还原成数字信号称之为解调。

1.2.2.1 常用编码方式

归零制:正脉冲代表1，负脉冲代表0。
不归零制:正电平代表1，负电平代表0。
曼彻斯特编码:在每一位的中心处始终都有跳变。位周期中心的上跳变代表0，位周期中心的下跳变代表1。
差分曼彻斯特编码:位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。（0变1不变）

曼彻斯特及差分曼彻斯特编码具有自同步能力
传统以太网采用曼彻斯特编码
令牌环网采用差分曼彻斯特编码

1.2.2 基本调制方法

调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化，即幅移键控ASK(Amplitude-Shift Keying)。
调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化，即频移键控FSK(Frequency-Shift Keying)。
调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化，即相移键控PSK(Phase-Shift Keying)。
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常见调制方式

BPSK:二进制相移键控，2种状态，表示1位bit
QPSK:正交相移键控，4种状态，表示2位bit
QAM:正交幅度调制，是相位和幅度调制的组合

16-QAM:16种状态，表示4位bit
32-QAM:32种状态，表示5位bit
64-QAM:64种状态，表示6位bit
256-QAM:256种状态，表示8位bit
1024-QAM:1024种状态，表示10位bit

1.2.3 信道的极限容量

1.2.3.1 信道的极限容量-奈氏准则

奈氏准则:理想低通信道的最高码元传输速率 =2W 波特，W 是理想低通信道的带宽单位为赫(Hz)。波特，码元传输速率的单位，即码元/秒。

码元传输的最高速率=2W(码元/秒)

信道的数据最大传输速率R_max可表达为
R_max = 2Wlog₂M
W为信道的带宽(以 Hz 为单位);
M为码元状态;

奈氏准则举例
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如果是波特率就不用×2
速率的进制是千进制 10³
存储单位的进制是1024进制 2¹⁰

1.2.3.2 信道的极限容量-香农公式

1948年，香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率(香农公式)

信道的极限信息传输速率 C可表达为
C = W log₂(1 + S/N)
W为信道的带宽(以 Hz 为单位);
S 为信道内所传信号的平均功率;
N 为信道内部的高斯噪声功率。
信噪比(dB) = 10 log₁₀(S/N) (dB)

香农公式举例
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1.2.4 传输方式

并行传输和串行传输
并行传输，是指一次发送n个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。(速度快、距离近、主机内传输)
串行传输，是指数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端和接收端之间只需要一条传输线路即可。(速度慢、距离远、主机间传输)
异步传输和同步传输
同步就是指收发双方在时间基准上保持一致的过程。异步传输和同步传输是指两种采用不同同步方式的传输方式
异步传输以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。(短信聊天)
同步传输以稳定的比特流的形式传输，要采取技术使收发双方的时钟保持同步。例如，收发双方接收同一时钟源的时钟信号来实现收发双方的同步，或采用具有自同步能力的曼彻斯特编码等。(视频电话)
单工、半双工、全双工
单工通信(单向通信)只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。(收听广播、电视)
半双工通信(双向交替通信)通信的双方都可以发送信息但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。(对讲机)
全双工通信(双向同时通信)通信的双方可以同时发送和接收信息。(打电话)

本章小结

编码方式
(归零、不归零、曼彻斯特、差分曼彻斯特)
调制方式
(调幅AM、调频FM、调相PM)
信道的极限容量
(香农定理-有噪声、奈氏准则-码元速率)
数据传输方式分类
(并行/串行、同步/异步、单工/半双工/全双工)

真题解析

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1.3 传输媒体

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

1.3.1 导引型传输媒体

双绞线(Twisted Pair)

绞合可减小对相邻导线的电磁干扰。
通常多根双绞线再绞合成双绞线电缆
- 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)（无屏蔽层）
- 无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)（外层有屏蔽层，每根线外也有屏蔽层，每根线之间的串扰更少，工艺质量更高，价格相对UTP较高）

水平系统双绞线较多、垂直系统多用光纤

双绞线主要参数

回波损耗:是指信号在传输过程中被反射回来的功率与输入功率的比值，通常用分贝(dB)表示。
衰减:信号在传输介质中传播时，将会有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这种现象称为衰减。
串扰:串音是指在一根电缆中不同线对之间由于耦合产生的不需要的信号。串音分为远端串音(FEXT)和近端串音(NEXT)，测试仪主要是测量NEXT。
衰减串扰比:是指衰减后的信号强度与被干扰到的噪音强度的比值。

光纤

光纤是光纤通信的传输媒体。光纤通信就是利用光导纤维(简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。
由于可见光的频率非常高，约为 105 GHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤非常细，连包层一起的直径125um。因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。

多模与单模