计算机网络

计算机网络

导言

搞信息技术或工控的人，最头疼的恐怕就是“网络”这个概念了。

由于互联网的普及，许多网络术语已变得耳熟能详，比如WIFI、蓝牙、NFC、互联网（Internet）、局域网（LAN）、广域网（WAN）、以太网（EtherNET）、路由器（Router）、交换机（Switcher）、网关（Gateway）、防火墙（Firewall）、域名服务器（DNS）、IP地址等等。

不过，这些术语的背后，是一整套复杂的体系，几句话很难解释清楚。所以，网络就成了我们天天遇到的一只知识拦路虎。

我也曾不断在网上搜索，但至今也没能找到一篇可以引导小白入门的好文章，只好自己写。

物理层部分术语

一、信息、数据与信号

我们先从最简单的通信讲起，就以电话为例。

我们知道，声音是一种空气压力波。

电话机的拾音麦克（应变片传感器）接收到声压以后，会将其转换成波动的电压，并通过电话线传递给对方。对方话机再将波动的电压反向转换成线圈中波动的电流，就实现了通话。

以上提到的波动的电压，在通信领域，就叫做信号。

信号承载着真实世界的价值，比如上例中波动的电压承载着语音。这种被信号承载的实际物理量，在通信领域被称为信息。

不过，信息有很多，语音只是信息的一种，其他还可能包括温度、气压、速度、液位等等。而对于网络线路来讲，它并不需要知道具体信息是什么，只要保证正确传递即可。所以，对于底层硬件来说，无论什么信息，它都将其统称为数据。

于是，从不同视角考虑，就有了信息、数据和信号的差异。数据是信息的载体，信号是数据的表达。

二、传输媒介

传输信息的物理介质（如电缆），在通信领域被称为传输媒介，简称媒介。媒介可以是电缆（电话线、网线），也可能是光纤、电磁波、微波、激光等。

三、模拟信号与噪声

上面打电话的例子中，媒介中传输的是模拟信号。

模拟信号就是指时间上连续的波形，如下图曲线所示：

不过，模拟信号经过传输媒介远距离传输以后，会引入线路随机噪声，如下图所示：

噪声和原始信号叠加以后的波形如下图所示：

线路越长，噪声越大。超出一定距离以后，真实语音就辨识不出了。

由于噪声的存在，导致网络传输出现了失真。

于是人们就开始考虑：是否可以通过技术避免信号失真？于是就出现了数字信号。

四、数字编码

如何避免信号失真呢？

科学家想到，要是传输媒介上传输的不是模拟信号，而是数字，就不会出现有失真了。比如发送的是数字105，如果接受端也能收到105，就完美了。

如何让媒介传输数字呢？

如果设计一个下面的电路，开关在A屋，灯泡在B屋，让灯泡量代表1，灯泡灭代表0，就可以用线路传递数字了。

但是，这种只有0或者1的数字没有实际价值呀！

于是，大家想出了一个办法：

统一拍子，用0和1给所有的文字编码，就像密电码一样。比如用1011代表“你”，用0101代表“好”，那么这边发送10110101，对方就收到了“你好”，前提是双方要用一套同样的密码本。

如此编码以后，线路上依旧传输的是电压，信号依旧存在噪音干扰，但接收方可以准确把信号背后的数据还原出来，不会再有数据失真了。

于是，就有了“密码本”。

世界上有很多密码本。

最著名的是美国发明的ASCII码，只用8位0或者1，就把所有英文中可以用到的文字都表达出来了，如下图所示：

于是，美国人就公开了这个表，大家都按这个表发送和接受文字。于是通信就变成数字化通讯了，失真问题就彻底解决。

不过，这种方式传递文字还可以，但传递声音等模拟信息就不行了。我们总不能把本来的你好听成10110101吧？

于是，又出现了新技术。

五、采样、模数转换与数模转换

科学家的方法，就是把模拟量波形电压值测量出来，如果测量间隔足够密，再发送给对方，波形就变成了一串数字，如下图红色线所示：

接收方再设计一个电路，把这串数字自动转换成连续的电压，加入到听筒，于是就可以听到声音了。

下图中，左边是原始声音，每0.01秒测量一次波形电压，形成一串数字（中间图）发送给对方。接收方通过电路自动把数字转换回波形，就变成了右图的模样。

毫无疑问，经过这种变换以后，接收方听到的声音和原始声音也并不完全一致，平滑的波形变成了方波。不过只要时间足够短，这种失真就不会太大。

最重要的是：整个过程中，只有采样时发生一次失真，之后再不会进一步失真。

我们把模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换，对应的电路称为AD转换器。把数字转换为模拟信号的过程称为数模转换，对应的电路称为DA转换器。

90年代初出现的大哥大，就是模拟信号传输的。那时候有线固定电话也是模拟信号传输，所以通话距离越远，失真就越严重。后来，移动电话和固话都改成了数字电话，于是，即便打国际长途，双方也都可以听得清清楚楚了。

上图中，每一条竖线，叫做一次采样。采样间隔时间称为采样周期。采样周期的倒数就是采样频率。

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