软考高级--网络规划设计师(二)--计算机网络基础

一、计算机网络的分类

1.通信子网和资源子网。
通信子网：①也被称为“数据子网”，主要负责数据的传输和路由。②它由路由器、交换机、集线器等网络设备组成，这些设备负责在网络中转发数据包。③通信子网的目的是确保数据能够高效地在网络中流动，通常包含网络的物理层和数据链路层。
资源子网：①资源子网主要包含网络中的服务器、工作站、打印机等资源设备。②这些设备提供各种服务，如文件服务、打印服务、数据库服务等。③资源子网的目的是集中管理和提供网络资源，通常包含网络的应用层
2.按网络拓扑结构分
星型网络、总线型网络、环型网络、树型网络、全网状型网络、不规则型网络、混合型网络
3.按覆盖范围分
个域网（PAN）、局域网(LAN) 、城域网（MAN）和广域网(WAN)
4.按交换技术分
电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络

二、计算机网络体系结构

2.1 OSI模型

2.2 TCP/IP体系结构

三、数据通信基础

3.1 数据通信基本概念

3.1.1基本概念2018.14 码元速率和数据速率

1.信道带宽W
模拟信道：W=f2-f1（f2和f1分别表示：信道能通过的最高/最低频率，单位赫兹Hz）
数字信道：为信道能够达到的最大数据传输速率，单位是bit/s

2.码元
一个数字脉冲称为一个码元（可理解为时钟周期的信号）。M进制码元就表示码元的离散状态有M个，比如4进制码元就有这四种不同的状态00、01、10、11，所以一个码元携带2比特位信息量(一个码元携带信息量n（位）与码元种类数（N）的关系n=log2N)

3.码元速率（波特率）
1s内能发送的码元数量（脉冲个数/信号变化的次数）
如果码元宽度（脉冲周期）为T，则码元速率（波特率）为B=1/T，单位是波特Baud。
QPSK调制码元种类有4种，所以一个码元携带2个比特信息位

4.信息传输速率（比特率/信息速率）
1s内发送的比特数量
一个码元携带n比特信息量，码元速率为MBuad，则信息传输速率为M*n b/s

5.时延
发送时延＝分组长度/信道带宽(发送速率)
传播时延＝信道长度/电磁波在信道上的传播速率

3.1.2两个公式

香农定理

1.使用场景：带宽受限且有噪声的信道中
2.信道极限传输速率：S是信道所传信号的平均功率，N是噪声功率

3.信噪比
信噪比SNR是信号功率与噪声功率之间的比率，表达单位通常是分贝(dB)

4.例题

奈氏准则

1.使用场景：理想低通（无噪声，带宽受限）条件下
2.极限码元传输速率：2W Baud，W是信道带宽
3.极限数据传输速率：V表示有多少种不同的码元，如16种不同码元，则需要4个二进制位

4.结论
①信道带宽越宽，可以以更高的速率进行码元的有效传输。
②奈氏准则限制了码元最高传输速率，要提高数据传输速率，就要设法提高每个码元携带的比特位。

带宽/码元速率/数据速率关系梳理

3.2 数据编码（数据->数字信号）

3.2.1— 曼彻斯特编码(20MBaud的波特率只有10Mb/s的数据率，编码效率50%)

1.位周期中心向上跳变代表0，向下代表1，也可以反过来定义
2.两个码元占一位比特（即波特率是数据率的两倍）
3.将时钟和数据包含在信号数据流中，也称自同步码
4.典型的双相码，要求每一位都有一个电平转换，一高一低，必须翻转,具有自定时和检测错误的功能
5.使用场景：以太网

3.2.2— 差分曼特斯特编码（编码效率50%） 2018.12

1.位开始边界跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1（有0无1）
2.两个码元占一位比特（即波特率是数据率的两倍）
3.典型的双相码，要求每一位都有一个电平转换，一高一低，必须翻转,具有自定时和检测错误的功能
4.将时钟和数据包含在信号数据流中，也称自同步码
5.使用场景：令牌环

3.2.3— NRZI（反向非归零编码）

既能传输时钟信号，又能不损失系统带宽，信号翻转代表0，保持不变代表1

3.2.4— 4B/5B编码（编码效率80%，百兆以太网）2018.13

100Base-TX先4B/5B编码，再MLT-3编码
100Base-X先4B/5B编码。再NRZ-I编码

3.2.5— 8B/6T编码

快速以太网100BASE-T4采用8B/6T编码，原理为：先把信息按8bit分组，然后映射为6个3进制位（比如：0、+、-）。了解即可，具体编码细节不必深究。

3.2.6— 8B/10B编码（编码效率80%，千兆以太网）（2019.18）

每8个比特编码为10个比特，减少直流分量，增加时钟同步和错误检测能力。

3.2.7— MLT-3编码（2017.12、2019.15-16）

MLT-3编码常用于100BASE-TX，用3种电位状态分别表示“正电位”、“零电位”和“负电位”。

3.3 数字调制技术（数据->模拟信号）

数字数据不仅可以用方波脉冲传输，也可以用模拟信号传输。
1.（ASK，调幅）、（FSK，调频）、（PSK，调相）
2.调幅+调相QAM(正交幅度调制)：波特率为B，采用m个相位，每个相位n种振幅---->数据传输速率R=Blog2（mn）
3.采用4相位调制，即有4种变化，故一个码元可携带2bit信息
4. DPSK是2相调制，N=2，QPSK是4相调制，N=4。

3.4 脉冲编码调制PCM

把模拟信号转化成数字信号
1.对连续的模拟信号进行采样，量化，编码
2.采样频率>=2*模拟数据最大频率

3.5 通信方式和交换方式

3.5.1 通信方式

按通信方向分

①单工通信：信息只能在一个方向传送，发送方不能接收，接收方不能发送（电视/广播）。
②半双工通信：通信的双方可以交替发送和接收信息，但不能同时接收或发送（对讲机/Wi-Fi/Hub）。
③全双工通信：通信双方可同时进行双向的信息传送（电话/交换机）。

按同步方式分

①异步传输：
把各个字符分开传输，在字符之间插入同步信息，典型的是插入起始位和停止位。异步传输的优点是实现简单，但引入了起止位，会影响传输效率，导致速率不会太高。
②同步传输:
发送方在传送数据之前，先发送一串同步字符SYNC，接收方检测到2个以上SYNC字符就确认已经进入同步状态，开始准备接收数据。同步传输效率更高，在短距离高速数据传输中，大多采用同步传输方式。

3.5.2 交换方式

电路交换

1.在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路
2.建立连接—通信—释放连接
3.特点：独占资源，传输时延小，实时性强，效率低，无法纠正错误

报文交换

1.无需在两个站点之间建立一条专用通路，传送过程采用存储转发
2.通信双方无需预先建立一条专用通信线路
3.对报文大小没有限制，要求网络结点有较大的缓存空间

分组交换

数据报方式（不规定线路，无连接，不可靠，数据不按序）

1.为网络层提供无连接服务，发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组
2.同一报文的不同分组到达目的结点时可能发生乱序，重复
3.每个必须携带源地址和目的地址，以及分组号

虚电路方式（规定线路，有连接，可靠，数据按序）

1.虚电路有临时连接和永久连接
2.分组发送前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径

3.5.3 常见的网络类型

分组交换网络(包括数据报交换和虚电路交换)

1.因特网（Internet）：使用IP协议进行数据传输，是全球最大的分组交换网络
2.X.25网络：早期的分组交换网络，主要用于连接远程计算机系统。
3.ATM网络：异步传输模式，虽然现在较少使用，但曾是高速分组交换网络的一种。
4.移动通信网络：如4G LTE和5G网络，虽然它们使用不同的技术，但核心也是基于分组交换。
5.帧中继（Frame Relay）：一种高性能的分组交换技术，用于连接局域网和广域网。

报文交换网络

1.早期的电报网络：使用报文交换技术，将整个消息作为一个整体进行传输。

电路交换网络

1.传统电话系统（POTS）：一种传统的电路交换电话系统。
2.ISDN（Integrated Services Digital Network）：综合业务数字网络，提供语音、视频和数据的电路交换服务。
3.公共交换电话网络（PSTN）：传统的电话网络，使用电路交换技术连接电话呼叫。

3.6 多路复用技术

3.6.1 频分多路复用(FDM)

适用于模拟信号，将物理信道的总带宽分割成若干个子信道

频分多路复用典型应用：无线电广播、ADSL、FDD-LTE

3.6.2 时分多路复用(TDM)

时分多路复用典型应用：T1/E1、SONET/SDH、WIFI、TDD-LTE
①同步时分多路复用
将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM）每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙
②异步时分多路复用(STDM，统计时分多路复用)
采用STDM帧，不固定分配时隙，而按需动态分配时隙，当终端有数据要传送时，才会分配到时间片

3.6.3 波分多路复用(WDM)

使用在光纤通信中，不同的子信道用不同波长的光波承载，多路复用信道同时传送所有子信道的波长。
光纤频率与波长关系：光速=波长*频率

3.6.4 码分多路复用(CDM)

①采用不同的编码来区分各分路原始信号的一种复用方式
②各个站点码片序列相互正交
③共享信道的频率，又共享时间
④要知道那个站点发送的数据是什么将线性相加的结果与各个站点的码片序列进行规格化内积，结果为1则发送的数据为1，为-1则发送的数据为0，为0说明没有发送数据。
eg.各个站点的码片序列相互正交

eg.计算收到的数据

3.7 扩频技术

扩频技术主要是为了提供通信系统的抗干扰性，改进通信质量，核心思想是将信号散布到更宽的带宽上以减少发生阻塞和干扰的机会。

3.7.1 直接序列扩频（DSSS，简称直接扩频）

如果输入数据是1，加上伪随机数1001，经过异或运算可以将输入数据转换为0110，增加了传输数据量，但可以有效防止数据因干扰而产生错误。无线Wi-Fi一般采用直接序列扩频技术

3.7.2 频率跳动扩展频谱（FHSS，简称跳频）

跳频技术通信频率不固定，不容易被窃听，安全性高，可应用于军事领域，同时具有抗干扰和抗信号衰落的优点。蓝牙一般采用跳频技术
增加带宽可以在低信噪比、等速率的情况下，提高数据传输的可靠性

3.8 差错控制

检错：接收方知道有差错发生，但不知道是怎样的差错，向发送方请求重传。
纠错：接收方知道有差错发生，而且知道是怎样的差错。

3.8.1 奇偶校验