计算机网络：1概述、2物理层

概述

因特网

网络、互连网（互联网）与因特网的区别与关系

若干节点和链路互连形成网络，若干网络通过路由器互连形成互连网，世界上最大的互连网是互联网（因特网Internet）。

因特网发展的三个阶段

因特网服务提供者（Internet Service Provider，ISP）

如，中国电信、联通、移动，还有教育网。因特网已发展成为基于ISP的多层次结构的互连网络。

因特网的标准化工作

去掉了草案标准

因特网的管理结构

三种交换

电路交换

线路的传输效率一般都会很低，线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。

分组交换

优点：没有建立连接和释放连接的过程。有较高的通信线路利用率。交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。
缺点：分组首部带来了额外的传输开销；时延；无法确保通信时端到端通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞；分组可能会出现失序和丢失等问题。

报文交换

报文交换是分组交换的前身。在报文交换中，报文被整个地发送，而不是拆分成若干个分组进行发送。交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也大很多。

若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间远大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据传送往往是突发式的，采用电路交换时通信线路的利用率会很低。
报文交换和分组交换都不需要建立连接（即预先分配通信资源），在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率。
将报文构造成若干个更小的分组进行分组交换，比将整个报文进行报文交换的时延要小，并且还可以避免太长的报文长时间占用链路，有利于差错控制，同时具有更好的灵活性。

计算机网络

早期定义：互连，自洽，计算机集合
现在定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件（不限于计算机）互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

传输介质：有线、无线
覆盖范围：广域网WAN，城域网MAN，局域网LAN，个域网PANA
拓扑结构：总线、星型、环型、网状型

性能指标

速率

数据量的单位：比特，bit,b，一个二进制数字；字节B(byte）,KB,MB,GB,TB, 换算是1B=8b,2的十次方换算
速率是指数据的传送速率（即每秒传送多少个比特），也称为数据率（Data Rate）或比特率（Bit Rate）。速率的基本单位是比特/秒（bit/s，可简记为b/s，有时也记为bps，即bit per second）。速率的常用单位有千比特/秒（kb/s或kbps）、兆比特/秒（Mb/s或Mbps）、吉比特/秒（Gb/s或Gbps）以及太比特/秒（Tb/s或Tbps）。他们至今的换算是10的三次方

因此他们不是严格对应的，一秒发送1MB并不等于8Mb/s.

带宽

在模拟信号系统中的意义:某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。单位：Hz（kHz，MHz，GHz）。

在计算机网络中的意义:即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。单位：b/s（kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s）。
数据传送速率 = min [ 主机接口速率，线路带宽，交换机或路由器的接口速率 ] (木桶效应）

吞吐量

吞吐量是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。受网络带宽的限制。

时延

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。 数据可由一个或多个分组、甚至是一个比特构成。

排队时延和处理时延一般被忽略

此题忽略了传播时延，只计算发送时延，注意：经过了几个路由器，就要多加几个分组发送时延

时延带宽积

时延带宽积是传播时延和带宽的乘积。

链路的时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度，这对我们以后理解以太网的最短帧长是非常有帮助的。

往返时间（Round-Trip Time，RTT）

指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。

利用率

链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。
完全空闲的链路的利用率为零。
网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。

根据排队论可知，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。
当网络的通信量较少时，产生的时延并不大，但在网络通信量不断增大时，分组在交换节点（路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。

丢包率

指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
包括：接口、结点、网络、链路、路径丢包率

分组丢失的情况：

1. 出现误码，被路由器、主机丢弃
2. 路由器根据丢弃策略主动丢弃分组

无拥塞时路径丢包率为0，轻度拥塞时丢包率1%~4%，严重拥塞时丢包率5%~15%

计算机网络体系结构

OSI,TCP/IP和教学五层模型

OSI七层，分别是：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层

TCP/IP是四层

而书里、理论给出的是五层：物理层、数据链路层（介质访问控制子层）、网络层、运输层、应用层

物理层主要考虑的问题：

1. 采用什么传输介质
2. 采用什么物理接口
3. 采用什么信号表示01

数据链路层：

1. MAC地址
2. 数据封装格式
3. 协调主机争用总线（媒体接入控制）
4. 以太网交换机（自学习和转发帧）switch
5. 差错检测
6. 可靠传输、不可靠传输
7. 流量控制

网络层：

1. IP地址
2. 路由器转发分组（路由选择协议、路由表、转发表）

运输层：

1. 端口号

2. 可靠传输、不可靠传输

应用层：

1. 进程交互完成网络应用
2. 会话管理和数据表示

例子：

实体、协议、服务

实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。对等实体是指通信双方相同层次中的实体。

协议是控制两个对等实体在“水平方向” 进行“逻辑通信”的规则的集合。


在协议的控制下，两个对等实体在水平方向的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
协议是“水平”的，而服务是“垂直”的。

实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。下层的协议对上层的实体是“透明”的。
在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点SAP，它被用于区分不同的服务类型。帧的“类型”字段、IP数据报的“协议”字段，TCP报文段或UDP用户数据报的“端口号”字段都是SAP。

上层要使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。
同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）。

物理层

数据链路层只管“享受”物理层提供的比特流传输服务。

接口特性

机械特性：形状和尺寸、引脚、固定和锁定装置，如RJ45插座的机械特性
电气特性：信号电压、阻抗匹配、传输速率、距离限制
功能特性：规定接口电缆的各条信号线的作用
过程特性：规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系

传输媒体（介质）

传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒介。传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。

同轴电缆

双绞线

光纤

光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。由于可见光的频率非常高（约为108MHz量级），因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。




优点：容量大、抗干扰、损耗小、距离长、轻
缺点：贵

非导向型介质

无线电波

利用天上的带电离子层反射

微波

50~100km

红外线

点对点无线、直线、距离短、速率低

激光、可见光

传输方式

串行传输、并行传输

计算机内部并行，网络间串行

同步传输、异步传输

单向通信、双向交替通信、双向同时通信

编码与调制

码元

在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。

双极性不归零编码

双极性归零编码

曼彻斯特编码（自行定义跳变和10的关系）

差分曼彻斯特

在传输大量连续1或连续0的情况下，差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号的变化少。
在噪声干扰环境下，检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错，因此差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号更易于检测。
在传输介质接线错误导致高低电平翻转的情况下，差分曼彻斯特编码仍然有效。

第一个编码不知道，因为不知道第一个开始处有没有跳变

基本的带通调制方法和混合调制方法

因为载波的频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以载波的频率和相位不能进行混合调制。
通常情况下，载波的相位和振幅可以结合起来一起调制，例如正交振幅调制QAM。

每个码元与4个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有1个比特不同

信道的极限容量

信道上传输的数字信号，可以看做是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波。
选择一个与数字信号频率相同的模拟信号作为基波。基波经过多次更高频率谐波的叠加形成高度接近数字信号的波形

如果数字信号中的高频分量在传输时受到衰减甚至不能通过信道，则接收端接收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限也不再明确。这样，在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。
如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多，那么码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰。
然而，信道的频率带宽是有上限的，不可能无限大。因此，码元的传输速率也有上限。

奈氏准则

码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。

码元传输速率=波特率=2*频率带宽=比特率/n

香农公式

信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大，信道的极限信息传输速率C就越高。
注意香农求出来的就是b/s，而奈氏求出来的是波特/s，还要乘log2状态数

信道复用技术

复用（Multiplexing）就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上
建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。

频分复用FDM

时分复用TDM

波分复用 WDM 是光的频分复用

码分复用CDM 码分多址CDMA

它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。
CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。CDMA最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。