计算机网络

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# 计算机网络

[TOC]

# 1. 计网体系结构

# 1. 计算机网络概述

1. 认识计算机网络

   1. 理解记忆，抓住重点（典型网络、协议、网络设备）

2. 概念

   1. 计算机网络：一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。计算机网络是互连的、自治的计算机集合。互连：通过通信链路互联互通；自治：无主从关系
   2. 网络：把许多计算机连接在一起
   3. 互联网：把许多网络连接在一起
   4. 因特网：是世界上最大的互联网。

3. 组成

   1. 组成部分

      1. 硬件
      2. 软件
      3. 协议（一系列的规则和约定）

   2. 工作方式

      1. 边缘部分：用户直接使用（端与端之间通信是进程通信）
         1. 通信方式一：C/S 方式：移动端和服务器、B/S 方式：浏览器和服务器
         2. 通信方式二：P2P 方式（同时是客户端与服务器，两者都是对等的，人人为我，我为人人，机器越多，下载越快）
      2. 核心部分 ：为边缘部分提供服务

   3. 功能组成

      1. 通信子网：实现数据通信
      2. 资源子网：实现资源共享 / 数据处理

      

4. 功能

   1. 数据通信
   2. 资源共享：同一个计算机网络上的其他计算机可使用某台计算机的计算机资源的行为，可共享硬件、软件、数据
   3. 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分，如 Hadoop 平台
      1. 提高可靠性
      2. 负载均衡

5. 分类

   1. 按分布范围
      1. 广域网 WAN：交换技术
      2. 城域网 MAN
      3. 局域网 LAN：广播技术
      4. 个人区域网 PAN
   2. 按使用者
      1. 公用网：中国电信
      2. 专用网：军队、政府
   3. 按交换技术
      1. 电路交换：电话（占用）
      2. 报文交换：（存储转发）
      3. 分组交换：（存储转发）
   4. 按拓扑结构
      1. 总线型
      2. 星型
      3. 环型
      4. 网状型：常用于广域网
   5. 按传输技术
      1. 广播式网络：共享公共通信信道
      2. 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制

6. 标准化工作

   1. 要实现不同厂商的硬件、软件之间相互联通，必须遵从统一的标准
   2. 法定标准：由权威机构制定的正式、合法的标准（ISO/OSI）
   3. 事实标准：某些公司在竞争中占据主流，成为标准（TCP/IP）
   4. RFC (因特网标准的形式) 成为正式标准四个阶段：因特网草案、建议标准、草案标准（2013 已取消）、因特网标准

7. 相关组织

   1. 国际标准化组织 ISO：ISO/OSI 模型、HDLC 协议
   2. 国际电信联盟 ITU：制定通信规则
   3. 电器和电子工程师协会 IEEE：学术机构、5G、
   4. Internet 工程任务组 IETF: 负责因特网相关标准的制定、RFC

8. 性能指标

   1. 速率：即数据率或称数据传输率或比特率，连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，单位是 b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s （补充：1/0 为比特位）

      

   2. 带宽：计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指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”, 单位是 “比特每秒”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s（网络设备所支持的最高速度）理解：最大发射数据的数据率。指的是发送数据率、传输数据率

   3. 吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位 b/s，kb/s，Mb/s 等，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

   4. 时延：指数据 (报文、分组、比特流) 从网络 (链路) 的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟、迟延，单位是 s

      1. 发送时延 (传输时延)：从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间

      2. 传播时延：取决于电磁波传播速度和链路长度

      3. 排队时延：等待输出 / 入链路可用

      4. 处理时延：检错找出口

      5. 高速链路：指的是发送速率提高，不会影响到电磁波的传播速率

      6. 计算公式

         $$发送时延：\frac{数据长度}{信道带宽(发送速率)}\ \ \ \ 传播时延：\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}\ \ \ \ 时延带宽积(bit)：\frac{传播时延(s)}{带宽(b/s)}$$

   5. 时延带宽积：又称为以比特为单位的链路长度，“某段链路现在有多少比特”

   6. 往返时间 RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认 (接收方收到数据后立即发送确认), 总共经历的时延，RTT 越大。在收到确认之前，可以发送的数据越多。

      1. 往返时延 RTT 包括往返传播时延 = 传播时延 × 2 + 末端处理时间

   7. 利用率

      

9. 因特网络发展阶段

   1. 第一阶段：阿帕网–> 互联网–> 因特网
   2. 第二阶段：三级结构
   3. 第三阶段：多层次 ISP 结构

# 2. 体系结构 & 参考模型

1. 分层结构

   1. 实体：指的是每一层的活动元素
   2. 对等实体：同一层的实体
   3. 分层原则
      1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
      2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
      3. 结构上可分割开，每层都采用最合适的技术来实现
      4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
      5. 整个分层结构应该能促进标准化工作

2. 网络协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定（水平）

   1. 语法：规定传输数据的格式
   2. 语义：规定所要完成的功能
   3. 同步：规定各种操作的顺序

3. 接口：上层使用下层服务的入口

4. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用，上层使用下层服务，下级为上级提供服务（单向、垂直）

5. 数据包含关系

   

6. 概念总结

   1. 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构，计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构，每层遵循某个 / 些网络协议以完成本层功能，计算网络体系结构是计算机网络的各层及协议的集合。第 n 层在向第 n+1 层提供服务时，此服务不仅包括第 n 层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能，仅仅在相邻间有接口，且所有的具体实现细节对上一层完全屏蔽，体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

7. ISO/OSI 参考模型 (7 层、法定标准)

   1. 为了解决计算机网络复杂问题，提出按功能分层结构，，目的是支持异构网络系统的互联互通，每层完成特定的功能
   2. 应用层
      1. 资源子网 (数据处理)、端到端
      2. 用户和网络的界面，面向用户的，所有能和用户交互产生网络流量的程序，联网可以操作的程序如：QQ、电子邮件
      3. 相关协议：文件传输 (FTP)、电子邮件 (SMTP)、万维网 (HTTP)
   3. 表示层
      1. 资源子网 (数据处理)、端到端
      2. 表示、呈现屏幕上，用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式（语法、语义），相关协议：JPEG、ASCII
      3. 功能一：数据格式转换 (翻译官角色)
      4. 功能二：数据加密解密
      5. 功能三 ：数据的压缩和恢复
   4. 会话层
      1. 资源子网 (数据处理)、端到端
      2. 向表示层实体 / 用户进程提供建立连接并在连接上有序的传输数据，也称为建立同步
      3. 功能一：建立、管理、终止会话
      4. 功能二：使用校验点可使会话在通信失效时从校验点 / 同步点继续恢复通信，实现数据同步，适用于传输大文件
      5. 相关协议：ADSP、ASP
   5. 传输层
      1. 端到端 (进程与进程之间通信)
      2. 负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文、用户数据报
      3. 功能一：可靠传输、不可靠传输
      4. 功能二：差错控制
      5. 功能三：流量控制（不是手机流量，指的是发送速度）
      6. 功能四：复用分用 （记忆口诀：可差留用）
         1. 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
         2. 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程
      7. 相关协议：TCP、UDP
   6. 网络层
      1. 通信子网 (数据通信)、点到点
      2. 主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报，分组：指的是若数据报过长，就会切割为一个个小的分组
      3. 功能一：路由选择（最佳路径）
      4. 功能二：流量控制
      5. 功能三：差错控制
      6. 功能四：拥塞控制，即若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态，因此要采取一定措施，缓解这种拥塞
      7. 相关协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
   7. 数据链路层
      1. 通信子网 (数据通信)、点到点、（首尾均添加信息）
      2. 主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层 / 链路层的传输单位是帧
      3. 功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
      4. 功能二：差错控制（帧错 + 位错）
      5. 功能三：流量控制
      6. 功能四：访问（接入）控制（控制对信道的访问）
      7. 相关协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
   8. 物理层
      1. 通信子网 (数据通信)、点到点、（不添加信息不做处理，形成 0/1 形式放在传输介质上）
      2. 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输，物理层传输单位是比特。透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送
      3. 功能一：定义接口特性
      4. 功能二：定义传输模式
      5. 功能三：定义传输速率
      6. 功能四：比特同步（单工、半双工、双工）
      7. 功能五：比特编码
      8. 相关协议：Rj45、802.3
   9. 记忆口诀：物联网淑慧试用

8. TCP/IP 参考模型 (4 层、事实标准)

   1. OSI 定义三点：服务、协议、接口
   2. OSI 先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
   3. TCP/IP 设计之初就考虑到异构网互联问题，将 IP 作为重要层次

9. 相同点

10. 两者都分层

11. 基于独立的协议栈的概念

12. 可以实现异构网络互联

13. 不同点

    1. 图解

       

    2. 面向连接分为三个阶段

       1. 第一阶段：段建立连接，发出一个建立连接的请求
       2. 第二阶段：只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输
       3. 第三阶段：当数据传输完毕，必须释放连接

    3. 面向无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输

14. 图解


补充：5 层参考模型



# 2. 物理层

# 1. 通信基础

1. 基本概念

   1. 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体

   2. 物理层主要任务

      1. 确定与传输媒体接口有关的一些特性：定义标准
      2. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
      3. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等（有数字，电压）
      4. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途（无数字，电平高低）
      5. 规程特性：(过程特性) 定义各条物理线路的工作规程和时序关系

   3. 数据通信模型

      

   4. 通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）

   5. 数据 data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。数据通信指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数 0、1 序列的过程。

   6. 信号：数据的电气 / 电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

      1. 数字信号 / 离散信号：代表消息的参数的取值是离散的
      2. 模拟信号 / 连续信号：代表消息的参数的取值是连续的

   7. 信源：产生和发送数据的源头

   8. 信宿：接收数据的终点

   9. 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

      1. 按传输介质分：无线信道、有线信道
      2. 按传输信号分：模拟信道、数字信道

2. 通信方式

   1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道（广播）
   2. 半双工通信 / 双相交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道（对讲机）
   3. 全双工通信 / 双向同时通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道（打电话）

3. 数据传输方式

   1. 串行传输
      1. 将表示一个字符的 8 位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送
      2. 速度慢，费用低，适合远距离
   2. 并行传输
      1. 将表示一个字符的 8 位二进制数同时通过 8 条信道发送
      2. 速度快，费用高，适合近距离（用于计算机内部数据传输）

4. 实现字符同步

   1. 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出 1 个或多个同步字符，再送出整批的数据（时钟同步）
   2. 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是 8 位的 1 个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位（键盘打字）

5. 码元：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有 M 个时（M 大于 2），此时码元为 M 进制码元。1 码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表 0 状态，另一种代表 1 状态。4 进制码元，可以携带 2b 信息量；16 进制码元，可以携带 4b 信息量。

6. 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法

   1. 速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示

   2. 码元传输速率

      1. 别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数 (也可称为脉冲个数或信号变化的次数), 单位是波特 (Baud)。1 波特表示数字通信系统每秒传输一个码元
      2. 一秒钟传输多少个码元
      3. 数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度 T 有关

      $$R：\frac{1}{T}(B)$$

   3. 信息传输速率

      1. 别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数 (即比特数) 单位是比特 / 秒 (b/s)
      2. 一秒钟传输多少个比特

   4. 两者关系：若一个码元携带 nbit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M×nbit/s

   5. 思考题 1：系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快

7. 信道带宽

   1. 模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时 (即 - 3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹 (Hz)
   2. 数字信号设备：表示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”/ 单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒 (bps)
   3. 拥有更宽的带宽，也就是有更大的信息运送能力

8. 失真

   1. 影响失真程度的因素：
      1. 码元传输速率
      2. 信号传输距离
      3. 噪声干扰
      4. 传输媒体质量
   2. 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象（振动频率太快）

9. 编码 && 调制

   1. 信道：信号的传输媒介，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道

   2. 信道上传输的信号

      1. 基带信号
         1. 将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
      2. 宽带信号
         1. 将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
      3. 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）。
         在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

      $$数据-数字信号-编码\ \ \ \ 数字数据-(数字发送器)-数字信号-编码\ \ \ \ 模拟数据-(PCM编码器)-数字信号-编码\\数据-模拟信号-调制\ \ \ \ 数字数据--(调制器)--模拟信号-调制\ \ \ \ 模拟数据-(放大器调制器)-模拟信号-调制$$

   3. 数字数据编码为数字信号

      1. 非归零编码【NRZ】
         1. 高 1 低 0
         2. 编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步
      2. 曼彻斯特编码（携带时钟信号和数字信号）
         1. 将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元 1；码元 0 则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的 1/2（一次时钟周期发生两次脉冲）
      3. 差分曼彻斯特编码（携带时钟信号和数字信号）
         1. 同 1 异 0
         2. 常用于局域网传输，其规则是：若码元为 1, 则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为 0。则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码
      4. 归零编码【RZ】
         1. 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式
      5. 反向不归零编码【NRZI】
         1. 信号电平翻转表示 0，信号电平不变表示 1
      6. 4B/5B 编码
         1. 比特流中插入额外的比特以打破一连串的 0 或 1，就是用 5 个比特来编码 4 个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为 4B/5B。编码效率为 80%
         2. 只采用 16 种对应 16 种不同的 4 位码，其他的 16 种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留

   4. 数字数据调制为模拟信号

      1. 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程
      2. 2ASK：调幅，1 有 0 无
      3. 2FSK：调频，1 密 0 稀
      4. 2PSK：调相，正弦余弦波
      5. QAM：调幅 + 调相

   5. 模拟数据编码为数字信号

      1. 计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）
      2. 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是 PCM 编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD 以及我们常见的 WAV 文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码
         1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f 采样频率≥ 2f 信号最高频率
         2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量
         3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

   6. 模拟数据调制为模拟信号

      1. 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源
      2. 在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输

10. 数据交换

    1. 交换是通过某些交换中心将数据进行集中和传送。传输线路为各个用户共用，从而大大节省通信线路，降低系统费用

    2. 电路交换 / 线路交换（全双工）

       1. 电路交换的原理：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，在数据传输结束之前，这条线路一直保持
       2. 电路交换的阶段
          1. 建立连接（呼叫 / 电路建立）
          2. 通信（数据传输）
          3. 释放连接（拆除电路）
       3. 特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。
       4. 电路交换优点：
          1. 传输时延小
          2. 数据顺序传送，无失序问题
          3. 实时性强，双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类通信
          4. 全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道
          5. 适用于模拟信号和数字信号
          6. 控制简单，电路的交换设备及控制较简单
       5. 电路交换缺点：
          1. 建立连接时间长
          2. 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低
          3. 灵活性差，双方连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信
          4. 无数据存储能力，难以平滑通信量
          5. 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信
          6. 无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制

    3. 报文交换（存储转发交换方式）

       1. 报文 (message) 是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变，报文包含信息和报头
       2. 报文交换：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式
       3. 过程特点：
          1. 每个节点收下整个报文后，暂存报文并检查有无错误
          2. 当所需要的输出电路空闲时，利用路由信息找到下一个结点地址，传送给下一个结点
          3. 在两个通信用户间的其他线路段，可传输其他用户的报文，不像电路交换那样必须占用端到端的全部信道
       4. 报文交换优点：
          1. 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文
          2. 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量
          3. 提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输
          4. 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个报文可共享信道
          5. 提供多目标服务：一个报文可同时发往多个目的地址
          6. 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信
       5. 报文交换缺点：
          1. 实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换结点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延
          2. 只适用于数字信号
          3. 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延

    4. 分组交换（存储转发交换方式）

       1. 分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组（packet）。小数据块 + 控制信息（源和目的地址、编号）= 分组

       2. 分组交换的原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选 128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文

       3. 分组交换优点：

          1. 无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组
          2. 线路利用率高，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道
          3. 简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易
          4. 加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作；传输一个分组比一份报文所需缓冲区小，减少等待发送时间
          5. 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延
          6. 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信。

       4. 分组交换缺点：

          1. 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力
          2. 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间
          3. 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

       5. 数据报方式

          1. 数据报传输过程
             1. 源主机（A）将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点（A）
             2. 结点 A 收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
             3. 结点 C 收到分组 P1 后，对分组 P1 进行差错检测，若正确则向 A 发送确认信息，A 收到 C 确认后则丢弃分组 P1 副本
             4. 所有分组到家辽（主机 B）
          2. 数据报传输特点
             1. 数据报方式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。无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同
             2. 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失
             3. 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
             4. 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组
             5. 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信

       6. 虚电路方式

          1. 虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，发挥两者优点

          2. 虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径 (逻辑连接), 路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息

          3. 虚电路传输过程

             1. 建立连接（虚电路建立）: 源主机发送 “呼叫请求” 分组并收到 “呼叫应答” 分组后才算建立连接
             2. 数据传输：每个分组携带虚电路号，分组号、检验和等控制信息
             3. 释放连接（虚电路释放）: 源主机发送 “释放请求” 分组以拆除虚电路

          4. 虚电路传输特点

             1. 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接
             2. 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失
             3. 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择
             4. 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务
             5. 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏

          5. 数据报与虚电路对比

             	数据报服务	虚电路服务
             连接的建立	不要	必须有
             目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
             路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组，按照同一路由转发
             分组顺序	不保证分组的有序到达	保证分组的有序到达
             可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证	可靠性由网络保证
             对网络故障的适应性	出故障的节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输	所有经过故障节点的虚电路均不能正常工作
             差错处理和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

    5. 数据交换方式的选择

       1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小
       2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适
       3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信

11. 重要公式

    1. 这两个公式使用的单位是 Hz

    2. 奈氏准则（奈奎斯特定理）

       1. 在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2WBaud，W 是信道带宽，单位是 Hz
       2. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
       3. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输
       4. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
       5. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

       $$奈氏准则\\理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog_2V(b/s)\\该式中W表示带宽(Hz),V表示几种码元/码元的离散电平数目$$

    3. 香农定理

       1. 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要
       2. 信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率，常记为 S/N, 并用分贝 (dB) 作为度量单位， 信噪比 (dB)=10log₁₀(S/N) 数值等价
       3. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
       4. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
       5. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
       6. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
       7. 从香农定理可以看出，若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
       8. 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

       $$香农定理\\信道的极限数据传输速率=Wlog_2(1+S/N)(b/s)\\该式中W表示带宽(Hz),S/N表示信噪比，S是信道所穿信号的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率$$

# 2. 传输介质

1. 传输介质也称传输媒体 / 传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路，传输媒体并不是物理层，传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为 0 层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流（物理层是傻瓜，传输媒体连傻瓜都不如）

2. 导向传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线 / 光纤）传播

   1. 双绞线

      1. 由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
      2. 为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）
      3. 双绞线价格便宜，在局域网和传统电话网中普遍使用，模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里，距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

   2. 同轴电缆

      1. 由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成
      2. 按特性阻抗数值的不同分为两类：50Ω 同轴电缆和 75Ω 同轴电缆，50Ω 同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω 同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统

   3. 双绞线 VS 同轴电缆

      1. 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵

   4. 光纤

      1. 超低损耗，传送超远距离
      2. 光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信，有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0
      3. 可见光的频率大约是 108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
      4. 光纤主要由纤芯 (实心的) 和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率，当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去
      5. 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲
      6. 光纤的特点
         1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
         2. 抗雷电和电磁干扰性能好
         3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
         4. 体积小，重量轻

      	定义	光源	特点
      单模光纤	一种在横向模式直接传输光信号的光纤	定向性很好的激光二极管	衰耗小，适合远距离传输
      多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤	发光二极管	易失真，适合近距离传输

3. 非导向传输介质 ：自由空间，介质可以是空气、真空、海水

   1. 无线电波

      1. 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）
      2. 特点：信号向所有方向传播

   2. 微波

      1. 微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高
      2. 特点：信号固定方向传播
      3. 具体应用
         1. 地面微波接力通信
         2. 卫星通信
            1. 优点：通信容量大、距离远、覆盖广、广播通信和多址通信
            2. 缺点：传播时延长（250-270ms）、受气候影响大（强风太阳黑子爆发、日凌）、误码率较高、成本高

   3. 红外线、激光

      1. 把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播
      2. 特点：信号固定方向传播

# 3. 物理层设备

1. 中继器：再生数字信号

   1. 诞生原因：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度
   2. 对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度
   3. 中继器两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。中继器两端的网段一定要是同一个协议（中继器不会存储转发，傻）
   4. 5-4-3 规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障
      1. 5 个网段、4 个中继器或集线器（网络设备）、3 个计算机

2. 集线器：再生，放大信号，多口中继器

   1. 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备