计算机网络（一）基本概念和物理层

2020-10-31 阅读量：

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一、计算机网络的概念

1.1、计算机网络

计算机网络是一个将分散的、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——互联互通通信链路
自治——无主从关系

1.2、计算机网络的功能

数据通信（连通性）
资源共享 （硬件，软件，数据）
分布式处理：多太计算机各自承担同一工作任务的不同部分（Hadpop平台）
提高可靠性
负载均衡使各个计算机之间更亲密

组成部分：硬件、软件、协议

工作方式：

边缘部分，用户直接使用：C/S方式，P2P方式
核心部分为边缘部分服务

功能组成：

通信子网实现数据通信
资源子网实现资源共享/数据处理

1.3、计算机网络的分类

按分布范围分：
- 广域网WAN（交换技术）
- 城域网MAN
- 局域网WAN（广播技术）
- 个人区域网PAN
按使用者分
- 公用网：电信，移动，联通等…
- 专用网：军队等…
按交换技术分
- 电路交换、报文交换、分组交换
按拓扑结构分
- 总线型、星型、环型、网状型
按传输技术分
- 广播式网络共享公共通信信道
- 点对点网络

1.4、标准化工作

标准化对计算机网络至关重要

要实现不同厂商的硬，软件之间的相互连通，必须遵从统一的标准

标准的分类：

法定标准：由权威机构定制的正式的，合法的标准 OSI
某些公司的产品在晶振规划总占据了主流，时间长了这些产品中的协议和技术就成了标准 TCP/IP

RFC(Request For Comments)—–因特网标准的形式

RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段：

因特网草案这个阶段还不是RFC文档。
建议标准从这个阶段开始成文RFC文档。
草案标准，交给IETF、IAB审核
因特网标准

1.5、标准化工作的相关组织

国际标准化组织 OSI参考模型、HDLC协议

国际电信联盟ITU 制定通信规则

国际电气电子工程师协会IEEE 学术机构、IEEE802系列标准、5G

Inter工程任务组IETF 负责因特网相关标准的制定

1.6、性能指标

1.6.1、速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率。比特1/0位。

连接在计算机网络上的知己在数字信道上传送数据位数的速率。

1.6.2、带宽

**”带宽”**原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。

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”，网络设备所支持的最高速度

1.6.3、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。单位是b/s,kb/s,mb/s等。吞吐量受网络的带宽和网络的额定速率的限制

1.6.4、时延

指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）从一段传送到另一端所需要的时延。也叫延迟或迟延，单位是s。

1.6.5、时延带宽积

*时延带宽积 = 传播时延 * 带宽*

    bit       =        s        *    b/s

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

1.6.6、往返时延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

RTT包括：

往返传播时延 = 传播时延* 2
末端处理时间

1.6.7、利用率

信道利用率 = 有数据通过时间 / （有+无)数据通过的事件
网络利用率 = 信道利用率加权平均值

1.7、分层、协议、接口、服务

为什么要分层？

发送文件前要完成的工作：

（1）发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活

（2）要告诉网络如何识别目的主机

（3）发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常

（4）发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作

（5）确保差错和意外可以解决

分层的基本原则：

各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
结构上可分割开，每层都采用最合适的技术来实现
保持下层对上层的独立性，山城单项使用下层提供的服务
整个分层结构应该能促进标准化工作

实体：第n层中的活动元素称为n层实体，同一层的实体叫对等实体

协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则，标准或与确定称为网络协议。【水平】

语法：规定传输数据的格式
语义：规定索要完成的功能
同步：规定各种操作的顺序

接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口

服务：下层为相邻上层提供的功能调用【垂直】

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
计算机网络结构体系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
计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。
第n层在想n+1层提供服务时，此服务步进包含第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，且锁提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
体系结构是抽象的，而事件是指能运行的一些软件和硬件

1.8、计算机网络分层结构

7层OSI参考模型法定标准

4层TCP/IP参考模型试试标准

5层的体系结构

1.8.1、ISO/OSI参考模型

1.8.2、ISO/OSI参考模型解释通信过程

类似打包和拆包的过程

1.8.3、ISO7层参考模型

应用层：是有能和用户交互产生网络流量的程序
- 典型应用层的服务：文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、万维网（HTTP）……
表示层：用于处理两个通信系统汇总减缓信息的表达方式（语法和语义）
- 功能一：数据格式变换（翻译官的角色）
- 功能二：数据加密解密
- 功能三：数据的压缩和恢复
会话层：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。这是会话，也是建立同步（SYN）
- 功能一：建立、管理、终止会话
- 功能二：使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续回复通信，实现数据同步。适用于传输大文件。主要协议：ADSP，ASP
传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报
- 功能一：可靠传输、不可靠传输
- 功能二：差错控制
- 功能三：流量控制
- 功能四：复用分用
1
2
复用：多个应用进程可同时使用下面运输层的服务
分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中响应的进程
网络层：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
- 功能一：路由选择
- 功能二：流量控制
- 功能三：差错控制
- 功能四：拥塞控制
1
若所有节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。因此要采取一定的措施，缓解这种拥塞
数据链路层：主要任务吧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。
- 功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
- 功能二：差错控制帧错+位错
- 功能三：流量控制
- 功能四：访问（接入）控制 控制对共享信道的访问
- 主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
物理层：主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输的单位是比特。
- 透明传输：指不管所传的数据是什么样的比特组合，都应当能够在连路上传送
- 功能一：定义接口特性
- 功能二：定义传输模式：单工、半双工、双工
- 功能三：定义传输速率
- 功能四：比特同步
- 功能五：比特编码
- 主要协议：Rj45、802.3

1.8.4、TCP/IP模型

TCP/IP模型与OSI参考模型的相同点：

都分层
基于独立的协议栈的概念
可以实现异构网络互连

TCP/IP模型与OSI参考模型的不同点：

OSI定语的三点：服务、协议、接口
OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
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
面向连接分为是三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向无连接没有这么多阶段，他必须直接进行数据传输。

1.8.5、5层参考模型

综合了OSI和TCP/IP的优点

应用层：支持各种网络应用 FTP、SMTP、HTTP
传输层：进程-进程的数据传输 TCP、UDP
网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发 IP、ICMP、OSPF等
数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧 Ethernet、PPP
物理层：比特传输

二、物理层

2.1、物理层基本概念

物理层解决如何在链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

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性——>定义标准

机械特性：定义物理链接的特性，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等..
电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
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。
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

2.2、数据通信的基础知识

典型的数据通信模型：

通信的目的是传送消息：

数据：传送信息的实体，通常时有意义的符号序列（比特流）。
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程汇总的存在形式。
- 数字信号：代表消息的参数取值是离散的
- 模拟信号：代表消息的参数都是连续的
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点。
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
- 传输信号：模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）
- 传输介质：无线信道、有线信道
三种通信方式：从通信双方信息的交互方式看，可以有是那种基本方式：
- 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。
- 半双工通信：通信的双方都可以发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送和接受，需要两条信道。
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道
两种数据传输方式：
- 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
- 并行传输：速度快，费用高，适合近距离，用于计算机内部数据传输

2.3、码元、波特速率、带宽

2.3.1、码元的基本概念

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，这个市场内的信号称为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。

k进制码元——>4进制码元——>码元的离散状态有4个——>4中高低不同的信号波形

2.3.2、速率、波特、带宽

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位事件呃逆传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

码元传输速率：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（Band）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。1Band = 1码元/s 表示1s传送多少个比特
信息传输速率: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） 1s传输多少个比特
关系：若一个码元携带 n bit的信息量，则M Band的码元传输速率锁对用的信息传输速率为*M * n bit/s.*
带宽：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”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

练习题：

系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输实力已禁止码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统取传输四进制码元会有更高的码元传输速率

2.4、奈氏准则和香农定理

2.4.1、失真

影响失真程度的因素：

码元传输速率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量

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

2.4.2、奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则：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2W Baud，w是信道带宽，单位是Hz。只有在这两个公式这带宽才用Hz！

在任何信道中，码元传输的速率是由上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的马建串扰问题，是接收端对码元的完全正确识别称为不可能
信道到的频带越宽（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。
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。
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。

2.4.3、香农定理

噪声是存在于所有的电子设备和通信信道中，由于噪声随机产生，它的瞬时值有机会很大，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。

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。

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。

信噪比（dB）= 10lg(S/N)    数值等价
信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+S/N）(b/s)
* S是信道所传信号的平均功率
* N是信道内的高斯噪声功率
* W带宽（Hz）

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
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
重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
香农定理得出的位极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
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船速速率也就没有上限

2.4.4、香农定理与奈氏准则的应用场景

2.5、编码和调制

2.5.1、基带信号与宽带信号

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

传输信号：模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）
传输介质：无线信道、有线信道

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上出去传输（基带传输）。来自信源的信号，号项计算机输出的代表各种文字的图像文件的数据信号都属于基带洗脑，基带信号就是发出的直接了当要传输的信息的信号，比如我我们说话的声波就是基带信号。

宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，在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（即尽在一段频率范围内能够通过信道）

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，即是信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

2.5.2、编码与调制

数据——>数字信号编码

数据——>模拟信号调制

数字数据——>数字信号编码（数字发送器）

数字数据——>模拟信号调制（调制器）

模拟数据——>数字信号编码（PCM编码器）

模拟数据——>模拟信号调制（放大器调制器）

2.5.3、数字数据编码为数字信号

非归零编码【NRZ】

高1低0，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
曼彻斯特编码

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线出现电平跳变，位中间的跳变既做时钟信号（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.
差分曼彻斯特编码

同1异0，常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的后半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，且抗干扰性强与曼彻斯特编码。
归零编码【RZ】

信号电平在一个码元至内都要恢复到零的这种编码成编码方式
反向不归零编码【NRZI】

信号电平反转表示0，信号电平不变表示1
4B/5B编码

比特流中插入额外的比特打破一连串的0或1，就是用5个比特的数据，之后再传给就受访，因此称为4B/5B。编码效率为80%。值采用16中对应16种不同的4位码，其他的16中作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留。

2.5.4、数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将是胡子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的过程

2.5.6、模拟数据编码为数字信号

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）

最典型的例子就是对音频信号的脉码调制（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，他主要包括三步：抽样、量化、编码。

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。为了使得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
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，这就就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

2.5.7、模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的邮箱型，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。在电话机和本机交换机锁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的。

2.6、传输介质及分类

传输介质也称传输木诶提/传输媒介，它就是数据传输系统汇总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，因此能够识别锁传送的比特流。

传输介质的分类：

导线性传输介质——>电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。
非导向性传输介质——>自由空间，介质可以是空气、真空、海水等…

2.6.1、双绞线

双绞线是最古老，又最常用的传输介质，它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。

2.6.2、同轴电缆

同轴电缆由导体铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中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，它只要用于有线电视系统。