计网笔记-1-网络模型和信号

1.网络模型

OSI七层

物理层

在物理介质上传输位流所必需的功能。定义了接口与传输介质的机械和电气特性，以及物理设备和接口为了传输而必须执行的过程和功能接口与介质的物理特性；

• 位的表示：位必须编码成电磁信号，定义编码类型；
• 数据速率：比特率；
• 位同步：时钟要同步；
• 线路配置：设备与介质的连接，点到点或者多点共享；
• 物理拓扑结构；
• 传输方式：单工、半双工或全双工

数据链路层

将物理层对数据不作任何改动的传输通道变成可靠的链路，将数据无差错的传递给网络层。

• 成帧：将网络层的位流划分成帧（固定长度 -ATM ，可变长度 - 面向字符 / 比特 - 帧标记）以可靠传输；
• 物理寻址：帧头部添加相应的物理地址；
• 流量控制：防止接收方过载；
• 差错控制：通常指差错检测和重传，检测与重发损坏帧或丢失帧，还可以防止重复帧；
• 访问控制：链路共享（比如早期以太网的 CSMA/CD 机制）

局域网/广域网是数据链路层的概念

网络层

负责将分组（ packet ）从源地址传递到目的地址，可能会通过多个网络（或链路）或多跳；

如果两个系统连接在同一条链路上，则（分组传递）通常不需要网络层（就可以完成）；然而如果两个系统在不同的网络（链路）上并通过网络（链路）之间的设备连接，通常就需要网络层以完成源端到目的端的传递。

传输层

负责整个报文（而不是分组，网络层将每个分组独立处理）进程到进程传递（ process-to-process delivery ）

服务点寻址：报文头部包含服务访问点 SAP 或端口地址；

• 分段和组装：将报文分解成可传输的片段并编号；
• 连接控制：面向连接和无连接；
• 流量控制：端到端流控（区别于数据链路层单条链路的流控）；
• 差错控制：确保报文无差错（端到端全程无差错，注意与数据链路层的区别）

会话层

会话层负责对话控制（允许两系统会话及会话方式控制）和同步（增加检查点或同步点）

表示层

两个系统之间交换信息的语义和语法，负责翻译、加密和压缩数据。

应用层

提供用户接口和服务支持

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TCP/IP

模型

物理层

数据链路层

网络层

ICMP IGMP ARP RARP IP(不可靠、无连接，主机到主机协议)

ARP 和 RARP 也可以看成数据链路层的协议

传输层

TCP UDP SCTP

应用层

SMTP FTP HTTP DNS SNMP TELNET

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寻址

采用 TCP/IP 协议族的互联网使用 4 层地址 : 物理（链路）地址(两层)、逻辑（ IP ）地址、端口地址和专用(specific)地址.

物理地址不适用于互联网的环境，因为不同网络可能有不同的地址格式。

逻辑地址对于全球通信是必须的，它唯一的标识了每台主机（或每个网络接口）。目前有IPv4和IPv6.

16 位端口地址用一个十进制数表示。

某些面向用户的应用设计了专用地址，比如电子邮件地址和 Web 中的统一资源定位符 URL。

2.数据和信号

传输减损

通常会发生三种类型的减损：衰减(attenuation)、失真(distortion)和噪声(noise)。

$dB=10lo{g}_{10}(\frac{p_2}{p_1})$

数据速率限制

数据速率取决于三种因素：

• 有效带宽
• 使用的信号电平数
• 通道的质量（噪声电平）

两个理论上的定理或公式用于计算数据速率：

• 无噪声通道：奈奎斯特定理
• 噪声通道：香农容量公式

无噪声：$比特率=2\times 带宽\times lo{g}_2电平个数$

有噪声：$通道容量=带宽\times lo{g}_2(1+SNR)$

​ $SN{R}_{dB}=10lgSNR$

性能

衡量性能的技术术语：

带宽：以赫兹或比特率表示；
吞吐量：发送速度快慢的实际衡量值，小于带宽；单位同带宽。
延迟：第 个比特从源开始发出到整个报文完全到达目标所经历的时间，包括传播时间（指一个比特从源端到达目标端所需要的时间，等于：距离/信号传播速度）、传输时间（指源端将整个报文传输出去需要的时间，等于：报文长度/带）、排队时间和处理延迟；
带宽与延迟的乘积：定义了充满链路的位数；
抖动：不同分组有不同的延迟，某些应用敏感

3.数字传输

3.1 数字到数字转换

4-1数字到数字转换涉及三种技术：
线路编码，块编码，扰动。

数据元素（data element）：表示一块信息的最小实体，即位（bit），是我们需要发送的，被承载的；
信号元素（signal element）：是数字信号的最小单元，承载数据单元，是我们能发送的，是传输载体；

数据速率：每秒钟发送的数据元素（位）的数量，单位是bps（bits per second），也叫比特率；
信号速率：每秒钟发送的信号元素的数量（准确说法：信号电平发生改变或被调制的速率），单位是波特率（baud），或者叫做脉冲速率（pulse rate）、调制速率（modulation rate）或波特率（baud rate）；
数据通信的一个目标：增加数据速率（增加了传输速度）而降低信号速率（降低了带宽要求，波特率决定了数字信号的带宽）

波特率而不是比特率决定了数字信号的带宽；
波特率和带宽是有关系的，成正比
最小带宽Bmin与波特率相等；
若给定通道带宽B，可以得到最大数据速率Nmax

基线（Baseline）：解码数字信号时，接收方计算收到信号功率的运行平均值。输入信号的功率会与基线比较来确定数据元素的值；
基线偏移（Baseline Wandering）：指基线随时间定向的缓慢变化，0或者1的长字串会引起基线偏移，使得接收方不能正确地进行解码。
直流成分（DC Components）：接近于零频率的成分称为直流成分（即常量），这会给不允许通过低频率的系统或者使用电子耦合的系统（如变压器）带来问题。

线路编码方案：
单机：NRZ
极性：NRZ,RZ,Biphase(Manchester,differential Manchester)
双极：AMI,pseudoternary(伪三元)
多电平：2B1Q
多跳变：MLT-3

3.2 模拟到数字转换

两种转换（数字化）方案
脉冲码调制PCM（pulse code modulation）
Delta调制（delta modulation）或增量调制

3.3 传输模式

并行模式(parallel)或者串行模式(serial)
串行传输则分为三类：异步(asynchronous)、同步(synchronous)和等时(isochronous)

4.模拟传输

4.1数字到模拟转换

数字信号传输需要低通通道，如果实际上只有带通通道，则只能选择模拟传输.

将数字数据转换为帯通模拟信号传统上称为数字到模拟转换，将低通模拟信号转换为帯通信号传统上被称为模拟到模拟转换.

模拟传输中信号元素携带的数据元素个数r=$lo{g}_{2}L$，L是信号元素类型，不是电平个数。

在模拟传输中，发送设备产生一个高频率信号作为基波来承载信息，被称为**载波信号（carrier signal）**或者载波频率。接收设备要将自己的收听频率调整到与所期望的发送设备的载波信号的频率一致。

数字信息通过改变载波信号的一个或者多个特性来调制载波信号，这称为调制（或移动键控shift keying）。

幅移键控ASK

ASK(amplitude shift keying)通过改变载波信号的振幅来生成信号元素.

带宽$B=(1+d)\times S$，S是信号速率，因子d取决于调制和过滤处理，在0和1之间。

频移键控FSK

通过改变载波信号的频率来表示数据。

假设1和0的带宽频率之差是$2\Delta f$，则二进制频移键控BFSK带宽为$B=(1+d)\times S+2\Delta f$.

使用多于两个频率，则$B=(1+d)\times S+(L-1)2\Delta f$，L为频率个数。

相移键控PSK

通过改变载波的相位来表示两个或多个不同的信号元素。

正 交 振 幅 调 制 QAM

QAM(quadrature amplitude modulation)是ASK和PSK的结合。它使用两个载波，一个同相而另一个正交，而且每个载波都用不同的振幅。星座图有助于定义信号元素的振幅和相位。

4.2 模拟信号调制

如果介质具有带通特性或者只有带通带宽可用，则模拟信号就需要调制。它有以下类型。

调幅AM

通常使用简单乘法器实现。总带宽$B_{AM}=2B$，B为调制信号带宽。音频信号（语音和音乐）带宽通常是5kHz，故调幅电台需要的最小带宽为10kHz；每个调幅电台的载波频率与其他电台的载波频率间隔至少是10kHz，以避免干扰。

调频FM

通常使用压控震荡器实现。总带宽$B_{FM}=2(1+\beta )B$，β是因子，一般为4.

调相PM

通常用压控震荡器和导数发生器实现。总带宽$B_{FM}=2(1+\beta )B$.