计算机网络基础知识 - 物理层

                                             第一章 概述

1. 计算机网络

定义：计算机网络是指将不同地理位置，具有独立功能的多台计算机设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件和网络通信协议的管理和协调下实现资源共享、信息传递、网络连接或远程访问等应用目的的计算机系统。

组成：硬件系统+软件系统（其中硬件系统包括计算机设备、网络设备和传输介质；软件系统包括操作系统、应用软件和网络通信协议）

功能：资源共享、文件传输、用户访问、网络互联、协同工作

拓扑结构：星型（以太网中最常应用）、环形、总线型（ATM网）、混合型、树型、网状（计算机广域网中最常应用）

 2. 局域网、城域网、广域网的区别

局域网LAN：是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。一般是方圆几千米以内。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。拓扑结构包括星形、树形、总线形和环形。（WiFi技术；以太网；令牌环；令牌总线；光纤分布式数据接口FDDI）

城域网MAN：是在一个城市范围内所建立的计算机通信网。MAN的一个重要用途是用作骨干网，通过它将位于同一城市内不同地点的主机、数据库，以及LAN等互相联接起来。建设局域网或广域网包括资源子网和通信子网两个方面，而城域网的建设主要集中在通信子网上。（有线电视网，WiMAX）

广域网WAN：在一个区域范围里超过集线器所连接的距离时，必须要通过路由器来连接，这种网络类型称为广域网，通常特指跨接很大物理范围的计算机网络。（Internet网）

               

 3. OSI参考模型

建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题，使不同的系统、不同的网络之间实现可靠的通讯。其主要功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输。最大优点是将服务、接口和协议（OSI模型的核心）这三个概念明确地区分开来。服务说明某一层为上一层提供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，而协议涉及如何实现本层的服务。

      

网络分层的好处：

1. 减轻问题的复杂程度，一旦网络发生故障，可迅速定位故障所处层次，便于查找和纠错
2. 在各层分别定义标准接口，使得具备相同对等层的不同网络设备间能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行
3. 能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术
4. 便于研究和教学

                                                                          

分层介绍：

1. 物理层：它的主要作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，并尽可能地屏蔽具体传输介质和物理设备的差异。主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。
2. 数据链路层：主要作用是在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。
3. 网络层：在位于网络中不同位置的两个主机系统之间提供连接和路径选择。（主机间的逻辑通信，为不同主机提供通信服务）
4. 传输层：主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。（应用进程间的逻辑通信，为不同主机的不同应用提供服务）
5. 会话层：用户应用程序和网络之间的接口，主要负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信
6. 表示层：通过使用一种通用格式来实现多种数据格式之间的转换。用于数据格式化、代码转换、数据加密
7. 应用层：为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络通信服务

4. TCP/IP模型

                     

TCP/IP四层参考模型：网络接口层、网络互连层、传输层、应用层

TCP/IP五层参考模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层

         

分层介绍：

1. 物理层

负责为数据通信构建一条连通的、电气化的物理链路或者传输信道

2. 数据链路层

在原始的，有差错的物理传输线路的基础上，采取差错控制、差错检测与流量控制等方法，将有差错的物理线路改进为无差错的数据链路，为网络层提供透明，可靠的数据传输服务。（物理层上构建的是物理链路，数据链路层上构建的是逻辑链路）

数据链路层通常为网络层提供三种可能的服务：无确认的无连接服务；有确认的无连接服务；有确认的有连接服务（差错控制，流量控制，纠错码，检错码）

3. 网络层

网络层主要负责不同网络之间的互联，以及数据在不同网络间转发时的路径选择。网络层可以把来自其他网络的数据传送到下一个途径的网络或本网络上的其他节点。当源端和目的端位于不同网络的时候，直接通信就不可行，就需要由网络层来解决。

4. 传输层

传输层的主要作用是为它的上层提供端到端的数据传输服务。传输层增强了网络层的传递保证，通常具有更高的可靠性，而且提供了数据交付的抽象，比如满足不同应用需求的可靠字节流

5. 应用层

应用层通过使用下面各层所提供的服务直接向用户提供服务，是计算机网络与用户之间的界面和接口。

5. OSI参考模型和TCP/IP参考模型的区别

共同点

1. 两者都以协议栈的概念为基础,并且协议栈中的协议彼此独立
2. 两个模型中的各个层的功能也大体相似
3. 核心组件一样：服务,接口,协议

不同点

1. 适用范围不同：OSI适用于所有类型网络设计参考；TCP/IP专门针对TCP/IP网络
2. 划分的层次不同：OSI模型有7层，而TCP/IP只有4层
3. 支持的网络通信模式不同：OSI的网络层同时支持无连接和面向连接的通信,但是在传输层上只支持面向连接的通信；而TCP/IP模型的网络层上只有一种无连接通信模式,但是在传输层上同时支持两种通信模式
4. OSI模型是在协议发明之前设计的，而TCP/IP是在协议出现之后设计的

 6. 计算机网络通信协议的基本要素

语义：“做什么”，描述通信协议具体用来实现什么功能

语法：“如何做”，用来规定通信时的信息格式

同步：“做的次序”，通信双方要完成某项网络服务必须依据什么样的流程，使用什么样的速率来进行

 

                                              第二章 物理层

1. 数据传输分类

• 按照数据传输方式

串行传输：指的是一个单位的数据是以串行方式一比特一比特地在一条线缆上逐位传输。（USB接口，SATA接口）

并行传输：指的是一个单位的数据可以通过传输电缆中的多条芯线进行传输，也就是网络接口中的多条芯线是同时负责一个单位数据的传输。（连接打印机的并口，CPU与其他芯片的数据传输）

• 按照数据传输模式

同步传输：同步传输是指通信双方在传输过程中是同步进行的（也就是接收端和发送端同时开始工作，并且接收端按照数据的发送顺序进行接收），同步的依据是双方有相同的时钟参考，能同时开始数据的接收和发送。（SDH,STM,HDLC）

异步传输：通信双方没有相同的时钟参考（也就是发送端和接收端不需要同时开始工作），但是双方在数据传输速率上是同步的。（键盘输入，ATM技术）

• 按照数据通信模式

单工：指永远只能往一个方向传输数据，数据发送方和接收方是固定的。（键盘输入）

半双工：数据可以双向传输，但是必须要交替进行，即同一时刻只能向一个方向传输，在不同时刻可以进行另外一个方向的数据传输。（对讲机）

双工：信号任何时刻都可以双向传输

2. 奈氏准则和香农公式

1）奈氏准则（有限信道带宽，无噪声信道）

在任何信道中，码元传输的速率（取决于信号的发送速率）都是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以使用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

最大码元传输速率=2W（低通）；W（带通）   W：信道带宽，单位Hz

2）香农公式（随机噪声热信道）

信道的极限信息传输速率C：宽带受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限，无差错的信息传输效率

C = B*log2（1+S/N）b/s （香农公式）

注：B为信道的带宽（以Hz为单位）

S为信道内所传信号的平均功率

N为信道内的高斯噪声功率

S/N为信噪比

3. 物理层概述

定义：物理层是计算机网络体系结构中的最底层，负责为数据通信构建一条连通的、电气化的物理链路或者传输信道。

工作在物理层的设施：传输介质、集线器、中继器、无线AP

物理层的主要功能：构建物理链路、传输数据、数据编码

主要任务：定义与传输介质、连接器以及其接口相关的机械特性，电气特性，功能特性和规程特性

双绞线中直通线用于连接不同类型的设备；交叉线用于连接同种类型的设备（直异交同）

4. 主要的WLAN物理层规范