【计算机网络Part 1】概述+物理层

不论是考研还是找工作，计算机网络都是必须学的一部分。本文是根据【湖南科技大学—计算机网络】课程，整理所得。大家可以将本笔记作为课程的补充，如果你没有看过该课程，也推荐你继续往下看。⭐码字不易，求个关注⭐

计算机网络概述

计算机网络组成、定义和分类

iternet是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互联而成的网络，在这些网络之间的通信协议可以是任意的。

Iternet(因特网)则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定的计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。
ISP即因特网服务提供者，比如中国电信，中国联通等。

因特网由两部分组成：
边缘部分：由主机组成。（用户直接使用、有IP地址才可通信）
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。（提供连通性和交换、为边缘服务）

计算机网络通常采用分组交换的方式：

1. 发送方：构造分组，发送分组；
2. 路由器：存储转发；
3. 接收方：接受分组、还原报文。

计算机网络的简单定义：
互联、自治的计算机的集合。

计算机网络的分类：

计算机网络体系结构

OSI七层模型：

教学使用体系结构：

	原理体系结构	解决的问题
5	应用层	解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题
4	运输层	解决进程之间基于网络的通信的问题
3	网络层	解决分组在多个网络上传输(路由)的问题
2	数据链路层	解决分组在一个网络(一段链路)上传输的问题
1	物理层	解决使用何种信号传输比特的问题

事实上的国际标准：

	TCP/IP体系结构
4	应用层
3	运输层
2	网际层
1	网络接口层

注：其中IP协议是网际层的主要协议，可以互连不同的网络接口（IP over everything）；也可以为上层协议提供服务（Everything over IP）。例如运输层的TCP、UDP协议，应用层的HTTP、SMTP、DNS、RTP协议。

分层的必要性：

1. 通过分层，可以将一个大的问题拆分成若干个小问题，进而一层一层来解决。
2. 分层也是抽象的一种，在研究某一层时，只用考虑该层提供的功能，不用考虑细节是具体如何实现的。考虑细节的具体实现应该到下一层去寻找答案。

分层的具体实例：
浏览器<————通信————>服务器
应用层：HTTP报文
运输层：HTTP+TCP报文段
网络层：HTTP+TCP+IP数据报
数据链路层：ETH帧+HTTP+TCP+IP+ETH帧
物理层：帧转换为比特流0101在网络中传输。
——>
路由器查表转发
——>
物理层：将比特流转换为帧。
数据链路层：ETH帧+HTTP+TCP+IP+ETH帧
网络层：HTTP+TCP+IP数据报
运输层：HTTP+TCP报文段
应用层：HTTP报文

计算机网络的专用术语

• 实体
  实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
  对等实体：收发双方相同层次中的实体。
  对等实体，如图所示：
  

• 协议
  协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。
  常用的协议如图所示：
  
  协议的三要素：
  语法(定义所交换信息的格式)、
  语义(定义收发双方要完成的操作)【比如输入网址浏览网页，客户端应发送HTTP请求，服务端应发送HTTP响应。】
  同步(定义收发双方的时序关系)。
  如图所示：
  

• 服务
  服务：在协议的控制下，两个对等实体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”，服务是 “垂直的”。
  下面的协议对上面的实体是 “透明” 的。（实体看得见下层提供的服务，但不知道该服务的具体细节）
  如图所示：
  
  四个服务相关的概念：
  服务访问点：同一系统中，相邻两层的实体，交换信息的逻辑接口。
  服务原语：上层使用下层所提供的服务从而与下层交换的命令。
  协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。
  服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。
  

计算机网络的性能指标

• 比特bit：数据量的单位。
  8bit=1Byte。八个比特等于一个字节（B）。
  KB=2¹⁰B；MB=2²⁰B；GB=2³⁰B；TB=2⁴⁰B。

• 速率：主机在数字信道上传输比特的速率。
  单位bit/s（b/s，bps）：
  kb/s=10³b/s； Mb/s=10⁶b/s；Gb/s=10⁹b/s；Tb/s=10¹²b/s。

• 带宽：单位时间内从网络一点到另一点所通过的最高速率。可以衡量通信线路传输数据的能力。
  单位： b/s（kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s）

• 吞吐量：表示单位时间内通过某个网络的数据量，主要受网络带宽或额定速率的限制。

• 时延：主要分为发送时延（分组长度/发送速率）、传播时延（信道长度/电磁波传播速率）、处理时延（不便于计算）。时延带宽积：传播时延x带宽。

• 往返时间：双向交互一次所用的时间。

• 利用率：分为信道利用率和网络利用率（全网络的信道利用率的加权平均）。当网络利用率达到50%时，时延就要加倍。所以要控制网络利用率在一个合理的范围。

• 丢包率：即分组丢失率，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。
  丢失的原因：分组误码、网络拥塞。丢包率反映了网络的拥塞情况：无拥塞时路径丢包率为0、轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%。

物理层

物理层的主要任务

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流。

• 物理层协议的主要任务：
  机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
  电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  功能特性：指明某条线上出现的某一点平的电压表示何种意义。
  过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层下面的传输媒体

注：传输媒体不属于计算机网络的任何层次。

主要分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
导引型传输媒体： 同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。
非导引型传输媒体： 无线电波、微波、红外线(淘汰)、可见光。

无线电管理机构如图所示：

数据传输方式

1. 串行传输和并行传输
   计算机网络等远距离传输采用串行传输，而CPU通过总线与内存的传输采用并行传输。
   如图所示：
   

2. 同步传输和异步传输
   同步传输可以采用内同步或外同步的方式。异步传输只是字节之间异步。
   如图所示：
   

3. 单工（单向通信）、半双工（双向交替通信）、全双工（双向同时通信）
   如图所示：
   

编码与调制

首先来了解一条消息是怎么转换为bit0和1的：

注意： 上文的传输媒体和信道是存在区别的，一段传输媒体内可能存在多个信道。

码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

• 常用编码：
  不归零编码（存在同步问题，传输时钟信号需要额外一条传输线）、归零编码（自同步，但是编码效率低，大部分数据带宽都被“归零”浪费了）、曼彻斯特编码（码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据）、 差分曼彻斯特编码 （比曼彻斯特编码变化少，适合较高的传输速率。码元中间时刻的跳变仅仅表示时钟，码元开始处电平是否发生变化表示数据。）
  如图所示：
  

• 基本调制方法如下所示：
  
  使用基本调制方法，一个码元只能包含1个比特信息。要使一个码元包含更多比特信息，需要使用混合调制方式。

• 混合调制—正交振幅调制QAM
  QAM-16就是采用相位和振幅进行结合调制，可以表示12种相位，每种相位有1或两种振幅可选。
  QAM-16调制方法如图所示：
  
  所以一共有16种码元，每种码元可以对应表示四个比特 \log_2^{10}
  码元与四个比特的对应关系应该采用格雷码，可以保证相邻码元只有1个比特不同。
  如图所示：
  

注意：不能采用频率和相位混合调制，因为频率和相位相关，频率是相位随时间的变化率）

信道的极限容量

奈氏准则

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W码元/秒
W：信道带宽（单位为Hz）。 Baud：波特，即码元/秒。

奈氏准则描述的是码元传输速率，单位码元/秒。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。

• 码元传输速率与比特率(比特/秒 单位：bps)有一定关系：

1. 当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的。
2. 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n 。
   要提高信息传输速率（比特率），就必须使一个码元携带更多个比特的信息量。这需要采取多元制。

香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
奈氏准则是在假定理想条件下的。

具体公式如下：

由公式可知，信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制和努力提高信道中的信噪比。

习题

A

---

奈氏准则和香农公式的应用

---

---

信号状态数：码元数。