《计算机网络学习笔记》-01章 计算机网络体系结构、02章 物理层

第一章 计算机网络体系结构

第一节 计算机网络的概念

A、计算机网络的概念

（1）概念：一些互联的、自治的计算机系统的集合。

B、计算机网络的组成

（1）从组成部分上看，计算机网络由硬件、软件、协议三大部分组成；
（2）从工作方式上看，计算机网络由边缘方式和核心部分组成；
（3）从功能上看，计算机网络由通信子网和资源子网组成。

C、计算机网络的功能

（1）数据通信
（2）资源共享
（3）分布式处理
（4）提高可靠性
（5）负载均衡

D、计算机网络的分类

（1）按分布范围分类
1）广域网（WAN）
2）城域网（MAN）
3）局域网（LAN）
4）个人区域网（PAN）
（2）按传输技术分类
1）广播式网络：局域网、无线网、卫星通信网络；
2）点对点网络。
（3）按拓扑结构分类
1）总线形网络
2）星形网络
3）环形网络
4）网状形网络
（4）按使用者分类
1）公用网（Public Network）
2）专用网（Private Network）
（5）按交换技术分类
1）电路交换网络
2）报文交换网络/包交换网络：报文的大小不确定
3）分组交换网络：分组的大小确定
（6）按传输介质分类
1）有线网络
2）无线网络

E、计算机网络的标准化工作及相关组织

（1）因特网的所有标准都以RFC（Request For Comment）的形式在因特网上发布。
（2）网络标准化的组织：国际标准化组织（ISO）、国际电信联盟（ITU）、国际电气电子工程师协会（IEEE）、因特网工程任务组（IETF）。

F、计算机网络的性能指标

（1）带宽：最高数据率，单位b/s；
（2）时延：
1）发送时延、传输时延：分组长度/信道宽度；
2）传播时延：信道长度/信道传播速率；
3）处理时延；
4）排队时延；
5）总时延：发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。
（3）时延带宽积：传播时延*信道带宽；
（4）往返时延（RTT）：从发送端发送数据到接收端确认数据的时延；
（5）吞吐量：单位时间内通过某个信道的数据量；
（6）速率：信道上传送数据的速率；
（7）信道利用率：有数据通过时间/（有数据通过时间+无数据通过时间）。
PS、
（1）网络拓扑结构：由网络中结点与通信线路之间的几何关系表示的网络结构。
（2）高速链路提高的仅是数据发送速率而非比特在链路上的传播速率。
（3）性能指标
1）与速度有关：速率、带宽、吞吐量
2）与时间有关：时延、时延带宽积、往返时延RTT
3）与利用率有关：信道利用率

第二节 计算机网络体系结构与参考模型

A、计算机网络分层结构

（1）网络的体系结构：网络的各层及其协议的集合。
（2）
服务数据单元SDU：各层传送的数据；
协议控制信息PCI：各层控制协议操作的信息；
协议数据单元PDU：各层传送的数据单位，SDU+PCI。
（3）
物理层PDU：比特；
链路层PDU：帧；
网络层PDU：分组/数据报；
传输层PDU：报文。
（4）n-SDU + n-PCI = n-PDU = （n-1）SDU
（5）中间层向下使用服务，向上提供服务。

B、计算机网络协议、接口、服务的概念

（1）协议
1）协议：规则的集合；
2）组成：语法、语义、同步；
3）功能：线路管理、差错控制、数据转换。
（2）接口
1）接口：相邻两层交换信息的连接点；
2）SAP：Service Access Point 服务访问点，相邻两层的实体通过SAP交互，服务是通过SAP提供给上层使！用。
（3）服务
1）下层为上层提供功能调用；
2）服务原语：请求、指示、响应、证实；
3）协议是“水平”的，服务是“垂直”的；
4）服务分类：
a、面向连接服务与无连接服务；
b、可靠服务与不可靠服务；
c、有应答服务与无应答服务。

C、ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

C1、OSI参考模型
应用层（端到端通信）（资源子网：数据处理等）
表示层（端到端通信）（资源子网：数据处理等）
会话层（端到端通信）（资源子网：数据处理等）
传输层（端到端通信）（承上启下）
网络层（点到点通信）（通信子网：数据传输）
数据链路层（点到点通信）（通信子网：数据传输）
物理层（点到点通信）（通信子网：数据传输）
[物链网输会示用/物联网淑惠试用]
（1）物理层
1）传输单位：比特
2）任务：定义接口特性、定义传输模式、定义传输速度、实现比特同步和比特编码。
3）功能：在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流。
4）标准：EIA-232C、EIA/TIARS-449、CCTT的X.21、Rj45、802.3。
（2）数据链路层
1）传输单位：帧
2）任务：将网络层传来的IP数据组装成帧。
3）功能：成帧、差错控制、流量控制、访问控制、传输管理
4）协议：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继。
（3）网络层/网际层/IP层
1）传输单位：数据报/分组
2）任务：把分组从源端传到目的端。
3）功能：对分组进行路由选择、流量控制、拥塞控制、差错控制、网际互联。
4）协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF。
（4）传输层
1）传输单位：报文段（TCP）、用户数据报（UDP）
2）任务：负责主机中两个进程之间通信。
3）功能：为端到端提供可靠的传输服务、差错控制、流量控制、复用分用、服务质量、数据传输管理。
4）协议：TCP、UDP。
（5）会话层
1）任务：管理主机间会话进程，建立、管理及终止进程间会话；实现数据同步。
（6）表示层
1）任务：处理两个通信系统中交换信息的表示方式；进行数据处理。
（7）应用层
1）功能：为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。
2）协议：FTP、SMTP、HTTP。
C2、TCP/IP模型
（1）TCP/IP成为事实上的国际标准。
（2）TCP/IP的层次结构及各层的主要协议。

C3 TCP/IP模型与OSI参考模型的比较
（1）TCP/IP模型与OSI模型的层次对应关系

（2）网络的五层协议体系结构模型

PS
（1）数据链路层提供的是点到点（主机）的通信，传输层提供的是端到端（端口号、进程）的通信。
（2）

PS
（1）
传输层–进程–传输层（及上层）；
网络层–主机–网络层（及下层）。
（2）
路由器应用于物理层、数据链路层、网络层；
交换机、网桥应用于数据链路层；
集线器、中继器应用于物理层。
（3）
应用层提供的SAP是“用户界面”；
传输层提供的SAP是“端口号”；
网络层提供的SAP是“IP地址”；
数据链路层提供的SAP是“MAC地址”；
物理层提供的SAP是“网卡接口”。
（4）
同步：A…B，A发送一条数据B就接收一条数据；
异步：A. . .:B，A随机发送数据，B随机接收数据。

第二章 物理层

第一节 通信基础

A、基本概念

（1）数据、信号与码元
1）数据：传送信息的实体。
模拟数据：连续变化的数据；
数字数据：离散数值的数据。
2）信号：数据的电气或电磁表现/数据在传输过程中的存在形式。
模拟信号：连续变化的信号；
数字信号：离散数值的信号。
3）码元：固定时长的数字信号波形/数字通信中数字信号的计量单位。
（2）信源、信道与信宿
1）数据通信：数字计算机或其他数字终端之间的通信。
单工通信：单向通信，如无线电广播、电视广播；
半双工通信：分时双向通信，如对讲机通信；
全双工通信：同时双向通信，如手机通信。
2）信源：产生和发送数据的源头。
3）信宿：接收数据的终点。
4）信道：信号的传输媒介。
模拟信道、数字信道（按传输信号分类）；
无线信道、有线信道（按传输介质分类）。
基带信号：信道上传输的数字信号；
宽带信号：信道上传输的模拟信号。
5）通信系统模型：

（3）速率、波特与宽带
1）码元传输率/码元速率/波形速率/调制速率/符号速率：单位时间内传输的码元个数，波特/Baud；
2）信息传输率/信息速率/比特率：单位时间内传输的比特数，b/s。
[一个码元携带n比特的信息量，M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒。]
3）带宽：最高速率，b/s；或信号频带宽度，Hz。

B、奈奎斯特定理与香农定理

（1）奈奎斯特定理/奈氏准则：（Nice）
理想低通道下：极限码元传输率 = 2W（Baud）；极限数据传输率 = 2Wlog2V（b/s）。
W：理想低通信道带宽，V：每个码元离散电平数目。
（2）香农定理：（香浓）
信道的极限数据传输率 = Wlog2（1+S/N）（b/s）。
W：信道带宽，S：信号功率，N：噪声功率，信噪比：10log10（S/N）dB。
[理想低通信道下选用奈氏准则；题目给出V和S/N时，分别算出奈氏和香农选最小。]

C、编码与调制

编码：把数据变为数字信号的过程；
调制：把数据变为模拟信号的过程。
C1、数字数据编码为数字信号
（1）归零编码RZ：高1低0。
（2）非归零编码NRZ：不用归零。
（3）反向非归零编码NRZI：信号翻转为0，不变为1。（USB2.0通信的编码方式）
（4）曼彻斯特编码：一个码元分为两个等间隔，高低跳变为1，低高跳变为0。（以太网的编码方式）
（5）差分曼彻斯特编码：上一码元后间隔与当前码元前间隔一致为1，不一致为0。（或不翻转为1，翻转为0）
（6）4B/5B编码：5位码表示4位数据，多出的16种组合作为控制码。

C2、数字数据调制为模拟信号
调制：数字信号->模拟信号；
解调：模拟信号->数字信号。
（1）幅移键控（ASK）：调幅；
（2）频移键控（FSK）：调频；
（3）相移键控（PSK）：调相；
（4）正交振幅调制（QAM）：调幅+调相。

C3、模拟数据编码为数字信号
脉码调制（PCM）：采样、量化、编码。
C4、模拟数据调制为模拟信号
频分复用。

D、电路交换、报文交换、分组交换

D1、电路交换
（1）两个结点之间建立专用的物理通信路径。经历三个阶段：建立连接-通信-释放连接。
（2）优点：通信时延小、适用范围广、有序传输、实时性强、没有冲突、控制简单。
（3）缺点：建立连接时间长、灵活性差、线路独占、难以规格化。
D2、报文交换
（1）以报文为单位进行数据交换，报文携有目标地址、源地址。
（2）优点：无须建立连接、提高线路利用率、动态分配线路、提供多目标服务、提高线路可靠性。
（3）缺点：存在转发时延、需要较大的缓存空间。
[报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在通常被先进的分组交换方式取代。]
D3、分组交换
（1）以分组为单位进行数据交换，解决了中大报文传输的问题。
（2）优点：无建立时延、加速传输、线路利用率高、减少了出错概率和重发数据量、简化了存储管理。
（3）缺点：存在传输时延，出现失序、丢失或重复分组，需要传输额外的信息量。

E、数据报与虚电路

分组交换包括数据报方式（无连接）、虚电路方式（面向连接）及其他方式。
E1、数据报
（1）高层协议先把报文拆成若干有序号的数据单元，并在网络层加上地址等待控制信息后形成数据报分组。
（2）特点：
1）发送分组前不需要建立连接；
2）分组可能丢失；
3）分组中要包括发送端和接收端的完整地址；
4）存储转发带来一定时延；
5）对故障的适应力强；
6）时延小，提高了网络的吞吐量；
7）资源利用率较高。
E2、虚电路
（1）将数据报方式与电路交换方式结合起来，达到最佳的数据交换效果。包含虚电路建立，数据传输、虚电路释放三个过程。
（2）特点：
1）需要时间开销；
2）连接建立后，就确定了传输路径；
3）可靠的通信功能；
4）故障适应力弱；
5）开销小。
[传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换，其传输时延最小]
[报文交换和分组交换都是存储转发的交换方式]
[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]
[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突发式的数据通信]

第二节 传输介质

A、双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

[传输介质/传输媒体：发送设备和接收设备之间的物理通路，被认为网络的5层协议体系结构的第0层]
（1）双绞线

1）绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰；
2）绞线分为屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP；
3）价格便宜；
4）模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离为几千米到数十千米。
[模拟传输：放大器放大衰减的信号；数字传输：中继器将失真的信号整形]
（2）同轴电缆

1）基带同轴电缆：传送基带数字信号；（基数）
2）宽带同轴电缆：传送宽带模拟信号；
3）良好的抗干扰性，用于传输较高速率的数据，传输距离远，价格更贵。
（3）光纤

1）带宽范围极大；
2）多模光纤：只适合近距离传输；单模光纤：适合远距离传输，衰减少。
（4）无线传输介质
1）无线电波
a、向所有方向传播
b、无线手机通信、计算机网络中的无线局域网
2）微波、红外线和激光
a、沿直线传播
b、地面微波接力通信：频率较高、频段范围很宽；

卫星通信：通信容量大、距离远、覆盖广，端到端传播时延长。

c、红外线、激光：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。
[双绞线、同轴电缆、光纤是导向性传输介质，无线电波、微波、红外线激光是非导向性传播介质]

B、物理层接口的特性

（1）机械特性：接插装置；连接规格、引线数目、引脚数量、排列情况。
（2）电气特性：传输线路上电压、阻抗、速率、距离。
（3）功能特性：电平电压意义，信号线用途。
（4）规程特性：物理线路工作规程、时序关系。

C、物理层接口标准

EIARS-232-C、ADSL和SONET/SDH等。
[信号的发送速率就是信道的传输速率，信号的传播速率就是信号在信道上传播的速率]

第三节 物理层设备

A、中继器/转发器

（1）功能：将信号整形再生再转发出去。
（2）特点：
1）局域网环境下用来扩大网络规模最简单、最廉价的互联设备；
2）使用中继器连接几个网段仍然是一个局域网；
3）由于中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网；
4）中继器两端的网络部分是网段，而不是子网；
5）中继器若出现故障，对相邻两个网段的工作都将产生影响。
（3）对比：
1）放大器放大的是模拟信号；将衰减的信号放大；
2）中继器放大的是数字信号；将衰减的信号整形再生；
3）中继器两端的网段一定要使用同一个协议。
B、集线器
（1）实质：
一个多端口的中继器，也工作在物理层。
一个端口输入，将信号整形放大，转发到除它以外的所有端口。
是一个信号放大、转发的共享式设备。
（2）Hub主要使用双绞线组建共享网络，是从服务器连接到桌面的最经济方案。
（3）由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。
（4）Hub只能在半双工的状态下工作。
（5）所有集线器的端口都属于同一个冲突域。
[中继器/集线器“5-4-3规则”：最多5个网段、4个中继器/集线器、3个主机段]