计算机网络

本文章基于王道考研视频进行总结：https://www.bilibili.com/video/BV19E411D78Q

文章目录

1.概述
- 1.1 基本概念
- 1.2 OSI参考模型
2.物理层
3.数据链路层
4.网络层
5.传输层
6.应用层

1.概述

1-3-1

1.1 基本概念

计算机网络概念

计算机网络概念——互连的、自治的计算机系统的集合

广义观点：能实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统。
资源共享观点：以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。
- 目的：资源共享；组成：多台自治计算机；规则：网络协议
用户透明性观点：整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。

一个简单的计算机网络

1-1-01

计算机网络的功能

数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡

计算机网络的组成

组成部分：硬件、软件、协议。
工作方式：边缘部分（用户主机）、核心部分（路由器、网络）
功能组成：通信子网（物理层、数据链路层、网络层）、资源子网（会话层、表示层、应用层）

1-1-04

计算机网络的分类
范围分类：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个人局域网（PAN）

网络	范围	特点
广域网（WAN）	10km-1000km	互联网、交换技术
城域网（MAN）	5km-50km	以太网
局域网（LAN）	10m-5km	广播技术
个人局域网（PAN）	0-10m	无线技术

传输技术：广播式网络、点对点网络
拓扑结构：总线型、星型、环形、网状

使用者：共用网、专用网
交换技术：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络

网络类型	特点	优点	缺点	应用/别称
电路交换网络	专用通路；包括建立连接、传输数据、断开连接的过程。	数据直接传送，时延小。	线路利用率低，不能充分利用线路容量，不便于进行差错控制。	传统电话网络
报文交换网络	数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，封装成报文。	充分地利用线路容量，实现传输速率的转换、格式转换、差错控制。	增加资源开销，缓冲延时，缓冲区难以管理。	存储转发网络
分组交换网络	数据分成固定长度的数据块，数据块加上目的地址、源地址等组成分组。	缓冲易于管理；包的平均时延更小；更易于标准化。		包交换网络

传输介质：有线网络、无线网络

三种交换方式的性能对比

速率

1-1-09

带宽

1-1-10

吞吐量

时延

时延带宽积

往返时延RTT
信道利用率

计算机网络性能指标

带宽（Bandwidth）：最高数据传输速率，表示网络的通信线路所能传送数据的能力，单位是比特/秒（b/s）。
时延（Delay）：指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间。
- 发送时延：又称传输时延，主机或路由器发送数据帧所需的时间，从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。
发送时延 = 数据帧长度 ( b ) / 信道宽度 ( b / s )
- 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离花费的时间，一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。
传播时延 = 信道长度 ( m ) / 传播速率 ( m / s )
- 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。
- 排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
时延带宽积：又称以比特为单位的链路长度，指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特。
时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽

考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则时延带宽积表示该管道可以容纳的比特数量。
往返时延（RTT）：指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
速率（Speed）：数据传输速率、数据率或比特率，网络中的速率是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，单位为b/s （bps）。更常用的速率单位是千比特/秒（kb/s）、兆比特/秒（Mb/s）、吉比特秒（Gb/s）、太比特/秒（Tb/s）。

在计算机领域，表示存储容量或文件大小时，K=210=1024，M=220，G=230，T=240。这与通信领域中的表示方式不同。

在计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽。

传播速率是指电磁波在信道中传播的速率，单位是米/秒（m/s），更常用的单位是千米/秒。电磁波在光纤中的传播速率约为2x108m/s。
信道利用率：指出某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的。
信道利用率 = 有数据通过时间 / （有 + 无）数据通过时间

例：假定一条链路的传播速率为2x108m/s,这相当于电磁波在该媒体上1μs可向前传播200m。若链路带宽为1Mb/s,则主机在1μs内可向链路发送1bit数据。

当t=0时，开始向链路发送数据：当t=1μs时，信号传播到200m处，注入链路1比特：当t=2μs时，信号传播到400m处，注入链路共2比特：当t=3μs时，信号传播到600m处，注入链路共3比特。

可以看出，一段时间内，链路中有多少比特取决于带宽(或传输速率)，而1比特“跑” 了多远取决于传播速率。

1.2 OSI参考模型

为什么要分层

1-2-1

各层功能
每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现。
保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
整个分层结构应能促进标准化工作。

依据一定的规则，将分层后的网络从低层到高层依次称为第1层、第2层…第n层，通常还为每层取一个特定的名称，如第1层的名称为物理层。

实体：在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素通常称为第n层实体。具体来说，实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。

不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。

第n层实体实现的服务为第n+1层所利用。第n层称为服务提供者，第n+1层则称为服务用户。

在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文都分为两部分：一是数据部分，即SDU；二是控制信息部分，即PCI,它们共同组成PDU。

服务数据单元(SDU)：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。第n层的服务数据单元记为n-SDU。
协议控制信息(PCI)：控制协议操作的信息。第n层的协议控制信息记为n-PCL。
协议数据单元(PDU)：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。

层次结构的含义包括以下几方面：

第n层的实体不仅要使用第-1层的服务来实现自身定义的功能，还要向第n+1层提供本层的服务，该服务是第n层及其下面各层提供的服务总和。
最低层只提供服务，是整个层次结构的基础：中间各层既是下一层的服务使用者，又是上一层的服务提供者：最高层面向用户提供服务。
上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务；下一层所提供服务的实现细节对上一层透明。
两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方。
正式认识分层结构

1-2-2

为了方便对网络进行研究、实现与维护，促进标准化，通常对对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模。分层原则如下：

协议

为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（水平结构）；由语法、语义和同步三部分组成。

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

接口

接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点。同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point, SAP）进行交互。服务是通过SAP提供给上层使用的，第n层的SAP就是第n+1层可以访问第n层服务的地方。

服务

服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用（垂直结构），对等实体在协议的控制下，使得本层能为上一层提供服务，但要实现本层协议还需要使用下一层所提供的服务。

上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI参考模型中称为服务原语。OSI参考模型将原语划分为4类：

请求（Request）由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。
指示（Indication）由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情。
响应（Response）由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。
证实（Confirmation）由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实。

协议、接口、服务三者之间的关系如下图所示。

服务类型可按以下三种方式分类：

面向连接服务与无连接服务
- 面向连接服务中，通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源(如缓冲区)，以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和所占用的资源。分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。如TCP。
- 无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，把每个带有目的地址的包(报文分组)传送到线路上，由系统选定路线进行传输。是尽最大努力交付的服务，不可靠。如IP、UDP。
可靠服务和不可靠服务
- 可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。
- 不可靠服务是指网络只是尽量正确、可靠地传送，而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务。
有应答服务和无应答服务
- 有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不由用户实现。
- 无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答。
总结

1-2-3

计算机网络分层结构

1-2-5

OSI参考模型

1-2-7

国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型，称为开放系统互连参考模型，通常简称为OSI参考模型。

OSI参考模型有7层，自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

低三层统称为通信子网，它是为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。传输层承上启下。

通信过程解释

1-2-8

1-2-9

物理层

物理层的传输单位是比特，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流。

透明传输指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

物理层主要定义数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)的物理与逻辑连接方法，物理层协议也称物理层接口标准。由于在通信技术的早期阶段，通信规则称为规程(Procedure)，因此物理层协议也称物理层规程。如EIA-232C、ElA/TIA RS-449、 CCITT的X.21等。

物理层规定电路接口参数、通信链路上传输信号的意义和电气特征。

数据链路层

数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装成帧。数据链路层的功能可以概括为成帧、差错控制、流量控制和传输管理等。

两个主机之间，点对点传输需要数据链路层协议，将数据报组装成帧透明传输。

典型的数据链路层协议有SDLC、HDLC、PPP、STP和帧中继等。

网络层

网络层的传输单位是IP数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是把网络层的协议数据单元(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。

关键问题是对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互连等功能。

数据链路层、网络层、传输层都具有流量控制功能，数据链路层是相邻结点之间的流量控制，网络层是整个网络中的流量控制，传输层是端到端的流量控制。

因特网是一个很大的互联网，它由大量异构网络通过路由器（Router）相互连接起来。因特网的主要网络层协议是无连接的网际协议（Internet Protocol，IP）和许多路由选择协议，因此因特网的网络层也称网际层或P层。

网络层的协议有 IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP 和 OSPF 等。

传输层

传输层也称运输层，传输单位是报文段(TCP)或用户数据报(UDP)，传输层负责主机中两个进程之间的通信。

功能是为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。

数据链路层提供的是点到点的通信，传输层提供的是端到端的通信。

点到点可以理解为主机到主机之间的通信，一个点是指一个硬件地址或IP地址，网络中参与通信的主机是通过硬件地址或IP地址标识的；
端到端的通信是指运行在不同主机内的两个进程之间的通信，一个进程由一个端口来标识，所以称为端到端通信。

由于一台主机可同时运行多个进程，因此传输层具有复用和分用的功能。

复用是指多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务，分用是指传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

传输层的协议有TCP、UDP。

会话层

会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务，为表示层实体或用户进程建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称建立同步（SYN）。

会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的会话。会话层可以使用校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信，实现数据同步。

表示层

表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。

为了使不同表示方法的数据和信息之间能互相交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。表示层的功能有实现数据格式变换、数据加密解密和数据压缩和恢复。

应用层

传输单位是报文。

应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的界面。

应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI参考模型环境的手段。

典型的协议有用于文件传送的FTP、用于电子邮件的SMTP、用于万维网的HTTP等。

传输层

网络层

数据链路层

物理层

TCP/IP模型

OSI与TCP/IP参考模型

1-2-18

不同点

1-2-19

ARPA在研究ARPAnet时提出了TCP/IP模型，模型从低到高依次为网络接口层（对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层）、网际层、传输层和应用层（对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层）。

TCP/IP由于得到广泛应用而成为事实上的国际标准。TCPP模型的层次结构如下图所示。

网络接口层

网络接口层的功能类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层。它表示与物理网络的接口。

具体的物理网络既可以是各种类型的局域网，如以太网、令牌环网、令牌总线网等，也可以是诸如电话网、SDH、X.25、帧中继和ATM等公共数据网络。网络接口层的作用是从主机或结点接收P分组，并把它们发送到指定的物理网络上。

网际层

网际层(主机-主机)一是TCP/IP体系结构的关键部分。它和OSI参考模型的网络层在功能上非常相似。

网际层将分组发往任何网络，并为之独立地选择合适的路由，但它不保证各个分组有序地到达，各个分组的有序交付由高层负责。网际层定义了标准的分组格式和协议，即IP。

传输层

传输层（应用-应用或进程-进程）的功能同样和OSI参考模型中的传输层类似，即使得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话。主要使用TCP、UDP协议。

传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）。它是面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。

用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）。它是无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。

应用层

应用层（用户-用户）包含所有的高层协议，如虚拟终端协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、域名解析服务（DNS）、电子邮件协议（SMTP）和超文本传输协议（HTTP）。

TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

相同点
- 二者都采取分层的体系结构
- 二者都是基于独立的协议栈的概念
- 二者都可以解决异构网络的互连
不同点
- OSI参考模型的最大贡献就是精确地定义了三个主要概念：服务、协议和接口，这与现代的面向对象程序设计思想非常吻合。
  而TCP/IP模型在这三个概念上却没有明确区分，不符合软件工程的思想。
- OSI参考模型产生在协议发明之前，没有偏向于任何特定的协议，通用性良好。但设计者在协议方面没有太多经验，不知道把哪些功能放到哪一层更好。
  TCP/IP模型正好相反，首先出现的是协议，模型实际上是对已有协议的描述，因此不会出现协议不能匹配模型的情况，但该模型不适合于任何其他非TCP/IP的协议栈。
- TCP/IP模型在设计之初就考虑到了多种异构网的互连问题，并将网际协议(IP)作为一个单独的重要层次。OSI参考模型最初只考虑到用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连。OSI参考模型认识到IP的重要性后，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似于TCP/IP模型中的IP的功能。
- OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。
  而TCP/IP模型认为可靠性是端到端的问题，因此它在网际层仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

	OSI参考模型	TCP/IP模型
网络层	无连接+面向连接	无连接
传输层	面向连接	无连接+面向连接

5层协议体系结构

1-2-20

数据封装与解封装

1-2-21

学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，即综合OSI参考模型和TCP/IP模型的优点，采用一种如图所示的只有5层协议的体系结构，即我们所熟知的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

层次	协议
应用层	路由选择协议：距离向量路由算法（RIP）、边界网关协议（BGP）；
动态主机配置协议（DHCP）；
域名系统（DNS）；文件传输协议（FTP）；超文本传输协议（HTTP）；
电子邮件协议：简单邮件传输协议（SMTP）、邮局协议（POP3）、互联网消息访问协议（IMAP）、多用途网际邮件扩充（MIME）
传输层	传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）
网络层	网际协议：IPv4、IPv6；地址解析协议（ARP）；网络地址转换协议（NAT）；
互联网控制报文协议（ICMP）；网际组管理协议（IGMP）；
路由选择协议：链路状态路由算法（OSPF）；无分类编址（CIDR）
数据链路层	组帧协议：字符计数法、字符填充法和比特填充法
差错控制协议：奇偶校验码、循环冗余校验码（CRC）、海明码
流量控制与可靠传输协议:停止-等待协议、后退N帧协议（GBN）、选择重传协议（SR）
介质访问控制协议:ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA
物理层	物理层接口标准（不需了解）

2.物理层

概述

通信基础
两个公式lim（*）
看图说话
传输介质
物理层设备

总结

2-4

2.1 数据通信基本知识

物理层基本概念

2-1-2

典型的数据通信模型

2-1-3

数据通信相关术语

2-1-4

信源、信道与信宿

一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。

信源是产生和发送数据的源头。
信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。

发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。

信道与电路并不等同，信道是信号的传输媒介。

一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某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。

噪声源是信道上的噪声（即对信号的干扰）及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。

a. 信道分类：

按传输信号形式：分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道；
按传输介质的不同：分为无线信道和有线信道。

b. 信道传输信号分类：

基带传输：基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输。
宽带传输：宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输。

c. 通信方式分类：

单向通信。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。例如，无线电广播、电视广播就属于这种类型。
半双工通信。通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道。
全双工通信。通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。
三种通信方式

2-1-5

两种数据传输方式

2-1-6

2.2 码元/波特/速率/带宽

码元

2-1-7

.数据、信号与码元

数据：数据是指传送信息的实体；数据传输方式可分为串行传输和并行传输。
- 串行传输是指1比特1比特地按照时间顺序传输（远距离通信通常采用串行传输）
- 并行传输是指若干比特通过多条通信信道同时传输。
信号：是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。
- 模拟数据（信号）：连续变化的数据（或信号）
- 数字数据（信号）：取值仅允许为有限的几个离散数值的数据（或信号）
码元：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，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，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。
- 1码元可以携带若干比特的信息量。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。
速率/波特/带宽

2-1-8

.速率、波特与带宽

速率也称数据率，指的是数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

码元传输速率。又称波特率，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（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关。
信息传输速率。又称信息速率、比特率等，它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）。
练习题

2-1-9

总结

噪声
失真

2-1-10

码间串扰

2-1-11

2.3 奈氏准则/香农定理

奈氏准则
练习
香农定理

2-1-14

2-1-15

练习
两者对比

2.4 编码与调制

基带信号与宽带信号

2-1-18

编码与调制

2-1-19

数据编码
编码：把数据变换为数字信号的过程；调制：把数据变换为模拟信号的过程。

数字数据编码为数字信号

2-1-20

2-1-21x

数字数据编码为数字信号

归零编码。在归零编码（RZ）中用高电平代表1、低电平代表0（或者相反），每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。
非归零编码。非归零编码（NRZ）与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。
反向非归零编码。反向非归零编码（NRZI）与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码。
曼彻斯特编码。曼彻斯特编码（Manchester Encoding）将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1：码元0的表示方法则正好相反。当然，也可采用相反的规定。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。
差分曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则情形相反。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，且抗干扰性较好。
4B/5B编码。将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他16种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留。

数字数据编码为模拟信号

2-1-22

数字数据调制为模拟信号

幅移键控（ASK）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
频移键控（FSK）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。
相移键控（PSK）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。
正交振幅调制（QAM）。在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输速率R为

R = B l o g 2 （ m n ）（单位为 b / s ） R=Blog_2（mn）（单位为b/s） R=Blog2（mn）（单位为b/s）

模拟数据编码为数字信号

2-1-23

模拟数据编码为数字信号

典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。它主要包括三个步骤，即采样、量化和编码。

奈奎斯特定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此，将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为 f f f，那么采样频率 f 采样 f_{采样} f采样必须大于或等于最大频率 f f f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。
f 采样 ≥ 2 f f_{采样}≥2f f采样≥2f

采样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

根据采样定理，当采样的频率大于或等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据。
量化是把采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，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
模拟数据编码成模拟信号

2-1-24

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

调制

脑图

2.5 物理层传播介质/设备

传输介质与分类

导向性传输介质

双绞线

双绞线

双绞线是最常用的古老传输介质，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。

为了进一步提高抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一层，即用金属丝编织成的屏蔽层，这就是**屏蔽双绞线(STP)；无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线(UTP)**。

双绞线的价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。
带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。
通信距离一般为几千米到数十千米。
模拟传输和数字传输都可使用双绞线，距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
同轴电缆

同轴电缆

同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。

基带同轴电缆：50Ω同轴电缆，主要用于传送基带数字信号。

宽带同轴电缆：75Ω同轴电缆，主要用于传送宽带信号。

同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
传输距离更远，但价格较双绞线贵。
光纤

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特点：

传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。

非导向性传输介质

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4. 无线介质

无线电波
- 无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离。
- 无线电波使信号向所有方向散播，因此有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信连接。
微波、红外线和激光
- 有很强的方向性，都沿直线传播。
- 红外通信和激光通信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，再直接在空间中传播。
- 微波通信的频率较高，频段范围也很宽，载波频率通常为2~40GHz，因而通信信道的容量大。
- 卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制。卫星通信的优点是通信容量大、距离远、覆盖广，缺点是保密性差、端到端传播时延长。
脑图
中继器

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由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。因此需要中继器在传播途中修复信号失真。

中继器的主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。

原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）。中继器有两个端口，数据从一个端口输入，再从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分，而不管是否有错误数据或不适于网段的数据。
中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。
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。

注意：如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议；如果该网络设备没有存储转发功能，那么认为它不能连接两个不同的协议。

中继器没有存储转发功能，因此它不能连接两个速率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

5-4-3原则：在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。

注意：放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。

集线器

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集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器。

当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。

每个端口连接的网络部分是一个网络的不同网段，由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。集线器不能分割冲突域。
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。
只能在半双工状态下工作，如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据都无效。

集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差。

比如，一个带宽为10Mb/S的集线器上连接了8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mb/s=1.25Mb/s。

3.数据链路层

链路层的功能
链路层的两种信道
局域网、广域网
链路层的设备

总结

3.1 数据链路层基本概念

研究思想

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基本概念

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功能概述

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数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路。基本任务是将源机器中来自网络层的数据传输到目标机器的网络层。

数据链路指网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。

无确认的无连接服务

源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，目的机器收到数据帧时不需发回确认。适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网。
有确认的无连接服务

源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，但目的机器收到数据帧时必须发回确认。源机器在所规定的时间内未收到确定信号时，就重传丢失的帧。该服务适用于误码率较高的通信信道，如无线通信。
有确认的面向连接服务

帧传输过程分为三个阶段：建立数据链路、传输帧、释放数据链路。目的机器对收到的每一帧都要给出确认，源机器收到确认后才能发送下一帧。该服务适用于通信要求（可靠性、实时性）较高的场合。

3.2 封装成帧/透明传输

数据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理，它主要用于面向连接的服务。

封装成帧

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两台主机之间传输信息时，必须将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送。

帧构成：数据前后添加首部和尾部。帧长=数据长度+首部长度+尾部长度
帧定界：帧首部尾部包含控制信息，其中一个重要作用是确定帧的界限。
帧同步：接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止。
最大传送单元（MTU）：为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分的长度尽可能地大于首部和尾部的长度，但每种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限——最大传送单元（MTU）。
透明传输

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透明传输：不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送。通过不同组帧方式实现透明传输。
字符计数法

3-2-3x

字符计数法是指在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。目的结点的数据链路层收到字节计数值时，就知道后面跟随的字节数，从而可以确定帧结束的位置（计数字段提供的字节数包含自身所占用的一个字节）。

字符填充法

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字符填充法使用特定字符来定界一帧的开始与结束。如下图所示，控制字符SOH放在帧的最前面，表示帧的首部开始，控制字符EOT表示帧的结束。为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符，可在特殊字符前面填充一个**转义字符(ESC)**来加以区分。从而实现透明传输。

注意，转义字符是ASCI码中的控制字符，是一个字符，而非“E”“S”“C”三个字符的组合

接收方收到转义字符后，就知道其后面紧跟的是数据信息，而不是控制信息。

零比特填充法

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零比特填充的首尾标志法

零比特填充法它使用一个特定的比特模式，即01111110来标志一帧的开始和结束。HDLC协议使用该方法。

为了防止误判，发送方的数据链路层在信息位中遇到5个连续的“1”时，将自动在其后插入一个“0”；而接收方做该过程的逆操作，即每收到5个连续的“1”时，自动删除后面紧跟的“0”，以恢复原信息。

零比特填充法很容易由硬件来实现，性能优于字符填充法。字符填充法使用特定字符来定界一帧的开始与结束。如下图所示，控制字符SOH放在帧的最前面，表示帧的首部开始，控制字符EOT表示帧的结束。为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符，可在特殊字符前面填充一个**转义字符(ESC)**来加以区分。从而实现透明传输。

注意，转义字符是ASCI码中的控制字符，是一个字符，而非“E”“S”“C”三个字符的组合

接收方收到转义字符后，就知道其后面紧跟的是数据信息，而不是控制信息。

零比特填充的首尾标志法

零比特填充法它使用一个特定的比特模式，即01111110来标志一帧的开始和结束。HDLC协议使用该方法。

零比特填充法很容易由硬件来实现，性能优于字符填充法。

违规编码法

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利用不会用到的编码方式作为帧的开始与终止。

曼彻斯特编码方法将数据比特“1”编码成“高-低”电平对，将数据比特“0”编码成“低-高”电平对，而**“高-高”电平对和“低一低”电平对在数据比特中是违规**的（即没有采用）。

可以借用这些违规编码序列来定界帧的起始和终止。局域网IEEE802标准就采用了这种方法。

违规编码法不需要采用任何填充技术，便能实现数据传输的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。

由于字符计数法中计数字段的脆弱性和字符填充法实现上的复杂性与不兼容性，目前较常用的组帧方法是零比特填充法和违规编码法。

3.3 差错控制

差错来源

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差错控制

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实际通信链路中可能会发送比特差错，即1可能会变成0，0也可能会变成1。

通常利用编码技术进行差错控制，主要有自动重传请求ARQ和前向纠错FEC。

在ARQ方式中，接收端检测到差错时，就设法通知发送端重发，直到接收到正确的码字为止。属于检错编码。
在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定比特串的错误位置，从而加以纠正。属于纠错编码。

检错编码

奇偶校验码

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CRC循环冗余码

3-3-4

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检错编码都采用冗余编码技术，其核心思想是在有效数据（信息位）被发送前，先按某种关系附加一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送。

奇偶校验码

奇偶校验码是奇校验码和偶校验码的统称，是一种最基本的检错码。由n-1位信息元和1位校验元组成。

奇校验码：在附加一个校验元后，码长为n的码字中“1”的个数为奇数。
偶校验码：在附加一个校验元后，码长为n的码字中“1”的个数为偶数。

奇偶校验码只能检测出奇数个位出错，但不能知道哪位出错，也不能发现偶数个位出错情况。

循环冗余码

循环冗余码（Cyclic Redundancy Code, CRC）又称多项式码，任何一个由二进制数位串组成的代码都可与一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应关系。

给定一个m bit 的帧或报文，发送器生成 r bit 的帧检验序列（FCS）。将FCS接到原始帧后面，形成长度为 m+r 的序列。该序列可被约定好的多项式 G(x) 模2整除。其中r为G(x)的阶数，即位数减一；G(x)的首尾必需都为1。
接收方用相同的G(x) 作为除数P去除收到的帧，无余数则无差错。

生成帧检验序列（FCS）方法：

设将多项式G(x)=1101作为除数P，数据101001（m=6，r=3），计算FCS。

a. 在帧末尾加上r个0；b. 模2除法求得r位余数位FCS

模2除法指按位异或运算，若两个二进制位相同，结果为0；不同结果为1。若首位为0则不进行异或运算，直接右移一位，如下式0111和除数1101运算时，0111右移变为01110与1101运算。直到剩余位数少于除数，得到余数。

如上图所示，被除数M是原 m 位序列加 r 位0组成的序列（101001+000）。将G(x)作为除数P，进行模2除法，最后得到的余数R即为FCS。因此发送数据为原m为序列加FCS序列，即101001+001。该序列

通过循环冗余码（CRC）的检错技术，数据链路层做到了对帧的无差错接收。也就是说，凡是接收端数据链路层接受的帧，我们都认为这些帧在传输过程中没有产生差错；而接收端丢弃的帧虽然也收到了，但最终因为有差错而被丢弃，即未被接受。

循环冗余码（CRC）是具有纠错功能的，只是数据链路层仅使用了它的检错功能，检测到帧出错则直接丢弃，是为了方便协议的实现，因此本节将CRC放在检错编码中介绍。

脑图

3-3-6

纠错编码

纠错方法：在每个要发送的数据块上附加足够的冗余信息，使接收方能够推导出发送方实际送出的应该是什么样的比特串。

海明码：最常见的纠错编码，其原理是在有效信息位中加入几个校验位形成海明码，并把海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中。当某一位出错后，就会引起有关的几个校验位的值发生变化，这不但可以发现错位，而且能指出错位的位置，为自动纠错提供依据。

以序列1010为例讲述海明码编码过程：

确定海明码的位数

设n为有效信息的位数，k为校验位的位数，则信息位n和校验位k应满足
n + k ≤ 2 k − 1 n+k≤2^k-1 n+k≤2k−1
序列有4为有效信息，k=3时满足3+4≤23-1；因此海明码信息位D有4位，校验位P有3位，共7位。
确定校验位的分布

规定校验位Pi在海明位号2i-1的位置上，其余位信息位，因此有P1在第1位，P2在第2位，P3在第4位。

海明码分布如下：D4 D3 D2 P3 D1 P2 P1
分组以形成校验关系

每个数据位用多个校验位进行校验，但要满足条件：被校验数据位的海明位号等于校验该数据位的各校验位海明位号之和。校验位不需要再被校验。分组形成的校验关系如下。
校验位取值

校验位Pi的值为第i组（由该校验位校验的数据位）所有位求异或。

因此，1010对应的海明码为101**0010**
海明码的校验原理

每个校验组分别利用校验位和参与形成该校验位的信息位进行奇偶校验检查，构成k个校验方程:

若S3S2S1的值为“000”，则说明无错；否则说明出错，且这个数就是错误位的位号，如S3S2S1=001，说明第一位出错。直接取反达到了纠错的目的。

以上公式只能纠错一位数据，要有多位数据发生错误，需要更复杂的海明公式。海明码纠错能力和最小码距有关。海明距离即最小码距，指的是两个字符串对应位置的不同字符的个数。

如果要检测 e 个错误，最小码距应该满足：$ D≥e+1 $
如果要纠正 t 个错误，最小码距应满足： D ≥ 2 t + 1 D≥2t+1 D≥2t+1
如果要检测 e 个错误同时纠正 t个错误，最小码距应该满足： D ≥ e + t + 1 , ( e > = t ) D≥e+t+1, (e>=t) D≥e+t+1,(e>=t)