體系結構和物理層
第一章 計算機網絡體系結構
1、計算機網絡概述
計算機網絡的概念
計算機網絡是一個將分散的、具有獨立功能的計算機系統，通過通信設備與線路連接起來，由功能完善的軟件實現資源共享和信息傳遞的系統。
計算機網絡的組成
從組成部分上看：硬件、軟件、協議。
從工作方式看:邊緣部分、核心部分。
從功能組成上看：通信子網和資源子網。
計算機網絡的功能
數據通信：最基本、最重要，實現聯網計算機之間的各種信息傳輸。
資源共享：軟件、數據、硬件共享。
分布式處理：系統負載過重時，將某個復雜任務分配給網絡中的中的其他計算機系統，提高整個系統的利用率。
提高可靠性：各個計算機可以通過網絡互為替代機。
負載均衡：將工作任務均衡地分配給計算機網絡中的各台計算機。
計算機網絡的分類
1、按分布范圍：
廣域網：直徑幾十千米到幾千千米的區域，長距離通信，使用交換技術，點對點網絡。
城域網：直徑5-50km,多采用以太網技術。
局域網：直徑為幾十米到幾千米，多使用廣播技術。
個人區域網:用無線技術連接起來的網絡，也常稱為無線個人區域網，覆蓋范圍區域的直徑約為10m。
2、按傳輸技術分類：
廣播式網絡：共享一個公共通信信道。
點對點網絡：每條物理線路連接一對計算機，可分組存儲轉發。
3、按拓撲機構分類
總線型：優點建網容易、節省線路、缺點重負載時通信效率不高、總線任意一處對故障敏感。
星型網絡：端用戶之間的通信必須經過中央設備。缺點是成本高、中心設備對故障敏感。
環形網絡：所有設備連成一個環，最典型的例子是令牌環局域網。
網狀網絡：一般情況，每個結點至少有兩條路徑與其他結點相連，多用在廣域網，優點可靠性高，缺點是控制復雜、線路成本高。
4.按使用者分（了解）
公用網：指電信公司出資建造的大型網絡。
專用網：指某個部門為滿足本單位特殊業務的需要而建造的網絡。
5.按交換技術分類
電路交換網絡：專用通道，包括建立連接、傳輸數據、斷開連接。優點：數據直接傳送、時延小。缺點：線路利用率低、不能充分利用。
報文交換網絡：用戶數據加上源地址、目的地址、校驗碼等輔助信息，然后封裝成報文，全部存儲后再轉發給下一個結點，也稱存儲-轉發網絡。
分組交換網絡：也稱包交換網絡。將單個分組傳送到相鄰結點，存儲后查找轉發表，轉發到下一個結點。主流均采用，時延小易於管理。
6.按傳輸介質分類
傳輸介質可分為有線網絡和無線網絡兩大類。
有線網絡可分為：雙絞線、同軸電纜網絡等。
無線網絡可分為：藍牙、微波、無線電等。
計算機網絡的標准化工作及相關組織
國際標准化組織（ISO）：其制定的主要網絡標准或規范有OSI參考模型、HDLC等。
國際電信聯盟（ITU）：其前身為國際電話電報咨詢委員會，其下屬機構制定了大量有關遠程通信的標准。
國際電氣電子工程師協會（IEEE):IEEE在通信領域最著名的研究成果是802標准。
計算機網絡的性能指標
1、帶寬：在計算機網絡中，帶寬表示網絡的通信線路所能傳送數據的能力，是數字信道所能傳送的“最高數據傳輸速率”的同義語。
2、時延：
發送時延：結點將分組的所有比特推向鏈路所需的時間。 發送時延=分組長度/信道寬度
傳播時延：電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費的時間，即一個比特從鏈路的一端傳播到另一端所需的時間。
傳播時延=信道長度/電磁波在信道上的傳播速率
處理時延：數據在交換結點為存儲轉發而進行的一些必要的處理所花費的時間。
排隊時延：輸入和輸出過程中均需要排隊，造成排隊時延。
3、時延帶寬積：鏈路可以容納的比特數量。 時延帶寬積=傳播時延X信道帶寬。
4、往返時延：指從發送端發送數據開始，到發送端收到來自接收端的確認，總共經歷的時延。
5、吞吐量：單位時間內通過某個網絡的數據量。
6、速率：也稱數據傳輸速率、數據率或比特率，單位為b/s。通常把最高數據傳輸速率稱為帶寬。
7、信道利用率：信道利用率=有數據通過時間/(有+無)數據通過時間。
2、計算機網網絡體系結構與參考模型
計算機網絡分層結構
在計算機網絡體系結構的各個層次中，每個報文都分為兩部分：一是數據部分，即SDU;二是控制信息部分，即PCI,它們共同組成PDU。
服務數據單元（SDU):為完成用戶所要求的功能而應傳送的數據。第n層的服務數據單元記為n-SDU。
協議控制信息（PCI):控制協議操作的信息。第n層的協議控制信息記為n-PCI。
協議數據單元（PDU):對等層次之間傳送的數據單位稱為該層的PDU。第n層的協議數據單元記為n-PDU。
物理層的PDU稱為比特，數據鏈路層的PDU稱為幀，網絡層的PDU稱為分組，傳輸層的PDU稱為報文段。
n-SDU + n-PCI =n-PDU= (n-1)-SDU
上一層只能通過相鄰層間的接口使用下一層的服務。
計算機網絡協議、接口、服務的概念。
協議，就是規則的集合。協議由語法、語義、同步三部分組成。
語法規定了傳輸數據的格式。
語義規定了所要完成的功能，即需要發出何種控制信息、完成何種動作及做出何種應答。
同步規定了執行各種操作的條件、時序關系等。
接口：接口是同一結點內相鄰兩層間交換信息的連接點。
服務：是指下層為緊鄰的上層提供的功能調用，它是垂直的。
服務分為三類：
面向連接服務和無連接服務。
可靠服務和不可靠服務。
有應答服務和無應答服務。
ISO/OSI參考模型和TCP/IP模型
1.OSI參考模型
物理層：規定了接口的一些參數和傳輸的信號的意義和電氣特征。傳輸單位是比特。
數據鏈路層：將網絡層傳來的IP數組報組裝成幀。功能：成幀、差錯控制、流量控制、傳輸管理。傳輸單位是幀。
網絡層：把網絡層的協議數據單元從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務。傳輸單位i是數據報。
傳輸層：負責主機中兩個進程之間的通信，功能是為端到端連接提供可靠的傳輸服務，為端到端連接提供流量控制、差錯控制、服務質量、數據傳輸管理等服務。傳輸單位是報文段（TCP)或用戶數據報（UDP).
會話層：允許不同主機上的各個進程之間進行會話。
表示層：主要處理在兩個通信系統中交換信息的表示方式。
應用層：應用層是OSI參考模型的最高層，是用戶與網絡的界面。典型的協議有用於文件傳送的FTP、用於電子郵件的SMTP、用於萬維網的HTTP等。
2.TCP/IP模型
網絡接口層、網際層、傳輸層、應用層。
OSI參考模型在網絡層支持無連接和面向連接的通信，但在傳輸層僅有面向連接的通信。而TCP/IP模型認為可靠性是端到端的問題，因此它在網際層僅有一種無連接的通信模式，但傳輸層支持無連接和面向連接兩種模式。
第二章 物理層
1.通信基礎
基本概念
1.數據、信號、碼元
數據是指傳送信息的實體。
信號則是數據的電氣或電磁表現，是數據在傳輸過程中的存在形式。
碼元是指用一個固定時長的信號波形（數字脈沖）表示一位k進制數字，代表不同離散數值的基本波形，例如，在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元：一種代表0狀態，另一種代表1狀態。
2.信源、信道、信宿
信源是產生和發送數據的源頭，信宿是接收數據的終點，它們通常都是計算機或其他數字終端裝置。
信道按傳輸信號形式可分為模擬信道和數字信道。
信道按傳輸介質的可分為無線信道和有線信道。
雙方通信交互方式：
1）單向通信。只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。例如，無線電廣播、電視廣播就屬於這種類型。
2）半雙工通信。通信的雙方都可以發送或接收信息，但任何一方都不能同時發送和接收信息，此時需要兩條信道。
3）全雙工通信。通信雙方可以同時發送和接收信息，也需要兩條信道。
信道的極限容量是指信道的最高碼元傳輸速率或信道的極限信息傳輸速率。
3.速率、波特、帶寬
速率也稱數據率，指的是數據傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量。
1）碼元傳輸速率。又稱波特率，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數，單位是波特（Baud)。
2）信息傳輸速率表示單位時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數（即比特數），單位是比特/秒（b/s)。
M波特率的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為Mn比特/秒。
帶寬表示單位時間內從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”。
奈奎斯特定理和香農定理
奈式准則：
W:帶寬 V:表示有多少種不同的碼元
極限碼元傳輸速率為2W.
理想低通信道下的極限數據傳輸速率=2Wlog2 V(單位為 b/s)
結論：1.碼元傳輸速率有上限2.分量越多，速率越高3.對碼元速率有限制，但對信息傳輸速率無限制。
香農定理：
W:帶寬 S:信道傳輸信號的平均功率 N:信道內部的高斯噪聲功率 S/N：信噪比
信噪比=10lg（S/N) (單位為dB)
信道的極限數據傳輸速率=Wlog2(!+S/N)
結論：1.信噪比越大，信道的極限數據傳輸速率越大2.對於一定的帶寬和信噪比，信息傳輸速率的上限確定3.信息傳輸速率低於信道的極限傳輸速率,就能找到某種方法實現無差錯的傳輸。4.香農定理是個極限，實際比它低不少。
編碼與調制
1.數字數據-->數字信號 編碼
1)歸零編碼
高電平為1 低電平為0 中間均跳變為低電平。
2）非歸零編碼
高電平為1 低電平為0 不用跳變
3）反向非歸零編碼
下一個是0跳變否則不變
4）曼徹斯特編碼
前高后低是1 前低后高是0
5）差分曼徹斯特編碼
前半個與上一個后半相同為1 不同為0
6）4B/5B編碼
每四位為一組轉換成相應的5位碼。16為數據碼16位控制碼。
2.數字數據-->模擬信號 調制
1)幅移鍵控（ASK)
2)頻移鍵控（FSK)
3)相移鍵控（PSK)
4)正交振幅調制（QAM) 頻率相同的前提下，將ASK與PSK結合起來，形成疊加信號。
3.模擬數據-->數字信號 編碼
采樣頻率必須大於等於最大頻率f的兩倍，這樣保證無失真。
1）采樣是對模擬信號進行周期性掃描把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。 分割
2）量化是把采用取得的電平幅值按照一定的分級標度轉化為對應的數字值並取整數。 轉化
3）編碼就是把量化的結果轉化為與之對應的二進制編碼。
4.模擬數據-->模擬信號 調制
FDM(頻分復用),充分利用帶寬資源。
電路交換、報文交換與分組交換
1.電路交換
優點：
1）通信時延小 2）有序傳輸 3）沒有沖突 4）適用范圍廣 5）實時性強 6）控制簡單
缺點：
1）建立連接時間長 2）線路獨占 3）靈活性差 4）難以規格化
2.報文交換
優點：
1）無需建立連接 2）動態分配鏈路 3）提高線路可靠性 4）提高線路利用率 5）提供多目標服務
缺點：
1）時延大 2）網絡結點需要有較大的緩存空間
3.分組交換
優點：
1）無建立時延 2）線路利用率高 3）簡化了存儲管理 4）加速傳輸 5）減少了出錯概率和重發數據量。
缺點：
1）存在傳輸時延 2）需要額外的信息量 3）可能會出現失序、丟失或重復分組。
數據報與虛電路
1.數據報服務特點
1）無需建立連接，網絡結點可隨時發隨時接收。
2）盡最大努力交付，不保證可靠性，不一定按序到達。
3）分組要包括發送端和接收端的完整地址，以便獨立傳輸。
4）需排隊等候，處理時延增加。
5）可更新轉發表，對故障適應能力強。
6）存儲轉發的延時較小，提高了網絡吞吐量。
7）收發不獨占某條鏈路，資源利用率較高。
2.虛電路服務特點
1）對長時間、頻繁的數據交換效率較高。
2）虛電路的路由選擇體現在連接建立階段，連接建立后，就確定了傳輸路徑。
3）虛電路提供了可靠的通信功能，能保證每個分組正確且有序到達，還可進行流量控制。
4）致命弱點，某個結點失效，所有經過該鏈路的虛電路將遭到破壞。
5）分組首部沒有目的地址，只有虛電路標識符，開銷較小。
2.傳輸介質
雙絞線、同軸電纜、光纖、無線傳輸介質
1.雙絞線
絞合可以減少對相鄰導線的電磁干擾。再加一層形成屏蔽雙絞線（STP),無屏蔽的雙絞線稱為非屏蔽雙絞線（UTP).
模擬傳輸，要用放大器放大衰減的信號；數字傳輸，要用中繼器將失真的信號整形。
2.同軸電纜
同軸電纜由內導體、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑料外層構成。具有良好的抗干擾特性，傳輸距離更遠，但價格較雙絞線貴。
3.光纖
光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈沖來進行通信。優點：通信容量大，損耗小，抗電磁干擾好，無串音干擾，保密性好，體積小，重量輕。
4.無線介質傳輸
無線電波：具有較強的穿透能力，可以傳輸很長的距離，所以它被廣泛應用於通信領域。
微波、紅外線和激光：受氣候影響大，誤碼率較高，成本高，保密性差。優點：通信容量大、距離遠、覆蓋廣。
物理層接口的特性
1）機械特性。指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。
2）電氣特性。指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
3）功能特性。指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
4）過程特性。或稱規程特性。指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
3.物理層設備
中繼器
中繼器的主要功能是將信號整形並放大再轉發出去，以消除信號經過一長段電纜后而產生的失真和衰減，使信號的波形和強度達到所需要的要求，進而擴大網絡傳輸的距離。
5-4-3規則：在采用粗同軸電纜的10BASE5 以太網規范中，互相串聯的中繼器的個數不能超過4個，而且用4個中繼器串聯的5段通信介質中只有3段可以掛接計算機，其余兩段只能用作擴展通信范圍的鏈路段，不能掛接計算機。
集線器
集線器（Hub）實質上是一個多端口的中繼器。當Hub工作時，一個端口接收到數據信號后，由於信號在從端口到Hub的傳輸過程中已有衰減，所以Hub便將該信號進行整形放大，使之再生（恢復）到發送時的狀態。它在網絡中只起信號方法和轉發作用，目的是擴大網絡的傳輸范圍，而不具備信號的定向傳送能力，即信號傳輸的方向是固定的，是一個標准的共享式設備。
由Hub組成的網絡是共享式網絡，但邏輯上仍然是一個總線網。Hub的每個端口連接的網絡部分是同一個網絡的不同網段，同時Hub也只能在半雙工狀態下工作，網絡的吞吐率因而受到限制。
