计算机网络 上 物理层和数据链路层
1 计算机网络体系结构
学习重点：五层结构&各层之间的协议
1.1 计算机网络概述
1.1 .1 计算机网络概念
计算机网络：分散独立的计算机 通过 通信设备与线路连接、通过软件实现资源共享和信息传递形成的系统
1.1.2 计算机网络的功能
数据通信 + 资源共享（硬软件及数据）+ 分布式处理 + 提高可靠性（避免单点故障）+ 负载均衡
1.1.3 计算机网络的组成
组成部分：
硬件 + 软件 + 协议（规则和约定）
**工作方式：**边缘（端系统：用户直接使用（C/S方式 + P2P方式）） + 核心（提供服务）
C/S方式：Client to Server
P2P方式：Peer to Peer
功能组成：
通信子网 ：数据通信（由传输介质、通信设备及网络协议组成，包括物理层、数据链路层和网络层这三层）
网络层：路由器；数据链路层：交换机+网桥；物理层：集线器+中继器
资源子网 ：资源共享 + 数据处理（由实现资源共享功能的设备及软件组成，包括会话层、表示层和应用层）
资源子网和通信子网中间是 传输层
1.1.4 计算机网络的分类
**按分布范围：**广域网WAN（跨国家或地区，使用的是交换技术）；城域网MAN；局域网WAN（1km左右，使用的是广播技术）；个人区域网PAN
**按使用者：**公网（电信+移动+联通） 和 专网（政府和军队等）
**按交换技术：**电路/报文/分组交换
**按拓扑结构：**总线型、星型、环形和网状型（广域网）
按传输技术：
广播式网络 共享公共通信信道
点对点网络 使用分组存储转发和路由选择机制
1.1.5 标准化工作及其相关组织
不通厂商的软硬件相互连通需遵循统一标准
标准分类
法定标准：如OSI
事实标准：TCP/IP协议
RFC：因特网标准的形式，只要是因特网标准，就是RFC形式，反之则不一定
RFC上升为因特网正式标准的四个阶段：因特网草案-建议标准-因特网标准
标准化工作的相关组织
国际标准化组织 ISO ：OSI参考模型（网络互联的七层框架）、HDLC协议（是链路层协议的一项国际标准，用以实现远程用户间资源共享以及信息交互）
国际电信联盟 ITU：制定通信规则
国际电气电子工程师协会IEEE（学术机构）：IEEE802系列标准、5G等
Internet工程师任务组IETF： 负责因特网相关标准的制定
1.1.6 性能指标
速率（比特率）: 传输数据位数的速率 (单位时间发送到传输信道上的bit位数)；单位b/s，kb/s … ;1kb/s = 1000b/s
存储容量：1Byte = 8 bit；1KB = 1024Byte = 1024 * 8bit
带宽：原指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）；现指单位时间内从某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位同速率（也就是网络设备所支持的最高速度，往传输链路上发送数据的速率，不是传输速率，传输速率就是电磁波的速率，只受传输介质的影响）
吞吐量：单位时间内，通过某个网络（信道、接口）的数据量，单位同速率（这里指的是通过）
**时延：**指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，单位是s（包括发送+传播+排队+处理时延）
发送时延：数据长度/信道带宽（传输速率）
传播时延：取决于电磁波的穿比速度和链路长度，信道长度/电磁波在介质中的速度
排队时延：排队输出/入
处理时延：检错、找出口
**时延带宽积：**传播时延 * 带宽
**往返时延（RTT）：**从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认总共经历的时延；传播时延 * 2 + 末端处理时间
**利用率：**信道利用率和网络利用率，随着利用率增大，时延会增大
信道利用率：有数据通过的时间/总时间
网络利用率：信道利用率的加权平均值
1.2 计算机网络体系结构与参考模型
1.2.1 分层结构、协议、接口和服务
分层的基本原则：
1.各层之间相互独立，每层之间只实现一种相对独立的功能
2.各层之间界面清晰
3.结构上可以分隔开
4.下层为上层提供服务
5.整个分层结构应该能够促进标准化的工作
分层结构
1.实体
2.协议：
语法：规定数据格式
语义：规定要完成的功能
同步：规定各种操作的顺序
3.接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口
4.服务：下层为上层提供的功能调用
1.2.2 OSI参考模型和TCP/IP参考模型
OSI 参考模型：七层结构（物链网输会示用）
通信过程：host A - 路由 - host B，每一层增加控制信息传给下一层
应用层：典型服务：文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），万维网（HTTP），与用户交互能产生流量的程序
表示层：把信息表示出来（通常是对语语法和语义的处理），无严格协议，若要有的话就是JPEG、ASCII
1.数据格式变换
2.数据加密和解密
3.数据压缩和恢复
会话层：向表示层/用户建立连接并在连接上有序的传输数据，这就是会话，也是建立同步（SYN），协议ADSP、ASP等
1.建立、管理终止对会话
2.使用校验点恢复通信
传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位报文段或者用户数据报，协议TCP、UDP
1.可靠传输和不可靠传输
2.差错控制
3.流量控制
4.复用分用
网络层：把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，网络层传输的单位是数据报，协议有IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
1.路由选择：使用路由算法
2.流量控制
3.差错控制
4.拥塞分用：针对全局而言
数据链路层：把数据报组装成帧，数据率链路层/链路层的传输单都是帧，协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
1.成帧（定义帧的开始和结束）形成很长的比特流序列
2.差错控制：帧错 + 位错
3.流量控制：访问（接入）控制，控制对信道的访问
物理层：在物理层实现比特流的透明传输，传输单位是bit，主要协议Rj45、802.3
1.定义接口特性
2.定义传输模式，单工、双工、半双工
3.定义传输速率
4.比特编码
TCP/IP模型
应用层-传输层-网际层-网络接口层
TCP/IP协议栈：
应用层：HTTP FTP DNS
传输层：TCP UDP
网际层：IP
网络接口层：Ethernet ATM Frame Relay
TCP/IP模型与 OSI参考模型 异同
相同点
1.都分层
2.基于独立协议栈的概念
3.可以实现异构互联网的互联
不同点
1.OSI定义三点：服务、协议和接口
2.OSI模型先于协议出现
3.TCP/IP一开始就考虑到了异构互联网的问题，将IP作为最重要的层
4.OSI模型 网络层：无连接 + 面向连接， 传输层：面向连接；TCP/IP模型：网络层：无连接，传输层：无连接 + 面向连接
2 物理层
2.1 物理层基本概念
解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
1.机械特性；如接口形状和引线数目
2.电气特性：如传输二进制位时，线路上信号的电压范围
3.功能特性：如某一电平表示何种意义
3.规程特性：各条物理线路的工作规程和时序关系
2.2 数据通信的基础知识
数据通信模型
源系统 （信源 + 发送器）
传输系统
目的系统 （接收器 + 信宿）
三种通信方式
单工通信，一条信道
半双工通信，两道
全双工通信，两道
两种数据传输方式
串行传输：信道少
并行传输：信道多
2.3 码元、波特、速率、带宽
码元：4进制码元：四种高低不同的波形
速率：数据的传输速率，可以用码元传输速率（单位时间内脉冲个数）和信息传输速率来表示。1波特 = 1码元/s
信息传输速率：b/s = log2进制 * 码元传输速率
带宽：理想情况下发送数据的能力，b/s
2.4 奈氏准则（奈奎斯特定理）和香农定理
失真：现实中的信道带宽受限、有噪声和干扰
影响失真程度的因素：1.码元传输速率，2.信号传输距离，3.噪声干扰，4.传输媒体质量
失真的一种现象：码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰的界限的现象
**奈氏准则：**在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元的传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz
极限数据传输速率=2W*log2V（b/s），V是几种码元/码元的离散电平数目
1.在任何信道中，码元传输速率是有上限的，若传输速率超过上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
2.信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输
3.奈氏准则给出了码元传输速率，但是并没有对信息传输速率给出限制（当带宽无限大时，信息传输速率可以无限大）
4.在奈氏准则下，要提高数据传输速率，就要增加码元的种类，使每个码元能够携带更多的比特信息量，这就需要采用多元制的调制方法
香农定理： 在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值
噪声存在与所有电子设备和通信信道之中，随机产生，瞬时值可能会很大，但是当信号较强时，噪声影响相对较小，因此信噪比非常重要
信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记 S/N，用分贝（dB）作为度量单位，即 dB（信噪比）= 10log10（S/N）
香农定理下的极限数据传输速率=W*log2（1 + S/N）
推论：
1.信道带宽或信道中的信噪比越大，则信息的传输速率就越高
2.当带宽和信噪比确定时，信息传输速率的上限就确定了
3.只要信息的传输速率低于信道极限传输速率。就一定能找到某种方法来实现无差错的传输（极化码）
4.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
5.若带宽或信噪比没有上限（不可能），那么信道的极限传输速率也就没上限
比较
奈氏准则：码元传输速率 2W Baud，极限数据传输速率=2W*log2V（b/s）
香农定理：信息传输速率，纳入了信噪比的概念，极限数据传输速率=W*log2（1 + S/N），可以看到，香农定理和码元的种类无关
二者相比求最小
2.5 编码和调制
信道：信号的传输媒介。分为模拟信道和无线信道，一条通信线路通常包含两条信道，一条发送，一条接收
按传输信号分：模拟信道和数字信道
按传输介质分：无线信道和有线信道
**基带信号：**将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输），来自信源的信号，发送数据时规定具体是什么波形就是编码
**宽带信号：**将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。调制为高频信号
数据->数字信号 编码
数据->模拟信号 调制
各种类型数据编码/调制过程
数字数据->数字信号 编码，使用数字发送器
数字数据->模拟信号 调制，使用调制器
模拟数据->数字信号 编码，PCM编码器
模拟数据->模拟信号 调制，放大器调制器
2.5.1 数字信号与模拟信号编码与调制
数字数据->数字信号 编码方式
（1）非归零编码 【NRZ】：高1低0，无间检错功能，无法判断一个码元的开始和结束，收发双方难以保持同步
（2）曼彻斯特编码：前低后高为1，前高后低为0，或者相反，所占频带宽度是原始基带宽度的两倍，码元传输速率是bit传输速率的2倍
（3）差分曼彻斯特编码：码元同1异0，常用局域网传输，抗干扰性强于曼彻斯特编码
（4）归零编码【RZ】：信号在一个码元之内都要恢复为0
（5）反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不翻转表示1
（6）4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，编码效率为80%
数字数据->模拟信号 调制，调制方式
（1）2ASK 调幅
（2）2FSK 调频
（3）2PSK 调相
（4）QAM 调幅+调相
模拟数据->数字信号 编码，PCM编码（脉码调制）
PCM编码有三步：抽样、量化和编码
抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把连续的信号变为时间上离散的信号，采样：使用采样定理进行采样，f采样频率 >=2f信号最高频率
量化：把连续的电平符转换为离散的数字量
编码：把量化结果转换为与之对应的二进制编码
模拟数据->模拟信号 调制，放大器调制器
调制为高频信号
2.6 传输介质及分类
它是物理通路，不是物理层，在物理层的下面，有时也被称为体系结构的第0层
传输介质：
导向性传输介质：固定方向，如光纤
双绞线：由并排绝缘的铜导线构成，因为右手定则电磁波可以相互抵消，局域网和传统电话网，几公里到几十公里，远距离传输模拟信号需要用放大器放大衰减信号，数字信号则需要中继器整形失真信号
同轴电缆：基带同轴电缆局域网，宽带同轴电缆有线电视，抗干扰性能更强
光纤：传递的是光脉冲，远距离
非导向性传输介质：自由空间，如空气
无线电波；向所有方向传播
微波：方向固定，微信通信和地面微波接力通信，太阳黑子因素等影响大
红外线、激光
2.7 物理层设备
中继器：对信号进行再生和还原，对衰减信号进行放大，再生数字信号，两端是网段不能是子网，使用同一协议
5.4.3 规则
集线器：多端口的中继器，星型拓扑结构，主要就是广播
3 数据链路层
功能、两种信道、局域网和广域网以及链路层的设备
3.1 数据链路层功能概述
节点：主机、路由器
链路：两个节点之间的物理通道，有线链路和无线链路
数据链路：节点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就是数据链路
帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报
数据链路层负责通过一条链路在两个节点之间传从数据报
功能一：为网络层提供服务。无确认无连接服务、有确认无连接服务、有确认有连接服务
功能二：链路管理，即建立、维持、释放（用于面向连接的服务）连接
功能三：组帧
功能四：流量控制
功能五：差错控制（帧错/位错）
3.2 分装成帧和透明传输
把IP数据报加头加尾形成帧
接收端能够区分帧的起始和结束部分，帧的数据部分<=最大传送单元MTU，MTU由协议规定
组帧的四种方法：
字符计数法：帧首部使用一个计数字段（1字节）来标明帧内字符数，问题，一错全错
字符（节）填充法：三个部分，帧有头有尾，可能出现部分字段与尾相同，误判，在相同字段之前添加转义字符
零比特填充法：首尾标志符一样，5110，遇到5个1就在后面加0，接收端确定首位后遇到5个1就删除0
违规编码法：把高高低低定义为帧的起始和终止
日常使用的是后两种组帧方法
3.3 差错控制
差错都是由噪声引起
全局性：线路本身的电气特性决定，解决办法，提高信噪比，优化传感器
局部性：特殊原因，解决办法，利用编码技术
差错：位错 或 帧错（丢失、重复、失序）
功能一：为网络层提供服务。无确认无连接服务（通信质量好，有线传输路径）、有确认无连接服务、有确认有连接服务（后面两种是通信质量差的无线传输链路）
差错控制（比特错）：检错编码（奇偶校验码 、循环冗余码） + 纠错编码（海明码）
奇偶校验码：检验奇数或偶数位
CRC循环冗余码：5/2=2…1
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