【专业课复习】计算机网络 专题(一) 概论,网络体系结构,物理层及各种概念

2020-07-12   80 次阅读


ARPANET

世界上最早的计算机网络ARPANET,由美国国防部高级计划研究署研制,于1969年开通

远程联机系统

FEP(Front End Processor)

前端处理机,通常由一台廉价的计算机担任,完成通信任务

Modem

调制解调器,将数字信号转化为模拟信号,以便在模拟信道上传输

TC(Terminal Controller)

终端控制器,将多条低速线路汇集到一条高速线路上,从而提高了高速线路的利用率

通信子网

由路由器和通线线路组成,完成网络通信任务

  • 通信线路提供数据传输的物理通道
  • 路由器是一种专用计算机,具有存储转发,路由选择,差错控制以及流量控制等功能

资源子网

由连接到通信子网的服务器和主机系统组成,为网络用户提供各种软硬件共享资源和数据处理能力

  • 硬件共享资源 : CPU,存储器,硬盘,磁带,打印机,绘图仪等
  • 软件共享资源 : 操作系统,数据库系统,工具软件与应用程序等

*计算机网络定义

将若干台具有独立功能的计算机系统 ,用某种或多种通信介质连接起来, 通过完善的网络协议,在数据交换的基础上,实现网络资源共享的系统称为计算机网络

独立

指每台计算机可运行各自独立的操作系统,各计算机系统之间的地位平等,没有主从之分,任何一台计算机不能干预或者强行控制其他计算机的正常运行

网络协议

计算机网络的关键技术

数据交换

网络的最基本功能,各种资源都是建立在数据交换的基础上

资源共享

网络的最终目的

计算机网络拓扑结构分类

①星型网

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  • 任何两个结点之间的信息交换必须经过中央结点转发
  • 一旦中央结点发生故障会引起整个网络瘫痪

②环形网

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  • 任何两个结点的数据交换必须延环进行
  • 一旦结点或者链路发生故障,则环路断开,导致网络瘫痪

③总线网

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  • 一条总线连接所有的结点,任何一个结点发送数据,其他节点都能收到
  • 任何节点故障都不会影响整个网络正常运行

④不规则网

  • 每个结点至少要和其他两个结点连接
  • 可靠性好,任何一个结点或者链路发生故障都不会影响网络的连通性
  • 布线灵活

局域网与广域网类型

  • 局域网有总线型,星型,环型
  • 广域网为不规则型

##计算机网络数据交换分类

①电路交换网

步骤:建立连接->传输数据->拆除连接
特征主要是独占信道资源
实时性好,信道利用率低
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②分组交换网

特征:化整为零,存储转发
优点:信道利用率高,有利于差错控制,有利于安全性
缺点:传输延迟大,实时性差

③信元交换网

特征:53字节的信元,高速光纤信道,高速ATM交换机
优点:可以克服分组交换网实时性差,电路交换网信道利用率低

网络带宽(Bandwidth)

特定一段时间内网络所能传输的比特数,单位一般为bps

网络延迟(Latency/Delay)

  • 传播延迟:与距离和光速有关
  • 发送延迟:与发送分组的大小与带宽有关
  • 排队延迟:中间路由器或者交换机将分组转发出去之前将其存储

网络吞吐量

  • 网络的可用带宽,也就是应用感受到的有用带宽
  • 与带宽相比,吞吐量用于度量网络性能更有意义

因为网络协议栈的每一层协议都有相应的头标和尾部等开销,还有协议实现机制的开销,因此准确地吞吐量应该指明是哪一个协议的吞吐量

网络构建要素

连通性

网络内任何两个节点之间都是连通的

交换(Switching)

将来自一条链路的数据向另一条链路转发,在一个计算机网络内,交换机为间接相连的主机提供数据转发功能

寻址(Addressing)

任何节点都有能够区别于其他节点的地址

路由选择(Routing)

将来自一个网络中的数据向另一个网络转发,在互联网中路由器为不同计算机网络提供数据转发功能

协议(Protocol)

保证数据能够被网络中不同节点按照预定的相同规则进行处理

寻址

通过给节点定义地址实现节点区分

单播地址(Unicast Address)

唯一的标识网络中单一的目标节点

广播地址(Broadcast Address)

标识一个计算机网络中所有的结点

多播/组播地址(Multicast Address)

标识网络中的一组节点,网络中节点可以自由加入或者退出

分层

为什么分层

  • 分层将建造一个网络的问题分解成为多个可处理的部分,每一层解决一部分问题
  • 分层提供了一种更为模块化的设计,如果添加新的服务,只需要修改一层的功能,而继续使用其他各层提供的功能

协议

  • 服务定义了某层向上一层提供的操作,服务由层之间的接口定义,低层是服务的提供者,上层是服务的用户
  • 协议定义了某层服务而需要在不同节点的相同层之间交换的数据格式,含义以及流程
  • 各层协议相互独立,两个通信节点可以自由改变各自相同层所使用的协议,但是层之间的接口也就是低层向上层提供的服务不变

服务原语

  • 服务通常使用一组原语(Primitive)来描述,并且用户通过这些原语操作来访问服务
  • 服务原语通常以系统调用的形式实现,告诉服务执行某个动作,或者将某个对等体所执行的动作报告给调用该服务的用户

封装

在发送节点上,每一层都给来自上层的协议数据单元(PDU:Protocol Data Unit)加上代表协议控制信息的头标或者尾部,向下层协议递交

解封装

在目的节点上,每一层协议根据该层协议控制信息完成该层PDU处理后,取出该层协议相关的头标或者尾部,向上层协议递交

其他通信相关内容

  • 真正的物理通信总是发生在物理层,除了物理层之外,其余各个对等层实体都是虚拟通信
  • 通信必须在对等层进行,不允许交差通信

OSI(Open Systems Interconnection)

OSI参考模型将整个网络功能划分为7层(七层协议)

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各层大致功能

  • 物理层:完成原始数据位流在物理介质上传输,而不管位流的信息含义
  • 数据链路层:完成数据帧在相邻的节点之间“透明”传输
  • 网络层:完成报文分组在源/目的结点之间传输
  • 传输层:完成报文段在源/目的主机进程之间的传输
  • 应用层:为数据提供各种网络服务,包括文件服务,电子邮件服务等

Internet 参考模型

Internet参考模型也称为TCP/IP模型
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  • Internet参考模型的应用层大体对应 OSI的应用层,表示层和会话层
  • Internet参考模型的传输层对应OSI传输层
  • Internet参考模型的互联网层对应OSI网络层
  • Internet参考模型的子网层大体上对应OSI的物理层和数据链路层

从下面开始对各个层次进行细致复习

①物理层

通信系统模型

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信源

将根肿信息转换为原始物理信号

变换器/反变换器

对原始物理信号进行变换/反变换

信道

传输信号的一条道路,一条物理线路可构成一个或者多个信道

噪声源

新到自身的噪声和周围环境对信道的干扰

信宿

将物理信号转换为信息

模拟通信与数字通信

模拟信号中信号在传输过程中连续变化
数字信号中信号在传输过程中离散变化

数字通信优点

  • 抗干扰能力强
  • 适合远距离传输
  • 有利于安全性
  • 适合多媒体信息传输

信号带宽

信号能量所集中的频率范围(频谱)
假设某信号占用的频率谱为300~3400Hz,那么带宽为3400-300=3100Hz

对于数字信号,带宽H可以近似表示为 H=1/τ
τ是脉冲宽度,数据率越高,脉宽越窄,数字信号的带宽越大

###信道带宽与数据率的关系

①奈奎斯特定理(无噪声信道)

C = 2Hlog2L (bps)
其中C是信道的数据率(容量),H是信道带宽,L为数字信号的离散取值数目

②香农定理(有噪声信道,L不受限)

C=Hlog2(1+S/N) (bps)
其中S是信号功率,N是噪音功率,S/N是信噪比

波特率

波特率又称为码元速率,指的是每秒传输码元数目,单位为波特
有如下公式成立
C = Blog2L
L为码元的离散取值数目,B为模特率,C为数据率

误码率

指的是数字信号比特(二进制位)在传输过程中出错的概率
P = Ne/N
P为误码率,Ne为出错的比特数,N为传输的总比特数

数字信号的编码

非归零编码(NRE,Non-Return to Zero)

以高电平表示0,低电平表示1,反之亦然

优点:编码/译码简单
缺点:内部不含时钟信号,收发端同步困难
用途:计算机内部或者低速数据通信

曼彻斯特编码(Manchester Encoding)

每一位中间有一次跳变,既表示数据,又作为同步信号,从高电平跳变到低电平表示0,从低电平跳变到高电平表示1,反之亦然

优点:内部包含时钟,收发端同步容易,抗干扰能力强
缺点:编码/译码复杂,在同样波特率情况下,要比NRE多占用一倍信道带宽

差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding)

每一位中间有一次跳变,但是该跳变仅仅作为同步信号,不表示数据,数据通过每位开始有无跳变来表示,有跳变表示0,无跳变表示1,反之亦然

优点:内部自含时钟,收发端同步容易,比曼彻斯特编码抗干扰能力更强
缺点与曼彻斯特一样

数字信号的模拟传输

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基带信号

由信源产生的原始点信号

载波

频率较高的正弦波信号

调制

将基带信号加载到载波上(按照基带信号的变化规律去改变载波的某些参数)

解调

从载波中提取信号

调制技术

调幅

用载波信号不同振幅表示数据,又称为幅移键控法ASK
易受突发干扰,适合低速数据传输

调频

用载波信号不同频率表示数据,又称为频移键控法FSK
抗干扰优于调幅方式,频带利用率不高

调相

用载波信号不同相位表示数据,又称为相移键控法PSK
抗干扰能力强,数据率高

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模拟信号的数字传输

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脉码调制(PCM,Pulse Code Modullation)

脉码调制(PCM)是最常用的数/模转化技术
脉码调制步骤:采样,量化,编码

① 采样

按照一定的时间间隔测量模拟信号幅值

采样定理

如果模拟信号的带宽为H,则采用频率B只要大于或者等于2H就能够恢复原模拟信号

② 量化

将采样点测得的信号幅值分级调整
量化误差:量化取整值与实际幅值之间的误差

③ 编码

将量化后的整数值用n位二进制数表示

差分脉码调制

  • 其输出值不是量化值本身,而是当前值与上一个值之差
  • 具有压缩作用

数据同步方式

同步就是接收端按照发送端发送代码的频率和起止时间来接收数据

字符同步方式(异步通信)

仅针对一个字符内所含的二进制位进行同步
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优点:时钟漂移被限制在一个字符内,不会产生太大的累积误差。因此对同步精度要求不高,同步容易
缺点:每个字符都有起始位,因此传输速率低
适用于低速通信

位同步(同步通信)

针对一个数据块内所含二进制位进行同步

  • 同步位模式:通常为“01111110”,标志一个数据块的开始与结束
  • 优点:每个数据块只需要2个同步位模式的额外开销,因此传输速率高
  • 缺点:因为一个数据块所含位数较多,容易产生时钟漂移累积误差而导致数据出错,对同步精度要求高,同步困难

适用于高速通信

  • 外同步:为发送端和接收端提供专门的同步时钟信号
  • 内同步:不单独发同步时钟信号,而是将同步信号嵌入数据编码内部

多路复用技术

将多个信道复用在一条物理线路上,使得一条物理线路能够同时传输多路数据信号

频分多路复用(FDM)

将一条物理线路的总带宽分割为若干个较小带宽的子信道,每个子信道传输一路信号

时分多路复用(TDM)

将一条高速物理线路的传输时间划分为若干相等的时间片,轮流的为多路信号使用

数据不丢失的条件: CH >= ∑Ci
CH为高速线路容量,Ci为低速线路容量

缺点:没有数据传输的低速线路仍分配时间片,可能出现空闲的时间片,浪费信道带宽

统计时分多路复用(统计TDM)

采用动态分配时间策略,也就是有数据要传输的线路才分配时间片
允许CH >= ∑Ci
优点:不会出现空闲的时间片,信道利用率高

物理层协议

V系列接口标准

定义了数字设备与模拟信道的接口标准,适用于电话信道的数据通信

X系列接口标准

定义了数据设备与数据信道的接口标准,适用于公用数据网的数据通信

IEEE802 物理层规范

Q.E.D.

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