计算机网络学习笔记——概述
重点
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互联网边缘部分和核心部分的作用，分组交换的概念
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计算机网络的性能指标
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计算机网络分层次的体系结构，协议和服务的概念
1.计算机网络在信息时代中的作用
三类网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络
互联网的特点：连通性，共享
注意：
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Internet不要译为国际互联网，互联网本身是覆盖全球的，因此“国际”二字是多余的。
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对于仅在局域范围互连起来的计算机网络，只能称之为互连网，而不是互联网。
很早以前提出的“三网融合”，不太容易实现，因为这涉及到各方面的经济利益和行政管辖权的问题。
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因特网和互联网
虽然因特网这个译名更准确，但却长时间未得到推广
互联网这个译名能够体现出Internet最主要的特征
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计算机网络可以向用户提供多种服务，计算机网络是一种基础设施，各种应用程序是在计算机网络之上运行的，由于新的应用程序不断出现，计算机网络能向用户提供的服务也是多种多样
2.互联网概述
（1）互联网基础结构发展的三个阶段
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从单个网络APPANET向互连网发展的过程
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建成了三级结构的互联网，主干网，地区网和校园网（企业网）
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逐渐形成了多层次ISP结构的互联网
任何机构和个人只要向ISP交纳规定的费用，就可以从ISP得到所需的IP地址，并通过ISP接入到互联网
（2）互连网，互联网
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计算机网络由若干节点和连接这些节点的链路组成
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网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机、或路由器等
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网络之间可以通过路由器互连起来，这样的网络称为互连网
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网络把许多计算机连接在一起，而互连网把许多网络通过路由器连接在一起
（3）制定互联网的正式标准
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互联网草案
互联网草案的有效期只有6个月，这个阶段还不能算是RFC文档
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建议标准
从这个阶段开始就成为RFC文档
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互联网标准
达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号STDxx
注意：
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internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络
采用的通信协议可以任意选择，不一定非要用TCP/IP协议
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Internet（互联网）是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网
采用TCP/IP协议族作为通信规则，且其前身是美国的ARPANET
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互联网交换点IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组
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IXP常工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网互连起来
3.互联网的组成
（1）两大块：边缘部分，核心部分
边缘部分：
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由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享
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边缘的通信方式：C/S方式，P2P方式
核心部分：
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由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）
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互联网核心部分的工作方式其实就是路由器的工作方式
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互联网的核心部分的工作方式：路由器转发分组，路由器之间不断交换路由信息
（2）C/S方式与P2P方式
C/S方式：
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C/S方式所描述是进程之间服务与被服务的关系，客户是服务请求方，服务器是服务提供方，两者都要使用网络核心部分所提供的服务
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客户与服务器的通信关系建立后，通信是双向的
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客户程序：
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被客户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信
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客户程序必须知道服务器程序的地址
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不需要很特殊的硬件和很复杂的操作系统
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服务器程序：
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专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求
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系统启动后即自动调用着并一直不断的运行，被动的等待各地客户请求
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服务器不需要知道客户程序的地址
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一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持
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对等连接（P2P）：
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两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方
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两台主机都运行了对等连接软件
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双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档
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对等连接方式从本质上仍然是使用客户-服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器
（3）电路交换，报文交换，分组交换
注意：
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路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组
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交换是指按照某种方式动态地分配传输线路的资源
电路交换：
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通信过程是建立连接，通信，释放连接
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在通信的过程中，通信的双方始终占用端到端的通信资源，占用所使用的物理信道
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线路的效率往往很低
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当通信网业务很大时，电路交换无法保证每个用户都能连通
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在整个连接中，只要有一个环节出了故障，整个连接就不存在，需要重新连接
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只要能够建立连接，双方通信所需要的传输宽带就已经分配好而不会再改变，不会受其他网络用户的影响，整个过程的传输速率不变
分组交换：
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分组交换采用存储转发技术，分组是互联网中传送的数据单元
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分组交换没有连接建立和连接释放这两个阶段，传输数据比较迅速
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分组交换对通信链路是逐段占用，分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源，不同链路上传输速率会不同
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分组交换采用分布式路由选择协议，当网络中某个结点出现故障时，分组传送的路由会自适应的动态改变
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分组交换具有高效，灵活，迅速，可靠的特点
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带来的两个问题：
分组在路由器存储转发时需要排队，会造成一定的时延
各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销
报文交换：
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报文交换也采用存储转发技术
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报文交换不再把报文分割为更小的分组
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省去了划分小的分组的时间，也省去了把分组重装成报文的过程
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灵活性不如分组交换，传输数据的时延较大
注意：
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若连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输效率更高
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报文交换和分组交换不需要预先分配带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率
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分组交换比报文交换时延少，更灵活
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存储转发：路由器每收到一个分组，先暂时存下来，再检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去
4.计算机网络的类别
（1）作用范围：
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广域网WAN
作用范围通常为几十到几千公里，有时也称远程网
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城域网MAN
作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至城市，其作用距离约为5～50km
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局域网LAN
作用范围局限在较小的范围（如1km左右）
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个人区域网PAN
常称无限个人区域网WPAN，其作用范围大约在10km
（2）网络使用者：
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公用网
电信公司出资建造的大型网络，只要所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络
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专用网
某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络，这种网络不向单位以外的人提供服务
（3）把用户接入到互联网的网络：
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接入网AN
接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分
接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（边缘路由器）之间的网络
（4）按照采用的交换技术
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电路交换网
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分组交换网
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混合交换网
注意：
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计算机网路中主干网是计算机网络核心部分的重要组成部分
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本地接入网的作用仅仅是用来把用户接入到互联网
5.计算机网络的性能
（1）性能指标：
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速率
数据的传输速率，也称为数据率或比特率
速率的单位是bit/s，b/s，bps
1k = 1000
提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而非网络实际上运行的速率
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带宽
带宽本来是指某个信号具有的频带宽度
在计算机网络中带宽表示网络中某通道传送数据的能力
网络宽带表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”
单位bit/s
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吞吐量
表示在单位时间内通过某个网络的实际的数据量
单位bit/s
有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示
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时延
数据从网络的一端传送到另一端所需的时间
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
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发送时延
主机或路由器发送数据帧所需要的时间
发送时延 = 数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）
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传播时延
电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间
传播时延 = 信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）
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处理时延
主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理
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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
注意：
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并非在任何情况下，提高发送速率就能减少总时延
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对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率
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提高发送速率仅仅是减少了发送时延
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荷载信息的电磁波在通信线路上的传播速率取决于通信线路的介质材料
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时延带宽积
时延带宽积 = 传播时延 × 带宽
链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
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往返时间RTT
从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间
有时往返时间还包括网络各中间结点的处理时延和排队时延以及转发数据时的发送时延
有效数据率 = 数据长度 /（发送时间 + RTT）
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利用率
信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的
网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值
D = D0 / （1 - U） D：网络当前时延，D0：网络空闲时的时延，U：利用率
注意：
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信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延
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空闲信道的利用率是0
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（2）非性能指标：
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费用
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质量
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标准化
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可靠性
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可扩展性和可升级性
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易于管理和维护
（3）区别
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性能指标是直接反映网络性能的，而非性能特征则不是网络所特有的指标
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有时网络的非性能特征能够制约网络性能指标的实现
6.计算机网络体系结构
（1）协议
网络协议：
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为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定
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这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题
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网络协议必须把所有的不利情况都考虑到，如果网络协议没有考虑一些不利的情况，当这些不利的情况出现时，协议就会失败
协议三要素：
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语法
数据与控制信息的结构或格式
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语义
需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
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同步（时序）
事件实现顺序的详细说明
协议栈：由于计算机网络体系结构采用了分层结构，不论在主机还是路由器中的协议都有好几层，这一层一层的协议画起来就像堆栈的结构，因此就把这些协议层称为协议栈
（2）划分层次
分层的好处：
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可以把庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题比较易于研究和处理
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各层之间是独立的
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灵活性好
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结构上可分割开
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易于实现和维护
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能促进标准化工作
通常各层所要完成的功能主要为：
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差错控制
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流量控制
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分段和重装
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复用和分用
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连接建立和释放
（3）体系结构
网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合
对等层：在网络体系结构中，通信双方实现同样功能的层
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应用层
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体系结构中的最高层
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直接为用户的应用进程提供服务
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应用层协议：应用进程间通信和交互的规则
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应用层交互的数据单元称为报文
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运输层
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负责向两个主机中的进程之间的通信提供数据传输服务
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运输层主要使用的协议：TCP，UDP
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复用、分用
复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
分用：运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应的进程
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网络层
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负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，还有选择合适的路由
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无论在哪一层传输的数据单元，都可笼统地使用“分组”来表示
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数据链路层
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在两个相邻结点之间传送数据
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数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在收到一个帧后，从中提取出数据部分，上交给网络层
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在链路上实现透明传输，差错检测
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物理层
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物理层所传数据的单位是比特
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物理层的任务就是透明地传输比特流，确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各条引脚应如何连接
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解释比特代表的意思不是物理层的任务
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物理层要考虑用多大电压代表“1” 或 “0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特
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传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而是在物理层的下面
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注意：五层协议的体系结构只是为介绍网络原理而设计的，实际应用还是TCP/IP四层体系结构
（4）实体、协议、服务
实体：任何可以发送或接受信息的硬件或软件进程
协议：控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合
协议数据单元：PDU，它是对等实体之间进行信息交换的数据单元
协议与服务：
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在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务
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要实现本层协议，还需要使用下面一层多提供的服务
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协议的实现保证了能够向上一层提供服务，使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议
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协议是“水平的”，协议是控制对等实体之间通信的规则
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服务是“垂直的”，服务是由下层向上层通过层间接口提供的
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并非在一个层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能被高一层实体“看得见”的功能才被称为“服务”
服务访问点：同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方
