网络笔记 P01：概述与物理层

概述

• 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

  • 硬件、软件、协议
  • 通信子网、资源子网

• 计算机网络的分类

  • 广域网 WAN、城域网 MAN（1~10km）、局域网 LAN（1km 以内）、个人区域网 PAN
  • 广播式网络、点对点网络
  • 面向连接服务、无连接服务
  • 电路交换（建立物理电路）、报文交换（存储转发）、分组交换（对报文分割，长度更小）。其中分组交换可以分为无连接的数据报方式和面向连接的虚电路方式。

• 一些概念：

  • IP 电话/VoIP：使用 IP 协议实现的电话。
  • VPN/虚拟专用网络：建立虚拟的内部网络。
  • CS 与 P2P
  • NFC/近场通信
  • AP/接入点

• 协议：相同层之间通信规则的集合；

  接口：相邻两层之间交换信息的连接点；

  服务：下层为紧邻上层提供的功能调用。

• 时延：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。

  往返时延 RTT，时延带宽积。

模型

• OSI 参考模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
• TCP/IP 模型：链路层、互联网层、传输层、应用层。
• 5 层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
• 只有传输层及以上各层的通信才能称为端到端；之下的层是点到点。

物理层

1.概述

• 物理层描述：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性。

• 信道：信号从传输媒介。可分为单双工通信、半双工通信、全双工通信。
• 带宽：信号能通过的频率的范围，频带宽度。
• 码元：指一个固定时长的波形。波特率：码元传输速率。
• 传输介质：双绞线、同轴电缆、电力线、光纤（多模光纤、单模光纤）；无线电、微波、红外线、光线。
• 物理层的设备：中继器和集线器，作用是信号再生。

2.最大传输速率

• 奈奎斯特定理：极限数据传输率 = \(2W \log_2 V\)，其中\(W\)是理想低通信道的带宽，\(V\)是每个码元有多少种形式。
• 香农定理：极限数据传输率 = \(W \log_2 (1+S/N)\)， 其中\(S/N\)的信噪比。

3.基带传输

• 编码方式：不归零编码、不归零逆转、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、双级编码等。
• 信号频率越高衰减越大，因此需要尽量降低频率。
• 信号传输中需要考虑时钟恢复问题，即两端的时钟需要同步。解决办法：两端采用精准的时钟、采用曼彻斯特编码、采用不归零逆转编码、对编码进行 4B/5B 映射、对编码伪随机化。
• 信号传输中需要考虑功率平衡问题，即两端尽量只传输信号不传输功率，消除电流中的直流分量。解决办法：采用双极编码、采用 8B/10B 映射。

4.通带传输

• 频移键控/调频
• 幅移键控/调幅
• 相移键控/调相
• 正交条幅（调幅+调相）QAM

5.多路复用

• 频分复用 FDM、正交频分复用 QFDM：将带宽划分成多个频带给不用的信道使用。
• 时分复用 TDM：划分等长的时间槽，以时间槽为单位分配给多个信道使用。
• 码分复用 CDM：如码分多址 CDMA 为每个信道分配一个正交的码片序列（由多个+1、-1 构成）作为地址，通过与广播中的码片做内积可以还原出信息。

6.常见网络

• 电话系统：本地回路、中继线、交换局。交换局目前已经被同步光网络 SONET 替代，对电话语音信号进行了数字化。

  通过电话线路可以拨号上网（56kbps），因电话中使用的信号频率较低，在两端增加了高频滤波器，限制了频率，故拨号上网速率很低；后新建设备去除了滤波器，产生了数字用户线 DSL，如非对称数字用户线 ADSL（<10Mbps）；新的网络业务是光纤到户。

• 移动电话系统：又称为蜂窝电话。目前已经发展到第 4 代，使用模拟语音的 AMPS（1G）、支持数字语音的 GSM（2G）、支持数字语音和数据的 CDMA（3G）、4G LTE。

• 有线电视网络