计算机网络
1_1 计算机网络的发展
什么是计算机网络
把地理位置分散的多台自治的主机通过通信介质，传输设备，按照网络协议连在一起，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
1 网络共同特点
连线和结点
2 网络作用
联通和共享
3 以主机为中心（“主机-终端”）的网络（早期）
特征：以单处理机为中心的联机网络；集中式控制
缺点：主机负荷重，可靠性差
4 终端：
是主机的一个远程的输入输出设备(不是一个自治系统，自治 主机（联网的计算机）有计算能力，存储能力)。
本身不具备计算能力，仅仅承担信息输入输出的工作。
一个主机一般会配置多个终端，个人计算机可以运行 终端仿真程序来模仿一个终端的工作。
先有广域网后有局域网
5 广域网
以主机为中心的网络间互联（APPAnet）
6 局域网：
指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组
微型计算机的诞生，促生了计算机局域网的发展（以太网等）
70年代，ARPA设立了新的研究项目，解决不同的计算机局域网互联的问题,
采用TCP/IP协议，研究人员称之为"Internet"，即因特网。
7 互联网的两个重要特点
连通性
共享
8 互连网(internet) :
由路由器将网络连接起来，组成一个功能单一的大规模
的”虚拟网络”。
9 互联网(Internet) :
指当今世界最大的互”连"网络，由大规模的国家骨干网络、无数的区域网络和校园网络组成，采用 IP协议栈。
通俗地说，互联网是采用IP协议将全球异构的网络互连起来面形成的一个网络，实现异构网络间的互联互通。
10 异构的网络:
指采用不同协议的广域网和局域网
11 ISP（互联网交换中心）
互联网交换中心（Internet Exchange Point）是不同电信运营商之间为连通各自网络而建立的集中交换平台，互联网交换中心在国外简称IX或IXP，一般由第三方中立运营，是互联网的重要基础设施。
12 互联网发展的三个阶段
1 ARPAnet变成Internet
2 建成了三级结构的互联网，分为主干网，地区网和校园网（或企业网）
3 逐渐形成了多层次ISP结构的互联网
ISP也分成为不同层次的ISP:
主干ISP、 地区ISP、本地ISP
WWW及浏览器的问世，极大促进互联网的应用和发展
1_2 互联网的应用与标准化
1 互联网+
利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。
2 物联网
互联成功的因素之一是开放性和标准化
3 互联网标准化组织
IESG: 互联网工程指导组
IRSG:互联网研究指导组
4 互联网正式标准的三个阶段
互联网草案
建议标准
互联网标准
1_3 互联网的组成和通信方式
1 互联网组成：
边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。又称为端系统 （资源子网） 主机用途：信息处理，交换信息
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成（为边缘部分提供服务，提供连通性和交换） （传输子网） 路由器：转发分组
2 端系统之间通信的含义
"主机A的某个进程（程序）和主机B上的另一个进程（程序）（通过网络）进行通信”。
简称为“计算机之间通信”，
3 端系统之间的两种通信方式
（1）客户服务器方式(C/S 方式)
即Client/Server方式，简称为C/S方式。
客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。
"客户-服务器”:程序之间服务和被服务的关系。
客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
客户软件的特点
- 被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
- 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
服务器软件的特点
- 一种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(例如:
IIS、Apache、Proftpd等)。 - 启动后一直不断地运行着，被动地等待并接受来自的客户的通信请求。服务器程序不需
要知道客户程序的地址。 - 一般需要强大的硬件和高级的操作系统(如：unix,ubuntu server,windows Server)支持。
客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的
客户和服务器都可发送和接收数据。
（2） 对等方式(P2P 方式)
即Peer-to-Peer方式，简称为P2P方式。
* 两个通信主机不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
只要两个主机都运行了对等连接软件(P2P软件) , 它们就可以进行平等的、对等连接通信。
* 对等连接方式仍然是使用客户服务器方式，每一个主机既是客户又是服务器。
1_4 互联网核心部分
为了实现远距离数据传输，需要使用交换结点对数据进行转发(交换)
路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组, 这是网络核心部分最重要的功能。
全双工、半双工、单工
全双工（Full Duplex）是指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，
这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网卡一般都支持全双工。
半双工（Half Duplex），所谓半双工是指一段时间内，只有一种动作发生，
例如一条窄路，而只有一辆车可以通行，当当前有两辆车相对时，在这种情况下，只有一辆车先开，等到另一辆车的头部再开，这个例子生动地说明了原始半双工。原因。早期对讲机、早期集线器等设备都是基于半双工产品的。随着技术的不断进步，半双工会逐渐退出历史舞台。
单工通信是指通信线路上的数据按单一方向传送。
打电话
建立连接
请求
指示
响应
证实
信息双向、交替传输
1 电话交换机
在这里，"交换"(switching)的含义就是转接:
把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
从通信资源的分配角度来看，"交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
交换机和交换机之间的线叫做中继线
2 交换:
在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，动态地设定通信双方间的线路，动态地接通或断开通信线路，称为"交换"
3 交换方式分类:
-
电路交换(circuit switching)
每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用的交换方式就是电路交换。 -
存储交换:报文交换、分组交换、信元交换
计算机网络的分类：
-
按交换方式分类：见上
-
按作用范围分类：广域网，城域网（fddi），局域网，个人区域网
-
按拓扑结构分类：星形、树形、总线型、环形
4 电路交换主要特点
先进先出，不会乱序
电路交换必定是面向连接的。
- 主要特点:
- 建立临时通路
在发送数据前，通信双方必须建立临时专用(独占)的物理通路; - 逐渐占用链路
该物理通路由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成。 - 通路建立时间长
建立物理通路时间较长 - 数据传输时延小
数据传送延迟较短
5 电路交换三个阶段
-
建立电路(连接) :
建立一条专用的物理通路（像一根铁管），以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用; 请求、指示、响应、证实
-
传输数据(通信) :
主叫和被叫双方就能互相通电话; 来不及就会溢出
-
拆除电路(释放连接) :
释放刚才使用的这条专用的物理通路(释放刚才占用的所有通信资源)
6 电路交换的优点
- 时延小
- 时间性强
随时通信，实时性强 - 无失序
按发送顺序传送数据，不存在失序问题 - 使用面广
可以传输模拟信号，也可传输数字信号 - 控制简单
7 电路交换的缺点
-
信道利用低
电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使
用，不适合计算机通信(突发性) ，因而信道利用低。 -
终端要求
电路交换时，数据直达， 不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信。
1_5 分组交换的特点
并行
1 分组交换的特点
分组交换则采用存储转发技术。
在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
每一个数据段前面添加上首部构成分组(packet)。
分组首部的重要性
每一个分组的首部都含有地址(诸如目的地址和源地址)等控制信息。
分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
分组接收
接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。
这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。
2 路由器转发分组的过程
在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线
路由器处理分组的过程是:
-
接收分组
-
存储分组
把收到的分组先放入缓存(暂时存储) ; -
查找转发表
找出到某个目的地址应从哪个端口转发; -
找到转发端口，转发分组
把分组送到适当的端口转发出去。
注
分组所经过的路径不同
分组转发路径由路由器协同计算得到
主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。
路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。
3 分组交换的优缺点
优点
高效
在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
灵活
为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。
迅速
以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。
可靠
分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。
缺点
时延
分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
开销
分组必须携带的首部(控制信息)也造成了一定的开销。
失序
当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组
1_6 报文交换和三种交换的比较
第一个阶梯型的原因：寻路
报文交换
在20世纪40年代，电报通信采用了基于存储转发原理的报文交换
每一个结点接收整个报文，然后整个报文一次发送完毕，一次一跳。
优点:
无需建立连接
用户随时发送报文;
通信线路利用率高
不同时间一段一段地占用通信线路
缺点:
报文交换的时延较长;
只适用于数字信号;
由于报文长度没有限制，中间转发结点存储空间大。
三种交换的比较
若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
由于一个分组的长度远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。
1_7 计算机网络的定义
定义
利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统连接起来，在功能完善的网络软件和协议管理下，实现网络端系统的硬件、软件资源共享和信息传递的系统。
由结点(node) 和链路(link) 组成。
计算机网络作用功能
数字化
信息化
网络化
分布式处理
负载均衡
大数据
三个要点:
- 必须有两台或两台以上、具有独立功能的计算机自治系统相互连接起来，以达到资源共享的目的;
- 必须要有一条通道(有形或无形的)，来使计算机之间交换信息;
- 必须要遵守某种约定或规则才能实现信息交换。
自治系统:
自治自理，自主决定何时发送数据。
注意:
网络连接的端系统不限于计算机，而是包含了各类智能设备
计算机网络的分类
按作用范围
广域网LAN (几十到几千公里)
局域网LAN (5~ 50公里)
城域网MAN
个人区域网PAN
按使用者
公众网:缴费使用
专用网:特殊需求的网络
按工作方式
通讯子网
资源子网
接入网 用于将用户接入互联网络，用户与互联网的桥梁
按拓扑结构
总线型
星型
环型
树型
网状
按交换方式
电路交换
报文交换
分组交换
1_8 计算机网络性能指标
比特：信息的基本单位
速率
速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。
速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
速率的单位:
bit/s (基本单位)，或Kbit/s、 Mbit/s、 Gbit/s等(bps) 。
注意与存储容量的区别(乘2的10次方（1024）)
Byte(字节，基本单位)、KByte(KB)、 MByte(MB)、 GByte(GB)， 1 Byte = 8 bit
带宽
”带宽”(bandwidth)是指信号具有的频率成分范围。也可表示为信道的频带宽度(允许通过的最高频率成分与最低频率成分之差)，其单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。
电话信道的带宽为3400- 300 = 3100Hz。
计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。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"。单位是bit/s。
例如:计算机100Mbps接入网络，指的是计算机能以100Mbps速率向信道注入bit流。
吞吐量
吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
吞吐量用来测量实际上到底有多少数据量能够通过网络。
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
时延
时延(delay或latency)是指数据 (一 个报文或分组，甚至比特) 从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。
有时也称为延迟或迟延。
网络中的时延由以下几个不同的部分组成:
发送时延
传播时延
处理时延
排队时延
发送时延
发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。
也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
发送时延=数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)
传播时延
电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
传播速率: 约200m/us
传播时延 = 信道长度(米) / 信号在信道上的传播速率(米/秒)
处理时延
主机或路由器在收到分组时，为处理分组(例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由)所花费的时间。
排队时延
分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
- 对于高速网络链路，提高的是发送时延
时延带宽积
链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
即某段链路现在有多少比特
时延带宽积=传播时延*带宽
往返时延 RTT
表示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。
在互联网中，往返时延包括往返传播时延、各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
利用率
信道利用率 = 有数据通过的时间 / (有+无)数据通过的时间
网络利用率: 信道利用充满的加权平均
信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。
时延与网络利用率的关系
若令D。表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，U是网络利用率（在0到1之间）
则在适当的假定条件下: D = D。/ 1-U
1_9 计算机网络系统结构（分层、协议三要素）
分层
为什么要分层
计算机网络是个非常复杂的系统。相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。
"分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题,而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
按功能进行抽象分层
定义层间接口和提供什么服务，层间如何调用服务 对等层间的必须遵循的规则(协议)
两种标准
1983，Internet采 用TCP/IP协议集(事实标准)
1984年，ISO-OSI/RM， 开放系统互联参考模型(国际标准)
协议的概念
对等层进行通讯时遵循的规则和规约的集合
协议与划分层次
计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
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(同步 含有时序的意思)
网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
网络协议的三个组成要素
- 语法: 数据与控制信息的结构或格式，解决交换信息的格式问题。
- 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。解决做什么的问题。
- 同步: 事件实现顺序的详细说明。什么时间什么条件下做某一特定操作的规定，解决先
做什么后做什么的问题。
注意很多条件是不可预测的，不可能有十全十美的协议。
协议的两种形式
一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。
另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。
这两种不同形式的协议都必须能够对网络.上信息交换过程做出精确的解释。
分层的原则
层次适度
功能确定
层次独立
层次关联
层次分合
层次对等
层次协议
层次接口
分层优点
各层之间是独立的。
灵活性好。
结构上可分割开。
易于实现和维护。
能促进标准化工作。
分层缺点
降低效率。
有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销。
每层完成的主要功能
差错控制: 使相应层次对等方的通信更加可靠。
流量控制: 发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
分段和重装: 发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
复用和分用: 发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
连接建立和释放:交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。
1_10 计算机网络体系结构
体系结构、协议与服务的关系
体系结构包含协议，协议包含服务
概念
- 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。
- 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
- 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。
体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
具有五层协议的体系结构
OSI的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。
TCP/IP是四层体系结构:应用层、运输层、网际层和网络接口层。
但最下面的网络接口层并没有具体内容。
因此往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。
应用程序不是应用层
网络层功能：路由
运输层功能：端（进程）到端的通信
会话层功能：断点续传
表示层：数据格式的转化
- 网络层(Network Layer)
功能:实现分别位于不同网络的源节点与目的节点之间的数据包传输(数据链路层只负责铜一个网络中的相邻两节点之间链路管理及帧的传输),即完成对通信子网正常运行的控制. - 传输层(Transport Layer)
功能:实现通信子网端到端的可靠传输(保证通信的质量) - 会话层(Session Layer)
功能:提供- -个面向用户的连接服务，并为会话活动提供有效的组织和同步所必须
的手段,为数据传送提供控制和管理. - 表示层(Presentation Layer)
功能:数据编码,数据压缩，数据加密等工作 - 应用层(Application Layer)
功能:包括系统管理员管理网络服务所涉及的所有问题和基本功能
实体、协议、服务和服务访问点
实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合(水平的)
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(功能调用，垂直的，单向的)。
要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对，上面的服务用户是透明的。
上层使用服务原语获得下层所提供的服务。
服务原语
服务在形式上由一组接口原语(或操作)来描述的
上层实体向下层实体请求服务时，服务提供者和服务用户间需要交互一些必要的信息，以说明要求服务的一-些情况，这些信息即服务原语。
类型有：请求，指示，响应，确认
服务访问点
同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(Service Access Point)。
服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口(下层服务的入口)。
服务访问点规定了上层如何调用下层提供的服务:
服务的名字？
参数是什么?
2_1 为什么需要物理层
物理层的功能
物理层不包含物理媒介，而是确定与传输媒体的接口特性。
-
机械特性(接口所用接线器的一些物理属性如形状尺寸，接口形状，引线数目，引脚数，排列)
-
电气特性(接口电缆的各条线上出现的电压的范围，阻抗匹配，传输速率，距离等)
-
功能特性(某 条线上出现的某一电平的电压的意义，接口部件信号线的用途)
-
过程特性(对于不同功能能的各种可能事件的出现顺序，定义各条物理线路的工作规程和时序关系)
-
主要功能: 解决计算机间比特传输问题，即 透明地传送比特流，关心的是点到点的问题。
-
透明传输:指不管所传输的数据是什么样的比特组合，都能够在链路上传输。要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
2_2 数据通信基础
信号
信号: 数据的电气的或电磁的表现。数据在通信线路上传递需要变成电信号或光信号。
模拟信号(analogous signal): 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号(digital signal) : 代表消息的参数的取值是离散的。
信源: 产生和发送数据的源头。
信宿: 接收数据的终点。
信道: 信号传输的通道(传输媒介)，一 般来表示向某一个方向传送信息的介质，一端是
发送信道，另一端是接收信道。一条传输介质上可以有多条信道(多路复用)
三种通信方式
单工通信
只有一个方向上的通信而没有反方向的交互。例：电视机、广播
半双工通信
通信双方可以发送或接收数据，但不能同时发送和接收。例：对讲机
全双工通信
通信双方可以同时发送和接收信息。例：电话
基带信号
基带信号(Baseband Signal) : 信源发出的没有经过调制的原始信号(直接表达了要传输的信息的信号)。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。
由模拟信号源产生的信号成为 模拟基带信号(说话的声波)
由计算机产生的二进制信号称为 数字基带信号
基带信号: 无特别说明，一般指的是数字基带信号
几个概念
将基带信号(0和1 用两种不同电压表示:编码)直接送到数字信道上传输方式称为基带传输。
传输的是基带信号:近距离传输将基带信号经过调制(带通调制)后送到模拟信道.上传输方式称为频带传输(宽带传输)
传输的是宽带信号(带通信号) : 远距离传输
带通调制: 使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输(即仅在一 段频率范围内能够通过信道)
数字数据编码为数字信号
非归零编码(NRZ) : 正电平代表1，负电平代表0。
归零编码: 正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码: 从高到低跳变表示"1”，从低到高跳变表示"O"但也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码: 在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
脉冲是指电压升高(或降低)后又降低(又升高)这一周期过程，相应称为正脉冲或负脉冲。
基本的调制方法
效果：调相>调频>调幅
码元
猫
调制解调器，是调制器和解调器的缩写 ，一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号，而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。这一简单过程完成了两台计算机间的通信。
2_3 信道极限容量(码元速率不能太快)
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
失真的原因:
码元传输速率高
信号传输的距离远
传输媒体质量越差
噪声干扰：延迟形变，白噪声，等
电话带宽：300-3600Hz
延迟形变：延迟变形是有线类传输介质独有的现象。这种变形是由有线类介质上信号传播速率随着频率而变化所引起的。在一个有限的信号频带中,中心频率附近的信号速度最高,而频带两边的信号速度较低。这样,信号的各种的频率成分将在不同的时间达到接收器。 由于信号中各种成分延迟使得接收到的信号变形的这种效果称为.
奈氏准则
1924年，奈奎斯特(NYQUIST)就推导出了著名的奈氏准则
在假定的理想低通条件(无噪声、带宽受限)下，为了避免码间串扰,
码元的传输速率的上限值= 2W Baud (波特)
W是信道的带宽，单位是Hz。
理想低通信道下的极限数据传输率= 2W log2v(b/s)
单位是比特（b）每秒
W是信道带宽，v码元的离散电平数目
1.码元速率是有上限的，传输速率过限，会出现码间串扰。
2.信道带宽越宽(能通过的高频分量越多)，可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的限制，没有对信息传输速率给出限制。
4.要提高比特传输速率，采用多元调制方法(如QAM)， 使每个码元能携带更多比特。
信噪比
香农定理
只考虑热噪声，单位是比特每秒
2_4 传输介质
传输介质(媒体)
信道是传输系统的逻辑通路。
传输介质也称传输媒体/传输媒介，是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输介质可认为是第0层，它传输的是信号，但不知道信号是什么意思，根据规定的电气特性来识别比特。
双绞线
双绞是为了避免串音
最常用的传输媒体。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。
分类
屏蔽双绞线STP
带金属屏蔽层
无屏蔽双绞线UTP
一类双绞线 电话线,模拟语音信号
双绞线标准
接头: RJ45接头
无屏蔽双绞线UTP
同轴电缆
光纤
光纤波长
光纤优缺点
用光刀切
非导引型传输媒体
将自由空间称为”非导引型传输媒体”。
无线传输所使用的频段很广。
短波通信(即高频通信)主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
微波在空间主要是直线传播。
传统微波通信有两种方式:
地面微波接力通信
卫星通信
无线电波传输: 距离远; 开放性，保密性差，显易受干扰
微波通信的两种方式
地面微波接力:
靠地面视距接力站转换信号来实现远距离通信
每隔50公里左右，就需要设置中继站
受气候影响大
卫星通信:
以高轨同步卫星作为中继，实现微波信号远距离通信
三颗同步卫星可实现全球覆盖
容量大，时延长，通信质量好于地面微波接力
成功案例: .
●中国北斗卫星导航系统(BDS)
美国全球定位系统(GPS)
●俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS)
2_5 信道复用技术
多路复用技术
把多个信号组合在一条物理信道上进行传输,
使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。
把一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个结点之间通信的互不干扰的信道,就是把广播信道转变为点对点信道。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。
将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。
频分多路复用
将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后在通信过程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
(请注意，这里的”带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)
频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和。各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰。
频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作)
例:广播、有线电视
充分利用带宽，效率较高;
技术成熟，实现容易
时分复用TDM
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)
每一个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙;
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现 (其周期就是TDM帧的长度)，TDM 信号也称为等时信号
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度
码分复用CDM
(Code Division Multiplexing)
码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)是码分复用的一种方式
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
码片序列(CHIP SEQUENCE)
每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。
每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。
如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列。
如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。
例如，S站的8 bit码片序列是00011011。
发送比特1时，就发送序列00011011,
发送比特0时，就发送序列11100100。
S站的码片序列: (-1-1-1 +1 +1-1 +1 +1)
码片序列实现了扩频
假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的
频带宽度也提高到原来数值的m倍。
这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种(DSSS)。
扩频通信通常有两大类:
直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)。
跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
依据跳频码，使载波的频率不停地跳变
码分多址CDMA的重要特点
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
结构可以预先确定，可重复产生和复制，具有某种随机序列随机特性的序列码。
“随机码”:就是无论这个码有多长都不会出现循环的现象。
'伪随机码”:在码长达到一定程度时会从其第-位开始循环。由于出现的
循环长度相当大，例如CDMA采用42的伪随机码，重复的可能性为4.4万亿分之一，所以可以当成随机码使用。
3_1 数据链路层概述
为什么需要数据链路层
结点:主机、路由器。
物理层解决了相邻结点透明传输比特的问题。
物理层没有解决比特传输出现错误的问题:
- 发送端发送比特1，而接收端收到比特0，接收端无法知道接收的是否正确?
- 多个设备连接问题:谁能发送数据?数据发送给谁?谁负责接收和处理?
- 如何知道一组数据即将到来?这组数据何时结束?
比特错误一般为连续比特错误 (外界干扰影响连续比特传输)
离散比特错误不易检测
链路:
结点间的物理通道。
是一条无源的点到点的物理线路段(双绞线、光纤等)，中间没有任何其他交换结点。一条链路只是
一条通路的一个组成部分。
数据链路:
是结点间的逻辑通道。
除了物理线路以外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
数据链路=链路+协议
链路中通信双方的信道使用形式不同，会相应有不同的控制协议。
帧
:链路层协议数据单元，封装网络层的数据报。
数据链路层:
负责通过一条链路从一个结点向物理链路直接相连的相邻结点传数据报。
网卡实现的物理层和数据链路层协议
城市交通=街道+汽车交通规则
铁路交通=铁轨+火车运行规则
ppp点对点世界标准
7E帧定界
3_3 广播信道的数据链路层
局域网的数据链路层
局域网最主要的特点是:
网络为一个单位所拥有;
地理范围和站点数目均有限。
局域网主要优点:
具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机.
可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
拓扑结构
以太网的两个标准
DIX EthernetV2是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约。
IEEE 802.3是第一个IEEE的以太网标准。
DIX Ethernet V2标准与IEEE 的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为”以太网”。
严格说来，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网
IEEE 802又称为LMSC (LAN /MAN Standards Committee，局域网/城域网标准委 员会)
致力于研究局域网和城域网的物理层和MAC层中定义的服务和协议，对应OSI网络参考模型的最低两层(即物理层和数据链路层)
一 般不考虑LLC子层
由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC (即802.2标准)的作用已经不大了。
很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。
以太网采取了两种重要的措施
1 采用较为灵活的无连接的工作方式
不必先建立连接就可以直接发送数据。
对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认6
这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小
的。
2 以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码V/
曼彻斯特编码缺点是:它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。
为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施
以太网提供的服务
以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
以太网采用广播方式发送
总线.上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。
其他所有的计算机(A, C和E)都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。
在具有广播特性的总线上实现了一对一-的通信。
为了实现-对一通信， 将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。
仅当数据帧中的目的地址与适配器的硬件地址一致时，才能接收这个数据帧。
总线的缺点:
若多个设备在共享的广播信道上同时发送数据，则会造成彼此干扰，导致发送失败。
CSMA/CD协议
碰撞检测
“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道K的信号电压大小。)
当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)。
当一个站检测到的信号电压摆动值超过一-定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
所谓"碰撞"就是发生了冲突。因此”碰撞检测”也称为"冲突检测”。
在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
每一个正在发送数据的站，- -旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待-段随机时间后再次发送。
为什么要进行碰撞检测?
电磁波在总线上的传播速率是有限的(200m/μs) ，当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。
A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。
B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到
A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。
碰撞的结果是两个帧都变得无用。
所以需要在发送期间进行碰撞检测，以检测冲突。
最小帧长
CSMA/CD重要特性
使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。
每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。
CSMA/CD协议的要点
(1)准备发送。但在发送之前，必须先检测信道。
(2)检测信道。若检测到信道忙，则应不停地检测，-直等待信道转为空闲。若检测到信
道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲(保证 了帧间最小间隔)， 就发送这个帧。
(3)检查碰撞。网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性:
①发送成功:在争用期内一直未检测到碰撞，发送成功。发送完毕后，其他什么也不
做。然后回到(1)。
②发送失败:在争用期内检测到碰撞。立即停止发送数据，并发送人为干扰信号，执
行指数退避算法，等待r倍512比特时间后，返回到步骤(2)。重传达16次仍不能成
功，则停止重传而向上报错。
