计算机网络(一)

概述

计算机网络的概念

是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

互连:互联互通

自治:无主从关系

计算机网络的功能

1. 数据通信
2. 资源共享
3. 分布式处理
4. 提高可靠性
5. 负载均衡

计算机网络的组成

1. 组成部分 (硬件,软件,协议)
2. 工作方式
   • 边缘部分 用户直接使用(C/S方式,P2P方式)
   • 核心部分 为边缘部分服务
3. 功能组成
   • 通信子网 实现数据通信
   • 资源子网 实现资源共享/数据处理

计算机网络的分类

1. 按分布范围

   广域网WAN 城域网MAN 局域网WAN 个人区域网PAN

2. 按使用者

   • 公用网
   • 专用网

3. 按交换技术分

   电路交换 报文交换 分组交换

4. 按拓扑结构分

   总线型 星型 环型

5. 按传输技术分

   • 广播式网络 共享公共通信信道
   • 点对点网络 使用分组储存转发和路由选择机制

速率相关的性能指标

速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率

b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s千进制

带宽

原本指某个信号具有的频带宽度,单位hz

在计算机网络中,带宽用来表示网咯的通信线路传送数据的能力,通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率.

吞吐量

在单位时间内通过某个网络的数据量

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率限制

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要的时间.也叫做延迟

• 发送时延=数据长度/信道带宽
• 传播时延=信道长度/传播速率
• 排队时延=等待输出/入链路可用
• 处理时延=检错找出口

时延带宽积

时延带宽积=传播时延*带宽

又称以比特为单位的链路长度,即某段链路现在有多少比特

往返时延RTT

从发送方发送数据开始,到发送方收到接收方确认,总共经历的时延

RTT=往返传播时延(2*传播时延)+末端处理时间

利用率

• 信道利用率 有数据通过时间/总时间
• 网络利用率 信道利用率加权平均值

分层结构

分层的基本原则

1. 各层之间相互独立,每层只实现一种相对独立的功能
2. 每层之间界面自然清晰,易于理解,相互交流尽可能少
3. 结构上可分割开,每一层都采用最合适的技术
4. 保持下层对上层的独立性,上层单向使用下层提供的服务
5. 整个分层结构应该能促进标准化工作

分层结构概念

1. 实体:第n层中的活动元素成为n层实体,同一层的实体叫对等实体
2. 协议:为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则\标准或约定
3. 接口:上层使用下层服务的入口
4. 服务:下层为相邻上层提供的功能调用
5. SDU服务数据单元:为完成用户所要求的功能而应传送的数据
6. PCI协议控制信息:控制协议操作的信息
7. PDU协议数据单元:对等层次之间传送的数据单位

OSI参考模型

计算机网络分层结构

1. 7层OSI参考模型(法定标准)
2. 4层TCP/IP参考模型(事实标准)

ISO/OSI参考模型

国际标准化组织(ISO)于1984年提出的开放系统互连(OSI)参考模型

OSI参考模型

IOS/OSI参考模型解释通信原理

应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序

用户与网络的界面

典型应用层服务

文件传输FTP,电子邮件SMTP,万维网HTTP

表示层

同于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式

功能

1. 数据格式变换(翻译)
2. 数据加密解密
3. 数据压缩和恢复

会话层

向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据.这是会话,也是建立同步(SYN)

功能

1. 建立、管理、终止会话
2. 使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续回复通信,实现数据同步.

传输层

负责主机中两个进程的通信,即端到端的通信.传输单位是报文段或用户数据报

功能

1. 可靠传输,不可靠传输
2. 差错控制
3. 流量控制
4. 复用分用

网络层

主要任务是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.传输单位是数据报

功能

1. 路由选择
2. 流量控制
3. 差错控制
4. 拥塞控制

数据链路层

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧.

功能

1. 成帧
2. 差错控制
3. 流量控制
4. 访问(接入)控制

物理层

在物理媒体上实现比特六透明传输

功能

1. 定义接口特性
2. 定义传输模式
3. 定义传输速率
4. 比特同步
5. 比特编码

TCP/IP参考模型

物理层

物理层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，而不是只具体的传输媒体

物理层确定与传输媒体接口有关的一些特性(定义标准)

1. 机械特性 定义物理连接的特性,规定物理连接时所采用的规格等
2. 电气特性 规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围等
3. 功能特性 指明某条线出现的某一电平表示何种意义,接口部件的信号线的用途
4. 规程特性 定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信

相关术语

数据:传送信息的实体,通常时有意义的符号序列

信号:数据的电气/电磁表现,是数据在传输过程中的存在形式

1. 数字信号:代表消息的参数取值是离散的
2. 模拟型号:代表消息的参数取值是连续的

信源:产生和发送数据源头

信宿:接受数据的终点

信道:信号的传输媒介

通信方式

1. 单工通信 只有一个方向
2. 半双工通信 都可以发送或接收,但不能同时发送和接收
3. 全双工通信 可以同时发送和接收

数据传输方式

1. 串行传输 速度慢,费用低,适合远距离
2. 并行传输 速度快,费用高,适合近距离

码元

指用一个固定时长的信号波形,代表不同离散数值的基本波形,是数字信号的计量单位,信号称为k进制码元,时长成为码元宽度.

1码元可携带多个比特的信息量

速率

也叫数据率,指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量.可以用码元传输速率和信息传输速率表示

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,极限码元传输速率位2W Baud,W是信道带宽

香浓定理

在带宽受限且有噪声的信道中,为了不产生误差,信息的数据传输速率有上限值.

编码&调制

基带信号与宽带信号

基带信号:将1和0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).

宽带信号:将基带信号进行调制后i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)

数字数据编码为数字信号

1. 非归零变法

   高1低0 编码容易实现，但没有检错功能，收发双方难以保持同步

2. 曼彻斯特编码

   

3. 差分曼彻斯特编码

   

4. 归零编码

   信号电平在一个码元之内都要恢复到0的这种编码成编码方式

5. 反向不归零编码

   信号电平反转表示0，信号电平不变表示1

6. 4B/5B编码

   用五个比特来编码四个比特的数据，之后再传给接收方，编码效率为80%

模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频同过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列。

对音频是信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机在应用中能够达到最高保真水平的编码。包括三步：抽样，量化，编码。

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

传输介质

传输介质也称为传输媒体/传输媒介，他就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

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称其为第0层。在传输媒体中传输电信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但乌利岑规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

导向传输介质

1. 双绞线

   • 屏蔽双绞线
   • 非屏蔽双绞线

2. 同轴电缆

3. 光纤

   传输损耗小，抗雷电和电磁干扰性能好，不易被窃听或截取数据，体积小，重量轻

   • 单模光纤
   • 多模光纤

非导向性传输介质

1. 无线电波
   • 向所有方向传播
   • 穿透能力强
   • 适合远距离通信
2. 微波
   • 频率较高，数据率很高
3. 红外线，激光

物理层设备

1. 中继器

   传输时信号会减弱，直到失真。中继器可以对信号进行再生和栓元，对衰弱的信号放大，保持和原数据相同

2. 集线器

   再生，放大信号

3. 放大器

物理层总结