计算机网络

计算机网络概念

计算机网路功能

1. 数据通信（连通性）
2. 资源共享 硬件 软件 数据通信（连通性）
3. 分布式处理 多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分,用户可以根据需要合理选择网络资源，就近快速地进行处理。
4. 实现数据信息的快速传递，提高可靠性
5. 提供负载均衡与分布式处理能力，集中管理以及综合信息服务

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 或 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. 按分布范围分：
   广域网(LAN)
   城域网(MAN)
   局域网(LAN)
   个人网(PAN)
2. 按使用者分：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. 按传输技术分：
广播式网络——所有的 节点/主机 共享通信信道
点对点式网络——使用分组存储转发和路由选择机制
5. 按拓扑结构分：总线型、星型、环型、网状型(常用于广域网)

思维导图

标准化工作

标准的分类：

法定标准——由权威机构制定的 正式的、合法的标准 OSI

事实标准——某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，在这些产品中的协议和技术就成了标准 TCP/IP

相关组织
ISO：OSI参考模型、HDLC协议
ITU：制定通信规则
IEEE：学术机构、IEEE802系列标准、5G
IETF：负责Internet相关标准的制定 RFC

性能指标

速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率。
比特 1/0 位
连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。
单位是b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s

1kb/s=10^3b/s
1Mb/s=10^3kb/s=10^6b/s
1Gb/s=10^3Mb/s=10^6kb/s=10^9b/s
1Tb/s=10^3Gb/s=10^6Mb/s=10^9Kb/s=10^12b/s

存储容量

1Byte(字节) = 8bit(比特)
1KB = 2^10B = 1024B = 1024 * 8b
1MB = 2^10KB = 1024KB
1GB = 2^10MB = 1024MB
1TB = 2^10GB = 1024GB

带宽

“带宽”原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz).
计算机网络中，带宽用来表示网络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通过的“最高数据率”。
单位是比特每秒。
网络设备所支持的最高速度。

注：这里我把图画错了，电磁波是1us可传播200m

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位b/s,kb/s,Mb/s等。
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

PC与交换机速率都是100Mb/s也就是链路带宽 100Mb/s，PC从两个服务器下载数据.

第一个服务器最多传20Mb/s,第二个服务器最多传10Mb/s（速率受服务器限制）

吞吐量为 30Mb/s （实际速率）

时延

指数据（报文/分组/比特流） 从网络（或链路）的异端传送到另一端所需的时间。也就延迟或迟延。单位是s。

发送时延一般是网络适配器，是机器内部的发送器里面。
传播时延是发生在信道上的

高速链路一般只是发送时延减少。

时延的带宽积

时延带宽积(bit) = 传播时延(s) X 带宽(b/s)
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”。（此时此刻的数据容量）

往返时延RTT

指从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共尽力的时延。
RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。

RTT包括 ：

往返传播时延 = 传播时延 * 2

末端处理时间

RTT只管传播时延（信道上的时延），不管发送时延。

利用率

利用率太高会导致时延增长

网络体系结构（分层结构）

为什么要分层

发送文件要经过链路——介质。

但发送文件前需要发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
要告诉网络如何识别目的主机
发起通信的计算机要查明白目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作。
确保错差和意外可以解决。
……

因此诞生了分层

怎么分层

分层的基本原则

1. 各层之间互相独立，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，相互交流尽可能减少
3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现
4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的个服务。
5. 整个分成结构应该能促进标准化工作。

分层结构

1.实体：第N层中的活动元素称为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、标准或约定称为网络协议。（横向）

• 语法：规定传输数据的格式
• 语义：规定所要完成的功能
• 同步：规定各种操作的顺序

3.接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务入口。 4.服务：下层为相邻上层提供的功能调用。（纵向）

网络体系结构是从功能上描述计算机结构。
计算机网络体系结构简称网络体系结是分层结构。
每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能

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。(有用的部分)
PCI 协议控制信息：控制协议操作的信息。(控制信息)
PDU 协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。

pdu 不断变成 sdu，配合当层的 pci 往下传。

中间系统 只需用到下面三层。
每个对等层次之间都有相应的协议。
端到端相当于直接通信。
点对点是只关心下一步去哪里而不关心终点在哪里。

A to B 发送信息，比特流发送到中间系统还原一下，从物理层到网络层添信息，然后在放到物理层以比特流层次传输到 B，直到应用层。

数据链路层会添加尾部信息。

应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序。
典型应用层服务: ftp smtp http

表示层

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式 (语义和语法)

1. 数据格式变换 - 翻译 (不同主机编码以及表示方式可能不一样)

2. 数据加密解密 (比如微信支付密码)

3. 数据的压缩与恢复 (传输图片压缩到另一端解压)

表示层在 tcp/ip 中会被纳入到应用层会话层里，没什么单独的协议。跟表示层有关的协议有 ascii 和 jpeg。

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。

表示层享用会话层的服务。

这是会话 也是建立同步 (SYN)

比如电脑浏览器同时开了 百度页面 和 电影网站，这两个窗口与电脑已经建立起了同步，看电影快进不会影响百度页面变化，是因为电脑和电影网站的服务器建立起了会话。该会话不会影响其他的会话窗口。

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 继续恢复通信，实现数据同步，断点续传 (适用于传输大文件)

主要协议 ADSP ASP

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。

中间系统 (如路由器 交换机) 点到点 只需经过下面三层。

两个端系统 (主机) 需要经历全部的七个层次。

端到端通信 指的是运行在不同主机内两个进程之间的通信，每个进程都会有编号标识它，即端口号。

1. 可靠传输，不可靠传输

假设 a 把一个文件分成报文段发送给 b，b 每收到一个报文段都会说我收到了发下一个吧。(确认信息)，a 收到确认信息才会发送下一个报文段。
不可靠传输就是不需要建立连接，也不管丢不丢包确不确认，直接发。适合发小数据，比如 qq 发送一句在吗？(即时响应)

2. 差错控制

对发生的差错进行控制。比如报文段丢了，顺序错了。

3. 流量控制

两个主机速度匹不匹配，调节发送方发送速率

4. 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，传输层把收到的信息分别交付给上面应用层相应的进程。

比如一个手机开了微信和 qq 两个进程都有一个端口号，传输层同时发送数据两个进程的数据 (复用)，接收端用端口号辨别进程数据 (分用)。
主要协议 TCP UDP

网络层 (IP 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。(网络层传输单位是数据报)

1. 路由选择
   选择合适的路由，根据网络状况利用相应的路由算法选出最佳路径。让发送端正确的到达接收端。
2. 流量控制
   限制发送方速度
3. 差错控制
   对收到的分组，有错纠错，纠不了丢掉。确保传输层所提交的数据没有问题。
4. 拥塞控制
   针对全局的宏观的看，整体控制速度。

若所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组，网络就处于拥塞状态。因此要采取措施缓解。
主要协议：IP IPX ICMP IGMP ARP RARP OSPF

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。传输单位是帧。

1. 成帧 (定义帧的开始和结束)
2. 差错控制 帧错 + 位错
3. 流量控制
4. 访问 (接入) 控制 控制对信道的访问
   广播式网络中，数据链路层处理这种访问控制问题，控制哪台主机占用信道。(同一时间只有一个人能占用，其他都是监听状态。)
   特殊子层 —— 介质访问子层，来专门处理控制这个问题的。
   主要协议 SDLC, HDLC ,PPP ,STP

物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输单位是 bit。(bit 流 转换成 电信号的形式然后放到链路上传输)
透明传输，指不管所传数据是什么样的 bit 组合，都应当能够在链路上传送。

1. 定义接口特性
2. 定义传输模式 单工 双工 半双工
3. 定义传输速率
4. 比特同步
5. 比特编码
   主要协议 kj45 802.3

TCP/IP 参考模型

OSI 相同点:

1. 都分层
2. 都是基于独立的协议栈的概念
3. 可以实现异构网络互联

OSI 不同点:

1. OSI 定义三点 服务 协议 接口

2. OSI 先出现，先于协议发明，不偏向任何协议。

3. tcp/ip 设计初考虑到异构网互联问题，将 IP 作为重要层次。

4. 通信方式不同 ↓

	OSI	TCP/IP
传输层	面向链接	无连接 + 面向链接
网络层	无连接 + 面向链接	无连接

传输层要保证可靠性，所以都有面向链接。
tcp 在网络层格外看重网络协议，所以是无连接。

• 面向链接 三个阶段 第一，发生建立连接请求。第二，成功后传输数据。第三，传输完成后释放链接。
• 无连接，是直接进行数据传输。

五层参考模型

综合 OSI 和 tcp/ip 的优点

应用层 ，支持各种网络应用

• ftp smtp http

传输层，进程 - 进程的数据传输

• tcp udp

网络层，源到目的主机的数据分组路由与转发

• ip icmp ospf

数据链路层，把网络层传下来的数据报组装成帧。

• ethernet ppp

物理层，比特传输

五层参考模型的数据封装和解封装

物理层基本概念

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，而不是指具体的传输媒体。

传输媒体，就是介质。比如光纤 电缆。

主要任务，确定与传输媒体接口有关的一些特性。(定义标准)

比如 安卓 和 苹果手机的 充电接口标准。

特性

机械特性
定义物理链接的特性，规定物理链接时所采用的规格，接口形状，引线数目，引脚数量和排列情况。

比如 水晶头 插排

电气特性

规定传输二进制时，线路上信号的电压范围，阻抗匹配，传输速率和距离限制等。

比如信号电平 +10v 到 + 15v 表示二进制 0
－10v 到－15v 表示二进制 1
电线长度 15m 内 (距离限制)

功能特性
指明某条线上出现的的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。

描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时。

规程特性 (过程特性)
定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

传输介质及分类

传输介质，也称传输媒体 / 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。

传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为 0 层。
在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。
但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

传输介质类别

导向性传输介质 → 电磁波导向沿着固体媒介 (光纤) 传播。

双绞线

由两根采用一定规则并排绞合的，相互绝缘的铜导线组成。
绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰，这种叫非屏蔽双绞线 (UTP)。
再加上金属丝编织成的屏蔽层就是，屏蔽双绞线 (STP)。
双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之在局域网和传统电话网中普遍使用。
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公里到数十公里。
距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；
对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。
按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为 50Ω 同轴电缆和 75Ω 同轴电缆。
50Ω 同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用
75Ω 同轴电缆主要用于传送宽带信号 (模拟信号)，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

光纤

光纤通信就是利用光导纤维 (简称光纤) 传递光脉冲来进行通信，有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0，而可见光的频率大约是 10^8MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

超低损耗，超远距离。↑

光纤的特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

非导向性传输介质 → 自由空间，空气 海水 真空等。

无线电波

信号向所有方向传播。

穿透力较强，可传远距离，广泛用于通信领域 (如手机通信)

微波

信号固定方向传播

通信频率较高，频段范围宽，因此数据率很高。

• 地面微波接力通信

• 卫星通信

  卫星通信优点：通信容量大，距离远，覆盖广；广播通信和多址通信。
  卫星通信缺点：传播时延长，受气候影响大，误码率较高，成本高。

红外线、激光

信号固定方向传播

把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

物理层设备

中继器

诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

再生数字信号

中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。中继器两端的网段一定要是同一个协议。(中继器不会存储转发)
5-4-3 规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

5: 最多不超过 5 个网段
4: 最多只能 4 个网络设备 (中继器 集线器)
3: 只有 3 个段可以连接计算机

集线器 (多口集中继器)

集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有 (除输入端口外) 处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。(广播)

多台主机同时工作→集线器不能分割冲突域→连在集线器上的工作主机平分带宽

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形 (数字脉冲)，代表不同离散数值的基本波形，是数字信号的计量单位， 时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有 m 个时 (m＞2)，此时码元为 m 进制码元。

1 码元 可以携带多个比特的信息量。

例如，使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表 0 状态，另一种代表 1 状态。

通常二进制 5v/10v 表示高电平 1 低电平 0v

上图的二进制数字信号，0 和 1 是两种固定时长的码元。小红条是码元宽度。高电平 1 和低电平 0 是两种波形。两种码元。
K 进制码元，4 进制码元，一个波形代表 2 个比特 (00)。

速率

也叫数据率，是指数据的传输速率，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。

码元传输速率 (别名码元速率 波形速率 调制速率 符号速率)
它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数 (也称脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特 (Baud)。1 波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
这里的码元可以是多进制或二进制，但码元速率与进制数无关。
1s 传输多少个码元。1Baud = 1 码元 /s

二进制 01010 ，一秒内都传输到链路上就是每秒 5 码元 (5 次变化)。
多进制 00 01 10 11 10 ，一秒内，也是每秒 5 码元，区别在于比特不同。

信息传输速率 (别名 信息速率 比特速率) 表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数 (即比特数)，单位比特 / 秒。
1s 传输多少个比特。
两者关系: 若一个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M×n bit/s

四进制码元 log24，2 个比特位表示 4 种状态。
十六进制码元 log216，4 个比特位表示 16 种状态。(2 的 n 次方 = 16，n=4)

系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，因此十六进制码元的通信系统比四进制的快。
但四进制码元会有更高的码元速率。

带宽

表示单位时间内从网络中的某一个点到另一个点所能通过的” 最高数据率”，通常表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位 b/s。

失真

发生信号波形 → 现实中的信道→接收信号波形。

现实中的信道存在 带宽受限，噪声，干扰。会导致接收波形有偏差。

影响失真程度的因素:

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量 (负相关)

失真的一种现象 —— 码间串扰

Hz 是一秒震动的次数，代表信号的带宽。
信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。
200hz 震动频率太低了，易衰减。
4000hz 太快，导致接收端分辨不出差异，造成码间串扰。

码间串扰：接收端收到的信号波形，失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则

(奈奎斯特定理)

在理想低通 (无噪声，带宽受限) 条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2w Baud，W 是信道，单位是 Hz。

只有在这两个公式 这带宽才用 Hz
(通常情况带宽是 b/s 表示)

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。超过上限有严重的码间串扰。
2. 信道的频带越宽 (即能通过的信号高频分量越多)，就可以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，但没有对信息传输速率 (比特率) 给出限制。
4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

例:
在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为 3kHz，采用 4 个相位，每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？
答：
信号有 4×4=16 种变化
最大数据传输率 = 2x3k×4=24kb/s

香农定理

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。

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5. 从香农定理可以看出，若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限 (不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

例:
电话系统的典型参数是信道带宽为 3000Hz，信噪比为 30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？
答:
30dB=10log10(S/N)
则 S/N=1000
信道的极限数据传输速率 = Wog2 (1+S/N)=3000xlog2 (1+1000)=30kb/s

典型数据通信模型

通信的目的就是 传送消息。

数据: 传送数据的实体，通常是有意义的符号序列。

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。

• 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。(非连续)↑↓↑↓↑↓
• 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。 (一条线上下波动)

信源和信宿: 数据产生的源头和终端。

信道: 信号传输的介质。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质。因此一条通信线路往往包含一条发送信道和接收信道。

• 根据传输信号分为，模拟信道和数字信道
• 根据传输介质分为，无限信道和有线信道

三种通信方式

单工: 只有一个方向而没有反方向的交互，仅需一条信道。
半双工: 通信双方都可以发生或接收信息，但任何一方不能同时发生和接收，需要两条信道。
全双工: 通信双方可同时发生或接收信息，需要两条信道。

两种数据传输方式

串行：0 和 1 一条线发送和接收。

速度慢 费用低 适合远距离

并行：0 和 1 按多行同时发生和接收。

速度快 费用高 适合近距离

信号

信道上传送的信号 分为基带信号和宽带信号

基带信号:
将数字信号 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 (这种传输叫，基带传输)。
来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。

基带传输中规定了 1 和 0 用什么样的波形表示。这个过程叫编码

宽带信号:

将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，在传送到 模拟信道 上去传输。(宽带传输)

把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输 (即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

相当于 声音小的人用喇叭说话，即便距离远接收方也能听到。

在传输距离较近时，计算机网络 采用基带传输方式 (近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)

在传输距离较远时，计算机网络 采用宽带传输方式 (远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

编码与调制

数据 → 数字信号 编码

数字发送器

数据 → 模拟信号 调制

调制器

模拟数据 → 数字信号 编码

PCM 编码器 (脉码调制)

模拟数据 → 模拟信号 调制

放大器调制器

数字数据编码为数字信号

非归零编码【NRZ】

编码容易实现，但没检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发方难以保持同步。

曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元 1；码元 0 则正好相反。也可以采用相反的规定。
该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号 (可用于同步) 又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。
每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的 1/2(1 秒脉冲变化两次，但传输的比特只有一位)

差分曼彻斯特编码

同 1 异 0
常用于局域网传输，其规则是：若码元为 1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为 0，则相反。
该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

归零编码【RZ】

信号电平在一个码元内都要恢复到 0 的编码方式。
下面图可以发现大部分都是低电平，高电平非常少。

反向不归零编码【NRZI】

信号电平翻转表示 0，信号电平不变表示 1

4B/5B 编码

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

调幅 + 调相 (QAM)
某通信链路的波特率是 1200Baud， 采用 4 个相位，每个相位有 4 种振幅的 QAM 调制技术， 则该链路的信息传输速率是多少？

4×4=16 种 (码元)
16 种波形对应的是 4 进制，且需要两位比特才能表示 4 种状态。
16 状态就是 log216 = 4bit
4bit 对应 1 码元。
波特率是 1 秒内有 1200 个码元
1200baud×4bit=4800b/s

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通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列 (即实现音频数字化)。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制 (PCM) ， 在计算机应用中， 能够达到 最高保真水平的就是 PCM 编码， 被广泛用于素材保存及音乐欣赏， CD、DVD 以及我们常见的 WAV 文件中均有应用， 它主要包括三步：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。(连续完整的波形变成一个个离散小点)

为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：

f 采样频率 ≥ 2f 信号最高频率
所有模拟信号都是由一系列的正弦波叠加而成，所以我们可以将它区分或过滤出来几种正弦波。

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，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。(把离散小点对应的电平值，都统一化为整数，并按段进行分级)

3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。(整数电平幅值看为几种电平的状态，这时会用到码元和比特的转换)

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。

这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。

在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

传输数据使用的两种链路

点对点链路： 两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。

• 应用：PPP 协议，常用于广域网。

广播式链路： 所有主机共享通信介质。

• 应用：早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网。

• 典型拓扑结构：总线型、星型 (逻辑总线型)

• 介质访问控制

介质访问控制的内容就是，采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。

信道划分介质访问控制 ：(medium access control) 简称 MAC。介质访问控制 是解决共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权问题。

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，把时域和域资源合理地分配给网络上的设备。

基于多路复用技术划分资源。

网络负载重：共享信道效率高，且公平
网络负载轻：共享信道效率低

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。

信道划分的实质就是通过分时、分频、分码等方法把原来的一条广播信道，逻辑上分为几条用于两个结点之间通信的互不干扰的子信道，实际上就是把广播信道转变为点对点信道。

随机访问 MAC 协议
只有这个协议会发生冲突
用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽。

网络负载重：产生冲突开销。(发送的数据失效)
网络负载轻：共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽

轮询访问 MAC 协议
也叫，轮流协议 / 轮转访问 MAC 协议。

特点：既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽。

静态划分信道

(信道划分介质访问控制)

频分多路复用 FDM

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 (频率带宽) 资源。

充分利用传输介质带宽，系统效率较高。

由于技术比较成熟，实现也比较容易。

时分多路复用 TDM

TDM 帧是在物理层传送的比特流所划分的帧，标志一个周期。
将时间划分为一段段等长的时分复用帧 (TDM 帧)。
每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。

信道利用率低。 改进版 ↓

统计时分复用 STDM (时分复用改进版) ↓↓↓

左边发送有间隔，右边没有。
集中区收集数据然后在一条信道发送出去。
1－2－3 这代表有两个时隙，有 4 个用户。
这里我们假设线路传输速率为 8000b/s
采用 TDM，则 4 个用户的平均速率为 2000b/s
采用 STDM，则每个用户的最高速率可达 8000b/s。

STDM 帧是物理层传送的比特流划分的帧，每一个 STDM 帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。
各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入 STDM 帧中，一个 STDM 帧满了就发出。
STDM 帧不是固定分配时隙， 而是按需动态分配时隙。

波分多路复用 WDM

波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长 (频率) 的光信号，由于波长 (频率) 不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分多路复用 CDM

码分多路复用是采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。与 FDM 和 TDM 不同，它既共享信道的频率，又共享时间。

假设 A 站要向 C 站运输黄豆， B 站要向 C 站运输绿豆， A 与 C 、 B 与 C 之间有一条公共的道路，可以类比为广播信道。
在频分复用方式下，公共道路被划分为两个车道，分别提供给 A 到 C 的车和 B 到 C 的车行走，两类车可以同时行走，但只分到了公共车道的一半，因此频分复用（波分复用也一样）共享时间而不共享空间。
在时分复用方式下，先让 A 到 C 的车走一趟，再让 B 到 C 的车走一趟，两类车交替地占用公共车道。公共车道没有划分，因此两车共享了空间，但不共享时间。
在码分复用情况下，黄豆与绿豆放在同一辆车上运送，到达 C 后，由 C 站负责把车上的黄豆和绿豆分开。 因此，黄豆和绿豆的运送，在码分复用的情况下，既共享了空间，也共享了时间

码分多址 (CDMA) 是码分复用的一种方式。

其原理是每比特时间被分成 m 个更短的时间槽，称为码片 / 芯片 (chip)，通常情况下每比特有 64 或 128 个码片。每个站点被指定一个唯一的 m 位的码片序列。
发送 1 时站点发送 mbit 码片序列，发送 0 时发 mbit 码片序列的反码 (通常把 0 写成 - 1)。

例如，S 站的 8bit 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。

为从信道中分离出各路信号，如何不打架：多个站点同时发送数据的时候要求各个站点芯片序列相互正交。每个位数相乘并相加，除总位数，最终结果为 0。

为了多个站点同时发送，如何合并：各路数据在信道中被线性相加。

如何分离：合并的数据和源站规格内化积。

合并的数据就是线性相加的数据，源站就是源站的码片序列。
源站每个位 * 合并数据每个位，最终相加除总位数，最终结果为－1 是 0，为 + 1 是 1。

简单理解就是， A 站向 C 站发出的信号用一个向量来表示， B 站向 C 站发出的信号用另一个向量来表示，两个向量要求相互正交。
向量中的分量，就是所谓的码片。

假设：
站点 A 的码片序列被指定为 000 110 11，则 A 站发送 000 110 11 就表示发送比特 1，发送 111 001 00 就表示发送比特 0 。
A 站的码片序列就是 - 1 - 1-1 + 1+ 1-1+ 1 + 1。

令向量 S 表示 A 站的码片向量，令 T 表示 B 站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，且向量 S 和 T 的规格化内积为 (S*T)/8 = 0，所以令向量 T 为 - 1- 1+1-1+1 + 1+ 1- 1。

当 A 站向 C 站发送数据 l 时，就发送了向量 -1,-1,-1 ,+1,+1,-1,+1,+1。
当 B 站向 C 站发送数据 0 时，就发送 T 向量 + 1, +1, -1 ,+1, -1,-1,-1,+1

两个向量到了公共信道上就进行叠加，实际上就是线性相加，得到 S + T = (0 0 -2 2 0 -2 0 2)
到达 C 站后，进行数据分离。如果要得到来自 A 站的数据，那么就让 S 与 S + T 进行规格化内积，得到 S*(S+T) = 1 所以 A 站发出的数据是 1 。
同理，如果要得到来自 B 站的数据，那么 T . (S + T) ＝- 1 因此从 B 站发送过来的信号向量是一个反码向量，代表 0 。

什么是规格化内积：就是内积结果再除以向量的维数，如向量 s（1，2，3）点乘向量 t（7，8，9）的规格化内积为（17+28+3*9）/ 3 = 50 / 3

例子 2：

动态分配信道

(动态媒体接入控制 / 多点接入)
特点：信道并非在用户通信时固定分配给用户

轮询访问介质访问控制

在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配。
当某结点使用信道时，其他结点都不能使用信道。
这里我们只讨论两类：轮询协议与令牌传递协议

轮询协议

轮询协议要求节点中有一个被指定为主节点，其余节点是从属节点。
主节点以循环的方式轮询每一个从属节点，“邀请” 从属节点发送数据（实际上是向从属节点发送一个报文，告诉从属节点可以发送帧以及可以传输帧的最大数量），只有被主节点 “邀请” 的从节点可以发送数据，没有被 “邀请” 的节点不能发送，只能等待被轮询。

如果一个节点要发送的数据很多，它不会一次性发送到结束，它发送到最大数据帧就是结束，主节点开始轮询下一个节点，等再次轮询到它时才能继续发送。

即如果从节点要发送的数据很多时，它不是一次性发送结束的。

令牌传递协议

令牌传递又称 “标记传送”，局部网数据送取的一种控制方法，采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中。

应用于令牌环网 (物理星型拓扑，逻辑环形拓扑)。

令牌环网无碰撞

令牌：一个特殊格式的 MAC 控制帧， 不含任何信息。
控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。
每个结点都可以在一定的时间内 (令牌持有时间) 获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌。

问题：1. 令牌开销 2. 等待延迟 3. 单点故障

令牌由专用的信息块组成，典型的令牌由连续的 8 位 “1” 组成。当网络所有节点都空闲时，令牌就从一个节点传送到下一个节点。
当某一节点要求发送信息时，它必须获得令牌并在发送之前把它从网络上取走。一旦传送完数据，就把令牌转送给下一个节点，每个节点都具备有发送 / 接收令牌的装置。
使用这种传送方法决不会发生碰撞，这是因为在某一瞬间只有一个节点有可能传送数据。最大的问题是令牌在传送过程中丢失或受到破坏，从而使节点找不到令牌从而无法传送信息。

TCU：环接口干线耦合器。
它的主要作用是传递经过的所有帧，为接入站发送和接收数据提供接口。
它的状态有两种：收听状态和发送状态。
没有人使用令牌时，令牌则在环路中循环。

令牌环网中令牌和数据的传递过程如下：

1）网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递。
2）令牌传递到有数据要发送的站点处时，该站点就修改令牌中的一个标志位，并在令牌中附加自己需要传输的数据，将令牌变成一个数据帧，然后将这个数据帧发送出去。
3）数据帧沿着环路传输，接收到的站点一边转发数据，一边查看帧的目的地址。如果目的地址和自己的地址相同，那么接收站就复制该数据帧以便进一步处理。
4）数据帧沿着环路传输，直到到达该帧的源站点，源站点接收到自己发出去的数据帧后便不再进行转发。同时，发送方可以通过检验返回的数据帧来查看数据传输过程中是否有错，若有错则重传该帧。
5) 源站点传送完数据后，重新产生一个令牌，并将令牌传递给下一个站点，以交出对媒体的访问权限。

随机访问介质访问控制

所有用户能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部带宽。

• 在总线形网络中，当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突干扰，导致所有冲突用户的发送均以失败告终。
• 为了解决随机接入发生的碰撞，每个用户需要按照一定的规则反复地重传，直到该帧无碰撞地通过。这些规则就是随机访问介质访问控制协议，常用的协议有 ALOHA、CSMA 协议等，它们的核心思想都是：胜利者通过争用获得信道，从而获得信息的发送权。因此，随机访问介质访问控制协议又称争用型协议。
• 如果介质访问控制采用信道划分机制，那么结点之间的通信要么共享空间，要么共享时间，要么两者都共享。而如果采用随机访问控制机制，那么各结点之间的通信就可既不共享时间，也不共享空间。所以随机介质访问控制实质上是一种将广播信道转化为点到点信道的行为。

ALOHA 协议

(不听就说)

纯 ALOHA 协议

纯 ALOHA 协议思想：不监听信道不按时间槽发送，随机重发。想发就发

冲突如何检测？
如果发生冲突，接收方在就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。

冲突如何解决？
超时后等一随机时间再重传。

时隙 ALOHA 协议

时隙 ALOHA 协议的思想：把时间分成若干个相同的时间片， 所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

控制想发就发的随意性

两个 ALOHA 协议区别：

1. 纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低， 效率更低。
2. 纯ALOHA想发就发， 时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

CSMA 协议

(听了在说)

是一种允许多个设备在同一信道发送信号的协议，其中的设备监听其它设备是否忙碌，只有在线路空闲时才发送。
适用于总线型以太网 (有线)。
载波监听多路访问协议 CSMA
(Carrier Sense Multiple Access)

CS：载波侦听 / 监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

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，即发生了冲突。

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

协议思想：发送帧之前，监听信道。

• 信道空闲：发送完整发送
• 信道忙：推迟发送

推迟多久，是否立刻发送，有三种规定：

1 - 坚持 CSMA

坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。

核心思想：如果一个主机要发送消息， 那么它先监听信道。

空闲就直接传输。
忙则一直监听 (体现坚持)，直到空闲马上传输。

如果有冲突 (一段时间内未收到肯定回复)，则等待个随机长的时间再监听，重复上述过程。

• 优点： 只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。
• 缺点： 假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

非坚持 CSMA

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。

核心思想：如果一个主机要发送消息， 那么它先监听信道。
空闲则直接传输，不必等待。

忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

• 优点： 采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
• 缺点： 可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低。

P - 坚持 CSMA

p - 坚持指的是对于监听信道空闲的处理。

核心思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。
空闲则以 p 概率直接传输，不必等待；概率 1-p 等待到下一个时间槽再传输。

时间槽就是时间片，每个数据帧发送的时间划成等分，单位就是时间槽。
忙则等一直监听到空闲。

• 优点： 既能像” 非坚持算法” 那样减少冲突，又能像”1 - 坚持算法” 那样减少媒体空闲时间的这种方案。
• 缺点： 发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费。

这三种 CSMA 依赖于是否收到确认帧来判断是否冲突。如果没有收到就会判断冲突，因此之前发送的数据帧就会浪费。

CSMA/CD 协议

载波监听多点接入 / 碰撞检测 CSMA/CD
(carrier sense multiple access with collision detection)

CS：载波侦听 / 监听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。(电压摆动值)
MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。总线型网络
CD：碰撞检测 (冲突检测)，“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。半双工网络

先听后发为什么还会冲突？
因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。

传播时延对载波监听的影响：

争用期 / 冲突窗口 / 碰撞窗口 = 2τ

只要这个时间还没碰撞，就能肯定不会碰撞。

碰撞过后的重传时机：
截断二进制指数规避算法

1. 确定基本退避 (推迟) 时间为争用期 2τ。

2. 定义参数 k，它等于重传次数， 但 k 不超过 10， 即 k=min [重传次数，10]。当重传次数不超过 10 时，k 等于重传次数： 当重传次数大于 10 时，k 就不再增大而一直等于 10。

3. 从离散的整数集合 [0,1,…,2^k -1] 中随机取出一个数 r，重传所需要退避的时间就是 r 倍的基本退避时间，即 2rτ。

4. 当重传达 ==16 次 == 仍不能成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错。

第一次重传，k=1，r 从 {0，1} 选；
重传推迟时间为 0 或 2τ，在这两个时间中随机选一个；
若再次碰撞，则在第二次重传时，k=2，r 从 {0，1，2，3} 选；
重传推迟时间为 0 或 2τ 或 4τ 或 6τ，在这四个时间中随机选一个；
若再次碰撞，则第三次重传时，k=3，r 从 {0，1，2，3，4，5，6，7} 选……
若连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站参与争用信道。使用此算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

最小帧长问题：
A 站发了一个很短的帧但，发生了碰撞，不过帧在发送完毕后才检测到发生碰撞没法，停止发送，因为发完了。

以太网规定最短帧长为 64B，凡是长度小于 64B 的都是由于冲突而异常终止的无效帧。

为了达到这个要求，会对短帧填充。

CSMA/CA 协议 *

载波监听多点接入 / 碰撞避免 CSMA/CA
(carriersense multiple access with collision avoidance)

为什么要有 CSMA/CA?
CA 更适用于无线局域网。
CSMA/CA 协议利用 ACK 信号来避免冲突的发生，只有当客户端收到网络上返回的 ACK 信号后，才确认送出的数据已经正确到达目的

• CD 无法 360° 全面检测碰撞。(硬件难实现)

CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，以便发现是否有其他的站也在发送数据，这样才能实现 “冲突检测” 的功能。但在无线局域网的设备中要实现这种功能花费过大。
此外无线信道还由于传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大。发送站无法使用冲突检测的方法来确定是否发生了碰撞。

• 隐蔽站

  即使能够实现冲突检测的功能，且在发送数据报时检测到信道是空闲的，但由于无线电波能够向所有的方向传播 (且距离受限)，在接收端仍然有可能发生冲突，从而产生隐藏站问题和暴露站问题。

工作原理

1. 发送数据前，先检测信道是否空闲。

2. 空闲则发出 RTS (request to send) ，信道忙则等待。

RTS 包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息。

3. 接收端收到 RTS 后， 将响应 CTS (clear to send) 。

4. 发送端收到 CTS 后， 开始发送数据帧

(同时预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据) 。

5. 接收端收到数据帧后， 将用 CRC 来检验数据是否正确， 正确则响应 ACK 帧。
6. 发送方收到 ACK 就可以进行下一个数据帧的发送， 若没有则一直重传至规定重发次数为止 (采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)。

三个机制：

1. 预约信道
2. ACK 帧
3. RTS / CTS 帧 (可选)

CSMA/CD 与 CSMA/CA

相同点： CSMA/CD 与 CSMA/CA 机制都从属于 CSMA 的思路， 其核心是先听再说。换言之， 两个在接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空闲后，才能进行接入。
不同点：

1. 传输介质不同：CD 用于总线式以太网【有线】， 而 CA 用于无线局域网【无线】。

2. 载波检测方式不同：因传输介质不同，检测方式也不同。

CD 通过电缆中电压的变化来检测，数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化。
CA 采用能量检测 (ED) 、载波检测 (CS) 和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

3. CD 检测冲突，CA 避免冲突， 二者出现冲突后都会进行有上限的重传。