重磅 | 4133字 | 图文并茂详解计算机网络
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了重磅 | 4133字 | 图文并茂详解计算机网络相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
一、分层架构相关概念
网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。
计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。
每层遵循某个网络协议以完成本层功能。
计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。
第n层在向第n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。
仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。
二、认识分层结构
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。
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，上层使用下层服务的入口
4、服务
下层为相邻上层提供的功能调用。
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；
PCI协议控制信息：控制协议等操作的信息；
PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单元；
三、OSI参考模型
1、应用层
所有能和用户交互产生网络流量的程序，比如QQ、微信。
典型应用层服务：
- 文件传送FTP
- 电子邮件SMTP
- 万维网HTTP
2、表示层
用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
功能一：数据格式变换
...0111011000...
翻译为：
功能二：数据加密解密
功能三：数据压缩和恢复
3、会话层
向表示层提供建立连接并在连接上有序地传输数据。
这是会话，建立同步SYN。
功能：
- 建立、管理、终止会话
- 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。
- 适用于传输大文件。
4、传输层
5、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。
网络层传输单位是数据报。
功能：
- 路由选择，最佳路径
- 流量控制
- 差错控制
- 拥塞控制
6、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。
数据链路层的传输单位是帧。
功能：
- 成帧（定义帧的开始和结束）
- 差错控制 帧错+位错
- 流量控制
- 访问控制 （控制对信道的访问）
7、物理层
主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。
物理层传输单位是比特。
透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。
功能：
- 定义接口特性
- 定义传输模式（单工、半双工、双工）
- 定义传输速率
- 比特同步
- 比特编码
四、OSI参考模型和TCP/IP参考模型
OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点
1、OSI定义三点：服务、协议、接口
2、OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
3、TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次
4、网络层和传输层的不同之处
| ISO/OSI参考模型 | TCP/IP模型 | |
| 网络层 | 无连接 + 面向连接 | 无连接 |
| 传输层 | 面向连接 | 无连接 + 面向连接 |
面向连接分为三个阶段：
- 建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求，只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输。
- 当数据传输完毕，必须释放连接。
- 面向无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输。
五、五层参考模型
五层参考模型的数据封装与解封装
六、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。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。
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、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
2、电气特性
规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
某网络在物理层规定，信号的电平用+10V~+15V表示二进制0，用-10V~-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内。
3、功能特性
指明某条线上出现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。
4、规格特性
定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
七、数据通信基础知识
1、典型的数据通信模型
2、数据通信的相关术语
- 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
- 信号：数据的电气/电磁的表现，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。模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。）
- 信源：产生和发送数据的源头。
- 信宿：接收数据的终点。
- 信道：信号的传输媒介。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一条接收信道。
信道：
传输信号： 模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号）
传输介质： 无限信道 有线信道
3、三种通信方式
（1）单工信道
只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。
（2）半双工通信
通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
（3）全双工信道
通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道。
4、两种数据传输方式
（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
常用语计算机内部的数据传输。
5、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，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为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大于2），此时码元也称为M进制码元。
1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
M进制码元：
4进制码元 -> 码元的离散状态有4个 -> 4种高低不同的信号波形 00/01/10/11
6、速率、波特
速度也叫数据率，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。
（1）码元传输速率
别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是比特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以使多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。
简而言之，就是1S传输多少个码元。
（2）信息比特速率
别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。
简而言之，就是1S传输多少个比特。
关系：
如果一个码元携带n比特的信息量，则m波特的码元传输速率所对应的信息传输速率为m * n bit/s。
7、带宽
表示单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。
练习题：
某一数字通信系统传输的是四进制码元，4S传输了8000个码元，求系统的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？若另一个系统传输的是十六进制码元，6S传输了7200个码元，求它的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？并指出哪个系统传输速率快？
答案：
2000Baud、4000b/s、1200Baud、4800b/s；十六进制更快。
系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率。
八、失真
1、影响失真程度的因素
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
2、失真的一种现象 -> 码间串扰
图中200HZ表示信号带宽。
信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。
3300HZ - 300HZ = 3000HZ
200HZ不能通过的原因：
震动的频率太低了，在非常复杂的电话线上传播过程中都衰减没了。
4000HZ不能通过的原因：
震动的次数和频率太快了，导致接收端在接收的时候区分不出波形间的差异，此时就出现了码间串扰的现象。
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。
九、奈氏准则
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，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。
1、在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别称为不可能。
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，但并没有对信息传输速率给出限制。
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。
练习题：
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？
信号有4 * 4 = 16种变化
最大数据传输率 = 2 * 3k * 4 = 24kb/s
十、香农定理
噪声存在于所有电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：
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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
练习题：
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？
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