计网期末考点整理（第1,2章）

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计算机网络是“以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。
计算机网络的主要特征：

特征1：组建计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享和信息交互；
特征2：联网计算机系统是相互独立的自治系统；
特征3：联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。

计算机网络的分类：

① 广域网（Wide Area Network ，WAN）
② 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
③ 局域网（Local Area Network，LAN）
④ 个人区域网（Personal Area Network，PAN）
⑤ 人体区域网（Body Area Network，BAN）

计算机网络基本的拓扑结构有5种：星状、环状、总线型、树状与网状。

基本的网络拓扑结构

数据交换方式的分类

线路交换的特点：

① 线路交换是面向连接的服务；
② 两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；
③ 线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段。

存储转发交换的特点：

① 发送的数据与目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）再发送出去；
② 路由器可以动态选择传输路径，可以平滑通信量，线路的利用率高；
③ 数据单元在通过路由器时需要进行差错处理，可以提高数据传输可靠性；
④ 路由器可以对不同通信速率的线路进行速率转换。

报文和报文分组的比较：

1、存储转发交换方式：报文交换（message switching）和分组交换（packet switching）。
2、报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送。缺点：①花费时间长；②存储空间利用率低。
3、报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。

报文与报文分组的结构

报文交换与分组交换过程比较示意图

分组交换的优点：

① 由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；
② 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；
③ 路由选择算法可根据链路通信状态、网络拓扑结构变化，动态地为不同的分组选择不同的传输路径，有利于减小分组传输延迟，提高数据传输的可靠性。

分组交换网延时是指一个分组从源主机发出，经过分组交换网（或链路）的传输，到达目的主机所需要的时间，因此分组交换网延时也统称为“网络延时”。
分组在网络中产生的总延时等于处理延时、排队延时、发送延时与传播延时的总和。

路由器的结点延时

面向连接服务的主要特点如下：

① 面向连接服务数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个阶段；
② 面向连接服务的在数据传输过程中，各个分组不需要携带目的节点的地址；
③ 面向连接数据传输的数据收发顺序不变，因此传输的可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。

服务类型

协议是一组控制数据交互过程的通信规则。
网络协议的三要素：

① 语义：解释控制信息每个部分的意义，规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应；
② 语法：用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序；
③ 时序：对事件发生顺序的详细说明。

OSI参考模型结构

OSI参考模型各层的主要功能：

（1）物理层（Physical Layer）：物理层利用传输介质为通信的网络主机之间建立、管理和释放物理连接，实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。物理层的数据传输单元是比特（bit）。
（2）数据链路层（Data Link Layer）：数据链路层在物理层基础上，通过建立数据链路连接，采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。数据链路层的数据传输单元是帧。
（3）网络层（Network Layer）：网络层通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的传输路径，实现流量控制、拥塞控制与网络互联的功能。网络层的数据传输单元是分组。
（4）传输层（Transport Layer）：传输层为分布在不同地理位置计算机的进程通信提供可靠的端—端连接与数据传输服务；传输层向高层屏蔽了低层数据通信的细节；传输层的数据传输单元是报文。
（5）会话层（Session Layer）：会话层负责维护两个会话主机之间连接的建立、管理和终止，以及数据的交换。
（6）表示层（Presentation Layer）：表示层负责通信系统之间的数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复。
（7）应用层（Application Layer）：应用层实现协同工作的应用程序之间的通信过程控制。

OSI环境示意图

OSI环境中的数据流

TCP/IP参考模型与OSI参考模型层次对应关系

TCP/IP各层的主要功能：

（1）主机—网络层：它负责通过网络发送和接收IP分组。主机—网络层并没有规定具体的协议，它采取开放的策略，允许使用广域网、局域网与城域网的各种协议。
（2）互联网络层：TCP/IP参考模型互联网络层的协议是IP协议。IP协议是一种不可靠、无连接的数据报传送服务协议，它提供的是一种“尽力而为”（best-effort）的服务。互联网络层的协议数据单元是IP分组。
（3）传输层：负责在会话进程之间建立和维护端—端连接，实现网络环境中分布式进程通信。定义了两种不同的协议：TCP与UDP。TCP是一种可靠的、面向连接、面向字节流（byte stream）的传输层协议。TCP协议提供比较完善的流量控制与拥塞控制功能。UDP是一种不可靠的、无连接的传输层协议。
（4）应用层：TCP/IP应用层基本的协议主要是：远程登录协议（TELNET）、文件传输协议（FTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、超文本传输协议（HTTP）、域名服务（DNS）协议、简单网络管理协议（SNMP）、动态主机配置协议（DHCP）。

一些关键名词：

ISP：Internet服务提供商（Internet Service Provider）。
ICP：Internet内容提供商（Internet Content Provider）。
IXP：Internet交换点（Internet eXchange Point）。
网络协议标准化组织：国际电信联盟（ITU）、电子工业协会（EIA）、国际标准化组织（ISO）、电气电子工程师协会（IEEE）

物理层协议类型：① 基于点—点通信线路的物理层协议；② 基于广播通信线路的物理层协议。
点-点通信线路的物理层的通信需要经过：建立物理连接、传输比特流与释放物理连接的过程。
按照数据通信使用的信道数，数据的通信方式可分为两种类型：① 串行通信；② 并行通信。

串行通信与并行通信

按照信号传送方向与时间的关系，数据的通信方式可分为三种类型：① 单工通信；② 半双工通信；③ 全双工通信。

单工、半双工与全双工通信

数据通信的同步包括2种类型：① 位同步；② 字符同步。
数据通信首先要解决收发双方的时钟频率一致性问题。解决这个问题的基本方法：要求接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻，校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻，这个过程称为位同步。
实现位同步的方法主要有外同步法与内同步法。
曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟编码方法。内同步法是从自含时钟编码的发送信号中提取同步时钟的方法。
保证收发双方正确传输字符的过程称为字符同步。
实现字符同步的方法主要有2种：同步传输和异步传输。
同步传输：采用同步方式进行数据传输。同步传输将字符组成组，以组为单位连续传送。每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN，每个数据字符内不加附加位。接收端接收到同步字符SYN后，根据SYN来确定字符的起始与终止，以实现同步传输的功能。

同步传输

异步传输：采用异步方式进行数据传输。特点是每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的。为了实现字符同步，每个字符的第一位前加1位起始位（逻辑1），字符的最后一位后加1或两位终止位（逻辑0）。

异步传输

由于常用的通信线路分为两类：模拟通信线路与数字通信线路。因此，数据编码方式也分为两类：模拟数据编码与数字数据编码。

数据与数据编码方法

频带传输，电话线路是典型的模拟通信线路。
调制（modulation）：将发送端的数字信号变成模拟信号的过程。
调制器（modulator）：实现调制功能的设备。
解调（demodulation）：将接收端的模拟信号还原成数字信号的过程。
解调器（demodulator）：实现解调功能的设备。
调制解调器（modem）：同时具备调制与解调功能的设备。

模拟数据信号的编码方法

波特率：调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是1/s，称为波特（baud）。调制速率也称为波特率。波特率描述的是码元传输的速率。
比特率：数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps。
比特率S（单位为bps）与调制速率B（单位为baud）之间关系可以表示为： $S = B·log_2^k$ ，式中k为多相调制的相数。 $log_2^k$ 值表示一次调制状态的变化传输的二进制比特数。以下表格是波特率与比特率的关系：

调制速率（baud）	多相调制的相数	$log_2^k$ 值	数据传输速率（bps）
2400	QPSK-2（k=2）	1	2400
2400	QPSK-4（k=4）	2	4800
2400	QPSK-8（k=8）	3	7200
2400	QPSK-16（k=16）	4	9600

基带传输：在数字信道上直接传送基带信号的方法。在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字信号是典型的矩形脉冲信号（也叫基带信号）。
非归零码（non return to zero， NRZ）：NRZ码可以规定用低电平表示数字0，用高电平表示数字1。其缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。为了保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号。同时，若信号中1与0的个数不相等时，存在直流分量，即非归零。
曼彻斯特编码的规则：

① 每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；
② 前T/2传送该比特的反码；
③ 后T/2传送该比特的原码。

曼彻斯特编码的特点：每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔为T/2或T，利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号。曼彻斯特编码称为自含钟编码信号，发送曼彻斯特编码信号无须另发同步信号。缺点是效率较低。若信号传输速率是100Mbps，则发送时钟信号频率应为200MHz。
差分曼彻斯特编码的规则：

① 每比特的中间跳变仅做同步使用；
② 每比特的值根据其开始边界是否跳变来决定；

③ 每个比特开始处若发生电平跳变，则表示传输二进制0；不发生跳变则表示传输二进制1。

从电路的角度，差分曼彻斯特编码要比曼彻斯特编码更容易实现。

数字数据信号编码方法示意图

脉冲编码调制调制（pulse code modulation，PCM）是模拟数据数字化的主要方法。典型应用是语音信号的数字化。

PCM的工作原理示意图

脉冲编码调制的工作过程：采样、量化与编码。
模拟信号数字化的第一步是采样。模拟信号是电平连续变化的信号。采样频率 $f \geq 2B$ 或 $f=\frac{1}{T} \geq 2f_{max}$ ， $B$ 为通信信道带宽， $T$ 为采样周期， $f_{max}$ 为信道允许通过的信号最高频率。这样的样本就可以包含足以重构原模拟信号的所有信息。
量化是将样本幅度按量化级取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值。量化前要规定将信号分为若干量化级和每级对应的幅度范围。
编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的样本的量级。若有 $k$ 个量化级，则二进制的位数为 $log_{2}^{k}$ 。编码后的样本都用相应的编码脉冲表示。

PCM的采样过程示意图

PCM的量化规程示意图

编码脉冲调制的缺点是采用二进制编码位数较多，其效率较低。

调制器、曼彻斯特编码器与PCM编码器的比较

调制器、曼彻斯特编码器与PCM编码器的区别：

① 调制器用于频带传输中，通过调制器可以将计算机产生的二进制数字信号转换成模拟信号，通过模拟线路去传输；
② 在基带传输中，曼彻斯特编码器将计算机产生的二进制比特序列转换成适应数字通信系统传输的数字数据信号；
③ 若在基带传输系统中传输语音信号就需要选用PCM编码器。PCM编码器可以将模拟的语音信号转换成数字的语音信号。

比特率：数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps。
对于二进制数据，数据传输速率为： $S=\frac{1}{T}$ （bps）其中，T为发送每个比特所需要的时间。
在实际应用中常用的数据传输速率单位：1kbps = $1\times 10^3$ bps、1Mbps= $1 \times 10^6$ bps、1Gbps= $1 \times 10^9$ bps、1Tbps= $1 \times 10^{12}$ bps
数据传输速率：指主机向传输介质发送数据的速率。
奈奎斯特准则的基本内容：如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为 $\frac{π}{ω}$ （ $ω=2πf$ ）通过理想通信信道，则前后码元之间不产生相互串扰。根据奈奎斯特准则，二进制数据信号的最大数据传输速率 $R_{max}$ 与理想信道带宽B（单位Hz）的关系可以写为： $R_{max}=2·B$ （bps）。
香农定理的基本内容：奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声的理想信道的最大传输速率与信道带宽的关系。香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。在有随机热噪声的信道中传输数据信号时，传输速率 $R_{max}$ 与信道带宽B、信噪比 $\frac{S}{N}$ 的关系为： $R_{max}=B \times log_2^{1+\frac{S}{N}}$ 。式中， $R_{max}$ 单位为bps，带宽B单位为Hz。
在通信系统中，信噪比通以分贝（db）表示。公式为： $\frac{S}{N}(db) = 10lg^{\frac{S}{N}}$ .
多路复用技术的分类：

时分多路复用（TDM）
频分多路复用（FDM）
波分多路复用（WDM）
码分多址（CDMA）
正交频分复用（OFDM）

时分多路复用可以分为：同步时分多路复用与统计十分多路复用。

时分多路复用工作原理示意图

上行信道与下行信道的频段是不同的。基站与手机之间是通过广播方式、点-多点方式连接的，一个基站需要通过多个空中接口接收多个手机的信号。

空中接口、信道、移动台与基站

码分多址（CDMA）是手机移动通信中最基本的信道复用方法，它来源于军事扩频通信技术。其设计的基本思想：给每一个用户手机（简称为站）分配一种经过特殊挑选的不同码型，使得不同站可以在同一时刻、使用同一个信道而不互相干扰。
CDMA的基本工作原理：

（1）将站发送的每一个比特时间再划分为m个短的时间片，每个时间片称为一个码片（chip）。通常m为64或128。为了使工作原理讨论简单起见，假设m=8。
（2）给每一个站分配一个唯一的m位的码片序列（chip sequence）。例如，给A站分配的一个码片序列是S=00011011。当A站发送二进制数据1时，实际发送的是S=00011011；而发送二进制数据0时，实际发送的是S的反码11100100。为了计算方便，将S的码片序列记为（-1-1-1+1+1-1+1+1），S反码的码片序列记为（+1+1+1-1-1+1-1-1）。
（3）CDMA的一个重要特点是：给每一个站分配的码片序列是唯一的，同时不同站的码片序列是正交的。假设B站分配的码片序列是T，那么 $S \cdot T = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i T_i = 0$ 。（其为向量的内积运算）
（4）实现CDMA工作原理还需要有两点保证：一是所有的站所发送的码片序列都是同步的；二是如果B站接收了A站的码片序列，那么B站应该知道A站分配的码片序列。这两点需要由移动通信系统来保证。
（5）如果A站向B站发送了二进制数据1，那么B站用A站的码片序列计算的内积应该为1；如果A站向B站发送了二进制数据-1，那么B站用A站的码片序列计算的内积应该为-1；如果不是A站发送的数据，那么B站用A站的码片序列计算的内积应该为0。

设置物理层的目的是屏蔽物理传输介质、设备与技术的差异性。
物理层的主要功能是实现主机之间的比特序列的传输。
点-点连接的实体之间的通信方式分为：全双工/半双工与单工通信；串行/并行传输；同步/异步传输。
在传输介质上传输的信号类型分为：模拟信号与数字信号。
网络中常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线与卫星通信信道。
多路复用技术可以分为：频分多路复用器、波分多路复用、时分多路复用与码分多路复用。时分多路复用又可以分为：同步时分多路复用与统计时分多路复用。
同步数据体系SDH是一种数据传输体制，它规范数字信号的帧结构、复用方式、传输速率体系与接口码型等特征。
宽带接入技术主要有：数字用户线技术、光纤同轴电缆混合网技术、无线接入技术与局域网接入技术。

计网期末考点整理（第1,2章）

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