计算机网络

计算机网络体系结构

计算机网络的组成：

• 按组成成分可分为：硬件、软件、协议。
• 按工作方式可分为：边缘部分、核心部分。

计算机网络的分类：

• 按分布范围可分为：广域网、城域网、局域网、个人区域网。
• 按传输技术可分为：广播式、点对点式。
• 按网络拓扑结构可分为：总线型、环型、星型、树型、网状型。
• 按使用者可分为：公用网、专用网。
• 按传输介质可分为：有线网、无线网。

计算机网络的性能指标：

• 速率（speed）：连接到网络上的节点在数字信道上传输数据的速率。
• 带宽（bandwidth）：网络中某一点到另一点之间的最大数据传输速率。
• 吞吐量（throughput）：在单位时间内通过某个网络的实际数据量。
• 时延（delay）：数据从网络的一端传输到另一端所需的时间。分为传输时延、传播时延、处理时延、排队时延。
• 时延带宽积（delay-bandwidth product）：链路上的比特数量。发送端发送的第一个比特到达接收端时，发送端已发出的比特数量。
• 往返时间（round-trip time）：从发送方发送数据到接收方接收到确认信息所需的时间。
• 信道利用率（utilization）：信道有百分之多少时间是被利用的。

交换技术

电路交换：在通信之前，建立一条专用的物理线路，通信结束后，释放这条线路。简单实用但是利用率低。

报文交换：将报文（message）划分为固定长度的数据块，每个数据块携带源和目的地址，通过交换机转发。通信无需建立连接，但是每次经过节点都需要完整存储和转发数据块，转发延迟高易发生错误。

分组交换：和报文交换类似，但是通过将数据块划分为更小的分组（Packet），每个分组携带源和目的地址，通过交换机转发。分组交换是目前互联网的主要交换方式。

TCP/IP 模型

• 应用层：网络应用程序及其应用层协议。应用层的数据单元称为报文（message）。
• 运输层：提供端到端的数据传输。如 TCP、UDP。运输层的分组称为报文段（segment）。
• 网络层：将数据报（datagram）从源主机传输到目的主机。如 IP。
• 链路层：将数据帧（frame）从一个节点传输到相邻节点。
• 物理层：传输比特流。

OSI 参考模型

• 应用层（Application Layer）：为应用软件提供服务。如 HTTP、SMTP、FTP、Telnet。
• 表示层（Presentation Layer）：数据的表示、安全、压缩。
• 会话层（Session Layer）：建立、管理、终止会话。
• 传输层（Transport Layer）：提供端到端的可靠报文传输和错误恢复。如 TCP、UDP。
• 网络层（Network Layer）：为数据包选择路由。如 IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF、BGP。
• 数据链路层（Data Link Layer）：传输数据帧。如 SDLC、HDLC、PPP、帧中继、以太网。
• 物理层（Physical Layer）：传输比特流。如 EIA-232C、EIA/TIA RS-449 等。

应用层

运输层

网络层

链路层

物理层

通信基础

• 信源：产生和发送数据的源头。
• 信宿：接收数据的目的地。
• 信道：信号传输的媒介。
• 码元传输速率（波特率）：码元的传输速率，单位为波特（Baud）。
• 信息传输速率（比特率）：比特的传输速率，单位为比特每秒（bps）。

信道的极限容量

奈奎斯特定理：信道能通过的频率有限，高频分量通过信道会衰减造成码间串扰。理想低通信道的极限容量为 $2B \log_2 V$，其中 $B$ 为信道的带宽，$V$ 为信号的离散级数。

香农定理：在高斯白噪声信道中，信道的极限容量为 $C = B \log_2(1 + \frac{S}{N})$，其中 $B$ 为信道的带宽，$S$ 为信号的平均功率，$N$ 为噪声的功率。

编码与调制

数字数据调制为数字信号：

• 不归零编码（NRZ）：高电平表示 1，低电平表示 0。
• 归零编码（RZ）：高电平为 1，低电平为 0，每个比特的中间跳变到 0 电平，可用于同步时钟，但会影响传输速率。
• 反向不归零编码（NRZI）：电平的跳变表示 0，不跳变表示 1。既能传输时钟信号又能保持传输速率。USB 2.0 使用的编码方式。
• 曼彻斯特编码：每个码元的中间都发送跳变，向上跳变表示 1，向下跳变表示 0。
• 差分曼彻斯特编码：每个码元的开始处发送跳变，向上跳变表示 0，向下跳变表示 1。中间的跳变不表示数据。抗干扰能力更强。

数字数据调制为模拟信号：

• 调幅（AM）：调制信号的振幅表示数字信号的 0 和 1。
• 调频（FM）：调制信号的频率表示数字信号的 0 和 1。
• 调相（PM）：调制信号的相位表示数字信号的 0 和 1。

模拟数据调制为模拟信号：

需要较高的频率来保证数据的精度。还可使用频分复用（FDM）和时分复用（TDM）来提高信道的利用率。

传输介质

• 双绞线：最常用的传输介质，分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。
• 同轴电缆：因为外导体的屏蔽作用，具有良好的抗干扰特性，可以用于传输较高速率的信号。分为 50Ω（基带数字信号）和 75Ω（宽带信号）。
• 光纤：由光纤芯、包层和包覆层组成。具有高带宽、低衰减、抗干扰、安全等特点。
• 无线传输介质：无线电波、微波、红外线、激光等。

物理层设备

• 中继器（Repeater）：整形、放大并转发信号。
• 集线器（Hub）：多个端口的中继器，将所有端口的数据转发到其他端口。