前言

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第一章 概述

1.1 计算机网络在信息时代的作用

• 计算机网络已经由一种通信基础设施发展称为一种重要的信息服务基础设施.
• 计算机网络已经像水、电、煤气这些基础设施一样，称为我们生活中不可或缺的一部分

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1.2 因特网概述

网络、互联网和因特网

• 网络（Network）由若干节点（Node）和连接这些节点的链路（Link）组成。
• 多个网络还可以通过路由器互联起来，这样就构成了一个范围更大的网络，即互联网（互连网）
• 因特网（Internet）是世界上最大的互联网络。

Internet与internet的区别

• internet（互连网或互联网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络，这些网络之间的通信协议可以是任意的。
• Internet（因特网）则是一个专用，名词，它指当前全球最大的、开放的，有众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议簇作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

因特网发展的三个阶段

• 第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。1969年，美国国防部创建了第一个分组交换网ARPANET；1983年，TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议（因特网的诞生时间）
• 第二阶段：1985年，逐步建成三级结构的因特网：主干网、地区网和校园网
• 第三阶段：1993年，逐步形成多层次的ISP结构的因特网（Internet Service Provider 因特网服务提供者）

因特网协会ISOC

因特网的组成

• 边缘部分
  由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享
• 核心部分
  由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

1.3 三种数据交换方式

• 电路交换（Circuit Switching）
• 分组交换（Packet Switching）
• 报文交换（Message Switching）

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电路交换

电路交换受电话交换的启发。

两部电话，需要一对电线；5部电话两两项链，需要10对电线；N部电话两两相连，需要 N(N-1)/2 对电线。

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
• 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
• 电路交换的三个步骤：
  1. 建立连接（分配通信资源）
  2. 通话（一直占用通信资源）
  3. 释放连接（归还通信资源）

注意：计算机网络通常采用分组交换

分组交换

分组交换的组成：报文、首部、分组。
分组交换是允许多个发送者在共享的网络中传输数据，实现方式是：将数据分为小的块，称为分组（或数据包，简称包 packet），并将预期的接受者的标识符写在每个分组中。在整个共享的网络中的每一个设备中都包含了发送到每一个可能的目的地的相关信息。当一个分组到达一个设备时，该设备选择一个能够到达目的地的路径，将分组数据发送出去，这样分组可以到达正确的目的地。

分组交换采用存储转发的思想

优点

• 没有建立连接和释放连接的过程
• 分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信链路利用率
• 交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性

缺点

• 分组首部带来了额外的传输开销
• 交换节点存储转发分组会造成一定的时延
• 通信量较大时可能造成网络拥塞
• 分组可能会出现失序和丢失等问题

报文交换

报文交换是以报文为 数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式，

• 报文交换是分组交换的前身
• 将要发送的数据整体作为报文，如 一个文件，以报文为单位进行传输
• 采用存储+转发的交换方式

三种数据交换方式的区别

• 若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据往往是突发式的，采用电路交换时通信线路的利用率很低
• 报文交换和分组交换都不要建立连接（即预先分配通信资源）。在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率

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1.4 计算机网络的定义和分类

定义

• 计算机网络的精确定义并未统一

• 计算机网络的最简单的定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合
  互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信
  自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
  集合：是指至少需要两台计算机

• 计算机网络的较好的定义：计算机网络主要是由一些通用的，可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用

分类

1. 按交换技术分类
   • 电路交换网络
   • 报文交换网络
   • 分组交换网络
2. 按网络的使用者分类
   • 公用网（公众网）
   • 专用网
3. 按传输介质分类
   • 有线网络（双绞线、光纤等）
   • 无线网络（Wifi技术等）
4. 按覆盖范围分类
   • 广域网WAN：覆盖范围几十到几千千米
   • 城域网MAN：覆盖范围5到50千米
   • 局域网LAN：覆盖范围1千米作用
   • 个域网PAN：覆盖范围10米
5. 按拓扑结构分类
   • 总线型网络
   • 星型网络
   • 环形网络
   • 网状型网络

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1.5 计算机网络的性能指标

• 性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能
• 常用的计算机网络的性能指标有以下八个
  • 速率
  • 带宽
  • 吞吐量
  • 时延
  • 时延带宽积
  • 往返时间
  • 利用率
  • 丢包率

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速率、带宽、吞吐量、时延

比特：计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位。一位比特就是二进制数字中的一个 1 或 0
常用数据单位：

• 8 bit = 1 Byte（bit简写为b）
• KB = $10^{10}$ B
• MB = K$\times$KB = $10^{10}$ $\times$ $10^{10}$ B = $10^{20}$ B
• GB = K$\times$MB = $10^{10}$ $\times$ $10^{20}$ B = $10^{30}$ B
• TB = K$\times$GB = $10^{10}$ $\times$ $10^{30}$ B = $10^{40}$ B
  

速率

• 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率
• 常用数据单位
  • bit/s（b/s）
  • kb/s = $10^3$b/s
  • Mb/s = k$\times$kb/s = $10^3$$\times$$10^3$b/s = $10^6$b/s
  • Gb/s = k$\times$Mb/s = $10^3$$\times$$10^6$b/s = $10^9$b/s
  • Tb/s = k$\times$Gb/s = $10^3$$\times$$10^9$b/s = $10^{12}$b/s

带宽

• 带宽在模拟信号系统中的意义

  某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围
  单位：Hz（kHz，MHz，Ghz）

• 带宽在计算机网络中的意义

  用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的最高数据率
  单位：b/s（kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s）

“带宽” 的这两种表述之间有着密切的联系。一条通信线路的 “频带带宽” 越宽，其所传输数据的 “最高数据率” 也越高。

数据传送速率从主机接口速率、线路带宽、交换机或路由器的接口速率中取最小值。

吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据率。
• 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。
  

时延
时延是数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络或链路的一段传送到另一端所需要的时间，也称为延迟或迟延。

• 发送时延：主机或路由器发送数据帧到链路所需要的时间，即：从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
  $发送时延=分组长度(b)/发送速率(b/s)$
• 传播时延：电磁波或光信号在信道（链路）中传播一定的距离需要花费的时间。
  $传播时延=信道长度(m)/信号传播速率(m/s)$
  常见的介质传播速率：
  1. 自由空间： $3.0\times 10^{8}m/s$
  2. 铜线：$2.3\times 10^{8}m/s$
  3. 光纤：$2.0\times 10^{8}m/s$
• 排队时延：分组在输入队列中排队等待处理，在输出队列中等待转发，就形成了排队时延。
• 处理时延：主机或路由器在收到分组后要花费一定的时间进行处理，比如分析首部，提取数据，差错检验，路由选择等。

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时延带宽积、往返时间RTT、利用率、丢包率

时延带宽积

$时延带宽积=传播时延\times 带宽$

• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特（即“某段链路现在有多少比特”）
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

往返时间RTT

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），总共经历的时延。

RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。

利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率。

• 信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
  信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加
  

• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均

丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程丢失的分组数量与总分组数量的比率。
• 丢包率具体可分为：接口丢包率、节点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。

分组丢失主要有两种情况：

• 分组在传输过程中出现 误码 ，被节点丢弃。
• 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；在通信量较大时可能造成 网络拥塞 。

1.6 计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

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. 结构上可以分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
3. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务（下层为上层i共服务）
4. 整个分层结构可能促进标准化工作。

网络体系结构有三种：

• OSI七层体系结构（法律上的国际标准）
• TCP/IP 四层体系结构（事实上的国际标准）
• 五层体系结构（综合了 OSI 和 TCP/IP 的优点）

计算机网络体系接口分层的必要性

分层 可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

• 物理层：解决使用何种信号来传输数据（比特）的问题
• 数据链路层：解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题（将网络层传下来的数据报组装成帧）
• 网络层：解决分组在多个网络上传输（路由）的问题（将运输层产生的报文或用户数据报封装成分组或IP数据报或包进行传送）
• 运输层：解决进程之间基于网络的通信问题（TCP、UDP）
• 应用层：解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题（直接为用户的应用进程提供服务 HTTP、FTP等）

专用术语

• 实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程
• 对等实体：收发双方相同层次中的实体
• 协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
• 协议的三要素：语法、语义、同步
  • 语法：定义所交换信息的格式
  • 语义：定义通信双方所要完成的操作
  • 同步：定义通信双方的时序关系
• 服务：下层向上层提供服务，上层使用下层的服务
• 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元
• 服务数据单元SDU：同一系统内，层于层之间交换的数据包称为服务数据单元
• 多个SDU可以合成一个PDU；一个SDU也可以划分为几个PDU

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第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。

物理层的传输媒体可以分为两类：

1. 导引型传输媒体

2. 非导引型传输媒体

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输

• 透明传输：指不管所传数据是什么的比特组合，都应当能够在链路上传输。
• 物理层协议的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性（定义标准）
  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序。
• 功能：
  1. 定义接口特性
  2. 定义传输模式（单工、半双工、全双工）
  3. 定义传输速率
  4. 比特同步
  5. 比特编码

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2.2 物理层的传输媒体

导引型传输媒体

1. 同轴电缆
   • 基带同轴电缆（50Ω）
     数字传输，过去用于局域网
   • 宽带同轴电缆（75Ω）
     模拟传输，目前主要用于有线电视
2. 双绞线
   • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
   • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
3. 光纤
   • 多模光纤
   • 单模光纤
4. 电力线

非导引型传输媒体

1. 无线电波
2. 微波
3. 红外线
4. 可见光（LiFi）

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2.3 传输方式

• 串行传输：使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输

• 并行传输：并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输（速度快，成本高）

• 同步传输：数据以块或帧的形式发送，数据之间没有间隙

• 异步传输：数据以字节或字符的形式发送，在数据的起始位和停止位都添加了奇偶校验位
  

• 单向通信（单工）：单工通信只有一根数据线，通信只在一个方向上进行

• 双向交替通信（半双工）：半双工通信也只有一根数据线，它也单工的区别是这根数据线既可作发送又可作发接收，虽然数据可在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据

• 双向同时通信（全双工）：数据的发送和接收用两根不同的数据线，通信双方在同一时刻都能进行发送和接收

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2.4 编码与调制

在计算机网络中，由于传输介质及其格式的限制，通信双方的信号不能直接进行传送，必须通过一定的方式处理之后，使之能够适合传输媒体特性，才能够正确无误地传送到目的地。

编码：将数据转成数字信号
调制：将数据转成模拟信号

基带信号（信息源，也称发终端）：指发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号。
可以分为：

• 数字基带信号
• 模拟基带信号

码元

指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，而该时长称码元的宽度，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。比如，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。

常用编码的方法

1. 不归零编码：是用两个电压来表示，两个二进制数字，如低电平表示0，高电平表示1；或者相反。这种编码方式没有检错功能，难以保持同步。
2. 归零编码：信号电平在一个码元内都要恢复到零；每个码元的后半段都是0，前半段表示电平的高低（自同步，编码效率低）
3. 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平，后一个间隔为低电平表示码元1；码元0 则相反。
4. 差分曼彻斯特编码：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段的电平相同，码元为0 则相反
5. 反向不归零编码：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1.
6. 4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据。

常用调制的方法

调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）

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2.5 信道的极限容量

失真是在信号传输过程中，信号发生了扭曲和变化

失真有两种情况：

• 可识别失真：失真不严重，可以识别
• 不可识别失真：失真严重，无法识别（码间串扰）

失真因素：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪音干扰
• 传输媒体质量

奈氏准则
在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的

理想低通信道的最高码元传输速率 $=2WBaud=2W码元/秒$
理想带通信道的最高码元传输速率 $=WBaud=W码元/秒$
$W$：信道带宽（单位Hz）
$Baud$：波特，即码元$/$秒

• 当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（$码元/秒$）与比特率（$码元/秒$）在数值上是相等的
• 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n

$数据传输速率=波特率(码元传输速率)\times 每个码元携带的信息量(比特数)$

香农定理

带宽受限且有噪音干扰的信道的极限信息传输速率

香农公式：$c=W\times lo{g}_2(1+S/N)$
$c$：信道的极限信息传输速率（单位：$b/s$）
$W$：信道带宽（单位：Hz）
$S$：信道内所传信号的评价功率
$N$：信道内的噪声功率
$S/N$：信噪比，使用分贝（$dB$）作为度量单位

• 信噪比（$dB$）$=10\times \lg (S/N)$（lg表示以10为底）

信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高

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