重磅 | 4133字 | 圖文并茂詳解計算機網路

目錄

一、分層架構相關概念

二、認識分層結構

1、物體

2、協議

3、介面

4、服務

三、OSI參考模型

1、應用層

2、表示層

3、會話層

4、傳輸層

5、網路層

6、資料鏈路層

7、物理層

四、OSI參考模型和TCP/IP參考模型

五、五層參考模型

六、物理層基本概念

1、機械特性

2、電氣特性

3、功能特性

4、規格特性

七、資料通信基礎知識

1、典型的資料通信模型

2、資料通信的相關術語

3、三種通信方式

4、兩種資料傳輸方式

5、碼元

6、速率、波特

7、帶寬

八、失真

1、影響失真程度的因素

2、失真的一種現象 -> 碼間串擾

九、奈氏準則

十、香農定理

一、分層架構相關概念

網路體系結構是從功能上描述計算機網路結構，

計算機網路體系結構簡稱網路體系結構是分層結構，

每層遵循某個網路協議以完成本層功能，

計算機網路體系結構是計算機網路的各層及其協議的集合，

第n層在向第n+1層提供服務時，此服務不僅包含第n層本身的功能，還包含由下層服務提供的功能，

僅僅在相鄰層間有介面，且所提供服務的具體實作細節對上一層完全屏蔽，

體系結構是抽象的，而實作是指能運行的一些軟體和硬體，

二、認識分層結構

1、物體

第n層中的活動元素稱為n層物體，同一層的物體叫對等物體，

2、協議

為進行網路中的對等物體資料交換而建立的規則、標準或約定稱為網路協議，

語法：規定傳輸資料的格式；

語意：規定所要完成的功能；

同步：規定各種操作的順序；

3、介面

訪問服務點SAP，上層使用下層服務的入口

4、服務

下層為相鄰上層提供的功能呼叫，

SDU服務資料單元：為完成用戶所要求的功能而應傳送的資料；

PCI協議控制資訊：控制協議等操作的資訊；

PDU協議資料單元：對等層次之間傳送的資料單元；

三、OSI參考模型

1、應用層

所有能和用戶互動產生網路流量的程式，比如QQ、微信，

典型應用層服務：

1. 檔案傳送FTP
2. 電子郵件SMTP
3. 萬維網HTTP

2、表示層

用于處理在兩個通信系統中交換資訊的表示方式（語法和語意）

功能一：資料格式變換

...0111011000...

翻譯為：

功能二：資料加密解密

功能三：資料壓縮和恢復

3、會話層

向表示層提供建立連接并在連接上有序地傳輸資料，

這是會話，建立同步SYN，

功能：

1. 建立、管理、終止會話
2. 使用校驗點可使會話在通信失效時從校驗點/同步點繼續恢復通信，實作資料同步，
3. 適用于傳輸大檔案，

4、傳輸層

5、網路層

主要任務是把分組從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務，

網路層傳輸單位是資料報，

功能：

1. 路由選擇，最佳路徑
2. 流量控制
3. 差錯控制
4. 擁塞控制

6、資料鏈路層

主要任務是把網路層傳下來的資料報組裝成幀，

資料鏈路層的傳輸單位是幀，

功能：

1. 成幀（定義幀的開始和結束）
2. 差錯控制 幀錯+位錯
3. 流量控制
4. 訪問控制 （控制對信道的訪問）

7、物理層

主要任務是在物理媒體上實作位元流的透明傳輸，

物理層傳輸單位是位元，

透明傳輸：指不管所傳資料是什么樣的位元組合，都應當能夠在鏈路上傳送，

功能：

1. 定義介面特性
2. 定義傳輸模式（單工、半雙工、雙工）
3. 定義傳輸速率
4. 位元同步
5. 位元編碼

四、OSI參考模型和TCP/IP參考模型

OSI參考模型與TCP/IP參考模型不同點

1、OSI定義三點：服務、協議、介面

2、OSI先出現，參考模型先于協議發明，不偏向特定協議

3、TCP/IP設計之初就考慮到異構網互聯問題，將IP作為重要層次

4、網路層和傳輸層的不同之處

面向連接分為三個階段：

1. 建立連接，在此階段，發出一個建立連接的請求，只有在連接成功建立之后，才能開始資料傳輸，
2. 當資料傳輸完畢，必須釋放連接，
3. 面向無連接沒有這么多階段，它直接進行資料傳輸，

五、五層參考模型

五層參考模型的資料封裝與解封裝

六、物理層基本概念

物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體，

物理層主要任務：確定與傳輸媒體介面有關的一些特性，即定義標準，

1、機械特性

定義物理連接的特性，規定物理連接時所采用的規格、介面形狀、引線數目、引腳數量和排列情況，

2、電氣特性

規定傳輸二進制位時，線路上信號的電壓范圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等，

某網路在物理層規定，信號的電平用+10V~+15V表示二進制0，用-10V~-15V表示二進制1，電線長度限于15m以內，

3、功能特性

指明某條線上出現的某一電平表示何種意義，介面部件的信號線的用途，

描述一個物理層介面引腳處于高電平時的含義，

4、規格特性

定義各條物理線路的作業規程和時序關系，

七、資料通信基礎知識

1、典型的資料通信模型

2、資料通信的相關術語

• 資料：傳送資訊的物體，通常是有意義的符號序列，
• 信號：資料的電氣/電磁的表現，是資料在傳輸程序中的存在形式，（數字信號：代表訊息的引數取值是離散的，模擬信號：代表訊息的引數取值是連續的，）
• 信源：產生和發送資料的源頭，
• 信宿：接收資料的終點，
• 信道：信號的傳輸媒介，一般用來表示向某一個方向傳送資訊的介質，因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道，

信道：

傳輸信號： 模擬信道（傳送模擬信號）數字信道（傳送數字信號）

傳輸介質： 無限信道 有線信道

3、三種通信方式

（1）單工信道

只有一個方向的通信而沒有反方向的互動，僅需要一條信道，

（2）半雙工通信

通信的雙方都可以發送或接收資訊，但任何一方都不能同時發送和接收，需要兩條信道，

（3）全雙工信道

通信雙方可以同時發送和接收資訊，需要兩條信道，

4、兩種資料傳輸方式

（1）串行傳輸

速度慢、費用低、適合遠距離

（2）并行傳輸，

速度快、費用高、適合近距離

常用語計算機內部的資料傳輸，

5、碼元

碼元是指用一個固定時長的信號波形（數字脈沖），代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱為K進制碼元，而該時長稱為碼元寬度，當碼元的離散狀態有M個時（M大于2），此時碼元也稱為M進制碼元，

1碼元可以攜帶多個位元的資訊量，例如，在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態，另一種代表1狀態，

M進制碼元：

4進制碼元 -> 碼元的離散狀態有4個 -> 4種高低不同的信號波形 00/01/10/11

6、速率、波特

速度也叫資料率，是指資料的傳輸速率，表示單位時間內傳輸的資料量，可以用碼元傳輸速率和資訊傳輸速率表示，

（1）碼元傳輸速率

別名碼元速率、波形速率、調制速率、符號速率等，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（也稱為脈沖個數或信號變化的次數），單位是位元（Baud），1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元，這里的碼元可以使多進制的，也可以是二進制的，但碼元速率與進制數無關，

簡而言之，就是1S傳輸多少個碼元，

（2）資訊位元速率

別名資訊速率、位元率等，表示單位時間內數字通信傳輸的二進制碼元個數（即位元數），單位是位元/秒（b/s），

簡而言之，就是1S傳輸多少個位元，

關系：

如果一個碼元攜帶n位元的資訊量，則m波特的碼元傳輸速率所對應的資訊傳輸速率為m * n bit/s，

7、帶寬

表示單位時間內從網路的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”，常用來表示網路的通信線路所能傳輸資料的能力，單位是b/s，

練習題：

某一數字通信系統傳輸的是四進制碼元，4S傳輸了8000個碼元，求系統的碼元傳輸速率是多少？資訊傳輸速率是多少？若另一個系統傳輸的是十六進制碼元，6S傳輸了7200個碼元，求它的碼元傳輸速率是多少？資訊傳輸速率是多少？并指出哪個系統傳輸速率快？

答案：

2000Baud、4000b/s、1200Baud、4800b/s；十六進制更快，

系統傳輸的是位元流，通常比較的是資訊傳輸速率，所以傳輸十六進制碼元的通信系統傳輸速率較快，如果用該系統去傳輸四進制碼元會有更高的碼元傳輸速率，

八、失真

1、影響失真程度的因素

1. 碼元傳輸速率
2. 信號傳輸距離
3. 噪聲干擾
4. 傳輸媒體質量

2、失真的一種現象 -> 碼間串擾

圖中200HZ表示信號帶寬，

信道帶寬是信道能通過的最高頻率和最低頻率之差，

3300HZ - 300HZ = 3000HZ

200HZ不能通過的原因：

震動的頻率太低了，在非常復雜的電話線上傳播程序中都衰減沒了，

4000HZ不能通過的原因：

震動的次數和頻率太快了，導致接收端在接收的時候區分不出波形間的差異，此時就出現了碼間串擾的現象，

碼間串擾：接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限的現象，

九、奈氏準則

奈氏準則：在理想低通（無噪聲，帶寬受限）條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬，單位是Hz，

1、在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，若傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的完全正確識別稱為不可能，

2、信道的頻帶越寬（即能通過的信號高頻分量越多），就可以用更高的速率進行碼元的有效傳輸，

3、奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對資訊傳輸速率給出限制，

4、由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高資料的傳輸速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多個位元的資訊量，這就需要采用多元制的調制方法，

練習題：

在無噪聲的情況下，若某通信鏈路的帶寬為3kHz，采用4個相位，每個相位具有4種振幅的QAM調制技術，則該通信鏈路的最大資料傳輸率是多少？

信號有4 * 4 = 16種變化

最大資料傳輸率 = 2 * 3k * 4 = 24kb/s

十、香農定理

噪聲存在于所有電子設備和通信信道中，由于噪聲隨機產生，它的瞬時值有時會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤，但是噪聲的影響是相對的，若信號較強，那么噪聲影響相對較小，因此，信噪比就很重要，

信噪比 = 信號的平均功率/噪聲的平均功率，常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位，即：

香農定理：

在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產生誤差，資訊的資料傳輸速率有上限值，

1. 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高，
2. 對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，資訊傳輸速率的上限就確定了，
3. 只要資訊的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來實作無差錯的傳輸，
4. 香農定理得出的為極限資訊傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少，
5. 從香農定理可以看出，若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（不可能），那么信道的極限資訊傳輸速率也就沒有上限，

練習題：

電話系統的典型引數是信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則該系統最大資料傳輸速率是多少？

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