计算机网络概论

• 广义观点：只要是能实现远程信息处理的系统或者进一步能达到资源共享的系统都可以称为计算机网络
• 资源共享观点：计算机网络必须是由独立功能的计算机组成的，能够实现资源共享的系统
• 用户透明观点：计算机网络就是一台超级计算机，资源丰富功能强大，使用其方式对用户透明，用户使用网络就像使用单一计算机一样，无需了解网络的存在、资源的位置等信息。

从物理构成上看，计算机网络包括硬件、软件和协议三大部分

• 硬件
• 软件
  • 主要有实现资源共享的软件，方便用户使用的各种工具软件
• 协议
  • 协议由语法、语义和时序三部分构成。其中语法部分规定传输数据的格式，语义部分规定所要完成的功能，时序部分规定执行各种操作的条件、顺序关系等。协议是计算机网络的核心。

计算机网络的功能组成

计算机网络的分类

• 按照分布范围分类：

  • 广域网：一般分布在数十公里以上的区域
  • 城域网：一般分布在一个城区，一般使用广域网的技术，可以看成是一个较小的广域网
  • 局域网：一般分布在几十米到几千米的范围，传统上局域网与广域网使用不同的技术，广域网使用交换技术，局域网使用广播技术，而这才是二者的根本区别，但是从万兆以太网开始，这种区别已经消除了
  • 个域网：一般指家庭内甚至是个人随身携带的网络，一般分布在几米范围内，用于将家用电器、消费电子设备、少量计算机设备连接成一个小型的网络，以采用无线通信方式为主。

• 按照网络拓扑结构分类：总线型网络、星型网络、环形网络、树形网络、网格型网络等基本形式

• 按照交换技术分类：可分为线路交换网络、报文交换网络、分组交换网络等类型

• 按照协议分类：IP网、IPX网络，WIFI网络、蓝牙网络等

• 按照使用传输介质分类：有线网络和无线网络两大类。

• 按照用户和网络的关联程度分：

网络体系结构

分层与体系结构

网络体系结构是指构成计算机网络的各组成部分以及计算机网络本身所必须实现的功能的精确定义。更直接的说，是计算机网络中的层次、各层的协议以及层间的接口的集合

网络非常复杂，为了便于研究，需要按照体系结构的方式进行建模。而体系结构通常具有可分层的特性，因此网络体系结构都分成层次结构

分层的基本原则是：

• 各层之间界面清晰自然，易于理解，相互交流尽可能的少
• 各层功能的定义独立于具体实现的方法
• 保持下层对上层的独立性，单向使用下层提供的服务

接口、协议和服务

• 接口是指的是同一个系统内部两个相邻层次之间的交往规则

• 协议是指通信双方实现相同功能的相应层之间的交往规则。协议由语法、语义和时序三部分构成

• 服务

  1. 面向连接的服务和无连接的服务

     面向连接的服务是指在通信之前，双方需要先建立连接，然后才能开始传送数据，传送完成后需要释放连接。建立连接时候需要分配相应的资源（如缓冲区），以保证通信能够正常进行。比如打电话就是面向连接的服务。

     无连接的服务是指通信双方不事先建立连接，需要发送数据时候直接发送。比如平常写信交给邮局投递的过程就是无连接的服务

  2. 有应答服务和无应答服务

     有应答服务是指接收方在收到数据之后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不是用户实现。例如文件传输服务。

     无应答服务是指接收方收到数据不自动给出应答。若需要应答，由高层实现。例如www服务，客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答

  3. 可靠服务和不可靠服务

     可靠服务是指网络具有检错、纠错、应答机制，能保证数据正确、可靠的传送到目的地。

     不可靠服务是指网络不能保证数据正确可靠的传送到目的地，网络只能是尽量正确、可靠，是一种尽力而为的服务

数据传送单位

服务数据单元SDU:为完成用户所要求的功能而应传送的数据，第N层的服务数据单元记为N-SDU

协议控制信息PCI:控制协议操作的信息。第N层的协议控制信息记为N-PCI

协议数据单元PDU:协议交换的数据单位。第N层的协议数据单元记为N-PDU

三者之间的关系为 N-SDU+NPCI=N-PDU=(N-1)SDU

OSI模型

国际标准化组织（ISO）在1987年提出了一个网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型（OSI）。OSI有7层，从低到高一次为：物理层，数据链路测，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层

TCP/IP模型

从低到高一次为网络接口层，互联网层，传输层，应用层

数据通信基础

• 数字数据编码为数字信号

对于数字数据，最普遍而且最容易的编码方法就是使用两个电压电平来表示两个二进制数字。如无电压表示0，有电压表示1，不归零就是这种编码方式

• 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是将每一个码元再分成两个相等间隔，码元1是前一个间隔为高电平而后一个间隔是低电平，码元0则刚好相反。这种编码的好处是可以保证每一个码元的正中间出现一次电平转换，有利于接收方提取同步信号，但是它所占用的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

差分曼彻斯特编码规则是：若码元为1则前半个码元的电平与上一个码元的电平一样，若码元为0则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平想反。

• 双极性半空占码AMI

AMI编码归路，源码序列中的0仍为0，源码序列中的1码则交替变更为+1和-1。由于传号1码极性交替，如果接收端发现记性不是交替出现就一定出现了传输误码，因此可检出奇数个误码。

• 双极性8零替换吗B8ZS

B8ZS为了客服AMI连零过多不利于定时的缺点，在AMI的基础上做了修改，其规则为：

如果出现一个全零的8位组，并且在这个8位组之前的最后一个脉冲为正，那么这个8位组中的8个0被编码为0001+1-01+1-；

如果出现一个全零的8位组，并且在这个8位组之前的最后一个脉冲为负，那么这个8位组中8个0编码为001-1+01+1-；

• 三阶高密度双极性码HDB3

HDB3码保留了AMI码的所有有点，还可将连零限制在3个以内，客服了AMI码如果连零过多不利于定时提取的缺点

• nB/mB码

nB/mB是把n个二进制的码组转变成m个二进制码组，m>n，因此实际的码组有2n种，冗余码组有2m-2n

在高速光纤传输系统中，应用较为广泛的有4B/5B、5B/6B、8B/10B、64B/66B。5B/6B码是从6位二进制的64种组合中精选出32个码组对信源进行编码

数字信号调制为模拟信号

模拟信号发送的基础就是载波信号，可以用Acos(ωt + φ)表示，通过调制振幅，频率，相位三种载波特性之一或这些特性的某一种组合来对数字数据进行编码。

• 幅移键控ASK：利用载波的振幅变化去携带数字数据，而载波的频率、相位都保持不变
• 频移键控FSK：利用已调波的频率变化去携带数字数据，而载波的振幅、相位不变
• 相移键控PSK：利用已调波的相位变化去携带数字数据，而载波的频率和振幅都不变

正交振幅调制QAM

信号模式的数目越多，意味着比特率相对于波特率的倍数越大，同时也将减小各种模式的信号之间的差别，接收方要将各种差别极小的幅度、频率和相位识别出来的难度更大。一种普遍的解决方案就是结合使用振幅、频率和相位。正交振幅调制就是一种常用的技术，将幅移键控和相移键控结合在一起，把两个频率相同的模拟信号叠加在一起，一个对应正弦函数一个对应余弦函数。M进制的正交振幅调制可简记MQAM，其信号可表示为
$$S(t)=Csin(\omega t)+Dcos(\omega t)$$

模拟数据编码为数字信号

模拟数据编码为数字信号的第一步就是对模拟信号实施时域离散化。通常，信号时域离散化是用一个周期T的脉冲信号控制采样电路对模拟信号f(t)实施采样，得到样值序列fs(t)。如果取出的样值足够多，这个样值序列就能好逼近原始的连续信号。但是采用周期T取多大才能码组用样值序列fs(t)可代表模拟信号f(t)的要求呢？采样定理可以解决这个问题

• 低通采样定理：如果一个带限的模拟信号f(t)的最高频率分量为fm，当满足采样频率fs>=2fm（fs=1/T）时，所获得的样值序列fs(t)就可以完全代表原模拟信号f(t)

量化是将样值幅度离散化的过程，也就是按照某一个规律将一个无穷集合的值压缩到一个有限集合中。所谓的均匀量化是以等间隔对任意信号值来量化，即将信号样值幅度的变化范围[-U, +U]等分成N个量化级，记作Δ，则
$$delta=2U/N(其中U称做信号过载点电压)$$
根据量化规则，样值幅度落在某一个量化级区间内，则由该级的中心值一个值来量化。获得量化值后，再用n位二进制码对其进行编码即可，码组的长度n与量化级数N之间的关系为
$$N=2^n$$
例如：一个模拟数据的电压变化范围为[-1, 1]V ,采样值为0.33V，采用线性PCM将其编码为3位的二进制，解码后的误差为多少？

首先求出N 根据$N=2^n$ 求得到N = 2^3 = 8，delta = 2*1/8 = 0.25V

得到量化编码表

变化区间	量化值	编码
[-1, -0.75]	-0.875	000
[-0.75, -0.5]	-0.625	001
[-0.5, -0.25]	-0.375	010
[-0.25, 0]	-0.125	011
[0, 0.25]	0.125	100
[0.25, 0.5]	0.375	101
[0.5, 0.75]	0.625	110
[0.75, 1]	0.875	111

其中0.33对应的编码是101 101解码为0.375，所以误差是0.375-0.33=0.045V

模拟数字调制为模拟信号

模拟数据经由模拟信号传输时不需要进行变换，但是模拟数据本身的频率由于考虑到天线发送的时候天线尺寸的问题，模拟形式的输入数据也需要在甚高频下进行调制，其输出信号是一种带有输入数据的频率极高的模拟信号。模拟数据调制为模拟信号有三种不同的调制技术：调幅AM、调频FM、调相PM。其中最常用的是调幅和调频。

扩频通信

为了提高通信系统抗干扰性能，往往需要从调制和编码多方面入手，改进通信质量，扩频通信就是方法之一。由于扩频通信利用了扩展频谱技术，在接收端对干扰频谱能量加一扩散，对信号频谱的能量压缩集中，因此在输出端就得到了信噪比的增益

扩频通信是指系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽（或信息比特率），且与原始信号带宽无关。通常规定：如果信息带宽为B，扩频信号带宽为fss，则扩频信号带宽与信息带宽之比fss/B称为扩频因子

当fss/B = 1~2 即射频信号带宽略大于信息带宽时候，称为窄带通信

当fss/B >= 50 即射频信号带宽大于信息带宽时，称为宽带通信

当fss/B >= 100 即射频信号带宽远大于信息带宽时，称为扩频通信

• 直接序列扩频

直接序列扩频方式中，要传送的信息经伪随机序列编码之后对载波进行调制。发送端直接使用扩频码序列去扩展信号的频谱，在接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，将展宽的频谱扩展信号还原成原始信号

• 跳频

在跳频方式中，载波信息的信号频率受伪随机序列的控制，快速的在一个频中跳变，此跳变的频段范围远大于要传送信息所占用的频谱宽度

• 跳时

在跳时方式中，把每个信息码元划分成若干个时隙，此信息受伪随机序列的控制，以突发的方式随机的占用其中的一个时隙进行传输，因为信号在时域中压缩其传输时间，相应地在频域中华要扩展其频谱宽度

• 线性调频扩频

线性调频扩频是指在给定脉冲持续时间间隔内，系统的载频线性地扫过一个很宽的频带。因为频率在缴款的频带内变化，所以信号的带宽被扩展。

多路复用技术

在点对点通信方式中，两点间的通信线路是专用的，其利用率很低，一种提升线路利用率的卓有成效的方法是使多个数据源合用一条传输线，这就是多路复用技术。多路复用系统将来自若干信息源的信息进行合并，然后将这一合成的信息群经单一的线路和传输设备进行传输，在接收方，则设有能将信息群分离成各个单独信息的设备

多路复用的形式有时分多路复用、频分多路复用和波分多路复用。

• 时分多路复用：时分多路复用TDM方法，其信号分割的参量是信号占用的时间，故要使复用的各路信号在时间上互不重叠，在传输时把时间分成小的间隙，每一时间隙由复用的一个信号占用。

• 频分多路复用：频分多路复用FDM主要用于模拟信号。多路复用器接受来自多个源的模拟信号，每个信号有自己独立的带宽。接着这些信号被组合成另一个具有更大带宽的更加复杂的信号，产生的信号通过某种媒体被传送到目的地，在那里另一个多路复用器完成分解工作，把各个信号单元分离出来。

• 波分多路复用：光纤技术的应用使得数据的传输速率空前的提高，目前一根单模光纤的传输速率可以达到2.5Gb/s，如果设法对光纤传输中的色散问题加以解决，则一根光纤的传输速率可以达到10GB/s，单这几乎已经到了单个光载波信号传输的极限值。使用一个光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，又能使光纤的传输能力成倍的提高。由于光载波的频率很高，习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波，所以波分多路复用就是光的频分复用。

• 统计时分多路复用：统计时分多路复用STDM是一种改进的时分复用方法，它明显提高信道的利用率。集中器长使用这种方法。统计时分多路复用使用STDM帧来传送复用的数据，但是每一个STDM帧中的时隙数小于或等于连接在几种器上的用户数量。

• 数据交换方式：

  • 线路交换：电话系统

  • 报文交换：

  • 分组交换：

    • 数据报：在数据报方式中，每个分组的首部都带有完整的目的地址，交换机根据转发表转发分组
    • 虚电路：虚电路方式要求在发送数据之前，再源主机和目的主机之前建立一个虚连接，在建立连接阶段，需要在源主机和目的主机之间的每一个交换机上建立“连接状态”，连接状态由连接经过的每个交换机中的“VC表”记录组成。

  • 信元交换：

  • 广播：

传输介质

• 双绞线
• 同轴电缆
• 光纤
• 陆地微波
• 卫星微波
• 无线电
• 红外线

检错和纠错

在数据传输过程中，由于信道受到噪声或干扰的影响，信号的波形传到接收端就可能发生错误，为了把这些错误减少到人们预期的要求的最低限度，就需要进行差错控制。

差错控制的原理很简单。在被传送的K位信息后附加r位冗余位，被传送的数据工k+r位，而这r位冗余位是用某种明确定义的算法直接从k位信息导出的，接收方对收到的信息应用同一种算法，将结果与发送方给它的结果进行比较，若不想等则数据出现了差错。如果接收方知道有差错发生，但是不知道是怎么样的差错，然后向发送方请求重传，这种策略称为检错。如果接收方知道有差错发生，而且知道是怎样的差错，这种策略称为纠错。

• 二维奇偶校验：二维奇偶校验是基于一维奇偶校验，除了把额外的1个比特附加到7个比特编上来平衡字节中1的个数外，还对数据中每一个字节的每一个比特位置进行类似的计算，产生一个额外的奇偶校验字节。

• 循环冗余校验：循环冗余校验是一种通过多项式除法的检测错误的方法，把每个比特串看成是一个多项式，采用模2运算。$b_{n-1}{b}_{n-2}...b_0$ 解释成多项式 $b_{n-1}\ast (n-1)+b_{n-2}\ast (n-2)...b0\ast 0$ 如果采用多项式编码的方法发送方和接收方必须事先商定一个生成多项式G(x)，生成多项式的高位和地位必须是1。

• 检错重发：检错重发的方式中，发送端经信道编码后可以发出具有检错能力的码组，接收方收到后经检测如果发现错误，则通过反馈信息把这一个判断结果反馈给发送方，然后发送端把前面发出的信息重新传送一次，知道接收端认为已经正确为止。常用的检错重发系统有停发等候重发、返回重发和选择重发三种。

  • 停发等候重发：停发等候重发系统的发送端在某一时刻向接收端发送一个码组，接收端收到后经检测若未发现传输错误，则发送与一个确认信号ACK给发送端，发送端收到ACK信号之后再发送下一个码组，如果接收端检测出错误则发送一个NAK信号，发送端收到NAK信号之后重发前一个码组，并再次等待ACK或者NAK信号，这种方式效率不高但是工作方式简单。
  • 返回重发：在返回重发中，发送端无停顿的送出一个又一个码组，不等待ack信号，一旦接收端发现错误并且返回NAK信号之后，发送端开始重发检测出错误的码组以及该错误码组之后的码组。
  • 选择重发：在选择重发系统中，发送端也是连续的发送码组，接收端发现错误并且返回NAK信号。与返回重发不同的是，发送端不是重发所有的码组，而是只重发有错误的那一组。显然这种选择重发系统传输效率最高，但是控制最复杂。

数据通信的概念

广义上的讲，把由一地向另外一地或者多地进行消息的有效传递称为数据通信

基本概念

• 数据和信号：数据是运送信息的实体，而信号是数据的电气或者电磁表现。无论数据或信号，都是既可以是模拟的也可以是数字的。所谓的模拟的就是连续变化的，而数字的就表示取值仅允许为有限的几个离散数值。

• 信道：信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体，因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

  • 从通信的双方信息交互的方式看，可以有三种基本方式：

    • 单工通信

    • 半双工通信

    • 全双工通信

• 码元：数字通信中对数字信号的计量单位采用码元这个概念。一个码元指的是一个固定时长的数字信号波形，该时长称为码元宽度

• 传输速率：数字通信系统的传输有效程度可以用码元传输速率和信息传输速率来描述

  • 码元传输速率：码元传输速率又称为码元速率、信号速率、符号速率、波形速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（符号个数或者脉冲个数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的。
  • 信息传输速率：信息传输速率又可称为信息速率、比特率等，它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数，单位是比特/秒（b/s）。

• 抖动：所谓的抖动，是指在噪声因素的影响下，数字信号的有效瞬间相对于应生成理想时间位置的短时偏离，是数字通信系统中数字信号传输的一种不稳定现象，也即数字信号在传输过程中，造成的脉冲信号在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的。

传输指标

通常需要对网络的效率和性能进行衡量，因此了解各种影响网络性能的传输指标是很重要的

• 带宽：贷款苯海是指某个信号具有的频带宽度，单位是赫兹。带宽也称为吞吐量，实际应用中，吞吐量常用每秒发送的比特数。

• 时延：时延是指一个报文或分组从一个网络一端传到另外一端需要的时间。通常，时延由三部分组成：

  • 发送时延：$发送时延=\frac{报文或者分组长度}{信道带宽}$

  • 传播时延：$传播时延=\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}$

  • 处理时延：指的是数据在交换节点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间

$$总时延=传播时延+发送时延+处理时延$$

• 时延带宽积：将网络性能的传播时延和带宽两个基本度量相乘，就得到了另外一个有用的度量，时延带宽积

$$时延带宽积=传播时延\times 带宽$$

• 误码率：在数字通信中是用脉冲信号携带信息，由于噪声、串音、码间干扰以及其他因素的影响，当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时，将会造成误判而成为误码。误码用误码率来表征

$$P_e=\underset{x\to \infty }{\lim }\frac{错误位数}{传输总位数}$$

数字传输和模拟传输

按承载消息的电信号形式不同，通信可分为模拟传输和数字传输

• 模拟传输是指以模拟信号来传输消息的通信方式。当信号的某一个参量可以取无限多个数值，且直接与消息相对应时，称为模拟信号。
• 数字传输是指用数字信号来传送消息的通信方式。当信号的某一参量只能取有限个数值，且常常不直接与消息想对应时，称为数字信号，有时候也称为离散信号。

传输损害

由于各种的传输损害，任何通信系统接收到的信号和发送的信号会有所不同，而对于模拟信号而言，这些损害导致了各种随机的改变而降低了信号的质量。对数字信号而言，则引起位串错误，比特1变为比特0或者比特0变为比特1。

• 衰减：在任何传输介质上信号强度将随着传输距离的延伸而减弱。对有线类传输介质，强度减弱或者衰减一般地具有对数函数性，对无线类传输介质，衰减则是距离和大气组成所构成的复合函数

• 延迟变形：延时变形是有线传输介质独有的现象，这种变形是由有线介质上信号传播速率随着频率变化引起的，在一个有限的信号频带中，中心频率附近的信号速度最高，而频带两边的信号速度较低，这样，信号的各种频率成分将在不同的时间到达接收器

• 噪声：因传输系统造成了各种失真，以及在传输和接收之间的某处插入的不必要的信号产生了噪声。噪声可分为热噪声、内调制杂音、串扰、脉冲噪声四种。

数据通信系统模型

数据通信系统的基本组成一般包括发送端、接收端以及收发两端之间的信道三个部分

按照信道中传输信号的形式不同，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。

数据传输速率

即使信道比较理想，码元的传输速率也不是不受限制的。奈奎斯特推出理想的低通信道的最高码元传输速率=2W

其中W是理想低通信道的带宽，单位是赫兹。该公式就是著名的奈氏准则。若码元的传输速率超过了奈氏准则给出的数值，则将出现码元之间的相互干扰，以致接收方无法正确判定在发送方所发送的码元是1还是0.

• 香农定理：香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率。当使用此速率传输时候，可以做到不产生误差。

$$C=W{\log }_2(1+S/N)b/s(香农公式)$$

其中W为信道的带宽，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

同步方式

• 同步控制方法：同步控制方法包括异步起止方式和同步方式
  • 异步起止方式：在异步起止方式中，接收方和发送方各自内部有时钟发生器，但频率必须一致。通信双方进行异步串行通信必须遵守异步串行通信控制规程，其特点是通信双方以字符作为传输单位，且发送方传送字符的间隔时间是不确定的
  • 同步方式：同步的实现包括位同步，字符同步，帧同步几个方面
    • 位同步：位同步是接收器从接收到信号中正确地恢复原来数据信号的基础。实现位同步的方法有插入导频法和自同步法两种
    • 字符同步：字符同步是以字符为传输单位，一个字符单位除了表示信息的数据位除外还有若干个附加位：1位起始位恒为0；可选的1位奇偶位；可选的停止位，可为1位、1.5位或者2位，恒为1。传送一个字符，必须以起始位开始，以停止位结束。
    • 帧同步：最初解决帧同步的方法是在帧之间插入时间间隔，依赖计时技术识别帧的开始和结束。
      • 字符计数法
      • 带字符填充的首尾界符法
      • 带位填充的首尾标志法
      • 物理编码违例法