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https://github.com/Didnelpsun/CS408.git
synced 2026-11-02 13:23:47 +08:00
更新
This commit is contained in:
Didnelpsun
@@ -57,7 +57,7 @@ $RCF$（$Request For Comments$）因特网标准形式。
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优点：
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1. 通信时延小。
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1. 通信时延小，速度快。
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2. 有序传输。
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3. 无冲突争用。
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4. 实时性强。
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@@ -67,7 +67,8 @@ $RCF$（$Request For Comments$）因特网标准形式。
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1. 建立连接时间长。
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2. 线路独占，使用效率低。
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3. 灵活性较差。
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4. 无差错控制能力。
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4. 不能流量控制。
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5. 无差错控制能力。
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### 报文交换
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@@ -103,6 +104,7 @@ $RCF$（$Request For Comments$）因特网标准形式。
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3. 线路可靠性高。
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4. 线路利用率较高。
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5. 分组大小一定，存储管理更容易。
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6. 分组更小，所以传输时延比报文交换的更小。
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缺点：
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@@ -116,6 +118,61 @@ $RCF$（$Request For Comments$）因特网标准形式。
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2. 传输数据量大且传输时间远大于呼叫时间，就选择电路交换，其传输时延最小。
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3. 报文交换分组交换在信道利用率上优于电路交换。
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## 分组交换传输方式
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数据报和分组的关系：分组是一段比较长的数据，将它进行切割成一段段之后就得到数据报。其都是网络层的传输单位。
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分组交换分为数据报方式和虚电路方式两种。
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对于出错率高的线路应该使用数据报方式。
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### 数据报方式
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+ 提供无连接服务，可随时发送和接受。
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+ 尽最大可能交付，所以不保证可靠性。
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+ 不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同，也不一定按序到达。
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+ 每个分组携带源和目的地址。
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+ 存储转换需要排队等待。当出现拥塞时会丢弃部分分组。
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+ 可及时更新转发表，适应性强。
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+ 时延小，提高吞吐量。
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+ 不单独占用信道，资源利用率高。
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+ 路由器根据分组的目的地址转发组：基于路由协议/算法构建转发表（目的网络地址与链路接口的散列对）；检索转发表；每个分组独立选路。
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### 虚电路方式
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+ 虚电路将数据报方式与电路交换方式结合。
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+ 虚电路是一条源主机到目的主机类似电路的逻辑连接，路径上所有结点都要维持该虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项都记录一个打开的虚电路的信息。
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+ 虚电路方式提供连接服务，首先为分组的传输确定传输路径，然后沿该路径/连接传输系列分组，分组的传输路径相同，结束后拆除连接。
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+ 一条物理链路可能有多个逻辑电路。
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+ 虚拟电路包含临时和永久两种：
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+ 永久性虚电路$PVC$：是一种提前定义好的、基本上不需要任何建立时间的端点之间的连接。
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+ 交换型虚电路$SVC$：是端点之间的一种临时性连接，这些连接只持续所需的时间，并且在会话结束时就取消这种连接，B错误。
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传输过程：
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1. 建立虚电路连接：每个分组携带虚电路标识（$VCID$），而非目的地址，源主机发送呼叫请求分组并收到呼叫应答分组后才算建立连接。
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2. 数据传输：全双工通信。
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3. 释放虚电路连接：源主机发送释放请求分组以拆除虚电路。
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优点：
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+ 虚电路通信链路建立拆除需要时间，不适合交互式和小量短分组，适合长时间频繁数据交换。
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+ 链路建立确定传输路径。
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+ 可靠通信，保证有序到达。
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+ 提供流量控制。
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+ 虚电路某点或某部分破坏，则会影响其他相关电路。
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+ 分组首部不包含目的地址，包含虚电路标识符，开销小。
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|数据报服务|虚电路服务
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:----:|:-------:|:-------:
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建立连接|不用|必须
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目的地址|每个分组都要有完成的目的地址|仅在建立连接时使用，之后每个分组使用较短的虚电路号
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路由选择|每个分组单独进行路由选择与转发|属于同一条虚电路的分组按照同一个路由转发
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分组顺序|不保证有序到达|保证有序到达
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可靠性|不保证，可靠性依靠用户主机保证|保证
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网络故障适应性|强|弱
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差错控制和流量控制|用户主机完成|可由网络完成也可以由用户主机完成
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## 性能指标
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### 速率
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@@ -204,13 +261,13 @@ $RTT$=往返传播时延+末端处理时延。
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|名称|英文名|作用|
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| :--------: | :----------------: | :------------: |
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|应用层|$Application\,Layer$|用户与网络的界面；直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务；$HTTP$、$SMTP$、$FTP$、$DNS$|
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|表示层|$Presentation\,Layer$|规范交换信息的表示方式；数据格式转换；加密和解密；数据压缩和恢复；$JPEG$、$ASCII$ |
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|会话层|$Session\,Layer$|负责在数据传输中建立和维护计算机网络中两台计算机之间的通信连接（会话）；使用校验点同步（$SYN$）或恢复通信；$ADSP$、$ASP$ |
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|传输层|$Transport\,Layer$| 负责端到端通讯；可靠传输，不可靠传输 ；差错控制；流量控制；复用分用；$TCP$、$UDP$ |
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|网络层|$Network\,Layer$| 传输分组，单位是数据报；路由选择；流量控制；差错控制；规划$IP$地址($ipv4$和$ipv6$变化只会影响网络层)；拥塞控制；网际互联；$IP$、$ICP$、$IGMP$、$ARP$、$RARP$、$OSPF$ |
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|数据链路层|$Data\,Link\,Layer$|负责点到点通讯；将数据报组装成帧，传输单位为帧；成帧（帧的开始和结束）；透明传输；差错校验(一般丢弃，纠错由传输层解决)；流量控制；访问（接入）控制（控制信道的控制）；$SDLC$、$HDLC$、$PPP$、$STP$|
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|物理层|$Physical\,Layer$| 简单将数据转变为物理电信号，在物理媒体上实现比特流的透明传输，传输单位为比特；定义接口特性；定义传输模式（单工、半双工、双工）；定义传输速率；比特同步；比特编码；$Rj45$、$802.3$ |
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|应用层|Application\,Layer|用户与网络的界面；直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务；HTTP、SMTP、FTP、DNS|
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|表示层|Presentation\,Layer|规范交换信息的表示方式；数据格式转换；加密和解密；数据压缩和恢复；JPEG、ASCII |
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|会话层|Session\,Layer|负责在数据传输中建立和维护计算机网络中两台计算机之间的通信连接（会话）；使用校验点同步（SYN）或恢复通信；ADSP、ASP |
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|传输层|Transport\,Layer| 负责端到端通讯；传输单位为报文段（TCP）或用户数据报（UDP）；可靠传输，不可靠传输 ；差错控制；流量控制；复用分用；TCP、UDP |
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|网络层|Network\,Layer| 传输分组，传输单位是数据报或分组；路由选择；流量控制；差错控制；规划IP地址(ipv4和ipv6变化只会影响网络层)；拥塞控制；网际互联；IP、ICP、IGMP、ARP、RARP、OSPF |
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|数据链路层|Data\,Link\,Layer|负责点到点通讯；将数据报组装成帧，传输单位为帧；成帧（帧的开始和结束）；透明传输；差错校验(一般丢弃，纠错由传输层解决)；流量控制；访问（接入）控制（控制信道的控制）；SDLC、HDLC、PPP、STP|
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|物理层|Physical\,Layer| 简单将数据转变为物理电信号，在物理媒体上实现比特流的透明传输，传输单位为比特；定义接口特性；定义传输模式（单工、半双工、双工）；定义传输速率；比特同步；比特编码；Rj45、802.3 |
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端系统一般都是七层，而中间系统如路由器等最多只有三层。上面四层是端到端的通信，而下面三层是点到点的通信。
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@@ -4,7 +4,9 @@
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物理层需要考虑如何传输比特流，而不关心到底使用何种媒体传输数据。具体传输数据的层次是第$0$层。
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### 通信流程
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### 通信简述
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#### 通信流程
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信源->数字信号->调制解调器->模拟型号->广域网->模拟信号->调制解调器->数字信号->信宿。
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@@ -16,87 +18,18 @@
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+ 模拟信道、数字信道。
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+ 有线信道、无线信道。
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### 通信方式
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#### 通信方式
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+ 单工通信：只能单方面通信，只需一条信道。
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+ 半双工通信：能发送和接受，但是不能同时发送接收，需要两条信道。
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+ 全双工通信：都能发送与接受，需要两条信道。
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### 传输方式
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#### 传输方式
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+ 串行：速度慢、费用低、适合远距离。
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+ 并行：速度快、费用高、适合近距离。
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### 码元
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定义：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表离散数值的基本波形。这个时长内的信号就是k进制码元，时长就是码元宽度，当有M个离散状态时，成为M进制码元。
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一个码元可以携带多个比特的信息。
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### 波特（Baud）
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指一秒可以传输多少个码元。一波特就是一码元一秒。
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### 速率
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分为信息传输速率与码元传输速率。
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信息传输速率就是$b/s$，就是我们平常说的网速。
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码元传输速率就是指一秒可以传输多少个码元，即单位时间内脉冲个数或信号变化的次数。码元可以理解为几个比特的集合，所以信息传输速率（网速）=码元传输速率x码元所带信息量（多少比特）。单位为波特。
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码元所带信息量（比特数）=$\log2\,$码元进制数（码元种数）。
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### 带宽（Band Width）
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用来表示最高数据速率。
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信道带宽指信道最高通过频率与最低通过频率之差，单位为赫兹。
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### 奈式准则（奈奎斯特定理、Nyquist）
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奈氏准则规定最高码元传输速率。
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在理想低通条件下，避免码间串扰：
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+ 极限码元传输速率=$2\times$信道带宽，单位为波特。
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+ 极限数据传输速率=$2\times$信道带宽×$\log2\,$码元种数，单位为$b/s$。
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1. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多的个比特量的信息，这就需要多元制的调制方法。
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2. 信道频带越宽，即能通过的信号高频分量越多，就可以用更高速率进行码元的有效传输。
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### 香农定理（Shannon）
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香农定理规定最高数据传输速率。
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信噪比=$10lg($信号的平均功率÷噪声的平均功率$)$，单位是分贝（$dB$），或为信号的平均功率÷噪声的平均功率，这是一个单纯的比值。
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采用分贝表示的原因是很多时候，信号要比噪声强得多，比如信号比噪声强$10$亿倍，如果用数值表示的话，那么$1$后面有$9$个$0$，很容易丢失一个$0$。如果用分贝表示只为$90dB$，要简单得多，而且不容易出错。分贝对于表示特别大或特别小的数值极为有利，这种表示方式在电子通信领域用途很广。
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在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
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极限数据传输速率=信道带宽×$\log2$($1+$信号的平均功率÷噪声的平均功率$)$，单位为$b/s$。
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||||
只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方式来实现无差错传输。
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### 奈氏准则与香农定理区别
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奈氏准则指出，码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则接收端就不能正确判定码元所携带的比特是$1$还是$0$（因为存在码元之间的相互干扰）。
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||||
奈氏准则是在理想条件下推导出来的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值小很多。电信技术人员的任务就是要在实际条件下，寻找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。
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||||
需要注意的是，奈氏准则并未限制信息传输速率（$b/s$）。
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要提高信息传输速率，就必须使每个传输的码元能够代表许多比特的信息，这就需要有很好的编码技术。但码元所载的比特数确定后，信道的极限数据率也就确定了。
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||||
香农定理给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（单位为$Hz$）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了，这个极限是不能突破的。要想提高信息传输速率，要么设法提高传输线路的带宽，要么设法提高所传信道的信噪比，此外没有其他任何办法。
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||||
香农定理告诉我们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法:要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能)，要么使信号的信噪比无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（显然这也不可能）。
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奈氏准则和香农定理中“带宽”的单位都是Hz。
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<span style="color:orange">注意：</span>当没有给信噪比的条件就只能使用奈氏准则，而如果当给出了信噪比与码元种数时，就需要同时使用奈氏准则与香农定理，然后取较小值作为答案。
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### 信号类型
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#### 信号类型
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+ 基带传输：
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+ 将数字信号$10$直接用两种不同的电压表示，不用调制，直接送到数字信道上传输。
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@@ -114,6 +47,82 @@
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+ 基于频带传输，使用频分复用等技术将链路容量分解为两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号。
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+ 信道直接互不干扰，提高效率。
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### 传输单位
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#### 码元
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定义：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表离散数值的基本波形。这个时长内的信号就是$k$进制码元，时长就是码元宽度，当有$M$个离散状态时，成为$M$进制码元。
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一个码元可以携带多个比特的信息。
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#### 波特（Baud）
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指一秒可以传输多少个码元（电平）。一波特就是一码元一秒。
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比特率=波特率$\times\log_2$码元表示有效离散值个数。
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#### 速率
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分为信息传输速率与码元传输速率。
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信息传输速率就是$b/s$，就是我们平常说的网速。
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码元传输速率就是指一秒可以传输多少个码元，即单位时间内脉冲个数或信号变化的次数。码元可以理解为几个比特的集合，所以信息传输速率（网速）=码元传输速率x码元所带信息量（多少比特）。单位为波特。波特传输率与进制无关。
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码元所带信息量（比特数）=$\log2\,$码元进制数（码元种数）。
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#### 带宽（Band Width）
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用来表示最高数据速率。
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信道带宽指信道最高通过频率与最低通过频率之差，单位为赫兹。
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### 传输准则
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#### 奈式准则（奈奎斯特定理、Nyquist）
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奈氏准则规定避免码间串扰的低通信道最高码元传输速率。
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在理想低通条件下，避免码间串扰：
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+ 极限码元传输速率=$2\times$信道带宽，单位为波特。
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+ 极限数据传输速率=$2\times$信道带宽×$\log2\,$码元种数，单位为$b/s$。
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1. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多的个比特量的信息，这就需要多元制的调制方法。
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2. 信道频带越宽，即能通过的信号高频分量越多，就可以用更高速率进行码元的有效传输。
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#### 香农定理（Shannon）
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香农定理规定带宽首先且高斯噪声条件下最高数据传输速率。
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信噪比=$10\lg($信号的平均功率÷噪声的平均功率$)$，单位是分贝（$dB$），或为信号的平均功率÷噪声的平均功率，这是一个单纯的比值。
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采用分贝表示的原因是很多时候，信号要比噪声强得多，比如信号比噪声强$10$亿倍，如果用数值表示的话，那么$1$后面有$9$个$0$，很容易丢失一个$0$。如果用分贝表示只为$90dB$，要简单得多，而且不容易出错。分贝对于表示特别大或特别小的数值极为有利，这种表示方式在电子通信领域用途很广。
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在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
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极限数据传输速率=信道带宽×$\log2$($1+$信噪比$)$=信道带宽×$\log2$($1+$信号的平均功率÷噪声的平均功率$)$，单位为$b/s$。
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只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方式来实现无差错传输。
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#### 奈氏准则与香农定理区别
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奈氏准则指出，码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则接收端就不能正确判定码元所携带的比特是$1$还是$0$（因为存在码元之间的相互干扰）。
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奈氏准则是在理想条件下推导出来的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值小很多。电信技术人员的任务就是要在实际条件下，寻找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。
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需要注意的是，奈氏准则并未限制信息传输速率（$b/s$）。
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要提高信息传输速率，就必须使每个传输的码元能够代表许多比特的信息，这就需要有很好的编码技术。但码元所载的比特数确定后，信道的极限数据率也就确定了。
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香农定理给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（单位为$Hz$）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了，这个极限是不能突破的。要想提高信息传输速率，要么设法提高传输线路的带宽，要么设法提高所传信道的信噪比，此外没有其他任何办法。
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香农定理告诉我们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法:要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能)，要么使信号的信噪比无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（显然这也不可能）。
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奈氏准则和香农定理中“带宽”的单位都是$Hz$。
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<span style="color:orange">注意：</span>当没有给信噪比的条件就只能使用奈氏准则，而如果当给出了信噪比与码元种数时，就需要同时使用奈氏准则与香农定理，然后取较小值作为答案。
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### 编码
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即将数据转换为数字信号。
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@@ -134,7 +143,7 @@
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![编码示意图][code]
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+ 非归零编码：高$1$低$0$。非常容易实现，但是没有检错功能，却无法判断一个码元的开始与结束从而很难保持收发双方的同步。
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+ 曼彻斯特编码：将一个码元分割为两个相等的间隔，前一个间隔低后一个间隔高电平表示$0$，相反则表示$1$，<span style="color:orange">注意：</span>也相反的定义。每一个码元中间都会产生电平调变，所以中间的跳变既可以作为时钟信号用于同步，也可以用于数据信号，但是其占有的频带宽度是原基带宽度的两倍。因为每一个码元被调制为两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的一半。
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+ 曼彻斯特编码：同$0$异$1$，即下一个频率电平变化则代表下一位为$1$，不变化则为$0$。每一个码元中间都会产生电平调变，所以中间的跳变既可以作为时钟信号用于同步，也可以用于数据信号，但是其占有的频带宽度是原基带宽度的两倍。因为每一个码元被调制为两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的一半。
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+ 差分曼彻斯特编码：同$1$异$0$，若码元为$1$，则前半段与上一个码元的后半个码元电平相同，若为$0$则相反。每个码元中间同样有电平跳变可用于同步，抗干扰性也强于曼彻斯特编码。
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![归零编码][RZ]
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@@ -182,9 +191,10 @@ $4B/5B$编码：$4$位码转换为$5$位码，比特流中插入额外的比特
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![调制方法][modulation]
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调幅+调相=$QAM$。所以使用$QAM$技术后，码元类型=相位数×振幅数。
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使用$QAM$级数的数据传输速率为=波特率×$\log_2\,$(相位数×每相位振幅数)。
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1. 幅移键控（调幅$ASK$）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号$1$和$0$，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
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2. 频移键控（调频$FSK$）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号$1$和$0$，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。
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3. 相移键控（调相$PSK$）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号$1$和$0$，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。
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4. 正交振幅调制（$QAM$）。在频率相同的前提下，将$ASK$与$PSK$结合起来，形成叠加信号。设波特率为$B$，采用$m$个相位，每个相位有$n$种振幅，码元类型=相位数×振幅数。则该$QAM$技术的数据传输速率$R$为$R=B\log_2(mn)$，即为波特率×$\log_2\,$(相位数×每相位振幅数)。
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#### 模拟数据到模拟信号
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@@ -25,53 +25,6 @@
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+ 开环控制：在拥塞之前就提前设计解决。
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+ 闭环控制：在拥塞时自动调整解决问题。
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## 分组交换传输方式
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数据报和分组的关系：分组是一段比较长的数据，将它进行切割成一段段之后就得到数据报。
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分组交换分为数据报方式和虚电路方式两种。
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### 数据报方式
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+ 提供无连接服务，可随时发送和接受。
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+ 尽最大可能交付，所以不保证可靠性。
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+ 不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同，也不一定按序到达。
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+ 每个分组携带源和目的地址。
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+ 存储转换需要排队等待。当出现拥塞时会丢弃部分分组。
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+ 可及时更新转发表，适应性强。
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+ 时延小，提高吞吐量。
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+ 不单独占用信道，资源利用率高。
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+ 路由器根据分组的目的地址转发组：基于路由协议/算法构建转发表（目的网络地址与链路接口的散列对）；检索转发表；每个分组独立选路。
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### 虚电路方式
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虚电路将数据报方式与电路交换方式结合。
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虚电路是一条源主机到目的主机类似电路的逻辑连接，路径上所有结点都要维持该虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项都记录一个打开的虚电路的信息。
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虚电路方式提供连接服务，首先为分组的传输确定传输路径，然后沿该路径/连接传输系列分组，分组的传输路径相同，结束后拆除连接。
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1. 建立虚电路连接：每个分组携带（$VCID$），而非目的地址，源主机发送呼叫请求分组并收到呼叫应答分组后才算建立连接。
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2. 数据传输：全双工通信。
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3. 释放虚电路连接：源主机发送释放请求分组以拆除虚电路。
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+ 虚电路通信链路建立拆除需要时间，不适合交互式和小量短分组，适合长时间频繁数据交换。
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+ 链路建立确定传输路径。
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+ 可靠通信，保证有序到达。
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+ 提供流量控制。
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+ 虚电路某点或某部分破坏，则会影响其他相关电路。
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+ 分组首部不包含目的地址，包含虚电路标识符，开销小。
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|数据报服务|虚电路服务
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:----:|:-------:|:-------:
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建立连接|不用|必须
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目的地址|每个分组都要有完成的目的地址|仅在建立连接时使用，之后每个分组使用较短的虚电路号
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路由选择|每个分组单独进行路由选择与转发|属于同一条虚电路的分组按照同一个路由转发
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分组顺序|不保证有序到达|保证有序到达
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可靠性|不保证，可靠性依靠用户主机保证|保证
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网络故障适应性|强|弱
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差错控制和流量控制|用户主机完成|可由网络完成也可以由用户主机完成
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## IP协议
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网际协议是$TCP/IP$协议栈中两个最主要的协议。与之配套的还有地址解析协议$ARP$，网际控制报文协议$ICMP$、网际组管理协议$IGMP$，还有一个逆地址解析协议$RARP$已不被使用。
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