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计算机网络的一些概念及数据通信基础(物理层)

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一、概念

???????计算机网络(computer network)定义:由通信信道连接的主机和网络设备的集合,以方便用户共享资源和相互通信。
???????主要特征:通用性,不对特定应用优化;能支持广泛、不断出现的新型应用。
???????用途:共享信息,协同计算,共享硬件,方便通信。


???????在计算机网络中,结点指的就是计算设备,链路指的就是物理媒体。


???????构成网络的三种方式:直接连接(包括点到点链路,多路访问链路),网络云(通常采用分组交换技术),网络云互联。


???????端到端原则:边缘智能,核心简单。


???????应用程序体系结构主流模式:客户/服务器结构模式,简称C/S模式;对等方到对等方体系结构模式,简称P2P模式。


???????网络协议(network protocol):为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
???????网络协议3要素:
???????语法 :数据与控制信息的结构或格式。
???????语义:发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应。
???????定时:事件实现顺序的详细说明。


???????协议是水*的,服务是垂直的,即协议只能在同一层上使用,而向上的服务利用了下层的功能。


???????计算机网络的几种体系结构:

???????四种时延(处理时延、排队时延、传播时延、传输时延(也叫发送时延))产生的位置和原因:

???????处理时延:检查比特差错,决定输出链路。
???????排队时延:等待输出链路传输的时间,取决于路由器拥塞的等级。
???????发送时延:R= 链路带宽 (bps),L= 分组长度 (比特),发送比特进入链路的时间= L/R。
???????传播时延:d = 物理链路的长度,s = 在介质中传播的速度 (~2x108 m/sec),传播时延 = d/s。
???????结点时延 = 处理时延 + 排队时延 + 发送时延 + 传播时延。


???????计算时延的例子:
???????50MB数据块通过1 Mbps信道传输
???????①传输时延 :50×220×8/10^6 = 419.45 s(*7分钟),50MB = 502208,1Mbps = 10^6。
???????用光纤传送到1000 km远,传播时延=5ms
???????所以,传输时延占主导
???????②若采用100Gbps高速信道
???????传输时延50×220×8/1011 = 4.1945 ms
???????传输时延和传播时延相当(两者占主导)


???????在总时延中,究竟是哪一种时延占主导地位,必须具体分析。


二、物理层知识
1.奈奎斯特(Nyquist)公式

???????任何实际的信道所能传输的最大数据传输速率受到奈奎斯特(Nyquist)公式限制:

???????M为信号状态数量,W为信道带宽。


???????例:
???????3kHz带宽电话信道用调*獾髌鞔涫中藕牛苣问瞎较拗疲疃喾⑺2W=6000个码元。
???????若信号状态数量M=2,最大数据传输速率为6kbps。
???????若M=4,每个码元携带2比特信息,最大容量为12kbps。
???????即要提高信道传输速率,必须设法提高每码元携带的比特信息量,即多元制调制。


2.香农公式

???????香农公式指出,信道的极限信息传输速率C可表达为:

???????其中:W为信道带宽(以Hz为单位);S为信道内所传信号的*均功率;N为信道内部的高斯噪声功率。
???????例:
???????带宽3kHz、信噪比30db(S/N=1000)的电话信道,任何技术都无法突破香农公式理论上传输速率极限值C=3103log2(1+1000) = 30kbps


3.其他概念

???????波特率:波特率是指信号值每秒钟变化的次数,代表码元的传输速率。
???????比特率:指每秒钟传输的数据位数。


???????编码可以提高数据的传输率。


???????模拟数据用模拟信号发送需要载波。
???????数字数据用数字信号发送需要编码。
???????模拟数据用数字信号发送需要采样。
???????数字数据用模拟信号发送需要调制。


???????传输媒体:双绞线,同轴电缆,光纤,无线电。
???????不同类型设备之间的连接采用直通线,相同类型设备之间采用交叉线。
???????路由器和计算机都属于DTE设备,交换机和集线器属于DCE设备。
???????DTE设备(数据终端设备):具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备,如计算机。
???????DCE设备(数据电路端接设备):在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能,并负责建立、保持和释放数据链路的连接,如MODEM(调*獾髌鳎


4.信道复用

???????频分复用、时分复用、波分复用(光的频分复用,用不同的光谱)、码分多址(码分复用,CDMA)。


???????码分复用 CDM:
???????常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
???????各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。
???????这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。
???????每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)。


???????CDMA 的重要特点:
???????每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。
???????在实用的系统中是使用伪随机码序列。


???????CDMA工作原理:
???????经过运算,将其他站的信息过滤掉;
???????利用内积运算进行过滤;
???????实现方法:
???????将每个比特时间再细分为m个短间隔,每个短间隔被称作码片(chip),一般m=64或128;
???????对每个站指定唯一的码片序列;
???????码片序列(chip sequence) :
???????每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。
???????如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。
???????如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。
???????例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
???????发送比特 1 时,就发送序列 00011011,
???????发送比特 0 时,就发送序列 11100100。
???????S 站的码片序列:(?1 ?1 ?1 +1 +1 ?1 +1 +1)。
???????系统中每个站的码片序列不同且正交;
???????码片序列的正交关系:
???????令向量 S 表示站 S 的码片向量,令 T 表示其他任何站的码片向量。
???????两个不同站的码片序列正交,就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0:
???????????????????????????????????
???????正交关系的另一个重要特性 :
???????任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。
???????
???????一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 ?1。


???????接收站使用S站的码片序列与接收到的向量做内积,必有:
???????所有其他站的信号都被滤掉(内积为0);
???????运算结果为+1:S站发送1;
???????运算结果为-1:S站发送0;
???????运算结果为0:S站没有发送数据;


5.三种交换方式


???????电路交换:主要用于电话网,在发送方和接收方之间通过多台交换机建立一条连接(电路circuit)
???????分组交换:采用存储转发技术,基于数据从发送方到接收方,中间要经过多个结点暂时存储,然后根据接收方的地址,找到下一个接受该数据的结点,并将数据转发出去,直到到达接收方为止。发送数据之前要对数据进行分段处理,把要发送的整块数据称为一个报文,报文被分成一个个更小的数据段,每个数据段之前加上一些必要的控制信息组成首部,形成分组(也叫包,首部也叫包头)。


???????报文交换:整个报文进行发送,不用分组。


???????不同的交换技术有不同的特点,使用交换技术的好处包括增加通信质量,提高线路利用率等。常用的交换技术有电路交换、报文交换和分组交换。
???????电路交换的优点:独占资源,通信质量有保证,传输时延小,通信中无拥塞。
???????电路交换的缺点:建连时间较长,工作过程复杂,在某些情况下,电路空闲时的信道容量被浪费。
???????报文交换的优点:无连接,报文发给相邻结点,报文存储后再选择合适出口向后转发,直至目的结点,以“存储转发”为特征。
???????报文交换的缺点:对报文长度不加限制,中间结点存储空间很大,长时间占用某段线路,导致报文在中间结点时延非常大。
???????分组交换的优点:传输质量高,可靠性高,为不同种类的终端相互通信提供方便,能满足通信实时性要求,可实现分组多路通信,经济性好。
???????分组交换的缺点:对于较长的报文来说,分组交换的传输效率不如电路交换和报文交换,对交换机的处理能力要求较高。


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