计算机网络与互联网知识点总结（一）

一、计算机网络知识点概述

• 计算机网络把许多计算机连接在一起，互联网把许多网络连接在一起，是网络的网络。
• 大写字母I开始的Internet为专用名词，是当今全球最大的、开放的、由众多网络组成的特定计算机网络，采用TCP/IP协议族作为通信规则。
• 按照因特网的工作方式可划分为边缘部分和核心部分。主机在网络的边缘部分，作用是信息处理。路由器在网络的核心部分，作用是按存储转发方式进行分组交换。
• 计算机通信是计算机中的进程（运行的程序）之间的通信。采用的通信方式是客户-服务器方式和对等连接方式（P2P方式）。
• 客户是服务器请求方，服务器时服务提供方。
• 按照网络的作用范围不同，可分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人网PAN。
• 计算机网络常用的性能指标是：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、信道利用率。
• 网络协议，为进行网络中的数据交换而建立的规则。计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。
• 五层协议体系结构由应用层、运输层、网络层（网际层）、数据链路层、物理层组成。运输层最重要的协议是传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，而网络层最重要的协议是网际协议IP。

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二、物理层

• 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。
• 数据在计算机中多采用并行传输方式。但是数据在通信线路（传输媒体）上传输一般采取串行传输，即逐个bit按照时间顺序传输。物理层还需要完成传输方式的转换。

1、数据通信系统模型

• 下图，一个数据通信系统分为源系统（发送方、发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端、接收方）。
• 源系统包括：1. 源点：产生要传输的数据。2. 发送站：源点产生的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器是调制器。
• 目的系统包括：1. 接收器：接收传输系统传来的信号，并把它转化为能够被目的设备处理掉的信息。典型的接收器就是解调器。2. 终点：终点设备获取传送来的比特流，然后把消息输出。
  
• 通信的目的是传送消息（语音，文字，图像）。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现。
• 根据信号中代表消息的参数的取值，信号可分为：（1）模拟信号（连续信号）——消息参数的取值是连续的。（2）数字信号（离散信号）——消息的参数取值是离散的。在使用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

2、有关信道（channel）的基本概念

• 信道：某一个方向传送信息的媒介。
• 从通信双方交互的方式来看，有以下三种基本方式：（1）单向通信（单工通信）：只有一个方向的通信，没有反向交互。（2）双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（不能同时接收）。（3）双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收信息。
• 来自信源的信号常称为基带信号。基带信号常包含很多低频的成分或直流分量，必须使用调制来解决。
• 调制可分为两类：基带调制：只对基带信号的波形进行变换，使它能与信道特性相适应。只是把数字信号转换为另一种数字信号，所以大家更愿意把这种过程称为编码。另一种是使用载波进行带通调制：把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转化为模拟信号，称为带通信号。
• 常用的编码方式如下图：

• 基本的带通调制方法如下图：

• 调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。

3、信道的极限容量

• 寻找提高数据传输速度的途径，在信号传输时会产生各种失真。限制码元在信道上的传输速率的因素：（1）信道能够通过的频率范围：信号中的许多高频分量往往不是通过信道。在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限的现象就是码间串扰。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端收到对码元的判决（识别）成为不可能。
• （2）信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为$S/N$S/N。用分贝（dB）作为度量单位。
• 1984年，香农提出香农公式：信道的极限信息传输速率$C$C是：$C=Wlog_2(1+S/N)$C=Wlog2​(1+S/N)。W是信道带宽；S是信道传输信号的平均功率；N是信道内部的高斯噪声功率。
• 香农公式表明，信道带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。也就是说，只要信息传输速率低于信道的极限信息传输，就一定能够找出办法来实现无差错的传输。
• 可以使用每一个码元携带更多的比特信息量的方法来提高信息的传递速率。

4、物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也称为传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。可分为两大类：（1）导引型传输媒体：电磁波沿着固体媒体传播。（2）非导引型传输媒体：*空间，无线传输。

导引型传输媒介

• 双绞线：两根互相绝缘的铜线绞合在一起。最多的就是电话系统，到电话交换机。为防止电磁干扰，在双绞线外面包裹屏蔽双绞线（STP）。
• 同轴电缆：内部导体铜制芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层、保护塑料外层组成。
• 光缆：光纤通信，利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。出现光的全反射，没什么损耗、抗击雷电和电磁干扰、保密好、体积小重量轻。

非导引型传输媒介

• 短波通信（高频通信）靠电离层反射，但电离层不稳定产生衰落现象，多径效应。
• 微波通信：直线传播，传统的方式有地面微波接力通信，卫星通信。

5、信道复用技术

频分复用、时分复用、统计时分复用

• 频分复用（FDM）：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用着这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用着不同的带宽资源。
• 时分复用（TDM）：将时间划分为一段一段等长的时分复用帧（TDM帧），时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

• 在进行通信中，复用器和分用器总是成对的使用。分用器把告诉信道传送过来的数据进行分用，交到相应用户。
• 统计时分复用（STDM）：明显地提高信道的利用率。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中按照顺序依次扫描输入缓存，STDM是按需动态地分配时隙。

波分复用（WDM）

• 最初用一根光纤上复用两路光载波信息。后来路数越来越多，于是使用了密集波复用（DWDM）。

码分复用（CDM）

• 码分多址（CDMA）。每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户经过特殊挑选的不同码型，各用于之间不会造成干扰。码分复用发送的信号有很强的抗干扰能力，频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

6、带宽接入技术

• 用户要链接因特网，必须先连接到某个ISP，以便获得时尚网所需的IP地址。初期，用户利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP。
• 从带宽接入的媒体来看，可划分为两大类。一类是有线带宽接入，另一类是无线带宽接入。
• 用户到因特网的带宽接入方法有非对称数字用户线（ADSL）（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）、光纤同轴混合网（HFC）（子有线电视网的基础上开发的）、FTTx（光纤到…）。