【计算机网络 2】分层架构与数据通信基础

骑猪看日落 2021-09-09 05:16 432阅读 0赞

**目录**

一、分层架构相关概念

二、认识分层结构

1、实体

2、协议

3、接口

4、服务

三、OSI参考模型

1、应用层

2、表示层

3、会话层

4、传输层

5、网络层

6、数据链路层

7、物理层

四、OSI参考模型和TCP/IP参考模型

五、五层参考模型

六、物理层基本概念

1、机械特性

2、电气特性

3、功能特性

4、规格特性

七、数据通信基础知识

1、典型的数据通信模型

2、数据通信的相关术语

3、三种通信方式

4、两种数据传输方式

5、码元

6、速率、波特

7、带宽

八、失真

1、影响失真程度的因素

2、失真的一种现象 -> 码间串扰

九、奈氏准则

十、香农定理

--------------------

## 一、分层架构相关概念 ##

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。

计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。

每层遵循某个网络协议以完成本层功能。

计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

第n层在向第n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。

仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

## 二、认识分层结构 ##

### 1、实体 ###

第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。

### 2、协议 ###

为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。

语法：规定传输数据的格式；

语义：规定所要完成的功能；

同步：规定各种操作的顺序；

### 3、接口 ###

访问服务点SAP，上层使用下层服务的入口

### 4、服务 ###

下层为相邻上层提供的功能调用。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据；

PCI协议控制信息：控制协议等操作的信息；

PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单元；

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

## 三、OSI参考模型 ##

![20210727223015845.png][]

### 1、应用层 ###

所有能和用户交互产生网络流量的程序，比如QQ、微信。

典型应用层服务：

1.  文件传送FTP
2.  电子邮件SMTP
3.  万维网HTTP

### 2、表示层 ###

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）

功能一：数据格式变换

...0111011000...

翻译为：

![20210727223411210.png][]

功能二：数据加密解密

功能三：数据压缩和恢复

### ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][] ###

### 3、会话层 ###

向表示层提供建立连接并在连接上有序地传输数据。

这是会话，建立同步SYN。

功能：

1.  建立、管理、终止会话
2.  使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步。
3.  适用于传输大文件。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

### 4、传输层 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

### 5、网络层 ###

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

网络层传输单位是数据报。

功能：

1.  路由选择，最佳路径
2.  流量控制
3.  差错控制
4.  拥塞控制

### 6、数据链路层 ###

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。

数据链路层的传输单位是帧。

功能：

1.  成帧（定义帧的开始和结束）
2.  差错控制 帧错+位错
3.  流量控制
4.  访问控制 （控制对信道的访问）

### 7、物理层 ###

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。

物理层传输单位是比特。

透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

功能：

1.  定义接口特性
2.  定义传输模式（单工、半双工、双工）
3.  定义传输速率
4.  比特同步
5.  比特编码

## 四、OSI参考模型和TCP/IP参考模型 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

1、OSI定义三点：服务、协议、接口

2、OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

3、TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次

4、网络层和传输层的不同之处

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>ISO/OSI参考模型</td> 
   <td>TCP/IP模型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>网络层</td> 
   <td>无连接 + 面向连接</td> 
   <td>无连接</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>传输层</td> 
   <td>面向连接</td> 
   <td>无连接 + 面向连接</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

面向连接分为三个阶段：

1.  建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求，只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输。
2.  当数据传输完毕，必须释放连接。
3.  面向无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输。

## 五、五层参考模型 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

五层参考模型的数据封装与解封装

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

## 六、物理层基本概念 ##

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。

### 1、机械特性 ###

定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

### 2、电气特性 ###

规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。

某网络在物理层规定，信号的电平用+10V~+15V表示二进制0，用-10V~-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内。

### 3、功能特性 ###

指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。

描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义。

### 4、规格特性 ###

定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

## 七、数据通信基础知识 ##

### 1、典型的数据通信模型 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

### 2、数据通信的相关术语 ###

*  数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
 *  信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。（数字信号：代表消息的参数取值是离散的。模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。）
 *  信源：产生和发送数据的源头。
 *  信宿：接收数据的终点。
 *  信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

信道：

传输信号： 模拟信道（传送模拟信号）数字信道（传送数字信号）

传输介质： 无限信道 有线信道

### 3、三种通信方式 ###

（1）单工信道

只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。

（2）半双工通信

通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。

（3）全双工信道

通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道。

### 4、两种数据传输方式 ###

（1）串行传输

速度慢、费用低、适合远距离

（2）并行传输。

速度快、费用高、适合近距离

常用语计算机内部的数据传输。

### 5、码元 ###

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为K进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元也称为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

![2021072822020144.png][]

M进制码元：

4进制码元  -> 码元的离散状态有4个 -> 4种高低不同的信号波形 00/01/10/11

### 6、速率、波特 ###

速度也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

（1）码元传输速率

别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是比特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以使多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。

简而言之，就是1S传输多少个码元。

（2）信息比特速率

别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

简而言之，就是1S传输多少个比特。

关系：

如果一个码元携带n比特的信息量，则m波特的码元传输速率所对应的信息传输速率为m \* n bit/s。

### 7、带宽 ###

表示单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

> 练习题：
> 
> 某一数字通信系统传输的是四进制码元，4S传输了8000个码元，求系统的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？若另一个系统传输的是十六进制码元，6S传输了7200个码元，求它的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？并指出哪个系统传输速率快？
> 
> 答案：
> 
> 2000Baud、4000b/s、1200Baud、4800b/s；十六进制更快。
> 
> 系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率。

## 八、失真 ##

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### 1、影响失真程度的因素 ###

1.  码元传输速率
2.  信号传输距离
3.  噪声干扰
4.  传输媒体质量

### 2、失真的一种现象 -> 码间串扰 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3J1aV9qYXZh_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

图中200HZ表示信号带宽。

信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。

3300HZ - 300HZ = 3000HZ

200HZ不能通过的原因：

震动的频率太低了，在非常复杂的电话线上传播过程中都衰减没了。

4000HZ不能通过的原因：

震动的次数和频率太快了，导致接收端在接收的时候区分不出波形间的差异，此时就出现了码间串扰的现象。

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

## 九、奈氏准则 ##

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。

![2021072822540177.png][]

1、在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别称为不可能。

2、信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

3、奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。

4、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个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

> 练习题：
> 
> 在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？
> 
> 信号有4 \* 4 = 16种变化
> 
> 最大数据传输率 = 2 \* 3k \* 4 = 24kb/s

## 十、香农定理 ##

噪声存在于所有电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：

![20210728231028120.png][]

香农定理：

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。

![20210728231329468.png][]

1.  信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2.  对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3.  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法来实现无差错的传输。
4.  香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5.  从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

> 练习题：
> 
> 电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？
> 
> ![20210728232000542.png][]

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[Java]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/112391105
[Spring]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/104018528
[springBoot]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/104137262
[Link 1]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/106217472
[Java_23]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/104026988
[Java 1]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/107803283
[MySql]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/118558095
[Linux]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/117430091
[Redis]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/116850879