网络体系结构与数据通信基础

本节导读

计算机网络的大纲只有六条：网络与体系结构的概念、数据通信基础、Internet 的体系结构和各层协议、网络互联技术、典型网络应用、网络安全的概念和协议。本课用四节讲：本节讲体系结构、数据通信和数据链路层；第 19 节讲网络层与网络互联；第 20 节讲传输层与网络应用；第 21 节讲网络安全。

常见资料提到这门课的题型有填空、单项选择、名词解释、问答计算。本节的计算集中在时延、信道极限速率、CRC 和以太网最短帧长，名词解释可以重点准备协议、服务、时延带宽积这类概念。学完你应该能把每个公式的单位换算做对，特别是比特与字节、毫秒与微秒。

网络体系结构

按覆盖范围，网络分为局域网、城域网和广域网；按交换方式，分为电路交换（先建立连接、独占线路）、报文交换（整个报文存储转发）和分组交换（把报文分成分组存储转发，Internet 采用）。

网络协议是为数据交换而建立的规则，三要素是语法（数据的格式）、语义（控制信息的含义和动作）、同步（事件的先后顺序）。分层结构中，协议是对等层之间水平的规则，服务是下层向上层提供的垂直的功能，上下层交换数据的地方叫服务访问点。各层交换的数据单元叫协议数据单元。

OSI 参考模型	TCP/IP 体系	主要功能	数据单元	典型协议 / 设备
应用层、表示层、会话层	应用层	为应用程序提供服务	报文	HTTP、SMTP、DNS
传输层	传输层	端到端（进程到进程）的通信	报文段	TCP、UDP
网络层	网际层	路由选择、分组转发	分组（IP 数据报）	IP、ICMP、ARP；路由器
数据链路层	网络接口层	相邻结点间成帧、差错检测	帧	PPP、以太网；交换机
物理层	（网络接口层）	在介质上透明地传比特	比特	集线器、中继器

教学中常用把两者折中的五层模型：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

网络的性能指标

指标	公式或含义
发送时延	数据长度 ÷ 发送速率
传播时延	信道长度 ÷ 传播速率（电磁波在铜线、光纤中约 $2 \times 10^8$2×108 m/s）
总时延	发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
时延带宽积	传播时延 × 带宽，即链路上「正在路上」的比特数
往返时间 RTT	从发送数据到收到确认所经历的时间

例如 $10^7$107 比特的数据在 100 Mb/s、长 2000 km 的链路上传送：发送时延 0.1 s，传播时延 0.01 s。提高数据率只能缩短发送时延，传播时延由距离和介质决定。

数据通信基础

码元是承载信息的基本信号单位，每秒传送的码元数叫波特率 B；每个码元有 V 种状态时，比特率 $R = B \log_2 V$R=Blog2​V。两条极限定理：

$C_{\text{奈奎斯特}} = 2W \log_2 V \qquad C_{\text{香农}} = W \log_2 \left(1 + \frac{S}{N}\right)$C奈奎斯特​=2Wlog2​VC香农​=Wlog2​(1+NS​)

奈奎斯特定理针对理想低通、无噪声的信道，W 是带宽（Hz）；香农公式给出有噪声信道的极限，信噪比常用分贝表示：分贝数 $= 10 \log_{10} \frac{S}{N}$=10log10​NS​，比如 30 dB 对应 $\frac{S}{N} = 1000$NS​=1000。

数字信号的编码：不归零码用高低电平表示 1 和 0；曼彻斯特编码在每一位中间都有跳变，自带同步，以太网采用，但信号速率是数据率的两倍；差分曼彻斯特编码用位开始处有无跳变区分 0 和 1。模拟传输要调制：调幅、调频、调相，以及把幅度和相位结合起来的正交调幅。

多路复用让多路信号共用一条线路：频分复用、时分复用、统计时分复用（按需分配时隙）、波分复用（光纤上的频分复用）和码分复用。码分复用给每个站分配一个码片序列，各站的码片序列两两正交；站发 1 就送出码片序列，发 0 就送出它的反码，接收方用某站的码片序列与收到的信号求规格化内积，结果为 1、−1、0 分别表示该站发了 1、发了 0、没有发送。