网络体系结构与物理层

本节导读

大纲的「计算机网络概述」包括网络的定义、组成与功能、分类、主要性能指标，以及分层结构，协议、接口、服务等概念，ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型；「物理层」包括通信基础（信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿，奈奎斯特定理与香农定理，编码与调制，电路交换、报文交换与分组交换，数据报与虚电路）、传输介质与物理层接口的特性、物理层设备（中继器、集线器）。

这一节的计算有三类：各种时延、两个定理求极限数据率、交换方式的总时间。注意：数据率里的 k、M、G 按 10 的 3、6、9 次方计算，而文件、存储容量里的 KB、MB 常按 2 的 10、20 次方计算，题目一般会说明。

网络的组成、分类与性能指标

计算机网络由硬件、软件和协议组成，主要功能是数据通信、资源共享和分布式处理。按覆盖范围分为广域网、城域网、局域网、个人区域网；按交换方式分为电路交换网、报文交换网、分组交换网；按拓扑分为总线形、星形、环形、网状等。

指标	含义与算法
速率、带宽	每秒传送的比特数（b/s）；带宽在网络中指最高数据率
吞吐量	单位时间内实际通过某个网络（或接口）的数据量
发送时延	数据长度 ÷ 发送速率，把数据全部推上链路所用的时间
传播时延	信道长度 ÷ 传播速率，电磁波在信道中走完全程的时间
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，即链路上最多「在路上」的比特数
往返时间 RTT	从发送方发出数据到收到对方确认的时间
利用率	信道或网络有数据通过的时间比例；若空闲时时延为 D0、利用率为 U，则时延约为 D0 ÷ (1 − U)

提高带宽只能缩短发送时延，传播时延由距离和介质决定，与带宽无关。

分层结构、协议与服务

协议是控制对等实体之间通信的规则，由语法（格式）、语义（含义与动作）、同步（时序）三要素组成，是「水平的」；服务是下层通过层间接口向上层提供的功能，是「垂直的」。上层通过服务访问点 SAP 使用下层的服务，只能看见服务，看不见下层的协议。对等层之间交换的数据单位叫协议数据单元 PDU，本层从上层收到的数据叫服务数据单元 SDU。

OSI 参考模型	主要功能	TCP/IP 模型	PDU 名称
应用层	为用户的应用提供服务	应用层	报文
表示层	数据格式转换、加密、压缩	应用层	报文
会话层	建立、管理会话，同步	应用层	报文
传输层	端到端（进程到进程）的通信	传输层	报文段或用户数据报
网络层	路由选择与分组转发	网际层	分组（IP 数据报）
数据链路层	相邻结点间成帧传输、差错检测	网络接口层	帧
物理层	在介质上透明地传输比特流	网络接口层	比特

OSI 先有模型后有协议，是法律上的标准；TCP/IP 先有协议后有模型，是事实上的标准。教学上常用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。

通信基础：码元、两个定理、编码与调制

码元是用一个固定时长的信号波形表示的一位 M 进制数字，每秒传送的码元数叫波特率（单位 Baud）。一个码元有 M 种状态时携带 log2 M 比特，数据率 = 波特率 × log2 M。

• 奈奎斯特定理：理想低通信道（带宽 W Hz）的最高码元速率为 2W Baud，极限数据率为 2W × log2 M（b/s）。它说明码元速率有上限，提高数据率要让每个码元携带更多比特。
• 香农定理：有噪声的信道，极限数据率 C = W × log2(1 + S/N)（b/s），S/N 是信号功率与噪声功率之比；用分贝表示时，信噪比（dB）= 10 × log10(S/N)，如 30 dB 对应 S/N = 1000。

两个定理同时适用时，实际能达到的数据率不能超过其中较小的那个。

编码方式	表示方法
不归零 NRZ	高电平表示 1、低电平表示 0，一个码元内不跳变，难以提取同步信号
归零 RZ	每个码元中间回到零电平，自同步但浪费带宽
反向不归零 NRZI	电平翻转表示 0，不翻转表示 1
曼彻斯特	每位中间都跳变，用跳变方向表示 0 或 1，跳变兼作同步信号，码元速率是数据率的 2 倍
差分曼彻斯特	每位中间都跳变，用位开始处有无跳变表示 0 或 1，抗干扰性更好

调制把数字数据变成模拟信号：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM），以及同时改变振幅和相位的正交振幅调制（QAM）。