计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）
电路交换、分组交换和报文交换（计算机网络按交换技术分类）
电路交换
- 电话交换机
- 三个步骤：
- 建立连接（分配通信资源）
- 通话（占用通信资源）
- 释放连接（归还通信资源）
效率低，因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。
分组交换
路由器
报文交换
早期电报通信网络
三者对比
电路交换优点
- 通信时延小
- 有序传输
- 没有冲突
- 使用范围广
- 实时性强
- 控制简单
电路交换缺点
- 连接时间长
- 线路独占效率低
- 灵活性差
- 难以规格化
报文交换优点
- 无需建立连接
- 动态分配线路
- 可靠性
- 利用率高
- 多目标服务
报文交换缺点
- 转发时延
- 缓存空间大
- 需要传输额外信息量
分组交换优点
- 无需建立连接
- 线路利用率高
- 简化储存管理
- 加速传输
- 减少出错概率和重发数据量（只需重传错误的部分而不需要整个报文）
分组交换缺点
- 转发时延
- 传输额外信息量
- 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程。
计算机网络的性能指标
速率
带宽
吞吐量
时延
分组传输中
发送时延：源主机将分组发往传输线路花费的时间；
传播时延：代表分组的电信号在链路上传输花费的时间；
处理时延：路由器收到分组后，对其进行传播转发，花费的时间；
计算方法：
时延带宽积（以比特为单位的链路长度）
传播时延x带宽
往返时间（RTT）
利用率
信道利用率：表示信道有百分之几的时间是被利用的
网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均
信道利用率并非越高越好
因为信道利用率越大，该信道时延越大
丢包率
分组的丢失率。指在一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
分组丢失主要有两种情况：（分组误码和网络拥塞）
分组在传输过程中出现误码，被节点丢弃；
分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；在通信量较大时就可能造成网络拥塞。
计算机网络体系结构
常见的计算机体系结构
OSI和TCP/IP
TCP/IP参考模型的网络层提供的是无连接不可靠的数据报服务。
计算机网络体系结构分层的必要性
物理层：
采用怎样的传输媒体介质
使用怎样的物理接口
使用怎样的信号表示比特0和1
数据链路层：
如何标识网络中的各个主机（主机编址问题，例如MAC地址）
如何从信号所表示的一串比特流中区分出地址和数据
如何协调各主机争用总线
网络层：
如何标识网络以及网络中的各个主机（网络和主机共同编址问题，例如IP地址）
路由器如何转发分组以及如何进行路由选择
运输层：
如何解决进程之间基于网络的通信问题
出现传输错误时如何处理
应用层：
通过应用进程之间的交互来完成特定的网络应用
真题：在OSI参考模型中，自上而下第一个提供端到端服务的层次是传输层
传输层和网络层的区别：
传输层使用端口号作为应用层的应用进程之间提供端到端的逻辑通信，而网络层仅仅为主机之间提供逻辑通信。
计算机网络体系结构分层思想举例
计算机网络体系结构中的专用术语
实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等实体：收发双方相同层次中的实体。
协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。
协议三要素：语法、语义、同步
语法：定义所交换信息的格式
语义：定义收发双方所要完成的操作
同步：定义收发双方的时序关系
服务访问点
在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型
eg：数据链路层的服务访问点是帧的“类型”字段；网络层的服务访问点为ip数据报首部中的“协议字段”；运输层的服务访问点为“端口号”。
服务原语
上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
协议数据单元PDU
对等层次之间传输的数据包
服务数据单元SDU
同一系统内，层与层之间交换的数据包
多个SDU可以合成一个PDU，一个SDU也可划分为几个PDU。
例题：
练习题：
BACDC
关于时延，例题
物理层的基本概念
物理层下面的传输媒体
导引型：同轴电缆，双绞线，光纤，电力线
同轴电缆
双绞线：
光纤：
电力线
非导引型：无线电波，微波，红外线，可见光
传输方式
串行传输和并行传输
同步传输和异步传输
编码与调制
传输媒体与信道的关系
单工传输，传输媒体中只包括一种信道，要么是发送信道，要么是接收信道。
全双工或半双工，传输信道里既包括发送信道，又包括接收信道。
如果使用信道复用技术，一条传输媒体中可以包括多条信道。
常用编码
不归零编码（存在同步问题）
需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。
对于计算机网络，宁愿利用这根线来传输数据信号而不是时钟信号，所以不用不归零编码。
归零编码（自同步，编码效率低）
每个码元传输结束后信号都要“归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。
但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输"归零”而浪费掉了。
曼彻斯特编码（传统以太网）
负跳变表示比特1，正跳变表示比特0
码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。
差分曼彻斯特编码（比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率）
1.跳变仅表示时钟；
2.码元开始处电平是否发生变化表示数据。
例题： A
基本调制方法
二元调制
数字基带信号是指经过模拟到数字转换后得到的信号，它表示数字信息的原始形式，通常以离散的时间和幅度值表示。
调幅（AM）是一种调制技术，其中载波的幅度随着调制信号的变化而变化。调幅信号具有在频谱上存在两个边带的特点，它们的频率分别与调制信号的频率相对应。
调频（FM）是一种调制技术，其中载波的频率随着调制信号的变化而变化。调频信号具有在频谱上存在两个边带的特点，它们的幅度与调制信号的幅度相对应。
调相（PM）是一种调制技术，其中载波的相位随着调制信号的变化而变化。调相信号在频谱上也会存在两个边带，它们的频率与调制信号的频率相对应，但幅度与调制信号的幅度无关。
这些调制技术都是用来在信号传输中改变载波的某种属性，以便携带信息。它们之间的关系在于它们都是基于载波进行调制，但调制的方式不同。在实际应用中，常常将这些调制技术组合在一起使用，以实现更高效、更可靠的信号传输。例如，常见的广播电台就使用调幅或调频技术进行音频信号的传输。
（这是ChatGPT说的）
混合调制
使用基本调制方法，一个码元只能包含一个比特信息。为了使一个码元包含更多的比特，使用混合调制方法。
混合调制举例——正交振幅调制QAM
QAM-16
- 12种相位
- 每种相位有1或2种振幅可选
- 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应4个比特
- 码元与4个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个码元只有1个比特不同
信道极限容量
码间串扰（Inter-Symbol Interference，ISI）是一种在数字通信中出现的问题，它是由于相邻码元之间的干扰引起的。当码元之间的传输信道具有衰减和时延等效应时，接收端可能会收到相邻码元的干扰，导致接收到的信号变得模糊和失真。
低通信道和带通信道是信号传输中的两种基本类型，它们描述了信号在频谱上的传递范围和限制。
低通信道（Low Pass Channel）：低通信道是指允许较低频率信号传输的信道。它的特点是高频信号被削弱或阻塞，而较低频率的信号可以更容易地通过。在低通信道中，频率响应在低频范围内较为平坦，而在高频范围内衰减。
带通信道（Band Pass Channel）：带通信道是指允许特定频率范围内的信号传输的信道。它的特点是只允许特定的频带信号通过，而其他频带的信号被滤波器阻止。在带通信道中，频率响应在特定频带范围内较为平坦，而在频带范围之外衰减。
奈氏准则
香农公式
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的速率传输极限。
例题：
信道复用
