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  • 计算机网络技术概述
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    2021-06-29 11:43:04

    计算机网络新技术概述

    学部:信息科学与技术部

    班级:10自动化1班

    姓名:马恒

    学号:201015470105

    计算机网络技术是通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络是按照网络协议, 将地球上分散的、独立的计算机相互连接的集合。连接介质可以是电缆、双绞线、光纤、微波、载波或通信卫星。计算机网络具有共享硬件、软件和数据资源的功能, 具有对共享数据资源集中处理及管理和维护的能力。本文将对网络关键技术及其新发展进行概述。

    1 计算机网络传输介质技术

    在计算机网络中, 信息的传输是通过传输介质从一个节点传输到另一个节点, 常用介质如下:

    (1) 双绞线: 普遍用于公共电话交换系统, 可分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线。

    (2) 同轴电缆: 具有传输频带宽, 话路容量大, 抗干扰性能好, 传输速率高等优点。

    (3) 光纤:具有载波频率高, 通信容量大, 传输损耗小, 不受外界电磁场干扰, 体积小, 重量轻等优点, 是计算机网络通信领域中最具竞争性的一种传输介质。

    (4) 视线介质通信: 包括无线电通信、微波通信、红外线通信等利用空间传输电磁波技术实现的通信。

    (5) 卫星通信:一个静止轨道的同步卫星可以覆盖地球表面积三分之一的地区, 只需要经过一次中继。目前, 从各种传输介质和传输系统的各自特点和应用看, 光纤通信和卫星通信将是今后计算机传输介质技术的应用主流, 而新型无屏蔽双绞线在一定范围条件下仍将会得到广泛的应用。

    2 计算机网络交换技术

    在实现计算机互连通信时, 计算机网络按数据交换技术的方式划分共有四种: 电路交换网、存储转发交换网、混合交换网和高速交换网。

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  • 计算机网络技术的发展现状和前景

    千次阅读 2021-06-18 04:56:45
    但是,也不得不看到目前我国计算机网络技术发展中仍然存在一些问题,例如计算机网络技术创新性应用和开发的不足;计算机在社会中的应用仍然局限于一些较浅层次等。所以我们有必要对计算机和网络技术前景进行研究,...

    摘 要:计算机和网络目前已经在我国社会得到普及化应用,对人们生活的方方面面和社会各项工作的开展都产生了革命性的巨大影响。但是,也不得不看到目前我国计算机网络技术发展中仍然存在一些问题,例如计算机网络技术创新性应用和开发的不足;计算机在社会中的应用仍然局限于一些较浅层次等。所以我们有必要对计算机和网络技术前景进行研究,因此本文就对计算机网络技术的发展现状和前景进行探究,并结合高中生学习生活提出高中生如何以行动融入互联网时代。

    关键词:计算机网络技术;发展现状;互联网

    DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.02.129

    1 计算机网络技术的发展现状和前景

    计算机和网络目前已经在我国社会得到普及化应用,对人们生活的方方面面和社会各项工作的开展都产生了革命性的巨大影响。自1994年我国接入互联网以来,互联网应用群体,应用领域和应用水平不断提升,进入21世纪以来,以上领域更是飞速发展。对我国互联网的现状的分析应该包含以下几个方面,首先是互联网的相关基础,互联网的基础条件主要指网民的IP地址、网站、域名等软资源,还有网络设备、网络光缆等硬件资源。我国互联网软资源自2007年后快速发展,随着经济的快速发展,居民收入的持续增长以及国家政策支持,目前中国的网民数量已经处于世界首位,但网民地域分布极不均衡,主要集中在东部经济发达的城市地区。在网络应用方面,CNNIC发布的数据显示,我国网民的互联网应用集中在音乐、影视等娱乐方面,互联网办公、学习、开发等方面的应用有所不足,但在持续上升之中。同时,我国的计算机网络技术应用相较发达国家还有一定的差距,计算机网络技术应用层次整体比较浅层化、计算机网络技术创新性应用和开发不足、计算机网络技术秩序还不够规范等等。

    在可预见的未来,我国的互联网整体发展将呈现以下几个趋势:第一,我国互联网开放水平将进一步提高,随着监管机制的不断健全,国家将有能力在保障信息安全的基础上提高互联网开放水平,互联网信息来源进一步丰富,与国际同步水平进一步提高;第二,互联网应用水平进一步提高,电子商务、电子办公将成为主流。随着互联网资源的丰富,年青一代互联网技术教育的普及,未来互联网应用水平和应用领域都将较现在有较大改观,计算机网络技术的应用层次将得到极大深化,对人们的日常生活也将产生更加深刻的影响;第三,互联网应用门槛降低,随着互联网技术的进一步开发,互联网操作将更加简便化、人性化,更多的人将能够享受互联网福利,举一个简单的例子,目前网络购票日益成为铁路主要购票方式;第四,网络秩序进一步改善,互联网进一步规范化,随着网络规模进一步扩大,必须以制度化设计保障互联网秩序;第五,网络信息的舆论影响进一步加强,随着网络的进一步普及。网络信息的舆论影响力将超越传统媒体信息。最后,计算机网络技术创新性人才培养将获得更大重视,计算机网络技术创新发展动力更加充足。

    2 高中生如何以行动融入互联网时代

    2.1 培养自己的技术问题意识

    提出问题是创新的第一步也是至关重要的一步,纵观人类技术史上的每一次重大变革,无不是从一个个问题开始的。可以说,好奇是发现问题的第一步,人生而便拥有很强的好奇心,学生时期更是一个人好奇心较重的时期。所以在日常学习特别是计算机学习的过程中,我们要培养自己的技术问题意识,在计算机课堂上遇到问题要敢于大胆发问,大胆质疑。对于发现的技术问题,我们除了向老师请教之外,还要学会自主学习,当今社会,知识更新速度空前加快,特别是计算机领域,技术创新速度更是加快,我们如果不能培养自己的自主学习能力,将难以跟上时代发展。所以我们必须培养自己自主发现技术问题、自主解决技术问题、合作探究技术问题的能力。

    2.2 在实践性中展开创新

    计算机网络知识最终价值在于服务现实,实践运用是高中生获取创新思维的宝贵渠道。在日常生活中我们要积极运用计算机技术解决问题,例如我就曾自主了解计算机安全加密技术,了解到使用特定的计算机算法对计算机数据信息进行加密是维护计算机信息安全的重要渠道,相比防火墙的简单防护,计算机数据信息加密的防范能力更强,即使信息失窃可能也不会造成严重损失,但计算机信息加密使用的技术门槛相对较高,所以我也掌握了相关知识。

    2.3 自觉学习技术伦理

    计算机网络技术对人类社会的进步发挥着重要作用,随着科学技术的飞速发展,计算机网络技术对人类社会的影响力更是不断提高,与此同时,计算机网络技术对人类社会的双重性影响也更加明显,诸如“木马病毒”等计算机网络技术灾难也让全人类对计算机网络技术的应用问题有了全新思考,计算机网络技术一旦脱离人类理性的道德,所造成的灾难性后果也是难以估量的,因此高中生也必须自觉接受技术伦理教育,对计算机网络技术的道德价值进行思考,使计算机网络技术更好地为人类社会服务。随着我国社会发展水平的不断提高,国家对计算机网络技术人才的需求不断增加。未来社会,合格的计算机网络技术人才不仅需要拥有丰厚的知识技能储备,还要具有高尚的职业道德,而这种高尚的职业道德离不开计算机网络技术人才个人的工程伦理素养。

    3 总结

    计算机网络技术的快速发展未来必然极大的影响人们的日常生活和生活,为此我们高中生必须从现在做起,培养自己的技术问题意识,在现实中培养自己的技术创新能力,为将来成为计算机创新人才打下基础。

    参考文献:

    [1]陈凯.计算机网络与通信系统结合的发展前景与风险防范[J]. 中国新技术新产品,2011(22).

    [2]曹杰,袁媛.计算机网络与通信系统结合的发展前景与风险防范[J].信息与电脑(理论版),2010(03).

    [3]员佩刚,程建国,王洪滨.计算机网络技术发展趋势的分析与探讨[J].山西财经大学学报.1999(S1).

    [4]张晏刚.计算机网络技术在医院信息化建设中的应用[J].电子技术与软件工程,2016(07).

    [5]冯宇.计算机网络时代的云安全技术及其发展前景[J].计算机光盘软件与应用,2015(02).

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  • 计算机网络时间同步技术原理介绍

    千次阅读 2019-01-24 17:48:23
    计算机网络系统组成的分布式系统,若想协调一致进行:IT行业的“整点开拍”、“秒杀”、“Leader选举”,通信行业的“同步组网”之类业务处理,毫秒级甚至微秒级的时间同步是重要基础之一。 2.术语描述 2.0 世界...

    1.前言

    由计算机网络系统组成的分布式系统,若想协调一致进行:IT行业的“整点开拍”、“秒杀”、“Leader选举”,通信行业的“同步组网”之类业务处理,毫秒级甚至微秒级的时间同步是重要基础之一。

    2.术语描述

    2.0 世界时

    世界时UT,可以简单理解为按照地球自转一周来计量24小时的时间标准,由于地球自转速率的变化,世界时的秒长会有微小的变化,每天的快慢可以达到千分之几秒。

    2.1 TAI时间

    世界时不准,因此国际组织定义了TAI时间,即国际原子时( International Atomic Time),其起点是1958年的开始(世界时UT),以铯原子钟走秒连续计时的时间。

    2.2 UTC时间

    计算机网络普遍使用的UTC时间(协调世界时),由国际计量局BIPM综合全世界多个守时实验室的钟组计算得到,为了使UTC时间与地球自转1天的时间(世界时UT)协调一致,每隔1到2年, BIPM会通告在UTC时间6月30日或12月31日最后一分钟“加一秒”或“减一秒”等闰秒调整。也就是说,UTC时间会出现60秒或少了59秒的情况。

    最近一次闰秒是UTC时间2015年6月底:

    2015 年6月30日,23时 59分 59秒
    2015 年6月30日,23时 59分 60秒 
    2015 年7月 1日, 0时 0分 0秒

    由于存在闰秒,UTC时间与TAI时间是有差别的,UTC = TAI - n,这个n现在(2016年1月)是36秒,也就是说UTC时间比TAI时间慢了36秒。

    2.3 北京时间

    北京时间也就是东八区时间,在UTC时间基础上加8小时,中国的北京标准时间由位于陕西的国家授时中心发播。

    2.4 GPS时间

    由GPS系统通过卫星信号发播的原子时间,GPS时间用自1980年1月6日零点(UTC时间)起的星期数和该星期内内的秒数来表示。

    工程上,GPS接收机会根据闰秒数将GPS时间换算为我们通常使用的UTC时间。GPS时间的源头是美国海军天文台的守时原子钟组。

    2.5 北斗(BDS)时间

    由北斗卫星导航系统通过卫星信号发播的原子时间,同样,北斗接收机会根据闰秒数将北斗时间换算为我们通常使用的UTC时间。

    北斗时间的时钟源是位于北京的解放军时频中心的守时原子钟组,陕西的国家授时中心好尴尬:(。

    2.6 频率

    时间的导数就是频率,机械发条、石英晶体振荡器、原子钟等各种时钟源通过产生频率信号,按照频率均匀打拍计数,模拟时间的等间隔流逝,就有了可见的“时间”。

    2.7 频率准确度

    手表有准和不准的,反映的就是频率准不准,时钟频率和标准频率的偏差可以用频率准确度来衡量。1E-9量级表示1秒会差1ns,我们使用的个人电脑,它的守时时钟是个32. 768kHz的石英晶振,准确度大概只有2E-5量级(20ppm),也就是说1秒会差0.02ms,1天会跑偏大概2秒。

    2.8 时间同步

    广义的“时间同步”包括的时间和频率的同步。上级时钟将时间频率信号通过各种有线(以太网、SDH数字网、同轴电缆、电话等)、无线(卫星、长波、电台、微波、WIFI、Zigbee等)链路传递给下级时钟,下级时钟接受时间频率信息后,与上级时钟保持相位、频率的一致。

    3.时间同步原理

    3.1 单向授时

    上级时钟主动发播时间信息,下级用户端被动接受时间信息,并调整本地时钟使时差控制在一定范围内。

    要想提高授时精度,用户端必须计算出时间信息在传播链路中的延时,GPS/北斗等卫星授时,可以通过用户端定位与卫星之间距离确定电磁传输延时,消除大部分误差,而电缆、网络等如果是单向授时方式就无法准确计算单向链路时延了。

    3.2 双向授时

    用户端将接受的时间信息原路返回给上级时钟服务端,服务端将往返时间除以二即得到单向链路时延,再把单向时延告诉客户端,在此基础上,客户端得到服务端更准确的时间信息。比如:北斗单向卫星授时精度100ns,双向卫星授时精度可做到20ns。

    3.3 网络时间同步

    网络时间同步,特指在计算机网络内的服务器与客户端之间利用网络报文交换实现的时间同步。

    鉴于计算机网络传输路径的不确定性和中间路由交换设备转发报文时间的不确定性,通过单播或多播实现的单向网络授时是不可靠的。因此,前辈们发明的网络时间同步技术NTP/PTP等,基本原理都是通过对网络报文打时间戳(标记),往返交换报文计算传输时延和同步误差。

    3.4 频率同步

    频率同步指的是主从时钟的频率误差保持在一定范围内,频率同步有2种类型:

    第1种是直接传递模拟频率信号,比如用电缆或光缆传递10MHz、5Mhz、2.048MHz等标准频率,或者传递bit位宽脉冲;

    第2种是通过测量得到的主从时钟时差,通过锁定主从相差实现频率锁定(PLL),或者间接计算频率偏差,完成频率修正。

    4.计算机网络时间同步

    计算机网络时间同步只是时间同步的一种应用场景,其时间传递的链路可能是SDH网、以太网、WIFI无线网络等。

    4.1 NTP

    NTP(Network Time Protocol)从1985年诞生来,目前仍在在大部分的计算机网络中起着同步系统时间的作用。

    • 基本原理

    服务器和客户端之间通过二次报文交换,确定主从时间误差,客户端校准本地计算机时间,完成时间同步,有条件的话进一步校准本地时钟频率。

    • 时间同步过程

    服务器在UDP的132端口提供授时服务,客户端发送附带T1时间戳(Timestamp)的查询报文给服务器,服务器在该报文上添加到达时刻T2和响应报文发送时刻T3,客户端记录响应报到达时刻T4。

    改个维基的图:

    NTP时间同步

    • 时差计算

    维基这个图中用蓝色标注了主从直接来回链路的时延Sigma
    Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
    因此,假设来回网络链路是对称的,即传输时延相等,那么可以计算客户端与服务器之间的时间误差Delta为:
    Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

    客户端调整自身的时间Delta,即可完成一次时间同步。

    • 计时方式

    NTP采用UTC时间计时,NTP时间戳包括自1900-01-01 00:00:00开始的UTC总秒数,当前秒的亚秒数。

    当正闰秒时,60秒和下一分钟的0秒的NTP总秒数一致的,因此NTP报文专门定义了闰秒指示域来提示。

    • 误差分析

    局域网内计算机利用NTP协议进行时间同步,时间同步精度在5ms左右,主要误差包括:

    1)计算机打时间戳的位置在应用层,受协议栈缓存、任务调度等影响,不能在网络报文到来时马上打戳;
    2)各种中间网络传输设备带来的传输时延不确定性以及链路的不对称性,将进一步降低NTP时间同步精度。

    4.2 PTP

    为克服NTP的各种缺点,PTP(Precision Time Protocol,精确时间同步协议)应运而生,最新协议是IEEE1588v2,可实现亚微秒量级的时间同步精度。

    • 基本原理

    主从节点在网络链路层打时间戳,利用支持IEEE1588协议的PHY片,精准记录时间同步网络报文接受或发送的时刻。交换机、路由器等网络中间节点准确记录时间同步报文在其中停留的时间,实现对链路时延的准确计算。

    • 时间同步过程

    PTP默认使用组播协议,二层或四层UDP组播都可以,一般我们使用基于UDP组播,使用319和320两个端口。

    PTP定义了三种角色:OC、BC和TC。我们一般接触的是OC:主时钟和从时钟,交换机、路由器一般是BC或TC。

    由于硬件性能有限,网络报文发送时记录的时刻信息,可以在随后的Follow_Up跟随报文中发出,这就是PTP的双步模式(Two-step)。

    下图是两OC主从时钟之间的同步过程:

    ptp时间同步

    • a.主时钟向从时钟发送Sync报文,并在本地记录发送时间t1;从时钟收到该报文后,记录接收时间t2。

    • b.时钟发送Sync报文之后,紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。

    • c.从时钟向主时钟发送Delay_Req报文,用于发起反向传输延时的计算,并在本地记录发送时间t3;主时钟收到该报文后,记录接收时间t4。

    • d.主时钟收到Delay_Req报文之后,回复一个携带有t4的Delay_Resp报文。

    • 时差计算

    与NTP一样的原理,从时钟根据拥有的t1~t4这四个时间戳,由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为:
    Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)

    假设网络是对称的,从时钟相对于主时钟的时钟偏差为:
    Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

    • 计时方式

    与NTP不同,PTP采用TAI世界原子时间计时,而且PTP计时的起点与unix时间一致,即UTC时间1970年1月1日0点。

    PTP主钟会告知从钟,当前UTC相对于TAI的累计偏移量,从钟据此计算当前准确的UTC时间。

    • 误差分析

    PTP能准确记录报文发送和接受的时间,也能计算中间链路的延时,剩下影响最大的就是网络链路的不对称性了。

    在实际工程中,网络中间链路设备不支持PTP协议,大大降低了PTP的同步精度。目前,PTP主要应用在通信同步网、电力同步网等行业网络系统里。

    • 同步拓扑

    PTP域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起,可通过BMC(Best Master Clock,最佳主时钟)协议动态选举出最优时钟,最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中。

    BMC算法与STP(Spaning Tree Protocl)生成树协议类似,最终形成无环路的树形网络拓扑,且都是动态选举,能适应最佳主时钟切换的变化。

    • 扩展应用——PTP over SDH

    充分利用各行业已有的SDH通信网络,利用PTP-E1信号转换设备,架设PTP同步网络,除了需要考虑链路倒换问题之外,SDH网络的时延稳定性可大幅提升网络时间同步精度。

    4.3 SyncE同步以太网

    以太网最早只能传输数据信号,有另外独立的频率同步网络,随着以太网的快速发展,SyncE(Synchronized Ethernet)同步以太网技术诞生后,企业们有了新的选择。

    • 基本原理

    时钟节点利用以太网(1000M、1G、10G等)物理层的空闲间隙,传递位宽时钟信号,实现时钟频率信号(25M、125M等)的自上而下传递。

    • 协议控制

    类似于SDH网络等时间间隔传递的SSM同步状态信息,同步以太网(Sync-E)利用链路层ESMC协议封装传递SSM信息,SSM信息包含时钟质量信息,接收端据此选择合适的上级网络时钟。

    • 应用

    一般商业PHY片提供SyncE功能选项,开启该功能模式,即可利用PHY恢复出来的频率信号,校准本地时钟频率或分频后用于本地计时。

    修改记录

    2016-5-25: 增加世界时,NTP和PTP计时方式

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  • 网络工程师考试同步辅导(计算机网络知识篇)_部分1,可供计算机专业技术考试参考
  • 分析了网络监控对时间同步的需求。介绍了时间同步技术以及目前流行的网络时间协议(NTP),以中国科学院计算机网络信息中心网络监控为例提出了一套时间同步方案,并对该方案进行了性能分析。
  • 计算机网络技术学习总结(详细,持续更新)

    千次阅读 多人点赞 2021-09-07 17:09:26
    随着时代的发展,计算机网络技术已经渗透到当今社会方方面面。自20世纪90年代以来,以因特网为代表的计算机网络从最初的教育科研网络逐步发展到商业网络。计算机网络的发展极大推动了全球信息...

    目录

    01概述

            1.1计算机网络在信息化时代中的作用

            1.2因特网概述

            1.3因特网的组成

                    边缘部分:

                    核心部分:

            1.4计算机网络分类

                    A. 按拓扑结构

                    B.按覆盖范围

                    C.按传输速率

                    D.按传输介质

                    E.按使用范围

            1.5计算机网络主要性能指标

            1.6计算机网络体系结构

                    1.6.1网络协议

                    1.6.2层次模型和计算机网络体系结构

                    1.6.3TCP/IP参考模型的体系结构

            第一章概论思维导图

    02物理层

            2.1物理层的基本概念

            2.2数据通信的基础知识

                    2.2.1数据通信系统

                    2.2.2编码与调制

                    2.2.3信道的极限容量

                    2.2.4传输方式

            2.3物理层下的传输媒体(介质)

            2.4信道复用技术

                     2.4.1频分复用,时分复用和统计时分复用

                     2.4.2波分复用

                     2.4.3码分复用(CDM)

            2.5数字传输系统

                    2.5.1PCM速率体制

                    2.5.2SONET/SDH

                    2.5.3光网络

            2.6因特网接入技术

                    2.6.1 电话网拨号技术

                    2.6.2 xDSL接入

                    2.6.3 HFC混合网接入

                    2.6.4光纤接入

                    2.6.5以太网接入

                    2.6.6无线接入

    03数据链路层

            3.1使用点到点信道的数据链路层

                    3.1.1数据链路层所处的地位

                    3.1.2数据链路和帧

                    3.1.3封装成帧

                    3.1.4差错检测

                    3.1.5可靠传输

            3.2点到点协议

                    3.2.1 PPP的特点

                    3.2.2 PPP的组成

                    3.2.3 PPP的帧格式

                    3.2.4 PPP的工作状态


    01概述

            1.1计算机网络在信息化时代中的作用

            随着时代的发展,计算机网络技术已经渗透到当今社会方方面面。自20世纪90年代以来,以因特网为代表的计算机网络从最初的教育科研网络逐步发展到商业网络。计算机网络的发展极大推动了全球信息革命,因此对计算机网络技术的学习是很有必要的。

            1.2因特网概述

             网络:由若干结点(计算机,集线器,交换机,路由器等)和链路(连接这些结点)组成。 

             互联网:网络间通过路由器连接起来形成一个更大的网络,即互联网。(不仅仅指是物理上将计算机连接,还要通信用的软件

             因特网Internet):把全世界数以万计个计算机网络连接起来,世界上最大的互联网。

     

          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,因特网是全球最大的互联网。 

            1.3因特网的组成

                            从功能上看可分为 边缘部分核心部分

                            边缘部分:由所有连接在因特网上的主机组成。

                            核心部分:由大量网络和连接这些网络的路由器组成,为边缘部分提供服务。

                    边缘部分:

                            连接在因特网上的用户直接使用的主机又叫“端系统”。按通信方式(交流,共享资源等)可分为 客户服务器方式 对等网络方式

                            客户服务器方式(c/s) :服务请求方是 客户,服务提供方是 服务器 的通信方式。

                            对等网络方式(p2p也叫点对点):两个主机间不区分服务请求方 和 服务提供方的通信方式。比如早期的一些聊天室。

                    核心部分:

                            核心部分主要部件为路由器,是实现分组交换的关键构件。常用的交换方式有 电路交换 和 存储转发交换(报文交换,分组交换)

                            电路交换:

                                    过程包括 建立连接,数据通信,释放信号 三个步骤。

                                    缺点:建立连接有延时较大,占用专用电路 利用率低,容易引起阻塞。 适用于:大体量文件数据且传送时间远大于建立连接时间的文件传输。

                            存储转发交换:

                                    报文交换:

                                            以报文为单位,将数据发送到结点,经过多次转发到达目的地。

                                    分组交换:

                                             将长数据切割为多个固定长度的分组(分组会编号),将分组发送至各个结点,最后按顺序还原数据。

         存储转发交换具有 高效,灵活,迅速,可靠 等优点,提高了网络的整体稳定性

            1.4计算机网络分类

                    通常计算机网络可以按拓扑结构,覆盖范围,传输速率,传输介质,使用范围进行分类

                    A. 按拓扑结构

                            拓扑结构主要描述了网络的形状,体现的网络的物理连通性,主要有以下五种:星形拓扑,总线拓扑,环形拓扑,树形拓扑,网状拓扑

                    B.按覆盖范围

                            广域网(WAN):覆盖范围可达 数百到数千 千米,可覆盖一个国家或几个州,形成国际性远程网络,其 子网可利用 公共分组交换网,卫星通信和无线分组交换网

                            局域网(LAN):小区域通信设备互联,如:一栋楼,一间办公室等。具有传输数据快,低误码率等特点。

                            城域网(MAN):顾名思义,在一个城市范围建立的计算机通信网。MAN的一个重要用途是作为骨干网,将同一城市不同地点的主机,数据库,局域网互相连接(看似广域网但实现方法与性能差别很大)。

                    C.按传输速率

                            速率快的叫高速网(Mbit/s~Gbit/s),反之叫低速网(kbit/s~Mbit/s)。也可将kbit/s的网络叫低速网,Mbit/s的网络叫中速网,Gbit/s的叫高速网。

                            网络传输速率与网络的带宽(指传输信道宽度,单位为Hz)有直接关系,一般把kbit/s~Mbit/s的网络叫窄带网 Mbit/s~Gbit/s的网络叫宽带网。(同理也可分为窄带网,中带网,宽带网)

                    D.按传输介质

                            有线网:传输介质通常有  双绞线(通常通信距离不超过100m),同轴电缆和光导纤维

                            无线网:主要采用微波通信(使用最为广泛),红外线通信和激光通信,以大气为介质。

                    E.按使用范围

                            可分为公用网专用网

                            公用网:由主管部门或经主管部门批准的电信运营机构为网民提供电信业务建立的网络,如:电信网,广电网,联通网,移动网等。

           补充:ISP(互联网服务提供商是经国家主管部门批准的正式运营企业,我国大陆主要的ISP有:中国电信,中国移动,中国联通,中国网通,中国铁通。提供 拨号上网,ADSL,FTTx,GPRS,EDGE,CDMA等业务。

                            专用网:由企业,组织或部门为满足自身需求建立的网,不允许他人使用,如:校园网,企业网等。

            1.5计算机网络主要性能指标

                    我们通常会用 速率,带宽,吞吐量,时延,往返路程时间(RRT),带宽时延积,利用率 这七个性能指标来评定网络的好坏。

                    速率:即每秒传输的比特数量,单位为bit/s(或b/s或bps)

                    带宽:即单位时间内网络通信线路所能传输的最高速率(因此其单位也是bit/s)。如图,此无线网卡的接收带宽是300Mbit/s,即每秒最高可以接收300Mbit的数据量(注意:生活中常用的MB/s与Mbit/s不一样,要进行换算)

                    补充:MB/s和Mb/s是有区别的。B代表Byte(字节),b代表bit(比特 或位)。 

                    1 MB = 8 * 1 Mb                                                                                           

                    1 Byte = 8 * 1 bit                                                                                           

                    吞吐量:指单位时间通过某个网络或接口的数据量,包括全部上传和下载的流量。如:某计算机从 某一网站服务器下载速率为30Kbit/s,从某一视频服务器下载速率为40Kbit/s,从某一网盘服务器上传速率为80Kbit/s,则吞吐量为三者之和150Kbit/s。

                    时延:指数据(报文,分组,甚至比特)从网络一端传送到另一端的时间。由 发送时延(主机或路由器发送数据帧所需时间),传播时延(电磁波在信道传播的时间),排队时延(数据等在路由器 输入队列和输出队列的时间),处理时延(对数据进行分析,校验,查找路由器的时间) 组成。

                    往返路程时间(RRT):表示发送端发送数据到接收数据的总时延。

            (下图演示cmd中查询RRT方法)

            (本机IP地址查询输入 ipconfig)

            (使用ping命令查询RRT)

     

     

                    带宽时延积:指数据链路的带宽与往返路程的乘积,表示特定时间该网络的最大数据量(最大比特数)单位为bit。

                    利用率:指信道利用率(指某信道有百分之几的时间是被利用的)和网络利用率(指全网络的信道利用率加权平均值)。当某一信道利用率变高,其时延也会相应增加甚至会阻塞,因此一些有较大主干网的ISP通常会控制他们的信道利用率不超过50%。

            1.6计算机网络体系结构

                    1.6.1网络协议

                            网络协议是为了便于计算机网络通信而设置的规则(任何想让联网设备做什么事情都需要网络协议,比如下载某主机的文件)。主要由 语法,语义和时序 三要素组成。

                            语法是指数据与控制信息的结构或格式。(数据的 组织方式,编码方式,信号电平等)如:地址字段长度以及在整个分组中的位置。

                            语义是指各个控制信息的具体含义。(即 发出哪种控制信息,完成哪种动作,做出什么应答 从而实现数据交换的协调和差错处理)

                            时序是指时间实现顺序和时间的详细说明。

                            有时需要协议的软件也被人们简称为协议(比如有人说在计算机上安装某协议)     

                    1.6.2层次模型和计算机网络体系结构

                            Ⅰ.OSI模型(七层模型)

                            国际标准组织(ISO)在1977年开始定制 开放系统互联参考模型(OSI)框架,于1983年形成正式文件。OSI的国际标准号为ISO7498.(下图为OSI参考模型)

                            

                            应用层:表示所以能产生网络流量的程序。

                            表示层:判断在传输前是否进行加密或压缩处理,字符转换,数字转换,二进制ASCLL等。

                            会话层:用于网络设备间 建立,维护(保持),终止会话 。(当两台计算机进行文件传输时,为了防止中间出现网络故障而重传整个文件的情况,可通过在文件中插入同步点来解决)

                            传输层:将数据分段并重组为数据流(TCP/UDP)。

                            网络层:负责选择最佳网络路径,选择IP地址。

                            数据链路层:用于两个结点直接的数据交换,保证数据的顺序,无错,完整。(实现系统间二进制信息块的正确传输,为上一层提供可靠、无错误的数据信息的协议层)

                            物理层:提供物理路径,规定接口标准,进行二进制流传输。(如何在物理链路上传输更快)

                            OSI体系下最后三层(网络层,数据链路层,物理层构成通信子网), 计算机网络中的0SI参考模型的三个主要概念是服务,接口,协议。

                    OSI模型 推广最终以失败告终原因可归纳为以下4点:①OSI的专家们缺乏实际经验,他们在完成OSI标准时缺乏商业驱动力② OSI的协议实现起来过分复杂,而且运行效率很低③ OSI标准的制定周期太长,因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入’市场④OSI的层次划分不太合理,有些功能在多个层次中重复出现。

                            Ⅱ.五层模型

                            在五层模型中,通信两端都有5个层次。

                            应用层:五层结构中的最高层,与OSI的应用层,表示层,会话层相对应,与TCP/IP的应用层相同。

                            应用层的任务是如何通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用,不同应用需要不同的应用层协议(如:FTP,HTTP,SNMP等),应用层交互的数据单元成为报文。

                            传输层:负责进程间通信,提供应用进程端对端数据传输服务(主要有TCP和UDP协议)。

                            网络层:网络层任务是实现网络互联,互通。网络层把传输层传下来的报文段(或用户数据报)(用户数据报和IP数据报不同)封装成分组或包进行传送,然后在网络核心部分的交换结点间转发传送。网络层要选择合适的路由传输数据。

                            因特网由大量的异构网络通过路由器互联起来,因特网主要的网络层协议是无连接的互联网协议(IP协议)和许多种路由选择协议,因此因特网的网络层也称为互联网络层或IP层。

                            数据链路层:从源主机发送到目标主机的分组必须在一段一段的链路上传送,数据链路层的任务就是保证分组从链路一端传送到另一端,其上的数据单元成为帧(frame)。每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息,差错控制等)。

                            物理层:提供物理路径,规定接口标准(比如:1表示高压0表示低压),进行二进制流传输。

    目标MAC地址源MAC地址目标IP地址源IP地址源端口目标端口数据FCS
      <—数据段/消息—>
    <———————数据包————————>
    <————————————————数据帧——————————————>

                    1.6.3TCP/IP参考模型的体系结构

                            

    上图路由器在转发分组时最高只用到网络层,没有使用到传输层和应用层

    下图是用另一种方法表示TCP/IP协议簇,特点是中间小,两头大(不难看出IP协议在因特网中的核心作用)。这种沙漏状的协议簇表明,TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务(everything over IP),同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行(IP over everything)。

                            

            第一章概论思维导图

    02物理层

            2.1物理层的基本概念

                    现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体种类很多,通信方式也各有不同。物理层的作用就是尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信方式的差异,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异,这样数据链路层就可以利用物理层提供的二进制比特流传输服务来完成它的协议和服务了。

                    物理层协议又称物理层规程,其中定义了一些与传输媒体接口有关的特性,主要包括以下几个方面:

    (1)机械特性:定义了接口所用连接器的形状和尺寸﹑引线数目以及排列﹑固定和锁定装置等

    (2)电气特性:定义了在接口电缆的各条线上出现的电压的范围;

    (3)功能特性:定义了某条线上出现的某个电平的电压表示何种意义;

    (4)过程特性:定义了对于不同功能的各种可能事件出现的顺序。

                    物理层协议的技术细节往往相当繁杂,需要定义的内容很多,如多种物理连接方式(点对点·点对多点或广播方式等),不同的传输媒体﹑编码技术﹑调制技术和复用技术等。一旦确定了物理层协议,互联设备间就可以通过便用相同的物理层标准交互比特流。因此,在学习本章内容时,应将重点放在掌握基本概念上。

            2.2数据通信的基础知识

                    2.2.1数据通信系统

                       数据通信系统是指通过通信线路和通信控制处理设备把各处终端设备连接起来,执行数据传输功能的系统,下图所示为数据通信系统的整体模型。

                            数据通信系统源系统(发送端),传输系统(传输网络,可以是简单的传输线路也可以是复杂的网络系统),目的系统(接收端) 组成。

                            源系统:包含 源点(源点设备产生的要传输的数据,又称源站信源),发送器(典型的发送器就是调制器。发送器要将源站生成的数字比特流进行编码 之后才能在传输系统传输) 两部分。

                            目的系统:包含 接收器(典型的发送器就是解调器。接收器将传输系统传来的信号转换为能被目标设备处理的信息),终点(终点设备从接收器获取传送来的数字比特流,并输出,又称目地站信宿) 两部分。

                            信号可分为两大类(根据消息的参数取值方式不同分类):

                            ①模拟信号/连续信号:消息参数取值连续。

                            ②数字信号/离散信号:消息参数取值离散。(当使用时域的波形表示信号 时,代表不同离散数值的基本波形就叫码元(一个码元就是一个基本脉冲),在二进制编码中码元只有1,0两种状态

                            注:“信道”和“电路”不等同。前者一般向某一方向传播信息的媒体,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,也可包含多个信道。                                     

                    2.2.2编码与调制

                      目前存在的传输信道主要有模拟信道数字信道两种,其中模拟信道一般只用于传输模拟信号,而数字信道则一般只用于传输数字信号。但也可以用数字信道传输模拟信号,或用模拟信道传输数字信号。此时,就需要先对传输的数据进行转换,即模拟信号与数字信号的转换,也就是编码与调制的主要内容。简言之,编码是指用数字信号承载数字或模拟数据,调制是指用模拟信号承载数字或模拟数据。

                    A数字信号用模拟信道传送(调制)

                        数字信号用模拟信道传送的过程是一个调制的过程,根据波的3个特征,可用 调幅(A),调频(F),调相(P) 三种方法进行波形变换(频谱变换)

                        也可将振幅和相位结合起来调频,这种机制称为正交调幅正交调幅效率最高(正交调幅是一种将两种调幅信号汇合到一个信道的方法,因此会双倍扩展有效带宽),是现在所有调制解调器采用的技术。

                    B数字信号用数字信道传送(编码)

                        数字信号用数字信道传送时需要先进行编码。例如,要把计算机中的二进制数据用打印机打印时,需要将二进制0和1编码成一串可以在数据线上 传输的电压脉冲(数字信号)

                        目前基本的数据编码有 不归零编码,归零编码,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,如图所示。

               

                      对比不归零编码,归零编码解决了出现连续0和1时接收方无法同步的问题,每个比特中间的电平跳跃用作定时时钟,是一种自定时编码

                      曼彻斯特编码 用一个正电平到负电平表示1,用一个负电平到正电平表示0(也可以反过来定义),也是一中自定时编码

                    C模拟信号用模拟信道传送

                   模拟数据可以通过电磁感应变化转换为模拟信号在模拟信道上传送。例如,人们在打电话时,话音(声音)数据通过电话系统被转换为模拟信号,之后在模拟电话网中传输。在网络数据传送中,人们会将模拟数据调制出来,然后再通过模拟信道发送。

                   调制的目的是将模拟信号调制到高频载波信号上以便于远距离传输。这种编码也称为模拟―模拟调制目前,存在的调制方式主要有调幅﹑调频及调相。具体实现时,也是需要通过模拟信号对载波的3个特征(幅度﹑频率和相位)进行调制,不再赘述。

                    D模拟信号用数字信道传送

                使模拟信号在数字信道上传送,首先要将模拟信号转换为数字信号,这个转换的过程就是数字化的过程,模拟信号数字化的过程主要包括采样,量化,编码三个步骤。
                采样就是每隔一个固定的时间间隔对模拟信号进行一次采样,变成离散的脉冲。
                由于采样得到离散脉冲信号的值不一定能和编码后的码值空间的某个码值相对应,因此需要量化。量化就是把采样得到的离散脉冲值与码值空间的某个码值相对应的过程。
                编码就是将量化后的值转换成若干位二进制数的过程。

                 常见的将模拟信号编码到数字信道传送的方法主要有:脉幅调制 (PAM),脉冲编码调制(PCM),差分脉冲编码调制(  DPCM )和增量脉码调制方式(DM)。

                    2.2.3信道的极限容量

                            传输信号时会产生各种失真从而影响数据传输速率。下图以数字信号为例,体现了失真不严重与严重时对数字信号的影响(a)可以识别(b)难以识别。

                             码元传输的速率越高,信号传输的距离越远,噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在信道的输出端的波形失真就越严重。从概念上讲,限制码元在信道传输速率的因素主要有 信道能通过的频率范围 和 信噪比 两方面。

                    2.2.4传输方式

                    传输方式指通信双方的信息交互方式,主要考虑三个问题:(1)是采用单工通信方式,还是采用半双工或全双工通信方式(2)是采用串行传输方式,还是采用并行传输方式(3)是采用同步传输方式,还是采用异步传输方式

                    ①单工,半双工与全双工通信(从信号的传送方向和时间的关系):

                        单工通信:指通信双方只能由一方将数据发送给另一方。(如有线电视广播)

                        半双工通信:指通信双方可以发送或接收信息,但不能同时发送或接收。(如对讲机)

                        全双工通信:指通信双方可以同时发送和接收信息。(如电话系统)

                    ②串行传输和并行传输:

                            串行传输:将待传送的每个字符的二进制位按由低到高的顺序发送,这种工作方式称为串行传输。串行传输的优点是收﹑发双方只需要一条传输信道,易于实现,成本低;缺点是速度比较慢。在远程数据通信中,一般都采用串行传输方式。

                            并行传输:数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。常用的方式是将构成1个字符代码的几位二进制比特分别通过几条并行的信道同时传输,如并行传输中一次传送8比特,如图所示。并行传输的优点是速度快,但发送与接收端之间有若干条线路,费用高,仅适合于近距离和高速数据通信的环境下使用。


     

                     ③同步技术:

                    所谓同步,就是要求通信的通信双方在时间上保持一致。(比如打王者,如果技能释放不同步那场面就会很奇妙了)同步技术主要有:异步传输方式和同步传输方式

                    异步传输方式:

                    在异步传输中,数据被划分成字符分组独立进行传输。该小组包含起始位﹑数据位﹑校验位(可选项)和停止位,具体如下:
                    (1)1 bit起始位表示字符的开始;

                    (2)5~8 bit数据位表示要传输的字符内容;

                    (3)1 bit校验位用于进行奇校验或偶校验;

                    (4)1~2 bit终止位表示接收字符结束。
                    异步传输的优点是实现简单,但数据传输额外开销大(每个字符需加起始位和终止位) 。因此,这种方式主要用于低速设备,如键盘和某些打印机等。

                    同步传输方式:

                    同步方式是指在一组字符(数据帧)之前加入同步字符,同步字符之后可以连续发送任意多个字符。即 同步字符表示一组字符的开始。同步传输方式数据帧的典型组成如图所示。

                    (1)同步字符(SYN)表示数据帧的开始;

                    (2)地址字符包括源地址(发送方地址)和目的地址(接收方地址);

                    (3)控制字:用于控制信息(该部分对于不同数据帧可能变化较大);

                    (4)数据字符用户数据(可以是字符组合,也可以是比特组合);

                    (5)检验字符用于检错;

                    (6)帧结束字符表示数据帧的结束。
                    发送前,收发双方先约定同步字符的个数及相应的代码,以便实现接收与发送的同步:接收端一旦检测到同步字符,即可按双方约定的时钟频率接收数据,并以约定的算法进行差错校验,直至帧结束字符出现。
                    同步传输方式中,整个字符组(数据帧)在发送端和接收端被同步后,被作为一个单元传输,不需要对每个字符添加表示起始和停止的控制字符,所以数据传输额外开销小,传输效率高·但是同步传输方式实现复杂,传输中的一个错误将影响整个字符组(而异步传输中的同样错误只影响一个字符的正确接收) 。一般这种方式主要用于需高速数据传输的设备。

            2.3物理层下的传输媒体(介质)

                    传输媒体可分为 导引型传输媒体(光纤,铜线) 和 非导引型传输媒体(电磁波等)。

                    导引型传输媒体:主要有双绞线,同轴电缆,光纤三种。双绞线是最常用的导引型传输媒体,价格便宜易于安装,但性能一般,可用于模拟信号和数字信号传输,主要用于点对点连接;同轴电缆抗干扰性强,被广泛用于传输较高速率的数据;光纤(分单模和多模,单模传输距离远,多模带宽高但距离没单模远)是性能最好应用前途最广泛的传输媒体,有体积小,重量轻传输频带非常宽,传输损耗小,保密性强等优点,但广光电接口价格昂贵,安装,连接,维护不易。

                    非导引型传输媒体:电磁波和频谱电磁波和频谱是指在电路上加上适当长度的天线,使电磁波在自由空间传播,接收器接收数据。而频谱与无线传输通信有密切关系,紫外线,x光等对生物有害的电磁波尚未被用于无线通信。主要的无线通信技术有:无线电通信(电磁波频率在1GHz以下),微波通信(频率在300MHz~300Ghz,主要使用2~40GHz,如WIFI,蓝牙,电话),卫星通信(人造卫星与地面站),红外线通信(电视遥控器)。

            2.4信道复用技术

                    为了提高传输线路的利用率,人们常常会把一条物理传输线路在逻辑上分成多个信道,每个信道传输一路信号,即 信道复用技术。信道复用包括 复用,传输和解复 三个过程。发送端将n个信号复合在一起,送到一条线路上传输,接收端将复合信号解复成n个信号,并分别送到n条输出线路上。(下图a表示使用单独的信道,b表示使用复用技术)

                    基本的复用技术包括 频分复用(FDM) 时分复用(TDM)。现在还有光信号的波分复用(WDM),实现对光纤大带宽的充分挖掘。码分复用(CDM)根据码型结构的不同实现信道复用,主要用于卫星通信和移动通信。

                     2.4.1频分复用,时分复用和统计时分复用

                            频分复用:用于模拟传输,将一条传输线路按频率分成若干个频带,每个频带传输一路信号,并且各信道间留有一定的空白频带(保护频带)避免串扰,实现所有用户同一时间占用不同的带宽资源。频分复用实现条件是信道的带宽远大于每个传输单路信号所需的带宽。

                            时分复用:用于数字信号传输,将一条传输线路的传送时间划分成若干时间片(时隙/时槽),各个发送结点按次序轮流使用时间片,在单个时间片内,单个用户占用全部带宽。(下图A,B,C,D分别表示四个不同的用户)

                            在进行通信时,复用器总是和分用器成对使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。

                            时分复用可能会降低信道利用率。

                            统计时分复用(STDM):这是一种对时分复用改进后的技术,增加了集中器,可以实现按需动态分配时间片。

                     2.4.2波分复用

                            波分复用(WDM)就是光的频分复用。在WDM使用时会用到复用和分用器。与FDM不同的是WDM使用时采用的棱柱或衍射光栅是完全无源的,可靠性高

                     2.4.3码分复用(CDM)

                            CDM主要用于多址接入,人们常用的名词是码分多址(CDMA),具有抗干扰能力强,其频谱类似于白噪声,不易被发现。现已经广泛用于民用通信特别是在无线局域网中。CDMA根据结点拥有的各不相同且正交的码片序列来实现共享自由空间信道进行数据通信。

            2.5数字传输系统

                    2.5.1PCM速率体制

                            将模拟电话信号转换为数字信号目前采用的是PCM(脉冲编码调制)技术,将一路模拟电话信号转换为64kbit/s的PCM数字脉冲信号。为了充分利用带宽,通常将多路PCM信号汇集成时分复用帧,按某种固定的复用结构进行长途传输。由于历史原因,国际上存在两个互不兼容的PCM复用速率标准(北美24路简称T1,欧洲30路简称E1),E1更快。想要达到更快速率可以采用多次复用的方法。

                    2.5.2SONET/SDH

                            随着光纤与高带宽的同步发展,加上PCM复用体制存在速率标准不统一,且不是同步传输缺点,美国在1988年首先推出了同步光纤网(SONET),后来国际电信联盟以美国标准SONET为基础,制定出同步数字系列(SDH)。现在SDH不仅能适用于光纤,也可以适用于微波和卫星传输。SONET/SDH已成为全球公认的数字传输网的标准,是为当前因特网提供点对点远程高速链路的重要技术。

                    2.5.3光网络

                            传统的SONET/SDH传输网络由光传输系统和交换结点的电子设备组成。光纤用于两个交换结点之间的点对点数据传输,每个结点中会把光信号转换为电信号再进行交换处理。随着波分复用和光交换技术的发展。人们提出全光网(AON)的概念,用光网络结点代替原来的交换结点的电子设备提高了网络带宽,充分发挥了光纤的优势,而路由器等电信号在边缘网络连接用户终端设备。

            2.6因特网接入技术

                            任何用户想使用因特网所提供的服务,都要以某种方式接入因特网,目前Internet的接入方式由:有线接入和无线接入

                    2.6.1 电话网拨号技术

                            电话网拨号接入简单易行成本低,通过拨号调制解调器在用户计算机与电话网另一端的ISP接入路由器之间建立一条话音信道。

                    2.6.2 xDSL接入

                            宽带接入技术是指数据传输速率可以达到Mbit/s数量级的接入因特网的技术。数字用户线(DSL)是常用的技术。xDSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,利用用户线通过的频率可以达到数MHz,访问网络传输速率达到Mbit/s数量级。

                             其中ADSL是目前住宅用户使用得最多的DSL技术

                    2.6.3 HFC混合网接入

                            HFC技术是在有线电视网技术基础上发展起来的,可以传输有线电视,电话,计算机数据和交互型业务。

                       传统的有线电视网是采用树型拓扑,传输介质为外皮白色的同轴电缆,采用模拟信道和FDM,单向传输。HFC技术对有线电视网进行了改造。HFC有如下主要特点:

            (1)主干线路采用光纤,使用模拟光纤技术,采用光的振幅调制(AM),光信号通过模拟光纤从头端连接到光分配结点(也称为光纤结点)。然后转换为电信号,光纤结点的另一端为同轴电缆,电信号在同轴电缆中传输。一个光纤结点可以连接1~6路同轴电缆从头端到光纤结点的距离可达到25 km,从光纤结点到用户的距离一般可达到2~3 km。
            (2)HFC采用结点体系结构,特点是从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接,构成星形拓扑。光纤结点以下是用同轴电缆组成的树型拓扑。
    一个光纤结点下的用户构成一个用户群〈也称为邻区),一个用户群的用户数不超过2 000 。
    光纤节点体系结构的特点如下:

    ①提高网络可靠性,每一个用户都独立于其他的用户群,用户群之间也是互相独立的。

    ②简化上行信道的设计,HFC技术的上行信道是用户共享的。

    ③具有比有线电视网更宽的频谱,支持双向传输。

    ④用户家庭需要安装用户接口盒。

                    2.6.4光纤接入

                       指网络用户与计算机网络间采用光纤作为传输媒体,可以实现高速双向宽带传输。

                    2.6.5以太网接入

                            目前内联网多采用以太网接入,指网络用户可以利用已经建立好的网络,通过内联网接入Internet。

                    2.6.6无线接入

                            目前主要有固定无线接入(无线保真(WiFi)和全球微波接入互操作性(WiMAX)移动接入网(蜂窝移动电话网(1G/2G/3G/4G/5G),无线寻呼网,无绳电话网,集群电话网,卫星通信网和个人通信网

    03数据链路层

            3.1使用点到点信道的数据链路层

                    3.1.1数据链路层所处的地位

                    

    上图体现了两台主机通过互联网通信时数据链路层所处的地位。主机H1和H2都有完整的5层协议,但路由器在转发分组时只有下面3层协议。从数据链路层来看,H1到H2通信可以看成由4段不同的链路层通信组成,即H1-R1 , R1-R2 , R2-R3 , R3-R4.这4段不同的链路层可能采用不同的链路层协议

                    3.1.2数据链路和帧

                            链路:指从一个结点到相邻结点的一段物理线路,中间没有其他的交换结点。

                            数据链路:数据传输需要通信协议控制,将实现协议的软硬件加到链路上就构成了数据链路。

                            帧:指数据链路层的协议数据单元。

                            数据链路层把网络层传递过来的数据构成帧并发送到链路上,同时也会把收到的帧里的数据取出,传递给网络层(网络层协议数据单元是IP数据报,如 数据报,分组或包)。

                            点到点信道的数据链路层通信步骤:

                                    ①A的 数据链路层 把 网络层 传递下来的IP数据报添加首部和尾部 封装成帧。

                                    ②A把帧发送给B的数据链路层。

                                    ③B的数据链路层确认帧没问题,则将帧里取出的IP数据报传递给网络层,否则丢弃。

                    3.1.3封装成帧

                            在IP数据报上添加 头部和尾部(作用:帧定界,包含必要的控制信息。) 并进行封装就形成了一个数据帧(的结构),帧的长度等于3部分长度之和。(帧定界:指对帧的开始与结束进行识别)帧的数据部分不能超过规定最大传送单元(MTU)。

             

                            实现帧界定的一种简单方法是 在传输帧与帧之间插入时间间隔(如以太网),但由于不是所有物理层传输服务都会保证时间间隔,所以这种方式不常用常用的方法是在每个帧的开始和结束添加一个特殊的帧定界标志

                      当物理链路提供面向字符的传输服务时,帧定界用ASCLL码(128个)中的不可打印的控制字符不可打印的控制字符共33个,可打印的字符有95个)作为帧定界符。

                      在传输文本数据(文本文件中字符都是从键盘输入的)时,帧的数据部分 显然不会出现不可打印的控制字符;但在传输非ASCLL码文件数据(二进制代码/图像等)就可能会在数据部分出现控制字符,从而导致数据丢失。

                    为了解决上述问题,可以采用 字节/字符填充 的方法。发送端的数据链路层在数据出现标记字符前加一个转义字符(如“ESC”)。接收端的数据链路层 不会把 转义符后的标记字符 当成帧定界符并且会删除转义符。

                    

                     当物理链路提供面向比特流服务时,帧定界标志可以使用某个特殊比特组合(如下一节PPP协议)。由于帧的长度不再要求是整数个字节,可以采用开销更小的比特填充实现透明传输

                    3.1.4差错检测

                            现实中比特在传输过程中可能出错,1可能变为0,0可能变为1,这种现象就是比特差错。在一段时间内,传输错误的比特与所传比特总数的比值称为误码率误码率与信噪比有很大关系。为了保证接收到的数据是正确的,必须进行差错检测。

                            

                            上图是利用检错码实现差错检测的基本原理,发送方需要采用某种差错检测算法f,用发送的数据D计算出检错码EDC=f(D),并将EDC一并发给接收方。接收方用同样的算法计算,若结果相同则说明数据出错的概率很小。(使用更长的检错码和更复杂的算法可以减小这种概率,但开销更大)

                            数据链路层为了便于硬件检测差错,常在帧的尾部设置一个差错检验字段存放整个帧(含首部和数据)的检错码,这个字段常称为帧检验序列

                            数据链路层常使用 循环冗余验证(CRC) 进行差错检测。虽然计算复杂但易于用硬件实现。注意,CRC仅仅是用来检测帧传输中是否出现差错,不能纠错

                    3.1.5可靠传输

                            优势,数据链路层要向上面的网络层提供“可靠传输”的服务,即发送端发出的数据应正确被接收端接收。无线局域网和传输层的TCP协议都用到了这些协议。注意,为实现可靠的单向数据传输,可靠的传输协议要进行双向通信,因此底层的不可靠信道必须是双向的

                             协议主要有 停止等待协议,停止等待协议的算法描述,停止等待协议的信道利用率,回退N帧协议,选择重传协议,数据链路层的可靠传输

            3.2点到点协议

                    HDLC(支持点到点点到多点两种连接方式)协议PPP协议(point-to-point protocol)都是 数据链路层协议,但由于HDLC协议比较复杂,现已很少使用。PPP协议成为了目前最广泛的数据链路层协议。

                    用户计算机和ISP通信所用的数据链路层协议通常就是PPP。

                    3.2.1 PPP的特点

                    ①简单。接收方每接收到一个帧就进行CRC校验,正确就收下,反之,丢弃。不向上层提供可靠传输服务,如需可靠传输,则由传输层完成。

                    ②封装成帧。PPP规定了特殊的字符作为帧定界符。

                    ③透明性。PPP能保证数据传输的透明性。

                    ④支持多种网络层协议和多种类型链路。PPP协议能够在同一条物理链路上同时支持多种网络协议(IP/IPX......)的运行,PPP可以用于PC到ISP接入服务器间的点到点接入链路,也可以用于路由器之间的专用线路。

                    ⑤差错检测。PPP能够对接收端收到的帧进行差错检测(但不纠错)。

                    ⑥检测连接状态。PPP能在几分钟内自动检测出链路是否在正常工作。

                    ⑦最大传输单元。PPP对每一种类型的点到点链路设置最大单元的标准默认值(MTU)。如果高层超过MTU的数值,PPP就会丢弃这样的帧,并返回差错。

                    ⑧网络层地址协商。PPP提供一种机制使通信双方的网络层实体能通过协商知道或配置彼此网络层地址,对拨号连接的链路很重要。

                    3.2.2 PPP的组成

                    PPP有3部分组成:

                    ①一个将IP数据报封装到串行链路的方法。既支持面向字符的异步链路,也支持面向比特的同步链路 且 PPP帧的信息部分受到MTU限制。

                    ②一个用来建立,配置和测试数据链路连接的链路控制协议(LCP),通信双方可协商一些选项。

                    ③一套网络控制协议,其中的每一个协议支持不同的网络层协议(IP,OSI的网络层,DECnet,AppleTalk等)。

                    3.2.3 PPP的帧格式

                     PPP帧首部四个字段,尾部两个字段。首部第一个字段和尾部第二个字段都是标志字段F,规定为0x7E,表示一个帧的开始 结束。连续两个帧之间只要一个定界符,如果连续两个标志字段F则表示这是一个空帧,应当丢弃。

                    首部地址字段A规定为0xFF,控制字段C规定0x03。PPP帧首部第四个字段是2byte的协议字段。当协议字段为0x0021时,PPP帧的信息字段就是IP数据报,若为0xC021,则信息字段为链路控制协议LCP的分组,而0x8021表示这是网络控制协议NCP的分组

                    信息字段长度不超过1500byte。尾部第一个字段(2byte)是使用CRC帧检验序列FCS。

                    当信息字段中出现和标志字段一样的比特组合(Ox7E)时,就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一样的比特组合不出现在信息字段中。

                    当PPP采用异步传输时,它把转义符定义为0x7D,并使用字节填充。RFC 1662规定了如下所述的填充方法。

                    ①把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2 byte序列(Ox7D,Ox5E)。

                    ②若信息字段中出现一个Ox7D的字节(即出现了和转义字符一样的比特组合)﹐则把0x7D转变成为2 byte序列(Ox7D,Ox5D)。

                    ③若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符),则在该字符前面要加入一个Ox7D字节,同时将该字符的编码加以改变。例如,出现0x03(在控制字符中是“传输结束”ETX)就要把它转变为2 byte序列 (Ox7D,0x23)。

                    由于在发送端进行了字节填充,因此在链路上传送的信息字节数就超过了原来的信息字节数·但接收端在收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换,就可以正确地恢复出原来的信息。

                    PPP用在SONET/SDH链路时,使用面向比特的同步传输(一连串的比特连续传送)而不是面向字符的异步传输(逐个字符地传送)。在这种情况下,PPP采用前面介绍的零比特填充方法来实现透明传输。

                    3.2.4 PPP的工作状态

                     上图为拨号接入连接过程。当用户拨号接通ISP拨号服务器后,就建立了一条从用户PC到ISP的物理连接。这时,用户PC向ISP发送一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧),建立LCP连接。这些分组及其响应选择了将要使用到的PPP参数。接着还要进行网络层配置,NCP给新接入的用户PC分配一个临时的IP地址。这样,用户PC就成为因特网上一个有IP地址的主机了。
                    当用户通信完毕时,NCP释放网络层连接,收回原来分配出去的IP地址。接着LCP释放数据链路层连接。最后释放物理层的连接。

                    PPP链路的起始和终止状态始终是“静止”状态,这时并不存在物理层的连接。当检测到调制解调器的载波信号,并建立物理层连接后,PPP就进入链路的“建立”状态。这时LCP开始发送配置请求帧。这是个PPP帧,其协议字段配置为LCP对应的代码,而信息字段包含特定的配置请求。链路的另一端可以发送以下几种响应。

            ①配置确认帧:所有选项都接受。

            ②配置否认帧:所有选项都理解但不能接受。

            ③配置拒绝帧:有的选项无法识别或不能接受,需要协商。

                    LCP配置选项包括链路上的最大帧长﹑所使用的鉴别协议的规约(如果有的话),以
    及不使用PPP帧中的地址和控制字段(因为这两个字段的值是固定的,没有任何信息量,可以在PPP帧的首部中省略这两个字节)。
                    协商结束后就进入“鉴别”状态。若通信的双方鉴别身份成功,则进入“网络”状态。

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