计算机网络体系结构
计算机网络概述
计算机网络基本概念
广义观点
实现远程信息处理的系统或者能进一步达到资源共享的系统
资源共享观点
以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合
目的：资源共享
组成单元：分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”
网络协议：网络中计算机必须遵循的统—规则
用户透明性观点
能为用户自动管理资源的网络操作系统，能够调用用户所需要的资源，整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的
计算机网络的组成
组成部分角度
硬件主机（端系统）、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）以及通信处理机（网卡等）
软件 实现资源共享的软件以及方便用户使用的各种工具软件（网络操作系统、邮件收发程序 FTP 程序、聊天程序）
协议：计算机网络的核心，规定了网络传输数据遵循的规定
工作角度
边缘部分：所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用来进行通信（传输数据、音频或者视频和资源共享）
用户直接使用
C/S 方式
P2P方式
核心部分：大量的网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务
功能组成角度
通信子网：传输介质，通信设备，相应的网络协议 使得网络具有数据传输，交换，控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信
资源子网：实现资源共享功能以及软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机硬件、软件和数据的服务
计算机网络的功能
数据通信：最基本最重要的功能，实现联网计算机之间的信息传输，将分散的计算机联系起来
资源共享：实现软件，硬件，数据的共享，使得计算机网络中的资源互通有无，分工协作，提高硬件，软件和数据资源的利用率
分布式处理：将某个计算机负载过重的任务分散到多台计算机上，提高整个系统的利用率
提高可靠性：各台计算机可以通过网络互为替代机
负载均衡：将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机
计算机网络的分类
分布范围分类
广域网
范围：提供长距离通信，运送主机发送的数据
距离：几十干米到几千千米
地位：广域网是因特网的核心部分，连接广域网的各节点交换机的链路一般是离速链路，具有较大的通信容量
采用交换技术
城域网
范围：跨越几个街区甚至几个城市
距离: S~SOkm
地位：多采用以太网技术
局域网
范围：微机或者工作站通过高速线路相连，覆盖范围小
距离：几十米到几干米
地位：对计算机配置数量没有太多限制，采用广播技术
个人区域网
范图：个人工作的地方将电子设备用无线技术链接起来的网络
距离：区域直径为 10m
传播技术分类
广播式网络
所有联网计算机共享—个公共通信信道
一台计算机发送报文分组，其他计算机也能收听这个分组（根据报文目的地址进行接收）
采用广播通信技术 广域网中的无线 卫星通信网络也采用广播式通信技术
点对点网络
每个物理线路连接—对计算机
计算机通过直接或者中间结点对分组进行接收，存储和转发直到目的地
采用分组存储转发机制
按照拓扑结构分类
星形网络
每个终端或者计算机都以单独的线路与中央设备相连优点
优点：便于集中控制和管理
缺点：成本高，中心节点对故障敏感
总线形网络
用单根传输线把计算机连接起来
优点 建网容易，增减节点方便，节省线路
缺点重负载时通信效率不高，总线任意处对故障敏感
环形网络
所有计算机接口设备连接成—个环
典型·令牌环局域网
网状形网络
每个结点至少有两条链路与其他节点相连，形成—个网状结构
优点 可靠性高
缺点：成本离控制复杂
按照使用者分类
公用网 公众使用的网络
专用网 为满足某个部门特殊业务建立的网络（军队，电力，铁路）
按照传输介质分类
有线网络 双绞线网络同轴电缆网络
无线网络 蓝牙 微波 无线电
计算机网络的标准化工作及相关组织
生成 RFC 的过程
因特网草案 建议标准 草案标准 因特网标准
国际组织
国际标准化组织（ISO）：OSI 参考模型 HDLC
国际电信联盟（ITU）：远程通信标准
国际电气电子工程师协会（IEEE）：802 标准
计算机网络的性能指标
带宽
网络在通信线路中传送该数据的能力，单位：比特/每秒
时延
数据从网络的—端传送到另一端所需要的总时间
发送时延
发送分组的第—个比特开始，到最后也—个比特发送结束的时间
发送时延＝分组长度／信道带宽
传播时延
—个比特从链路—端到另—端需要的时间
传播时延＝信道长度／电磁波在信道上的传播速率
处理时延
数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间
如：分析分组的首部，从分组中提取数据部分，差错检验，寻找适当的路由器
排队时延
分组在进入路由器后，像排队—样等待被转发的时间
时延带宽积
发送端连续发送数据且发送的第—个比特即将到达终点时，发送端已将发出的比特数
时延带宽积＝传播时延＊信道带宽
往返时延
从发送数据到接收到接收端的确认，经历的时延
吞吐量
单位时间内通过某个网络的数据量
受到网络带宽或者网络额定速率的限制
速率
连接到计算机网络上主机在数字信道上传送数据的速率（数据率或者比特率），最高的数据率即为带宽
计算机网络体系结构与参考模型
网络分层
原则
每层实现一种相对独立的功能，降低系统的复杂度
各层之间界面清晰，易于理解，相互交流少
各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，才可以采用最合适的技术来实现
保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
整个分层结构应能促进标准化工作
基本概念
实体：任何可以发送或者接受信息的硬件或者软件进程
不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体
n层实体实现的服务为n +l 层所利用
服务数据单元( SDU) ：完成用户所要求的的功能而传送的数据，第n层为n -SD U
协议控制信息(PCI):控制层协议操作的信息n -PCI
协议数据单元( PDU ):对等层次之间传送的数据单元称为该层的 PDU n-PDU
层次结构含义
第N层的实体不仅要使用第N-1层的服务来实现自身定义的功能，还要想第N +l 层提供本层的服务，该服务是第N层及下面各层提供的服务总和
最底层只提供服务 使整个层次结构的基础 中间各层既是下一层的服务使用者 又是上一层的服务提供者 最高层面向用户提供服务
上一层只能通过邻近层的接口使用一下层的服务，而不能调用其他踏的服务，下一层所提供的服务的实现细节对上一层透明
两台主机通信时，对等层在逻辑上有—条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方
计算机网络协议、接口、服务的概念
协议
控制两个或者多个对等实体进行通信的规则集合，是水平的
不对等实体之间是没有协议的
组成
语法：规定了传输数据的格式
语义：规定了要完成的功能
同步：规定了执行各种操作的条件、时序关系
协议是水平的，是控制对等实体之间通信的规则
接口
同一节点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定
每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口
服务
下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的
服务原语
由服务用户发往服务提供者，请求完成某项任务
由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情
由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应
证实：由服务提供者发往服务用户，作为谓求的证实
只有本层的协议的实现才能保证向上一层提供服务，本层的服务用户只能看见服务，而无法看见下面的协议
服务的分类
面向连接服务和无连接服务
面向连接服务
通信双方必须建立连接，分配相应资源，结束后释放连接与资源（可靠服务）
阶段
连接建立
数据传输
连接释放
代表协议：TCP 协议
无连接服务
通信双方不需要建立连接，直接发送数据（不可靠服务）
尽最大努力交付( IP协议UDP协议）
可靠服务和不可靠服务
可靠服务
网络具有纠错，检错，应答机制，保证数据正确可靠的传送到目的地
不可靠服务
网络尽可能正确，可靠的传送，不能保证数据的正确，可靠的传送到目的地
可靠性由应用或者用户来保障
有应答服务和无应答服务
有应答服务
接收方在收到数据后向发送方发出相应的应答，传输系统自动实现
无应答服务
接收方受到数据后不会自动给出应答，如果需要应答就由高层实现
OSI 参考模型
目的是支持异构网络系统的互联互通
资源子网
应用层
表示层
会话层
传输层 承上启下
通信子网
网络层
数据链路层
物理层
物理层
传输单位：比特流
任务：透明传输的比特流
功能：物理媒体上为数据端设备透明的传输原始比特流
定义数据终端设备和数据通信设备的物理与逻辑连接方法
接口的机械形状和尺寸 ，交换电路的数量和排列
接口协议：EIA- 232C、EIA/TIA RS-449、CCITT 的 X2.1 等
数据链路层
传输单位
帧
任务
将网络层传来的 IP 数据报组装成帧
功能
成帧 差错控制流量控制 传输管理
差错控制：对传输中受到干扰的信号进行检错，并对其丢弃
流量控制：控制发送方的速度
介质访问子层控制共享信道的访问
典型协议: SDLC HDLC PPP STP 帧中继传输单位数据报
网络层
传输单位
数据报
任务
把网络层的协议数据单元（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
功能
流量控制 拥塞控制 差错控制 网际互联
拥塞控制：对网络中因为来不及接收导致大量丢失的情况，网络层采取一定的措施对拥塞进行缓解
网际互连：将大量异构网络通过路由器相互连接起来
典型协议
IP IPX ICMP ARP RARP OSPF
传输层
传输单位
报文段 ( TCP ) 或者用户数据报( UDP )
任务
主机之间两个进程的相互通信
功能
端到端传输 流量控制 差错控制 服务质量数据传输管理等服务
典型协议
TCP UDP
会话层
任务
允许不同主机上的各个进程之间进行通话
功能
建立会话同步管理主机间的会话进程（建立、管理及终止）
使用校验点恢复通信，实现数据同步
表示层
任务
处理两个通信系统中交换信息的表示方式
功能
数据压缩 加密和解密 数据表示变换
应用层
任务
用户与网络的界面，为特定类型的网络应用提供访问 OSI 环境的手段
典型协议
FTP SMTP HTTP
TCP/IP 类型
应用层
对应 OSI的会话 层 表示层和应用层
包含所有高层协议( Telne t FTP DNS SMTP HTTP )
传输层
对应 OSI的传输层
实现发送端和目的端主机上的对等实体进行会话
传输控制协议( TCP )
面向连接（可靠交付）
数据传输的基本单位是报文段
用户数据报协议( UD P )
无连接的（不可靠交付）
传输基本单位是用户数据报（尽最大努力交付）
网际层
对应OSI的网络层
将分组发送到任何网络上，选择合适的路由
不能保证有序到达，有序交付交给高层负责
定义了 IP协议IPV4 IPV6
网络接口层
对应OSI的数据链路层和 物理层
指出主机必须使用的某种协议与网络连接
作用：从主机或者结点接收IP分组 ，并把他们发送到指定的物理网络上
TCP/ IP 模型与 OSI 模型的比较
相同
都采用分层结构
都是基于独立的协议栈的概念
都可以解决异构网络的互联，实现不同厂家的计算机的相互通信
不同
OSI精确的定义了服务 接口和协议 TCP / IP没有明确区分
OSI 通用性良好 TCP / IP 协议是对已有协议的描述，但是不适用于其他 TCP / IP 的协议栈
OSI 没有考虑多种异构网络的互联问题
网络层（ 网际层 ）
OSI中支持无连接和面向连接
TCP/IP只有无连接
传输层
OSI支持面向连接的通信
TCP/IP 支持面向连接和无连接的通信
信息传输过程
用户发送数据报
应用层
将自然语言转化为通信数据
然后开始每层都会加上 SDU 和 PCI进行包裹包装
到达目的主机又会进行包裹拆包，将SDU和PCI— 层层拆开 最终获得数据
物理层
通信基础
基本概念
数据
传送信息的实体，是指数据的电气或者电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式
模拟数据（模拟信号） 连续变化的数据或者信号
数字数据（数字信号） 取值仅允许为有限的几个离散数值的数据成为数字信号或者数字
传输方式
串行传输： —个—个的比特按照时间顺序传输
并行传输：多个比特通过多条通信信道同时传输
码元
一个固定时长的信号波形（数字脉冲 ）表示一个 K 进制数字 ，代表不同离散数值的基本波形
这个时长内的信号称为 K 进制码元 该时长称为码元宽度
信源
产生和发送数据的源头
信道
发送端信源发送的信息经过变换成合适的信号后在信道上传输到信宿
信道是信号的传输媒介
噪声源是指信道上的噪声（对信号的干扰），及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示
信宿
接收数据的终点
信源，信道，信宿一个通信系统的组成部分
信号传输新式的不同
传送模拟信号的模拟信道信号
传送数字信号的数字信道
传输介质的不同
无线信道
有线信道
通信交互方式
单工通信
一个方向的通信，没有反方向的交互（无线电广播，电视广播）
半双工通信
通信双方都可以发送或者接收信息，但是任何一方不能同时发送和接收信息（需要两条信道）
全双工通信
通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道
速率
数据的传输速率，单位时间内传输的数据量
码元传输速率（码元速率，波形速率）：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（单位是波特）
信息传输速率（信息速率，比特率）：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数） 单位是比特/秒
带宽
网络的通信线路所能传输数据的能力(b/s)
奈奎斯特定理与香农定理
奈奎斯特定理
理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，极限码元传输速率为 2W 波特（W 是理想低通信道的带宽，单位 HZ）
理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V （单位为 b/s）
结论
任何信道中，码元的传输速率是有上限的
信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，没有 给出信息传输速率的限制（即一个码元可以对应多少个二进制位给出限制）
香农定理
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率
信道的极限数据传输率=Wlog2(1+S/N) (单位为 b/s)
W 为信道的带宽 S 为信道所传输信号的平均功率 N 为信道内部的高斯噪声功率
S/N 为信号的平均功率和噪声的平均功率之比
结论
信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高
对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的
只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错 的传输
香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道的传输速率要比他低很多
编码与调制
概念
调制：数据变换为模拟信号的过程
编码：数据变换为数字信号的过程
数字数据编码为数字信号
数字数据编码用于基带传输中，在不改变数字信号频率的情况下，直接传输数字信号
非归零编码
用两个电压来代表两个二进制数字，低电平为 0，高电平为 1
优点：容易实现
缺点：无法使得双方同步 没有检错功能
曼彻斯特编码
将一个码元分为两个相等的间隔，前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平表示 1，码元 0 的表示方法相反
优点：可以尽心双方的同步
缺点：占用的频带宽度是原始基带宽度的两倍
以太网使用的编码就是曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
若码元为 1，前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同
若码元为 0，情况相反
优点：可以实现自同步，抗干扰性好
主要使用在局域网传输
4B/5B 编码
将发送的数据流每 4 位作为一组，然后按照 4B/5B 编码规则将其转换为相应的 5 位码
5 位码共有 32 种组合，但是只是用其中的 16 种对应 16 种不同的 4 位码，其他的 16 种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留
数字数据调制为模拟信号
幅移键控（ASK）
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 1 和 0，载波的频率和相位不发生变化
比较容易实现，抗干扰能力强
频移键控（FSK）
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 1 和 0，载波的振幅和相位不发生变化
容易实现，抗干扰能力强，应用广泛
相移键控（PSK）
通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 1 和 0，载波的振幅和频率不发生变化
又分为绝对调相和相对调相
正交振幅调制（QAM）
频率相同的前提下，将 ASK 与 PSK 结合起来，形成叠加信号
设波特率为 B，采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，该 QAM 技术的数据传输率 R 位
采样
对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
采样频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化率）的两倍
量化
把采用取得的电平幅值按照一定的分级标度，转化为对应的数字值并取整数
这样就把连续的电平幅值转换为离散的数字量
采样和量化的实质就是分割和转换
编码
把量化的结果转化 为与之对应的二进制编码
模拟数据调制为模拟信号
需要较高的频率
使用频分复用(FDM)技术，充分利用带宽资源
电话局和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式
模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的
电路交换
数据传输前，先建立起一条专用（双方独占）的物理通信路径、
直通方式传输数据
电路交换技术的三个阶段
连接建立
数据传输
连接释放
优点
通信时延小：通信线路双方专用，传输时延非常小
有序传输：双方通信时发送顺序发送数据，不存在失序问题
没有冲突：不同的通信双方有着不同的信道
适用范围广：可以传输模拟信号，也可以传输数字信号
实时性强：双方的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信
控制简单：电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单
缺点
建立连接时间长
电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说时间较长
路线独占
使用效率较低，只能供通信双方使用
灵活性差
只要通信双方的任何一点出现故障，就必须重新建立连接
难以规格化
数据的不同类型，不同规格，不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制
无数据存储能力
难以平滑通信量
报文交换
数据交换的单位是报文，报文携带有目的地址，源地址等信息
报文交换的时候使用存储转发方式
优点
无须建立连接
不需要建立专用线路，随时可以发送报文，不存在建立连接时延
动态分配线路
当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去
提高线路的可靠性
如果某条传输路径发送故障，那么可重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性
提高线路利用率
通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通信
提高多目标服务
一个报文可以同时发送给多个目的地址
缺点
数据进入交换节点后要经过存储，转发，所以存在转发时延（包括接收报文，校验正确性派对，发送时间等）
报文交换对报文的大小没有限制，所以网络结点要有较大的缓存空间
现在已经很少使用，多使用分组交换方式代替
分组交换
采用存储转发方式，限制了每次传送的数据块的大小上限，把大
的数据块划分为合理的小数据块，在加上一些必要的控制信息（源地址，目的地址，编号信息）构成分组
网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点收到分组后暂时保存并排队等待传输，根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到目的结点
采用存储转发方式
优点
没有建立时延
不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送分组
线路利用率高
通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路
简化了存储管理（相对于报文交换）
因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易
加速传输
分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与一个分组的转发操作并行，这种流水线减少了报文的传输时间
传输一个分组所需的缓冲区比传输一次报文所需的缓冲区小，这样因缓冲区不足而等待发送的概率以及时间也会少
减少了出错概率和重发数据量
分组较短，出错概率减小，重发的数据量也就减少，提高了可靠性，也减少了传输时延
缺点
存在传输时延
需要额外的信息量
每个小数据块都要加上源地址，目的地址和分组编号等信息
当分组交换采用哪个数据包服务时，会出现失序，丢失或者重发分组，到达目的地后要对分组进行排序工作
数据报服务
网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组
每个分组有着完整的目的地址
每个分组独立的进行路由选择和转发
不保证分组的有序到达
不保证可靠通信，可靠性由用户来保证
出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择不发生变化可以正常传输
由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性
分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组
网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强
适用于突发性通信，不适于长报文，会话式通信
虚电路服务
必须建立连接
仅在建立连接阶段使用，每个分组使用长度较短的虚电路号
属于同一条虚电路的分组按照同一个路由转发
保证分组的有序到达
可靠性由网络保证
所有经过故障结点的虚电路都不能正常工作
可由分组交换网负责，也可以由用户主机负责
通信方式
单工通信
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
半双工通信/双向交替通信
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
全双工通信/双向同时通信
通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道
串行传输&并行传输
串行传输
将表示一个字符和 8 位二进制按低位到高位的顺序依次发送
速度慢，费用低，适合远距离
并行传输
将表示一个字符的 8 位二进制同时通过 8 条信道发送
用于计算机内部数据传输
速度快，费用高，适合近距离
同步传输&异步传输
同步传输
在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称区块传输
在传送数据时，需先送出 1 个或多个同步字符，再送出整批的数据
异步传输
异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是 8 位的一个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达
传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位
传输介质
双绞线，同轴电缆，光纤与无线传输介质
双绞线
简介
最常用的古老传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的相互绝缘的铜导线组成
绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
屏蔽双绞线(STP)：在双绞线的外面加上一个由金属丝编织成的屏蔽层
非屏蔽双绞线(UTP)：无屏蔽层
优点
价格便宜
适用范围广
适用范围
局域网，传统电话网
模拟传输和数字传输
传输距离
几千米到数十千米
距离过大
模拟传输使用放大器放大衰减的信号
数字传输使用中继器将失真的信号整形
同轴电缆
由内导体，绝缘层，网状编织屏蔽层和塑料外层构成
50 欧姆同轴电缆
主要传输基带数字信号
75 欧姆同轴电缆
主要传送宽带信号
主要用于有线电视系统
优点
良好的抗干扰特性
广泛用于传输较高速率的数据
传输距离更远
缺点
价格相对于双绞线贵
光纤
利用光导纤维传递光脉冲
利用光的全反射原理在光纤中不断的传输
多模光纤
从不同角度入射的多束光线在一条光纤中传输
单模光纤
光纤的直径减少到仅一个光波长度时，光纤就像一根波导那样 ，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射
优点
传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
抗雷电的电磁干扰性能好
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
体积小，重量轻
无线传输介质
无线电波
无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，所以它被广泛应用于通信领域
无线电波使信号向所有方向散播，因此有效距离内的接收设备无须对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信连接，简化了通信连接
微波，红外线和激光
相同点:需要发送方和接收方之间一条视线通路，有很强的方向性，都沿直线传播，有时统称这三者为视线介质
不同点：红外通信的激光通信要把传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再直接在空间中传播
微波通信的频率高，频段范围宽，载波频率通常为 2~40GHZ，因而通信信道的容量大
微波通信的信号是沿直线传播的，因此在地面的传播距离有限，超过一定距离后就要用中继站来接力
卫星通信
卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制
优点
通信容量大，距离远，覆盖广
缺点
端到端传播时延长，一般为 250~270ms
物理接口的特性
机械特性
主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格，引线的数目，引脚的数量和排列情况等
电气特性
规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低，阻抗匹配，传输速率和距离限制等
功能特性
指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，接口部件的信号线（数据线，控制线，定时线）的用途
规程特性
主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系
接口标准
EIA RS-232-C ADSL SONET/SDH
物理层设备
中继器
功能
将数字信号整形并放大再转发出去，消除信号的失真和衰减
原理
信号再生
优点
局域网环境下扩大网络规模最简单，最廉价的互联设备
缺点
不能够连接具有两个不同速率的局域网
中继器出现故障，相邻的两个网段都会产生影响
如果网络设备具有存储转发功能，那么这个设备就可以连接两个不同的协议（不同速率的网段）
限制
5-4-3 规则 互联串联的中继器的个数不能超过 4 个，4 个中继器串联的 5 段通信介质只有 3 段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段
与放大器对比
放大器放大的是模拟信号
原理是将衰减信号放大而不是再生
集线器（HUB）
功能
实质是一个多端口的中继器，也可以对信号尽心整形再生
收到信号后，就将信号从其他端口发出
如果有多端口输入，输出时就会发生冲突，数据都无效
优点
扩大网络的传输范围
缺点
不具有定向传送能力
只能工作在半双工状态下
Hub 每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段
不能分割冲突域
多台主机通过交互时，会使其工作效率降低
数据链路层
数据链路层的功能
概要
数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出 错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路
为网络层提供服务
无确认的无连接服务
特点
源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，目的机器收到数据帧时不需发回确认
对丢失的帧，数据链路层不负责重发而交给上层处理
适用范围
适用于实时通信或误码率较低的通信信道（以太网）
有确认的无连接服务
特点
源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，但目的机器收到数据帧时必须发回确认
源机器在所规定的时间内未收到确定信号时，就重传丢失的帧，以提高传输的可靠性
使用范围
适用于误码率较高的通信信道（无线通信）
有确认的面向连接服务
特点
帧传输过程分为三个阶段 建立数据链路、传输帧、释放数据链路
目的机器对收到的每—帧都要给出确认 ， 源机器收到确认后才能发送下一帧
使用范围
适用于通信要求（可靠性、实时性）较高的场合
链路管理
概述
据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理它主要用千面向连接的服务
实现过程
首先确认对方已处于就绪状态
交换—些必要的信息以对帧序号初始化
建立连接，在传输过程中则要能维待连接，而在传输完毕后要释放该连接
帧定界，帧同步与透明传输
概述
两个工作站之间传输信息时，必须将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送
帧定界
将—段数据的前后分别添加首部和尾部身就构成了帧。首部和尾部中含有很多控制信，息其作用是确定帧的界限
帧同步
接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止
透明传输
采取有效的措施解决误认为＇传输结束”而丢弃后面的数据的问题
流量控制
概述
收发双方各自的工作速率和缓存空间的差异，出现发送方的发送能力大于接收方的接收能力的现，如象不对其进行流量控制就会导致数据
实现
通过控制发送方的发送速度，从而实现流量控制
差错控制
使发送方确定接收方是否正确收到由其发送的数据的方法
位错：数据中的某些位出现错误
帧错：帧的丢失、重复或失序等错误
解决方法
解决位错 CRC 循环冗余码
解决帧错 自动重传请求 ( ARQ )
组帧
功能实现
为了使接收方能正确地接收并检查所传输的帧，发送方必须依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧
解决问题
帧定界
帧同步
透明传输等
字符计数法
实现方法
在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数
缺点
如果计数字段出错，收发双方将失去同步从而导致错误
字符填充的首尾定界符法
实现方法
使用一些特定的字符来定界一帧的开始(DLE STX)与结束(DLE ETX)
在特殊字符前面填充一个转义字符(DLE) , 防止特殊字符被误判为帧的首尾定界符
零比特填充的首尾标志法
实现方法
使用一个特定的比特模式，即 01111110 来标志一帧的开始和结束
在发送信息时，遇到 5 个连续的 1 就自动在后面加 0
当收到信息时，遇到 5 个连续的 1 就自动在后面减 0
优点
零比特填充法很容易由硬件来实现，性能优千字符填充法
违规编码法
使用条件
在物理层进行比特编码时，通常采用违规编码法
违规编码法只适用于采用冗余编码的特殊编码环境
实现方法
正常情况下：曼彻斯特编码中比特 “1’ 编码成”高-低 “电平 ，比 特 “0” 编 码成”低－高”电平
违规编码：曼彻斯特编码中比特 “1” 编码成”高－高”电 平 ，比特” 0” 编 码成”低－低”电平
ps：借用这些违规编码来定界帧的起始和终止
具体事例
局域网 IEEE 802 标准
目前较常用的组帧方法是比特填充法和违规编码法
差错控制
概要
影响因素：信道固有噪声干扰
解决方法：提高信噪比
但是外界的冲击噪声是产生差错的重要原因，没有办法通过提高信号幅度来降低干扰
利用编码技术进行差错控制
自动重传请求 ARQ
接收端检测出差错时，就设法通知发送端重发，直到接收到正确的码字为止
前向纠错 FEC
接收端不但能发现差错，而且能确定比特串的错误位置，从而加以纠正
检错编码
奇偶校验码
n-1 位数据和 1 位校验位组成，校验位用于调节发送信息中的 1 的个数是偶数还是奇数
循环冗余码
任何一个由二进制数位串组成的代码都可以与一个只含有 0 和 1 两个系数的多项式建立一一对应关系
计算步骤
假设—个帧有 m 位,其对应的多项式为 M (x)
加 0：假设 G(x)的阶为 r,在帧的低位端加上 r 个 0
模 2 除：利用模 2 除法，用 G(x)对应的数据串去除 1 中计算出的数据串，得到的余数即为冗余码（r 共位，前面的 0 不可省略）
纠错编码
海明码
原理
在有效信息位中加入几个校验位形成海明码，并把海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中
当某一位出错后，就会引起有关的几个校验位的值发生变化，这不但可以发现错位，而且能指出错位的位置
计算过程
设 n 为有效信息的位数 ，k 为校验位的位数，则信息位 n 和校验位 k 应满足
确定校验位的分布 规定校验位在海明位号为 位置上，其余各位为信息位
分组形成校验关系-被校验数据位的海明位号等于校验该数位的各校验位海明位号之和
校验位取值 校验位的值为对应组的所有位求异或
流量控制与可靠传输机制
流量控制、可靠传输与滑动窗口机制
流量控制涉及对链路上的帧的发送速率的控制，以使接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧
停止-等待流量控制
基本原理
每次只允许发送一帧，然后就陷入等待接收方确认信息的过程中，因而传输效率很低
如果接收方不反馈应答信号，那么发送方必须一直等待
滑动窗口流量控制
基本原理
发送方都维持一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口
接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口
ps：发送窗口用来对发送方进行流量控制
发送方：发送窗口的大小代表在还未收到对方确认信息的情况下发送方最多还可以发送多少个数据帧
接收方：接收窗口是为了控制可以接收哪些数据帧和不可以接收哪些帧
ps：帧的序号落入接收窗口之内，将该数据帧收下
帧的序号落在接收窗口之外，则将其丢弃
机制特点
只有接收窗口向前滑动（同时接收方发送了确认帧）时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧后才一定）向前滑动
接收窗口的大小为 1 时 ，可保证帧的有序接收
数据链路层的；骨动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的
可靠传输机制
通常使用确认和超时赁传两种机制
基本概念
确认帧：是一种无数据的控制帧，这种控制帧使得接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收
稍待确认：为了提高传输效率，将确认捎带在一个回复帧中
超时重传：发送方在发送某个数据帧后就开启一个计时器，一定时间内 如果没有得到发送的数据帧的确认帧，那么就重新发送该数据帧 ， 直到发送成功为止
自动重传请求：接收方谓求发送方重传出错的数据帧来恢复出错帧的，是通信中用于处理信道所带来差错的方法
停止－等待（Stop-and-Wait) ARQ
后退 N 帧( Go-Back-N ) ARQ
选择性重 传 (Selective Repeat) ARQ
ps:滑动窗口技术与请求重发技术的结合
单帧滑动窗口与停止－等待协议
从滑动窗口机制的角度看，停止－等待协议相当于发送窗口和接收窗口大小均为 1 的滑动窗口协议
在停止一等待协议中，除数据帧丢失外，还有其他两种差错
1.到达目的站的帧可能已遭破坏
解决方案 装备计时器 计时器计满时仍未收到确认，那么 再次发送相同的帧，直到该 数据帧无错误地到达为止
2.数据帧正确而确认帧被破坏
解决方案 发送方贡传已被接收的数据帧，接收方收到同祥的数据帧时丢弃该帧，井霆传一个该帧对应的确认帧
帧缓冲区
目的：为了超时重发和判定重复帧的需要
实现方法：发送端在发送完数据帧时，必须在其发送缓存中保留此数据帧的副本，这样才能在出差错时进行重传． 只有在收到对方发来的确认帧 ACK 时 ，方可清除此副本
多帧滑动窗口与后退 N 帧协议(GBN)
后退 N 帧式 ARQ
发送方连续发送帧，当接收方检测出失序的信息帧后，要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧之后的所有未被确认的帧（累积确认）
优点
连续发送数据帧而提高了信道的利用率
缺点
若信道的传输质量很差导致误码率较大时，后退 N 帧协议不一定优于停止－等待协议窗
窗口大小
n 比特编号
GBN协议巨点总结
累积确认（偶尔捎带确认）
接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃
确认序列号最大的、按序到达的帧
发送窗口最大为___ 接收窗口大小为 1
多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)
选择重传
每个发送缓冲区对应一个计时器，当计时器超时时，缓冲区的帧就会重传
一旦接收方怀疑帧出错 ，就会发一个否定帧 NAK 给发送方，要求发送方对 NAK 中指定的帧进行重传
接收端要设置具有相当容量的缓冲区来暂存那些未按序正确收到的帧
优点：提高了信道的利用率
缺点：需要开辟缓存空间用来存储数据
窗口大小
n 比特编号