数据通信与计算机网络的粗略概述

1. 输入URI，解析主机域名，资源定位（URI解析&DNS解析/URL解析）

输入URI（统一资源标识符）后解析出协议、主机、端口、路径等信息，并构造一个HTTP请求。然后对URL进行解析，找到主机IP地址。【强缓存、协商缓存】

2. 发送HTTP报文的过程

   • 把HTTP的传输操作交给操作系统的协议栈【协议栈组成：TCP（需要连接）、UDP（不需要连接）、IP（传输网络包指定路由）】，在HTTP报文头加入TCP头部、IP头部和MAC头部构造请求网络包。
   • 资源可靠传输TCP、主机远程定位IP、交换机两点传输MAC
   • 网卡：把网络包二进制包加上报头和起始帧分界符，末尾加上用于检测错误的帧校验序列FCS，最后把二进制包转化电信号发送给交换机
   • 交换机：将电信号转化为数字信号，然后根据MAC地址表查找MAC地址将信号发送到相应的端口，直到抵达路由器。
   • 路由器：接收传给自己的数据包，去除MAC头部，根据路由表的网关列判断主机地址，进行发送。

3. TCP三次握手，建立网络连接（TCP三次握手，{[SYN],[SYN,ACK],[ACK]【一确认客户端的发送能力，确认服务端的发送能力和接收能力，确认客户端的接收能力】]}）

4. 客户端发送请求(发送HTTP报文GET /HTTP/1.1)

5. 服务器处理响应请求，返回HTTP报文，客户端确认（服务端TCP发送ACK给客户端确认，返回Http/1.1 200 OK报文，客户端TCP发送ACK给服务器确认）

6. 浏览器加载/渲染页面

7. 关闭浏览器，等待一段时间后断开TCP连接

数据是传送信息的实体，信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

• 模拟信号：连续变化的数据或信号。
• 数字信号：取值仅允许有限的离散数值的数据。

1. 抗干扰能力强,无噪声积累
2. 便于加密处理
3. 便于储存、处理和交换
4. 设备便于集成化、微型化

• 模型包括：源系统，传输系统和目的系统三部分

• 数据通信的系统模型由数据源、数据通信网和数据宿三部分组成。

• 课本表述：从系统设备级的构成(系统组成)–设备终端子系统、数据传输子系统和数据处理子系统

（1） 有效性指标：衡量数据通信系统的传输能力指标，指在传输一定的信息量所消耗的信道资源的多少，信道的资源包括信道的带宽，传输速率和频带利用时间。

（2） 特征性指标。差错率：接收端获得正确数据的准确率。可靠性：传输信息的准确程度等。

计算机网络是一个将计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。简单来说，就是一些互联的、自治的计算机系统的集合

• 数据通信
• 资源共享
• 分布式处理
• 提高可靠性
• 负载均衡

• 带宽
• 时延
• 时延带宽积
• 往返时延
• 吞吐量
• 速率
• 信道利用率

C = W ∗ l o g 2 （ 1 + S / N ） C = W*log_2（1+S/N） C=W∗log2​（1+S/N）

1. 连续信号和离散信号

2. 确知信号和随机信号

1. 时间特性：信号随时间的快慢特性
2. 频率特性：信号按频谱函数来表示

1. 基带传输和频宽传输

2. 串行传输和并行传输。

3. 同步传输和异步传输。

4. 单工传输，半双工传输和全双工传输。

• 异步传输是面向字符，而同步传输是面向比特

• 异步传输以字节为单位，同步传输以帧为单位

• 异步传输字符起止以起始位和停止位来判断，同步传输则需要通过提取数据的同步信息来判断

• 异步传输对时序的要求较低，而同步传输需要特定的时钟线路协调时序

• 异步传输效率比同步传输比较低

• 异步传输数据可以先后发送多条数据，不用考虑时间同步

• 同步传输：比特一个接着一个传输,中间没有间隔，各比特持续时长相等。需要收发双方时钟同步，有两种方法。外同步（添加一条当都时钟线）和内同步（曼彻斯特编码）。
• 异步传输：以字节为单位进行传输,字节之间的间隔不固定,但每个字节内的比特持续时长是相等的。换句话说,字节间异步,比特间仍是同步的。为此,需要始每个字符添加起始位和结束位。

(1)调制速率（波特率，码元传输速率） R B = 1 T ( s ) [ T 为 调 制 时 间 长 度 ] R_B = \frac{1}{T_{(s)}} [T为调制时间长度] RB​=T(s)​1​[T为调制时间长度]

(2)数据信号率（传输速率）

R b = ∑ i = 1 n 1 T i l o g 2 M i R_b = \sum^{n}_{i=1}\frac{1}{T_i}log_2 M_i Rb​=i=1∑n​Ti​1​log2​Mi​ n为并行传输的通路数，T为第i路第一个单位的调制信号波的时间长度，M为第i路调制信号波的状态数。

• 传输速率（bit/s） = R波特率（码元传输速率）* 每个码元可携带的信息量（log2X）
• 频带利用率 =R_b/B系统所占的频带宽度

• 传输损伤：数据信号在通信系统的端到端连接传输中每个环节都有可能受到伤害，这种伤害是多样性的。
• 传输损伤指标是误码、抖动和漂移，另外还有滑动、时延、帧失步。
• 传输损伤的两方面原因：一方面是外界环境因素和设备内部的缺陷。另一方面则是传输损伤之间相互的影响或转化。

1. 按信道允许传输的信号类型，可分为数字信道和模拟信道

2. 按信道的传输方向与时间的关系，可分为单工、半双工和全双工信道

3. 按信道的使用的方法，可分为专用信道和公共交换信道

4. 按信号使用的传输介质不同，可分为无线信道和有线信道

C = W l o g 2 ( 1 + S N ) C=W log_2(1+\frac{S}{N}) C=Wlog2​(1+NS​)

2.25 ∗ 1 0 6 2.25*10^6 2.25∗106的图片，每个像素有16个亮度等级的图像各信息计算：

• 16个亮度所需要的信息量为： l o g 2 16 = 4 log_216=4 log2​16=4
• 图片的信息量为: 2.25 ∗ 1 0 6 ∗ 4 = 9 ∗ 1 0 6 2.25 * 10^6 * 4 = 9*10^6 2.25∗106∗4=9∗106

C = 2 W l o g 2 N C = 2W log_2N C=2Wlog2​N W为信道宽度 N被传输信道的取值状态数

模拟信号转换成数字信号的步骤：抽样、量化和编码

抽样定理为模拟信号数字化奠定了理论基础，若一个连续模拟信号S(t)的最高频率小于Fh，则以间隔时间为 T ≤ 1 2 F h T\leq\frac{1}{2}Fh T≤21​Fh的周期性冲激脉冲对其抽样，S(t)将被这样抽样值所完全确定，采用等间距时间进行抽样，又称均匀抽样定理。

主要有三种方式：

1. 脉冲编码调制【PCM】

2. 差分脉冲编码【DPCM】

3. 自适应差分脉冲编码【ADPCM】

• 可调制
• PAM脉冲振幅
• PDM脉冲宽度
• PPM脉冲相位（位置）

1. 使用最后位表示极性，双极性电压可用单极性编码来处理，极大简化了编码电路和编码过程

2. 误码对电压的影响较小

原因：

1. 近距离数据通信广泛使用基带传输

2. 数据传输系统进行传输信号和信道匹配有一个处理基带波形过程

• 不归零编码
• 归零编码
• 曼彻斯特编码
• 差分曼彻斯特编码

• 调波
• 调频
• 调相

• 访问:主客体之间的信息相互交换或者系统状态改变，主、客体的交互行为。

• 主体:导致信息流向或改变系统状态的主动实体如:人、进程、设备等

• 客体:是包含或接受信息的被动实体

如:记录、文件、处理器、网络节点等

1. 信道访问技术：在公用信道不进行复用的情况下，确保单一使用公用信道的技术

2. 轮询访问技术：轮叫轮询，传递轮询

3. 争用访问技术：ALOAM，CSMA载波监听多路访问技术

4. 环访问技术:令牌环，时隙环

使用复用的好处：提高信道传输效率

原理:

• 整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。

主要优点

• 实现相对简单，技术成熟，能较充分地利用信道频带

主要缺点

• 保护频带的存在，大大降低了FDM技术的效率。

• 信道的非线性失真，改变了它的实际频带特性，易造成串音和互调噪声干扰。

• 所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型化;

• 频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于性能监测。

原理:

• 整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。

原理:

• 把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。

TDM的工作特点:（适合数字信道通信）

• 通信双方是按照预先指定的时隙进行通信的．而且这种时间关系是固定不变的;

• 就某一瞬时来看，公用信道上仅传输某一对设备的信号，而不是多路复合信号;但就一段时间而言，公用信道上传送着按时间分隔的多路复合信号。

TDM的缺点:

• 某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。

• 改进:统计时分多路复用(STDM)，用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。

• 由于各用户使用了经过特殊挑选的不同码型，他们可以在同样的时间内使用同样的频带进行通信，而不会造成相互干扰。

• 如果从频域或时域的角度来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。

• 在CDMA中，每一比特时间被划分为m个间隔，称为码片。

• 通常m的值是64或128

• 使用CDMA的每个站分派一个唯一的m bit码片序列码片序列使用的是伪随机序列

• 是一种直接序列的扩频通信方式

• 分派给每一个站的码片不仅互不相同，并且必须互相正交

• 任何一个码片向量的规格化内积都是1

• 令向量S表示站S的码片序列，令向量T表示其他任何站的码片序列。两个不同站S和T的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积为0； S ∗ T = 0   S ∗ T = 0   S ∗ S = 1   S ∗ S = − 1 S*T=0\ S*T= 0\ S*S= 1\ S*S = -1 S∗T=0 S∗T=0 S∗S=1 S∗S=−1

优点:

• 简化了信道，允许用户在任意时刻随机接入任何信道

缺点:

• 信道带宽利用率低

复用是将单一媒体的频带资源划分成很多子信道，这些子信道之间相互独立，互不干扰。从媒体的整体频带资源上看，每个子信道只占用该媒体频带资源的一部分。

多址(更确切地应该称为多点接入）处理的是动态分配信道给用户。这在用户仅仅暂时性地占用信道的应用中是必须的，而所有的移动通信系统基本上都属于这种情况。相反，在信道永久性地分配给用户的应用中，多址是不需要的(对于无线广播或电视广播站就是这样)。

交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。)

特点: 数据传输前需要建立一条端到端的通路。

• 呼叫——建立连接——传输——挂断

以电路交换进行数据通信时，存在两个限制条件:

• 通信双方的两个站必须同时处于激活可用的状态;

• 两个站之间的通信资源必须可用，而且必须专用。

对于传输信息量大，通信对象比较确定的场合，这种交换方式是较为适用的。

优点:

• 建立连接后，传输延迟小;处理开销小;

• 对数据信息的格式和编码类型没有限制。

缺点:

• 建立连接的时间长;

• 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；

• 各种不同类型和特性的用户终端之间不能互通;

• 存在传输损耗;

整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发

主要优点:

• 线路利用率较高;

• 交换机以“存储─转发”方式传输数据信息，它不但可以起到匹配输入输出传输速率的作用，而且还能起到防止呼叫阻塞、平滑通信业务量峰值的作用;

• 易于实现各种不同类型终端之间的互通;

• 不需要发、收两端同时处于激活状态。

缺点:

• 报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。
• 大报文造成存储转发的延时过长;
• 出错后整个报文全部重发。

将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。

优点:

• 存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组——速度快;

• 转发延时小——适用于交互式通信;

• 某个分组出错仅重发该分组——效率高;

• 各分组可通过不同路径传输，可靠性高

特点:

• 数据传输前不需要建立一条端到端的通路。
• 有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。

报文或分组在传输过程中，应考虑下面三种类型的时延:

• 传播时延：指电信号在物理媒体中传输所花费的时间。

• 传送时延：指发送一个报文或分组所需要的时间，这个时间与所用的线路传输速率和信息格式有关。

• 结点时延：指结点交换机转发接收到的报文或分组所需要的处理时间。

• 点对点信道
• 广播信道

数据链路与链路的区别在于数据链路除物理链路外，还必须有一些必要的规程来控制数据的传输

因此，数据链路比物理链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。

“电路接通了”表示链路两端的节点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了

但是，数据传输并不可靠，在物理连接基础上，等再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”

此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。

• 链路管理

• 帧定界（帧头和帧尾）

• 透明传输：是指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样

• 流量控制

• 差错检测

• 误码率BER: 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率

帧定界

• 透明传输。面向字节的物理（异步）链路使用字节填充法（插入“转义字符”）实现透明传输；

发送方的处理：

• 出现的每一个7E (PPP帧的定界符）字节转变成2字节序列(7D,5E)。出现的每一个7D(转义字符）字节转变成2字节序列(7D,5D)。

• 出现的每一个ASCII码控制字符（数值小于0x20的字符)，则在该字符前面插入一个7D

• 字节，同时将该字符的编码加上0x20。

接收方的处理

• 进行反变换即可恢复出原来的帧的数据部分。

面向比特的物理(同步)链路使用比特填充法实现透明传输；字节计数法；非法比特编码法

发送方的处理

• 对帧的数据部分进行扫描（一般由硬件实现)。只要发现5个连续的比特1，则立即填充1个比特0。

接收方的处理

• 对帧的数据部分进行扫描（一般由硬件实现)。只要发现5个连续的比特1，就把其后的1个比特0删除。

循环冗余校验CRC,使用差错检测码来检测数据在传输过程中是否产生了比特差错

• 接收方每收到一个PPP帧，就进行CRC检验
• 若CRC检验正确，就收下这个帧
• 反之，就丢弃这个帧
• 使用PPP的数据链路层向上不提供可靠传输服务

PPP协议为在点对点链路传输各种协议数据报提供了一个标准方法

由以下三部分组成

• 对各种协议数据报的封装方法（封装成帧)
• 链路控制协议LCP：用于建立、配置以及测试数据链路的连接
• 一套网络控制协议NCPs：其中的每一个协议支持不同的网络层协议

采用边发送边监听的策略

工作原理:

• 发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。
• 在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。
• 等待一段随机时间(称为退避)以后，再重新尝试。

• 最小帧长 = 争用期（往返时延） * 数据传输速率

信道利用率= 数据帧发送时延/（数据帧发送时延+端到端往返时延）

1. 当往返时延RTT远大于数据帧发送时延Tp时（例如使用卫星链路)，信道利用率非常低。
2. 若出现重传，则对于传送有用的数据信息来说，信道利用率还要降低。
3. 为了克服停止-等待协议信道利用率很低的缺点，就产生了另外两种协议，即后退N帧协议GBN和选择重传协议SR。

• 确认与否认 - 超时重传 - 确认丢失 - 确认迟到

【注意事项】