参考教材：谢希仁-计算机网络、计算机网络：自顶向下方法

互联网概述

网络方面常用软件

• ensp：华为网络设备模拟器
• wireshark：抓包分析
• kali：集成大量攻防软件的linux发行版

网络方面常见厂商

• IBM 服务器
• orarcle：数据管理
• cisco：网络设备

中国蜂窝网络发展史

代数	功能	厂商
1G	文本、语音	CHINA NET
2G	彩信、语音	CMCC /SCDMA
3G	多媒体	Union /WCDMA
4G	-	CMCC
5G	更多基站、高速	CMCC

互联网概述

最初由美国的ARPANET发展而来。

按照功能可以将互联网划分为通信子网和资源子网。

互联网标准化

由国际性组织互联网协会-互联网体系结构委员会IAB-互联网工程部（IETF）/ 互联网研究部（IRTF）负责。

所有互联网标准都以RFC（Request For Comments，请求评论）文档的形式发布。

互联网的的组成

按工作方式划分为边缘部分和核心部分。

边缘部分

由连接在互联网上的主机组成，用户直接使用，用于资源共享。（共享软件、硬件、数据、信道）

边缘设备之间的通信一般分为客户-服务器（C/S）方式和对等（P2P）方式。

核心部分

由大量网络设备组成，为边缘部分提供服务，进行通信。

通信的交换方式主要分为电路交换和分组交换。现在一般由路由器实现分组交换。

分组交换一般采用存储转发技术，有存储、查表、转发三个阶段。

计算机网络定义

计算机网络是指将分布在不同地理位置的具有不同功能的多台计算机，通过传输媒介连接起来，按照某种协议进行通讯，以实现资源共享和信息传递。

我国的计算机网络

主要有：

• 中国电信互联网CHINANET（原中国公用计算机网络）
• 中国联通互联网UNINET
• 中国移动互联网CMNET
• 中国教育和科研计算机网CERNET
• 中国科学技术网CSTNET

04年开始以CERNET2作为主干网

计算机网络的类别

按传输介质分：

• 有线
• 无线
  • WLAN（Wi-fi无线保真技术）
  • WMAN（Wi-max）
  • 微波
  • 卫星
  • 蓝牙

按作用范围：

• 广域网WAN
• 城域网MAN
• 局域网LAN
• 个人局域网PAN

计算机网络结构

计算机一切皆 0、1：计算机内部数据的存储运算、通信均采用二进制

网络协议

网络协议(Network Protocol)，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

• 语法：数据与控制信息的结构或格式
• 语义：控制信息的具体含义
• 同步（或时序）：时间实现顺序、何时、何种速率

协议分层模型

分层：将庞大复杂的问题转化为局部问题，以便于研究与处理。

层次结构的好处

• 各层独立，各司其职
• 灵活性好
• 分割结构
• 易于实现和维护
• 有利于功能复用
• 促进标准化工作

OSI 的体系结构

OSI/RM(Open System Internet/Reference Model)：开发系统互联参考模型，由国际标准化组织 ISO 提出。

层数	名称
7	应用层
6	表示层
5	会话层
4	运输层（传输层）
3	网络层
2	数据链路层
1	物理层

速记口诀：物-链-网-传-会-表-应

TCP/IP 的体系结构

网络接口层并没有定义具体内容。

层数	名称
5-7	应用层
4	运输层（传输层）
3	网际层
1-2	网络接口层

五层原理体系结构（实际运用）

层数	名称
5-7	应用层
4	运输层（传输层）
3	网络层
2	数据链路层
1	物理层

各层要解决的问题：

• 应用层：进程级别通讯
• 运/传传输层：通过端口号区分进程，端对端通信
• 网络层：区分主机，点对点通讯
• 数据链路层：链路两端的通讯
• 物理层：最底层的 01 通讯

各层传输单位：

• 应用层：数据/信息/报文
• 运输层：数据段/数据报
• 网络层：数据包/报文分组
• 数据链路层：数据帧
• 物理层：比特流

封装与解封装

数据通信基础

常用术语

数据(data)：承载信息的实体

信号：数据的电气/电磁表现

• 模拟信号：取值是连续的
• 数字信号：取值是离散的

码元：时域波形表示数字信号是，代表不同离散数值的基本波形

编码与调制

数字数据-> 数字信号：编码；数字信号-> 数字数据：解码

数字数据-> 模拟信号：调制；模拟信号-> 数字数据：解调

常用编码方式

归零：正脉冲表示 1, 负脉冲表示 0

不归零：高电平表示 1, 低电平表示 0

曼彻斯特编码：每位中心上跳变表示 0, 下跳变表示 1

差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表 0, 无跳变代表 1

曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码具有 自同步能力：能够容易的分辨出单个周期，不易混淆。

传统以太网（10BASE-T，10 mpbs）采用曼彻斯特编码

令牌环网采用差分曼彻斯特编码

基本调制方法

• 调幅：幅移键控 ASK
• 调频：频移键控 FSK
• 调相：相移键控 PSK

常见调制方式：

BPSK：二进制相移键控，2 种状态表示 1 位 bit

QPSK：正交相移键控，4 种状态表示 2 位 bit

QAM：正交幅度调制，调相与调幅组合

• 16-QAM： 16 种状态表示 4 位 bit
• 32-QAM
• 64-QAM
• 256-QAM
• 1024-QAM
• 4096-QAM

信道极限容量

奈氏准则 （奈奎斯特准则）

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2 W 波特，W 是理想低通信道的带宽，单位是赫兹（Hz）。波特/波特率，码元传输速率的单位，即码元/秒。

信道的最大数据传输速度 ​R_{max} 可表达为

M 为码元状态。

​\log_2M 表示一个码元承载的信息大小，如 1024-QAM 承载 10 bit 信息。

香农公式

1948 年，香农用信息论推导出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的 极限、无差错的 信息传输速率。

信道的极限传输速率 C 可表达为

W 为信道带宽（Hz）

S 为信道内所传信号平均功率

N 为信道内部的高斯噪声功率

传输方式

并行与串行

并行：一次发送 n 个 bit, 需要 n 条传输线路；速度快、距离近、主机内传输

串行：依次发送每个 bit, 需要 1 条传输线路；速度慢、距离远、主机间传输

异步与同步

异步：以字节为独立的传输单位，字节之间传输间隔不固定，只在开始传输单个字节内同步。（短信聊天）

同步：以稳定的比特流形式传输，同时收发。（视频电话）

单工、半双工、全双工

单工：单向通信，只能收或只能发

半双工：双向交替，可以收可以发，但不能同时收发

全双工：双向同时，可以同时收发

物理层传输媒体

传输媒体：数据传输系统中在发送其和接收器之间的物理通路。

• 导引型：沿着固体媒体传播（光纤、铜线）
• 非导引型：自由空间（电磁波）

导引型

双绞线

• 绞合可减少对相邻导线的电磁干扰
• 线序：568A、568B
  • 568B：白橙-橙-白绿-蓝-白蓝-绿-白棕-棕
• 通常多根双绞线再绞合成双绞线电缆
  • 屏蔽双绞线 STP
  • 无屏蔽双绞线 UTP

主要参数

• 回波损耗：信号在传输过程中被反射回来的功率与输入功率的比（dB）
• 衰减：信号传输中有能量转化或者被吸收
• 串扰：不同 n 线对之间由于耦合产生的不需要的信号；传音分为远端串音（FEXT）和近端串音（NEXT），测试仪主要测量（NEXT）
• 衰减串扰比：衰减后信号强度与噪声强度比

光纤

利用光导纤维传递光脉冲

带包层直径 125 微米

多模与单模

类型	光源	传输方式	光纤颜色	纤芯	工作波长	传输距离
单模（SM）	半导体激光器（LD）	直射	黄色	9 微米	1310～1550 纳米	5～40 千米
多模（MM）	发光二极管（LED）	反射	橙色、水蓝色	50 或 62.5 微米	850 纳米	550 米

优点

• 通信容量大
• 传输损耗小，中级距离长，适合远距离传输
• 抗雷电和电子干扰性能好
• 无串音干扰
• 保密性好，不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

光纤接口

• LC：俗称小方，用于机房光模块（设备端）
• SC：俗称大方，用于 GPON/EPON 家庭宽带光猫，单根使用；（设备端）
• FC：螺口圆形，插光配线架（ODF）
• ST：挂口圆形，插光配线架（ODF）

技术参数

• 回波损耗：光纤尾端或光路端面上一部分光反射回原来的光路中
• 衰减：光功率的减少，光衰单位为 dB/km
• 色散：光纤传输的 n 输出都安光脉冲变宽
• 波长窗口参数：信号波长窗口范围

同轴电缆

由内导体铜质芯线（单股或多股绞合）、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层、塑料保护层组成。

主要用于早期有线电视网

非导引

无需铺设线缆，简单便捷，但易受干扰，保密性差。

短波、超短波、微波、红外线、可见光

远距离无限通信

微波基站接力

卫星通讯：延迟 250～300ms

低轨道卫星通讯系统

卫星高度 2000 公里一下

SpaceX 星链

信道复用技术

允许多个用户使用同一个共享信道进行通信，充分利用贷款，节省经济成本。

静态复用：频分复用、时分复用、波分复用（光）、码分复用

动态复用：令牌环、CSMA/CD

频分复用 FDM

将一个频段分为多个频带。如收音机、电视

时分复用 TDM

将时间划分为等长的 TDM 帧，每个用户占用 TDM 帧中固定序号的时隙。TDM 帧周期性出现

SONET、SDH、数字专线、光网络通讯等技术一般使用 TDM

统计时分复用 STDM

STDM 帧不固定分配时隙，按需动态分配时隙以提升线路利用率。

波分复用 WDM

光的频分复用，使用一根光纤同时传输多个光载波信号。

PON 网络单纤双向采用 WDM, 上下行波长不同

EPON 网络：OLT-> ONC: 1490nm ONC-> OLT: 1310nm

OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）是位于服务提供商端的核心设备，负责控制和管理整个 PON 网络，向 ONU 发送光信号并接收来自 ONU 的光信号，实现用户与服务提供商之间的通信连接。

ONC（Optical Network Controller，光网络控制器）是用于管理和控制光纤网络中各种设备和资源的系统，负责配置和监控 ONU、OLT 等设备，动态分配网络资源，支持网络的高效运行和灵活扩展。

码分复用 CDM

每个用户在同样的时间同样的频带使用不同的码型进行通讯。

当 CDM 为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA。

CDMA 工作原理

每个站（信道）分配的码片序列：各不相同且必须相互正交。

正交：向量 S 和 T 的 规格化内积 等于 0

先求积，再求和，最后做平均

软考高级网规例题：

每个码片序列与收到的码片序列做规格化内积，得 1 或 0 为发送，其他为没发送。

数字传输系统

主要用于运营商专线

早期数字传输系统（电话网）

电话网传输模拟信号，需要调制

PCM, 基于脉冲的编码调制方法

每帧 125 微秒

北美和日本 T1

T1 共有 24 个话路，每个话路采样脉冲用 7 bit 编码，然后再 加上 1 位信令码元，因此一个话路占用 8 bit。在总体加 1 个比特作为帧同步码，这样每帧共有 193(8 24+1)bit，每秒有 8 k 个 T1 的帧通过接口，即 8 K 193 = 1.544 Mbps

欧洲和中国 E1

一个 E1 的帧分为 32 个时隙，一个时隙为 8 个 bit，帧长为 256 个 bit。每秒有 8k 个 E1 的帧通过接口，即 8K*256 = 2.048Mbps。

同步光网络 SONET

美国 ANSI 标准，采用时分复用技术

只在同步模式下传输数据

传输开销总数为 9✖️3 = 27 字节

标准 STS-1 帧 9 行，每行 90 字节，125 微妙一帧。

速率 = 8000*90*9*8 = 51.84 Mbps

同步数字系列 SDH

国际标准 ITU-T, 基于 SONET

可以同步可以异步

传输开销总数为 9✖️9 = 81 字节

STM-1, 单个 SDH 帧 125 微妙，9 行，每行 270 字节

速率 = 8000*270*9*8 = 155.52 Mbps

SONET 和 SDH 标准意义

• 定义了标准光信号，波长 1310nm 和 1550nm
• 在物理层定义了帧结构
• 使各地区标准得到统一，成为公认的传输网体制

新一代数字传输网

光传送网 OTN

Optical transport Network, 光波分复用技术，是 SDH 和 WDM 的结合

分组传送网 PTN

Packet Transport Network，分组交换技术

互联网接入技术

解决最终用户介入本地ISP“最后一公里”问题。

主要有：电话网拨号接入、数字用户接入DSL、光纤同轴混合网接入HFC、光纤接入FTT、以太网接入和无线接入

电话网拨号接入

简单易行、低成本

通过拨号调制解调器接入

• 最高56Kbps接入速率
• 不能同时上网和打电话

ADSL技术

非对称数字用户线路

上传慢，下载快

把0～4kHz低频留给电话，高频用于上网

采用离散多音调DMT 调制技术

采用频分复用FDM技术

光纤同轴混合网HFC

基于有线电视网CATV网

CATV网最高频450MHz,仅用于电视信号下行传输。

机顶盒：连接电视机，数字信号转模拟信号

电缆调制解调器cable modem

光纤接入FTTx

无源光网络PON

无源：不需要电源，分光器 物理分光

用户端：ONU/ONT

局端：OLT

以太网无源光网络EPON

链路层使用以太网协议，兼容好成本低

吉比特无源光网络

现行XGPON

采用封装方法，对各种业务提供服务质量保证，总体性能比EPON好