前言

本系列属于全国计算机技术与软件专业技术资格考试（软考）中级网络工程师的长期更新文章，我会将学习的知识整理出来，不仅能巩固知识也能给有需要的小伙伴带来我的备考过程。

一、OSI模型

为了更好理解网络体系，对网络体系进行了分层，国际标准化组织ISO提出了一个模型：开放系统互连参考模型，即OSI模型。

OSI模型通过分层将计算机网络从低到高分为一个七层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

二、TCP/IP模型

在OSI模型中七层协议（协议是水平的，服务是垂直的，本层服务实体只能看到服务而不能看到协议，即要实现本层协议还要需要其下一层提供的服务）由于过于复杂，所以现在通常使用的是TCP/IP模型。

该模型分为四层协议，即四层：网路接口层（物理层、数据链路层）、网际层（网络层）、传输层、应用层（会话层、表示层、应用层）。

当然为通过结合两种模型的优点，也可以将网络体系称为五层模型，即将网络接口层拆开，形成五层协议的网络体系结构，如下：

三、物理层

（一）物理层的定义

物理层，为数据链路层提供建立、传输、释放所需的物理链接（也可以理解为数据端设备提供传送数据的通路），且直接面向原始比特流的传输。其传输单位是比特（bit），为一个二进制位，即每个1或0就是一位（bit），比特是信息量的最小单位，二进制数的一位包含的信息为1bit。

另外，比特常与字节有联系，8bit=1Byte，即8比特称为一个字节，例如在计算机中，常有32位操作系统和64位操作系统，对应的是CPU一次能处理的最大比特数（位数），即64位操作系统的计算机的CPU一次最多能处理64位数据。

（二）物理层的特性

物理层的主要任务就是确定与传输媒体接口相关的特性，有以下四个特性：

1、机械特性（规定接口的外形、大小、排列、位置等等）

2、电气特性（规定接口上线路的电压范围）

3、功能特性（规定某条线路上某一电平的电压的意义）

4、过程特性（规定不同功能的可能事件的出现顺序）

（三）物理层的组成部分

物理层的组成部分有数据终端设备（DTE）、数据通信设备（DCE）和互连设备。

1、数据终端设备用于提供和接收设备，例如路由器、PC、终端等等。

2、数据通信设备用于在数据终端设备和传输线路间提供信号变换和编码功能，并负责链路的建立、传输、释放，例如CSU/DSU（信道服务单元/数据服务单元）、广域网交换机等等。

数据通信设备是为数据终端设备服务的，两者区别是数据通信设备提供时钟，而数据终端设备不提供。

四、数据通信系统

（一）数据通信系统的定义

1、数据通信系统的组成部分

数据（数字）通信系统分为三个部分，即源系统、传输系统和目的系统，一个通信系统必须具有三个基本要素：信源、通信媒体和信宿。

2、模拟信号和数字信号

信号是数据电气、电磁或光信息的表现，根据信号中代表信息的参数取值方式可以分为两类：

模拟信号（信息的参数取值是连续的），也可以称作连续信号。

数字信号（信息的参数取值是离散的），也可以称作离散信号。

3、信号的传输过程

信号的传输，需要通道，即信道，数据通信系统模型可以这样概况，首先信号是要将源点（信源）产生的数字比特流其通过编码才能发送，即经信源编码器后输入数据至信道编码器，通过发送器经传输介质发送信号，该信号由接收方的接收器接收后，送至信道解码器进行解码，将输出的数据至信源解码器，还原由信源产生的数字比特流至信宿使其显示出来，另外在传输系统中，其传输介质受到噪声影响。

通信系统中各种设备以及信道中所固有的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。

其中的信源编码器是进行模/数转换（A/D转换），当传输的信息为文本、图片、音频等时，即模拟信号转换为数字信号，由于计算机或终端产生的数字信号的频谱都是从0开始的，所以也把组织未经调制的信号所占用的频率范围叫做基本频带，即为基带。将基带划分为多个频带的方式可以将信道分解成多个信道，且每个信道都可以携带不同的信号进行传输，称为宽带传输。

信源解码器与信源编码器相反，是个逆过程，它进行数/模转换（D/A转换），将数字信号或模拟信号转换为其原来的形式。

（二）通信系统主要性能指标

1、波特率和比特率

在使用时间域的波形表示数字信号中，代表不同离散数值的基本波形称为码元,在数据通信系统中，其有效性可以通过码元传输速率和信息传输速率来表示：

波特率（码元传输速率）是指在单位时间内载波参数（频率、相位、振幅等）变化的次数，也可以说是单位时间传送码元的个数，用波特，即B表示，通过不同的调制方式，可以在一个码元上负载多个bit位信息。

比特率（信息传输速率）是指单位时间内在信道上传送的数据量，因为是比特流，也可以说在单位时间内传送的比特数，用比特每秒表示，即b/s或bps。

其中波特率和比特率之间，有以下公式：

公式中，M是进制，也可以称为码元总类数，我们可以知道，当M越大，信息传输速率就越高，且当M=2，即为二进制时，信息传输速率等于码元传输速率。

例、已知一个数字系统在125μs内传送了250个16进制码元，求其码元速率Rs和信息速率Rb。

2、通信系统的有效性和可靠性

在比较通信系统的有效性时，不仅要比较其传输速率、码元传输速率，而最有效的指标是频带利用率，即传输中每宽（每赫兹）内的传输速率，如下公式：

在比较通信系统的可靠性时，需要通过差错率来表示，差错率分为误信率和误码率，如下公式：

例、已知一个数字系统在125μs内传送了250个16进制码元，且两秒内接收端接收到3个错误码元，求其误码率。

（三）带宽和信噪比

（1）带宽

带宽是在传输过程中信息不会明显减弱的一段频率范围，单位为赫兹（hz），对于模拟信道，其带宽为最高频率减去最低频率，另外，总线的带宽为总线的最大数据传输速率。

例、总线宽度为32bit，时钟频率为200Mhz，若总线上每5个时钟周期传送一个32bit的字，则该总线的带宽为___________MB/s。

解：32bit/8=4Byte，200Mhz/5×4Byte=160MB/s。

（2）信噪比

噪声存在所有的电子设备和通信信道中，信噪比，顾名思义就是信号功率与噪声功率的比值，表示为S/N，用分贝（dB）作为度量单位，公式如下：

（四）香农公式、尼奎斯特定理

（1）香农公式

在有噪声的情况下，可用香农公式来计算信道的极限数据传输速率，设信道的极限数据传输速率为C，W为带宽，香农公式如下：

香农公式表明，当信道的带宽或信道中的信噪比越大，信道的信息极限传输速率就越高。

（2）尼奎斯特定理

在无噪声的情况下，可用尼奎斯特定理来计算信道的最大数据传输速率，W为带宽、B为波特率，N是进制（码元总类数），尼奎斯特定理如下：

例、电话信道的频率为0~4KHZ，若信噪比为30dB，则信道容量为_________kb/s，要达到此容量，至少需要___________个信号状态。

解：根据香农公式，且dB=10log10(S/N)，且S/N=1000，

则传输速率，带宽为4KHZ，即C=Wlog2(1+S/N)=4×10=40kb/s。

又由尼奎斯特定理，求N，即40=2Wlog2(N)，可得N=32，即需要32个信号状态。