网络1——概述和物理层

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推荐场景:
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数据传输服务 DTS,数据同步 1个月
简介: 1、概述 按覆盖的地理范围进行分类,计算机网络可以分为以下三类: •局域网(Local Area Network,LAN); •城域网(Metropolitan Area Network,MAN); •广域网(Wide Area Network , WAN ); 计算机网络的性能: –速率:主机在再数字信道上传送数据的速率,也叫数据率(data rate),或比特率(bit rate) 单位:b/s –带宽 –吞吐量 –发送时延:发送数据时,数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
1、概述
按覆盖的地理范围进行分类,计算机网络可以分为以下三类:
•局域网(Local Area Network,LAN);
•城域网(Metropolitan Area Network,MAN);
•广域网(Wide Area Network , WAN );

计算机网络的性能:
–速率:主机在再数字信道上传送数据的速率,也叫数据率(data rate),或比特率(bit rate) 单位:b/s
–带宽
–吞吐量
–发送时延:发送数据时,数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。= 数据块长度/发送速率
–传播时延:电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。=信道长度/信号在信道上的传播速率

–往返时间RTT:

TCP/IP参考模型的划分;各个层次的功能
应用层:直接为用户的应用进程提供服务,这里的进程就是指正在运行的程序,常见的应用层协议有:HTTP, FTP , SMTP , TELNET,DNS 等。
运输层:TCP UDP
网络层:IP
数据链路层:数据链路层将网络层交下来的ip数据报组装成帧。包括你的网卡。
物理层:确定连接电缆有多少引脚,每个引脚如何连接。注意,用于传输数据的网线,无线信道等物理媒体不属于物理层。

扩展:
CMP协议:ICMP是(Internet Control Message Protocol)Internet控制报文协议。它是TCP/IP协议族的一个子协议,用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通主机是否可达路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据,但是对于用户数据的传递起着重要的作用。
ICMP协议是一种面向无连接的协议,用于传输出错报告控制信息。它是一个非常重要的协议,它对网络安全具有极其重要的意义。
  它是 TCP/IP协议族的一个子协议,属于网络层协议,主要用于在主机与路由器之间传递控制信息,包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时,会自动发送ICMP消息。

 
  ICMP提供一致易懂的出错报告信息。发送的出错报文返回到发送原数据的设备,因为只有发送设备才是出错报文的逻辑接受者。发送设备随后可根据ICMP报文确定发生错误的类型,并确定如何才能更好地重发失败的数据包。但是ICMP唯一的功能是报告问题而不是纠正错误,纠正错误的任务由发送方完成。
  我们在网络中经常会使用到ICMP协议,比如我们经常使用的用于检查网络通不通的 Ping 命令(Linux和Windows中均有),这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。还有其他的 网络命令 跟踪路由 的Tracert命令也是基于ICMP协议的。

2、物理层
数据传输速率 :传输线路上信号的传输速度。它有两种表示形式:波特率、比特率
波特率:是指单位时间内通过信道传输的码元个数。码元是时间轴上一个信号编码单元

比特率:指单位时间内通过信道传输的比特数, 单位为比特/秒,简记为b/s或bps

奈奎斯特定理:
前提:有限带宽无噪声的通信信道
已知:信道带宽为H (Hz),被传输信号电平分为 V级。
公式:该信道的最高数据传输率Rb为:
              R b  =2H * log 2   bps
用途:估算已知带宽的信道最高速率-----远高于实际速率
举例:一个无噪音的信道带宽为3kHz,传输四进制(四电平)信号,它的最大传输速率为多少?

要提高信息的传输速率,就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。就需要采用多元制的编码方法


香农(Shannon)定理:
前提:有限带宽 有噪声的通信信道
已知:信道带宽为H (Hz);信噪比为S/N :S表示信号功率,N表示噪声功率
注意:一般信噪比以分贝的形式给出
                 S/N=10 * lg (S/N) ,单位为dB (分贝)
            当S/N=10时,转换为分贝:S/N=10 * lg (S/N) dB
                                                                    =10 * lg10 dB=10 dB
            当S/N=100时,转换为分贝:S/N=10 * lg (S/N) dB
                                                                      =10 * lg100 dB=20 dB
公式:在该信道最大数据传输速率Rb是:
         R b  =H * log 2   1+ S/N bps )                       注:S/N通常以分贝的形式给出,需要转换
用途 :   估算有噪声信道的最大数据传输速 率,该值为理论极限,只考虑了白噪声

奈奎斯特定理和香农定理区别
奈奎斯特准则是在给定信道带宽,理想信道的条件下,要求无码间干扰时,求最大速率,此速率单位是Baud。 
香农公式是在给定信道带宽,给定信噪比的条件下,要求误码率为无穷小时,求最大速率,单位是bps。
 老师也给出了一个例子:
 奈奎斯特说的事情如同:某个铁路每小时能过多少火车才能保证一定的安全距离。仙农说的事情是:且不论这个安全距离,就这条铁路的质量来说,每小时能通过的货物量不可能大于多少多少吨。 


例题解答:
1)设信号的波特率为600Baud, 采用幅度——相位复合调制技术,由4种幅度和8种相位组成了16种码元,则信道的数据率为()
解答:直接采用奈奎斯特定理求解,信道的数据率=600 * log2(16) = 2400b/s. 需要知道的是 波特率=2*比特率。
2) 若某通信链路的数据传输速率为2400bps, 采用4相位调制,则该链路的波特率为:
答案:由Baud和Hz的关系为: B = 2 * H,而奈奎斯特定理给出C = 2 * H * log2(N) , 因此波特率 = 2 * H = C / log2(N) = 2400 / log2(4) = 1200.
3)根据香农定理,带宽为4000Hz,信噪比为30dB的信道容量为多少?
B表示带宽4000Hz  信噪比r换算分贝数:30dB=10lg(r) r=1000
则C=4000* ㏒2(1+1000)=4k*10=40k


数字数据信号的编码方式主要有:
不归零制编码 NRZ:编码规则: 信号电平的一次反转代表0,电平不变化表示1     •优点:方法简单,易于实现,是计算机内部传递可以采用的编码形式.      •缺点:存在发送方和接收方的同步问题,尤其是在传送连续1的时候;编码需要外带时钟信息.

曼彻斯特编码:每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分;通过前T/2传送该比特的反码,通过后T/2传送该比特的原码(或相反);   优点: 每个比特的中间有一次电平跳变,利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号;曼彻斯特编码信号又称做“自含时钟编码”信号;     缺点:  编码效率低
差分曼彻斯特编码:与曼彻斯特编码不同点主要是:每比特的值来决定每一个开始边界是否发生跳变;一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳变表示传输二进制1。差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的变种,实现相对复杂,但抗噪声能力较强。

多路复用分类:
•频分多路复用(FDM)
•波分多路复用(WDM)
•时分多路复用(TDM)
•码分多路复用( CDM)
码分复用CDMA的原理:
两个不同站的码片序列正交,就是向量 S 和T 的规格 化内积都是 0 向量 S 和T 的反码规范化内积也为 0



当接受站打算接受s站发送的信号时,就用s站的码片序列与收到的信号求规格化内积,这相当于分别计算 S·Sx  S·Tx 。 显然S·Sx 就是s站发送的比特数,差不多可以理解为自己和自己求规格化内积。而S·Tx 一定为0.这是两个内交得向量。所以,最后求出的码元值就是s发送的值。而不会是其他的站发送的值。

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