電路交換、分組交換和報文交換（計算機網(wǎng)絡(luò)按交換技術(shù)分類）

電路交換

• 電話交換機
• 三個步驟：

1. 建立連接（分配通信資源）
2. 通話（占用通信資源）
3. 釋放連接（歸還通信資源）

效率低，因為計算機數(shù)據(jù)是突發(fā)式地出現(xiàn)在傳輸線路上的。

分組交換

路由器

報文交換

早期電報通信網(wǎng)絡(luò)

三者對比

電路交換優(yōu)點

1. 通信時延小
2. 有序傳輸
3. 沒有沖突
4. 使用范圍廣
5. 實時性強
6. 控制簡單

電路交換缺點

1. 連接時間長
2. 線路獨占效率低
3. 靈活性差
4. 難以規(guī)格化

報文交換優(yōu)點

1. 無需建立連接
2. 動態(tài)分配線路
3. 可靠性
4. 利用率高
5. 多目標服務(wù)

報文交換缺點

1. 轉(zhuǎn)發(fā)時延
2. 緩存空間大
3. 需要傳輸額外信息量

分組交換優(yōu)點

1. 無需建立連接
2. 線路利用率高
3. 簡化儲存管理
4. 加速傳輸
5. 減少出錯概率和重發(fā)數(shù)據(jù)量（只需重傳錯誤的部分而不需要整個報文）

分組交換缺點

1. 轉(zhuǎn)發(fā)時延
2. 傳輸額外信息量
3. 對于數(shù)據(jù)報服務(wù)，存在失序、丟失或重復(fù)分組的問題；對于虛電路服務(wù)，存在呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸、虛電路釋放三個過程。

計算機網(wǎng)絡(luò)的性能指標

速率

帶寬

吞吐量

時延

分組傳輸中

發(fā)送時延：源主機將分組發(fā)往傳輸線路花費的時間；

傳播時延：代表分組的電信號在鏈路上傳輸花費的時間；

處理時延：路由器收到分組后，對其進行傳播轉(zhuǎn)發(fā)，花費的時間；

計算方法：

時延帶寬積（以比特為單位的鏈路長度）

傳播時延x帶寬

往返時間（RTT）

利用率

信道利用率：表示信道有百分之幾的時間是被利用的

網(wǎng)絡(luò)利用率：全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均

信道利用率并非越高越好

因為信道利用率越大，該信道時延越大

丟包率

分組的丟失率。指在一定時間范圍內(nèi)，傳輸過程中丟失的分組數(shù)量與總分組數(shù)量的比率。

分組丟失主要有兩種情況：（分組誤碼和網(wǎng)絡(luò)擁塞）

分組在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，被節(jié)點丟棄；

分組到達一臺隊列已滿的分組交換機時被丟棄；在通信量較大時就可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

常見的計算機體系結(jié)構(gòu)

OSI和TCP/IP

TCP/IP參考模型的網(wǎng)絡(luò)層提供的是無連接不可靠的數(shù)據(jù)報服務(wù)。

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的必要性

物理層：

采用怎樣的傳輸媒體介質(zhì)

使用怎樣的物理接口

使用怎樣的信號表示比特0和1

數(shù)據(jù)鏈路層：

如何標識網(wǎng)絡(luò)中的各個主機（主機編址問題，例如MAC地址）

如何從信號所表示的一串比特流中區(qū)分出地址和數(shù)據(jù)

如何協(xié)調(diào)各主機爭用總線

網(wǎng)絡(luò)層：

如何標識網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)中的各個主機（網(wǎng)絡(luò)和主機共同編址問題，例如IP地址）

路由器如何轉(zhuǎn)發(fā)分組以及如何進行路由選擇

運輸層：

如何解決進程之間基于網(wǎng)絡(luò)的通信問題

出現(xiàn)傳輸錯誤時如何處理

應(yīng)用層：

通過應(yīng)用進程之間的交互來完成特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

真題：在OSI參考模型中，自上而下第一個提供端到端服務(wù)的層次是傳輸層

傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)別：

傳輸層使用端口號作為應(yīng)用層的應(yīng)用進程之間提供端到端的邏輯通信，而網(wǎng)絡(luò)層僅僅為主機之間提供邏輯通信。

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層思想舉例

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的專用術(shù)語

實體：任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。

對等實體：收發(fā)雙方相同層次中的實體。

協(xié)議：控制兩個對等實體進行邏輯通信的規(guī)則的集合。

協(xié)議三要素：語法、語義、同步

語法：定義所交換信息的格式

語義：定義收發(fā)雙方所要完成的操作

同步：定義收發(fā)雙方的時序關(guān)系

服務(wù)訪問點

在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體交換信息的邏輯接口，用于區(qū)分不同的服務(wù)類型

eg：數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)訪問點是幀的“類型”字段；網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)訪問點為ip數(shù)據(jù)報首部中的“協(xié)議字段”；運輸層的服務(wù)訪問點為“端口號”。

服務(wù)原語

上層使用下層所提供的服務(wù)必須通過與下層交換一些命令，這些命令稱為服務(wù)原語。

協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU

對等層次之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包

服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU

同一系統(tǒng)內(nèi)，層與層之間交換的數(shù)據(jù)包

多個SDU可以合成一個PDU，一個SDU也可劃分為幾個PDU。

例題：

練習(xí)題：

BACDC

關(guān)于時延，例題

物理層的基本概念

物理層下面的傳輸媒體

導(dǎo)引型：同軸電纜，雙絞線，光纖，電力線

同軸電纜

雙絞線：

光纖：

電力線

非導(dǎo)引型：無線電波，微波，紅外線，可見光

傳輸方式

串行傳輸和并行傳輸

同步傳輸和異步傳輸

編碼與調(diào)制

傳輸媒體與信道的關(guān)系

單工傳輸，傳輸媒體中只包括一種信道，要么是發(fā)送信道，要么是接收信道。

全雙工或半雙工，傳輸信道里既包括發(fā)送信道，又包括接收信道。

如果使用信道復(fù)用技術(shù)，一條傳輸媒體中可以包括多條信道。

常用編碼

不歸零編碼（存在同步問題）

需要額外一根傳輸線來傳輸時鐘信號，使發(fā)送方和接收方同步。

對于計算機網(wǎng)絡(luò)，寧愿利用這根線來傳輸數(shù)據(jù)信號而不是時鐘信號，所以不用不歸零編碼。

歸零編碼（自同步，編碼效率低）

每個碼元傳輸結(jié)束后信號都要“歸零”，所以接收方只要在信號歸零后進行采樣即可，不需要單獨的時鐘信號。

實際上，歸零編碼相當(dāng)于把時鐘信號用“歸零”方式編碼在了數(shù)據(jù)之內(nèi)，這稱為“自同步”信號。

但是，歸零編碼中大部分的數(shù)據(jù)帶寬都用來傳輸"歸零”而浪費掉了。

曼徹斯特編碼（傳統(tǒng)以太網(wǎng)）

負跳變表示比特1，正跳變表示比特0

碼元中間時刻的跳變既表示時鐘，又表示數(shù)據(jù)。

差分曼徹斯特編碼（比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率）

1.跳變僅表示時鐘；

2.碼元開始處電平是否發(fā)生變化表示數(shù)據(jù)。

例題： A

基本調(diào)制方法

二元調(diào)制

數(shù)字基帶信號是指經(jīng)過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換后得到的信號，它表示數(shù)字信息的原始形式，通常以離散的時間和幅度值表示。

調(diào)幅（AM）是一種調(diào)制技術(shù)，其中載波的幅度隨著調(diào)制信號的變化而變化。調(diào)幅信號具有在頻譜上存在兩個邊帶的特點，它們的頻率分別與調(diào)制信號的頻率相對應(yīng)。

調(diào)頻（FM）是一種調(diào)制技術(shù)，其中載波的頻率隨著調(diào)制信號的變化而變化。調(diào)頻信號具有在頻譜上存在兩個邊帶的特點，它們的幅度與調(diào)制信號的幅度相對應(yīng)。

調(diào)相（PM）是一種調(diào)制技術(shù)，其中載波的相位隨著調(diào)制信號的變化而變化。調(diào)相信號在頻譜上也會存在兩個邊帶，它們的頻率與調(diào)制信號的頻率相對應(yīng)，但幅度與調(diào)制信號的幅度無關(guān)。

這些調(diào)制技術(shù)都是用來在信號傳輸中改變載波的某種屬性，以便攜帶信息。它們之間的關(guān)系在于它們都是基于載波進行調(diào)制，但調(diào)制的方式不同。在實際應(yīng)用中，常常將這些調(diào)制技術(shù)組合在一起使用，以實現(xiàn)更高效、更可靠的信號傳輸。例如，常見的廣播電臺就使用調(diào)幅或調(diào)頻技術(shù)進行音頻信號的傳輸。

（這是ChatGPT說的）

混合調(diào)制

使用基本調(diào)制方法，一個碼元只能包含一個比特信息。為了使一個碼元包含更多的比特，使用混合調(diào)制方法。

混合調(diào)制舉例——正交振幅調(diào)制QAM

QAM-16

• 12種相位
• 每種相位有1或2種振幅可選
• 可以調(diào)制出16種碼元（波形），每種碼元可以對應(yīng)4個比特

• 碼元與4個比特的對應(yīng)關(guān)系采用格雷碼，即任意兩個碼元只有1個比特不同

信道極限容量

碼間串?dāng)_（Inter-Symbol Interference，ISI）是一種在數(shù)字通信中出現(xiàn)的問題，它是由于相鄰碼元之間的干擾引起的。當(dāng)碼元之間的傳輸信道具有衰減和時延等效應(yīng)時，接收端可能會收到相鄰碼元的干擾，導(dǎo)致接收到的信號變得模糊和失真。

低通信道和帶通信道是信號傳輸中的兩種基本類型，它們描述了信號在頻譜上的傳遞范圍和限制。

低通信道（Low Pass Channel）：低通信道是指允許較低頻率信號傳輸?shù)男诺?。它的特點是高頻信號被削弱或阻塞，而較低頻率的信號可以更容易地通過。在低通信道中，頻率響應(yīng)在低頻范圍內(nèi)較為平坦，而在高頻范圍內(nèi)衰減。

帶通信道（Band Pass Channel）：帶通信道是指允許特定頻率范圍內(nèi)的信號傳輸?shù)男诺?。它的特點是只允許特定的頻帶信號通過，而其他頻帶的信號被濾波器阻止。在帶通信道中，頻率響應(yīng)在特定頻帶范圍內(nèi)較為平坦，而在頻帶范圍之外衰減。

奈氏準則

香農(nóng)公式

在信道帶寬一定的情況下，根據(jù)奈氏準則和香農(nóng)公式，要想提高信息的傳輸速率就必須采用多元制（更好的調(diào)制方法）和努力提高信道中的信噪比。

自從香農(nóng)公式發(fā)表后，各種新的信號處理和調(diào)制方法就不斷出現(xiàn)，其目的都是為了盡可能地接近香農(nóng)公式給出的速率傳輸極限。

例題：

信道復(fù)用