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本笔记结合《2023王道计算机网络考研复习指导》食用🔥
物理层
1.1、物理层接口特性
物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性->定义标准
举个例子：
- 这有一个插排，插排有两孔的也有三孔的，这其实就是在定义接口上的标准。只有定义了这些标准，我们的充电线才能插进插孔并充电
- 有线路由器后面也有很多插孔，但是我们会发现，我们和朋友家的路由器后面的插孔都是一样的，这样我们将自己家的网线拿到朋友家也可以插，网线的接头都是一样的。这些都是在定义物理层接口特性的标准。
物理层的接口特性：
- 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
- 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
- 规程特性(过程特性):定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
例如：
某网络在物理层规定，信号的电平用+10V ~ +15V表示二进制0，用-10V ~ +15V表示二进制1，电线长度限于15m以内。—电气特性
描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时。 -----功能特性
对此我们可以这样记忆：
功能特性一般不会出现数字，“高电平处于什么含义、什么意义”
电气特性一般都会出现数字，而且通常说电压说的是一个电压的范围
1.2、数据通信基础知识
1.2.1、典型的数据通信模型
数据从计算机网卡发送出来是数字信号，再经过调制解调器调成模拟信号，放到广域网上面模拟信道上进行传输，再由调制解调器调成数字信号，最后数据才展现在我们眼前。以上的每一部分都有数据通信所对应的专业名词。
例如：
输入端我们称为信源：信息的来源
发送端的调制解调器我们称为发送器
数据中间要经过的广域网我们称为传输系统
接收端的调制解调器我们称为接收器
接收端我们称为信宿：信息的归宿
同时我们还会再细分，例如：
信源和发送器我们称为源系统
传输系统我们称为传输系统
接收器和信宿我们称为目的系统
1.2.2、数据通信相关术语
通信的目的是传送消息(消息：语音、文字、图像、视频等)
- 数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
- 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
- 数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。
- 模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。
- 数据通信：数据通信指的是在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程
- 信源：产生和发送数据的源头
- 信宿：接收数据的终点
- 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
信道按传输信号分为：模拟信道和数字信道。
信道按传输介质分为：无线信道和有线信道。无线信道就是看不见摸不着的非导向型传输信道，比如微波通信、卫星通信等。有线信道就是看得见摸得着的导向型传输信道，比如网线。
思考：如果我们要设计数据通信系统，我们要考虑3个问题：
1.2.3、三种通信方式
单工通信
只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。例如：广播，只有播音员在说话
半双工通信/双向交替通信
通信的双方都可以发送或者接收信息，但是任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。例如：对讲机
全双工通信/双向同时通信
通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。例如：打电话
1.2.4、两种数据传输方式
串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。
- 速度慢，费用低，适合远距离
并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。
- 速度快，费用高，适合近距离
1.2.5、同步传输和异步传输
同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需要先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。
异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。
例如上图，我们可能先发送字节1，等会再发送字节2，心情高兴了再发送字节3。例如我们发送字节3，我们要加一个字符起始位、一个字符终止位，然后发送。
1.3、数据通信进阶知识
1.3.1、码元
我们先来看一个例子，例如我们要发送数据，数据就是一系列二进制数的数据组合，如果要让数据在链路上传输，就要让数据转换成数字信号的形式，1对应的就是高电平信号，0代表的就是低电平信号。首先将1对应的高电平信号发送到链路，之后将0对应的低电平信号发送到链路，以此类推。接收方在接收数字信号时，遇到高电平信号，就将其转化为1，遇到低电平信号，就将其转化为0，最终将数据成功接收。
码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码云，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M>2)，此时码元为M进制码元。(码元的离散状态也就是信号波形的状态，如上图信号波形只有两种一低一高，所以上图中称为二进制码元)
1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
思考：四进制码元可以携带多少比特呢？十六进制码元可以携带多少比特呢？
答案：4进制码元 -> 码元的离散状态有4个 -> 4种高低不同的信号波形。那么我们需要多少个比特才能够表示4种信号波形呢？答案是两个(log24)比特，00、01、10、11 就可以表示4种信号波形。同理，16进制码元可以携带4(log216)个比特。
结论：n进制码元携带的比特为 log2n 个
1.3.2、码元传输速率和信息传输速率
数字通信系统数据传输速率的两种表示方法：
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
- 码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等。它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。所以码元传输速率也就是1s传输多少个码元。
信号变化的次数：例如我们的两个信号都是低信号，那么它们的图是
————,这样我们也算作是信号变化的次数，从一个信号变化到另一个信号。
例如：若2s内传输4800个码元。码元的传输速率是多少？
答案：2400B
注意：数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关。
R B = 1 T ( B ) R_B=\frac{1}{T}(B) RB=T1(B)
上述公式我们可以看出，码元速率和码元长度T的关系。
- 信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒(b/s)。信息传输速率也就是1s传输多少个比特。
为什么这里说二进制码元个数就是比特数呢，因为二进制码元的信号波形只需要1个比特就可以表示，所以二进制码元个数也就是比特数。
关系：若一个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M*n bit/s
解释：假如一个码云的码元传输速率为 2Baud，也就是1s传输2个码元，一个码元携带 n bit 的信息量，则信息传输速率为 2*n bit/s
1.3.3、思考题
- 某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，求系统的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？若另一通信系统传输的是十六进制码元，6s传输了7200个码元，求他的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？并指出哪个系统传输速率快？
四进制
- 码元传输速率：8000/4=2000 Baud
- 信息传输速率：2000 * log24 = 4000 b/s
十六进制
- 码元传输速率： 7200/6 = 1200 Baud
- 信息传输速率： 1200 * log216 = 4800 b/s
系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快。
- 已知八进制数字信号的传输速率为1600B。试问变换成二进制数字信号时的传输速率是多少？
二进制数字信号 = 比特数，所以题目转化为求八进制数字信号的比特传输速率，其实也就是求八进制数字信号的信息传输速率(1s传输多少比特)
1600 * log28 = 4800 b/s
- 已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s。试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特？
四进制数字信号需要 2(log24)个比特来表示，现在的信息传输速率是 2400b/s, 2400b/s ÷ 2 = 1200 Baud
1.3.4、带宽
- 模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹Hz
- 数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"(或者说单位时间内通过链路的数量)，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)
1.4、奈氏准则、香农定理
1.4.1、失真
影响失真程度的因素：
- 码元传输速率：传输速率越快，失真程度越严重
- 信号传输距离：传输距离越远，失真程度越严重
- 噪声干扰：噪声干扰越大，失真程度越严重
- 传输媒体质量：媒体质量越差，失真程度越严重
前三个与失真程度是正相关，最后一个是负相关
1.4.2、失真的一种现象-码间串扰
码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
举个例子：唐人街探案3中秦风有一个任务是数清楚1分钟之内十字路口的人数通过人数，当时人来人往熙熙攘攘，人与人之间很近，没有清晰的界限，当然就很难数清楚了。这其实就是码间串扰的例子。
1.4.3、奈氏准则(奈奎斯特定理)
奈氏准则：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud，W氏信道带宽，单位是Hz。
注意：我们之前说带宽的单位都是 bit/s ，在计网中只有奈氏准则和香农定理这两个公式中带宽单位才用Hz
在tm考研当中，为了混淆大家，还会让大家再求一步极限数据率，让我们感觉奈氏准则很像香农定理。我们要注意两者的侧重点不一样，奈氏准则只是限制码元传输速率有一个上限，但是香农定理才是真正的限制信息的传输速率，也就是比特率有一个上限。
奈氏准则公式：
理想低通信道下的极限数据传输率 = 2 W l o g 2 V ( b / s ) 理想低通信道下的极限数据传输率 = 2Wlog_2V (b/s) 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V(b/s)
公式中的V表示有几种码元/码元的离散电平数目，例如我们通常说信号当中有四种相位，也就是有四种波形，四种波形也就对应着四种码元。
根据奈氏准则，我们可以得出四条结论：
- 在任何信道中，==码元传输的速率是有上限的。==若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
- 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。也就是说我们公式当中的W越大，对应的极限码元的传输速率也越大，所以才会使用更高的速率进行码元的传输。
为什么说频带越宽就是通过信号的高频分量越多呢？频道越宽指的就是信道当中最高频与最低频的差差距越大，所以就越宽，所以信道当中可以通过的高频也就越多了。例如我们原本最高频可以到4000Hz，现在频带提高了，那我们可以通过的最高的高频分量就可能超过4000了，因此能通过的信号高频分量越多。
- 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。也就是说奈氏准则限制码元传输速率，但是不限制比特传输速率。
- 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。(原来我们一个码元对应一位二进制数，如果我们想让极限数据传输率更高，就需要使得一个码元需要携带更多个比特位，也就是说可能需要二位、三位、四位二进制数来表示一个码元，这就是多元制的调制方法)
趁手做个题：
例：在无噪音的情况下，若某通信链路的带宽为 3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？
答案：
- 4个相位，每个相位有4种振幅，所以信号共有4*4=16种变化，也就是说有16种信号变化，也就是说有16种码元。V =16
- 带宽为 3000Hz，也就是 W = 3000
- 最大传输速率 = 2 * 3000 * log216 = 24k b/s
1.4.4、香农定理
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声的影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
举个例子：课堂上有学霸和学渣，学渣叽叽喳喳产生噪音，如果老师讲课的声音小于学渣产生的噪音，那么对于学霸的影响就会很大，如果老师带个喇叭讲课声音远远大于学渣产生的噪音，那么对于学霸的影响噪音几乎没有。
信噪比 = 信号的平均功率 噪声的平均功率 信噪比 = \frac{信号的平均功率}{噪声的平均功率} 信噪比=噪声的平均功率信号的平均功率
信噪比公式如上，常记为 S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，一般题目都会直接给出信噪比，我们一般不需要计算，下面公式我们要记住：
信噪比 ( d B ) = 10 lg ( S / N ) 信噪比(dB) = 10 \lg(S/N) 信噪比(dB)=10lg(S/N)
两者数值等价。
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
需要注意的是：奈氏准则是在带宽受限无噪声的信道，香农定理是在带宽受限且有噪声的信道
香农定理公式：
信道的极限数据传输速率 = W l o g 2 ( 1 + S / N ) ( b / s ) 信道的极限数据传输速率 = Wlog_2(1+S/N) (b/s) 信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)(b/s)
这里的信噪比，一般题目当中都会直接给S/N，例如题目直接说信噪比为1000，没有单位dB，那我们直接带入公式即可。但是如果题目说信噪比为 1000dB，有单位dB,那么我们就需要根据信噪比公式进行转化，求出S/N，之后再带入公式即可。
考研中多半给的都是有单位的dB，这样让我们多算一步！
根据香农定理，我们可以得出一些结论：
信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。这个通过公式就可以看出来，W越大,S/N越大，数据极限传输速率就越大
对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。这个通过公式就可以看出来，W和S/N确定了，信息传输速率的极限就确定了
只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
来做一道题：
例：电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？
- W为3000 Hz
- 信噪比为 30dB，则 S/N = 1000
- 带入公式信道的极限传输速率 = Wlog2(1+S/N)=3000×log2(1+1000)≈30k b/s
1.4.5、奈氏和香农
做题的时候我们怎么拿捏这两个公式？一般可以看是否有噪音，无噪音选奈氏，有噪音选香农。当然也不绝对，有时候既给了噪音，又给了V，那么我们就需要都算，取其最小值。
来，我们来看一道题：
例如：二进制信号在信噪比为127:1的4k Hz信道上传输，最大的数据速率可达到多少？
分析：4k 带宽W有了，信噪比S/N 127:1 有了，二进制信号也就是二进制码元，V=2 有了
基本上这种条件我们奈氏和香农都要求：
- 奈氏极限数据传输率 = 2 × 4000 × log22 = 8000 b/s
- 香农极限数据传输率 = 4000 × log2(1+127) = 28000 b/s
- 选择两者较小的奈氏极限数据传输率就是我们最大的数据传输速率
1.5、编码和调制基础知识
1.5.1、基带信号和宽带信号
我们来回顾一下我们之前学习的信道：
基带信号和宽带信号是我们信道上传输的两种形式，除了数字信号和模拟信号，还可以把信道上的信号分为基带信号和宽带信号
基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)。
来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。
宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。
把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。
如果放到数字信道上传输，就是基带信号。如果放到模拟信道上传输，就是宽带信号。
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式。(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式。(远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)
1.5.2、编码与调制
- 把数据转成数字信号，就是编码手段
- 把数据转成模拟信号，就是调制手段
所以我们区分编码还是调制，只需要区分数据最终转成的是数字信号还是模拟信号
- 数字数据通过数字发送器转换成数字信号，就是编码手段
- 数字数据通过调制器转换成模拟信号，就是调制手段
- 模拟数据通过PCM编码器转换成数字信号，就是编码手段
- 模拟数据通过放大器调制器转换成模拟信号，就是调制手段
1.6、编码与调制进阶知识
1.6.1、数字数据编码为数字信号
将数字数据编码为数字信号，有以下几种编码方式：
1、非归零编码
非归零编码：高电平用1表示，低电平用0表示。编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
2、归零编码
归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码方法。
3、反向不归零编码
反向不归零编码：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
4、曼彻斯特编码
曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前低后高表示码元1，前高后低表示码元0，当然也可以采取相反的规定。
该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步)，又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2
同步是指发送方发送一个比特之后，接收方就能够知道你已经发送了一个比特，发送方在发第二个比特时，接收方也能察觉到这是在发第二个比特。
5、差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码：前半个码元的半个电平与上一个码元的后半个码元的电平相同则为1，前半个码元的半个电平与上一个码元的后半个码元的电平不同则为0。
该编码的特点是：在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码
6、4B/5B编码
比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此成为4B/5B。编码效率为80%。只采用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码(帧的开始和结束，线路的状态信息等)或保留
1.6.2、数字数据调制为模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
- ASK调幅：0对应的就是没有振幅，1对应的是有振幅
- FSK调频：0对应低频，1对应高频。(振动的频率越高，波形越多)
- PSK调相：对相位的一种调制，0对应一种波形，1对应一种波形。这种波形一般是正弦波或者余弦波
考研中一般都是 调幅+调相(QAM) ，来看一道题：
例：某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少？
答案：
- 4个相位，每个相位有4种振幅，所以共有 4*4=16种波形，对应16种码元，每个码元携带的比特数为 log216=4
- 波特率是1200Baud，也就是说1s传输1200个码元，而每个码元携带4个比特
- 所以信息传输速率(1s传输多少个比特) = 1200*4 = 4800 b/s
1.6.3、模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。
抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f采样频率 ≥ 2f信号最高频率
量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的信号量。
编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
1.6.4、模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。
来看个例子：假如我是好男人曾小贤，我在电视台有自己的晚间广播主持节目"你的月亮我的心"，那么我开始节目要说我的台词：“好男人就是我，我就是曾小贤”。OK，这段台词的波形如上图左边第一个波形所示，为了让其他人也能清楚接收到我的台词，那么我们就需要将左边第一个波形转换成模拟信号波形，也就是第二个波形，我们可以看到频率明显变高了，这样就可以传输而尽量不受其他因素的影响，到达接收器前再转换为低频信号波形，这样接收器就可以接收，用户就可以听到：“好男人就是我，我就是曾小贤”。
1.7、数据交换方式
1.7.1、电路交换
电路交换的原理：在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。
电路交换的阶段：
1、建立连接
首先A主机会向离它最近的交换设备发送呼叫请求，这个呼叫请求包含主机A、主机B的ip地址，交换设备A要执行路由选择算法，算法执行结束选择了交换设备B，那么就转发呼叫请求到交换设备B，之后再执行路由选择算法，直到最后转发呼叫请求到主机B。
若主机B目前可以进行连接，那么主机B就会原路返回直至到主机A来发送一个呼叫应答，至此主机A、B就算是建立连接了，也就是电路交换的第一阶段结束了。
2、通信
建立连接完成后就可以进行通信了，这个通信双方都可以发送接收。类似于全双工通信
3、释放连接
若主机A想断开连接，那么主机A沿着之前的路径发送释放请求到主机B，主机B原路返回发送发送释放应答，至此主机A、B的本次通信就结束了
4、特点
电路交换的特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输宽带。电路交换适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。(若我们好不容易建立连接，结果才传输1byte的内容，那么就太浪费资源了)
5、电路交换的优缺点
| 电路交换优点 | 电路交换缺点 |
|---|---|
| 传输时延小 | 建立连接时间长 |
| 数据顺序传送，无失序问题 | 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低 |
| 实时性强，双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类通信 | 灵活性差，双方连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信 |
| 全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道 | 无数据存储能力，难以平滑通信量 |
| 适用于模拟信号和数字信号 | 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信 |
| 控制简单，电路的交换设备及控制较简单 | 无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制 |
1.7.2、报文交换
报文：报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。
报文交换的原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。
信息+报头=报文，报文里面包括源ip地址、目的ip地址以及其他一些控制信息，这样封装成的报文就可以传输了，首先这个报文到达交换设备A这里，交换设备A收下整个报文，暂存报文并且检查报文有无错误，如果无错误交换设备A会利用路由信息找到下一个交换设备且保证到达目的主机的距离最短，由图可知，下一个交换设备应该选择B可以保证离目的主机距离最短。
到达交换设备B时，交换设备A、C此时仍然可以进行其他报文传输，不像电路交换那样必须占用端到端的全部信道。
1、报文交换的优缺点
| 报文交换优点 | 报文交换缺点 |
|---|---|
| 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文 | 实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换节点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延。 |
| 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量 | 只适用于数字信号 |
| 提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输 | 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延 |
| 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个报文可共享信道 | |
| 提供多目标服务：一个报文可同时发往多个目的地址 | |
| 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双发可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信 |
1.7.3、分组交换
分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块的发送，这种小块就称作分组(packet)。
分组交换的原理：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发形式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。
首先将数据分割成一个个小数据块，小数据块+控制信息(源ip地址、目的ip地址、分组的编号)就是我们的分组，然后分组一组一组的传输到交换设备，交换设备暂存并检查是否有错误
1、分组交换的优缺点
| 分组交换优点 | 分组交换缺点 |
|---|---|
| 无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组 | 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力 |
| 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道 | 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间 |
| 简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易 | 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重新分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程 |
| 加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作；传输一个分组比一份报文所需缓冲区小，减少等待发送时间 | |
| 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延 | |
| 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信 |
2、数据报方式
- 源主机A将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点A
- 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
- 例如结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认消息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本
- 依次类推，所有分组都会发送到主机B
3、数据报方式的特点
- 数据报的方式为网络层提高无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
- 无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同
- 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发送乱序、重复与丢失。
- 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
- 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延，当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
- 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信。
4、虚电路方式
虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点。
虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径(逻辑连接)，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。
虚电路方式采用了电路交换方式的三个阶段：
5、虚电路方式的特点
- 虚电路方式为网络层提供连接服务。源结点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
- 连接服务：首先为分组的传输确定传输路径(建立连接)，然后沿该路径(连接)传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接
- 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，包含虚电信号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
- 分组通过虚电路上的每个结点时，结点只进行差错检测，不需进行路由选择。
- 每个结点可能与多个结点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
- 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。
6、数据报和虚电路
| 数据报服务 | 虚电路服务 | |
|---|---|---|
| 连接的建立 | 不要 | 必须有 |
| 目的地址 | 每个分组都有完整的目的地址 | 仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号 |
| 路由选择 | 每个分组独立地进行路由选择和转发 | 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发 |
| 分组顺序 | 不保证分组的有序到达 | 保证分组的有序到达 |
| 可靠性 | 不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证 | 可靠性由网络保证 |
| 对网络故障的适应性 | 出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可政策输出 | 所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作 |
| 差错处理和流量控制 | 由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性 | 可由分组交换网负责，也可由用户主机负责 |
1.7.4、数据交换方式的选择
- 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
- 当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
- 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。
1.8、物理层传输介质
1.8.1、传输介质及分类
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
1.8.2、导向性传输介质-1.双绞线
双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
绞合的目的：绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
根据高中的右手准则知识就可以知道，绞合之后会使得产生的电磁波相互抵消，所以才说绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
同时为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP),无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线(UTP
特点：双绞线价格便宜，距离太远时
- 对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号
- 对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形
1.8.3、导向性传输介质-2.同轴电缆
同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆。它在局域网中得到广泛应用，75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。
这里不用记忆50、70的，只需要记住有两种分类
同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
1.8.4、导向性传输介质-3.光纤
光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲，在接收端用广电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
光纤主要由纤芯(实心的)和包层构成，光波通过纤芯进行传到，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光纤碰到包层的时候就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
| 定义 | 光源 | 特点 | |
|---|---|---|---|
| 多模光纤 | 有多种传输光信号模式的光纤 | 发光二极管 | 易失真，适合近距离传输 (因为全反射弹来弹去也会有损耗) |
| 单模光纤 | 一种在横向模式直接传输光信号的光纤 | 定向性很好的激光二极管 | 衰耗小，适合远距离袁术 |
1、光纤的特点
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
- 抗雷电和电磁干扰性能好
- 无川音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
- 体积小，重量轻
1.8.5、非导向型传输介质
1.9、物理层设备
1.9.1、中继器
诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
- 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或者不适于网段的数据
- 两端可连相同的媒体，也可连不同的媒体
- 中继器两端的网段一定要是同一个协议(中继器不会存储转发)
5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
- 5-最多不超过5个网段
- 4-5个网段内最多只能有4个物理层网络设备，可以是中继器，可以是集线器
- 3-只有3个段可以挂接计算机
1.9.2、集线器(多口中继器)
集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外[因为是输入端口发的信号])处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
我们来解释以下上图：例如5台电脑都连接着集线器，距离为100m，其中相邻电脑要想通信，就需要走200m的距离，且中途经过集线器，就可以对衰减的信号进行放大，之后再传输到其他处于工作的端口上，这就是增加信号传输的距离，延长网络的长度。信号发送到集线器上再传输，是传输到所有工作的端口，也就是其他电脑也可以接收到，但是识别发现信号不是发送给自己的就不对信号做处理。这也就是不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备的意思。
集线器不能分割冲突域：如果第一台电脑和第二台电脑通信，第三台电脑也和第一台电脑要通信，这样就会发生冲突，怎么解决呢？停止其中一条通信，等过段时间再通信。
并且连接在集线器上的计算机是会平分宽带的，所以连接的计算机越多，传输速率也就越慢。