diff --git a/subjects/cn/01_计算机网络的体系结构.md b/subjects/cn/01_计算机网络的体系结构.md index a46396e..eb65d1c 100644 --- a/subjects/cn/01_计算机网络的体系结构.md +++ b/subjects/cn/01_计算机网络的体系结构.md @@ -14,6 +14,19 @@ | 2 | 数据链路层 | 帧同步、差错控制、MAC寻址 | PPP、Ethernet、交换机 | | 1 | 物理层 | 比特流传输、接口标准 | 集线器、中继器、双绞线 | +**各层关键职责分布**(五层模型): + +| 功能 | 应用层 | 传输层 | 网络层 | 数据链路层 | 物理层 | +|------|:-----:|:-----:|:-----:|:--------:|:-----:| +| 流量控制 | | ✔ 滑动窗口 | | ✔ 滑动窗口 | | +| 差错控制 | | ✔ 端到端校验+重传 | ✔ 头部校验 | ✔ 帧校验+重传 | | +| 拥塞控制 | | ✔ TCP拥塞控制 | ✔ 路由策略 | | | +| 路由与寻址 | | | ✔ IP路由 | ✔ MAC寻址 | | +| 复用与分用 | | ✔ 端口复用 | | | | +| 会话管理 | ✔(应用层内部) | | | | | +| 数据表示 | ✔(应用层内部) | | | | | +| 用户接口 | ✔ 应用协议 | | | | | + #### 1.2 TCP/IP四层模型 | 层次 | 对应OSI | 主要协议 | @@ -66,6 +79,21 @@ TCP/IP Model - Encapsulation Decapsulation - **SDU**:服务数据单元 - **PDU**:协议数据单元 +#### 1.6 性能指标 + +| 指标 | 定义 | 说明 | +|------|------|------| +| 带宽 | 信道所能承载的最高数据传输速率 | 单位 bps(Hz),如 100Mbps、1Gbps | +| 吞吐量 | 单位时间内实际传输的数据量 | ≤ 带宽,受网络拥塞影响 | +| 时延 | 数据从源到目的地所需总时间 | = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 | +| 发送时延 | 数据从节点进入传输介质的时间 | = 数据长度 ÷ 发送速率 | +| 传播时延 | 电磁波在信道上传播的时间 | = 信道长度 ÷ 电磁波传播速度 | +| 处理时延 | 交换机/路由器处理数据的时间 | 包括检错、查路由表等 | +| 排队时延 | 数据在缓存中等待转发的时间 | 取决于网络拥塞程度 | +| 时延带宽积 | 衡量链路上最大比特数量 | = 传播时延 × 带宽(bit) | +| 往返时间 RTT | 数据发送到收到确认的总时间 | 影响 TCP 拥塞控制策略 | +| 信道利用率 | 信道有数据通过的时间比例 | 过高会导致排队时延剧增 | + ### 2. 电路交换,报文交换,分组交换 #### 2.1 电路交换(Circuit Switching) @@ -125,10 +153,9 @@ TCP/IP Model - Encapsulation Decapsulation | 特性 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 | |------|:-------:|:-------:|:-------:| -| 是否建立连接 | 必须 | 不需要 | 不需要 | -| 传输单位 | 比特流 | 完整报文 | 分组 | -| 转发方式 | 连续比特流 | 存储转发 | 存储转发 | -| 时延 | 建立时延大,传输时延小 | 时延大 | 时延较小 | -| 资源占用 | 独占信道 | 共享信道 | 共享信道 | -| 可靠性 | 高 | 较低 | 高(可重传) | +| 时延 | 建立时延大,传输时延小 | 时延大(存储完整报文) | 时延较小(存储转发分组) | +| 缓存 | 无需缓存 | 需缓存完整报文(内存需求大) | 需缓存分组(内存需求小) | +| 信道利用率 | 低(独占信道,空闲浪费) | 较高(共享信道) | 高(统计复用) | +| 是否有序到达 | 是(专用路径) | 是(逐跳转发) | 不一定(可能失序) | +| 差错控制 | 无检错/重传机制 | 有(逐段校验) | 有(逐段校验+重传) | diff --git a/subjects/cn/02_物理层.md b/subjects/cn/02_物理层.md index e69de29..3b3f4f7 100644 --- a/subjects/cn/02_物理层.md +++ b/subjects/cn/02_物理层.md @@ -0,0 +1,129 @@ +## 物理层 + +### 1. 通信基础 + +#### 1.1 基本概念 + +| 术语 | 定义 | +|------|------| +| 信号 | 数据的电气或电磁表现,分模拟信号和数字信号 | +| 码元 | 固定时长的信号波形(基本波形),一个码元可携带多个比特 | +| 波特率 | 单位时间内传输的码元个数,单位 Baud | +| 比特率 | 单位时间内传输的比特数,单位 bps | +| 信源 | 产生数据的设备 | +| 信宿 | 接收数据的设备 | +| 信道 | 信号传输的介质通路 | + +> **关系**:比特率 = 波特率 × log₂(码元状态数) + +#### 1.2 奈奎斯特定理(Nyquist) + +在**无噪声**理想低通信道下: + +> **极限波特率** = 2W(Baud) +> **极限比特率** = 2W log₂V(bps) + +- W:信道带宽(Hz) +- V:码元可取的离散电平数(信号状态数) +- 仅限制了码元传输速率,未限制比特率(可通过增加 V 提升) + +#### 1.3 香农定理(Shannon) + +在**有噪声**信道下: + +> **极限比特率** = W log₂(1 + S/N)(bps) + +- W:信道带宽(Hz) +- S/N:信噪比(倍),通常用 dB 表示:信噪比(dB) = 10 log₁₀(S/N) +- 给出了理论上最大信息传输速率,无法通过提高 V 超越 + +> **奈氏 vs 香农**:奈氏给出无噪声下的上限(受码元状态数限制),香农给出有噪声下的上限(受信噪比限制),实际速率取两者较小值。 + +#### 1.4 编码与调制 + +| 操作 | 定义 | 示例 | +|------|------|------| +| 编码 | 数字数据 → 数字信号 | 曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、NRZ、4B/5B | +| 调制 | 数字数据 → 模拟信号 | ASK、FSK、PSK、QAM | + +**常见编码方式**: + +| 编码 | 特点 | +|------|------| +| NRZ(不归零) | 高电平=1,低电平=0,无同步时钟 | +| 曼彻斯特 | 每个码元中间跳变,上升沿=0/1(取决于标准),自带时钟 | +| 差分曼彻斯特 | 码元开始处有跳变=0,无跳变=1,抗干扰更强 | +| 4B/5B | 4位数据映射为5位码元,保证足够跳变用于同步 | + +#### 1.5 数据传输方式 + +| 方式 | 说明 | +|------|------| +| 串行传输 | 逐位传输,节省信道资源 | +| 并行传输 | 多位同时传输,速度快但线路多 | +| 同步传输 | 收发时钟同步,以块为单位传输 | +| 异步传输 | 每个字符加起始位和停止位,字符间间隔任意 | +| 单工 | 单向传输(电视广播) | +| 半双工 | 双向交替传输(对讲机) | +| 全双工 | 双向同时传输(电话) | + +### 2. 传输介质 + +#### 2.1 导向型传输介质 + +| 介质 | 特性 | 典型应用 | +|------|------|---------| +| 双绞线 | 成本低,抗干扰较差(加屏蔽层可改善) | 以太网(100m以内) | +| 同轴电缆 | 抗干扰好,带宽较高 | 有线电视、早期以太网 | +| 光纤 | 带宽极高,损耗小,抗干扰强,安全 | 骨干网、长距离传输 | + +#### 2.2 非导向型传输介质 + +| 介质 | 特性 | +|------|------| +| 无线电波 | 穿透力强,传播距离远,全向 | +| 微波 | 频率高,带宽大,直线传播,需中继 | +| 红外线 | 短距离,不能穿墙,遥控 | +| 激光 | 直线传播,带宽大,受天气影响 | + +### 3. 物理层设备 + +| 设备 | 层级 | 功能 | +|------|:---:|------| +| 中继器 | 1 | 放大衰减信号,延长传输距离(5-4-3 规则) | +| 集线器 | 1 | 多端口的中继器,所有端口共享带宽,广播转发 | + +> **5-4-3 规则**:10Mbps 以太网中,最多 5 段网线、4 个中继器/集线器、3 个计算机网段。 + +### 4. 复用技术 + +#### 4.1 频分复用(FDM) + +- 将信道划分为不同频段,各信号占用不同频率 +- 所有用户同时发送,各自占用不同频率 +- 典型应用:广播电视、ADSL + +#### 4.2 时分复用(TDM) + +- 将时间划分为等长时隙(时间片),各用户轮流占用 +- **同步 TDM**:时隙固定,用户无数据时浪费 +- **统计 TDM**:按需分配时隙,提高利用率 + +#### 4.3 波分复用(WDM) + +- 光的频分复用,在一根光纤中传输多个不同波长的光信号 +- 密集波分复用(DWDM)可达上百个信道 + +#### 4.4 码分复用(CDM/CDMA) + +- 每个用户分配唯一正交码序列 +- 所有用户同时同频发送,接收端通过码序列分离信号 +- 抗干扰强,保密性好,用于 3G 移动通信 + +### 5. PCM(脉冲编码调制) + +将模拟信号转换为数字信号的三个步骤: + +1. **采样**:对模拟信号定时采样,频率 ≥ 2 倍信号最高频率(奈奎斯特采样定理) +2. **量化**:将采样值映射到有限个离散电平 +3. **编码**:将量化值转换为二进制码