计算机网络结构物理层的传输方式

‘壹’ 计算机网络的数据链路层，物理层各自作用是

物理层
物理层的主要任务是实现通信双方的物理连接，以比特流(bits)的形式传送数据信息，并向数据链路层提供透明的传输服务。
物理层是构成计算机网络的基础，所有的通信设备、主机都需要通过物理线路互联。物理层建立在传输介质的基础上，是系统和传输介质的物理接口，它是OSI模型的最低层。

数据链路层
数据链路层的功能就是利用物理层提供的比特流传输功能，实现在相邻节点(node)间的透明、可靠的数据传输，具体要实现下列功能：链路管理、帧同步、差错控制、流量控制。
根据网络规模的不同，数据链路层的协议可分为两类：一类是针对广域网（WAN）的数据链路层协议，如HDLC、PPP、SLIP等；一类是局域网（LAN）中的数据链路层协议，如MAC子层协议和LLC子层协议。

‘贰’ 网络的传输方式

1. 广播式网络（broadcast networks）

特点：所有计算机共享一条通信信道，任何一台计算机发出的信息可以直接被其他所有计算机接收，不需要节点转送，两台以上的计算机同时发送信息会发生冲突
• 介质访问控制方法：发现冲突，避免冲突，解决冲突（讲前先听，边讲边听）
用的是多路复用技术，把信道分成很多的子信道，不同的信号就不会产生冲突

2. 点到点式网络（point-to-point networks）
特点：一条线路连接两个网络互连设备。一般情况下，两台计算机间的传输要经过多台
网络互连设备；两条计算机间的传输有多条路径可选择。
关键技术：路由选择
• 路由表：给出大致的网络和范围，然后再一层一层找下去

·集线器以广播式方式工作
1.价格便宜，集线器相当于一个多路开关，时延小（因为不需要转发）
2.A发一个信息，BCD都能收到，达不成只给一个节点发送数据的要求
3.如果带宽是100M，那么ABCD每个节点最多带宽能达到25M
★集线器连接的两个节点不能距离太远，否则发现冲突查不出来。发送的数据的最后一位离开了发送节点时还没听到冲突就觉得没有冲突，因此为了避免这样的问题，对网络的跨度还是有一定的限度的

·交换机以点对点式方式工作
1.带宽利用率高，如果带宽是100M，那么ABCD每个节点达到的最大带宽是100M
2.安全性提高了
3.向外发送信息时要有源地址和目的地址，如果找不到目的地址时就会以广播式方式工作
4.支持全双工，A→交换机的同时，交换机→A （前提是交换机有两个缓存）
5.网络跨度大于集线器
6.时延大于集线器
7.可以连接不同速率的节点，即ABCD的速率可以不一样

A把数据给D时，90%的数据都没有了

‘叁’ 按照网络的传输方式计算机网络可以分为

按照网络传输方式，计算机网络可分为点-点式网络和广播式网络。按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可分为局域网、城域网与广域网。

①点-点网络采用点-点通信信道，即通信仅限于相互有连接信道的一对计算机之间，类似于电话通信。

②广播式网络采用广播式信道，即将多个计算机连接到一条公共信道上，一个站点发送信息，信道上的其余站点都可以接收到信息，类似于无线电广播。

(3)计算机网络结构物理层的传输方式扩展阅读：

按交换方式分，计算机网络可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。

按传输介质划分：

1、有线网：指采用双绞线来连接的计算机网络。

2、光纤网：采用光导纤维作为传输介质。

3、无线网：采用一种电磁波作为载体来实现数据传输的网络类型。

按通信方式划分：

1、广播式传输网络。

2、点到点式传输网络。

从逻辑功能上看，计算机网络是以传输信息为基础目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合，一个计算机网络组成包括传输介质和通信设备。

从用户角度看，计算机网络是这样定义的：存在着一个能为用户自动管理的网络操作系统。由它调用完成用户所调用的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样，对用户是透明的。

‘肆’ OSI模型中，数据是怎样传输的

数据从自己电脑发送到对方电脑是经过从上到下应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，到达最后的物理层，然后转换成比特流，最后通过一定的传输介质，像双绞线，同轴电缆，光纤传到对方电脑上。在到达对方电脑的物理层时，同样是一层一层往上传应用层。

(4)计算机网络结构物理层的传输方式扩展阅读：

OSI将计算机网络体系结构（architecture）划分为以下七层：

物理层： 将数据转换为可通过物理介质传送的电子信号相当于邮局中的搬运工人。

数据链路层： 决定访问网络介质的方式。

在此层将数据分帧，并处理流控制。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址，相当于邮局中的装拆箱工人。

网络层： 使用权数据路由经过大型网络 相当于邮局中的排序工人。

传输层： 提供终端到终端的可靠连接 相当于公司中跑邮局的送信职员。

会话层： 允许用户使用简单易记的名称建立连接 相当于公司中收寄信、写信封与拆信封的秘书。

表示层： 协商数据交换格式 相当公司中简报老板、替老板写信的助理。

应用层： 用户的应用程序和网络之间的接口。

‘伍’ 计算机网络——2.物理层

确定与传输媒体的 接口 的一些特性，解决在各种传输媒体上传输 比特流 的问题
1.机械特性 ：接口的形状尺寸大小。
2.电气特性 ：在接口电缆上的各条线的电压范围。
3.功能特性 ：在某一条线上出现的某个电平电压表示的意义。
4.过程特性 ：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
传输媒体主要可以分为 导引型传输媒体 和 非导引型传输媒体 ：
导引型传输媒体 ：信号沿着固体媒体(铜线或光纤，双绞线)进行传输， 有线传输 。
非导引型传输媒体 ：信号在自由空间传输，常为 无线传输 。

数据通信系统：包括 源系统 (发送方)， 传输系统 (传输网络)， 目的系统 (接收方)。
一般来说源系统发出的信号(数字比特流)不适合直接在传输系统上直接传输，需要转化(模拟信号)。
调制 ：数字比特流-模拟信号
解调 ：模拟信号-数字比特流

数据 ——运送消息的实体。
信号 ——数据的电气化或电磁化的表现。
模拟信号 ——代表消息的参数的取值是 连续 的。
数字信号 ——代表消息的参数的取值是 离散 的。
码元 ——在使用时间域代表不同离散值的基本波形。

信道 ：表示向某一个方向传送信息的媒体。
单向通信(单工通信) ：只有一个方向的通信，不能反方向。
双向交替通信(半双工通信) ：能两个方向通信，但是不能同时。
双向同时通信(全双工通信) ：能同时在两个方向进行通信。
基带信号 ：来自信源的信号(源系统发送的比特流)。

基带调制 ：对基带信号的波形进行变换，使之适应信道。调制后的信号仍是基带信号。基带调制的过程叫做 编码 。
带通调制 ：使用载波进行调制，把基带信号的频率调高，并转换为模拟信号。调制后的信号是 带通信号 。

1.归零制 ：两个相邻信号中间信号记录电流要恢复到 零电平 。 正脉冲表示1，负脉冲表示0 。在归零制中，相邻两个信号之间这段磁层未被磁化，因此在写入信息之前必须去磁。
2.不归零制 ： 正电平代表1，负电平代表0 ，不用恢复到零电平。难以分辨开始和结束，连续记录0或者1时必须要有时钟同步，容易出现直流分量出错。
3.曼彻斯特编码 ：在每一位中间都有一个跳变。 低->高表示0，高->低表示1 。
4.差分曼彻斯特编码 ：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1。 位中间的跳变代表时钟，位前跳变代表数据 。

调幅（ AM ）：载波的 振幅 随着基带数字信号而变化。
调频（ FM ）：载波的 频率 随着基带数字信号而变化。
调相（ PM ）：载波的 初始相位 随着基带数字信号而变化。

失真 ：发送方的数据和接收方的数据并不完全一样。
限制码元在信道上的传输速率的因素：信道能够通过的 频率范围 ； 信噪比 。

码间串扰 ：由于系统特性，导致前后码元的波形畸变。
理想低通信号的最高码元传输速率为 2W ，单位是波特，W是理想低通信道的 带宽 ，理想带通特性信道的最高码元传输速率为W。
信噪比 ：信号的平均功率与噪声的平均功率的比值，单位是 dB ， 值=10log10(S/N) 。
信噪比对信道的 极限 信息传输速率的影响：速率 C=Wlog2(1+S/N)——香农公式 ，单位为 bit/s 。
信噪比越大，极限传输速率越高。实际速率比极限速率低不少。还可以用编码的方式来提高速率(让一个码元携带更多的比特量)。

所谓 复用 就是一种将若干个彼此独立的信号合并成一个可以在 同一信道 上同时传输的 复合信号 的方法。
比如，传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内，为了使若干个这种信号能在 同一信道（相当于共享信道，能够降低成本，提高利用率） 上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来（ 分用 ）。
信道复用技术就是将一个物理信道按照一定的机制划分多个互不干扰互不影响的逻辑信道。信道复用技术可分为以下几种： 频分复用，时分复用和统计时分复用，波分复用，码分复用 。

1.频分复用技术FDM（也叫做频分多路复用技术）： 条件是传送的信号的带宽是有限的，而 信道的带宽要远远大于信号的带宽 ，然后采用 不同频率 进行调制的方法，是各个信号在信道上错开。频分复用的各路信号是在 时间 上重叠而在 频谱 上不重叠的信号。将整个带宽分为多份，用户分配一定的带宽后通信过程 自始至终都占用 这个频带。另外，为保证各个子信道传输不受干扰，可以设立 隔离带 。
2.时分复用技术TDM：采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号。 也就是在信道带宽上划分出几个子信道后，A用户在某一段时间使用子信道1，用完之后将子信道1释放让给用户B使用，以此类推。将整个信道传输时间划分成若干个时间片（时隙），这些时间片叫做 时分复用帧 。每一个时分用户在每一个TDM帧中占用 固定时序 的时隙。

4.波分复用技术WDM： 将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经过 复用器汇合 在一起，并耦合到光线路的 同一根光纤 中进行传输，在接收端经过 分波器 将各种波长的光载波分离进行 恢复 。整个过程类似于频分复用技术的共享信道。波分复用其实就是光的频分复用。

1.比特时间，码片
1比特时间就是发送 1比特 需要的时间，如数据率是10Mb/s，则100比特时间就等于10微秒。
每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。每个站被指派一个唯一的m bit 的码片序列（例如S站的8 bit 码片序列是00011011）。
如果发送 比特1 ，则发送自己的m bit 码片序列。如果发送 比特0 ，则发送该码片序列的二进制反码。
S站的码片序列：（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1） -1代表0，+1代表1
用户发送的信号先受 基带数字信号 的调试，又受 地址码 的调试。就比如数据发送后受到基带数字信号的调试之后变为10，然后又受到地址码的调试后1就变为了00011011（上面的S站码片序列），0就变成了11100100。
由于每个比特要转换成m个比特的码片序列，因此原本S站的数据率b bit/s要提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原本数值的m倍。这种方式是扩频通信中的一种。
扩频通信通常有两大类：直接序列扩频DSSS（上述方式）；跳频扩频FHSS。
2.码分多址（CDMA）
CDMA的重要特点 ：每个站分配的码片序列不仅必须 各不相同 ，并且还必须 相互正交 。在实用系统中使用的是 伪随机码序列 。
码片的互相 正交 的关系：令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。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 等于0。

即S T=（S1 T1+S2 T2+......Sm Tm）/m（其实就相当于 两个向量垂直 ，/m对结果其实也没多大关系）
推论 ： 1. 一个码片向量和另一码片反码的向量的规格化内积值为0（如果ST=0,那么ST'也=0）
2. 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1，即S S=1
3. 一个码片向量和该码片向量的规格化内积值是-1，即S S'=-1
CDMA的工作原理：
用一个列子来说明，假设S站的码片序列为（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1），S站的扩频信号为Sx，即若数据比特=1那么S站发送的是码片序列本身Sx=S，若数据比特=0那么S站发送的是码片序列的反码Sx=S’。T站的码片序列为（-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1），T站的扩频信号为Tx。因为所有的站都使用相同的频率，因此每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。所有的站收到的都是叠加的信号 Sx+Tx 。
当接收站打算收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，即S （Sx+Tx）=S Sx+S Tx。前者等于+1或0，后者一定等于0，具体看下面（参考上面的 CDMA的工作原理 ）：
当数据比特=1时，Sx=S，那么S Sx=S S=1；同理 ，当数据比特=0时，Sx=S’，那么S Sx=S S’=0
当数据比特=1时，Tx=S，那么S Tx=S T=0（参考上面 码片序列的正交关系 ）；同理 ，当数据比特=0时，Sx=S’，那么S Tx=S*T’=0

‘陆’ 网络五层结构

计算机网络五层结构是指应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

1、应用层

专门针对某些应用提供服务。

2、传输层

网络层只把数据送到主机，但不会送到进程。传输层负责负责进程与主机间的传输，主机到主机的传输交由网络层负责。传输层也称为端到端送。

3、网络层

把包里面的目的地址拿出来，进行路由选择，决定要往哪个方向传输。

负责从源通过路由选择到目的地的过程，达到从源主机传输数据到目标主机的目的。

4、数据链路层

通过物理网络传送包，这里的包是通过网络层交过来的数据报。

只完成一个节点到另一个节点的传送（单跳）。

5、物理层

通过线路（可以是有形的线也可以是无线链路）传送原始的比特流。

只完成一个节点到另一个节点的传送（单跳）。

(6)计算机网络结构物理层的传输方式扩展阅读：

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

计算机网络也称计算机通信网。关于计算机网络的最简单定义是：一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。若按此定义，则早期的面向终端的网络都不能算是计算机网络，而只能称为联机系统（因为那时的许多终端不能算是自治的计算机）。但随着硬件价格的下降，许多终端都具有一定的智能，因而“终端”和“自治的计算机”逐渐失去了严格的界限。若用微型计算机作为终端使用，按上述定义，则早期的那种面向终端的网络也可称为计算机网络。

‘柒’ 网络数据是怎样传输的

通过OSI七层协议进行传输,下面给出传输方式:
OSI 参 考 模 型与TCP/IP协议模型结构 OSI 参 考 模 型 也 称 为异 质 系 统 互 联 的 七 层 框 架 ---- ★ 物 理 层(Physical Layer) ---- 提 供 机 械、 电 气、 功 能 和 过 程 特 性。 如 规 定 使 用 电 缆 和 接 头 的 类 型, 传 送 信 号 的 电 压 等。 在 这 一 层, 数 据 还 没 有 被 组 织, 仅 作 为 原 始 的 位 流 或 电 气 电 压 处 理。 ---- ★ 数 据 链 路 层(Data Link Layer) ---- 实 现 数 据 的 无 差 错 传 送。 它 接 收 物 理 层 的 原 始 数 据 位 流 以 组 成 帧( 位 组), 并 在 网 络 设 备 之 间 传 输。 帧 含 有 源 站 点 和 目 的 站 点 的 物 理 地 址。 ---- ★ 网 络 层(Network Layer) ---- 处 理 网 络 间 路 由, 确 保 数 据 及 时 传 送。 将 数 据 链 路 层 提 供 的 帧 组 成 数 据 包, 包 中 封 装 有 网 络 层 包 头, 其 中 含 有 逻 辑 地 址 信 息 — — 源 站 点 和 目 的 站 点 地 址 的 网 络 地 址。 ---- ★ 传 输 层(Transport Layer) 提 供 建 立、 维 护 和 取 消 传 输 连 接 功 能, 负 责 可 靠 地 传 输 数 据。 ---- ★ 会 话 层(Session Layer) ---- 提 供 包 括 访 问 验 证 和 会 话 管 理 在 内 的 建 立 和 维 护 应 用 之 间 通 信 的 机 制。 如 服 务 器 验 证 用 户 登 录 便 是 由 会 话 层 完 成 的。 ---- ★ 表 示 层(Presentation Layer) ---- 提 供 格 式 化 的 表 示 和 转 换 数 据 服 务。 如 数 据 的 压 缩 和 解 压 缩, 加 密 和 解 密 等 工 作 都 由 表 示 层 负 责。 ---- ★ 应 用 层(Application Layer) ---- 提 供 网 络 与 用 户 应 用 软 件 之 间 的 接 口 服 务。 OSI/RM是ISO在网络通信方面所定义的开放系统互连模型,1978 ISO(国际化标准组织)定义了这样一个开放协议标准。。有了这个开放的模型,各网络设备厂商就可以遵照共同的标准来开发网络产品,最终实现彼此兼容。 整个OSI/RM模型共分7层,从下往上分别是:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 当接受数据时,数据是自下而上传输;当发送数据时,数据是自上而下传输。 (1)物理层 这是整个OSI参考模型的最低层,它的任务就是提供网络的物理连接。所以,物理层是建立在物理介质上(而不是逻辑上的协议和会话),它提供的是机械和电气接口。主要包括电缆、物理端口和附属设备,如双绞线、同轴电缆、接线设备(如网卡等)、RJ-45接口、串口和并口等在网络中都是工作在这个层次的。 物理层提供的服务包括:物理连接、物理服务数据单元顺序化(接收物理实体收到的比特顺序,与发送物理实体所发送的比特顺序相同)和数据电路标识。 (2)数据链路层 数据链路层是建立在物理传输能力的基础上,以帧为单位传输数据,它的主要任务就是进行数据封装和数据链接的建立。封装的数据信息中,地址段含有发送节点和接收节点的地址,控制段用来表示数格连接帧的类型,数据段包含实际要传输的数据,差错控制段用来检测传输中帧出现的错误。 数据链路层可使用的协议有SLIP、PPP、X25和帧中继等。常见的集线器和低档的交换机网络设备都是工作在这个层次上,Modem之类的拨号设备也是。工作在这个层次上的交换机俗称“第二层交换机”。 具体讲,数据链路层的功能包括:数据链路连接的建立与释放、构成数据链路数据单元、数据链路连接的分裂、定界与同步、顺序和流量控制和差错的检测和恢复等方面。 (3)网络层 网络层属于OSI中的较高层次了,从它的名字可以看出,它解决的是网络与网络之间,即网际的通信问题,而不是同一网段内部的事。网络层的主要功能即是提供路由,即选择到达目标主机的最佳路径,并沿该路径传送数据包。除此之外,网络层还要能够消除网络拥挤,具有流量控制和拥挤控制的能力。网络边界中的路由器就工作在这个层次上,现在较高档的交换机也可直接工作在这个层次上,因此它们也提供了路由功能,俗称“第三层交换机”。 网络层的功能包括:建立和拆除网络连接、路径选择和中继、网络连接多路复用、分段和组块、服务选择和传输和流量控制。 (4)传输层 传输层解决的是数据在网络之间的传输质量问题,它属于较高层次。传输层用于提高网络层服务质量,提供可靠的端到端的数据传输,如常说的QoS就是这一层的主要服务。这一层主要涉及的是网络传输协议,它提供的是一套网络数据传输标准,如TCP协议。 传输层的功能包括:映像传输地址到网络地址、多路复用与分割、传输连接的建立与释放、分段与重新组装、组块与分块。 根据传输层所提供服务的主要性质,传输层服务可分为以下三大类: A类:网络连接具有可接受的差错率和可接受的故障通知率,A类服务是可靠的网络服务,一般指虚电路服务。 C类:网络连接具有不可接受的差错率,C类的服务质量最差,提供数据报服务或无线电分组交换网均属此类。 B类:网络连接具有可接受的差错率和不可接受的故障通知率,B类服务介于A类与C类之间,在广域网和互联网多是提供B类服务。 (5)会话层 会话层利用传输层来提供会话服务,会话可能是一个用户通过网络登录到一个主机,或一个正在建立的用于传输文件的会话。 会话层的功能主要有:会话连接到传输连接的映射、数据传送、会话连接的恢复和释放、会话管理、令牌管理和活动管理。 (6)表示层 表示层用于数据管理的表示方式,如用于文本文件的ASCII和EBCDIC,用于表示数字的1S或2S补码表示形式。如果通信双方用不同的数据表示方法,他们就不能互相理解。表示层就是用于屏蔽这种不同之处。 表示层的功能主要有:数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和数据压缩。 (7)应用层 这是OSI参考模型的最高层,它解决的也是最高层次,即程序应用过程中的问题,它直接面对用户的具体应用。应用层包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能,如电子邮件和文件传输等,在这一层中TCP/IP协议中的FTP、SMTP、POP等协议得到了充分应用 TCP/IP协议
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型,是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网路层、传输层、话路层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为:
应用层:应用程序间沟通的层,如简单电子邮件传输(SMTP)、文件传输协议(FTP)、网络远程访问协议(Telnet)等。
传输层:在此层中,它提供了节点间的数据传送服务,如传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)等,TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中,这一层负责传送数据,并且确定数据已被送达并接收。
互连网络层:负责提供基本的数据封包传送功能,让每一块数据包都能够到达目的主机(但不检查是否被正确接收),如网际协议(IP)。
网络接口层:对实际的网络媒体的管理,定义如何使用实际网络(如Ethernet、Serial Line等)来传送数据。
二、OSI 参 考 模 型与TCP/IP协议模型各层中的协议 TCP/IP协议中有FTP、SMTP、POP TCP/IP的通讯协议
这部分简要介绍一下TCP/IP的内部结构,为讨论与互联网有关的安全问题打下基础。TCP/IP协议组之所以流行,部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议(例如T1和X.25、以太网以及RS-232串行接口)之上。确切地说,TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议,UDP(User Datagram Protocol)协议、ICMP(Internet Control Message Protocol)协议和其他一些协议的协议组。