【應試】資料通信與網絡

Chapter 1

1. 資料通信：是在兩台裝置之間，通過諸如線纜的某種形式的傳輸媒體進行的資料交換
2. 四個關鍵因素：傳遞性 準确性 及時性 抖動性
3. 五個組成部分：封包 發送方 接收方 傳輸媒體 協定
4. 資料流 a.單工, b.半雙工, c.全雙工
5. 連接配接類型: 點到點連接配接與多點連接配接
6. 拓撲結構：網狀 星型 總線 環狀 混合型
7. 網絡分類（按照地理範圍分）：區域網路(LAN) 廣域網(WAN) 城域網(MAN) 個人網(PAN)
8. 協定：
   • 是一組用來管理資料通信的一組規則，規定了通信的内容、通信方式和通信的時間
   • 三要素：文法 語義 時序
9. 标準
   • 達成一緻的規則
   • 分類：1. 事實上的标準(de facto)，如TCP/IP 2. 法定的标準(de jure)，如OSI/RM

Chapter 2

1. 層次結構、層間接口、封裝

   

2. OSI參考模型的概念和各層功能

   實體層：負責位從一跳（節點）到另一跳（節點）的傳遞

   • 傳輸的是透明比特流 資料速率

     位同步

     線路配置

     拓撲結構

     傳輸方式

   資料鍊路層：負責幀從一跳（節點）到下一跳（節點）傳遞
   • a. 幀 b.實體位址 c.流量控制 d.差錯控制 e.通路控制
   網絡層：負責将各個分組從源位址傳遞到目的位址

   • a. 分組，包 b.連接配接 c.位址 路由選擇 擁塞控制

     傳輸層：負責一個封包從一個程序到另一個程序的傳遞

   • a.封包 b.程序與程序之間 c.端到端的可靠傳輸 d.服務通路點SAP/端口Port e.分段Segment群組裝 f.連接配接控制 g.流量控制 h.差錯控制？

     會話層：負責對話控制和同步

   • a.對話控制 b.同步，同步點 c.Session經常在套接字中使用

     表示層：負責翻譯、加密和壓縮資料

   • a.翻譯：語義與文法的轉換 b.加密 c.壓縮

     應用層：負責向使用者提供服務

   • a. 向使用者提供服務 b.虛拟終端 c.FTP d.E-MAIL e.Directory服務
3. TCP/IP協定簇和各層的功能
   • 被定義為四個層次: 主機到網絡層,網際網路層, 傳輸層和應用層
   • 可以說 有五層: 實體層, 資料鍊路層, 網絡層, 傳輸層和應用層。

4. 實體位址：MAC位址

   12個十六進制的數字；每個位元組（2個十六進制數） 用冒号分開

   如：07:01:02:01:2C:4B

5. 邏輯位址：IP位址

Chapter 3

• 帶寬B = 最高頻率 - 最低頻率
• 每個電平位數 = log2(電平種類數）
• 比特率：傳輸位數 / 時間
• 位長 = 傳播速度 × 位持續時間
• 分貝dB = 10 log_10(位置2的功率 / 位置1的功率） = 20 log_10(位置2的電壓 / 位置1的電壓）

• 信噪比SNR = 平均信号功率 / 平均噪聲功率

  SNR_dB = 10 log_10(SNR)

• 奈奎斯特比特率 = 2 × 帶寬 × log_2(L)

• 香農容量定理 ： 通道容量 = 帶寬 × log_2 ( 1 + SNR)

  SNR很大時，SNR+1 ≈SNR 簡化 C = B × SNR_dB / 3

• 吞吐量 ：機關時間實際能傳輸的位數

• 延遲= 傳播時間 + 傳輸時間 + 排隊時間 + 處理延遲

  傳播時間 = 距離 / 傳播速度

  傳輸時間 = 封包長度 / 帶寬

  排隊時間 不是固定因素

• 能充滿鍊路的位數 = 帶寬 ×延遲

Chapter 4

• 比率r = 資料元素 / 信号元素
• 信号速率 S= 波特率 = 調制速率 = 脈沖速率 = 發送的信号元素 / 時間
• 信号速率 = 情形因子c × 資料速率N ×(1/比率r)
• 最小帶寬B_min = c × N ×(1/r)
• 最大資料速率 N_max = (1/c) × B × r

線路編碼方案

• 單極性編碼

  

• 不歸零編碼（NRZ）

  

• 歸零編碼 （RZ)

  

• 雙相編碼

  

• AMI 和僞三元編碼

  

多電平編碼

• mBnL

  L：

  B 二進制

  T 三元

  Q 四元

脈沖碼調制

• 采樣速率 ： 至少是信号所含最高頻率的2倍
• 比特率 = 采樣速率 × 每個樣本位數
• n_b = log_2(L)
• SNR_dB = 6.02n_b + 1.76

• 數字化模拟信号後的最小帶寬 B_min = n_b × B_analog

  通道最大資料率 N_max = 2 × B × log_2(L)

  最小所需帶寬 B_min = N / (2 × log_2(L) )

Chapter 5

• 波特率 = (1/r) × 比特率

• 調制類型

  FSK : r = log_2(2) = 1

  ASK: r = log_2(2) = 1

  QPSK : r = log_2(4) = 2

  64-QAM : r = log_2(64) = 6

  有給定數字的用給定數字算

• 要求帶寬Ｂ = (1+d) × (1/r) × 比特率N
• 最大比特率 = B / (1 + d) × N

Chapter 7

1. 有向媒體：在裝置之間提供通路的媒體，包括雙絞線、 同軸電纜和光纜。
   • 雙絞線 UTP STP

     

   • 同軸電纜 ：傳輸更高頻率範圍的信号

     

     信号衰減得很快，因而經常需要使用中繼器

   • 光纜

     臨界角 48.5°

     

     包層 低密度

     

     傳播模式

     

     

2. 無向傳輸媒體：不使用實體導體傳輸電磁波
   • 三大組：無線電波，微波，紅外波
   • 無線電波：用于多點傳播通信，如收音機、電視以及尋呼系統。
   • 微波：用于單點傳播通信，如行動電話、衛星網絡和無線區域網路。
   • 紅外信号：在封閉區域用于短距離通信，使用視線傳播。

Chapter 8

1. 電路交換
   • 電路交換網絡由實體鍊路連接配接的一組交換機組成，每條鍊路被分成了n個通道。
   • 在電路交換中,建立階段必須預留資源,以作為整個資料傳輸間的專用資源直到拆除階段。
   • 實際通信三個階段：a. 連接配接建立 b. 資料傳輸 c. 連接配接拆除
   • 延遲：交換機沒有等待時間，整個延遲時間是建立連接配接需要的時間，資料傳輸時間，拆除電路時間
   • 傳統電話網實體層的交換采用電路交換的方法
2. 資料包交換
   • 在分組交換網中,不存在資源預留,資源按需配置設定
   • 資料包的交換在網絡層
   • 無連接配接：交換機不儲存有關連接配接狀态的資訊，不需要建立連接配接階段，也不需要拆除階段
   • 資料報網中的交換機使用基于目的位址的路由表
   • 資料報網分組的頭部中的目的位址在分組傳送期間保持不變。
   • 資料報網的效率比電路交換網高，存在很少時間延遲
   • 總延遲時間　＝　傳輸時間＋傳播延遲＋等待時間
   • 網際網路在網絡層用資料報方法對分組進行交換
3. 虛電路交換
   • 特征：a. 在資料傳輸階段,有建立階段與拆除階段　b. 按需在建立階段期間配置設定資源
   • 通常在資料鍊路層實作，将來可能會變化
   • 編址：a. 全局 b. 本地（虛電路辨別符）
   • 效率：在虛電路交換中,屬于相同源端和目的端的所有分組都按同一路徑傳送;但如果資源按需配置設定,分組達到目的端可能有不同延遲。
   • 在交換廣域網中,資料鍊路層通常采用虛電路技術實作。

Chapter 9

1. 信令：帶内信令，帶外信令
   • 資料傳輸和信令任務在現代電話網中是分開的：一個網絡用來執行資料傳輸，另一個用來執行信令任務
2. 調制與解調
   • 調制器：從二進制資料生成帶通模拟信号
   • 解調器：将調制信号中恢複為二進制資料
3. ADSL數據機
   • 專門針對住宅使用者而設計的非對稱通信技術,它不适合于商業應用
   • 使用現有的本地回路。

   • Ｑ　如何達到傳統的數據機不能實作的資料速率？

     Ａ　雙絞線本地回路能夠處理的帶寬實際上高達1.1MHz,但是電話公司安裝在本地交換局的濾波器将帶寬限制到4kHz，這樣做允許對大量語音通道進行多路複用，然而，如果将濾波器拆除，那麼整個1.1MHz帶寬就可以全部用于資料和語音通信了。

Chapter 10

1. 差錯的類型：a. 單個位差錯 b. 突發性差錯
   • 突發性差錯長度 = 最後一個差錯位置 - 第一個差錯位置
2. 塊編碼：ｎ= k+r 每個字長度為ｎ位，隻有２^ ｋ是有效的
3. 差錯檢測
   • 檢錯碼是為某些類型的差錯而設計的,是以隻能檢測這些類型的差錯;其它類型的差錯就無法檢測到
4. 糾錯
   • 漢明距離 d(x,y) = (x ^ y)中1的個數
   • 線性編碼：任意兩個有效碼字異或形成另外一個有效碼字
   • 線性塊編碼的最小距離 = 最小漢明距離 d_min = min(a_x,a_y)
   • 簡單奇偶校驗碼　n = k+1　d_min = 2 能檢測出奇數個差錯
   • 兩維奇偶校驗法

     

     能檢測最多３個差錯

   • 漢明碼

     碼字長 n = 2^(漢明距離m) - 1

     資料字長 k = n - m

     校驗位個數 r = m

     能檢測出２位，糾正１位

     

     隻要是三個生成獨立等式就行
5. 循環備援校驗CRC
   • 編碼器

     

   • 譯碼器

     

   • 多項式除法

     

   • CRC糾錯能力分析
     • 可以被ｇ(x)整除的差錯無法被捕捉到
     • 如果生成多項式至少有兩項為０并且x^0的系數為１，那麼所有單個位差錯都可以被捕捉到
     • 如果生成多項式不能整除x^t + 1 （t在０和ｎ-1之間），那麼所有獨立的雙差錯都能被檢測到
     • 包含x+1因子的生成多項式能檢測到所有奇數個比特錯誤
     • 生成多項式最高位系數為r
     • 所有L≤ r 的突發性差錯都能被檢測到
     • 所有L = r+1 的突發性差錯有 1 - (1/2)^(r-1) 的機率會被檢測到
     • 所有L > r+1 的突發性差錯有 1 - (1/2)^r 的機率會被檢測到
   • 令人滿意的生成多項式标準

     

6. 校驗和
   • 發送資料時，同時還發送它們的和（用于檢錯校驗， 是以稱為校驗和）
   • 反碼算法：隻使用ｎ位表示０到２^ｎ-1的無符号數字，如果這個數字多于ｎ位，那麼最左邊的額外位要加到最右邊的ｎ位——這與從２^ｎ－１減去這個數字一樣

Chapter 11

1. 組幀
   • 固定長度成幀：不需要定義幀的邊界，長度本身可以用作分隔符
   • 可變長度成幀：

     • 面向字元協定

       字元填充

       ESC和Flag前加換義符ESC

       

       

     • 面向位協定

       位填充

       當遇到1個‘0’ 和5個連續’1‘，增加一個‘0’

       

       

2. 流量控制：一系列程式，用來限制發送方在等到确認之前發送的資料數量
   • 緩沖區：每個接收裝置都有一塊存儲區，存儲進入的資料直到他們被處理
3. 差錯控制：包括差錯檢測和糾正
   • 自動重複請求ARQ

     • 分組序号 = 組數 mod 2^(序列号長度)

       每個分組的序列号循環

4. 停止等待ARQ

   • 停止等待ARQ協定流量圖

     定時器6us，往返延遲4us

     沒有幀丢失

     

     第一個幀丢失

     

5. 回退N幀ARQ

   - 回退N幀ARQ發送視窗大小 < 2^m

   接收視窗 = 1

6. 選擇重發ARQ

   - 選擇重複ARQ發送和接收方視窗大小 ≤ 2^(m-1)

7. HDLC　進階資料鍊路控制協定
   • 實際應用的面向比特的資料鍊路協定,支援點到點鍊路和多點鍊路。具體實作了本章讨論的各種ARQ協定
   • 兩種傳輸模式：a. 正常響應方式(NRM) b. 異步平衡方式(ABM)
   • 幀　a.資訊幀 b.管理幀 c.無編号幀
   • 幀的格式：每個幀最多包含六個字段，在多幀傳輸中，一個幀的結束标記可以作為下一個幀開始的标記

     

     标記字段Flag：為接收方提供同步模式，８位

     位址字段Address：包含”去往“的位址，

     控制字段Control：用于流量控制和差錯控制，一個位元組或兩個位元組段

     資訊字段information：包含來自網絡層使用者資料或管理資訊

     幀校驗序列字段FCS：差錯校驗字段，２到４位元組

8. PPP協定　點到點協定
   • 面向位元組協定，通過轉義位元組01111101進行透明插入和删除

Chapter12

1. 随機通路（競争）
   • 沒有一個站點是優于其它站點的,也不能控制其它站點。沒有站點有權力允許或不允許其它站點發送或不發送資料。有資料要發送的站通過自身的協定決定發送還是不發送資料。
2. 純ALOHA
   • 最早的ALOHA協定
   • 脆弱時間：一個沖突可能發生的時間是＝２×幀的平均傳輸時間T_fr
   • 吞吐量：成功傳輸幀的平均數量Ｓ=一個幀傳輸時間内系統産生幀的平均數量Ｇ×ｅ^(-2G)　當Ｇ＝1/2時，最大吞吐量為Ｓ_max = 0.184
3. 時隙ALOHA
   • 脆弱時間＝Ｔ_fr
   • 吞吐量＝Ｇ×ｅ^(-G) 當Ｇ = 1時，最大吞吐量Ｓ_max ＝0.368
4. CSMA 載波偵聽多路通路
   • 發送之前首先要監聽媒體（檢查媒體狀态）
   • 沖突的機率依然存在的原因是傳播的延遲
   • 脆弱時間　＝　傳播時間Ｔ_p
   • 持續方法 1-持續 非持續　ｐ-持續

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