计算机网络学习笔记

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一、网络分层结构

1. OSI 七层模型（理论）

  1. 物理层
  2. 数据链路层
  3. 网络层
  4. 传输层
  5. 会话层
  6. 表示层
  7. 应用层

2. TCP/IP 四层模型（实际使用）

  1. 网络接口层
  2. 网络层
  3. 传输层
  4. 应用层

二、通信基础概念

  • 信源：信息的发送方
  • 信宿：信息的接收方
  • 信道：信号传输的物理通道
  • 信号
    • 数字信号：离散、不连续
    • 模拟信号：连续变化

码元、波特率、比特率

  • 码元：一个固定时长的信号波形，代表一个离散数值
  • 波特率：每秒传输的码元数（码元速率）
  • 比特率：每秒传输的比特数（信息速率）
  • 关系：比特率 = 波特率 × log₂(一个码元携带的比特数)

三、信道的极限容量

1. 噪声

传输过程中混入的干扰信号，会影响数据准确性。

2. 奈奎斯特定理（无噪声）

极限码元传输速率：
C = 2W log₂(N)

  • W：信道带宽
  • N：码元的离散电平数

3. 香农定理（有噪声）

极限信息传输速率：
C = W log₂(1 + S/N)

  • S/N：信噪比
  • 信噪比（dB）= 10 log₁₀(S/N)
  • 例：S/N=1000 → 30dB

四、编码与调制

1. 常用编码

  1. NRZ 不归零编码
    高电平1，低电平0，简单但无法同步。
  2. RZ 归零编码
    每个码元中间归零，自带同步，但浪费带宽。
  3. NRZI 反向非归零
    翻转表示1，不翻转表示0。
  4. 曼彻斯特编码
    前高后低=1，前低后高=0，自带时钟，以太网使用。
  5. 差分曼彻斯特编码
    码元开始处翻转=0，不翻转=1，抗干扰更强。

2. 编码特点

  • 自同步能力
  • 带宽开销
  • 抗干扰能力

3. 调制方式

  • 调幅 AM
  • 调频 FM
  • 调相 PM
  • 正交幅度调制 QAM

五、传输介质

导向型

  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤

非导向型

  • 无线电、微波、红外、激光

物理层接口特性

  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 规程特性

六、物理层设备

  • 中继器：放大信号，延长传输距离
  • 集线器：多口中继器，共享带宽，所有端口在同一个冲突域
  • 冲突域：同一域内设备同时发送会产生冲突
  • 中继器与集线器不能隔离冲突域

七、数据链路层

1. 物理链路 & 逻辑链路

  • 物理链路：实际线路
  • 逻辑链路：加上协议后的通信通道

2. 数据链路层功能

  1. 封装成帧
    • 帧定界
    • 透明传输
  2. 透明传输
    不管数据是什么，都能正确传输。
  3. 差错控制
    • 检错：发现错误
    • 纠错：自动修复错误

八、差错控制（完整补全版）

1. 检错编码

（1）奇偶校验码

  • 在数据后加1位，使1的总数为奇数/偶数。
  • 只能检测奇数个位错误，无法纠错。

（2）循环冗余校验 CRC

  • 通过多项式除法计算冗余码。
  • 检错能力强，广泛用于数据链路层（如以太网）。
  • 只能检错，不能纠错。

2. 纠错编码（你学到这里）

海明校验码

  • 既能检错，又能纠错（1位错可直接纠正）。
  • 核心思想：加入多个校验位，按分组校验，定位错误位置。

海明码基本规则

  1. 校验位 r 满足：2ʳ ≥ 数据位 + r + 1
  2. 校验位放在 2⁰、2¹、2²… 位置（1、2、4、8…）
  3. 每一位数据由多个校验位共同监督
  4. 按异或运算得到校正因子，判断是否出错
  5. 若只有1位错，可直接定位并纠正

特点

  • 可检测 2 位错误
  • 可纠正 1 位错误
  • 常用于对可靠性要求高的场景