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[网络协议]2021-11-7 计算机网络 183727

计算机网络

第一章概述

21世纪的一些重要特征是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。
三大类网络有：
- 电信网络：提供电话、电报及传真等服务；
- 有线电视网络：向用户传送各种电视节目；
- 计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据文件。
发展最快的并起到核心作用的是计算机网络

1.1 计算机网络的定义

计算机网络较好的定义

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互联而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。

这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
根据这个定义：
- 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机。
- 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用
  
  可编程的硬件表名这种硬件一定包含有中央处理机(CPU)

1.2 互联网概述

互联网具有两个重要基本特点
- 连通性：使上网用户之间都可以交换信息。
- 共享性：指资源共享，可以是信息共享、软件共享、硬件共享。
$I n t e r n e t$ 中文译名
- 因特网：全国科学技术名词审定委员会推荐的，但却长期未得到推广。
- 互联网：目前流行最广、事实上的标准译名。
  
  该译名能够体现出 $I n t e r n e t$ 最主要的特征：由数量极大地各种计算机网络互连起来。

1.2.1 网络的网络

计算机网络( $n e t w o r k$ ,简称为网络)

? 由若干结点( $n o d e$ )和连接这些结点的链路(link)组成。
互连网( $i n t e r n e t w o r k 或 i n t e r n e t$ )
- 可以通过路由器把网络互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称之为互连网。
- 网络的网络。
互联网( $I n t e r n e t$ )

? 专有名词，特指互连网的一个实现。

? 世界上最大的、覆盖全球的、大家正用的互连网。

$i n t e r n e t$ 和 $I n t e r n e t$ 的区别
- 以小写字母” $i$ “开始的 $i n t e r n e t$ (互连网)是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
- 以大写字母“ $I$ ”开始的 $I n t e r n e t$ (互联网或因特网)则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用 $T C P / I P$ 协议族作为通信的规则。

1.3 互联网的组成

两大块：
- 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。由用户直接使用，用来进行通信。
- 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

1.3.1 互联网的边缘部分

处在互联网边缘部分就是连接在互联网上点的主机。这些主机又称为端系统。
端系统在功能上可能有很大的差别
- 小的端系统可以是一台普通个人电脑，甚至是一个很小的网络摄像头。
- 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。
- 端系统的拥有者可以是个人，可以是一个单位，也可以是某个ISP.
"主机A和主机B进行通信"实际上是指：

“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。
端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：
- 客户-服务器方式（C/S方式）
  
  即 Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。
  - 客户（client）和服务器（server）都是通信中所涉及的两个应用进程。
  - 客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
  - 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
  - 服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的的服务。
- 对等方式（P2P 方式）
  
  即 Peer-to-Peer 方式，简称为 P2P 方式。
  - 对等连接是指两个主机正在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
  - 只要两个主机都运行了对等连接软件，它们就可以进行平等的、对等连接通信。
  - 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

1.3.2 互联网的核心部分

网络核心部分是互联网中最复杂的部分。
核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其它主机通信。
在核心部分起特殊作用的是路由器
- 路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
  1. 电路交换的主要特点
    - 这里，“交换”的含义就是转接，把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
    - 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输路线的资源。
    - 电路交换必须是面向连接的。
    - 电路交换分为三个阶段：
      - 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；
      - 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
      - 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路。
    - 缺点是：
      - 计算机数据具有突发性。
      - 这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%）。
  2. 分组交换的主要特点：
    - 分组交换采用存储转发技术。
    - 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
    - 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。
    - 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
    - 分组在互联网中独立地选择传输路径。
    - 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
互联网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在互联网的边缘部分。
互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。
主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。
在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
路由器处理分组的过程是：
- 把收到的分组先放入缓存；
- 查找转发表，找出到某个目的地址应该从哪个端口转发；
- 把分组送到适当的端口转发出去。
主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接受分组。
路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

分组交换带来的问题

分组在各结点存储转发时需要排队，这就造成一定的时延。
分组必须携带的首部也造成了一定的开销。
三种交换的比较：
- 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
- 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
- 由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同样具有更好的灵活性。

1.5 计算机网络的类别

计算机网络有多种类别。典型包括：
- 按照网络的作用范围分类
  - 广域网WAN：作用范围通常为几十到几千公里。
  - 域域网MAN：作用距离为5~50公里。
  - 局域网LAN：局限在较小范围1公里左右。
  - 个人区域网PAN：范围很小，大约在10米左右。
  若中央处理机之间的距离非常近（如仅1米的数量级甚至更小些），则一般接称之为多处理机系统，而不是称它为计算机网络。
- 按照网络的使用者分类
  - 公用网
    - 按规定缴纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网，
    - 先建设，后使用。
  - 专用网
    - 为特殊业务工作的需要而建造的网络。
    - 同期建设
    - 免费使用
- 用来把用户接入到互联网的网络
  - 接入网AN，它又称为本地接入网或居民接入网。
  - 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。
  - 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一种网络。
    - 从覆盖范围看，很多接入网属于局域网。
    - 从作用看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的桥梁作用
    - 从实现技术上看，接入网即有利用现有网络实现，也可专门建设实现。

1.6 计算机网络的性能指标

1.6.1 速率

比特（bit) 是计算机数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
速率是计算机网络中国最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，也称为数据率或比特率。
速率的单位是 bit/s .
速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

1.6.2 带宽

两种不同意义：

“带宽”本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫。
在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s。

在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，后者为时域称谓。其本质是一样的，也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

1.6.3 吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的数据量
吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

1.6.4 时延

时延是指数据从网络或链路的一端传到另一端所需的时间。
网络中的时延由以下几个部分组成
- 发送时延
- 传播时延
- 处理时延
- 排队时延
1. 发送时延
  - 也称为传输时延
  - 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需的时间
  - 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
2. 传播时延
  - 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间
  - 信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
3. 处理时延
  - 主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。
4. 排队时延
  - 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
5. 时延带宽积
  - 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
6. 往返时间RTT
  - 互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次的时间。
  - 往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。
  - 在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
  - 当时用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个性能指标。
7. 利用率
  - 分为信道利用率和网络利用率
  - 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的。完全空闲的信道的利用率是零。
  - 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
  - 信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

1.7 计算机网络的体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

1.7.2 协议与划分层次

计算机网络的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。
网络协议，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
网络协议的三个组成要素
- 语法：数据与控制信息的结构或格式。
- 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
- 同步：事件实现顺序的详细说明。
协议的两种形式
- 一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。
- 另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。
- 这两种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。
划分层次的概念举例
- 主机1向主机2通过网络发送文件。
- 可以将要做的工作进行如下的划分：
  - 第一类工作与传送文件直接有关。
    - 确信对方已做好接收和存储文件的准备。
    - 双方已协调一致的文件格式
  - 两个主机将文件传送模块作为最高的一层，剩下的工作由下面的模块负责。
层数多少要适当
- 层数太少，就会使每一层的协议太复杂。
- 层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。
各层完成的主要功能
- 1、差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
- 2、流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
- 3、分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
- 4、复用和分用：发送端几个高层会话复用一条底层的连接，在接收端再进行分用。
- 5、连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。
计算机网络的体系结构
- 计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。
- 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
- 实现是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。
- 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。
TCP/IP 是四层体系结构：应用层、传输层、网际层、网络接口层。
但最下面的网络接口层并没有具体内容。
因此往往采取折中的方法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。
主机1向主机2发送数据
- OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU。
- 任何两个同样层次把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”之间的通信。
- 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
要实现本层协议，还需要使用下层所提供的的服务。
协议和服务在概念上是不一样的
- 协议的实现保证了能够向上一层提供服务。
- 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。
- 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
- 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
- 上层使用服务原语获得下层所提供的的服务。
服务访问点
- 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP.
- 服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
- OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDUfont>。
- SDU可以与PDU不一样，可以是多个SDU合成一个PDU，也可以是一个SDU划分成几个PDU。
协议很复杂
- 协议必须把所有不利的条件事先都预估到，而不能假设一切都是正常的和非常理想的。
- 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况，还必须检查能否应付各种异常情况。font>

1.7.5 TCP/IP的体系结构

第二章物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程。
物理层的主要任务

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示意义。
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

常用术语
- 数据：运送消息的实体。
- 信号：数据的电气或电磁的表现。
  - 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：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
      - 码元，承载信息量的基本信号单位。
        从文字编码意义上讲，码元指参与文字编码的键位符号代码；包括数字代码、字母代码、笔画代码、形符代码等，如手机键盘的阿拉伯数字和笔画，电脑键盘的拉丁字母。
      - 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
      - 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为码元。而这个间隔被称为码元长度。
        当码元的离散状态M大于2时，称为M进制码元。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道：一般用来表示向某一个方向传来信息的媒体。
单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号：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。
调制：调制就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合信道传输波形的过程。
- 基带调制：即把数字信号变成另一种形式的数字信号。也叫编码。
- 载波调制，也叫带通调制：把基带信号的频率范围移到较高频段，并转换为模拟信号，以便更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号。

2.2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：
- 信道能够通过的频率范围
  - 结论
    - 在任何信道中，码元传输的速率都是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能
    - 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
  - 注意
- 信噪比
  - 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
  - 噪声是随机产生的，时大时小，影响接收端对码元的识别
  - 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 $S / N$ ，并用分贝（dB）作为度量单位。即** $信噪比（dB）=10\log_{10}(S/N)（dB）$ **

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介font>，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类：
- 导引型传输媒体，电磁波被导引沿着固体媒体传播
- 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

2.3.1 导引型传输媒体

双绞线
- 最常用的传输媒体
- 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。
- 屏蔽双绞线STP
  - 带金属屏蔽层
- 无屏蔽双绞线UTP
同轴电缆
- 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
- 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量
- 50 $\Omega$ 同轴电缆——LAN/数字传输常用
- 75 $\Omega$ 同轴电缆——有线电视/模拟传输常用
光缆
- 光缆是光纤通信的传输媒体。
- 由于可见光的频率非常高，约为 $10^8MHz$ 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
- 多模光纤与单模光纤
  - 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
  - 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射。
- 光纤优点
  - 通信容量非常大
  - 传输损耗小，中继距离长
  - 抗雷电和电磁干扰性能好
  - 无串音干扰，保密性好
  - 体积小，重量轻

2.3.2 非导引型传输媒体

将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
无线传输所使用的频段很广
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波通信的通信质量较差，传输速率低。
微波在空间主要是直线传播
传统微波通信有两种方式：地面微波接力通信、卫星通信。

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用、统计时分复用——频分复用(FDM)

频分复用（Frequency Division Multiplexing）是按频率分割多路信号的方法，即将信道的可用频带分成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中的一个频段。在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。
当采用频分复用技术时，所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用（Time Division Multiplexing）是将传输时间划分为若干个互不重叠的时隙，互相独立的多路信号顺序地占用各自的时隙，合路成为一个信号，在同一信道中传输。在接收端按同样规律把它们分开。
当采用时分复用时，所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度。
STDM的特点
- STDM不是固定分配时隙，而是按需分配时隙，可提高线路的利用率。
- 由于STDM帧中的时隙不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这将产生额外开销。
- 统计时分复用又称为异步时分复用。

2.4.2 波分复用（WDM）

2.4.3 码分复用（CDM）

常用的名词是码分多址CDMA（Code Division Multiple Access)。
码分复用是各用户使用经过特殊挑选的不同码型，在同样的时间使用同样的频带进行通信，但彼此不会干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
CDMA的原理
- 在CDMA中，每一个比特时间划分为 $m$ 个短的间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或者128，为简单假设 $m = 8$ ；
- 每个站被指派一个唯一的 $m$ bit码片序列
  - 如发送比特 1，则发送自己的 $m$ bit码片序列
  - 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制饭码
- 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须相互正交。
- 例如， $S$ 站的 8 bit码片序列是 $00011011$ 。
  - 发送比特1时，就发送序列 $00011011$
  - 发送比特0时，就发送序列 $11100100$
- 为了方便，接惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1， $S$ 站的码片序列： $(? 1 ? 1 ? 1 + 1 + 1 ? 1 + 1 + 1)$
- 若 $S$ 站信息发送率为 $b$ (bit/s)，则实际码元发送率为 $m b$ (bit/s)，同时 $S$ 站所占用的频带宽度也提高到原来的 $m$ ? 倍
- 码片序列的正交关系
  - 令向量 $S$ 表示站 $S$ 的码片向量， $T$ 表示其他任何站的码片向量，他们的长度都为 $m$ 个bit。
    - 两个不同的码片序列正交，指向量 $S$ 和 $T$ 的规格化内积都是 $0$ :
      $S\cdot{T}=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^mS_iT_i=0$
    - 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.
      $S\cdot{S}=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^mS_iS_i=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m(\pm1)^2=1$
    - 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1

2.5 数字传输系统

背景

光纤刚兴起时，适合高速率和大量重复低速率业务。
早期数字传输系统的主要缺点
- 速率标准不统一
- 不是同步传输
  - 节约经费
  - 之路信号的时钟有误差，造成时分复用和分用困难
$S D H / S O N E T$ 标准的作用
- 规定了波长为 $1310 n m$ 和 $1550 n m$ 的激光源
- 定义了物理层的帧结构
- 使北美、日本和欧洲在 $S T M ? 1$ 等级上统一了数据传输体制
- 成为数据传输体制上的首个世界标准
- 也适合微波和卫星的数据传输

2.6 宽带接入技术

2.6.1 xDST技术

$D S L$ 就是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写。而 $D S L$ 的前缀 x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。
$x D S L$ 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
$x D S L$ 技术就把 $04 k H z$ 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
$A D S L$ 的特点
- 上行和下行传输速率不一样
  - 上行指从用户到 $I S P$
  - 下行指从 $I S P$ 到用户
- $A D S L$ 在用户线的两端各安装一个 $A D S L$ 调制解调器
- 我国目前采用的方案是离散多音调 $D M T$ ?
- $D M T$ ? 调制技术采用频分复用的方法

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

$H F C$ 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 $C A T V$ 的基础上开发的一种局民宽带接入网。
$H F C$ 网除可传送 $C A T V$ 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
现有的 $C A T V$ 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。
$H F C$ 网的主干线路采用光纤
- $H F C$ 网将原 $C A T V$ 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤
- 在模拟光纤中采用光的振幅调制 $A M$ 这比使用数字光纤更为经济
- 模拟光纤从头端连接到光纤结点，即光分配结点。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
HFC网的特点
- 最大优点：具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
- 需要资金和时间。
- 在电信政策方面也有需要协调解决的问题。

2.6.3 FTTx 技术

第3章数据链路层

3.1 数据链路层的几个共同问题

3.1.1 数据链路和帧

链路（link）是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
- 一条链路只是一条通路的组成部分。
数据链路（data link）除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
- 如：适配器（即网卡）
- 适配器包括了数据链路层和物理层这两层的功能

3.1.2 三个基本问题

封装成帧
透明传输
差错控制

封装成帧
透明传输
- 解决方法：字节填充或字符填充
- 发送端的数据链路层正在数据中出现控制字符“SOH"或”EOT“的前面插入一个转义字符”ESC“（其十六进制编码是1B）
- 接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
- 如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符ESC.当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。
差错检测
- 在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 ，而 0 也可能变成 1 。
- 在一段时间内，传输错误的比特占所传输出比特总数的比率称为误码率
- 为了保证数据传输的可靠性，正在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
- 帧检验序列FCS
  - 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 $F C S$
  - 循环冗余检验 $C R C$ 和帧检验序列 $F C S$ 并不等同
    - $C R C$ 是一种常用的检错方法，而 $F C S$ 是添加在数据后面的冗余码
    - $F C S$ 可以用 $C R C$ 这种方法得出，但 $C R C$ 并非用来获得 $F C S$ 的唯一方法
  - (1)若得出的余数 $R = 0$ , 则判定这个帧没有差错，就接受
  - (2)若余数 $R\neq{0}$ , 则判定这个帧有差错，就丢弃。
  - 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
  - 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 $P$ ,那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。
    
    例如 $CRC-3=X^3+X^2+1=1101$
- CRC的检错能力
  - 所有的单比特错
    - 只要 $X^n$ 和 $X^0$ 项具有非零系数
  - 所有的双比特错
    - 只要 $P (X)$ 具有至少三个项的因数
  - 任何奇数位的错误
    - 只要 $P (X)$ 包含因子 $(x + 1)$
  - 长度小于 $n$ 比特的任何“突发”错误，及大于 $n$ 比特的大多数突发错误
- 应当注意
  - 仅使用循环冗余检验 $C R C$ 差错检测技术只能做到无差错接受
  - “无差错接受”是指：“凡是接受的帧，我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”
  - 也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
  - 要做到“可靠传输”就必须再加上确认和重传机制。

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

PPP协议应满足的需求
- 简单——这是首要的要求
- 封装成帧——必须规定特殊字符作为帧定界符
- 透明性——必须保证数据传输的透明性
- 多种网络层协议——能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
- 多种类型链路——能够在多种类型的链路上运行
- 差错检测——能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
- 检测连接状态——能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态
- 最大传送单元——必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性
- 网络层地址协商——必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络
只要 $P (X)$ 具有至少三个项的因数
- 任何奇数位的错误
  - 只要 $P (X)$ 包含因子 $(x + 1)$
- 长度小于 $n$ 比特的任何“突发”错误，及大于 $n$ 比特的大多数突发错误
- 应当注意
  - 仅使用循环冗余检验 $C R C$ 差错检测技术只能做到无差错接受
  - “无差错接受”是指：“凡是接受的帧，我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”
  - 也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
  - 要做到“可靠传输”就必须再加上确认和重传机制。

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

PPP协议应满足的需求
- 简单——这是首要的要求
- 封装成帧——必须规定特殊字符作为帧定界符
- 透明性——必须保证数据传输的透明性
- 多种网络层协议——能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
- 多种类型链路——能够在多种类型的链路上运行
- 差错检测——能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
- 检测连接状态——能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态
- 最大传送单元——必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性
- 网络层地址协商——必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络