通信与网络基础知识简记
一、通信信道带宽与最大传输速率
1.1带宽
在通信与网络领域中带宽定义有所不同，为避免混淆列表如下：
| 领域 | "带宽"含义 | 单位 |
|---|---|---|
| 通信工程 | 信道所能传输的频率范围宽度（如3 kHz、20 MHz） | Hz |
| 网络技术 | 数据传输速率（如100 Mbps） | bit/s |
1.2最大传输速率-信道无噪声
通信信道的最大信息传输速率，称为信道容量（Channel Capacity）。
在理论无噪声信道中，信道容量计算公式如下：
C = 2 B log 2 ( M ) C = 2B\log_2(M) C=2Blog2(M)
公式中C为容量，B为带宽，M为信号状态数------每个符号能携带多少信息量。
上述公式的核心在于奈奎斯特采样定理，即在带宽为BHz的理想无噪声信道中，每秒最多可以无失真地传输2B个独立符号。
1.3最大传输速率-信道有噪声
考虑信道有噪声的情况下，信道最大传输速率可使用香农公式计算：
C = B log 2 ( 1 + S N ) C = B\log_2(1 + \frac{S}{N}) C=Blog2(1+NS)
公式中C为容量，B为带宽，S为信号功率，N为噪声功率。
如果将S/N替换为以dB为单位的信噪比，那么公式变形如下：
C = B log 2 ( 1 + 10 S N R 10 ) C = B\log_2(1 + 10^\frac{SNR}{10}) C=Blog2(1+1010SNR)
上述两个公式变换的关键为SNR计算公式，如下：
S N R = 10 lg ( S N ) SNR = 10\lg(\frac{S}{N}) SNR=10lg(NS)
二、三种通信方式(单工双工)
2.1通信方式分类及定义
数据传输的三种通信方式为单工、半双工与双工，定义及特点如下表：
| 通信方式 | 定义 | 例子 |
|---|---|---|
| 单工（Simplex） | 数据只能单向传输 | 例如广播、电台发射 |
| 半双工（Half Duplex） | 数据可以双向传输，但同一时刻只能一个方向 | 例如对讲机 |
| 全双工（Full Duplex） | 数据可以同时双向传输 | 例如电话通信 |
2.2所需信道数量
信道是指信息的运载通道，可分为物理信道和逻辑信道。
物理信道指实际的传输介质，分为有线和无线，如一根光纤、一对双绞线、一个无线频段。
逻辑信道：指以物理信道为载体建立的虚拟的方向性的数据流通道（例如上行、下行）。
单工因为数据单向传输，所以只需要1条物理信道与1条逻辑信道。
半双工需要1条物理信道（因为同一根线不同时传输），因为要双向传输所以有2条逻辑信道：发送方向、接收方向，但这两条逻辑信道不能同时使用。
全双工要求同时双向通信，所以需要2条逻辑信道，需要物理信道的数量视情况而定：
| 实现方式 | 所需物理信道 | 说明 |
|---|---|---|
| 双工电缆方式 | 2 条 | 一根负责发送，一根负责接收 |
| 频分双工（FDD） | 1 条 | 在同一介质上，用不同频率通道分别传输上/下行信号 |
| 时分双工（TDD） | 1 条 | 同一物理信道按时间片分割，实现双向通信（严格来说属于伪全双工） |
三、OSI七层模型与TCP四层模型
3.1OSI七层模型
OSI(Open System Interconnection，开放式通信互联) 是由 ISO(International Organization for Standardization，国际标准化组织) 制定的标准模型。
将网络通信共分为七层模型，从底层到高层依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层及应用层。
| 模型层 | 说明 |
|---|---|
| 物理层 | 为整个网络提供最基础的物理连接，传输的数据单位为比特 |
| 数据链路层 | 在两个相邻节点传输帧数据，传输的数据单位为帧 |
| 网络层 | 将数据链路层的帧数据组成数据包，提供路由功能，传输的数据单位为数据包 |
| 传输层 | 数据分段与重组，提供端口到端口的数据传输服务，传输的数据单位为报文或段 |
| 会话层 | 建立、管理和终止会话，传输的数据单位为报文或消息 |
| 表示层 | 数据格式转换和加密解密 |
| 应用层 | 提供面向用户服务的接口 |
3.2TCP/IP四层模型
由于OSI七层模型划分过细导致复杂度增加，使用并不广泛，广泛使用的是TCP/IP四层模型。
TCP/IP网络体系结构将网络共分为四层，从底层到高层依次为网络接口层、网络层、传输层及应用层。
其中网络接口层合并了OSI的物理层与数据链路层，网络层和传输层与OSI对应的层一致，应用层则合并了OSI的会话层、表示层和应用层。
四、网络传输介质与网络设备
4.1传输介质
传输介质可分为有线介质和无线介质，有线介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤等。
无线介质主要有微波、红外线和激光、卫星等。
4.1.1同轴电缆
同轴电缆(Coaxial Cable)是一种电线及信号传输线，一般是由四层物料组成：最内里是单股或多股导电铜线，线的外面有一层塑胶（作绝缘体、电介质之用）围拢，绝缘体外面又有一层薄的网状导电体（一般为铜或合金）作为屏蔽层，最外层采用绝缘物料作为外皮。
"同轴"体现在最内层的导线与第三层的网状导电体是同轴的。
同轴电缆可分为两种基本类型，基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆用于传输数字信号，宽带同轴电缆用于传输模拟信号。
同轴电缆并不常用于计算机连接，而是多用于有线电视信号传播。
4.1.2双绞线
4.1.2.1简介
双绞线（Twisted Pair，TP）是一种网络布线最常用的传输介质，是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低信号干扰的程度。
日常生活中所说的网线就是指双绞线。
根据有无屏蔽层，双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）与非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。屏蔽双绞线分为STP和FTP（Foil Twisted-Pair），STP指每条线都有各自的屏蔽层，而FTP只在整个电缆有屏蔽装置。
非屏蔽与屏蔽如下图所示：
4.1.2.2五类与六类线区别
双绞线常见的有三类线，五类线（CAT5）和超五类线（CAT5e），以及六类线（CAT6），主要区别如下表：
| 类别 | 理论最大传输速率 |
|---|---|
| CAT5 | 100Mbps |
| CAT5e | 1GMbps |
| CAT6 | 10Gbps |
超五类比五类的线芯直径略粗，但水晶头可通用，水晶头八个孔排列整齐，在一条水平线上。
而六类线线芯直径要更粗，水晶头与超五类的不能通用，水晶头上下交错，高低间隔。
4.1.3光纤
光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是"光的全反射"。
光纤宽带就是把要传送的数据由电信号转换为光信号进行通讯。在光纤的两端分别都装有光猫进行信号转换。
光纤是宽带网络中多种传输媒介中最理想的一种，它的特点是传输容量大，传输质量好，损耗小，中继距离长等。
4.2网络设备
网络设备主要有交换机与路由器等。下面分别进行介绍。
4.2.1交换机
交换机通常工作在OSI七层模型中的第二层------数据链路层，工作在第二层的交换机可称为二层交换机，它的工作内容是根据MAC地址学习表（MAC Address Table）进行帧转发或广播。
工作流程如下：
- 交换机收到一个数据帧时，会读取其源MAC地址和目的MAC地址，将源地址和接入的端口对应关系记录到 MAC表；
- 查找目的MAC是否在表中，如果在则将帧转发到对应端口，如果不在则广播到除源端口外的所有端口；
- 当主机表项长时间未被使用时，会被老化删除。
二层交换设备不理解IP地址，只处理MAC地址。
交换机也可工作在第三层，即网络层，此时称为三层交换机。
它通过IP地址进行数据包转发，即执行路由器的功能，但路由功能基于硬件实现，速度比传统路由器高很多。
二层交换机与三层交换机对比如下表：
| 比项 | 二层交换机 | 三层交换机 |
|---|---|---|
| 工作层次 | 数据链路层 | 网络层（兼容二层） |
| 转发依据 | MAC地址 | IP地址（+MAC） |
| 是否支持跨网段 | 否 | 是 |
| 路由功能 | 无 | 有（硬件实现） |
| 性能 | 延迟最低 | 略高，但仍快于路由器 |
| 网络结构中典型位置 | 接入层 | 汇聚层 / 核心层 |
4.2.2路由器
路由器工作在OSI第三层，即网络层，主要工作内容是根据路由表转发数据包。
路由器与三层交换机对比如下：
| 对比项 | 三层交换机 | 路由器 |
|---|---|---|
| 核心实现 | 基于 ASIC 芯片实现路由转发（硬件实现） | 基于 CPU 执行软件路由（软件实现） |
| 转发机制 | "一次路由，多次交换"：首包查表，后续走硬件路径 | 每个包都进行路由查表与处理 |
| 数据流路径 | Fast Path（硬件加速） | Slow Path（CPU路径） |
| 性能特点 | 吞吐量高、延迟极低 | 功能灵活但速度相对慢 |
| 应用场景 | 不同部门（VLAN）互通，数据中心汇聚层或核心层 | 连接不同网络（如LAN与WAN） |
五、常见的网络协议
5.1网络协议所属的网络模型层
常见的网络协议所属的网络模型层如下表：
| 网络协议 | 功能 | 所属OSI层 | 所属TCP/IP层 |
|---|---|---|---|
| 以太网协议、WiFi协议等 | ------ | 数据链路层 | 网络接口层 |
| IP（Internet Protocol） | 提供无连接、不可靠的数据传送 | 网络层 | 网络层 |
| ICMP协议（Internet Control Message Protocol） | 用于发送差错报文 | 网络层 | 网络层 |
| IGMP协议（Internet Group Management Protocol） | 用于主机和组播路由器间通信 | 网络层 | 网络层 |
| ARP协议（Address Resolution Protocol） | 将IP地址转换为MAC地址 | 网络层 | 网络层 |
| TCP协议（Transmission Control Protocol） | 提供可靠的、面向连接的数据传输服务 | 传输层 | 传输层 |
| UDP协议（User Datagram Protocol） | 提供不可靠、无连接的数据传输服务 | 传输层 | 传输层 |
| HTTP、HTTPS、REST | Web服务协议 | 应用层 | 应用层 |
| FTP、SFTP、NFS、SMB | 文件传输协议 | 应用层 | 应用层 |
| SMTP、POP3、IMAP | 邮件协议 | 应用层 | 应用层 |
| SSH、Telnet、RDP | 远程访问协议 | 应用层 | 应用层 |
| DNS | 域名解析 | 应用层 | 应用层 |
| DHCP | 动态分配IP地址 | 应用层 | 应用层 |
5.2网络协议使用端口
常见的网络协议使用端口如下表：
| 网络协议 | 端口 |
|---|---|
| FTP | 20（传输文件），21（传输参数） |
| Telnet，远程登录 | 23 |
| SMTP，邮件发送 | 25 |
| DNS域名服务 | 53 |
| DHCP | 67、68 |
| HTTP，超文本传输 | 80 |
| POP3，邮件接收 | 110 |
| IMAP，交互式邮件存取 | 143 |
| HTTPS | 443 |