計算機網絡

計算機網絡體系結構(Overview)

計算機網絡是計算和通訊技術的一種融合昵济。計算機已將計算捐迫、通訊和控制(Computing, Communication and Control)三位一體葫笼，它不再僅僅是一個計算工具贤重，更是一個通訊和控制的平臺飞蛹。

計算機網絡發(fā)展歷史

計算機網絡

• 第一代：遠程終端連接
• 第二代：計算機網絡(局域網)
• 第三代：網絡互連(廣域網漾肮，Internet)
• 第四代：信息高速公路

互聯(lián)網基礎結構發(fā)展的三個階段

• 第一階段：ARPANET(當時只是單個的分組交換網)向互連網發(fā)展的過程厂抖。
• 第二階段：建成了三級結構的互聯(lián)網
• 第三階段：形成了多層次的ISP結構的互聯(lián)網

計算機發(fā)展過程中的四個定律

• 硬件發(fā)展的摩爾定律：每18個月CPU的處理速度就會加倍
• 貝爾定律：如果保持性能不變，每18個月器件的價格或者體積就會減半
• 計算和帶寬效應的麥特卡夫定律：有更多的用戶上網克懊，所以這個“網”創(chuàng)造的價值越來越大
• 吉爾德定律預測：在未來的25年忱辅，主干網的帶寬將每6個月增加1倍。其增長速度超過摩爾定律預測的CPU增長速度的三倍谭溉。

計算機網絡和因特網的概念及其應用

三網融合：電信網絡墙懂、有線電視網、計算機網絡夜只。三網融合不是三大網絡的物理合一垒在，而主要指高層業(yè)務應用的融合遭笋。四網融合再加上電網呈枉，電力光纖入戶。

互連網：把多個網絡通過路由器連接在一起湾揽。

計算機網絡：是通過同一種技術相互連接起來的一組自主計算機的集合旅挤。

Internet是一種計算機網絡踢关，是由多個網絡構成的網絡。Internet也是全球唯一的粘茄、使用TCP/IP協(xié)議的由計算機網絡互聯(lián)構成的開放的計算機網絡签舞。

Web是運行在Internet之上的一個分布式系統(tǒng)。

Internet只是互連網中最大的一個柒瓣，但并不是全球唯一的互連網絡儒搭，例如在歐洲，跨國的互聯(lián)網絡就有“歐盟網”（Euronet）,“歐洲學術與研究網”（EARN）芙贫，“歐洲信息網”（EIN）搂鲫，在美國還有“國際學術網”（BITNET），世界范圍的還有“飛多網”（全球性的BBS系統(tǒng)）等磺平。

應用：電子商務魂仍、電子政務、遠程醫(yī)療拣挪、開放教育擦酌、網絡戰(zhàn)爭等

計算機網絡的組成

物理結構上看：

計算機系統(tǒng)(用戶端設備)、數(shù)據通信系統(tǒng)(傳輸/交換設備和鏈路)菠劝、網絡軟件

• 終端設備：主機(host)赊舶、端系統(tǒng)
• 通信鏈路：電纜、光纖、無線锯岖、衛(wèi)星……
• 交換設備：路由器(轉發(fā)數(shù)據包)

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工作方式(邏輯)上看：

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邊緣部分(端系統(tǒng))：由所有連接在Internet上的主機組成介袜。這部分是用戶直接使用的
* 端系統(tǒng)中運行的程序間的通信方式：Client/Server(發(fā)送郵件、查閱資料)出吹、Peer-to-Peer(比如QQ聊天遇伞、迅雷下載、在線影視等)
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核心部分：由大量的網絡和連接這些網絡的路由器組成捶牢。這部分是為邊緣部分提供服務的鸠珠。

交換：把一條一條的電話線轉接到另一條電話線，使他們連通起來秋麸。從通信資源的分配角度來看渐排，就是按照某種方式動態(tài)的分配傳輸線路的資源。

• 電路交換(面向連接)：電話網為代表灸蟆，每次呼叫采用固定路徑驯耻。
  • 必須經歷建立連接->通話->釋放連接三個步驟。
  • 通話的全部時間內炒考，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源可缚。
  • 連接方式
    • 兩部電話機：一對電線
    • N部電話機，無交換需N(N-1)/2
    • 使用交換機：電話機數(shù)量增多時使用交換機完成全網的交換任務
• 報文交換：整個報文先傳送到相鄰結點斋枢，全部存儲下來后查找轉發(fā)表帘靡，轉發(fā)到下一個結點。
• 報文交換：完整的報文以存儲轉發(fā)的方式從源節(jié)點發(fā)送到目的節(jié)點瓤帚。
• 分組交換(存儲轉發(fā))：因特網為代表描姚，每個數(shù)據包單獨選擇路由傳輸。
  • 在發(fā)送端把一個報文(要發(fā)送的整塊數(shù)據message)劃分為一個個等長的數(shù)據段
    • 在每一個數(shù)據段前面加上首部header之后構成分組(packet戈次，也叫包)轩勘。
    • 依次把各分組發(fā)送到接收端
    • 接收端收到分組后剝去首部還原成報文
  • 路由器的處理過程
    1. 把收到的分組放入緩存
    2. 查找轉發(fā)表，找到某個目的地址對應從哪個端口轉發(fā)
    3. 把分組送到適當?shù)亩丝谵D發(fā)出去
  • 優(yōu)點
    • 高效：動態(tài)分配傳輸帶寬怯邪，對通信鏈路逐段占用
    • 靈活：以分組為傳送代為查找路由
    • 迅速：不必先建立連接就能想其他主機發(fā)送分組
    • 可靠：保證可靠性的網絡協(xié)議赃阀，分布式的路由選擇協(xié)議有很好的生存性
  • 問題
    • 分組在各節(jié)點存儲轉發(fā)時需要排隊，會造成一定的時延
    • 分組必須攜帶的首部也帶來一定的開銷

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從功能結構上看

• 通信子網：網絡中實現(xiàn)網絡通信功能的設備及軟件的集合
  • 通信設備
  • 通信協(xié)議
  • 通信控制軟件等
• 資源子網：網絡中實現(xiàn)資源共享功能的設備及軟件的集合
  • 網絡的服務器
  • 用戶計算機
  • 網絡打印機等

計算機網絡分類

按照網絡的作用范圍

• 廣域網(Wide Area Network)

  • 覆蓋范圍通常為幾十到幾千公里擎颖，一個國家、地區(qū)观游，或幾個洲搂捧，也稱遠程網。
  • 組成
    • 主機
    • 通信子網：通信線路連接交換節(jié)點懂缕，往往是電信部門提供的公共通信網允跑。
  • 一般是點到點，一條通信線路只連接一對結點，一端的節(jié)點發(fā)送的數(shù)據只有唯一的另一端節(jié)點接收聋丝。分組從源結點經網絡傳送到目的結點要經過多個中間節(jié)點索烹。
  • 多使用分組交換技術，數(shù)據分隔為若干個包弱睦，通過存儲轉發(fā)的方式逐個結點轉發(fā)過去百姓。
  • 連接廣域網各節(jié)點交換機的鏈路一般都是高速鏈路，具有較大的通信容量况木。

• 局域網(Local Area Network)

  • 地理上局限在較小的范圍
  • 一般用微信計算機或工作站通過高速通信線路相連
  • 連接速率高垒拢，目前可達10Gbps——萬兆以太網

• 城域網(Metropolitan Area Network)：幾個街區(qū)或一個城市。

  • 作用距離為5~50km火惊，規(guī)模介于LAN和WAN之間求类。
  • 公共網絡性質，面向多用戶提供數(shù)據屹耐、語音尸疆、圖像等多業(yè)務的傳輸服務
  • 最著名的城域網的例子是有線電視網。
    • 有線電視網絡上傳輸?shù)氖悄M信號惶岭；一個信道分成若干個頻段寿弱，播放不同的電視頻道節(jié)目。
    • 數(shù)據通信則網絡要改造成雙向的
  • LAN功能的不斷提高和WAN技術的發(fā)展俗他，他們都廣泛的滲透和應用到MAN領域
    • LAN的滲透：迅速發(fā)展的以太網技術從LAN擴展到MAN領域脖捻。千兆位、萬兆位以太網是MAN可以使用的技術兆衅。
    • WAN的滲透：WAN中使用的同步光纖網\同步數(shù)字分級結構SONET\SDH地沮，波分多路復用WDM和異步傳輸模式ATM技術以及LAN中的光纖分布數(shù)據結構FDDI技術也都是MAN常常選用的技術。

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• 個人區(qū)域網PAN(Personal Area Network)：個人工作的地方屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來的網絡羡亩，也叫無線個人區(qū)域網WPAN(Wireless PAN)摩疑。

WAN與LAN的比較

1. LAN只有物理層和數(shù)據鏈路層，重點是數(shù)據鏈路層如何解決共享信道的多點接入控制畏铆，而WAN通信協(xié)議結構還要加上網絡層雷袋，重點是網絡層，除了上述的分組轉發(fā)外辞居，還有路由選擇問題楷怒。
2. LAN的網絡拓撲一般比較單純規(guī)整；而WAN比較復雜瓦灶，多為網狀和樹形或者他們的混合鸠删。
3. WAN常采用多路復用技術，提高傳輸線路的利用率贼陶；LAN不使用刃泡。

按傳輸技術分

• 廣播式網絡：LAN巧娱、WAN中的無線，衛(wèi)星通信網
• 點對點網絡：是否使用分組存儲轉發(fā)與路由選擇機制是它與廣播式網絡的區(qū)別

按拓撲結構分

拓撲結構：計算機網絡中各種設備通過傳輸介質互相連接烘贴，形成的物理布局禁添。
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• 星型
  • 簡單延遲小
  • 成本高
  • 中心節(jié)點對故障敏感
• 總線型
  • 簡單，節(jié)省線路
  • 重負載效率低
• 環(huán)形
• 網狀
  • 可靠性高
  • 復雜

按使用者分

• 公用網：電信公司出資建造的大型網絡桨踪，所有愿意按電信公司的規(guī)定繳納費用的人都可以使用這種網絡老翘。
• 專用網：為滿足某個部門或單位特殊業(yè)務工作的需要而建造的網絡。

網絡接入方式

局域網接入

1. 局域網通過路由器連接到Internet馒闷，LAN用戶通過雙絞線連接電腦網卡和交換機/路由器接口酪捡，即可通過局域網接入Internet。
2. 小區(qū)寬帶接入：FTTx+LAN纳账，實現(xiàn)千兆到小區(qū)(大樓)中心交換機逛薇，中心交換機和樓道交換機以百兆光纖或五類雙絞線相連，樓道內采用綜合布線疏虫，實現(xiàn)不同速率寬帶接入永罚，提供高速局域網以及互聯(lián)網絡服務。

| 英文簡稱 | 全拼 | 翻譯 |
| :-------- | ----:----| :------: |
| FTTC | Fiber To The Curb | 光纖到路邊 |
| FTTZ | Fiber To The Zone | 光纖到小區(qū) |
| FTTB | Fiber To The Building | 光纖到大樓 |
| FTTH | Fiber To The Home| 光纖到家庭 |
| FTTD | Fiber To The Desktop | 光纖到桌面 |
| FTTP | Fiber To The Premise | 光纖到所在地 |

電話撥號接入

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• 窄帶接入方式：經過調制解調器和普通模擬電話線與公用交換電話網連接卧秘。速率不超過56Kbps
• 經過專用終端設備和數(shù)字電話線呢袱，與綜合業(yè)務數(shù)字網(Integrated Service Digital Network,ISDN)連接。

數(shù)字用戶線路(Digital Subscriber Line,DSL)接入

基于普通電話線的寬帶技術翅敌，在同一銅線上分別傳送數(shù)據和語音信號羞福，數(shù)據信號并不通過電話交換機設備，并且不需要撥號蚯涮，一直在線治专，屬于專線上網方式。DSL包括非對稱數(shù)字用戶線路ADSL(Asymmetric DSL, 下行速率8Mb/s遭顶，上行速率1Mb/s)张峰、速率自適應數(shù)字用戶線路RADSL(Rate Automatic DSL)、高速率數(shù)字用戶線路HDSL(High-speed DSL)棒旗、高速數(shù)字用戶線路VDSL(Very-high-bit-rate DSL,最大下行速率55Mbps喘批，上行速率19.2Mbps)

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有線電視的線纜接入

• 基于有線電視的線纜調制調節(jié)器(Cable Modem)接入方式可達到下行8Mb/s、上行2Mb/s的高速率接入铣揉。
• 基于有線電視網絡的高速互聯(lián)網接入系統(tǒng)有兩種信號上行信號傳送方式
  • 通過CATV(Community Antenna Television)網絡本身采用上下行信號分頻技術來實現(xiàn)
  • 通過CATV網傳送下行信號饶深，通過普通電話線路傳送上行信號

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光纖接入(OAN: Optical Access Network)

• 光纖傳輸技術：本地交換局和用戶之間全部或部分采用光纖傳輸通信系統(tǒng)
• 光纖到戶FTTH方式將光網絡單元(ONU)安裝在用戶處
• 光纖具有寬帶、遠距離傳輸能力強逛拱、保密性好粥喜、抗干擾能力強等優(yōu)點，是未來接入網的主要實現(xiàn)技術

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WLAN無線局域網接入

• 使用無線射頻(RF)技術越空收發(fā)數(shù)據橘券，減少使用的電線連接
• 一般作為已存在有線網絡的一個補充方式，裝有無線網卡的計算機通過無線手段方便接入互聯(lián)網
• WIFI(Wireless Fidelity): IEEE 802.11

無線網接入

• Bluetooth：短距離的無線通訊技術
• WiMax：寬帶無線接入
• 2.5G移動通信技術：通過GPRS(General Packet Radio System)或CDMA(Code-Division Multiple Access)接入
• 3G：將無線通信與國際互聯(lián)網等多媒體通信結合的新一代移動通信系統(tǒng)
• 4G第四代移動通信技術：3G與WLAN于一體

衛(wèi)星接入

• 利用寬帶衛(wèi)星的雙向傳輸
• 利用衛(wèi)星的高速下載和地面反饋的外交互方式

小結

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計算機網絡標準化工作組織

• Internet標準以RFC(Request For Comments)文檔形式發(fā)布
• ISO：OSI七層協(xié)議
• ITU(國際電信聯(lián)盟)：遠程通信標準
• IEEE:802標準

ISP和骨干網

ISP(Internet Service Provider)：進行商業(yè)活動的公司，用戶付費享受相應的互聯(lián)網服務旁舰。

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骨干網：把城市之間連接起來的網锋华，是國家批準可以直接和國外連接的互聯(lián)網。其他有接入功能的ISP通過骨干網連到國外箭窜。

計算機網絡的性能指標

1. 速率：連接在計算機網絡上的主機在數(shù)字信道上傳輸數(shù)據的速率毯焕，單位為b/s,Kb/s,Mb/s,Gb/s等，往往指額定速率或標稱速率
2. 帶寬(Bandwidth)：本來信號具有的頻帶寬度磺樱，單位Hz∧擅ǎ現(xiàn)在為數(shù)字信道所能傳送的最高數(shù)據率，單位是b/s竹捉。
   • 數(shù)字信號流隨時間的變化：在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄

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3. 時延(Delay或Latency)
   4. 發(fā)送時延(Transmission Delay)：發(fā)送數(shù)據時芜辕，數(shù)據塊從節(jié)點進入到傳輸媒體所需的時間。從發(fā)送數(shù)據幀的第一個比特算起块差，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間侵续。發(fā)送時延=數(shù)據塊長度/信道帶寬
   5. 傳播時延(Propagation Delay)：電磁波在信道中在信道中傳播一定的距離需要花費的時間。傳播時延=信道長度/電磁波在新島上的傳播速率
   6. 處理時延：交換節(jié)點為存儲轉發(fā)而進行的一些必要的處理所花費的時間
   7. 排隊時延：節(jié)點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延憨闰。
   8. 總時延=發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延
   9. 對于高速網絡鏈路状蜗，我們提高的僅僅是數(shù)據的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。提高發(fā)送速率僅僅減少的是發(fā)送時延鹉动。
   10. “光纖信道的傳輸速率高”其實是指以很高的速率向光纖信道發(fā)送數(shù)據轧坎，而光纖的傳播速率實際上比銅線還要低。

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4. 吞吐量(Throughput)：單位時間能夠成功傳輸?shù)臄?shù)據量(瞬間泽示、平均)缸血，單位bps

   • 通信鏈路的帶寬一般是指鏈路上每秒所能傳送的比特數(shù)，以太網的帶寬是10Mbps
   • 吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率性質边琉。受各種低效率因素的影響属百，一段帶寬為10Mbps的鏈路連接的一對節(jié)點可能只打到2Mbps的吞吐量。

5. 時延帶寬積=傳播時延 * 帶寬变姨。就相當于信道的體積族扰。

6. 往返時間(Round-Trip Time)：比如A向B發(fā)送數(shù)據，B確認后向A發(fā)送確認數(shù)據定欧，A在收到之后才能繼續(xù)向B發(fā)送時間渔呵。比起上面四種時延再加上確認時間RTT。

7. 利用率

   • 信道利用率：某信道有百分之幾的時間是被利用的砍鸠。
   • 網絡利用率：全網絡的信道利用率的加權平均值扩氢。
   • 網絡當前時延D=網絡空閑時延D0/(1-利用率U) 信道或網絡的利用率過高會產生非常大的時延。

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計算機網絡分層結構

協(xié)議與劃分層次

協(xié)議定義了在兩個或多個通信實體之間交換的報文格式和次序爷辱，以及在報文傳輸和接收或其他時間方面所采取的動作录豺。使用網絡的應用程序并不直接同網絡硬件打交道朦肘，而是與按給定規(guī)則進行通信的協(xié)議軟件打交道。

• 協(xié)議三要素
  • 語法：數(shù)據與控制信息的結構或格式
  • 語義：需要發(fā)出何種控制信息双饥，完成何種動作以及做出何種響應
  • 同步：事件實現(xiàn)順序的詳細說明

計算機網絡的體系結構就是這個計算機網絡及其構建所應完成的功能的精確定義(各層及其協(xié)議的集合)媒抠。

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分層的優(yōu)點：

• 各層之間是獨立的。僅僅需要知道他的下一層借口所提供的服務咏花，各層的服務也都不同趴生。
• 靈活性好。當任何一層變活不會影響其他層昏翰。
• 結構上可分割開苍匆。
• 易于實現(xiàn)和維護
• 能促進標準化工作

OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model)參考模型

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法律上的國際標準。

TCP/IP協(xié)議棧：事實上的國際標準

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TCP/IP是一個四層協(xié)議棚菊，但實際上最下層的網絡接口層并沒有什么具體內容浸踩。因此在學習網絡時綜合OSI和TCP/IP的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結構窍株，既簡潔又能將概念闡述清楚民轴。

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IP Over Everything：TCP/IP協(xié)議允許IP協(xié)議在各式各樣的網絡構成的互聯(lián)網上運行
Everything Over IP：TCP/IP協(xié)議可以為各式各樣的應用提供服務

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• 目標協(xié)議軟件按層次組織
• 每臺計算機上的協(xié)議軟件被分成許多模塊，每個模塊對應一層
• 分層決定了模塊間的相互作用球订，當協(xié)議軟件發(fā)送或接受數(shù)據時后裸，每個模塊只與它緊鄰的上下層模塊通信。
• 送出的數(shù)據向下冒滩，接受的數(shù)據向上
• 封裝：對某層實體來說微驶，需要在上層數(shù)據之前增加一些控制信息，然后傳送給同層的對等實體因苹。

實體(Entity)：任何可發(fā)送或接受信息的硬件或軟件進程
協(xié)議是水平的：控制兩個對等實體(peer entity)進行通信的規(guī)則的集合
服務是垂直的：服務是由下層向上層通過層間接口提供的。
在協(xié)議的控制下扶檐，兩個對等實體間的通信使本層能夠向上一層提供服務。本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議款筑。

服務訪問點SAP(Service Access Point)：同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方。
服務原語：相鄰兩層實體之間交互的語言或命令

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協(xié)議必須把所有不利的條件事先都估計到奈梳，不能假定一切都是正常和理想的∪列耄看一個計算機網絡協(xié)議是否正確，必須仔細檢查這個協(xié)議能否應付各種異常情況殴泰。

教學中使用的混合模型

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• 應用層(Application layer)

  • 任務：通過應用進程間的交互來完成網絡應用于宙。
  • 協(xié)議：定義應用進程間通信和交互的規(guī)則
  • 常見協(xié)議：DNS HTTP SMTP等
  • 數(shù)據單元：報文(Message)

• 運輸層(transport layer)

  • 任務：向兩臺主機中進程之間的通信提供通用的數(shù)據傳輸服務(通用的意思是多種應用可以使用同一個運輸層服務)
  • 復用：多個應用層進程可同時使用下面運輸層的服務
  • 分用：運輸層把收到的信息分別交付給應用層中的相應進程
  • 協(xié)議：
    • 傳輸控制協(xié)議TCP(Transmission Control Protocol)：提供面向連接浮驳、可靠的數(shù)據傳輸服務，數(shù)據單位為報文段(Segment)
    • 用戶數(shù)據報協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)：提供無連接的限煞、盡最大努力的數(shù)據傳輸服務抹恳，數(shù)據單位為用戶數(shù)據報(Datagram)

• 網絡層(network layer)

  • 任務：為分組交換網上的不同主機提供通信服務。
  • 數(shù)據單位：把運輸層產生的segment或datagram封裝成pocket或package進行傳送署驻。分組也叫IP數(shù)據報。
  • 協(xié)議：IP(Internet Protocol)協(xié)議

• 數(shù)據鏈路層(data link layer)

  • 任務：在兩個相鄰結點之間傳送數(shù)據時健霹，數(shù)據鏈路層將網絡層交下來的IP數(shù)據報組裝成幀旺上，在兩個相鄰節(jié)點之間傳送幀。
  • 數(shù)據單位：幀(frame)糖埋，包含數(shù)據和必要的控制信息(差錯控制宣吱、同步信息、地址信息等)

• 物理層(physical layer)

  • 數(shù)據單位：bit
  • 任務：考慮用多大的電壓代表0或1以及接收方如何識別出所發(fā)送的比特瞳别。
  • 注：雙絞線征候、光纜、無線信道等傳遞信息所用的物理媒體不屬于物理層祟敛。

圖片很多上傳失敗了疤坝。原文/github版原文