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一、数据传输基础：从信号到帧

1.1 数据通信的基本模型

计算机网络的数据传输遵循OSI七层模型或TCP/IP四层模型，其核心流程包括：

信号编码：数字数据（0/1）转换为电信号、光信号或电磁波（如Wi-Fi）。基带传输（如以太网）：直接传输数字信号。宽带传输（如ADSL）：通过调制（QAM、OFDM）在模拟信道上传输。

帧封装：数据被分割为帧（Frame），添加头部（源/目标地址）和尾部（校验码）。MTU（最大传输单元）：以太网默认1500字节，超过则分片。

1.2 传输介质与速率

有线介质：双绞线（Cat6支持10Gbps）光纤（单模光纤可达100Gbps）

无线介质：Wi-Fi 6（9.6Gbps，OFDMA技术）5G（毫米波频段1-10Gbps）

二、网络寻址：IP与MAC的协作

2.1 IP地址：逻辑寻址

IPv4 vs IPv6：IPv4（32位，如192.168.1.1）面临枯竭，NAT缓解地址压力。IPv6（128位，如2001:0db8::1）支持直接端到端通信。

子网划分：通过子网掩码（如255.255.255.0）分割网络，优化路由效率。

2.2 MAC地址：物理寻址

48位全局唯一标识（如00:1A:2B:3C:4D:5E），由网卡厂商分配。

ARP协议：将IP地址解析为MAC地址（如arp -a命令）。

2.3 路由与转发

路由表：路由器根据目标IP选择下一跳（如route print查看）。

默认网关：本地网络外的流量转发至路由器

三、差错控制：确保数据可靠传输

3.1 错误检测技术

奇偶校验：单比特错误检测（如偶校验：1的个数为偶数）。

校验和（Checksum）：TCP/IP头部使用，简单但可能漏检。

CRC（循环冗余校验）：以太网帧使用，多项式除法生成校验码，漏检率极低。

3.2 错误纠正技术

前向纠错（FEC）：通过冗余数据自动修复错误（如RS码）。

重传机制：TCP确认与重传：超时（RTO）或快速重传（3次重复ACK）。选择性重传（SACK）：仅重传丢失的片段。

3.3 流量控制与拥塞控制

滑动窗口协议：接收方通过窗口大小控制发送速率。

TCP拥塞控制：慢启动：指数增长窗口至阈值。拥塞避免：线性增长窗口。快速恢复：丢包后窗口减半。

四、典型协议分析

4.1 以太网（IEEE 802.3）

帧结构：

PlainText

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| 前导码 | 目标MAC | 源MAC | 类型 | 数据 | CRC |

CSMA/CD：载波监听多路访问/冲突检测（已淘汰，现代以太网全双工）。

4.2 IP协议

分片与重组：IP头部中的标识、片偏移、MF标志控制分片。

TTL（生存时间）：每经过一跳减1，防止环路。

4.3 TCP vs UDP

特性

TCP

UDP

可靠性

可靠（确认+重传）

不可靠

连接

面向连接（三次握手）

无连接

速度

慢（头部20字节）

快（头部8字节）

应用场景

HTTP、FTP

DNS、视频流

五、现代网络技术演进

5.1 软件定义网络（SDN）

控制面与数据面分离：OpenFlow协议集中管理路由策略。

用例：数据中心流量优化、5G核心网。

5.2 QUIC协议（HTTP/3基础）

基于UDP的可靠传输：减少握手延迟（0-RTT连接）。

多路复用：解决TCP队头阻塞问题。

5.3 时间敏感网络（TSN）

工业物联网需求：确定性低延迟（如自动驾驶）。

关键技术：时间同步（IEEE 1588）、流量调度。

六、总结与核心要点

数据传输依赖信号编码、帧封装和介质选择。

寻址通过IP（逻辑）和MAC（物理）协同完成。

差错控制需结合检测（CRC）、纠正（FEC）和重传（TCP）。

未来趋势：SDN、QUIC、TSN将重塑网络架构。