5G基礎及計算機網絡參考模型
*一、5G技術指標及優點
1. 5G的八大技術指標：
| 指標名稱 | 時延 | 用戶體驗速率 | 峯值速率 | 流量密度 | 連接數密度 | 移動性 | 能效 | 頻譜效率 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4G | 10ms | 10Mbps | 1Gbps | 0.1Tbps/Km² | 10萬/Km² | 350Km/h | 1倍 | 1倍 |
| 5G | 1ms | 0.1-1Gbps | 20Gbps | 10Tbps/Km² | 100萬/Km² | 500Km/h | 100倍提升 | 3倍提升（某些場景5倍） |
流量密度：單位面積內的總流量數
連接數密度：單位面積內可以支持的在線設備總和
2. 5G的優點
相較於4G，5G具有高速率、低時延、大容量、高可靠、海量連接的特點。
二、5G的關鍵技術
1.動態自組織網絡（SON）:
動態自組織網絡（SON），指可自動協調相鄰小區、自動配置和自優化的網絡，以減少網絡干擾，提升網絡運行效率。在傳統蜂窩網絡架構下，終端必須通過基站和蜂窩網網關才能與目標端進行通信。在這種架構下，終端在獲得數據傳輸服務前必須首先選擇一個服務基站，與服務基站建立並保持連接。
在動態自組織網絡中，任何接入網節點，都具備數據存儲和轉發功能，動態自組網中的每個節點，都具備無線信號收發能方，並且每個節點，都可以與上一個或多個相鄰節點進行無線通信，整個自組網呈網狀結構。
在動態自組織網絡中，任何節點間（終端與終端、終端與基站、基站與基站等）均通過無線通信，無須任何佈線，並具有支持分佈式網絡的冗餘機制和重新路由功能。任何新節點（如終端或基站）的添加，只需要簡單的接上電源即可，節點可自動配置，並確定最佳多跳傳輸路徑。
2.軟件定義網絡（SDN）：
SDN—軟件定義網絡
SDN的核心思想—轉發和控制分離，從而實現網絡流量的靈活控制
SDN網絡的新角色—控制器
承上∶對上層應用提供網絡編程的接口
啓下∶對下提供對實際物理網絡網元的管理
3.NFV—網絡功能虛擬化
NFV的核心思想—軟件和專用硬件解耦，軟件與通用硬件聯姻
NFV的核心技術—虛擬化，把通用服務器的CPU、內存、IO等資源切片給多個虛擬機使用。把交換機路由器防火牆的功能作爲軟件應用運行在虛擬機裏來模擬它們的功能。通過openstack來進行管理和編排NFV帶來的網絡革命—網絡瘦身（專用硬件向通用硬件的轉化），業務帶寬隨需而動
4.SDN與NFV的深度融合
SDN是面向網絡架構的創新
NFV是面向設備形態的創新
SDNFVS使整個網絡可編程
三、5G面臨的挑戰
1.頻譜資源的挑戰
2.安全挑戰
■三大場景安全挑戰
● eMBB∶安全處理性能、二次認證、已知漏洞
● mMTC∶輕量化安全、海量連接信令風暴
●uRLLC∶低時延的安全算法、邊緣計算、隱私保護
■新架構安全挑戰
●SDN、NFV等新安全機制要適應虛擬化、雲化的需要
小結：
■移動通信歷程∶語音到數據、低帶寬到高帶寬
■5G技術指標∶中國的5G之花
■5G的三大應用場景∶eMBB、uRLLC、mMTC
■5G新技術∶Massive MIMO、SON、SDN等
■5G面臨的頻譜資源、新業務、安全等全新挑戰
四、OSI七層參考模型：
1.各層的功能：
應用層：網絡服務與最終用戶的一個接口
人機交互窗口，把人的語言輸入到計算機當中。例如，在Q的對話窗口輸入字符。
表示層：數據的表示、安全、壓縮
將接收到的數據翻譯成二進制數組成的計算機語言，並對數據進行壓縮和解壓、數據加密和解密等工作。
會話層：建立、管理、中止會話
管理是否允許不同機器上的用戶之間建立會話連接關係
傳輸層：定義傳輸數據的協議端口號，以及流控和差錯校驗
將上層應用數據分片並加上端口號封裝成數據段，或通過對報文頭中的端口識別，實現網絡中不同主機上的用戶進程之間的數據通信
網絡層：進行邏輯地址尋址，實現不同網絡之間的路徑選擇
將上層數據加上源和目的方的邏輯（IP）地址封裝成數據包，實現數據從源端到目的端的傳輸
數據鏈路層: 建立邏輯連接、進行硬件地址尋址、差錯校驗等功能
將上層數據加上源和目的方的物理（MAC）地址封裝成數據幀，MAC地址是用來標識網卡的物理地址，建立數據鏈路;當發現數據錯誤時，可以重傳數據幀。
物理層: 建立、維護、斷開物理連接
報文頭部和上層數據信息都是由二進制數組成的，物理層將這些二進制數字組成的比特流轉換成電信號在網絡中傳輸
其中傳輸層需要端口號，類似於門牌號
網絡層需要IP地址，類似於市區、街道、小區等地址
且網絡層以下的通信爲點對點通信，即主機到主機；傳輸層的通信爲端口到端口，也就是程序端口到程序端口
2.OSI模型和TCP/IP模型的對比：
3.TCP/IP協議族的組成：
TCP、UDP以及IP各協議的組成、端口及功能：
TCP（傳輸控制協議）協議應用的端口及其協議功能----傳輸更加穩定可靠
80 HTTP（超文本傳輸協議）∶用於瀏覽器和Web服務器之間的請求和響應的交互
21 FTP（文件傳輸協議）∶用於控制連接FTP服務器
53 DNS（域名系統）∶用於連接DNS服務器
25 SMTP（簡單郵件傳輸協議）∶用於發送郵件
110 POP3（郵局協議版本3）∶用於接收郵件
22 SSH（安全外殼協議）∶用於計算機之間的遠程加密登錄
UDP（用戶數據報協議）協議應用的端口及其協議功能----傳輸效率更高
69 TFTP（簡單文件傳輸協議）∶用於小文件的傳輸
53 DNS（域名系統）∶用於解析DNS
111 RPC（遠程調用協議）∶用於遠程過程調用
161 SNMP（簡單網絡管理協議）∶用於網絡設備的管理
123 NTP（網絡時間協議）∶用於網絡時間同步
IP（網際協議）協議及其功能∶
ARP（地址解析協議）∶用於在局域網中根據IP地址獲取物理地址
RARP（逆地址解析協議）∶用於在局域網中通過ARP表根據物理地址請求IP地址
ICMP（網際控制報文協議）∶用於驗證網絡是否暢通
IGMP（網際組管理協議）∶用於主機與組播路由器之間組播通信
五、數據封裝與解封裝的過程：
1.傳輸數據的封裝以及對應的TCP/IP五層模型
（1）應用層傳輸過程
在應用層，數據被"翻譯"爲網絡世界使用的語言——二進制編碼數據。大家可以試想一下，人們需要通過計算機傳輸的數據形式千變萬化、各式各樣，有字母、數字漢字、圖片、聲音等。這些信息對於單純通過弱電流傳輸的計算機來說太過於"複雜"，因此這些方便人類識別的信息被應用層通過各種特殊的編碼過程轉換成二進制數據。這就是上面所描述的"翻譯"過程，也是應用層在網絡數據傳輸過程中最爲核心的貢獻
（2）傳輸層傳輸過程
在傳輸層，上層數據被分割成小的數據段，併爲每個分段後的數據封裝TCP報文頭部。應用層將人們需要傳輸的信息轉換成計算機能夠識別的二進制數據後，這些數據往往都是海量的。例如，一張高清晰的圖片轉換成二進制數據可能會有幾百萬甚至幾千萬位比特，一次性傳輸如此龐大的數據，一旦網絡出現問題而導致數據出錯就要重新傳輸，數據量過大也會增加出錯的概率，最終可能導致網絡資源耗盡。因此，將數據先分割成小段再逐段傳輸，一旦數據傳輸出現錯誤只需重傳這一小段數據即可。
在TCP頭部有一個關鍵的字段信息——端口號，它用於標識上層的協議或應用程序，確保上層應用數據的正常通信。計算機是可以多進程併發運行的，如圖2.6中的例子，左邊的計算機在通過QQ發送信息的同時也可以通過IE瀏覽右邊主機的Web頁面，對於右邊的主機就必須搞清左邊主機發送的數據要對哪個應用程序實施通信。但是對於傳輸層而言，它是不可能"看懂"應用層傳輸數據的具體內容的，因此只能藉助一種標識來確定接收到的數據對應的應用程序，這種標識就是端口號。
（3）網絡層傳輸過程
在網絡層，上層數據被封裝上新的報文頭部——IP頭部。值得注意的是，這裏所說的上層數據包括TCP頭部，也就是說，這裏的上層是指傳輸層。對於網絡層而言，它是"看不懂"TCP包頭中的內容的，無論是應用層的應用數據，還是TCP頭部信息都屬於上層數據。
在IP頭部中有一個關鍵的字段信息——IP地址，它是由一組32位的二進制數組成的，用於標識網絡的邏輯地址。回想剛纔寄信的例子，我們在信封上填寫了對方的詳細地址和本地的詳細地址，以保證收件人能夠順利收到信件。網絡層的傳輸過程與其類似，在IP頭部中包含目標IP地址和源IP地址，在網絡傳輸過程中的一些中間設備，如路由器，會根據目標IP地址來進行邏輯尋址，找到正確的路徑將數據轉發到目的端主機。如果中間的路由設備發現目標的IP地址是不可能到達的，它將會把該消息傳回發送端主機，因此在網絡層需要同時封裝目標 IP和源IP。
（4）數據鏈路層傳輸過程
在數據鏈路層，上層數據被封裝一個MAC頭部，其內部有一個關鍵的字段信息——MAC地址，它由一組48位的二進制數組成。在目前階段，我們可以先把它理解爲固化在硬件設備中的物理地址，具有全球唯一性。例如，之前講解的網卡就有屬於自己的唯一的MAC地址。和IP頭部類似，在MAC頭部也同時封裝着目標MAC地址和源MAC 地址。
（5）物理層傳輸過程
無論在之前封裝的報文頭部還是上層的數據信息都是由二進制數組成的，在物理層，將這些二進制數字組成的比特流轉換成電信號在網絡中傳輸。
2.傳輸數據的解封裝以及對應的TCP/IP五層模型
數據被封裝完畢通過網絡傳輸到接收方後，將進入數據的解封裝過程，這將是封裝計程的一個逆過程，如圖所示。
3.PDU協議數據單元
對於OSI參考模型而言，每一層都是通過協議數據單元來進行通信的;而對於TCP/IP五層結構，也可以沿用這個概念。PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）是指同層之間傳遞的數據單位。例如∶TCP/IP五層結構體系中，上層數據被封裝了TCP頭部後，這個單元稱爲段（Segment）;數據段向下傳到網絡層，被封裝了IP頭部後，這個單元稱爲包（Packet）;數據包繼續向下傳送到數據鏈路層，被封裝了MAC頭部後，這個單元稱爲幀（Frame）;最後幀傳送到物理層，幀數據變成比特（Bits）流;比特流通過物理介質傳送出去，如圖所示。
4.設備與層的對應關係
5.各層之間的通信
如下圖
1）發送主機按照之前封裝過程進行封裝
2）從發送主機物理網卡發出的電信號通過網線到達交換機，交換機將電信號轉換成二進制數據送往交換機的數據鏈路層。因爲交換機屬於數據鏈路層的設備，所以它將可以查看數據幀頭部的內容，但不會進行封裝和解封裝過程。當交換機發現數據幀頭部封裝的MAC地址不屬於自己，它不會像終端設備那樣將數據幀丟棄，而是根據該MAC地址將數據幀智能地轉發到路由器設備，在轉發前要重新將二進制數據轉換成物理的電信號。
3）當路由器收到數據後，會拆掉數據鏈路層的MAC頭部信息，將數據送達網絡層，這樣IP頭部信息就"暴露"在最外面。路由器將檢測數據包頭部的目標IP地址信息，並根據該信息進行路由轉發，智能地將數據報文轉發到下一跳路由器上，在轉發前要重新封裝新的MAC頭部信息，並將數據轉換成二進制。
4）之後的過程有點大同小異了……
從這個過程我們可以看出，數據在傳輸過程中不斷地進行着封裝和解封裝的過程，中間設備屬於哪一層就在哪一層對數據進行相關的處理，以實現設備的主要功能。也正因如此，我們稱TCP/IP五層模型爲"參考"模型，參考這五層模型可以幫助我們很好地研究網絡中的設備以及設備工作過程中遵守的協議。
6.移動通信與計算機通信的類比
6.1無線通信的過程：
總結與歸納：
■OSI模型的分層結構
■ TCP/IP協議棧的分層結構
■ 數據傳輸中的封裝與解封裝過程
■5G空口協議棧共分三層∶應用層、數據鏈路層、物理層