5G基础及计算机网络参考模型
*一、5G技术指标及优点
1. 5G的八大技术指标：
| 指标名称 | 时延 | 用户体验速率 | 峰值速率 | 流量密度 | 连接数密度 | 移动性 | 能效 | 频谱效率 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4G | 10ms | 10Mbps | 1Gbps | 0.1Tbps/Km² | 10万/Km² | 350Km/h | 1倍 | 1倍 |
| 5G | 1ms | 0.1-1Gbps | 20Gbps | 10Tbps/Km² | 100万/Km² | 500Km/h | 100倍提升 | 3倍提升（某些场景5倍） |
流量密度：单位面积内的总流量数
连接数密度：单位面积内可以支持的在线设备总和
2. 5G的优点
相较于4G，5G具有高速率、低时延、大容量、高可靠、海量连接的特点。
二、5G的关键技术
1.动态自组织网络（SON）:
动态自组织网络（SON），指可自动协调相邻小区、自动配置和自优化的网络，以减少网络干扰，提升网络运行效率。在传统蜂窝网络架构下，终端必须通过基站和蜂窝网网关才能与目标端进行通信。在这种架构下，终端在获得数据传输服务前必须首先选择一个服务基站，与服务基站建立并保持连接。
在动态自组织网络中，任何接入网节点，都具备数据存储和转发功能，动态自组网中的每个节点，都具备无线信号收发能方，并且每个节点，都可以与上一个或多个相邻节点进行无线通信，整个自组网呈网状结构。
在动态自组织网络中，任何节点间（终端与终端、终端与基站、基站与基站等）均通过无线通信，无须任何布线，并具有支持分布式网络的冗余机制和重新路由功能。任何新节点（如终端或基站）的添加，只需要简单的接上电源即可，节点可自动配置，并确定最佳多跳传输路径。
2.软件定义网络（SDN）：
SDN—软件定义网络
SDN的核心思想—转发和控制分离，从而实现网络流量的灵活控制
SDN网络的新角色—控制器
承上∶对上层应用提供网络编程的接口
启下∶对下提供对实际物理网络网元的管理
3.NFV—网络功能虚拟化
NFV的核心思想—软件和专用硬件解耦，软件与通用硬件联姻
NFV的核心技术—虚拟化，把通用服务器的CPU、内存、IO等资源切片给多个虚拟机使用。把交换机路由器防火墙的功能作为软件应用运行在虚拟机里来模拟它们的功能。通过openstack来进行管理和编排NFV带来的网络革命—网络瘦身（专用硬件向通用硬件的转化），业务带宽随需而动
4.SDN与NFV的深度融合
SDN是面向网络架构的创新
NFV是面向设备形态的创新
SDNFVS使整个网络可编程
三、5G面临的挑战
1.频谱资源的挑战
2.安全挑战
■三大场景安全挑战
● eMBB∶安全处理性能、二次认证、已知漏洞
● mMTC∶轻量化安全、海量连接信令风暴
●uRLLC∶低时延的安全算法、边缘计算、隐私保护
■新架构安全挑战
●SDN、NFV等新安全机制要适应虚拟化、云化的需要
小结：
■移动通信历程∶语音到数据、低带宽到高带宽
■5G技术指标∶中国的5G之花
■5G的三大应用场景∶eMBB、uRLLC、mMTC
■5G新技术∶Massive MIMO、SON、SDN等
■5G面临的频谱资源、新业务、安全等全新挑战
四、OSI七层参考模型：
1.各层的功能：
应用层：网络服务与最终用户的一个接口
人机交互窗口，把人的语言输入到计算机当中。例如，在Q的对话窗口输入字符。
表示层：数据的表示、安全、压缩
将接收到的数据翻译成二进制数组成的计算机语言，并对数据进行压缩和解压、数据加密和解密等工作。
会话层：建立、管理、中止会话
管理是否允许不同机器上的用户之间建立会话连接关系
传输层：定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验
将上层应用数据分片并加上端口号封装成数据段，或通过对报文头中的端口识别，实现网络中不同主机上的用户进程之间的数据通信
网络层：进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择
将上层数据加上源和目的方的逻辑（IP）地址封装成数据包，实现数据从源端到目的端的传输
数据链路层: 建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能
将上层数据加上源和目的方的物理（MAC）地址封装成数据帧，MAC地址是用来标识网卡的物理地址，建立数据链路;当发现数据错误时，可以重传数据帧。
物理层: 建立、维护、断开物理连接
报文头部和上层数据信息都是由二进制数组成的，物理层将这些二进制数字组成的比特流转换成电信号在网络中传输
其中传输层需要端口号，类似于门牌号
网络层需要IP地址，类似于市区、街道、小区等地址
且网络层以下的通信为点对点通信，即主机到主机；传输层的通信为端口到端口，也就是程序端口到程序端口
2.OSI模型和TCP/IP模型的对比：
3.TCP/IP协议族的组成：
TCP、UDP以及IP各协议的组成、端口及功能：
TCP（传输控制协议）协议应用的端口及其协议功能----传输更加稳定可靠
80 HTTP（超文本传输协议）∶用于浏览器和Web服务器之间的请求和响应的交互
21 FTP（文件传输协议）∶用于控制连接FTP服务器
53 DNS（域名系统）∶用于连接DNS服务器
25 SMTP（简单邮件传输协议）∶用于发送邮件
110 POP3（邮局协议版本3）∶用于接收邮件
22 SSH（安全外壳协议）∶用于计算机之间的远程加密登录
UDP（用户数据报协议）协议应用的端口及其协议功能----传输效率更高
69 TFTP（简单文件传输协议）∶用于小文件的传输
53 DNS（域名系统）∶用于解析DNS
111 RPC（远程调用协议）∶用于远程过程调用
161 SNMP（简单网络管理协议）∶用于网络设备的管理
123 NTP（网络时间协议）∶用于网络时间同步
IP（网际协议）协议及其功能∶
ARP（地址解析协议）∶用于在局域网中根据IP地址获取物理地址
RARP（逆地址解析协议）∶用于在局域网中通过ARP表根据物理地址请求IP地址
ICMP（网际控制报文协议）∶用于验证网络是否畅通
IGMP（网际组管理协议）∶用于主机与组播路由器之间组播通信
五、数据封装与解封装的过程：
1.传输数据的封装以及对应的TCP/IP五层模型
（1）应用层传输过程
在应用层，数据被"翻译"为网络世界使用的语言——二进制编码数据。大家可以试想一下，人们需要通过计算机传输的数据形式千变万化、各式各样，有字母、数字汉字、图片、声音等。这些信息对于单纯通过弱电流传输的计算机来说太过于"复杂"，因此这些方便人类识别的信息被应用层通过各种特殊的编码过程转换成二进制数据。这就是上面所描述的"翻译"过程，也是应用层在网络数据传输过程中最为核心的贡献
（2）传输层传输过程
在传输层，上层数据被分割成小的数据段，并为每个分段后的数据封装TCP报文头部。应用层将人们需要传输的信息转换成计算机能够识别的二进制数据后，这些数据往往都是海量的。例如，一张高清晰的图片转换成二进制数据可能会有几百万甚至几千万位比特，一次性传输如此庞大的数据，一旦网络出现问题而导致数据出错就要重新传输，数据量过大也会增加出错的概率，最终可能导致网络资源耗尽。因此，将数据先分割成小段再逐段传输，一旦数据传输出现错误只需重传这一小段数据即可。
在TCP头部有一个关键的字段信息——端口号，它用于标识上层的协议或应用程序，确保上层应用数据的正常通信。计算机是可以多进程并发运行的，如图2.6中的例子，左边的计算机在通过QQ发送信息的同时也可以通过IE浏览右边主机的Web页面，对于右边的主机就必须搞清左边主机发送的数据要对哪个应用程序实施通信。但是对于传输层而言，它是不可能"看懂"应用层传输数据的具体内容的，因此只能借助一种标识来确定接收到的数据对应的应用程序，这种标识就是端口号。
（3）网络层传输过程
在网络层，上层数据被封装上新的报文头部——IP头部。值得注意的是，这里所说的上层数据包括TCP头部，也就是说，这里的上层是指传输层。对于网络层而言，它是"看不懂"TCP包头中的内容的，无论是应用层的应用数据，还是TCP头部信息都属于上层数据。
在IP头部中有一个关键的字段信息——IP地址，它是由一组32位的二进制数组成的，用于标识网络的逻辑地址。回想刚才寄信的例子，我们在信封上填写了对方的详细地址和本地的详细地址，以保证收件人能够顺利收到信件。网络层的传输过程与其类似，在IP头部中包含目标IP地址和源IP地址，在网络传输过程中的一些中间设备，如路由器，会根据目标IP地址来进行逻辑寻址，找到正确的路径将数据转发到目的端主机。如果中间的路由设备发现目标的IP地址是不可能到达的，它将会把该消息传回发送端主机，因此在网络层需要同时封装目标 IP和源IP。
（4）数据链路层传输过程
在数据链路层，上层数据被封装一个MAC头部，其内部有一个关键的字段信息——MAC地址，它由一组48位的二进制数组成。在目前阶段，我们可以先把它理解为固化在硬件设备中的物理地址，具有全球唯一性。例如，之前讲解的网卡就有属于自己的唯一的MAC地址。和IP头部类似，在MAC头部也同时封装着目标MAC地址和源MAC 地址。
（5）物理层传输过程
无论在之前封装的报文头部还是上层的数据信息都是由二进制数组成的，在物理层，将这些二进制数字组成的比特流转换成电信号在网络中传输。
2.传输数据的解封装以及对应的TCP/IP五层模型
数据被封装完毕通过网络传输到接收方后，将进入数据的解封装过程，这将是封装计程的一个逆过程，如图所示。
3.PDU协议数据单元
对于OSI参考模型而言，每一层都是通过协议数据单元来进行通信的;而对于TCP/IP五层结构，也可以沿用这个概念。PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）是指同层之间传递的数据单位。例如∶TCP/IP五层结构体系中，上层数据被封装了TCP头部后，这个单元称为段（Segment）;数据段向下传到网络层，被封装了IP头部后，这个单元称为包（Packet）;数据包继续向下传送到数据链路层，被封装了MAC头部后，这个单元称为帧（Frame）;最后帧传送到物理层，帧数据变成比特（Bits）流;比特流通过物理介质传送出去，如图所示。
4.设备与层的对应关系
5.各层之间的通信
如下图
1）发送主机按照之前封装过程进行封装
2）从发送主机物理网卡发出的电信号通过网线到达交换机，交换机将电信号转换成二进制数据送往交换机的数据链路层。因为交换机属于数据链路层的设备，所以它将可以查看数据帧头部的内容，但不会进行封装和解封装过程。当交换机发现数据帧头部封装的MAC地址不属于自己，它不会像终端设备那样将数据帧丢弃，而是根据该MAC地址将数据帧智能地转发到路由器设备，在转发前要重新将二进制数据转换成物理的电信号。
3）当路由器收到数据后，会拆掉数据链路层的MAC头部信息，将数据送达网络层，这样IP头部信息就"暴露"在最外面。路由器将检测数据包头部的目标IP地址信息，并根据该信息进行路由转发，智能地将数据报文转发到下一跳路由器上，在转发前要重新封装新的MAC头部信息，并将数据转换成二进制。
4）之后的过程有点大同小异了……
从这个过程我们可以看出，数据在传输过程中不断地进行着封装和解封装的过程，中间设备属于哪一层就在哪一层对数据进行相关的处理，以实现设备的主要功能。也正因如此，我们称TCP/IP五层模型为"参考"模型，参考这五层模型可以帮助我们很好地研究网络中的设备以及设备工作过程中遵守的协议。
6.移动通信与计算机通信的类比
6.1无线通信的过程：
总结与归纳：
■OSI模型的分层结构
■ TCP/IP协议栈的分层结构
■ 数据传输中的封装与解封装过程
■5G空口协议栈共分三层∶应用层、数据链路层、物理层