第二天 网络与通信协议
第一章 网络协议基础认知
1.1 协议分层模型演进
- OSI七层模型：理想化的理论框架（记忆口诀：All People Seem To Need Data Processing）
- TCP/IP四层模型：实际应用的简化模型（网络接口层->网际层->传输层->应用层）
1.2 数据封装解密
以网购快递为例：
- 应用层：商品订单（HTTP/HTTPS）
- 传输层：快递单号（TCP/UDP端口）
- 网络层：收件地址（IP地址）
- 链路层：运输车辆（MAC地址）
第二章 核心协议深度剖析
2.1 TCP/IP协议族
2.1.1 TCP三次握手（现实版）
# 简化版握手模拟
client.send(SYN=1, seq=x) # 客户："我要连接"
server.reply(SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1) # 服务端："收到，请确认"
client.send(ACK=1, seq=x+1, ack=y+1) # 客户："确认连接"
2.1.2 流量控制实战
滑动窗口动态演示：
[发送方] | 1 2 3 | 4 5 6 7 | → 窗口大小=3
[接收方] ACK=4 → 窗口滑动 → | 4 5 6 | 7 8 9 |
2.2 MQTT协议详解
2.2.1 智能家居场景应用
主题树示例：
home/living_room/temperature
home/bedroom/light/status
QoS等级对比表：
| 等级 | 可靠性 | 网络开销 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 0 | 至多一次 | 最低 | 环境传感器 |
| 1 | 至少一次 | 中等 | 安防报警 |
| 2 | 恰好一次 | 最高 | 支付系统 |
2.3 CoAP协议特性
与HTTP的RESTful对比：
// CoAP请求示例
GET coap://node.example.com:5683/temperature
协议栈对比：
HTTP: TCP + TLS + HTTP
CoAP: UDP + DTLS + CoAP
2.4 HTTP/3革命性突破
QUIC协议核心优势：
- 0-RTT快速连接
- 多路复用无队头阻塞
- 前向纠错(FEC)机制
第三章 V2X协议栈揭秘
3.1 车联网通信需求矩阵
| 场景 | 时延要求 | 可靠性 | 数据速率 |
|---|---|---|---|
| 前向碰撞预警 | <100ms | >99% | 中等 |
| 高清地图更新 | <1s | >90% | 高 |
3.2 IEEE 802.11p协议栈
3.2.1 物理层关键技术
- 信道划分：5.9GHz专用频段
- 调制方式：OFDM（正交频分复用）
3.2.2 典型消息类型
- BSM（基本安全消息）：10Hz频率发送
- TIM（交通信息消息）：路侧单元广播
3.3 3GPP NR-V2X演进
两种通信模式对比：
关键技术突破：
- 感知与通信融合
- 毫米波高频传输
- 网络编码技术
第四章 协议选型指南
4.1 物联网协议对比矩阵
| 特征 | MQTT | CoAP | HTTP/3 |
|---|---|---|---|
| 传输层 | TCP | UDP | QUIC |
| 消息模式 | 发布订阅 | 请求响应 | 请求响应 |
| 资源消耗 | 中等 | 低 | 较低 |
| 适用场景 | 云端通信 | 边缘设备 | Web应用 |
4.2 V2X协议选择决策树
是否需要基础设施支持？
├─ 是 → 选择3GPP NR-V2X
└─ 否 → 选择IEEE 802.11p
第五章 实践演练
5.1 MQTT消息代理搭建
# 安装Mosquitto
sudo apt-get install mosquitto mosquitto-clients# 订阅测试
mosquitto_sub -t "test/topic" -v# 发布消息
mosquitto_pub -t "test/topic" -m "Hello CSDN!"
5.2 CoAP服务器实验
使用Python库实现：
from aiocoap import *async def coap_server():protocol = await Context.create_server_context()# 添加资源处理逻辑...