计算机网络知识点汇总（考研用）——第二章：物理层

计算机网络知识点汇总（考研用）——第二章：物理层

 本文参考于《2021年计算机网络考研复习指导》（王道考研），《计算机网络》
思维导图：

2.物理层

2.1 通信基础

 2.1.1 基本概念

  1.数据、信号与码元

  数据是指传送信息的实体。信号是指数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据和信号都可用“模拟的”或“数字的”来修饰：①连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号）；②取值仅允许为有限的几个离散值的数据（或信号）称为数字数据（或数字信号）
  数据传输方式可分为串行传输和并行传输。串行传输是指一个一个的比特按照时间顺序传输（出于经济上的考虑，远距离通信通常采用串行传输），并行传输是指多个比特通过多条通信信道同时传输。
  码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，在使用时间域的波形代表数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就是码元，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。（如在数字通信中常用时间间隔相同的符号表示1个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔称为码元长度。）码元是等时出现的符号，一个码元就是一个脉冲信号。1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元：一种代表0状态，另一种代表1状态（用一个高电平表示1，用低电平表示0）

  2.信源、信道与信宿

  数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。
  信源是产生和发送数据的源头。信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。
  信道与电路并不等同，信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。噪声源是信道上的噪声（即对信号的干扰）及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示。
  下图为一个单向通信系统的模型。实际的通信系统大多为双向的，即往往包含一条发送信道和一条接收信道，信道可以进行双向通信。

  信道按传输信号形式的不同可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类；信道按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道
  信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）；宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后传送到模拟信道上去传输（称为宽带传输）
  从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：
  （1）单工通信
  只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。例如，无线电广播、电视广播
  （2）半双工通信
  通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道。
  （3）全双工通信
  通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

  信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率

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  补充：
  （1）同步与异步、同步通信与异步通信：
  在计算机网络中，同步（Synchronous）的意思很广泛，没有统一的定义。例如，协议的三个要素之一就是“同步”。在网络编程中常提到的“同步”则主要指某函数的执行方式，即函数调用者需等待函数执行完后才能进入下一步。异步（Asynchronous）可简单地理解为“非同步”。
  在数据通信中，同步通信和异步通信区别较大。
  同步通信的通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率。收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。 主要有两种同步方式：一种是全网同步，即用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步；另一种是准同步，即各结点的时钟之间允许有微小的误差，然后采用其他措施实现同步传输。同步通信数据率较高，但实现的代价也较高。
  异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的，但接收端必须时刻做好接收的准备。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每个字符开始和结束的地方加上标志，即开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每个字符接收下来。异步通信也可以帧作为发送的单位。这时，帧的首部和尾部必须设有一些特殊的比特组合，使得接收端能够找出一帧的开始（即帧定界）。异步通信的通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为标志的开销所占比例较大）。下图给出了以字符、帧为单位的异步通信示意图：

  （2）典型的数据通信模型：

  （3）信道复用技术
  a.频分复用、时分复用和统计时分复用：

  A1，B1，C1分别使用一个单独的信道和A2，B2，C2进行通信，总共需要三个信道。但如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

  最基本的复用就是频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分复用TDM（Time Division Multiplexing）。
  频分复用如图所示：

  用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的用户在同样的时间占用不同的带宽资源 （这里的带宽是指频率带宽而不是数据的发送速率）。

  时分复用如图所示：

  时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此TDM信号也称为等时信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 时分复用较频分复用更有利于数字信号的传输。

  在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。 例如，传统的电话通信每一个标准话路的带宽是4kHz，若有1000个用户进行频分复用，则复用后的总带宽就是4MHz。但在使用时分复用时，每一个时分复用帧的长度是不变的，始终是125μs。若有1000个用户进行时分复用，每一个用户分配到的时隙宽度就是125μs的千分之一，即0.125μs，时隙宽度变得非常窄。

  在进行通信时，复用器总是和分用器成对地使用

  当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。

  统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。STDM不是固定分配时隙，而是按序动态分配时隙，因此可提高线路的利用率。

  b.波分复用、码分复用
  波分复用WDM就是光的频分复用
  使用码分复用CDM（码分多址CDMA），每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。这是因为各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

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  3.速率、波特与带宽

  速率也称数据率，指的是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示
  （1）码元传输速率
  又称码元速率、波形速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。 这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。
  （2）信息传输速率
  又称信息速率、比特率等，它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）

  波特和比特是两个不同的概念，码元传输速率也称调制速率、波形速率或符号速率。但码元传输速率与信息传输速率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带n比特的信息量，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒。

  带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。

 2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理

  1.奈奎斯特定理

  奈奎斯特定理又称奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍），则极限数据率为
  理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog₂V（单位为b/s）
  对于奈氏准则，可以得出以下结论：
  （1）在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题（指在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限），使得接收端不可能完全正确识别码元
  （2）信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输
  （3）奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制

  由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多个比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法

  2.香农定理

  香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为：
  信道的极限数据传输率=Wlog₂（1+S/N）（单位为b/s）
  W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比=10log₁₀（S/N）（单位为dB），例如当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。
  对于香农定理，可以得出以下结论：
  （1）信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高
  （2）对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的
  （3）只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输
  （4）香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率比其低。

  从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限，则信道的极限信息传输速率也没有上限

  奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑到了带宽，也考虑到了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

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  奈氏准则与香农定理：
  奈氏准则指出，码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元所携带的比特是1还是0（因为存在码元之间的相互干扰）
  奈氏准则是在理想条件下推导出来的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值小很多。
  奈氏准则并未限制信息传输速率（b/s）。要提高信息传输速率，就必须使每个传输的码元能够代表许多比特的信息，这就需要有很好的编码技术。但码元所载的比特数确定后，信道的极限数据率也就确定了。
  香农定理给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（以赫兹为单位）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了，这个极限是不能突破的。要想提高信息的传输速率，要么必须设法提高传输线路的带宽，要么必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。
  香农定理告诉我们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法：要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能），要么使信号的信噪比无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（这也不可能）。注意，奈氏准则和香农定理中带宽的单位都是Hz。

  信噪比为S/N，为什么还要取对数10log₁₀（S/N）:
  （1）数字形式表示，即一般数值。如噪声功率为1，信号功率为100，信噪比为100
  （2）以分贝形式表示，上述数据在以分贝形式表示下，信噪比为20dB
  两者的区别在于，前者（数值）是没有单位的，后者必须加dB，代表分贝。两者数值上等价。
  采用分贝表示的原因是：很多时候，信号要比噪声强得多，比如信号比噪声强10亿倍，如果用数值表示的话，那么1后面有9个0。如果用分贝表示，那么仅为90dB。分贝对于表示特别大或特别小的数值极为有利。

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 2.1.3 编码与调制

  把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
  信号是数据的具体表示形式，它和数据有一定的关系，但又和数据不同。数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样，就形成了下列4种编码方式：

  1.数字数据编码为数字信号

  数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码。编码的规则有多种，只要能有效地把1和0区分开即可，常用的编码方式有以下几种：

  （1）归零编码
  在归零编码RZ中用高电平代表1，低电平代表0（或者相反），每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。
  （2）非归零编码
  非归零编码NRZ与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。 但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步， 因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。
  （3）反向非归零编码
  反向非归零码NRZI与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。 翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。 USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码。
  （4）曼彻斯特编码
  曼彻斯特编码将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0的表示方法则正好相反。 当然，也可以采用相反的规定。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。曼彻斯特编码每2个码元表示一个bit。
  以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。

  （5）差分曼彻斯特编码
  差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则情形相反。 该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。

  （6）4B/5B编码
  将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留。

  2.数字数据调制为模拟信号

  数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。 基本的调制方法有如下几种：
  （1）幅移键控（ASK）
  通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
  （2）频移键控（FSK）
  通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较广泛。
  （3）相移键控（PSK）
  通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相
  （4）正交振幅调制（QAM）
  在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输率R为
  R=Blog₂（mn）（单位为b/s）
  下图所示是二进制幅移键控、频移键控和相移键控的例子。2ASK中用载波有幅度和无幅度分别表示数字数据的1和0；2FSK中用两种不同的频率分别表示数字数据1和0；2PSK中用相位0和相位π分别表示数字数据的1和0，是一种绝对调相方式

  3.模拟数据编码为数字信号

  这种编码最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。它主要包括三个步骤，即采样、量化和编码
  采样定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此，将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f_采样必须大于等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。另外，采样定理又称奈奎斯特定理。
  （1）采样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根据采样定理，当采样的频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据。
  （2）量化是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
  （3）编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

  4.模拟数据调制为模拟信号

  为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

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  基带传输、频带传输和宽带传输：
  在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可以不经过调制就在信道上直接进行的传输方式称为基带传输。它通常用于局域网。 数字基带传输就是在信道中直接传输数字信号，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。 最简单的方法是用两个高低电平来表示二进制数字，常用的编码方法有不归零编码和曼彻斯特编码。例如，要传输1010，低电平代表0，高电平代表1，那么在基带传输下，1010需要向通信线路传输（高、低、高、低电平）。
  用数字信号对特定频率的载波进行调制（数字调制），将其变成适合于传送的信号后再进行传输，这种传输方式就是频带传输。 远距离传输或无线传输时，数字信号必须用频带传输技术进行传输。 利用频带传输，不仅解决了电话系统传输数字信号的问题，而且可以实现多路复用，进而提高传输信道的利用率。同样传输1010，经过调制，一个码元对应4个二进制位，假设码元A代表1010，那么在模拟信道上传输码元A就相当于传输了1010，这就是频带传输。
  借助频带传输，可将链路容量分解成两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中所有的信道能同时互不干扰地发送信号，链路容量大大增加。比如把信道进行频分复用，划分为2条互不相关的子信道，分别在两条子信道上同时进行频带传输，链路容量就大大增加了，这就是宽带传输。

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 2.1.4 电路交换、报文交换与分组交换

  1.电路交换

  在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。 因此，电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。
  从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的关键点是，在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽。
  电路交换的优点如下：
  （1）通信时延小
  由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。当传输的数据量较大时，这一优点非常明显。
  （2）有序传输
  双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
  （3）没有冲突
  不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题
  （4）适用范围广
  电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号
  （5）实时性强
  通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信
  （6）控制简单
  电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

  电路交换的缺点如下：
  （1）建立连接时间长
  电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长
  （2）线路独占
  线路独占，使用效率低。电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。
  （3）灵活性差
  只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的
  （4）难以规格化
  电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制

  电路建立后，除源节点和目的结点外，电路上的任何结点都采取“直通方式”接收和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间。

  2.报文交换

  在报文交换中，数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式。
  报文交换技术的优点如下：
  （1）无须建立连接
  报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可以随时发送报文
  （2）动态分配线路
  当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去
  （3）提高线路可靠性
  如果某条传输路径发生故障，那么可重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性
  （4）提高线路利用率
  通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，因而大大提高了通信线路的利用率。
  （5）提供多目标服务
  一个报文可同时发送给多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的

  报文交换技术的缺点如下：
  （1）由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）
  （2）报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间

  报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

  3.分组交换

  同报文交换一样，分组交换也采用存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（Packet）。 网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。
  分组交换的优点如下：
  （1）无建立时延
  不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送分组
  （2）线路利用率高
  通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，因而大大提高了通信线路的利用率。
  （3）简化了存储管理（相对于报文交换）
  因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易
  （4）加速传输
  分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线方式减少了报文的传输时间。 此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一次报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的概率及时间也必然少得多。
  （5）减少了出错概率和重发数据量
  因为分组较短，其出错概率必然减小，所以每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延
  分组交换的缺点如下：
  （1）存在传输时延
  尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力
  （2）需要传输额外的信息量
  每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息，从而构成分组，因此使得传送的信息量增大了5%~10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加
  （3）当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，因此很麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

  下图给出了三种数据交换方式的比较

  要传送的数据量很大且其传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适。端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式数据通信。

 2.1.5 数据报与虚电路

  分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。 要注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式

  1.数据报

  作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组（即网络层PDU）。中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按不同的顺序到达目的结点。

  假定主机A要向主机B发送分组
  （1）主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A，交换结点A缓存收到的分组
  （2）然后查找自己的转发表。由于不同时刻的网络状态不同，因此转发表的内容可能不完全相同，所以有的分组转发给交换结点C，有的分组转发给交换结点D
  （3）网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达主机B

  当分组正在某一链路上传送时，分组并不占用网络的其他部分资源。因为采用存储转发技术，资源是共享的，所以主机A在发送分组时，主机B也可同时向其他主机发送分组

  数据报服务具有以下特点：
  （1）发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
  （2）网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因而分组不一定按序到达目的结点
  （3）发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输
  （4）分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
  （5）网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强。
  （6）存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量
  （7）收发双方不独占某一链路，资源利用率较高

  2.虚电路

  虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来， 充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果。在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，并且连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。 与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。
  在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别于本系统中的其他虚电路。 在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组。在虚电路网络中的每个结点上都维持一张虚电路表，表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。

  虚电路方式的工作原理如图：

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  图中的数据传输过程是有确认的传输（由高层实现），主机B收到分组后要发回相应分组的确认。网络中的传输是否有确认与网络层提供的两种服务没有任何关系

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  （1）为进行数据传输，主机A与主机B之间先建立一条逻辑通路，主机A发出一个特殊的“呼叫请求”分组，该分组通过中间结点送往主机B，若主机B同意连接，则发送“呼叫应答”分组予以确认
  （2）虚电路建立后，主机A就可向主机B发送数据分组。当然，主机B也可在该虚电路上向主机A发送数据
  （3）传送结束后主机A通过发送“释放请求”分组来拆除虚电路，逐段断开整个连接

  虚电路服务具有如下特点：
  （1）虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高
  （2）虚电路的路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径。
  （3）虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。此外，还可以对两个数据端点的流量进行控制，当接收方来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送。
  （4）虚电路有一个致命的弱点，即当网络中的某个结点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。
  （5）分组首部并不包含目的地址，而包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小

  虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，也可能同时与多个结点之间建立虚电路。每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同也可能不同。

  数据报服务与虚电路服务的比较如下：

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  例题：利用模拟通信信道传输数字信号的方法称为（）
  A.同步传输  B.异步传输  C.基带传输  D.频带传输

  答案：D；将基带信号直接传送到通信线路（数字信道）上的传输方式称为基带传输，把基带信号经过调制后送到通信线路（模拟信道）上的方式称为频带传输

  例题：测得一个以太网的数据波特率是40MBaud，那么其数据率是（）
  答案：20Mb/s；

  例题：某信道的波特率为1000Baud，若令其数据传输率达到4kb/s，则一个信号码元所取的有效离散值个数为

  答案：16；

  例题：已知某信道的信号传输速率为64kb/s，一个载波信号码元有4个有效离散值，则该信道的波特率为

  答案：32kBaud

  例题：二进制信号在信噪比为127:1的4kHz信道上传输，最大的数据率可以达到

  答案：8000b/s；需受奈奎斯特定理与香农定理两个公式的共同限制。

  例题：若某通信链路的数据传输率为2400b/s，采用4相位调制，则该链路的波特率是

  答案：1200Baud

  例题：一个信道每1/8s采样一次，传输信号共有16种变化状态，最大数据率是（）

  答案：32b/s

  例题：若信道在无噪声情况下的极限数据传输率不小于信噪比为30dB条件下的极限数据传输率，则信号状态数至少是
  A.4  B.8  C.16  D.32
  答案：D;

  例题：将一路模拟信号分别编码为数字信号后，与另外7路数字信号采用同步TDM方式复用到一条通信线路上。一路模拟信号的频率变化范围为0~1kHz，每个采样点采用PCM方式编码为4位的二进制数，另外7路数字信号的数据率均为7.2kb/s。复用线路需要的最小通信能力是

  答案：64kb/s;复用的每条支路速率要相等，而另外7路数字信号的速率均低于8kb/s，所以它们均要采用脉冲填充方式，将数据率提高到8kb/s，然后将这8路信号复用，需要的通信能力为8kb/s x 8 =64kb/s

  例题：用PCM对语言进行数字量化，如果将声音分为128个量化级，采样频率为8000次/秒，那么一路话音需要的数据传输率为

  答案：56kb/s

  例题：

  答案：C；

  例题：下列关于三种数据交换方式的叙述，错误的是
  A.电路交换不提供差错控制功能
  B.分组交换的分组有最大长度的限制
  C.虚电路是面向连接的，它提供的是一种可靠的服务
  D.在出错率很高的传输系统中，选择虚电路方式更合适

  答案：D；在出错率很高的传输系统中，选择数据报方式

  例题：不同的数据交换方式有不同的性能。为了使数据在网络中的传输时延最小，首选的交换方式是（①）；为保证数据无差错地传送，不应选用的交换方式是（②）；分组交换对报文交换的主要改进是（③），这种改进产生的直接结果是（④）；在出错率很高的传输系统中，选用（⑤）更合适

  ①A.电路交换  B.报文交换  C.分组交换  D.信元交换
  ②A.电路交换  B.报文交换  C.分组交换  D.信元交换
  ③A.传输单位更小且有固定的最大长度
  B.传输单位更大且有固定的最大长度
  C.差错控制更完善
  D.路由算法更简单
  ④A.降低了误码率  B.提高了数据传输率
  C.减少了传输时延  D.增加传输时延
  ⑤A.虚电路方式  B.数据报方式
  C.报文交换  D.电路交换

  答案：AAACB；电路交换不具备差错控制能力；分组交换可采取流水线方式减少报文的传输时间

  例题：下列叙述正确的是（）
  A.电路交换是真正的物理线路交换，而虚电路交换是逻辑上的连接，且一条物理线路只可以进行一条逻辑连接
  B.虚电路的连接是临时性连接，当会话结束时就释放这种连接
  C.数据报服务不提供可靠传输，但可以保证分组的有序到达
  D.数据报服务中，每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址

  答案：D；虚电路不只是临时性的，它提供的服务包括永久性虚电路（PVC）和交换型虚电路（SVC），其中前者是一种提前定义好的、基本上不需要任何建立时间的端点之间的连接，而后者是端点之间的一种临时性连接， 这些连接只持续所需的时间，并且在会话结束时就取消这种连接。

  例题：
  答案：C；最后一个分组经过2个分组交换机的转发到达H2，不考虑分组拆装时间。

  例题：试比较分组交换与报文交换，并说明分组交换优越的原因

  答案：报文交换与分组交换的原理如下：用户数据加上源地址、目的地址、长度、校验码等辅助信息后，封装成PDU，发给下一个结点。下一个结点收到后先暂存报文，待输出线路空闲时再转发给下一个结点，重复该过程直到到达目的结点。每个PDU可单独选择到达目的结点的路径。
  不同之处在于：分组交换生成的PDU的长度较短且是固定的，而报文交换生成的PDU的长度不是固定的。正是这一差别使得分组交换具有独特的优点：（1）缓冲区易于管理；（2）分组的平均延迟更小，网络中占用的平均缓冲区更少；（3）更易标准化；（4）更适合应用。因此，现在的主流网络基本上都可视为分组交换网络。

  例题：假定在地球和月球之间建立一条100Mb/s的链路。月球到地球的距离约为385000km，数据在链路上以光速3 x 10^8m/s传输
  （1）计算该链路的最小RTT
  （2）使用RTT作为延迟，计算该链路的延迟 x 带宽值
  （3）在（2）中计算的延迟 x 带宽值的含义是什么
  （4）在月球上用照相机拍取地球的相片，并把它们以数字形式保存到磁盘上。假定要在地球上下载25MB的最新图像，那么从发出数据请求到传送结束最少要花多少时间？

  答案：（1）2.57s;（2）32MB；（3）表示发送方在收到一个响应之前能够发送的数据量；（4）4.67s

  例题：如下图所示，主机A和B每个都通过10Mb/s链路连接到交换机S。
  在每条链路上的传播延迟都是20μs。S是一个存储转发设备，在它接收完一个分组后35μs开始转发收到的分组。试计算把10000bit从A发送到B所需要的总时间。
  （1）作为单个分组
  （2）作为两个5000比特的分组一个紧接着另一个发送

  答案：（1）2075μs；（2）1575μs；

  例题：一个简单的电话系统由两个端局和一个长途局连接而成，端局和长途局之间由1MHz的全双工主干连接。在8小时的工作日中，一部电话平均使用4次，每次的平均使用时间为6分钟。在所有通话中，10%的通话是长途（即通过端局）。假定每条通话线路的带宽是4kHz，请分析一个端局能支持的最大电话数

  答案：50000；每部电话平均每小时通话次数0.5次，每次通话6min，因此一部电话每小时占用一条电路3min，即20部电话可共享一条线路。由于只有10%的是长途，因此200部电话占用一条完全时间的长途线路。局部干线复用了10^6 /（4 x 10 ^3）=250条线路，每条线路支持200部电话，因此总共能支持50000部

  例题：T1系统共有24个话路进行时分复用，每个话路采用7比特编码，然后加上1比特信令码元，24个话路的一次采样编码构成一帧。另外，每帧数据有1比特帧同步码，每秒采样8000次，请问T1的数据率是多少

  答案：1.544Mb/s

  例题：一个分组交换网采用虚电路方式转发分组，分组的首部和数据部分分别为h位和p位。现有L（L>>p）位的报文要通过该网络传送，源点和终点之间的线路数为k，每条线路上的传播时延为d秒，数据传输率为b位/秒，虚电路建立连接的时间为s秒，每个中间结点有m秒的平均处理时延。求源点开始发送数据直至终点收到全部数据所需要的时间

  答案：s+（h+p）L/（pb）+（h+p）（k-1）/b+m（k-1）+kd秒

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2.2 传输介质

 2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

  传输介质也称传输媒体，它是发送设备和接收设备之间的物理通路。传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质。

  1.双绞线

  双绞线是最常用的古老传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP）。无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线（UTP）。

  双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。模拟传输和数字传输都可使用双绞线，其通信距离一般为几千米到数十千米。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

  2.同轴电缆

  同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称基带同轴电缆，它在局域网中应用广泛；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称宽带同轴电缆， 主要用于有线电视系统。

  由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线更贵。

  3.光纤

  光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。可见光的频率约为10^8MHz，因此光纤通信系统的带宽范围极大
  光纤主要由纤心和包层构成，光波通过纤心进行传导，包层较纤心有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角大于入射角。因此，如果入射角足够大，那么就会出现全反射，即光线碰到包层时会折回纤心，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

  只要从纤心中射到纤心表面的光线的入射角大于某个临界角度，就会产生全反射。因此，从不同角度入射的多束光线可在一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤，多模光纤的光源为发光二极管。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。

  光纤的直径减小到仅一个光波长度时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤。 单模光纤的纤心很细，直径只有几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源为定向性很好的激光二极管，因此单模光纤的衰减较小，适合远距离传输。

  4.无线传输介质

  （1）无线电波
  无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，所以它被广泛应用于通信领域，如无线手机通信、计算机网络中的无线局域网（WLAN）等。
  （2）微波、红外线和激光
  目前高带宽的无线通信主要使用三种技术：微波、红外线和激光。它们都需要发送方和接收方之间存在一条视线通路，有很强的方向性，都沿直线传播，有时统称这三者为视线介质。

 2.2.2 物理层接口的特性

  物理层考虑的是如何在连接到各台计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不指具体的传输媒体。物理层应尽可能屏蔽各种物理设备的差异，使数据链路层只需考虑本层的协议和服务。物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：
  （1）机械特性
  主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况等。
  （2）电气特性
  规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
  （3）功能特性
  指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，接口部件的信号线（数据线、控制线、定时线等）的用途
  （4）规程特性
  主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系

  常用的物理层接口标准有EIA RS-232-C、ADSL和SONET/SDH等

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  传输媒体与物理层：
  传输媒体并不是物理层。由于传输媒体在物理层的下面，而物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么。也就是说，传输媒体并不知道所传输的信号什么时候是1什么时候是0。但物理层由于规定了电气特性，因此能识别所传送的比特流。

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  例题：同轴电缆比双绞线的传输速率更快，得益于（）
  A.同轴电缆的铜心比双绞线粗，能通过更大的电流
  B.同轴电缆的阻抗比较标准，减少了信号的衰减
  C.同轴电缆具有更高的屏蔽性，同时有更好的抗噪声性
  D.以上都正确

  答案：C；同轴电缆的带宽更高得益于它的高屏蔽性

  例题：当描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时，该描述属于（）
  A.机械特性  B.电气特性  C.功能特性  D.规程特性

  答案：C；物理层的功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义

  例题：在物理层接口特性中，用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是（）

  A.机械特性  B.功能特性  C.过程特性  D.电气特性

  答案：C；

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2.3 物理层设备

 2.3.1 中继器

  中继器又称转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后，因噪声或其他原因而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。 其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大）。 中继器有两个端口，数据从一个端口输入，再从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分，而不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
  中继器是局域网环境下用来扩大网络规模的最简单、最廉价的互联设备。使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。但由于中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网。中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。中继器若出现故障，对相邻两个网段的工作都将产生影响。
  从理论上来讲，中继器的使用数目是无限的，网络因而也可以无限延长。但事实上这不可能，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”

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  放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。
  如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议，如果该网络设备没有存储转发功能，那么认为它不能连接两个不同的协议。中继器是没有存储转发功能的，因此它不能连接两个速率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

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 2.3.2 集线器

  集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器，它也工作在物理层。 集线器现已被交换机替代。当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。 如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据都无效。 从Hub的工作方式可以看出，它在网络中只起信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信号传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。
  Hub主要使用双绞线组建共享网络，是从服务器连接到桌面的最经济方案。在交换式网络中，Hub直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面上。使用Hub组网灵活，它把所有结点的通信集中在以其为中心的结点上，对结点相连的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行，并且用户的加入和退出也很自由。
  由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。 Hub的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段，同时Hub也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。

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  多台计算机必须会发生同时通信的情形，因此集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域。 集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差。比如，一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mb/s=1.25Mb/s。

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  例题：两个网段在物理层进行互联时要求（）
  A.数据传输率和数据链路层协议都可以不同
  B.数据传输率和数据链路层协议都要相同
  C.数据传输率要相同，但数据链路层协议可以不同
  D.数据传输率可以不同，但数据链路层协议要相同

  答案：C；在物理层互联时，各种网络的数据传输率如果不同，那么可能出现以下两种情况：（1）发送方的速率高于接收方，接收方来不及接收导致溢出（因为物理层没有流量控制），数据丢失。（2）接收方的速率高于发送方，不会出现数据丢失的情况，但效率极低。
  因此，数据传输率必须相同。
  链路层协议可以不同，如果是在数据链路层互联，那么要求数据链路层协议也要相同。本层及本层以下协议必须相同，本层以上协议可以不同。
  在物理层互联成功，只表明这两个网段之间可以互相传送物理层信号，但并不能保证可以互相传送数据链路层的帧，要达到在数据链路层互通的目的，要求数据传输率和链路层协议都相同。

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