计算机网络——物理层（课程笔记）

说明

1. 博客作为笔记备份，不定时更新
2. 参考内容为《计算机网络（第7版）》谢希仁 电子工业出版社；王道考研《计算机网络考研复习指导2023》
3. 文中的例题摘自王道考研《计算机网络考研复习指导2023》，大多是我个人认为较为典型的题目以及错题的部分整理

基本概念

1. 数据、信号、码元

• 通信的目的是传送消息(message)，如语音、文字、图像、视频等
• 数据(data) 是运送消息的实体
  • 根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的消息，通常是有意义的符号序列
• 信号(signal) 是数据电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式
  • 根据信号中代表消息的参数的取指方式不同，信号分为
    • 模拟信号，又称连续信号。代表消息的参数的取值是连续的
    • 数字信号，又称离散信号。代表消息的参数的取值是离散的
• 码元
  • 课本释义：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元
  • 资料书释义：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，代表不同离散数值的基本波形，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，该时长称为码元宽度
  • 一码元可以携带若干比特的信息。如在使用二进制码元时，只有两种不同的码元：一种表示0，另一种表示1状态

2. 信源、信道、信宿

2.1 基本概念

• 信源：产生和发送数据的源头
• 信道：信号的传输媒介
  • 信道与电路并不等同，一条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，一条通信线路通常包含一条发送信道和一条接收信道
  • 按传输信号形式的不同，信道分为传输模拟信号的模拟信道，和传输数字信号的数字信道
  • 按传输介质的不同，可分为有线信道和无线信道
• 信宿：接收数据的终点

2.2 通信方式

• 单工通信
  • 只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互
  • 只需要一条信道即可
  • 例如：无线电广播或有线电广播
• 半双工通信
  • 通信的双方都可发送消息，但不能双方同时发送(也不能同时接收)
  • 这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以反过来
  • 需要两条信道
• 全双工通信
  • 通信的双方可以同时发送和接收信息
  • 需要两条信道

3. 速率、波特、带宽

• 速率
  • 也称数据率、是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量
  • 可用码元传输速率和信息传输速率表示
    • 码元传输速率：
      • 又称波特率，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单位时间内传输一个码元，码元速率与进制数无关
    • 信息传输速率
      • 又称信息速率、比特率等，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b/s
• 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，单位b/s

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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

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和1就是所谓的编码
• 常用的数据编码
  • 

归零编码 （RZ）

• 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
• 归零要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响

非归零编码（NRZ）

• 不用归零，一个周期全部用来传输数据
• 但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线

反向非归零编码（NRZI）

• 与非归零编码的区别是，用信号的翻转代表0、用信号保持不变代表1
• 翻转的信号本身可以作为一种通知机制
• 这种编码方式，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽
• USB 2.0通信的编码方式就是NRZI编码

曼彻斯特编码（Manchester Encoding）

• 位周期中心的向上跳变表示0，位周期中心的向下跳变表示1。也可以反过来定义
• 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，但它所占用的频带宽度是原始基带宽度的两倍（用$高\to 低/低\to 高$两个信道信号表示0/1，而非归零编码仅需用高电平表示1、低电平表示0）
• 以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

• 每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1
• 可以实现自同步，且抗干扰性较好
• 差分曼彻斯特编码常用于局域网传输

4B/5B编码

• 将要发送的数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换为相应的5位码
• 5位码共有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，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

• 

• 基本的数字调制方法

  • 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变。也就是所谓的调幅
    • 较容易实现，但抗干扰能力差
  • 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变。也就是所谓的调频
    • 容易实现，抗干扰能力强，目前应用广泛
  • 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变。也就是所谓的调相
    • 又分为绝对调相和相对调相
  • 正交振幅调制(QAM)
    • 在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合，形成叠加信号
    • 设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n中振幅，则该QAM技术的数据传输率R为：$R=B{\log }_2(mn)(单位b/s)$

3. 模拟数据 编码为 数字信号

• 这种编码方式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），主要包括三个步骤：采样、量化、编码

采样定理

• 采样定理又称奈奎斯特定理
• 在通信领域，带宽指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz
• 将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中最大频率为$f$，那么采样频率$f_{采样}$必须大于等于最大频率的两倍（即$f_{采样}\ge 2f$），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

采样、量化、编码

• 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的代表被采样的模拟数据
• 量化
  • 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
  • 即把连续的电平幅值转换为离散的数字量
  • 采样和量化的本质就是分割和转换
• 编码
  • 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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奈奎斯特定理和香农定理

1. 引入

• 信道的极限容量
  • 实际的信道是不理想的
  • 数字通信的好处，就是虽然信号在信道上传输时可能产生失真，但在接收端只要能够识别出原来的信号，那么这种失真就对通信质量没有影响。但有时失真太严重，在在接收端无法识别出原来的信号
• 限制码元在信道上传输速率的两个因素
  • 信道能够通过的频率范围
  • 信噪比

2. 奈奎斯特定理

引入——码间串扰

• 具体的信道所能通过的频率范围是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，它们在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰

奈奎斯特定理（奈氏准则）

• 奈氏准则给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值
• 规定：
  • 在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W表示理想低通信道的带宽
  • 用V表示每个码元离散电平的数目（指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4个二进制位，因此数据传输速率就是码元传输速率的4倍）
  • 则极限数据率为$理想低通信道下的极限数据传输速率=2W{\log }_{2}V(单位b/s)$
• 结论
  • 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
  • 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输
  • 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
• 由于码元传输速率受奈氏准则的限制，所以要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法

3. 香农定理

引入——信噪比

• 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比
• 记为$S/N$，用分贝（dB）作为度量单位
• $信噪比(dB)=10{\log }_{10}(S/N)(dB)$
• 例如，当$S/N=10$是，信噪比=10dB； 当$S/N=1000$时，信噪比=30dB

香农定理

• 香农定理给出了带宽受限、有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用此速率进行传输时，可以保证不产生误差
• 香农公式
  • $信道的极限数据传输速率=W{\log }_2(1+S/N)(单位b/s)$
  • W是信道的带宽；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
• 结论
  • 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
  • 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
  • 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种无差错的传输
  • 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要比它低不少

4. 说明

• 奈奎斯特定理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了带宽，还考虑了信噪比。这也从侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

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电路交换、报文交换、分组交换

1. 电路交换

1.1 概述

• 电路交换方式，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
• 这条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。即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
• 电路交换分为：连接建立、数据传输、连接释放
• 从通信资源分配的角度看，“交换”就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源
• 注：电路建立后，除源结点和目的结点之外，电路上任何结点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间

1.2 优点

• 通信时延小：通信线路被通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。尤其是当传输较大的数据量时，这一优点非常明显
• 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
• 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
• 适用范围广：既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号
• 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
• 控制简单：电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单

1.3 缺点

• 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
• 线路独占，使用效率低：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，因此信道利用率低
• 灵活性差：只要在通信双方建立的通路中出现了一点故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对紧急和重要的通信十分不利
• 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

2. 报文交换

2.1 概述

• 数据交换的单位是报文，报文含有目标地址、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
• 报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常被较为先进的分组交换替代

2.2 优点

• 无须建立连接：通信前无须为通信双方建立专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可随时发送报文
• 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
• 提高线路可靠性：若某条传输路径发生故障，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
• 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，大大提高了通信线路的利用率
• 提供多目标服务：一个报文可同时发送给多个目的地址

2.3 缺点

• 存在转发时延：由于数据进入交换点后要经历存储、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）
• 对报文的大小没有限制，这就要求网络结点有较大的缓存空间

3. 分组交换

3.1 概述

• 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输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）

3.2 优点

• 无建立时延：通信前无须为通信双方建立专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可随时发送分组
• 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，大大提高了通信线路的利用率
• 简化了存储管理(相对于报文交换)：分组的长度固定，因此相应的缓冲区大小固定，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
• 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和前一个分组的转发操作并行（流水线方式）。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的多
• 减少了出错的概率和重发数据量：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小，这样不但提高了可靠性，也提高了传输时延

3.3 缺点

• 存在传输时延：尽管分组交换比报文交换的传输时延小，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
• 需要传输额外的信息量：每个小数据块都要加上相应的控制信息，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
• 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，要对分组按其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

4. 三种方式比较

• 要传送的数据量较大且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

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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，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
• 这两种服务方式均有网络层提供
• 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

1.1 概述

• 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(即网络层的PDU)
• 中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳路由后，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找到目的结点

1.2 工作原理

• 假设主机A向主机B发送分组
  • 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
  • 交换结点A查找字节的转发表。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，有的转发给交换结点D
  • 网络中的其他结点收到分组后，类似的转发分组，直到分组到达主机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
• 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

1.3 特点

• 发送分组前无需建立连接。发送方可随时发送分组，接收方也可随时接收分组
• 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失；为每个分组独立选择路由，转发是路径可能不同，因此分组不一定按序到达目的结点
• 发送的分组中要含有发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输
• 分组在交换结点存储转发时，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
• 网络具有冗余路径，但某个交换结点或一条链路出现故障时，可相应的更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应性强
• 存储转发的延时一般较小，提高了网络的吞吐量
• 收发双发不独占某条链路，资源利用率高

2. 虚电路

2.1 概述

• 在发送分组之前，要求在发送方和接收方之间建立一条逻辑上相连的虚电路，且一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径
• 通信过程分为三阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放
• 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，以便和系统中的其他虚电路区分开来
• 传输数据时，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
• 虚电路网络中的每个结点都要维持一张虚电路表，表中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

2.2 工作原理

• 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（虚呼叫），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
• 虚电路建立后，A可向B发送数据分组，B也可以在该虚电路上向A发送数据分组
• 传送结束后，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

2.3 特点

• 虚电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更高
• 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
• 虚电路提供了可靠的通信，能保证每个分组正确且有序的到达。此外，还可以对两个数据端点的数据流量进行控制
• 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
• 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符，相对于数据报方式，其开销小

2.4 说明

• 虚电路不是专用的，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
• 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)
  • 永久性虚电路 PVC：是一种提前定义好的、基本不需要任何建立时间的断点之间的连接
  • 交换型虚电路 SVC：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，并在会话结束时就取消这种连接

3. 数据报服务 VS 虚电路服务

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不需要建立连接	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立进行路由选择和转发	属于同一虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证分组有序到达	保证分组有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证	可靠性由网络保证
对网络故障的适应性	出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

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通信基础部分例题

波特率与数据率的关系、编码

（$P_{42}9$）测得一个以太网的数据波特率是40MBaud，那么其数据率是（）
A. 10Mb/s B. 20Mb/s C. 40Mb/s D. 80Mb/s
解答：因为以太网采用曼彻斯特编码，每位数据（一个比特，对应信息传输速率）都需要两个电平（两个脉冲信号，对应码元传输速率）来表示，因此波特率是数据率的两倍，所以数据率为(40Mb/s)/2 = 20Mb/s。选B
注意：对于曼彻斯特编码，每个比特需要两个信号周期，20MBaud的信号率可得10Mb/s的数据率，编码效率为50%；对于4B/5B编码，每4比特组被编码为5比特，12.5MBaud的信号率可得10Mb/s，编码效率是80%
错误原因：错选C

有效离散值 与 码元所含比特数

（$P_{42}10$）某信道的波特率为1000Baud，若令其数据传输速率达到4kb/s，则一个信号码元所取的有效离散数值的个数是（）
A. 2 B. 4 C.8 D. 16
解答：

• 若一个码元含有k比特的信息量，则表示该码元所需要的不同离散值为$n=2^k$个，$比特率=波特率\times {\log }_{2}n$。
• 数值上，波特率=比特率/每码元所含比特数，因此每个码元所含比特数=4000/1000=4比特，有效离散值的个数为$2^4=16$
  错误原因：错选B

奈奎斯特定理的应用

（$P_{42}12$）有一条无噪声的8kHz的信道，每个信号包含8级，每秒采样24k次，则可以获得的最大传输速率是（）
A. 24kb/s B. 32kb/s C. 48kb/s D. 72kb/s
解答：无噪声的信道应满足奈奎斯特定理，$最大数据传输速率=2W{\log }_{2}V比特/秒$，因此可得答案：选C。注意题目中的24kHz是无意义的，因为超过了波特率的上限2W=16kBaud
关于信号的级数：用在Nyquist定理中：
C = 2W* log2 M
C = 数据传输率，单位bps
W = 带宽，单位Hz
M = 信号编码级数
比如把码元分成多少个不同等级就是多大的编码级数。
来源：什么是信号编码级数？那位大虾告知一下，在线等！_百度知道 (baidu.com)

奈奎斯特定理和香农定理

（$P_{42}14$）二进制信号在信噪比为127:1的4kHz信道上传输，最大数据传输速率可达到（）
A. 28000b/s B. 8000b/s C. 4000b/s D. 无限大
解答：

• 若依据香农定理，$最大数据率=W{\log }_2(1+S/N)=28000b/s$，本题易误选A
• 但要注意题中的“二进制信号”的限制，根据奈奎斯特定理，$最大数据传输速率=2W{\log }_{2}V=2\times 4000\times {\log }_{2}2=8000b/s<28000b/s$，选更小的，因此选B
• 注意：若题中给出了码元与比特数之间的关系，则需受两个公式的限制
  错误原因：错选A

计算

1. （$P_{42}18$）将1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，1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（）
   A. 7.2kb/s B. 8kb/s C. 64kb/s D.512kb/s
   解答：

   • 1路模拟信号的最大频率为1kHz，根据采样定理可知采样频率至少为2kHz，每个样值编码为4位二进制数，所以数据传输速率为8kb/s
   • 复用的每支路速率要相等，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$8kb/s\times 8=64kb/s$。选C
     错误原因：错选B，没考虑到复用

2. （$2009$）在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是（）
   A. 12kb/s B. 24kb/s C. 48kb/s D.96kb/s
   解答：采用4个相位，每个相位有4中幅度的QAM调制方法，每个信号可以有16种变化，传输4比特数据。更具奈奎斯特定理，信息的最大传输速率为$2W{\log }_{2}V=24kb/s$

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传输介质

• 传输介质也称为传输媒体，是数据传输系统中发送设备和接收设备之间的物理通路
• 可分为导向传输介质和非导向传输介质。
• 在导向传输介质中，电磁波被导向沿着固体媒介传播，非导向介质传播介质可以是空气、真空、水等

1. 双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输介质

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层用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以使用双绞线，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型

同轴电缆

• 

• 同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层、塑料外层构成

• 按特性抗阻数值的不同，通常将其分为两类：$50\Omega$同轴电缆和$70\Omega$同轴电缆

  • $50\Omega$同轴电缆主要用于传输基带数字信号，又称基带同轴电缆，它在局域网中应用广泛
  • $70\Omega$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，被广泛应用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，价格也较双绞线昂贵

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$10^{8}MHz$，因此光纤通信系统的带宽范围极大

• 光纤主要由纤芯和包层构成

  • 纤芯很细，其直径只有$8\sim 100\mu m$，光波通过纤芯进行传导
  • 包层较纤芯有较低的折射率。当入射角大于某个临界值时，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯，该过程不断重复，光就沿着光纤传播下去

• 多模光纤

  • 

  • 利用光的全反射特性，可以将从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，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近距离传输

• 单模光纤

  • 

  • 光纤的直径减小到只有一个光的波长时，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

  • 单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造成本较高

  • 单模光纤的光源为定向性很好的半导体激光器，因此单模光纤的衰减较小，可传输数千米至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输

• 光纤的特点

  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和电磁干扰性能好，这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
  • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
  • 体积小，重量轻，这在现有电缆管道已经拥塞不堪的情况下特别有用

无线传输介质

• 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，因此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
  • 无线电波使信号向所有方向散播，因此有效距离范围内的接收设备无需对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信连接，这大大简化了通信连接，也是无线传输最主要的优点之一
• 微波、红外线、激光
  • 目前高带宽的无线通信主要使用这三种技术，它们都需要发送方和接收方之间存在一条视线（Line-of-sight）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
  • 红外通信和激光通信要把传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再直接在空间中传播
  • 微波通信的频率较高，频带范围也很宽，载波频率通常为$2\sim 40GHz$，因而通信信道的容量大。与通常的无线电波不同，微波通信的信号是沿直线传播的，因此在地面的传播距离有限，超过一定距离就要用中继站接力
  • 卫星通信利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信的距离限制。卫星通信的优点是通信容量大、距离远、覆盖广；缺点是保密性差，端到端传播时延长

2. 物理层接口的特性

• 物理层考虑的是如何在连接到各种计算机的传输介质上传输数据比特流，而不指具体的传输媒介
• 物理层应尽可能屏蔽不同物理媒介的差异，让数据链路层感觉不到这些差异，使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务
• 物理层的任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性： ^641cbc
  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围
  • 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
  • 过程特性：或称规程特性，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
• 常用的物理层接口标准：EIA RS-232-C、ADSL、SONET/SDH等

3. 例题

1. （$P_{57}9$）某网络在物理层规定，信号的电平用+10V_{+15V表示二进制0，用-10V}-15V表示二进制1，电线长度限于15m以内，这体现了物理层接口的（）
   A. 机械特性 B. 功能特性 C. 电气特性 D. 规程特性
   解答：物理层的电气特性规定了信号的电压高低、传输距离等
   错误原因：错选A
2. （$P_{57}10$）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. 功能特性 C. 电气特性 D. 规程特性
   解答：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什么意义
   错误原因：错选B
   注：这两题的错因都是对物理层接口的特性的理解不到位

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物理层设备

1. 中继器

中继器的功能

• 中继器的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产生的失真和衰减，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

原理

• 原理是信号再生(而非简单的将衰减的信号放大)

结构

• 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，而不管是否有错误数据或不适于网段的数据

说明

• 中继器是用来扩大网络规模的最简单廉价的互联设备
• 中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。若中继器出故障，那将影响相邻两个网段
  • 来自百度：网段（network segment）一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备（传输介质，中继器，集线器等）能够直接通讯的那一部分
• 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
  • 注：若某个网络设备具有存储转发的功能，则可以任务它能连接两个不同的协议；若该网络设备没有存储转发的功能，则认为它不能连接两个不同的协议
  • 中继器没有存储转发的功能，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
• 事实上，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
  • 5-4-3规则：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，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

中继器 VS 放大器

• 放大器和中继器都起放大作用
• 放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大
• 中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生

2. 集线器

功能和原理

• 集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器
• 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将该信号整形放大，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。若同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，致使这些数据无效
• Hub在网络中只起信号放大和转发的作用，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

结构

• 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的方案
• 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

优缺点

• 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段，同时Hub也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐量受到限制

说明

• 多台计算机必然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一个冲突域
• 集线器在一个时钟周期内只能传输一组信息，若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

3. 例题

1. （$P_{50}2$）转发器的作用（）
   A. 放大信号 B. 转发帧 C. 存储帧 D. 寻址
   解答：转发器是物理层设备，不能识别数据链路层的帧，也没有寻址功能，只有放大信号的功能。选A
   错误原因：错选B
   补充：转发器（Repeater）又被称为中继器或放大器，执行物理层协议，负责第一层（物理层）的数据中继，实现电气信号的“再生”。用于互连两个相同类型的网段，主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息位的转发。它本身不执行信号的过滤功能。（来自：转发器、网桥、路由器、交换机、集线器和网关简介 - yancy.lu - 博客园 (cnblogs.com)）
2. （$P_{50}3$）两个网段在物理层进行互联时要求（）
   A. 数据传输速率和数据链路层协议都可以不同
   B. 数据传输速率和数据链路层协议都要相同
   C. 数据传输速率要相同，但数据链路层协议可以不同
   D. 数据传输速率可以不同，但数据链路层协议要相同
   解答：
   • 物理层是OSI参考模型的第一层，它建立在物理通信介质的基础上，作为与通信介质的接口。在物理层互联时，各种网络的数据传输速率若不一致，那么可能出现以下两种情况：
     • (1)发送方的速率高于接收方，接收方来不及收导致溢出（因为物理层没有流量控制），数据丢失
     • (2)接收方速率高于发送方，不会出现数据丢失的情况，但效率极低
   • 综上，数据传输速率必须相同。但是数据链路层协议可以不同，若是在数据链路层互联，那么要求数据链路层协议也要相同。注意：在物理层互联成功，只表明这两个网段之间可以互相传输物理层信号，但并不能保证可以互传数据链路层的帧；要想也能在数据链路层互通，则要求数据传输速率和数据链路层协议都要相同
     错误原因：错选B
3. （$P_{50}8$）用集线器连接的工作站集合（）
   A. 同属一个冲突域，也同属一个广播域
   B. 不同属一个冲突域，但同属一个广播域
   C. 不同属一个冲突域，也不同属一个广播域
   D. 同属一个冲突域，但不同属一个广播域
   解答：集线器的功能是把从一个端口接收到的数据通过所有其他端口转发出去。集线器在物理层上扩大了物理网络的覆盖范围，但无法解决冲突域（第二层交换机可以解决）与广播域（第三层交换机可解决）的问题，而且增大了冲突的概率。选A
   错误原因：错选D
4. （$P_{50}9$）若有5台计算机连接到一台10Mb/s的集线器上，则每台计算机分得的平均带宽是（）
   A. 2Mb/s B. 5Mb/s C. 10Mb/s D. 50Mb/s
   解答：集线器以广播的方式将信号从除了输入端口以外的所有端口输出，因此任意时刻只能有一个端口的有效数据输入，因此平均带宽的上限为2Mb/s

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小结和疑难点整理

1. 基带传输、频带传输、宽带传输

基带传输

• 在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可以不经过调制直接在信道上传输的方式称为基带传输
• 基带传输通常用于局域网
• 数字基带传输
  • 是指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，双向传输信息

频带传输

• 用数字信号对特定频率的载波进行调制（数字调制)，将其变为适合于传送的信号后再进行传输，这种传输方式称为频带传输
• 在进行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，进而提高信道利用率

宽带传输

• 借助频带传输，可将链路容量分为两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号，这种方式称为宽带传输
• 宽带传输中所有信道能同时互不干扰地发送信号，链路容量大大增加。比如将信道进行频分复用，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

2. 同步通信和异步通信

同步通信

• 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
• 收发双方不停的发送和接收连续的同步比特流
• 主要有两种同步方式
  • 全网同步：用一个非常精确的主时钟对全网中所有结点上的时钟进行同步
  • 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通信
• 同步通信的数据率较高，但实现的代价较高

异步通信

• 异步通信在发送字符时，字符之间的时间间隔是任意的，但接收端必须时刻做好接收的准备
• 异步通信可以以字符、帧单位发送
  • 以字符为单位发送时，发送的字符要有起始位和结束位，以便使接收端能正确的将每个字符接收下来
  • 以帧为单位发送时，帧的首部和尾部必须设有一些特殊的比特组合，使得接收端可以找出帧的开始（即帧定界）
• 异步通信的通信设备简单、便宜，但传输效率低（因为标志的开销所占比例较大）

3. 奈氏准则和香农定理的主要区别

奈氏准则

• 奈氏准则指出，码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则接收端就不能正确判定码元所携带的比特是1还是0（码间串扰）
• 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到数值小很多
• 需注意，奈氏准则并没有限制信息传输速率(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信息，但码元所携带的比特数确定后，信道的极限数据率也就确定了

香农定理

• 香农定理指出，对于一定的传输带宽（单位是Hz）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
• 要想提高信息传输速率，要么设法提高传输线路的带宽，要么设法提高所传信道的信噪比，此外没有其他办法
• 注意：奈氏准则和香农定理中的“带宽”的单位都是Hz

4. 信噪比为S/N，为何还要用$10{\log }_{10}(S/N)$表示？

• 数字形式表示就是S/N，即一般数值，这种表示方式是没有单位的
• 以分贝形式表示，就是$10{\log }_{10}(S/N)$，这种表示方式是有单位的，即分贝dB
• 以上两种表示方式，数值上是等价的。但通常采用分贝形式表示，因为分贝对于表示特别大或特别小的数值极为有利

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更新文档

更新日期	更新内容
2022/7/23	添加例题
2022/7/24	增加小结和疑难点