计算机网络——物理层

计算机网络——物理层

涉及内容如下：

（一）通信基础

信道、信号、带宽、码元、波特、速率

奈奎斯特定理与香农定理、编码与调制

电路交换、报文交换、分组交换；数据报与虚电路

（二）传输介质

双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质；物理层接口的特性

（三）物理层设备

中继器、集线器

1.1 通信基础

1.1.1 基本概念

1、信号

连续变化的数据（信号）称为模拟数据（模拟信号）

取值仅允许为有限的几个离散数值的数据（信号）称为数字数据（数字信号）

2、码元

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

1码元可以携带若干比特的信息量，例如4进制码元携带2bit，16进制码元携带4bit

3、速率、波特

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（又称脉冲个数或信号变化的次数），单位波特（Baud），1波特率表示每秒传输一个码元，码元传输速率与进制数无关

信息传输速率：又称信息速率、比特率，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位是比特/秒，即每秒传输多少个bit

两者关系：若一个码元携带nbit信息量，则M波特率的码元传输速率对应的信息传输速率为Mn比特/秒

4、信道

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号

基带传输：基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后在数字信道上传输，适用近距离

宽带传输：宽带信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输，适用远距离

5、数据传输方式

串行传输：是指1比特1比特地按照时间顺序传输（远距离通信通常采用串行传输）

并行传输：是指若干比特通过多条通信信道同时传输

1.1.2奈奎斯特定理与香农定理

码间串扰：具体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，因为会在传输中衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限。

奈奎斯特定理

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是理想低通信道的带宽，V表示每个码元离散电平的数目，

则极限数据率为=2Wlog2（V） 单位为b/s

由于码元传输速率受奈氏准则的制约，所有要提高数据传输速率，可设法提高每个码元携带更多比特的信息量

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速率，

信道的极限传输速率=Wlog2（1+S/N）,W为信道的带宽，S/N为信噪比，信噪比=10log10（S/N）单位为dB,例如S/N为1000时，信噪比为30dB

1.1.3 编码与调制

1、数字数据编码为数字信号

1**)曼彻斯特编码**：将一个码元分成两个相等的间隔，前高电平，后低电平表示1，前低电平，后高电平表示0。

特点：每个码元的中间出现电平跳变，该跳变可作为时钟信号，也可作为数据信号，所占的频带宽度时原基带宽度的两倍。以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码

2）差分曼彻斯特编码：若码元为1，则与前半个码元与上一码元的后半个码元相同，若码元为零则相反。特点：在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可实现自同步，干扰性较好，常用于局域网传输

3）归零编码（RZ）：高电平表示1，低电平表示0，每个时钟周期的中间均跳变到低电平，由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到一定的影响

4）非归零编码(NRZ)：不用归零，特点：NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，想要传输告诉同步数据则需要带有时钟线。

5）反向非归零编码（NRZI）：与NRZ编码不同的就是，信号的翻转代表0，信号保持不变表示1.特点：既能传输时钟信号，又不损失带宽。USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码

6）4B/5B: 5位码共32种组合，其中16种对应16种不同的4位码，其他16种作为控制码。

2、数字数据调制为模拟信号

正交振幅调制（QAM）：设波特率为B,采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输速率R为

R=Blog2(mn) 单位b/s

3、模拟数据编码成数字信号

常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），主要三个步骤，采样、量化、编码

采样频率必须大于等于模拟数据的频带带宽f的两倍

4、模拟信号调制为模拟信号

可使用频分复用（FDM）技术

1.1.4 电路交换、报文交换、分组交换

1、电路交换

2、报文交换

3、分组交换

对比：

1.1.5 数据报与虚电路

数据报和虚电路是分组交换的两种方式，由网络层提供

1、数据报方式

2、虚电路方式

二者对比

题目练习：

1、（）被用于计算机内部的数据传输 B

A.串行传输 B.并行传输 C.同步传输 D.异步传输

2、不含同步信息的编码是（） A

A.非归零编码 B.曼彻斯特编码 C.差分曼彻斯特编码

3、测得一个以太网段数据波特率是40MBaud，那么其数据率（） 20Mb/s

答：以太网使用的编码为曼彻斯特编码，一个比特需要两个电平，所以波特率是比特率的两倍

4、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（） 32kBaud

答：4个有效离散值可用2个bit表示，信号传输速率=波特率*每个波特所含的bit，所以波特率32kBaud

5、有一条无噪声的8kHz信道，每个信号包含8级，每秒采样24k次，那么可以获得的最大传输速率是（）48kb/s

答：根据公式信号极限传输速率=2Wlog2（V）=48kHz，每秒采样24kHz是无意义，因为超过了波特率上限2W=16kBaud

6、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以达到（） 8000b/s

答：根据香农定理，最大数据率=Wlog2（1+S/N）=28000b/s,根据奈奎斯特定理，最大传输速率=2Wlog2（2）=8000b/s,应在两者取较小值。

7、一个信道每1/8s采样一次，传输信号共有16种变化状态，最大数据传输速率是（） 32b/s

答：1/8s对应8Hz,16种变化状态可用4bit表示，所以最大数据传输速率=8*4=32b/s

8、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位的二进制数，另外7路信号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（） 64kb/s

答：1路模拟信号频率变化上限为1kHz，则采样频率至少为2kHz，所以数据传输速率为8kb/s，复用的每条支路速率要相等，所以均要采用脉冲填充，8kb/s*8=64kb/s

9、用PCM对语音进行数字量化，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速率为（） 56kb/s

128个量化级需要7个bit表示，所以数据传输速率=7*8kHz=56kb/s

10、在无噪声的情况下，若某条通信链路的带宽为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（） 24kb/s

答：因为给了链路的带宽，所以根据奈奎斯特定理可得，最大传输速率＝２Wｌｏｇ２（V）＝２＊３＊４＝２４ｋｂ／ｓ，与第７题不同的是，本题给了带宽，所以需根据奈奎斯特定理进行计算。

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1.2 传输介质

传输介质分为导向传输介质和非导向传输介质

导向传输介质：

1）双绞线：两根采用一定规则并排绞合相互绝缘的铜导线，绞合可以减少相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。价格便宜，在局域网和传统电话网中普遍使用。

2）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。由于外导体屏蔽层的作用，具有良好的抗干扰特性，传输距离更远，但价格较双绞线贵

3）光纤：利用光导纤维传递光脉冲进行通信，可见光的频率为10^8MHz，因此光纤通信系统的带宽范围大。

多模光纤：利用光的全反射特性，可以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，光源为发光二极管，适用于近距离传输

单模光纤：光纤的直径减小到只有一个光的波长。光源为定向性很好的半导体激光器，适用于远距离传输。

优点：1）传输损耗小 2）抗雷电和电磁干扰性能好 3）无串音干扰，保密性好 4）体积小，重量轻

非导向传输介质：

无线电波：具有较强的穿透能力，广泛应用于通信领域没计算机网络中的无线局域网（WLAN）。使无线电波信号向所有方向散播

物理层接口特性

1）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

2）电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围

3）功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压表示何种意义

4）过程特性：或称规程特性，指明对于不用功能的各种可能事件出现顺序

题目：

1、在电缆中采用屏蔽技术带来的好处主要是（） B

A.减少信号衰减 B.减少电磁干扰辐射

C.减少物理损坏 D.减少电缆的阻抗

2、利用一根同轴电缆互连主机构成以太网，则主机间的通信方式为（） B

A.全双工 B.半双工 C.单工 D.不确定

3、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是（） 过程特性

4、不属于物理层接口范围定义范畴的是（） C

A.接口形状 B.引脚功能 C.物理地址 D.信号电平

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1.3 物理层设备

中继器

主要功能将信号再生放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求。中继器有两个端口，端口仅作用于信号的电气部分，不管数据的对错。

中继器两端的网段一定要使用同一协议，且不能连接两个速率不同的网段

“5-4-3规则”： 互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且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。

集线器

实质上是一个多端口的中继器，一个端口接收到信号后，将该信号整形放大后，转发到除输入端口外的所有处于工作状态的端口，在网络中只起信号放大和转发作用，而不具备信号的定向传送能力

集线器不能分割冲突域，连接在集线器上的工作主机平分带宽

题目：

1、下列关于物理层设备的叙述错误的是（） B

A.中继器仅作用于信号的电气部分

B.利用中继器来扩大网络传输距离的原理是它将衰减的信号进行了**放大 ** （ 应该是再生）

C.集线器实质上相当于一个多端口的中继器

D.物理层设备连接的几个网段仍是一个局域网，且不能互连具有不同数据链路层协议的网段

2、两个网段在物理层进行互联是要求（） C

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，数据链路层协议可以不同

D.数据传输速率可以不同，数据链路层协议要相同

解释：

物理层是OSI参考模型的第1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。
综上所述，数据传输速率必须相同。另外，数据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。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联互通的目的，则要求数据传输速率和数据链路层协议都相同