计算机网络第8版课后习题答案整理

2.1 物理层主要解决哪些问题？物理层的主要特点是？

​ ①物理层要尽可能屏蔽掉物理设备、传输媒体和通信手段的不同，使上面的数据链路层感觉不到这些差异的存在，而专注于完成本层的协议与服务。

​ ②给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力。

主要特点：

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、固定和锁定装置等

② 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压的范围

③ 功能特性：指明某条线上面出现的某一电平的电压的意义

④ 过程特性：指明对于不同功能的各个可能事件的出现顺序

2.2 规程与协议有什么区别？

​ 协议即合同。 即双方或多方，通过协商确定的有关各方的权利与义务，也就是有权要求对方做什么，自已应做什么，未做到须承担的责任。

​ 规程为单方的要求，协议为双〈多〉方意思；规程是有一定强制性，而协议是完全自愿。

2.3 试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构件的作用？

​ 数据通信系统可分为三部分: 源系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端、接收方）。

​ ① 源系统包括:源点:源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站；发送器:通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
​ ②目的系统包括:接收器:接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息；终点:终点设备从接收器获取传送过来的信息。终点又称为目的站。
​ ③传输系统:信号物理通道。

2.4 解释名词

数据: 数据是运送消息的实体，是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。

信号： 数据的电气或电磁表现。

模拟信号： 代表消息的参数取值是连续的

数字信号： 代表消息参数取值是离散的

模拟数据： 模拟数据也称为 模拟量 ，相对于数字量而言，指的是取值范围是连续的变量或者数值。 模拟数据是指在某个区间产生的连续值，例如，声音、 图像 、 温度 、 压力 。 模拟数据一般采用模拟信号 (Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波 (如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号 (如电话传输中的音频电压信号)来表示；

数字数据： 采用数字信号，例如用一系列断续变化的电压脉冲 (如我们可用恒定的正电压表示 二进制数 1，用恒定的 负电压 表示二进制数0)，或光脉冲来表示。

基带信号： 来自信源的信号

带通信号： 经过载波调制的信号

单工通信： 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

半双工通信： 通信双方都可以发送接收信息，但不能双方同时发送和接收

全双工通信： 通信双方可以同时发送和接收信息

码元： 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为（二进制）码元。 而这个间隔被称为码元长度。值得注意的是当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个），此时码元为M进制码元。

串行传输： 串行传输是指数据的二进制代码在一条物理信道上将数据一位一位地依次传输的方式。

并行传输： 指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。

2.5 物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含哪些内容？

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、固定和锁定装置等

② 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压的范围

③ 功能特性：指明某条线上面出现的某一电平的电压的意义

④ 过程特性：指明对于不同功能的各个可能事件的出现顺序

2.6 数据在信道中传输速率受哪些因素限制？信噪比能否任意提高？香农公式在数据通信中的意义是什么？

限制数据传输的速率的因素：

​ ① 信道能通过的频率范围

​ ② 信噪比

信噪比能否任意提高：

​ 理论来说信噪比能任意提高只要信号功率足够大或者噪声功率足够小；但在实际的系统中由于受到系统发射功率的限制信号功率不可能无穷大而对于系统来说有一定的噪声基底不可能无穷小因此信噪比不能任意提高。

香农公式在数据通信中的意义是：

​ 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。

香农公式：

​ $C=Wlo{g}_2(1+S/N)$

2.7 假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为 20000 码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（bit/s）？

​ 假设原来传输一个码元需要1个二进制位表示，现在分成了16个，所以每个码元最少需要4位2进制表示 log2(16)=4，最快码元速率是20000码元/秒，一个码元4bit 。

​ 所以最高码元速率 = $20000\times lo{g}_2(16)=80000$ bit/s

2.8 假定要用 3 KHz带宽的电话信道传送 64kbit/s 的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示）？这个结果说明什么问题？

由香农公式 $C=Wlo{g}_2(1+S/N)$（其中C是信道容量；W是带宽；S/N是信噪比）
代入得：$64=3\times lo{g}_2(1+S/N)$
所以比值表示：$S/N=2^{64/3}-1=2^{21.33}-1=10485762.5-1=2621439$
分贝表示：$10lgS/N=10\times (6+0.42)=64.2$
结果说明这是个信噪比要求很高的信道。

2.9 用香农公式计算一下，假定信道带宽为3100 Hz，最大传输速率为35 kbit/s ，那么若想使最大信息传输速率增加 $60\%$ ，问信噪比 $S/N$ 应增加到多少倍？如果在刚才计算的基础上将信噪比再增加到 10 倍，问最大信息传输速率能否增再增加 $20\%$ ？

香农公式：$C=Wlog2(1+S/N)$ b/s 得

​ $S{N}_1=2^{C_1/W}-1=2^{35000/3100}-1$
$S{N}_2=2^{C2/W}-1=2^{1.6\times C_1/w}-1=2^{1.6\times 35000/3100}-1$
$S{N}_2/S{N}_1=100$ 信噪比应增大到约100倍。

$C_3=Wlo{g}_2(1+S/N_3)=Wlo{g}_2(1+10\times N_2)C_3/C_2=18.5$
如果在此基础上将信噪比 $S/N$ 再增大到10倍，最大信息通率只能再增加18.5%左右

2.10 常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

导引型传输媒体：

① 双绞线
双绞线分屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线。由两根相互绝缘的导线组成。可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，有效带宽达250kHz，通常距离一般为几道十几公里。导线越粗其通信距离越远。在数字传输时，若传输速率为每秒几兆比特，则传输距离可达几公里。一般用作电话线传输声音信号。虽然双绞线容易受到外部高频电磁波的干扰，误码率高，但因为其价格便宜，且安装方便，既适于点到点连接，又可用于多点连接，故仍被广泛应用。

② 同轴电缆
同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆，其结构是在一个包有绝缘的实心导线外，再套上一层外面也有一层绝缘的空心圆形导线。由于其高带宽（高达300~400Hz）、低误码率、性能价格比高，所以用作LAN中。同轴电缆的最大传输距离随电缆型号和传输信号的不同而不同，由于易受低频干扰，在使用时多将信号调制在高频载波上。

③ 光导纤维
光导纤维以光纤维载体，利用光的全反向原理传播光信号。其优点是直径小、质量轻：传播频带款、通信容量大：抗雷电和电磁干扰性能好，五串音干扰、保密性好、误码率低。但光电接口的价格较昂贵。光纤被广泛用于电信系统铺设主干线。

非导引型传输媒体：

① 无线电微波通信
无线电微波通信分为地面微波接力通信和卫星通信。其主要优点是频率高、频带范围宽、通信信道的容量大；信号所受工业干扰较小、传播质量高、通信比较稳定；不受地理环境的影响，建设投资少、见效快。缺点是地面微波接力通信在空间是直线传播，传输距离受到限制，一般只有50km，隐蔽性和保密性较差；卫星通信虽然通信距离远且通信费用与通信距离无关，但传播时延较大，技术较复杂，价格较贵

2.11 假定有一种双绞线的衰减是 $0.7dB/km$ （在1 kHz时），若容许有$20dB$的衰减，试问使用这种双绞线的链路工作距离有多长？如果要使用这种双绞线的工作距离增大致100公里，问应当使衰减降低到多少？

距离 $s=20/0.7=28.57km$

若使工作距离增大致100公里，则衰减为 $20/100=0.2$ dB

2.12 试计算工作在1200 ~ 1400 nm之间以及工作在1400 ~ 1600nm 之间的光波的频带宽度。假定光在光纤的传播速率为 $2\times 10^{8}m/s$ 。

频率 = 光速/波长

在光纤中光速为 $2\times 10^{8}m/s$ ，波长为$1200nm$ ~ $1400nm$

带宽 = 与1200 nm波长对应的频率 - 与1400波长对应的频率

​ =$2\times 10^8/1200\times 10^{-9}-2\times 10^8/1400\times 10^{-9}$

​ =$23.8\times 10^{12}Hz$

​ =$23.8THz$

同理可得：

带宽 = 与1400 nm波长对应的频率 - 与1600波长对应的频率

​ =$2\times 10^8/1400\times 10^{-9}-2\times 10^8/1600\times 10^{-9}$

​ =$17.86\times 10^{12}Hz$

​ =$17.86THz$

2.13 为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

一般情况下，通信信道带宽远远大于用户所需的带宽，使用信道复用技术可以提高信道利用率，共享信道资源，降低网络成本。

信道复用技术分为频分复用，时分复用，波分复用，码分复用，空分复用，统计复用，极化波复用。

2.14 试写出下列英文缩写的全程，并简单进行解释。

$FDM$ : $Frequency$ $Division$ $Multiplexing$ 频分复用；

​ 给每个信呆分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个独立信号的方法。组合多个信号的硬件称为复用器：分离这些信号的硬件称为分用器。

$FDMA$: $Frequency$ $Division$ $Multiplexing$ $Access$ 频分多址接入；

$TDM$: $Time$ $Division$ $Multiplexing$ 时分复用；

​ 把多个信号复用到单个硬件传输信道,它允许每个信号在一个很短的时间使用信道,接着再让下一个信号使用。

$TDMA$: $Time$ $Division$ $Multiplexing$ $Access$ 时分多址接入；

$STDM$： $Statistic$ $TDM$ 统计时分复用；

​ 一种改进的时分复用,它能明显地提高信道的利用率。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

$WDM$: $Wavalength$ $Division$ $Multiplexing$ 波分复用；

​ 人们借用传统的载波电话的频分复用的概念,就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就使光纤的传输能力成倍地提高了。由于光载波的频率很高,因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。

$DWDM$: $Dwnse$ $WDM$ 密集波分复用；

​ 波分复用的一种具体表现形式。DWDM的波长间隔很小,不到$2nm$,甚至小于$0.8nm$。因此现在可以把几十路甚至一百多路的光载波信号复用到一根光纤中来传输。由于$DWDM$的普及应用,现在人们谈论的$WDM$系统几乎全都是$DWDM$ 系统

$CDMA$: $Code$ $Division$ $Multiplexing$ $Access$ 码分多址；

​ 码分复用，也是一种共享信道的方法。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型,各用户之间并不会造成干扰,因此这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。

$SONET$: $Synchronous$ $Optical$ $Network$ 同步光纤网；

​ 美国在1988年首先推出了一个数字传输标准。整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构,其传输速率以$51.84 M b i t / s $为基础倍增上去。当这个倍数是768时，传输速率就近似为$40Gbit/s$。

$SDH$: $Synchronous$ $Digital$ $Hierarchy$ 同步数字系列；

​ ITU-T以美国标准SONET为基础制定出的国际标准。但S D H 的基本速率为$155.52Mbit/s$,称为STM-1。

$STM1$: $Synchronous$ $Transfer$ $Module-1$ 第一级同步传递模块；

​ 过光纤传输数据的一系列标准。SDH标准规定第1级同步传递模块(STM−1）的传输速率是$155.52 M b i t / s $,然后把 $n$ 倍的速率记为$STM-n $。

$OC-48$: $Optical$ $Carrier-48$ 光载波；

​ SONET标准的表示方法。此标准规定第1级光载波(即$O C − 1 $）的传输速率是$51.84Mbit/s$,然后把$n$倍的速率记为$OC-n $。例如,$OC-48$的比特率是48倍的OC-1速率，即$2488.32Mbit/s$,一般就写为$2.5Gbit/s$。

2.15 码分多址 $CDMA$ 为什么可以使所有用户在同样的时间使用同样的频带进行通信而不会互相干扰？这样的复用方法有何优缺点？

​ CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交。两个不同站的码片序列正交,就是这两个码片向量的规格化内积等于0。但任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是−1。

优缺点：

①采用码分多址CDMA所发送的信号有很强的抗干扰能力

② 其频谱类似于白噪声,不易被“黑客”发现

③ 随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降,因而现在已广泛使用在民用的移动通信中,特别是在无线局域网中

④ 采用C D M A 可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量（是使用GSM的45倍)，降低手机的平均发射功率

2.16 共有四个站进行码分多址 $CMDA$ 通信。四个站的码片序列为：

A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1）B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）
C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1）D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）

现收到这样的码片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。

问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是0还是1 ？

A站的内积:( − 1 + 1 − 3 + 1 − 1 − 3 + 1 + 1 ) ∙ ( − 1 − 1 − 1 + 1 + 1 − 1 + 1 + 1 ) / 8 =1
B站的内积:( − 1 + 1 − 3 + 1 − 1 − 3 + 1 + 1 ) ∙ (－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1 ) / 8 = −1
C站的内积:( − 1 + 1 − 3 + 1 − 1 − 3 + 1 + 1 ) ∙ ( − 1 + 1 − 1 + 1 + 1 + 1 − 1 − 1 ) / 8 =0
D站的内积:( − 1 + 1 − 3 + 1 − 1 − 3 + 1 + 1 ) ∙ ( − 1 + 1 − 1 − 1 − 1 − 1 + 1 − 1 ) / 8 =1
因此,A和D 发送1 , B发送0,而C未发送数据。

2.17.试比较xDSL、HFC以及FTTx接入技术的优缺点？

使用$ADSL$最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线,不需要重新布线。用户可以根据自己的情况使用不同速率的宽带接入(按带宽付费)。这种接入的缺点就是对用户线的质量有较高的要求。如果用户住宅距离电话交换局较远,或线路的噪声较大,那么宽带接入的速率就会适当地降低。

$HFC$ 的优点是覆盖面很广，并且其带宽也很高，可以传送很高速率的数据。缺点是必须对现有单向传输的有线电缆进行改造,变为可双向通信的电缆。用户家中需要增加一个机顶盒,用来观看电视和传送上行信号（在点播节目时使用)。此外,为了解决信号传输时有衰减的问题,在有线电缆中每隔一定距离就要加入一个放大器。大量放大器的接入将使整个网络的可靠性下降。

光纤接入$FTTx$是解决宽带接入最理想的方案,因为光纤可传送的数据率很高,且通信质量最好。但大量用户使用光纤接入还需要较多的建设资金。

现在三种接入方法各有优缺点,但在技术上这三种接入方法都能够解决高速上网的问题。在我国,对于新建造的高层建筑或居民小区,目前采用光纤接入是实现高速宽带上网最合适的方法。

18.为什么在ASDL技术中，在不到1MHz的带宽中却可以传送速率高达每秒几个兆比？

靠先进的编码,使得每秒传送一个码元就相当于每秒传送多个比特。在电话用户线中共划分为三个信道。第一个信道是为传统电话
使用的双向通信的电话信道，在这个信道上传输的是模拟电话信号。第二个信道是上行数据信道,是单向信道,共划分为25个子信道。第三个信道是下行数据信道，也是单向信道,共划分为249个子信道。

数据信道的每一个子信道都占据4 k H 的带宽（严格讲是$4.3125kHz$ )，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同)，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。

现在$DMT$技术采用正交幅度调制$QAM$。每一个子信道的数据率并不固定,取决于该子信道的信噪比,在最好的情况下（即信噪比很高时)，每一个子信道可获得高达$60 k b i t / s $的数据率。这样,249个下行子信道在理论上可得到的下行极限总数据率是$249\times 60kbit/s=14.94Mbit/s$ 。不过在实际中这样高的理论数据率是达不到的。现在$ADSL$用户最常用的下行数据率就是$2Mbit/s$的速率。

当$ADSL$启动时,用户线两端的$ADSL$调制解调器就测讨可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。对具有较高信噪比的频率,ADSL就选择一种调制方案使得每码元对应于更多的比特。反之，对信噪比较低的频率，ADSL就选择一种调制方案使得每码元对应于较少的比特。因此,ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。因此,电信局需要定期检查用户线的质量,以保证能够提供向用户承诺的ADSL数据率。

2.19.什么是EPON和GPON？

EPON(EthernetPON)是以太网无源光网络,已在2004年6月形成了IEEE的标准$802.3ah$。在链路层使用以太网协议,利用$PON$的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON的优点是：与现有以太网的兼容性好，并且成本低,扩展性强,管理方便。

GPON(GigabitPON)是吉比特无源光网络,其标准是ITU在2003年1月批准的ITU-T
G.984。GPON采用通用封装方法GEM(GenericEncapsulationMethod),可承载多业务,对各种业务类型都能够提供服务质量保证,是很有潜力的宽带光纤接入技术。

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