中南大学计算机网络物理层讲义(最新)

物理层
1、信道：信号的传输媒质，可分为有线信道和无线信道。

有线信道包括双绞线、同轴电缆、
光纤等。

2、信号：运载消息的工具，是消息的载体。

从广义上讲，它包含光信号、声信号、电信号等。

3、信道带宽：限定允许通过该信道的信号下限频率和上限频率。

4、码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字，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。

1 码元可以携带 1 或多个比特的信息量。

5、波特率：单位时间内载波参数变化的次数，或单位时间内载波调制状态改变次数，其单位为波特，可被理解为单位时间内传输码元符号的个数，通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息。

6、比特率：是数字信号的传输速率，即单位时间内传输的二进制代码的有效位数，其单位为每秒比特数。

7、信源与信宿：信源与信宿可简单地理解为信息的发送者和信息的接受者。

信息传播的过
程一般可描述为：信源信道信宿。

在计算机网络中，网络上的任何一台计算机都可以成
为信源，也可以成为信宿。

8、编码与调制：用数字信号承载数字或模拟数据称为编码；用模拟信号承载数字或模拟数
据称为调制。

9、电路交换、报文交换与分组交换电路交换首先要建立连接，然后进行数据传输，传输完毕后释放连接，时延短，不会拥塞，不会乱序，静态地保留带宽，不受其他用户干扰，适用于大量数据传输，否则资源利用率低。

报文交换无需先建立连接而直接传输数据，带宽动态申请动态释放，资源利用率高，采用存储－转发的方式，时延不确定，可能会产生拥塞、报文乱序等现象。

分组交换是对报文交换的改进，较大的报文分割为分组，分组有个最大长度限制，使得存储－转发可以在内存中完成。

其他同报文交换类似。

10、数据报与虚电路等基本概念虚电路采用呼叫分组显式建立一条逻辑链路，然后分组根据虚电路标签VPI 、VCI 可快速沿
通路发送，传输完毕，利用释放链路分组将该链路释放。

数据报不需要显式建立链路，发送方将数据组装成数据报，在其中填入发送方和接收方地址，然后通过存储－转发方式发送。

11、尼奎斯特定理与香农定理
尼奎斯特定理给出了求无噪声信道最大数据传输率的公式，即最大数据传输率= 2Hlog 2V,单位为“比特位/ 秒（bps）”。

试题 2.1 根据尼奎斯特定理，下列哪些正确？
（1）只要达到每秒2H 次采样，信号可以被完全重构；
（2）采样率超过每秒2H 次无意义；
（3）通过采样恢复出来的高频成分被带宽为H 的低通滤波器滤掉了；
（4）V 表示信号的离散级数，即系统可调制出的信号状态；
（5）一个信道的最大数据传输率取决了信道带宽和采用的编码方案。

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试题 2.2 采用相-幅调制技术在带宽为64kHz 的无躁声信道上传输数据，每个相位有 4 种不同幅度的电平，要达到512K 比特位/秒的数据速率，至少要多少相位？
香农定理给出了求有噪声信道最大数据传输率的公式，即最大数据传输率= Hlog 2
（1+S/N）,
单位为“比特位/秒”，S/N为信噪比，通常用公式10lgS/N转换为由分贝（dB）作为度量单位的值。

试题2.3根据香农定理，下列哪些正确？
（1）公式中的信噪比S/N 是信号功率与噪声功率的比值，用于衡量热噪声的数量；
（2）公式中的信噪比单位为分贝；
（3）数据传输率与信号级数无关；
（4）数据传输率与采样频率无关；
（5）适用于任何热噪声信道。

（1）（3）（4）（5）
12、综合布线相关知识
综合布线的优点：（a）结构清晰，便于管理和维护；（b）材料统一先进，适应今后的发展需要；（c）灵活性强，适应各种不同的需求；（d）便于扩充，节约费用，提高了系统的可靠性。

传输介质：（a）双绞线：由两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕（一般以顺时针缠
绕）在一起而制成的一种通用配线。

互相绝缘的金属导线的互相绞合可以抵御一部分外界电磁波干扰，降低自身信号的对外干扰。

通常，计算机网络所使用的是 3 类线和5类线双绞线，其中10 BASE-T 使用的是 3 类线，100BASE-T 使用的5 类线。

双绞线又可分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。

屏蔽双绞线电缆的外层由铝铂包裹，以减小辐
射，但并不能完全消除辐射，屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电
缆困难。

（b）同轴电缆：先由两根同轴心、相互绝缘的圆柱形金属导体构成基本单元（同轴
对），再由单个或多个同轴对组成的电缆。

同轴电缆分50Q基带电缆和75Q宽带电缆两类。

基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。

基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps。

（c）光纤：光导纤维的简称，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中全反射而形成的传导工具；通常，光纤的一端使用发光二极管和激光做光源，产生光脉冲传送至光纤中，而光纤另一端使用带光敏元件的接收装置检测脉冲；光在光纤中的传导损耗比电在电缆中传导的
损耗低得多。

（d）无线传输介质：存在于自由空间中，可被利用来发送和接收通信信号的电
磁波谱；可以用于无线传输的电磁波谱频段很广，如无线电波、微波、红外线、激光等；无线电波的特点：容易产生、全向传播、传输距离长、易穿透障碍物；微波的特点：几乎按直线传播、不易穿透障碍物；红外线的特点：有方向性、便宜、易于制造、不易穿透障碍物。

物理层设备：（a）中继器：网络物理层上面的连接设备。

通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。

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。

从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。

事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，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。

主要优点：扩大了通信距离、增加了节点最大数目、提高了可靠性、改善了性能。

主要缺点：增加了延时。

（b）集线器：主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大
网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。

集线器实际上就是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多口中继器。

物理层接口的特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
试题 2.4 关于传输介质，下列说法正确的有（）
（1）每种传输介质在带宽、延时、造价、安装、维护等方面都具有各自的特性；
（2）双绞线既可用于传输模拟信号（用作电话系统的本地回路），又可用于传输数字信号（局域网）；
（3）双绞线的带宽取决于铜线的直径和长度；
（4）同轴电缆比双绞线有更好的屏蔽性，因此能以更高的速率传输更长的距离，其可能达到的带宽取决于电缆的质量、长度、数据信号的信噪比等，并广泛应用于有线电视网和城域网中；
（5）双绞线和同轴电缆的长度越长，带宽越低。

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试题 2.5 一个光纤传输需要具备的关键部件有（）（1）光源、和传输介质、检测器
（2）光源、传输介质、检测器、计算机
（3）光源、传输介质、检测器、计算机、光电接口卡
（4）光源、传输介质、计算机
1
试题 2.6 关于光纤的说法，正确的有（）
（1）光束在光纤中可能有不同的传播模式，这是因为每束光都可能以不同的反射角传播；
（2）光束在其中具有多种传播模式的光纤称为多模光纤，而仅有一种传播模式的则称单模光纤；（3）单模光纤的直径约为几个光波波长大小；
（4）单模光纤如同一个波导，光束在其中按直线传播。

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试题 2.7 关于光纤的连接方式，说法正确的有（）
（1）可以将它们接入连接头并插入光纤插座，连接头要损失10% 到20%的光，但重新配置系统容易；
（2）可以用机械方法将其结合，但要损失大约10% 的光；
（3）两根光纤可以被融合在一起形成坚实的连接，但有点衰减；
（4）两根光纤可以被融合在一起形成坚实的连接，几乎无衰减。

1，2，3
试题 2.8 关于光纤和铜线比较的说法，正确的有（）
（1）光纤提供的带宽比铜线高得多，信号衰减较小，在长的线路上每30KM 才需要一个中继器，而铜线每5KM 就需要一个，因而省钱；
（2）光纤比铜线能适应恶劣的工作环境。

例如，机械损坏、电磁干扰、化学腐蚀等；
（3）光纤重量轻、体积小，省钱省空间；
（4）光纤不漏光并且难于拼接，很难被窃听
（5）光纤的不利因素：单向传输、光纤接口比电子接口贵、安装不如铜线方便。

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试题 2.9 关于光纤组网，下面说法正确的有（）
（1）光纤可以用于LAN ，也可以用于长距离传输，连接比以太网复杂；
（2）通常采用的拓扑结构是环形、星形；
（3）接口类型有无源接口、有源中继器；
（4）采用有源中继器的网络存在从信号到电信号，再到光信号的转换过程，这不仅限制了传输率，也存在一个有源中继器损害，整个环被破坏的缺陷；
（5）采用无源接口可以克服有源中继器的缺陷，但每个连接处都有光损失，因此，计算机的数量和环的总长度会受限制。

（6）无源星形结构将所有输入的信号组合起来，然后再将合并之后的信号传输到所有的线路上，因此，能量被分散，致使网络中的节点数量受到限制（与光敏二极管的感应效果有关）。

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试题 2.10 关于公共交换电话网络（PSTN ），下列说法正确的有（）（1）主要由本地回路、干线、交换局构成
（2）本地回路采用双绞线传输模拟信号，而干线采用光纤传输数字信号；
（3）采用电路交换，在物理链路建立过程中，交换局选择线路将呼叫端与被呼叫端连通；
（4）传输线路存在衰减、延时畸变、噪声等问题；
（5）衰减指信号传播过程中的能量损失，畸变指信号的不同傅立叶分量的传播速度差异导致在接收端出现码间干扰，噪声指来自于非发射器的多余能量；
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试题 2.11 关于基带（DC ）信号传输和AC 信号传输，下列说法正确的有（）
（1）数字信号用到的方波频谱很宽，因而衰减和延时畸变很严重；
（2）在低速和短距离通信中，可以考虑采用基带（DC ）信号传输，否则，AC 信号传输是一种可行选择；
（3）由于衰减和传播速度与频率相关，在信号中很难有一个较宽的频率范围；
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试题 2.12 关于调制解调器，下列说法正确的有（）
（1）调制解调器接收一个为序列作为输入，产生一个被调制的载波作为输出，或输入输出正好相反；
（2）可采用的主要调制方法有：调幅（或移幅键控）、调频（或移频键控）、调相（或
移相键控）、幅和相结合（如正交振幅调制QAM ）；
3)星座图可用来形象地表示振幅和相位的组合，振幅由星座图上状态点与原点的
距离来表示，相位由从该点到原点的直线与正相的X 轴所构成的角度来表示。

( 4 )调制解调器每秒钟采样的次数可以用波特来计量，每一个波特中，只发送一个码元，若一个码元只有两个信号状态 (如低电压和高电压) ，则位传输率与波特在数值上是一样的；
(5)在调制解调器采用的正交相移键控( QPSK)中，在星座图上显示振幅相同，相邻状态点相位彼此相差90 度，位传输滤是波特的两倍；
(6)所有的调制解调器都允许同时在两个方向传输，即全双工传输。

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试题 2.12 关于带宽、波特、码元、位传输率，下列说法正确的有()
( 1)一种介质的带宽是指在最小衰减的情况下，能够通过这种介质的频率范围；
( 2)波特指每秒采样的次数；
( 3)码元是指在每次采用中发送的一份信息；
( 4)波特率与码元率是相同的；
( 5)每个采样的位数由调制技术决定；
( 6)位传输率是指一条信道上发送的信息的数量，等于每秒采样数乘以每个采样的
位数；
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试题 2.12 关于全双工、半双工、单工，下列说法正确的有()
( 1) 全双工链路的两端同时进行数据发送；
( 2)半双工链路的两端都可成为发送端，但不能同时发送；
(3)单工链路的两端只能一端是发送端，另一端是接收端；
(4)单工链路的一个例子：一根光纤的一头是激光源，另一头是光检测器；
5）采用频分复用可实现一条全双工链路；
6）采用时分复用可实现一条半双工链路。

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13、宽带的概念相对于电话服务的带宽来说的，若一项服务提供的带宽比标准的电话服务多时，则称这样的服务位宽带。

ADSL （非对称数字用户线路）是提供宽带的一种流行技术。

ADSL 的工作原理是：将本地回路上可供使用的频谱（约 1.1MHz ）分成三个频段，分别用于语音通信、上行数据流（从用户到端局）、下行数据流（从端局到用户）。

14、为什么拨号接入使用的调制解调器（56kpbs ）速度慢？
因为它使用的是语言信号的频段。

本地回路的端局端设置的滤波器把300Hz 以下和3400Hz 以上的频率都减弱了。

因此，数据也被限制在这窄窄的频段中，且语音通信和数据传输不能同时进行。

15、多路复用的概念
频分多路复用（FDM ）：频谱被分成频段，每个用户可以单独拥有某个频段。

时分多路复用（TDM ）：用户轮流（循环法）获得整个带宽，每次仅使用一小段时间。

波分多路复用（WDM ）：在光纤信道上，对频分多路复用的一个变种，是频分多路复用在极高频率上的应用。

码分多路复用（CDM ）：允许用户在任何时候使用整个频段，但不同的用户要使用不同的码，即利用编码技术将多个并发的传输过程分离开。

试题 2.13 计算机网络（Andrew 编，第四版）教材第二章的典型习题
P149 试题2 至6
P149 试题7 在1 m 波长上，在0.1 m 的频段中有多少带宽？
P149 试题8, 10, 11 , 12
P150 试题22, 23 , 24
P151 试题31 , 32 , 33, 41 , 42
P152试题43。