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考纲

    • 通信基础
    • 信道、信号、带宽、码元、速率、信源与信宿等基本概念
    • 奈奎斯特定理与香农定理；编码与调制
    • 电路交换、报文交换与分组交换；数据报与虚电路
    • 传输介质
    • 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质；物理层接口等特性
    • 物理层设备
    • 中继器；集线器

复习提示

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输介质上传输数据比特流,而不是具体的传输介质。本章概念较多,易出选择题,复习时应抓住重点,如奈奎斯特定理和香农定理的应用、编码与调制技术、数据交换方式,以及电路交换、报文交换与分组交换技术等。

2.1通信基础

公式汇总

  • 奈奎斯特定理（奈氏准则）：在理想低通（没有噪声、带宽有限）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是信道的频率带宽（单位为Hz）。若用V表示每个码元的离散电平数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元,若有16种不同的码元,则需要4个二进制位,因此数据传输速率是码元传输速率的4倍）,则极限速率为
    • 理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog2V(单位为b/s)
  • 香农定理:带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率,当用该速率传输数据时,不会产生误差。
    • 信道的极限数据传输速率 = Wlog2（1+S/N）（单位为b/s）W是信道的频率带宽（单位为Hz）,S为信道内所传输信号的平均功率,N为信道内的高斯噪声功率。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S/N=1000,信噪比为30dB.
  • 波特率B与数据传输速率C的关系为 C=Blog2N ,N为一个码元所取的离散值个数。

2.1.1 基础概念

  1. 数据、信号与码元
  2. 信源、信道与信宿
  3. 速率、波特与宽带

2.1.2 信道的极限容量

码间串扰

  1. 奈奎斯特定理（奈氏准则）:在理想低通（没有噪声、带宽有限）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是信道的频率带宽（单位为Hz）。若用V表示每个码元的离散电平数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元,若有16种不同的码元,则需要4个二进制位,因此数据传输速率是码元传输速率的4倍）,则极限速率为

    理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog2V(单位为b/s) 对于奈氏准则,有一下结论：

    1. 在任何信道中,码元传输速率是有上限的。若传输速率超过上限,则会出现严重的码间串扰问题,使得接收端不可能完全地识别码元。
    2. 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多）,就越可用更高的速率有效地传输码元。
    3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制,但并未限制信息传输速率,即未对一个码元可以对应多少个二进制给出限制 因为码元传输速率受奈氏准则制约,所以要提高数据传输速率,就要设法使每个码元携带更多比特的信息量,此时需要采用多元制的调制方法。

  2. 香农定理:带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率,当用该速率传输数据时,不会产生误差。香农定理定义为

    信道的极限数据传输速率 = Wlog2（1+S/N）（单位为b/s） W是信道的频率带宽（单位为Hz）,S为信道内所传输信号的平均功率,N为信道内的高斯噪声功率。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S/N=1000,信噪比为30dB. 对于香农定理,有以下结论：

    1. 信道的宽带或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率越高。
    2. 对一定的传输宽带和一定的信噪比,信息传输速率的上限是确定的。
    3. 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率,就能找到某种方法实现无差错的传输。
    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要比它低不少。 奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率之间的关系,而香农定理不仅考虑了带宽,也考虑了信噪比。

2.1.3 编码与调制

  1. 数字数据编码为数字信号
    • 归零（RZ）编码。
    • 非归零（NRZ）编码。
    • 反向非归零（NRZI）编码。
    • 曼彻斯特编码。（标准以太网使用）
    • 差分曼彻斯特编码。（广泛用于宽带高速网）
  2. 模拟数据编码为数字信号
    • 采样 是指对模拟信号进行周期性扫描,将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
    • 量化 是指将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整,这样就将连续的电平幅度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。
    • 编码 是指将量化得到的离散整数转换为与之对应的二进制编码。
  3. 数字数据调制为模拟信号
    • 调幅（AM）或幅移键控（ASK）
    • 调频（FM）或频移键控（FSK）
    • 调相（PM）或相移键控（PSK）
    • 正交幅度调制（QAM）。
  4. 模拟数据调制为模拟信号

2.1.4 本节习题精选

一、单项选择题

01.下列说法正确的是()
D
信道不等于通信电路,一条可双向通信的电路往往包含两个信道：一个是发送信道,一个是接收信道。另外,多个通信用户共用通信电路时,每个用户在该通信电路都有一个信道,因此A错误。调制是将数据转换为模拟信号的过程,B错误。C明显错误。“比特率”在数值上和“波特率”的关系如下：波特率=比特率/每符号含的比特数,D正确
02.影响信道最大传输速率的因素主要有()
A
根据香农定理,影响信道最大传输速率的因素主要有信道带宽和信噪比,而信噪比与信道内所传输的平均信号功率和噪声功率有关,数值上等于二者之比。
03.()被用于计算机内部的数据传输。
B
并行传输特点：距离短、速度快。串行传输特点：距离长、速度慢。所以计算机内部（距离短）应选择并行传输。同步、异步传输是通信方式,而不是传输方式。
04.下列有关曼彻斯特编码的描述中,正确的是()
B
曼彻斯特编码将时钟和数据包含在信号中,在传输数据的同时,也将时钟一起传输给对方,码元中间的跳变作为时钟信号,不同的跳变作为数据信号,A错误,B正确。每个码元的中间都发生点平跳动,D错误。曼彻斯特编码最适合传输二进制数字信号,C错误。
05.在数据通信中使用曼彻斯特编码的主要原因是()
B
曼彻斯特编码用码元中间的电平跳变来表示每个比特,可方便收发双方根据跳变来同步时钟,而不需要额外的时钟信号,B正确
06.不含同步信息的编码是().
Ⅰ.非归零编码
Ⅱ.曼彻斯特编码
Ⅲ.差分曼彻斯特编码
A
非归零编码是最简单的一种编码返回式,他用低电平表示0,用高电平表示1,或采用相反的表示方式。因为各个码元之间并没有间隔标志,所以不包含同步信息。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都将每个码元分成两个相等的时间间隔,码元的中间跳变也作为收发双方的同步信息,所以不需要额外的同步信息,实际应用及哦啊多,但它们所占的频带宽度还是原始基带宽度的2倍。
07.波特率等于()
A
波特率表示信号每秒变化的次数（注意和比特率的区别）。
08.测得一个以太网的数据波特率是40MBaud,那么其数据率是().
B
因为以太网采用曼彻斯特编码,每位数据（1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低2倍,得数据率为（40Mb/s）/2=20Mb/s
注意：曼彻斯特编码的每个比特需要两个信号周期,信号率是数据率低2倍,编码效率是50%。
09.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值个数为().
D
比特率=波特率*log2n,若一个码元含有k比特的信息量,则表示该码元所需不同离散值为n=2k。波特率数值上等于比特率/每码元所含比特数,因此每码元所含比特数=4000/1000=4比特,有效离散值的个数为24=16.
10.下图是某比特串的曼彻斯特编码信号波形,则该比特串为()
A
在曼彻斯特编码中,可用向下跳变表示1、向上跳变表示0,或者采用相反的表示。因此,该比特串可能是0011 0110或1100 1001,因此选A。
11.已知某信道的信息传输速率为64kbs,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()。
B
一个码元若取2n个不同的离散值,则含有比特的信息量。本题中,一个码元所含的信息量为2比特,因为数值上波特率=比特率/每码元所含比特数,所以波特率为(64/2)k=32 kBaud。
12.有一个无噪声的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()。
C
无噪声的信号应该满足奈奎斯特定理,即最大数据传输速率=2W1og2V比特/秒。将题中的数据代入,得到答案是48kb/s。注意题中给出的每秒采样24kHz是无意义的,因为超过了波特率的上限2W=16 kBaud,所以选项D是错误答案。
13.对于某带宽为4000Hz的低通信道,采用16种不同的物理状态来表示数据。按照奈奎斯特定理,信道的最大传输速率是()。
D
根据奈奎斯特定理,题中W=4000Hz,最大码元传输速率=2W=8000Baud,16种不同的物理状态可以表示1og216=4比特的数据,所以信道的最大传输速率=8000×4=32kb/s。
14.二进制信号在信噪比为127：1的4Hz信道上传输,最大数据传输速率可以达到()。
B
根据香农定理,最大数据率=W1og2(1+SW)=4000×1og2(1+127)=28000b/s,容易误选A。注意题中“二进制信号”的限制后,依据奈奎斯特定理,最大数据传输速率=2H1og2V=2×4000×1og22= 8000bs,两个上限中取小者,因此答案为B。
注意：若给出了码元与比特数之间的关系,则需受两个公式的共同限制。关于香农定理和奈奎斯特定理的比较,请参考本章中的疑难点。
15.电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz,信噪比为30dB,该系统的最大数据传输速率为()。
C
信噪比S/N常用分贝(dB)表示,数值上等于10log10(S/N)dB。依题意有30=10log10(S/N),解出SW=1000。根据香农定理,最大数据传输速率=30001og2(1+S/N)≈30kb/s。
16.一个传输数字信号的模拟信道的信号功率是0.14W,噪声功率是0.02W,频率范围为3.5~3.9MHz,则该信道的最高数据传输速率是()。
A
带宽受限且有噪声的信道应用香农定理来计算信道容量。最高数据传输速率=Wlog2(1+S/N),其中,信道带宽W=3.9-3.5=0.4MHz,信号功率S=0.14W,噪声功率N=0.02W,代入得1.2Mb/s。
17.采用8种相位,每种相位各有两种幅度的QAM调制方法,在1200Baud的信息传输速率下能达到的数据传输速率为()。
D
每个信号有8×2=16种变化,每个码元携带log216=4比特的信息,则信息传输速率为1200×4=4800b/s。
18.一个信道每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()。
B
由题意知采样率为8Hz。有16种变化状态的信号可携带4比特的数据,因此最大数据传输速率为8×4=32b/s。
19.根据采样定理,在对连续变化的模拟信号进行周期性采样时,只要采样率大于或等于有效信号的最高频率或其带宽的()倍,采样值便可包含原始信号的全部信息。
C
根据采样定理（又称奈奎斯特定理或奈氏准则）,若采样率低于有效信号最高频率的2倍,则会出现频谱混叠现象,导致原始信号无法完全恢复。
20.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()。
C
1路模拟信号的最大频率为1kHz,根据采样定理可知采样率至少为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。复用的每条支路的数字信号的速率要相等,而另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,然后复用这8路信号,需要的通信能力为8kb/s×8=64kb/s。
21.用PCM对语音进行数字量化,若将声音分为128个量化级,采样率为8000次/秒,则一路话音需要的数据传输速率为()。
A
声音信号需要128个量化级,因此每采样一次就需要log2128=7比特来表示,每秒采样8000次,一路话音需要的数据传输速率为8000×7=56kb/s。
22.【2009统考真题】在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3Hz,采用4个相位,每个相位具有4种幅度的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输速率是()。
B
采用4个相位,每个相位有4种幅度的QAM调制方法,每个信号有16种变化,传输4比特的数据。根据奈奎斯特定理,信息的最大传输速率为2W1og2V=2×3k×4=24kb/s。
23.【2011统考真题】若某通信链路的数据传输速率为2400/s,采用4个相位调制,则该链路的波特率是()。
B
波特率B与数据传输速率C的关系为C=Blog2N,N为一个码元所取的离散值个数。采用4种相位,即可以表示4种变化,因此一个码元可携带log24=2比特的信息。于是,该链路的波特率=比特率/每码元所含比特数=2400/2=1200波特。
24.【2013统考真题】下图为10 BaseT网卡接收到的信号波形,则该网卡收到的比特串是()。
A
10 BaseT即10Mb/s的以太网,采用曼彻斯特编码,将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为低电平,而后一个间隔为高电平,表示码元1：码元0正好相反。也可采用相反的规定。因此,对应的比特串可以是0011 0110或1100 1001。
25.【2014统考真题】在下列因素中,不影响信道数据传输速率的是()。
D
由香农定理可知,信噪比和频带宽度都可限制信道的极限传输速率,A和B错误。码元速率也称调制速率,它也直接限制数据传输速率,C错误。信道传输速率实际上是信号的发送速率,而信号的传播速率是信号在信道上传播的速率,它与信道的发送速率无关,答案为D。
26.【2015统考真题】使用两种编码方案对比特流01100111进行编码的结果如下图所示,编码1和编码2分别是（）。
A
NRZ是最简单的串行编码技术,它用两个电压来代表两个二进制数,如高电平表示1、低电平表示0,题中编码1符合。NRZI用电平的一次翻转来表示0,用与前一个NRZI电平相同的电平表示1。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,后一个间隔为低电平,表示1：0的表示方式正好相反,题中编码2符合。
27.【2016统考真题】如下图所示,若连接R2和R3链路的频带宽度为8kHz,信噪比为30dB该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输速率的50%,则该链路的实际数据传输速率约为()。
C
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,香农定理定义为：信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N),单位为b/s。其中,S/N为信噪比,即信号的平均功率和噪声的平均功率之比,信噪比=10log10(S/N),单位为dB,当S/N=1000时,信噪比为30dB。则该链路的实际数据传输速率约为50%×Wlog2(1+S/N)=50%×8k×log2(1+1000)=40kb/s。
28.【2017统考真题】若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为30dB条件下的极限数据传输速率,则信号状态数至少是()。
D
可用奈奎斯特采样定理计算无噪声情况下的极限数据传输速率,用香农第二定理计算有噪信道极限数据传输速率。2Wlog2N≥Wlog2(1+S/N),W是信道带宽,N是信号状态数,SW是信噪比。将数据代入公式得N≥32。分贝数=10log10(S/N)。
29.【2021统考真题】下图为一段差分曼彻斯特编码信号波形,该编码的二进制串是()。
A
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码元的后半个码元的电平相同：若码元为0,则情形相反。差分曼彻斯特编码的特点是,在每个时钟周期的起始处,跳变则说明该比特是0,不跳变则说明该比特是1。根据题图,第1个码元的信号波形因缺乏上一码元的信号波形,无法判断是0还是1,但根据后面的信号波形,可以求出第2~8个码元为011 1001。
30.【2022统考真题】在一条带宽为200kHz的无噪声信道上,若采用4个幅值的ASK调制,则该信道的最大数据传输速率是()。
C
根据奈奎斯特定理,最大数据传输速率=2Wlog2V,4个幅值的ASK调制说明有4个幅度,将V=4代入得800kb/s。
31.【2023统考真题】在下图所示的分组交换网络中,主机H1和H2通过路由器互连,2段链路的带宽均为100Mb/s,时延带宽积（即单向传播时延×带宽）均为1000b。若H1向 H2发送一个大小为1MB的文件,分组长度为1000B,则从H1开始发送的时刻起到H2收到文件全部数据时刻止,所需的时间至少是()。(注：1M=106)
D
文件大小为1MB,分组长度为1000B,分组数量为1MB÷1000B=1000,一个分组从H1到H2所需的时间=H1的发送时延t1+H1到路由器的传播时延2+路由器的发送时延3+路由器到H2的传播时延t4,其中t1=t3=1000B÷100Mb/s=0.08ms,t2=t4=1000b÷100Mb/s=0.01ms。因此,一个分组从H1到H2所需的时间为(0.08+0.01)×2=0.18ms,H1发送前999个分组所需的时间为999×t1=79.92ms,总时间等于发送前999个分组的时间加上最后一个分组从H1到H2的时间,即所需的时间至少为79.92+0.18=80.10ms。

二、综合应用题

01.如下图所示,主机A和B都通过10Mb/s的链路连接到交换机S。

每条链路上的传播时延都是20μS。S是一个存储转发设备,它在接收完一个分组35μs后开始转发收到的分组。试计算将10000比特从A发送到B所需的总时间。
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。
1)每条链路的发送时延是10000/(10Mb/s)=1000μs。
总传送时间等于2×1000+2×20+35=2075us。

2)解法一：作为两个分组发送时,下面列出了各种事件发生的时间表。
T=0 开始
T=500 A完成分组1的发送,开始发送分组2
T=520 分组1完全到达S
T=555 分组1从S起程前往B
T=1000 A结束分组2的发送
T=1055 分组2从S起程前往B
T=1075 分组2的第1位开始到达B
T=1575 分组2的最后1位到达B
解法二：此题属于分组交换各过程中时间不等长的情况,类以于不等长流水段的情况,为避免出错,建议画出对应的时空图。根据题意可分为5个流水段,各流水段的时间分别为500μs、 20μs、35μs、500μs、20μs,共有2个分组,注意不同分组的相同流水段不能重叠,画出的时空图如下图所示。本题只有2个分组,不用流水线的方法也可求得结果,但当分组数量更多时,采用流水线的方法并画出时空图得出计算规律,才不容易出错。
02.一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且L为p的倍数)位的报文通过该网络传送,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,数据传输速率为b b/s,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的时间。
整个传输过程的总时延=连接建立时延+源点发送时延+中间结点的发送时延+中间结点的处理时延+传播时延。
虚电路的建立时延已给出,为s秒。
源点要将L位报文分割成分组,分组数=L/p,每个分组的长度为(h+p),源点要发送的数据量=(h+p)L/p,所以源点的发送时延=(h+p)L(pb)秒。
每个中间结点的发送时延=(h+p)/b秒,源点和终点之间的线路数为k,所以有k-1个中间结点,因此中间结点的发送时延=(h+p)(k-1)/b秒。
中间结点的处理时延=(k-1)秒,传播时延=kd秒。所以源结点开始发送数据直至终点收到全部数据所需的时间=s+(h+p)L/(pb)+(h+p)(k-1)/b+m(k-1)+kd秒。

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，是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。

  1. 双绞线
  2. 同轴电缆
  3. 光纤
  4. 无线传输介质
    • (1)无线电波
    • (2)微波、红外线和激光

2.2.2 物理层接口的特性

物理层的主要任务是确定与传输介质的接口有关的一些特性

  • 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、固定和锁定装置等。
  • 2)电气特性。指明在接口电缆的各条线上的电压范围、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的意义，以及每条线的功能。
  • 4)过程特性，也称规程特性。指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2.3本节习题精选

单项选择题

01.双绞线是用两根绝缘导线绞合而成的，绞合的目的是()。
A
绞合可以减少两根导线相互的电磁干扰。
02.在电缆中采用屏蔽技术带来的好处主要是()。
B
屏蔽层的主要作用是提高电缆的抗干扰能力。
03.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
传统以太网采用广播的方式发送信息，同一时间只允许一台主机发送信息，否则各主机之间就形成冲突，因此主机间的通信方式是半双工。全双工是指通信双方可同时发送和接收信息。单工是指只有一个方向的通信而没有反方向的交石。
04.同轴电缆比双绞线的传输速率更快，得益于()。
C
同轴电缆以硬铜线为芯，外面包一层绝缘材料，绝缘材料的外面再包一层密织的网状导体，导体的外面又覆盖一层保护性的塑料外壳。这种结构使得它具有更高的屏蔽性，从而既有很高的带宽，又有很好的抗噪性。因此，同轴电缆的带宽更高得益于它的高屏蔽性。
05.不受电磁千扰和噪声影响的传输介质是()。
C
光纤抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好。
06.多模光纤传输光信号的原理是()。
B
光纤的直径减小到与光线的一个波长相同时，光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，而沿直线传播，这就是单模光纤。
07.以下关于单模光纤的说法中，正确的是()。
B
光纤的直径减小到与光线的一个波长相同时，光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，而沿直线传播，这就是单模光纤。
08.下列关于卫星通信的说法中，错误的是()。
C
卫星通信有成本高、传播时延长、受气候影响大、保密性差、误码率较高的特点。
09.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()。
C
本题易误选功能特性。规定各条线上的电压范围，以及电缆长度的限制，属于电气特性。而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，以及每条线的功能(数据线、控制线、时钟线)。例如，数据线上的电压+11V表示二进制1，就属于功能特性。
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()。
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，以及每条线的功能。
11.【2012统考真题】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()。
C
物理层的过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
12.【2018统考真题】下列选项中，不属于物理层接口规范定义范畴的是()。
C
物理层的接口规范主要分为4种：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。机械特性规定连接所用设备的规格，如A所说的接口形状。电气特性规定各条线上的电压范围、阻抗匹配等，如D所说的信号电平。功能特性规定线路上出现的电平表示何种意义及每条线的功能，如B所说的引脚功能。C中的物理地址是MAC地址，它属于数据链路层的范畴。

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

中继器

  • 主要功能:整形、放大并转发信号，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的要求，进而扩大网络传输的距离。
  • 原理:信号再生(而非简单地放大衰减的信号)。

中继器有两个端口，数据从一个端口输入，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。 中继器是用来扩大网络规模的最简单的廉价互连设备。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是一个局域网。中继器若出现故障，则对相邻两个网段的工作都产生影响。因为中继器工作在物理层，所以不能连接两个具有不同速率的局域网。

[!NOTE] 若某个网络设备有存储转发功能，则认为它能连接两个不同的协议；若该网络设备无存储转发功能，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。

[!NOTE] 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，其原理是放大衰减的信号，而中继器放大的是数字信号，其原理是整形再生衰减的信号。

2.3.2 集线器

集线器(Hub) 实质上是一个多端口的中继器。使用Hub组网灵活，它将所有结点的通信集中在以其为中心的结点上，由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是总线网。Hub的每个端口连接的是同一网络的不同网段，同时 Hb也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。

[!NOTE] 集线器不能分割冲突域，集线器的所有端口都属于同一个冲突域。集线器在一个时钟周期内只能传输一组信息，当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时，将导致信息冲突，使得集线器的工作效率很差。例如，一个带宽为10M/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，每台计算机所真正拥有的带宽为10/8Mb/s=1.25Mb/s。

2.3.3 本节习题精选

单项选择题

01.下列关于物理层设备的叙述中，错误的是()。
B
中继器的原理是将衰减的信号再生而不是放大，连接后的网段仍然属于同一个局域网。
02.转发器的作用是()。
A
转发器是物理层设备，不能识别数据链路层的帧，也无寻址功能，只具有放大信号的功能。
03.两个网段在物理层进行互连时要求()。
C
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。当物理层互连时，各种网络的数据传输速率若不同，则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。注意，物理层互连成功，只表明这两个网段之间可以互相传送物理层信号，但物理层设备只能转发物理信号，不能识别数据链路层协议，所以并不能保证可以互相传送数据链路层的帧。因此，数据链路层协议可以不同。要达到在数据链路层互连互通的目的，就要求数据传输速率和数据链路层协议都相同。
04.为了使数字信号传输得更远，可采用的设备是()。
A
放大器通常用于远距离地传输模拟信号，但它同时会放大噪声，引发失真。中继器用于数字信号的传输，其工作原理是信号再生，因此会减少失真。网桥用来连接两个网段以扩展物理网络的覆盖范围。路由器是网络层的互连设备，可以实现不同网络的互连。
05.以太网遵循IEEE 802.3标准，用粗缆组网时每段的长度不能大于500m,超过500m时就要分段，段间相连利用的是()。
B
中继器的主要功能是将信号复制、整形和放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离，原理是信号再生，因此选B,其他三项显然有点大材小用。
06.在粗缆以太网中可通过中继器扩充网段，中继器最多可有()。
B
中继器或集线器有“5-4-3规则”，其中“5”表示5个网段，“4”表示4个中继器或集线器，“3”表示3个网段为主机段。也就是说，在一个由中继器或集线器互连的网络中，任意发送方和接收方最多只能经过4个中继器、5个网段。
07.由集线器连接多台设备构成的网络在物理上和逻辑上的结构分别是()。
D
集线器将多个设备连接在以它为中心的结点上，因此使用它的网络在物理拓扑上属于星形结构。当集线器工作时，一个端口接收到数据信号后，集线器将该信号整形放大，紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口。集线器不具备交换机所具有的交换表，所以它发送数据时是没有针对性的，而采用广播方式发送。因此，使用集线器的星形以太网逻辑上仍然是总线网。
08.用集线器连接的工作站集合（）。
A
集线器的功能是将从一个端口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网络的覆盖范围，但无法解决冲突域（第二层交换机可解决）与广播域（第三层交换机可解决)的问题，而且增大了冲突的范围。注意，冲突域和广播域的概念涉及后面章节的内容。
09.中继器可以用来连接()。
C
因为物理层设备没有存储转发功能，所以中继器不能连接不同速率的局域网，也不能连接不同数据链路层协议的局域网（连接后要能达到正常通信的目的）。中继器可以连接不同介质的局域网，如光纤和双绞线，只要它们具有相同的速率和协议。
10.若有5台计算机连接到10Mb/s的集线器上，则每台计算机分得的平均带宽至多为()。
A
集线器以广播的方式将信号从除输入端口外的所有端口输出，因此任意时刻只能有一个端口的有效数据输入。理想情况（无冲突）下，每秒通过集线器的数据量都是10Mb,假设5台计算机占用相同大小的时间片来收发数据，则平均带宽的上限为10Mb/s÷5=2Mb/s。若有多台计算机同时发送数据，则会导致每台计算机实际获得的平均带宽低于2Mb/s。
11.当集线器的一个端口收到数据后，将其()。
B
集线器没有寻址功能，一个端口接收到数据信号后，从其他所有端口转发出去。
12.下列关于中继器和集线器的说法中，不正确的是()。
C
中继器和集线器均工作在物理层，集线器本质上是一个多端口中继器，它们都能对信号进行放大和整形。因为中继器不仅传送有用信号，而且传送噪声和冲突信号，因此互相串联的个数只能在规定的范围内进行，否则网络将不可用。注意“5-4-3规则”。

2.4 本章小结及疑难点

  1. 传输介质是物理层吗？传输介质和物理层的主要区别是什么？

传输介质并不是物理层。因为传输介质在物理层的下面，而物理层是体系结构的第一层，所以有时称传输介质为0层。在传输介质中传输的是信号，但传输介质并不知道所传输的信号代表什么。也就是说，传输介质不知道所传输的信号什么时候是1、什么时候是0。但是，物理层因为规定了电气特性，所以能够识别所传送的比特流。图2.9描述了上述概念。

  1. 什么是基带传输、频带传输和宽带传输？三者的区别是什么？

在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可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，且传输介质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），将其变成适合传送的信号后再进行传输，这种传输方式就是频带传输。当采用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1010。
借助频带传输，可将链路分解成两个或多个信道，每个信道可携带不同的信号，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。例如，对信道进行频分复用，划分为 2个互不相关的子信道，分别在两个子信道上同时进行频带传输，链路容量就会大大增加。

  1. 奈氏准则和香农定理的主要区别是什么？这两个定理对数据通信的意义是什么？

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数据（因为码元之间存在相互干扰）。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。
值得注意的是，奈氏准则并未限制信息传输速率。要提高信息传输速率，就必须使每个码元能够携带许多比特的信息。但是，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(单位为Hz)和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的，这个极限不能突破。要想提高信息传输速率，要么设法提高传输线路的带宽，要么设法提高信道的信噪比，此外没有其他任何办法。
香农定理告诉我们，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，即采用没有噪声的信道或使用无限大的发送功率（这显然也不可能）。注意，奈氏准则和香农定理中“带宽”的单位都是Hz。

4.信噪比为S/N,为什么还要取对数10log10(S/N)?

  • 1)数字形式表示，如噪声功率为1，信号功率为100，信噪比为100/1=100
  • 2)同样还是上面这些数字，以分贝形式表示的信噪比为10log10(S/N)=10log10100=20dB。二者在数值上等价。区别在于，前者没有单位，后者必须加dB(分贝)。采用分贝表示的原因：很多时候，信号要比噪声强得多，如信号比噪声强10亿倍，若用数值表示，则1后面有9个0，很容易丢失0;若用分贝表示，则仅为90B,因此要简单得多，且不容易出错。分贝对于表示特别大或特别小的数值极为方便，在通信领域中用途很广。

脚注分割线

Hub. 当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，因为信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便对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。若同时有两个或多个端口输入，则输出时将发生冲突，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，即信息传输的方向是固定的，是标准的共享式设备。 ↩
传输介质. 传输介质可分为：①导向传输介质，指铜线或光纤等，电磁波被导向为沿着固体介质传播：②非导向传输介质，指自由空间（空气、真空或海水），电磁波在非导向传输介质中的传输称为无线传输。 ↩
码间串扰. 具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道,否则在传输中就会衰减,导致接收端收到的信号波形失去码元之间的界限。 ↩
Copyright © 阿鑫 2022 all right reserved，powered by Gitbook最初发布时间： 2023-05-30

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