计算机网络

物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？

答：物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。其实物理层规程就是物理层协议。

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，等等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
(2) 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
(3) 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
(4) 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

规程与协议有什么区别？

答：用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。其实物理层规程就是物理层协议。只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。

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。

答：一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统一般包括以下两个部分：
● 源点(source)：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
● 发送器：通常，源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制解调器。

目的系统一般也包括以下两个部分：
● 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
● 终点(destination)：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

试解释以下名词：数据，信号，模拟数据，模拟信号，基带信号，带通信号，数字数据，数字信号，码元，单工通信，半双工通信，全双工通信，串行传输，并行传输。

答：通信的目的是传送消息(message)。如话音、文字、图像、视频等都是消息。

• 数据(data)是运送消息的实体，通常是有意义的符号序列；这种信息的表示可用计算机处理或产生
• 信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类：

• 模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。例如：用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号
• 数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。例如：用户家中的PC到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

• 单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
• 双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
• 双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。另一类调制则需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？

答：特性有：
(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，等等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
(2) 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
(3) 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
(4) 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制？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？“比特/每秒”和“码元/每秒”有何区别？

答：数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制：

1. 信道能够通过的频率范围
   在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
2. 信噪比
   噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。

信噪比不能任意提高。

香浓公式在数据通信中的意义是：它能够指出信道的极限信息传输速率。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办法来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。

比特/每秒”和“码元/每秒”有何区别是：

1. 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。英文单词bit来源于binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。网络技术中的速率指的是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s（比特每秒）(或bit/s，有时也写为bps，即bit per second)。当数据率较高时，就可以用kb/s（k = 103 =千）、Mb/s（M = 106 = 兆）、Gb/s（G = 109 = 吉）或Tb/s（T = 1012 = 太
2. 假定我们的基带信号是：
   101011000110111010···
   如果直接传送，则每一个码元所携带的信息量是1bit。现将信号中的每3个比特编为一个组，即101,011, 000, 110, 111, 010, …。3个比特共有8种不同的排列。我们可以用不同的调制方法来表示这样的信号。例如，用8种不同的振幅，或8种不同的频率，或8种不同的相位进行调制。假定我们采用相位调制，用相位ϕ0表示000, ϕ1表示001, ϕ2表示010,…,ϕ7表示111。这样，原来的18个码元的信号就转换为由6个新的码元（即每三个bit构成一个新的码元）组成的信号：101011000110111010··· = ϕ5 ϕ3 ϕ0 ϕ6 ϕ7 ϕ2···也就是说，若以同样的速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高到了3倍。

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（b/s）？

答：奈氏准则：早在1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他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。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N，并用分贝(dB)作为度量单位：

例如，当S/N = 10时，信噪比为10dB，而当S/N = 1000时，信噪比为30dB。

在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是：

式中，W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

没调制时，一个码元一个bit，有两种振幅，分别是0和1。当划分为16种振幅时，也就是每4个bit表示一个振幅。此时一个码元是4个bit，20000码元/秒的情况下，数据率=20000码元/秒 * 4bit = 80000bit/s

假定要用3kHz带宽的电话信道传送64kb/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？

答：由香农公式C=W log2(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 * log2(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*(6+0.42)=64.2
这个结果说明这是个信噪比要求很高的信道。

用香农公式计算一下，假定信道带宽为3 100 Hz，最大信息传输速率为35kb/s，那么若想使最大信息传输速率增加60%，问信噪比 S/N 应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比S/N再增大到10倍，问最大信息速率能否再增加20%？

答：

常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

答：
1）双绞线：

它是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。
2）同轴电缆：

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。
3）光缆

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8至100 μm（1 μm = 10-6 m ）。光波正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：
(1) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
(2) 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。
(3) 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
(4) 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。例如，1km长的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要使用专用设备。
4）架空明线
在导引型传输媒体中，还有一种是架空明线（铜线或铁线）。这是在本世纪初就已大量使用的方法——在电线杆上架设的互相绝缘的明线。架空明线安装简单，但通信质量差，受气候环境等影响较大。在许多国家现在都已停止了铺设架空明线。目前在我国的一些农村和边远地区的通信仍使用架空明线。

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

答：工作距离 = 20dB ÷ 0.7dB/km = 28.57km
应当使衰减降低到 20dB ÷ 100km = 0.2dB

试计算工作在1 200nm到1 400nm之间以及工作在1 400nm到1 600nm之间的光波的频带宽度。假定光在光纤中的传播速率为2×10^8 m/s。

为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

答：因为使用信道复用技术可以减少信道的数量，在经济上非常的合算。
常用的信道复用技术有：频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用（光的频分复用）。

试写出下列英文缩写的全文，并进行简单的解释。FDM，TDM，STDM，WDM，DWDM，CDMA，SONET，SDH，STM-1，OC-48。

答：

• FDM (Frequency Division Multiplexing)
  频分复用，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
• TDM (Time Division Multiplexing)
  时分复用，将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
• STDM (Statistic TDM)
  统计时分复用， 统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。
• WDM
  波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。
• DWDM
  随着技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多。现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就使用了密集波分复用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）这一名词。
• CDMA
  码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。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，因此各用户之间不会造成干扰。
• SONET
  美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)。整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（通常采用昂贵的铯原子钟，其精度优于±1×10-11）。
• SDH
  ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous DigitalHierarchy)，即1988年通过的G.707～G.709等三个建议书。到1992年又增加了十几个建议书。
• STM-1
  SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。
• OC-48
  OC-48传输速度为2488.32Mbit/s，负荷为2405.376 Mbit/s，运行时间482.944Mbit/s。它是SONET光缆基本速率OC-1的48倍。它等同于STS-48和STM-16。

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？这种复用方法有何优缺点？

答：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，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信的，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。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。采用CDMA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4～5倍[插图]），降低手机的平均发射功率等等。

共有四个站进行码分多址CDMA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：(-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1还是0？

答：在CDMA中，每一个比特时间再划分为 m个短的间隔，称为码片(chip)。通常 m的值是64或128。
我们设m为8。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的mbit码片序列(chip sequence)。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的mbit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此S站的码片序列是(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。现假定S站要发送信息的数据率为b b/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb b/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m倍。这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。扩频通信通常有两大类。一种是直接序列扩频DSSS (DirectSequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。另一种是跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)。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(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。用数学公式可以很清楚地表示码片序列的这种正交关系。令向量 S表示站S的码片向量，再令 T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S和T的规格化内积(inner product)都是0：
例如，向量S为(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，同时设向量T为(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)，这相当于T站的码片序列为00101110。将向量S和T的各分量值代入上式就可看出这两个码片序列是正交的。不仅如此，向量S和各站码片反码的向量的内积也是0。另外一点也很重要，即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。这从(2-4)式可以很清楚地看出，因为求和的各项都变成了 -1。现在假定在一个CDMA系统中有很多站都在相互通信，每一个站所发送的是数据比特和本站的码片序列的乘积，因而是本站的码片序列（相当于发送比特1）和该码片序列的二进制反码（相当于发送比特0）的组合序列，或什么也不发送（相当于没有数据发送）。我们还假定所有的站所发送的码片序列都是同步的，即所有的码片序列都在同一个时刻开始。利用全球定位系统GPS就不难做到这点。现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面的公式，再根据叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系），那么求内积得到的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0），而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是 +1，当S站发送比特0时，内积的结果是-1。

试比较ADSL，HFC，FTTx以及无线接入技术的优缺点。

答：非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300～3400 Hz的范围内（这是电话局的交换机设置的标准话路频带），但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1MHz。ADSL技术把0～4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。ADSL的ITU的标准是G.992.1 。由于用户在上网时主要是从因特网下载各种文档，而向因特网发送的信息量一般都不太大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的。ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。例如，0.5mm线径的用户线，传输速率为1.5～2.0Mb/s时可传送5.5km；但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7km。如果把用户线的线径减小到0.4mm，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7km。此外，ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

为什么在ADSL技术中，在不到1MHz的带宽中传送速率却可以高达每秒几个兆比特？

答：非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300～3400 Hz的范围内（这是电话局的交换机设置的标准话路频带），但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1MHz。ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种。我国目前采用的方案是离散多音调 DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。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。

什么是EPON和GPON？

答：以太网无源光网络EPON (Ethernet PON)，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。

吉比特无源光网络GPON (Gigabit PON)，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 (Generic Encapsulation Metheod)，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。

最后

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