通信基础

背景知识

基本概念

数据、信号与码元

1. 通信的目的是传送信息，如文字、图像和视频等。

2. 数据是指传送信息的实体。

3. 信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据和信号都可用“模拟的”或“数字的”来修饰:

   • 连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号):
   • 取值仅允许为有限的几个离散数值的数据（或信号）称为数字数据（或数字信号)。

4. 数据传输方式可分为串行传输和并行传输。

   • 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。
     
     

5. 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，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。1码元可以携带若干比特的信息量。例如，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，另一种代表1状态。

信源、信道与信宿

1. 数据通信是指数字计算机或其他数字终端之间的通信。一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。
   信源是产生和发送数据的源头。信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号先由反变换器转换成原始信息，再发送给信宿。

2. 信道与电路并不等同，信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。噪声源是信道上的噪声（即对信号的干扰）及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。实际的通信系统大多为双向的，即往往包含一条发送信道和一条接收信道，信道可以进行双向通信。

   • 信道按传输信号形式的不同，可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类;

   • 信道按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道。

   • 信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。

     • 基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输);
     • 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（称为宽带传输)。
       

   • 从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式:

     • 单向通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。例如，无线电
       广播、电视广播就属于这种类型。
     • 半双工通信。通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信
       息，此时需要两条信道。
     • 全双工通信。通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速

速率、波特与带宽 $★$

1. 速率也称数据率，指的是数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
   • 码元传输速率。又称波特率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特（Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关。
   • 信息传输速率。又称信息速率、比特率等，它表示单位时间内数字通信系统的二进制码元个数（即比特数)，单位是比特/秒(b/s)。

注意:波特和比特是两个不同的概念，码元传输速平也称调制速率、波形速率或符号速率。但码元传输速率与信息传输速率在数量上却又有一定的关系。若一个码元携带$n$比特的信息量，则$M$波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为$Mn$比特/秒。

2. 带宽原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹(Hz)。在实际网络中，由于数据率是信道最重要的指标之一，而带宽与数据率存在数值上的互换关系，因此常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。因此,带宽表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是b/s。

奈奎斯特定理(奈式准则)与香农定理$★$$★$

奈奎斯特定理(奈式准则)

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，否则在传输中会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。

奈奎斯特（Nyquist）定理又称奈氏准则，它规定: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。若用$V$表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要$lo{g}_{2}16=4$个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4倍)，则$极限数据率为理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlo{g}_{2}V(单位为b/s)$

对于奈氏准则，可以得出以下结论:

• 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确识别码元。
• 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多)，就可用更高的速率进行码元的有效传输。
• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。

由于码元传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法。

香农定理

香农（Shannon）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，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。

香农定理定义为

• $信道的极限数据传输速率=Wlo{g}_2(1+S/N)(单位为b/s)$

其中，$W$为信道的带宽，$S$为信道所传输信号的平均功率，$N$为信道部的高斯噪声功率。$S/N$为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，$信噪比=10lo{g}_{10}(S/N)(单位为dB)$，例如当$S/N=10时，信噪比为10dB，而当SIN=1000时，信噪比为30dB。$

对于香农定理，可以得出以下结论:

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的
• 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输。
• 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的关系，而香农定理不仅考虑到了带宽，也考虑到了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的。

两个定理对比

编码与调制$★$

数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。

• 把数据变换为模拟信号的过程称为调制。
• 把数据变换为数字信号的过程称为编码。

信号是数据的具体表示形式，它和数据有一定的关系，但又和数据不同。

• 数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输。
• 模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样，就形成了下列4种编码方式。

数字数据编码为数字信号

• 归零编码
  在归零编码(RZ)中用高电平代表1、低电平代表0(或者相反)，每个时钟周期的中间均跳变到低电平(归零)，接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。
• 非归零编码
  非归零编码(NRZ)与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。
• 反向非归零编码
  反向非归零编码(NRZI）与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码(RZ和NRZ)的优点,
  既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB 2.0通信的编码方式就是NRZI编码。
• 曼彻斯特编码
  曼彻斯特编码（Manchester Encoding〉将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0的表示方法则正好相反。当然，也可采用相反的规定。该编码的特点是**，在每个码元的中间出现电平跳变**，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步)，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率(码元传输速率)的1/2。
  注意:以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。
• 差分曼彻斯特编码
  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。该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。
• 4B/5B编码
  将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他16种作为控制码(帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留。
  

数字数裾调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的数字调制方法有如下几种:

• 幅移键控（ASK)。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相
  位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。

• 频移键控（FSK)。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相
  位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。

• 相移键控（PSK)。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。

• 正交振幅调制（QAM)。在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。

  • 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
  • $R=Blo{g}_2(mn)(单位为b/s)$

下图是二进制幅移键控、.频移键控和相移键控的例子。

• 2ASK中用载波有幅度和无幅度分别表示数字数据的1和0；
• 2FSK中用两种不同的频率分别表示数字数据1和0；
• 2PSK中用相位0和相位$\pi$分别表示数字数据的1和0，是一种绝对调相方式。

数字数据编码为数字信号

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用(FDM)技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

电路交换、报文交换与分组交换$★$

电路交换

报文交换

分组交换

三种数据交换方式比较

数据报与虚电路(分组交换的两种方式)

分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。要注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式。

数据报

数据报特点

虚电路

虚电路特点

数据报与虚电路比较

例题

选择题

1.下列说法正确的是( ).
A.信道与通信电路类似，一条可通信的电路往往包含一个信道
B.调制是指把模拟数据转换为数字信号的过程
C.信息传输速率是指通信信道上每秒传输的码元数
D.在数值上，波特率等于比特率与每符号所含的比特数的比值
解析：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:一条是发送信道，一条是接收信道。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会有一个信道:因此A错误。调制是把数据变换为模拟信号的过程，B错误。信息传输速率︰别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数)，单位是比特/秒(b/s) 。“比特率”在数值上和“波特率”的关系如下:$波特率=比特率/每符号含的比特数$，C错误。

2.影响信道最大传输速率的因素主要有（ ).
A.信道带宽和信嗓比
B.码元传输速率和噪声功率
C.频率特性和带宽
D.发送功率和噪声功率
解析：由香农定理，$信道的极限数据传输速率=Wlo{g}_2(1+S/N)$，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信号的平均功率和信道内部的高斯噪声功率有关，在数值上等于两者之比。

3.()被用于计算机内部的数据传输.
A。串行传输B.并行传输C.同步传输D.异步传输
解析：并行传输的特点:距离短、速度快。串行传输的特点:距离长、速度慢。所以在计算内部(距离短）传输应选择并行传输。同步、异步传输是通信方式，不是传输方式。

4.下列有关曼彻斯特编码的叙述，正确的是（).
A.每个信号起始边界作为时钟信号有利于同步
B.将时钟与数据取值都包含在信号中
C.这种模拟信号的编码机制特别适合于传输声音
D.每位的中间不跳变表示信号的取值为0
解析：曼彻斯特编码将每个码元分成两个相等的间隔。前面一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1，码元0正好相反;也可以采用相反的规定，因此选项D错。位中间的跳变作为时钟信号，每个码元的电平作为数据信号，因此选项B正确。曼彻斯特编码将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，因此选项A错。声音是模拟数据，而曼彻斯特编码最适合传输二进制数字信号，因此选项C错。

5.【2013统考真题】下图为10BaseT网卡接收到的信号波形,则该网卡收到的比特串是().

A. 0011 0110 B. 1010 1101
C. 0101 0010 D. 1100 0101
解析：10BaseT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。也可以采用相反的规定。因此，对应比特串可以是0011 0110或1100 1001.

6.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.仅I B.仅Ⅱ C.仅Ⅱ、Ⅲ D.I、Ⅱ、Ⅲ
解析：非归零编码是最简单的一种编码方式，它用低电平表示0，用高电平表示1;或者相反。由于每个码元之间并没有间隔标志，所以它不包含同步信息。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。将每个码元的中间跳变作为收发双方的同步信息，所以无须额外的同步信息，实际应用较多。但它们所占的频带宽度是原始基带宽度的2倍。

7、在网络中，要同时传输语音与计算机产生的数字、文字、图形与图像，必须先把语音信号数字化，下列可以把语音信号数字化的技术是().
A.曼彻斯特编码
B. QAM
C.差分曼彻斯特编码
D.脉冲编码调制.
解析：QAM是一种用模拟信号传输数字数据的编码方式。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都是用数字信号传输数字数据的编码方式。使用数字信号编码模拟数据最常见的例子是用于音频信号的脉冲编码调制(PCM)。

8.利用模拟通信信道传输数字信号的方法称为().
A.同步传输
B.异步传输
C.基带传输
D.频带传输
解析：同步、异步传输是通信方式，不是传输方式。
将基带信号直接传送到通信线路（数字信道)上的传输方式称为基带传输，把基带信号经过调制后送到通信线路（模拟信道)上的方式称为频带传输。
基带传输又叫数字传输，是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上传输。例如计算机网络中的信号就是基带传输的。
基带相对的是频带传输，又叫模拟传输，是指信号在电话线等这样的普通线路上，以正弦波形式传播的方式。我们现有的电话、模拟电视信号等，都是属于频带传输。

9.波特率等于().
A.每秒可能发生的信号变化次数
B.每秒传输的比特数
C.每秒传输的周期数
D.每秒传输的字节数
解析：波特率表示信号每秒变化的次数（注意和比特率的区别)。

10.测得一个以太网的数据波特率是40MBaud，那么其数据率是( ).
A.10Mb/s
B.20Mb/s
C.40Mb/s.
D.80Mb/s
解析：因为以太网采用曼彻斯特编码，每位数据（一个比特，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的两倍，得数据率为$(40Mb/s)/2=20Mb/s$。
注意:对于曼彻斯特编码，每个比特需要两个信号周期，20MBaud的信号率可得10Mb/s的数据率，编码效率是50%；对于4B/5B编码，每4比特组被编码成5比特，12.5MBaud的信号率
可得10Mb/s，编码效率是80%。

11．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().
A.2
B.4
C.8
D.16
解析：$比特率=波特率\times lo{g}_{2}n$，若一个码元含有$n$比特的信息量，则表示该码元所需要的不同离散值为$2^n$个。例如，一个码元含有$2$个比特的信息量，则表示该码元所需要的不同离散值为$2^2=4$个,即$00,01,10,11$。数值上，$波特率=比特率/每码元所含比特数$，因此$每码元所含比特数=4000/1000=4比特$,$有效离散值的个数为2^4=16$。

12.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().
A.16kBaud
B.32kBaud
C.64kBaud
D.128kBaud
解析：一个码元若取$2^n$个不同的离散值，则含有$n$比特的信息量。本题中，$一个码元含有的信息量为2比特$，由于数值上，$波特率=比特率/每符号所含比特数$，因此波特率为$(64/2)k=32kBaud$。

13.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( ).
A.24kb/s
B.32kb/s
C.48kb/s
D.72kb/s
解析：无噪声的信号应该满足奈奎斯特定理，即$最大数据传输速率=2Wlo{g}_{2}V比特/秒=2\ast 8kHz\ast lo{g}_{2}8=48kHz=48kb/s$。注意:题目中给出的每秒采样$24kHz$是无意义的，因为超过了波特率的上限$2w=16kBaud$，所以$D$是错误答案。

14．对于某带宽为4000Hz的低通信道，采用16种不同的物理状态来粒示数据。按照奈奎斯特定理，信道的最大传输速率是().
A.4kbls
B.8kb/s
C.16kb/s
D.32kb/s
解析：由奈奎斯特定理，本题中$W=4000Hz，最大码元传输速率=2W=8000Baud$，$16$种不同的物理状态可表示$lo{g}_{2}16=4比特数$，所以信道的$最大数据传输速率=2Wlo{g}_{2}V比特/秒=2\ast 4kHz\ast lo{g}_{2}16=32kHz=32kb/s$。

15.二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()$★$$★$$★$
A.28000b/s
B.8000b/s
C.4000b/s
D.无限大
$★$$★$$★$解析：由香农定理，$最大数据率=Wlo{g}_2(1+S/N)=4000\times lo{g}_2(1+127)=28000b/s$，本题容易误选A。但注意题中“二进制信号”的限制，由奈奎斯特定理,$最大数据传输速率=2Wlo{g}_{2}V=2\times 4000\times lo{g}_{2}2=8000b/s$，两个上限中取最小的，因此选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，两个上限中取最小的。

16.电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统的最大数据传输速率为().
A.3kb/s
B.6kb/s
C.30kb/s
D.64kb/s
解析：$信噪比S/N常用分贝(dB)$表示，数值上等于$10lo{g}_{10}(S/N)dB$。依题意有$30=10lo{g}_{10}(S/N)$,可解出$S/N=1000$。根据香农定理，$最大数据传输速率=Wlo{g}_2(1+S/N)=3000Hz\ast lo{g}_2(1+1000)\approx 30kb/s$。

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的信号传输速率下能达到的数据传输速率为().
A.2400b/s
B.3600b/s
C.9600b/s
D.4800b/s
解析：每个信号有$8x2=16$种变化,每个码元携带l$o{g}_{2}16=4$比特的信息，则信息传输速率为$1200\times 4=4800b/s$。

18.【2011统考真题】若某通信链路的数据传输速率为2400b/s，采用4相位调制，则该链路的波特率是().
A. 600Baud B. 1200Baud C. 4800Baud D.9600Baud
解析：$波特率B与数据传输速率C的关系为C=Blo{g}_{2}N$，$N$为一个码元所取的离散值个数。采用$4$种相位，也即可以表示$4$种变化，因此一个码元可携带$lo{g}_{2}4=2$比特信息，则该链路的$波特率=比特率/每码元所含比特数=2400/2=1200波特$。

19.【2009统考真题】在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为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().
A.12kb/s
B.24kb/s
C.48kb/s
D.96kb/s
解析：采用4个相位，每个相位有4种幅度的QAM调制方法，每个信号可以有$4\ast 4=16$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$2Wlo{g}_{2}V=2\times 3kHz\times lo{g}_{2}16=2\times 3k\times 4=24kb/s$。
注意本题与第17题的区别:第17题已知波特率，而本题仅给出了带宽，因此需要先用奈奎斯特定理计算出最大的波特率。

20.一个信道每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().
A.16b/s
B.32b/s
C.48b/s
D. 64b/s
解析：由题意知，一个信道每1/8s采样一次，即采样频率为8Hz。有16种变化状态的信号可携带$lo{g}_{2}16=4$比特数据，因此由$最大数据传输速率为8\times 4=32b/s$。

21.【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().
A.4
B.8
C.16
D.32
解析：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。$2Wlo{g}_{2}N\ge Wlo{g}_2(1+S/N)$，$W$是信道带宽，$N$是信号状态数，$S/N$是信噪比。将数据代入公式，可得$N\ge 32$，选D。$分贝数dB=10lo{g}_{10}(S/N)$.

22.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().
A.7.2kb/s
B.8kb/s
C.64kb/s
D.512kb/s
解析：1路模拟信号的最大频率为1kHz，根据采样定理可知采样频率至少为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。复用的每条支路速率要相等，而另外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，然后将这8路信号复用，需要的通信能力为8kb/s×8 = 64kb/s。

23.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（).
A. 56kb/s
B. 64kbls
C. 128kb/s
D. 1024kb/s
解析：声音信号需要128个量化级，那么每采样一次需要$lo{g}_{2}128=7bit$来表示，每秒采样8000次.那么一路话音需要的数据传输速率为$8000\times 7=56kb/s$。

24.【2016统考真题】如下图所示，如果连接R2和R3链路的频率带宽为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%，那么该链路的实际数据传输速率纳为().

A. 8kb/s B.20kb/s C.40kb/s D. 80kb/s
解析：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:
$信道的极限数据传输速率=wlog(1+S/N)，单位b/s$。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，$信噪比=10lo{g}_{10}(S/N)，单位dB$，$当S/N=1000时，信噪比为30dB$，则该链路的实际数据传输速率约为
$50\%$×$Wlo{g}_2(1+S/N)=50\%\times 8k\times lo{g}_2(1+1000)=40kb/s$。

25、在下列数据交换方式中，数据经过网络的传输延迟长而且是不固定的，不能用于语音数据传输的是( ).
A.电路交换 B.报文交换 C.数据报交换 D.虚电路交换
解析：在报文交换中，交换的数据单元是报文。由于报文大小不固定，在交换结点中需要较大的存储空间，另外报文经过中间结点的接收、存储和转发时间较长而且也不固定，因此不能用于实时通信应用环境（如语音、视频等)。

26.就交换技术而言，以太网采用的是( ).
A.分组交换技术
B.电路交换技术
C.报文交换技术
D.混合交换技术
解析：在以太网中，数据以帧的形式传输。源端用户的较长报文要被分为若干数据块，这些数据块在各层还要加上相应的控制信息，在网络层是分组，在数据链路层是以太网的帧。以太网的用户在会话期间只是断续地使用以太网链路。

27.为了使数据在网络中传输时延最小，首选的交换方式是().
A.电路交换 B.报文交换 C.分组交换 D.信元交换
解析：电路交换虽然建立连接的时延较大，但在数据传输时是一直占据链路的，实时性更好，传输时延小。

28.分组交换对报文交换的主要改进是().
A.差错控制更加完善
B.路由算法更加简单
C.传输单位更小且有固定的最大长度
D.传输单位更大且有固定的最大长度
解析：相对于报文交换而言，分组交换中将报文划分为一个个具有固定最大长度的分组，以分组为单位进行传输。

29.下列关于三种数据交换方式的叙述，错误的是( ).
A.电路交换不提供差错控制功能
B.分组交换的分组有最大长度的限制
C.虚电路是面向连接的，它提供的是一种可靠的服务
D.在出错率很高的传输系统中，选择虚电路方式更合适
解析：电路交换不具备差错控制能力，A正确。分组交换对每个分组的最大长度有规定，超过此长度的分组都会被分割成几个长度较小的分组后再发送，B正确。C正确、D错误。

30.不同的数据交换方式有不同的性能。为了使数据在网络中的传输时延最小，首选的交换方式是(①);为保证数据无差错地传送，不应选用的交换方式是(②);分组交换对报文交换的主要改进是(③)，这种改进产生的直接结果是(④);在出错率很高的传输系统中，选用(⑤)更合适.
①A.电路交换 B.报文交换 C.分组交换 D.信元交换
②A.电路交换 B.报文交换 C.分组交换 D.信元交换
③
A.传输单位更小且有固定的最大长度
B.传榆单位更大且有固定的最大长度
C.差错控制更完善
D.路由算法更简单
④
A.降低了误码率
B.提高了数据传输速率
C.减少传输时延
D.增加传输时延
⑤
A.虚电路方式
B.数据报方式
C.报文交换
D.电路交换
解析：

• 电路交换方式的优点是传输时延小、通信实时性强，适用于交互式会话类通信;但其缺点是对突发性通信不适应，系统效率低，不具备存储数据的能力，不能平滑网络通信量，不具备差错控制的能力，无法纠正传输过程中发生的数据差错。
• 报文交换和分组交换都采用存储转发，传送的数据都要经过中间结点的若干存储、转发才能到达目的地，因此传输时延较大。报文交换传送数据长度不固定且较长，分组交换中，要将传送的长报文分割为多个固定有限长度的分组，因此传输时延较报文交换要小。
• 分组交换在实际应用中又可分为数据报和虚电路两种方式。
  • 数据报是面向无连接的，它提供的是一种不可靠的服务，它不保证分组不被丢失，也不保证分组的顺序不变及在多长的时限到达目的主机。但由于每个分组能独立地选择传送路径，当某个结点发生故障时，后续的分组就可另选路径;另外通过高层协议如TCP的差错控制和流量控制技术可以保证其传输的可靠性、有序性。
  • 虚电路是面向连接的，它提供的是一种可靠的服务，能保证数据的可靠性和有序性。但是由于所有分组都按同一路由进行转发，一旦虚电路中的某个结点出现故障，它就必须重新建立一条虚电路。因此，对于出错率高的传输系统，易出现结点故障，这项任务就显得相当艰巨。所以，采用数据报方式更合适。

注意:此题中的“出错率很高”意思是指出错率要比在早期的广域网中采用的电话网的出错率高很多。电话网的出错率虽然和数字光纤网的出错率相比很高，但实际上还是算较低的，所以早期的广域网大多采用虚电路交换的方案。

31.有关虚电路服务和数据报服务的特性，正确的是().
A.虚电路服务和数据报服务都是无连接的服务
B.数据报服务中，分组在网络中沿同一条路径传输，并且按发出顺序到达
C.虚电路在建立连接后，分组中需携带虚电路标识
D.虚电路中的分组到达顺序可能与发出顺序不同
解析：虚电路服务是有连接的，属于同一条虚电路的分组，根据该分组的相同虚电路标识，按照同一路由转发，保证分组的有序到达。数据报服务中，网络为每个分组独立地选择路由，传输不保证可靠性，也不保证分组的按序到达。

32.同一报文中的分组可以由不同的传输路径通过通信子网的方法是().
A.分组交换 B.电路交换 C.虚电路 D.数据报
解析：分组交换有两种方式:虚电路和数据报。在虚电路服务中，属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发;在数据报服务中，网络为每个分组独立地选择路由，传输不保证可靠性，也不保证分组的按序到达。

33.下列有关数据报和虚电路的叙述中，错误的是().
A.数据报方式中，某个结点若因故障而丢失分组，其他分组仍可正常传输
B.数据报方式中，每个分组独立地进行路由选择和转发，不同分组之间没有必然联系
C.虚电路方式中，属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
D.尽管虚电路方式是面向连接的，但它并不保证分组的有序到达
解析：

34.下列叙述正确的是().·
A.电路交换是真正的物理线路交换，而虚电路交换是逻辑上的连接，且一条物理线路只可以进行一条逻辑连接
B.虚电路的连接是临时性连接，当会话结束时就释放这种连接
C.数据报服务不提供可靠传输,但可以保证分组的有序到达
D.数据报服务中，每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址
解析：电路交换是真正的物理线路交换，例如电话线路;虚电路交换是多路复用技术，每条物理线路可以进行多条逻辑上的连接，A错误。虚电路不只是临时性的，它提供的服务包括永久性虚电路(PVC)和交换型虚电路(SVC)，其中前者是一种提前定义好的、基本上不需要任何建立时间的端点之间的连接，而后者是端点之间的一种临时性连接，这些连接只持续所需的时间，并且在会话结束时就取消这种连接，B错误。数据报服务是无连接的，不提供可靠性保障，也不保证分组的有序到达，C错误。数据报服务中，每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址;而虚电路服务中，在建立连接后，分组只需携带虚电路标识，而不必带有源地址和目的地址，D正确。

35.下列关于虚电路的说法中，( )是正确的.
A.虚电路与电路交换没有实质性的不同
B.在通信的两个站点之间只可以建立一条虚电路
C.虚电路有连接建立、数据传输和连接折除3个阶段
D.在虚电路上传送的同一个会话的数据分组可以走不同的路径
解析：虚电路属于分组交换的一种，它和电路交换有着本质的差别，A错误。虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的，每个结点到其他结点之间可能同时有若干虚电路通过，它也可能同时与多个结点之间建立虚电路，B错误。一个特定会话的虚电路是事先建立好的，因此它的数据分组所走的路径也是固定的，D错误。

36.下列4种传输方式中，由网络负责差错控制和流量控制，分组按顺序被递交的是()
A.电路交换
B.报文交换
C.虚电路分组交换
D.数据报分组交换
解析：电路交换和报文交换不采用分组交换技术。数据报传输方式没有差错控制和流量控制机制,也不保证分组按序交付。虚电路方式提供面向连接的、可靠的、保证分组按序到达的网络服务。

37.【2010统考真题】在右图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100Mb/s,分组大小为1000B,其中分组头大小为20B.若主机H1向主机H2发送一个大小为980000B的文
件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送开始到接收完为止，需要的时间至少是( ).

A. 80ms
B. 80.08ms
C. 80.16ms
D. 80.24ms
解析：分组大小为$1000B$,分组头大小为$20B$,则分组携带的数据大小为$1000B-20B=980B$,文件长度为$980000B$,需拆分为$980000/980=1000$个分组，加上头部后，每个分组大小为$1000B$，共需要传送的数据量大小为$1MB$.由于所有链路的数据传输速率相同，因此文件传输经过最短路径时所需的时间最少，最短路径经过2个分组交换机。
当$t=1M\times 8/(100Mb/s)=80ms$时，H1发送完最后一个比特。
当H1发送完最后一个分组时，该分组需要经过2个分组交换机的转发，在2次转发完成后，所有分组均到达H2。每次转发的时间为$t_0=1K\times 8/(100Mb/s)=0.08ms$.
所以，在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，当$t=80ms+2t=80.16ms$时，H2接收完文件，即所需的时间至少为$80.16ms$.

38.【2013统考真题】主机甲通过1个路由器（存储转发方式）与主机乙互联，两段链路的数据传输速率均为10Mb/s，主机甲分别采用报文交换和分组大小为10kb的分组交换向主机乙发送一个大小为8Mb $(1M=10^6)$的报文。若恕略链路传播延迟、分组头开销和分组拆装时间，则两种交换方式完成该报文传输所需的总时间分别为().
A.800ms、1600ms
B.801ms、1600ms
C.1600ms、800ms
D.1600ms、801ms
解析：传输图为:甲——路由器——乙。
在题目没有明确说明的情况下，不考虑排队时延和处理时延，只考虑发送时延和传播时延(计算机网络的性能指标)，本题中忽略传播时延，因此只针对报文交换和分组交换计算发送时延即可。

• 计算报文交换的发送时延。报文交换将信息直接传输,其发送时延是每个结点转发报文的时间。
  而对于每个结点，均有发送时延$T=8Mb/10Mb/s=0.8s$，由于数据从甲发出，又被路由器转发1次,
  因此一共有2个发送时延，所以总发送时延为1.6s，即报文交换的总时延为1.6s，排除A、B选项。
• 计算分组交换的发送时延。简单画出前3个分组的发送时间示意图如下。
  
  图中t为第2个分组等待第1个分组从第1个结点发送完毕的时间。观察发现，在所有分组长度相同的情况下，总的发送时延应为第1个分组到达接收端的时间,加上其余所有分组等待第1个分组在第1个结点的时间t，即总的发送时延$T=t+(n-1)$，其中t为第1个分组到达接收端的时间，n为分组数量，t为第2个分组等待第1个分组从第1个结点发送完毕的时间。首先计算t，同样，分组1从甲发送，被路由器转发，一共有2个发送时延，即$t=(10kb/10Mb/s)x2=2ms$。其次计算分组数量n，由于忽略分组头开销，因此$n=8Mb/10kb=800$。将结果代入T的公式，求得发送时延$T=801ms$.

39.[2014 统考真题]下列因素中，不会影响信道数据传输速率的是( ).
A.信噪比
B.频率宽带
C.调制速率
D.信号传播速度
解析：由香农定理可知，信噪比和频率带宽都可限制信道的极限传输速率，所以信噪比和频率带宽对信道的数据传输速率是有影响的，选项A、B错误；信道传输速率实际上就是信号的发送速率,而调制速率(码元传输速率)也会直接限制数据传输速率，选项C错误；信号的传播速率是信号在信道上传播的速率，与信道的发送速率无关，选D选项。

40.[2015统考真题]使用两种编码方案对比特流0110011进行编码的结果如下图所示，编码1和编码2分别是()。

A.NRZ和曼彻斯特编码
B.NRZ和差分曼彻斯特编码
C.NRZI和曼彻斯特编码
D.NRZI和差分曼彻斯特编码
解析：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是用电平的一次翻转来表示0，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，前一个间隔为低电平而后一个间隔为高电平表示1;0的表示方式正好相反，题中编码2符合。

41.[2020统考真题]下列关于虚电路网络的叙述中，错误的是( )。
A.可以确保数据分组传输顺序
B.需要为每条虚电路预分配带宽
C.建立虚电路时需要进行路由选择
D.依据虚电路号(VCID)进行数据分组转发
解析：虚电路服务需要有建立连接的过程，每个分组使用短的虚电路号，属于同一条虚电路的分组按照同一路由进行转发，分组到达终点的顺序与发送顺序相同，可以保证有序传输，不需要为每条虚电路预分配带宽。

应用题

1.试比较分组交换与报文交换，并说明分组交换优越的原因.
解析：
报文交换与分组交换的原理如下:用户数据加上源地址、目的地址、长度、校验码等辅助信息后，封装成PDU，发给下一个结点。下一个结点收到后先暂存报文，待输出线路空闲时再转发给下一个结点，重复该过程直到到达目的结点。每个PDU可单独选择到达目的结点的路径。

分组交换	报文交换
生成的PDU的长度较短且是固定的	生成的PDU的长度不是固定的

正是这一差别使得分组交换具有独特的优点:

• ①缓冲区易于管理;
• ②分组的平均延迟更小，网络中占用的平均缓冲区更少﹔
• ③更易标准化:
• ④更适合应用。

因此，现在的主流网络基本上都可视为分组交换网络。

2.假定在地球和月球之间建立一条100Mb/s的链路。月球到地球的距离约为385000km，数据在链路上以光速$3\times 10^8$m/s传输。
1)计算该链路的最小RTT.
2)使用RTT作为延迟，计算该链路的“延迟×带宽”值。
3)在2）中计算的“延迟×带宽”值的含义是什么?
4)在月球上用照相机拍取地球的相片，并把它们以数字形式保存到磁盘上。假定要在地球上下载25MB的最新图像，那么从发出数据请求到传送结束最少要花多少时间?
解析：
RTT表示往返传输时间（等于单向传输时间的2倍)。
1)最小RTT等于$2\times 385000000m/(3\times 108m/s)=2.57s$。
2)“延迟×带宽”值等于$2.57s\times 100Mb/s=257Mb\approx 32MB$。
3)它表示发送方在收到一个响应之前能够发送的数据量。
4)在图像可以开始到达地面之前，至少需要一个RTT。假定仅有带宽延迟，那么发送需要的时间等于$25MB/(100Mb/s)=(25\times 1024\times 1024\times 8)bit/(100Mb/s)=2.1s$。因此，直到最后一个图像位到达地球，总共花的时间等于$2.1+2.57=4.67s$。

3.如下图所示，主机A和B都通过10Mb/s链路连接到交换机S.

在每条链路上的传播延迟都是$20\mu s$。S是一个存储转发设备，在它接收完一个分组3后开始转发收到的分组。试计算把$10000bit$从A发送到B所需要的总时间。
1)作为单个分组。
2)作为两个5000bit的分组一个紧接着另一个发送。
解析：
1)每条链路的发送延迟是$10000/(10Mb/s)=1000\mu s$.
总传送时间等于$2\times 1000+2\times 20+35=2075\mu s$.
2〉作为两个分组发送时，下面列出的是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结束了分组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

事实上，从开始发送到A把第2个分组的最后1位发送完，经过的时间为$2\times 500\mu s$，第1个链路延迟$20\mu s$，交换机延迟$35\mu s$（然后才能开始转发第⒉个分组)，发送延尺为$500\mu s$，第2个链路延迟$20\mu s$。所以，总时间等于$2\times 500\mu s+20\mu s+35\mu s+500\mu s+20\mu s=1575\mu s$。

4.一个简单的电话系统由两个端局和一个长途局连接而成，端局和长途局之间由1MHz的全双工主干连接。在8小时的工作日中，一部电话平均使用4次，每次的平均使用时间为6分钟.在所有通话中，10%的通话是长途(即通过端局)。假定每条通话线路的带宽是4kIHz,请分析一个端局能支持的最大电话数。
解析：
每部电话平均每小时通话次数=4/8=0.5次，每次通话6分钟，因此一部电话每小时占用一条电路3分钟，即20部电话可共享一条线路。由于只有10%的呼叫是长途，因此200部电话占用一条完全时间的长途线路。局间干线复用了$10^6/(4\times 10^3)=250$条线路，每条线路支持200部电话，因此一个端局能支持的最大电话数是$200\times 250=50000部$。

5.T1系统共有24个话路进行时分复用，每个话路采用7比特编码，然后加上1比特信令码元，24个话路的一次采样编码构成一帧。另外，每帧数据有Ⅰ比特帧同步码，每秒采样8000次。请问T1的数据率是多少?
解析：
由于每个话路采用7bit编码，然后再加上1bit信令码元，因此一个话路占用8bit。帧同步码是在24路的编码之后加上 1bit，因此每帧有8bit×24+1bit = 193bit.
因为每秒采样8000次，因此采样频率为8000Hz，即采样周期为$1/8000s=125\mu s$。所以T1的数据率为$193bit/(125\times 10^{-6}s)=1.544Mb/s$。

6.一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$L(L\gg p)$位的报文要通过该网络传送，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位/秒，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要的时间.
解析：
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位的报文分割成分组，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$中间结点的发送时延=(h+p)(k-1)/b秒$。
$中间结点的处理时延=m(k-1)秒$，$传播时延=kd秒$。所以$源结点开始发送数据直至终点收到全部数据所需要的时间=s+(h+p)L/(pb)+(h+p)(k-1)/b+m(k-1)+kd秒$。

传输介质

传输介质也称传输媒体，它是数据传输系统中发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质。

• 在导向传输介质中，电磁波被导向沿着固体媒介（铜线或光纤）传播，
• 非导向传输介质可以是空气、真空或海水等。
  

双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

双绞线

同轴电缆

光纤

光纤的特点

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。
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。

无线传输介质

物理层接口的特性

例题

1.双绞线是用两根绝缘导线绞合而成的，绞合的目的是().
A.减少干扰
B.提高传输速度
C.增大传输距离
D.增大抗拉强度
解析：绞合可以减少两根导线相互的电磁干扰。

2.在电缆中采用屏蔽技术带来的好处主要是( ).
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
解析：屏蔽层的主要作用是提高电缆的抗干扰能力。

3.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().
A.全双工
B.半双工
C.单工
D.不确定
解析：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，否则各主机之间就会形成冲突，因此主机间的通信方式是半双工。全双工是指通信双方可以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互。

4.同轴电缆比双绞线的传输速率更快，得益于().
A.同轴电缆的铜心比双绞线粗，能通过更大的电流
B.同轴电缆的阻抗比较标准，减少了信号的衰减
C.同轴电缆具有更高的屏蔽性，同时有更好的抗噪声性
D.以上都正确
解析：同轴电缆以硬铜线为心，外面包一层绝缘材料，绝缘材料的外面再包围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亮。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。

5.不受电磁干扰和噪声影响的传输介质是（ ).
A.屏蔽双绞线
B.非屏蔽双绞线
C.光纤
D.同轴电缆
解析：光纤抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好。

6.多模光纤传输光信号的原理是().
A.光的折射特性
B.光的发射特性
C.光的全反射特性
D.光的绕射特性
解析：多模光纤传输光信号的原理是光的全反射特性。

7.以下关于单模光纤的说法中，正确的是().
A.光纤越粗，数据传输速率越高
B.如果光纤的直径减小到只有光的一个波长大小，那么光沿直线传播
C.光源是发光二极管或激光
D.光纤是中空的
解析：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。

8.下面关于卫星通信的说法，错误的是().
A.卫星通信的距离长，覆盖的范围广
B.使用卫星通信易于实现广播通信和多址通信
C.卫星通信的好处在于不受气候的影响，误码率很低
D.通信费用高、延时较大是卫星通信的不足之处
解析：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。

9.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表示进制1，电线长度限于15m以内，这体现了物理层接口的().
A.机械特性
B.功能特性
C.电气特性
D.规程特性
解析：物理层的电气特性规定了信号的电压高低、传输距离等。

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().
A.机械特性
B.电气特性
C.功能特性
D.规程特性
解析：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。

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（)
A.机械特性 B.功能特性 C.过程特性 D.电气特性
解析：概念题，过程特性定义各条物理线路的工作过程和时序关系。

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().
A.接口形状
B.引脚功能
C.物理地址
D.信号电平
解析：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、规程特性。机械特性规定连接所用设备的规格，即A所说的接口形状。电气特性规定信号的电压高低、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代表什么意义、接口部件的信号线（数据线、控制线、定时线等〉的用途，如B所说的引脚功能。选项C中的物理地址是MAC地址，它属于数据链路层的范畴。

物理层设备

中继器

中继器的主要功能是将信号整形并放大再转发出去，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，进而扩大网络传输的距离。其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大)。

中继器有两个端口，数据从一个端口输入，再从另一个端口发出。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廉价的互联设备。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然是一个局域网。

中继器若出现故障，对相邻两个网段的工作都将产生影响。由于中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网。

注意:如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议;如果该网络设备没有存储转发功能，那么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。

从理论上讲，中继器的使用数目是无限的，网络因而也可以无限延长。但事实上这不可能，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，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。

例如，在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用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,其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”。

注意: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，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。

集线器(多口中断器)

集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器。当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，由于信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便将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。如果同时有两个或多个端口输入，那么输出时会发生冲突，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，即信号传输的方向是固定的，是一个标准的共享式设备。

Hub主要使用双绞线组建共享网络，是从服务器连接到桌面的最经济方案。在交换式网络中，Hub直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面上。

使用Hub组网灵活，它把所有结点的通信集中在以其为中心的结点上，对结点相连的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影啊整个网络的正常运行，并且用户的加入和退出也很自由。

由Hub组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是一个总线网。Hub的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段，问时Hub也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。

注意:多台计算机必然会发生同时通信的情形，因此集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域。

集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如米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，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很
差。

比如，一个带宽为10Mb/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，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8Mb/s = 1.25Mb/s.

例题

1.下列关于物理层设备的叙述中，错误的是().
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
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然是一个局域网，且不能连接具有不同数据链路层协议的网段
解析：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。

2.转发器的作用是().
A.放大信号
B.转发帧
C.存储帧
D.寻址
解析：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。

3.两个网段在物理层进行互联时要求().
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，但数据链路层协议可以不同
D.数据传输速率可以不同，但数据链路层协议要相同
解析：物理层是OSI参考模型的最低层，它建立在物理通信介质的基础上,作为与通信介质的接口,用来实现数据链路实体之间的透明比特流传输。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。对此总结是:本层及本层以下协议必须相同，本层以上协议可以不同。
$★$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通的目的，要求数据传输速率和数据链路层协议都相同(与第1题区分)。

4.为了使数字信号传输得更远，可采用的设备是().
A.中继器
B.放大器
C.网桥
D.路由器
解析：放大器通常用于远距离地传输模拟信号，它同时也会放大噪声，引起失真。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联设备，可以实现不同网络的互联。

5.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().
A.网络适配器
B.中继器
C.调制解调器
D.网关
解析：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要的要求，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。

6.在粗缆以太网中可通过中继器扩充网段，中继器最多可有().
A.3个
B.4个
C.5个
D.无限个
解析：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联的网络中，任意发送方和接收方最多只能经过4个中继器、5个网段。

7.一般来说，集线器连接的网络在拓扑结构上属于().
A.网状
B.树形
C.环形
D.星形
解析：集线器的作用是将多个网络端口连接在一起，即以集线器为中心，所以使用它的网络在拓扑结构上属于星形结构。

8.用集线器连接的工作站集合().
A.同属一个冲突域，也同属一个广播域
B.不同属一个冲突域，但同属一个广播域
C.不同属一个冲突域，也不同属一个广播域
D.同属一个冲突域，但不同属一个广播域
解析：集线器的功能是，把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物理网络的覆盖范围，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，而且增大了冲突的概率。

9.若有5台计算机连接到一台10Mb/s的集线器上，则每台计算机分得的平均带宽为()
A.2Mb/s
B.5Mb/s
C.10Mb/s
D.50Mb/s
解析：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。因此，平均带宽的上限为(10Mb/s)/5 =2Mb/s。

10.当集线器的一个端口收到数据后，将其().
A.从所有端口广播出去
B.从除输入端口外的所有端口广播出去
C.根据目的地址从合适的端口转发出去
D.随机选择一个端口转发出去
解析：集线器没有寻址功能，从一个端口收到数据后，从其他所有端口转发出去。

11．下列关于中继器和集线器的说法中，不正确的是().
A.二者都工作在OSI参考模型的物理层
B.二者都可以对信号进行放大和整形
C.通过中继器或集线器互联的网段数量不受限制
D.中继器通常只有2个端口，而集线器通常有4个或更多端口
解析：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，而且也传送噪音和冲突信号，因而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”。

参考文献

[1] 谢希仁. 计算机网络. 7版. 北京：电子工业出版社，2017
[2] 王道论坛. 2022计算机网络考研复习指导. 北京：电子工业出版社，2021

最后

以上就是明理蓝天为你收集整理的计算机网络学习笔记之物理层通信基础传输介质物理层设备的全部内容，希望文章能够帮你解决计算机网络学习笔记之物理层通信基础传输介质物理层设备所遇到的程序开发问题。

如果觉得靠谱客网站的内容还不错，欢迎将靠谱客网站推荐给程序员好友。