第 2 章 物理層

【考綱內容】

1.通信基礎
(1) 信道、信號、帶寬、碼元、波特、速率、信源與信宿等基本概念
(2) 奈奎斯特定理與香農定理
(3) 編碼與調制
(4) 電路交換、報文交換與分組交換
(5) 數據報與虛電路

2.傳輸介質
(1) 雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質；(2) 物理層接口的特性

3.物理層設備
(1) 中繼器；(2) 集線器

【考情統計】

年份	題數及分值	考點
	單選題	綜合題	總分值
2009	1	0	2	編碼與調制
2010	1	0	2	分組交換
2011	1	0	2	編碼與調制
2012	1	0	2	接口特性
2013	2	0	4	編碼與調制、分組交換
2014	1	0	2	香農定理
2015	1	0	2	編碼與調制
2016	1	0	2	香農定理
2017	1	0	2	奈奎斯特定理、香農定理
2018	1	0	2	接口特性
2019	1	0	2	傳輸介質
2020	1	0	2	分組交換
2021	1	0	2	分組交換
2022	1	0	2	奈奎斯特定理
2023	2	0	4	分組交換、QAM
2024	1	0	2	信號的調制方式

【考點解讀】
本章內容基本以選擇題形式進行考查。對于通信基礎和傳輸介質相關概念熟悉即可，重點要會靈活運用奈奎斯特定理與香農定理涉及的相關公式，通過題目所給條件對任意參數進行求解。學會由信號數字波形分析其編碼方式和編碼內容。對于物理層設備可能結合網絡拓撲圖考查應用題，需要理解集線器的功能和特點，通過設備在網絡拓撲圖中的位置分析其作用以及具體為何種設備。

【復習建議】
本章需要考生簡單了解通信相關概念，掌握信道極限傳輸速率的計算，理解波特率與比特流間的轉換關系，熟悉常見編碼方式，了解物理層各傳輸介質的電氣、功能、規程特性。物理層關注的是如何在傳輸介質連接的計算機之間傳輸比特流，而不是具體的傳輸介質，因此考生還需掌握三種交換方式的區別、優缺點以及它們的進化歷程。
在復習本章內容時，讀者可以主動思考以下問題，這些問題將在章末給出答案。
(1) 物理層主要解決哪些問題，物理層的主要特點是什么？
(2) 傳輸媒體和物理層有什么區別？
(3) 基帶傳輸和頻帶傳輸有哪些使用場景？
(4) 如何理解同步通信和異步通信？
(5) 電路交換、報文交換和分組交換適用于哪些場景？

2.1 通信基礎

2.1.1 基本概念

1.信號

????????聲信號、光信號在生活中無處不在，人們說話時，通過聲信號向他人傳遞自身的意圖與想法。同樣的，計算機網絡通信也需要信號作為載體。首先，信息是事物及其屬性標識的集合，其在形式上有文字、語音、圖像等；而數據是信息的符號化序列化表示，比如在計算機中存儲的二進制比特序列；信號則是數據的電氣或電磁表現，是數據在傳輸過程中的表現形式，是信息的載體。通信的雙方依賴信號傳遞信息，從廣義上講，它包含聲信號、光信號、電信號等。不同通信技術采用的信號形式不同，如有線通信中的電路電壓，無線通信中的的微波、光波、紅外線等。
現代通信系統中，數據與信號都有模擬和數字之分，模擬數據與模擬信號連續變化，取值連續不間斷；數字數據和數字信號斷續變化，取值為分離、離散的集合。模擬和數字分別與連續和離散相對應。人們通常以波形表示信號隨時間的變化，模擬信號為正弦波，正弦波的振幅、周期、相位不同所傳達的信息不同，而數字信號為方波，如圖 2.1。

????????【提示】數字信號可有多個離散值。由于在電信號通信系統中，將二進制數表示為電脈沖，通過線路電壓高低狀態變化傳輸數字信號，如低電平代表 0、高電平代表 1，故而數字信號常見僅 0、1 兩種值，如圖 2.1 (b)。

2. 信源、信宿、信道

????????通信最基本的問題為如何在一個通信端精確或大致地重現另一通信端的信息，圖 2.2 的通信模型抽象了通信的一般過程。

????????通信系統有三基本要素：信源、信道、信宿。信源是信息發送端（發送者），信道是信號傳輸媒介，信宿是信息接收端（接收者）。發送器將發送的信息轉換為便于傳輸的信號，接收器從受噪聲干擾的信號中提取并還原與發送端形式相同的信息，二者都含有與信道傳輸線路匹配的接口，如計算機中的網卡。噪聲存在于整個通信系統中，但對信道的干擾最為嚴重。噪聲的種類有很多，圖中將所有不同的噪聲干擾源集中表示為一個噪聲源。
【提示】通信模型只是對各種通信系統的共性進行抽象描述，僅為一個一對一的單向通信系統，而實際通信系統往往是雙向的、多個信源信宿構成的復雜網絡。
信道中的信號根據是否經過調制，可分為基帶信號和頻帶信號：

????????基帶信號：直接來自信源、未經調制的信號，也稱基本帶寬信號，如以不同電壓表示 0、1 的電脈沖信號。基帶信號通常屬于數字信號，但并不絕對。

????????頻帶信號：將基帶信號進行調制，附加到更高頻率載波上的信號，屬于模擬信號。

????????基于信號的傳播處理實現數據通信的過程稱為傳輸方式，按傳輸的信號種類可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。它們與所使用的信道、信號種類的對應關系如表 2.1。特殊的，寬帶傳輸擁有比頻帶傳輸更廣的頻率范圍，通常用于需要同時傳輸音視頻數據的場景，它使用頻分復用方案，將原信道劃分成小頻率范圍的多個子信道，各子信道可以同時傳輸頻帶信號。

????????【提示】基帶信號不一定是數字信號，基帶信號強調直接來源于信源，由信源決定，例如我們說話的聲波是模擬基帶信號。基帶信號是相對頻帶信號而言，與數字信號、模擬信號并無對應關系。只不過在電通信系統中，基帶信號往往也是數字信號，所以由數字信道傳輸。
根據數據傳輸過程中同一時刻發出的比特數量，可分為串行傳輸與并行傳輸。串行傳輸是指發送端組織比特依次通過單根數據線路到達接收端；并行傳輸則是指發送端與接收端之間存在多條數據線路，多個比特可同時到達接收端。并行傳輸常用于計算機內部，如 CPU 與主存之間，但它實現復雜且不適用于長距離通信，故計算機網絡只能使用串行傳輸。

串行傳輸又分為同步傳輸和異步傳輸：

????????同步傳輸面向比特流，字節之間沒有時間間隔，發送端與接收端時鐘保持一致，同步信息在數據中抽取。通過外同步和內同步實現收發雙方的時鐘同步。外同步指在收發雙方之間增加單獨的時鐘信號線控制同步；內同步指發送端將時鐘信號與待發送數據一同編碼發送（例如，曼徹斯特編碼）。

????????異步傳輸面向字節，字節之間存在不固定的時間間隔，但字節中的各比特依然保持同步（即各比特持續時間一致），通過字節的起始與終止時機進行發送端與接收端的同步。

按照通信時發送端與接收端的信息交互方式，通信可以分為以下三種形式：

????????單工：一方只能發送信息，另一方只能接收信息，信息的傳遞是單向的。具體例子有廣播、紅外遙控。

????????半雙工：雙方都可以發送和接收信息，但同一時刻只能一方發送一方接收。具體例子有對講機、標準以太網。

????????全雙工：雙方可以同時發送同時接收信息，如吉比特以太網。

3.碼元、波特率、比特率

????????碼元是代表某種信息量的符號，如鍵盤上的一個符號代表一個 8 比特的 ASCII 碼。在通信系統中，常用一個固定時間間隔內的波形表示一個 N 進制數據，這個波形符號即為碼元，而時間間隔為碼元長度。
若一個碼元可表示 N 進制數據，那么一個碼元代表的比特長度為log2?N，在這個系統中有 N 種可被識別的不同碼元，稱之為 N 進制碼元。圖 2.3 所示為四進制碼元，碼元長度為 T，四種波形符號分別代表00(2)?、01(2)?、10(2)?、11(2)?。

一類碼元的不同波形符號之間的區別可能是頻率、相位、振幅，甚至可能是它們的組合，如 2.1.3 節中的三類調制方式正是基于這些因素生成不同波形。
計算機網絡中，數據的傳輸速率，有波特率和比特率兩種描述形式，數據率通常指代的是比特率。

波特率：單位時間內傳輸的碼元個數，也是單位時間內波形幅值、周期或相位的變化次數，單位為波特（Baud）。1 波特等同于 1 碼元每秒。

比特率：單位時間內傳輸的比特個數，單位為 bit/s（等同于 b/s、bps）。

由于一個 N 進制碼元可以代表log2?N位比特，所以波特率與比特率有如下關系：
比特率 = 波特率?log2?N

????????【提示】當信號系統中傳輸的碼元僅有兩種不同波形符號，如二進制碼元（兩種符號分別代表 0 和 1），這時波特率等于比特率。

4. 帶寬、時延帶寬積

????????帶寬（Bandwidth）一詞我們并不陌生，像家庭寬帶的帶寬，它和網速上限有關。而通信中常見包含帶寬的相關概念有：

基本帶寬：基帶信號的頻率，簡稱基帶，單位 Hz。

信號帶寬：信號成分的最高頻率與最低頻率之差，單位 Hz。

信道帶寬：信道中能夠傳輸的信號的最高頻率與最低頻率之差，單位 Hz。

網絡資源帶寬：表示網絡線路的數據傳送速率，等同比特率，單位 bit/s。

【提示】計算機網絡中提及的帶寬一般為網絡資源帶寬，帶寬常見單位為 Mbps，1Mbps 等同10^6bit/s。計算機網絡中，約定俗成 kbps、Mbps、Gbps 與 bps 的數量級差別分別為10^3、10^6、10^9，而不是2^10、2^20、2^30。
時延帶寬積是傳播時延乘以帶寬，結果上等于第一個比特到達對方時發送方已發送的比特數量，是線路中能容納的最大比特數量。

2.1.2 奈奎斯特定理與香農定理

1.奈奎斯特定理

????????信道中模擬信號往往由多種正弦信號分量疊加而成，接收端為了不失真地恢復模擬信號，需要遵循采樣定理：采樣頻率應該大于模擬信號各信號分量中最高頻率的兩倍。

????????【提示】如圖 2.4 (a) 所示，固定兩個采樣點（A 與 B），可以有無數種經過這兩點的波形。只有在采樣周期小于信號周期的二分之一的前提下，也即采樣頻率在波形頻率的兩倍以上時，才能確定一條唯一的波形。采樣頻率不能剛好等于信號最高頻率的兩倍，因為當采樣點恰好位于波形零點時，便無法確定唯一的信號波形，如圖 2.4 (b)。
當過高頻率信號進入信道時，接收方經過采樣重建的信號頻率只會低于信道頻率上限，所以就可能與正常頻率信號發生重疊，導致無法確定碼元之間的界限，這種現象稱為碼間串擾。為了避免碼間串擾，發送方發送碼元的速率不能超過一個極限值。
奈奎斯特推導出理想低通信道的極限碼元傳輸速率為 2W（單位為波特）。理想低通信道，即無噪聲且低于信道頻率上限的信號都能正常傳輸的信道，它允許通過的信號頻率上限為 W，下限為 0，同時 W 也為信道帶寬。
根據波特率和比特率的轉換關系，可以得出理想低通信道極限比特速率為2W?log2?N（單位為 bit/s）。由于碼元波形種類 N 未指明，故極限比特率沒有上限。為了提高比特率，可著手去提高信道帶寬或采取更高效的編碼方式。

2. 香農定理

????????在實際通信系統中，信道中除了有承載數據的有效信號外，還存在噪聲信號。噪聲信號會擾亂有效信號的波形，使數據傳輸受到影響。香農定理考慮了噪聲對信道的影響，描述了在有噪聲信道中最大數據傳輸率和信道帶寬、信噪比之間的關系。香農定理公式為：

C=W?log2?(1+S/N)

????????C 為信道最大數據傳輸率或信道容量（單位為 bit/s），W 為信道帶寬，S 為信號功率，N 為噪聲功率，S/N 即信噪比。
由公式可知，提高信道帶寬以及信噪比可以提高信道的最大數據傳輸率。然而香農定理計算得到的信道容量是理論上可以達到的極限，實際傳輸速率比極限值低得多。此外，當傳輸速率大于信道容量時，將導致誤碼率顯著提高，信息質量嚴重下降。
信噪比有兩種表示形式，數值型和分貝型。實際中常用分貝 (dB) 描述信噪比，與 S/N 的轉化關系如下。在考題中，通常先通過分貝值計算 S/N，再代入香農定理公式中計算信道極限數據傳輸率。例如給定分貝值為 30dB，根據公式可推導出 S/N 為10^3。

分貝值 =?10×log10?(S/N)

【提示】若考題中既給出碼元進制數，又給出了信噪比，則需分別使用奈奎斯特定理與香農定理進行計算，取兩者較小值作為最大數據傳輸率。

2.1.3 編碼與調制

????????前文中提及到信號是信息的載體，這意味著在通信系統中數據需要轉換為信號才能被傳輸。計算機網絡中，基帶傳輸一般用于短距離傳輸，寬帶傳輸一般用于長距離傳輸。由于網絡結構的復雜性，可能經過的信道多種多樣，需要根據信道采用合適的信號，因此通信過程中難免涉及信號轉換。將數據轉換成數字信號的過程稱為編碼，轉換成模擬信號的過程稱為調制。

1.編碼

編碼又為兩種情形：

????????1.將計算機中的原始基帶信號轉換為另一種能夠被傳輸的基帶信號的過程（數字基帶信號→數字信號）。數字信號承載數字數據，這種情形也被稱為 “數字數據編碼為數字信號”。

????????2.將模擬信號采樣、量化后，得到離散值的過程（模擬信號→數字信號）。數字信號承載模擬數據，這種情形也被稱為 “模擬數據編碼為數字信號”。

我們首先討論第一種情形，其主要的編碼方式如圖 2.5。

針對圖中編碼方式的解釋如下：

????????·歸零編碼（RZ，Return Zero）：每個時間間隔中電平都會歸零。圖中具體為雙極性歸零編碼，向上凸起（正脈沖）代表 1，向下凹陷（負脈沖）代表 0。

????????·不歸零編碼（NRZ）：等同于原始基帶信號，高電平代表 1，低電平代表 0，表示一個碼元時電平無需歸零。

????????·反向不歸零編碼（NRZI）：類似于不歸零編碼，區別在于信號跳變代表 0，無跳變代表 1。

????????·曼徹斯特編碼：每個時間間隔中間都發生跳變，向上跳變代表 0，向下跳變代表 1。也可以采用向上跳變代表 1，向下跳變代表 0 的編碼方式。

????????·差分曼徹斯特編碼：每個時間間隔中間都發生跳變，間隔起始處發生跳變代表 0，無跳變代表 1。

????????【提示】上述編碼方式中，信號的不同變化與 0、1 的對應關系并非固定，它可以自定義，如差分曼徹斯特編碼可以讓時間間隔起始處有跳變代表 1，無跳變代表 0。

????????除不歸零編碼外，接收方可以根據信號跳變與發送方保持時鐘同步，也就是確保接收方準確定位每一個碼元的起始時間點。不歸零電平編碼存在直流分量（電平在多個時間間隔內保持不變），缺乏自同步能力，在信號傳輸中不常用，因為通信雙方需要使用額外的同步機制，使得傳輸效率降低。而歸零編碼雖能根據每個時間間隔中間的變化保持雙方同步，但它需要歸零，特別在雙極性歸零編碼中多出一種電平狀態，這將占據部分帶寬從而使得傳輸效率降低。

????????曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼每個碼元中間都發生跳變，相當于把一個碼元一分為二，編碼速率是碼元速率的兩倍。此外，二者編碼后的基帶信號帶寬是原始基帶信號帶寬的兩倍。

????????曼徹斯特編碼碼元中間的跳變除了表示數據，還能作為時鐘同步信號。標準以太網正是使用曼徹斯特編碼。而差分曼徹斯特編碼的碼元中心跳變僅作為同步信號，它擁有更強的抗干擾能力。差分是指數據由相鄰信號的變化表示，比檢測電平更可靠，同 1 異 0，同即為無跳變，異是發生跳變。

????????對于第二種情形，將模擬數據編碼為數字信號，常見如 PCM 脈沖編碼調制。它將連續的模擬信號經由抽樣、量化、編碼三階段，最終轉換為數字信號，具體如圖 2.6 所示。抽樣即按照固定時間間隔掃描模擬信號，這與奈奎斯特采樣定理有關，抽樣頻率必須高于模擬信號最高頻率的兩倍。模擬信號經過抽樣后得到一系列離散的電平幅值。量化是指將抽樣結果分級，一般將一個個離散值以其最接近的整數表示。最后的編碼則將量化得到的離散整數轉換為二進制編碼。

1.調制

????????調制是讓原始信號附載到高頻信號（載波）之上，將低頻信號頻譜搬移到高頻模擬信道中傳輸的過程。某段時間內載波可以用公式S(t)=A?sin(ωt+ρ)表示，其中包含三種分量（A，ω，ρ），通過數據控制這三種分量可以得到不同的調制信號。而解析已調信號還原原始信號的過程稱為解調。

調制亦分兩種情形：

·數字調制：通過數字信號控制載波的三種分量，即 “數字數據調制為模擬信號”。

·模擬調制：通過模擬信號控制載波的三種分量，即 “模擬數據調制為模擬信號”。

????????基本的數字調制方式有幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控。三種調制方式對于數據10100110(2)?的調制結果舉例如圖 2.7 所示。

·幅移鍵控（ASK，Amplitude Shift Keying）：以載波的不同幅度表示 0 和 1。

·頻移鍵控（FSK，Frequency Shift Keying）：以載波的不同頻率表示 0 和 1。

·相移鍵控（PSK，Phase Shift Keying）：以載波的不同相位表示 0 和 1。

·差分相移鍵控（DPSK，Differential Phase Shift Keying）：利用調制信號前后碼元之間載波的相對相位變化來傳遞信息。與上一個波形比較，有變化表示 0，無變化表示 1。

????????正交振幅調制（QAM）是在頻率相同的前提下，將幅移鍵控與相移鍵控結合的技術。若已知碼元速率為B，信號有m個相位，每個相位具有n種振幅，顯然可得碼元波形種類有mn種，以及數據傳輸速率為Blog2?(mn)。

????????常見的模擬調制方式有調幅 AM、調頻 FM、調相 PM。早前的固定電話正是將人的聲音信號（屬于模擬信號）調制為適合傳輸的更高頻模擬信號。相較于數字調制，模擬調制抗干擾能力較差且保密性較弱，隨著通訊技術的發展，大有數字通訊取代模擬通訊的趨勢。

2.1.4 電路交換、報文交換與分組交換

????????數據與信號轉換技術，加上傳輸介質，使得我們能夠在相鄰的通信雙方間傳遞信息。但計算機網絡是一個擁有復雜拓撲的多對多通信系統，網絡中通信雙方之間可能存在很多中間節點。那么為了實現網絡通信，必須克服非直連帶來的問題，而數據交換就是將數據在通信子網中各節點間傳輸的過程，至今出現過電路交換、報文交換、分組交換三種交換方式。

????????【提示】從物理層來看中間節點存在的理由，一是網絡設備數以億計，不可能使成千上萬的信源信宿兩兩直接相連；二是數據不能無視距離傳輸，需要中間站點接力。

1.電路交換

????????電路交換在源站點和目標站點之間建立一條直通、獨占的物理通路，通過這條數據通路將整個報文的比特流連續地從源點送達終點，這好比在雙方之間建立一條特殊的管道供數據通過（如圖 2.8）。

????????電路交換根據電話交換原理發展而來，電路交換網的一個典型例子是早期公共交換電話網（PSTN，Public Switched Telephone Network）。電路交換經歷三個步驟：建立連接、傳送數據、拆除連接。首先源站點發出與目標站點的連接請求（呼叫），需要一定時間才能完成二者之間的電路建立；連接建立之后，比特流連續有序地送往終點，傳輸時電路必須保持連接狀態；傳輸完成之后，源站點或目標站點發出拆除連接請求，釋放該電路占用的中間節點和信道資源。

????????電路交換建立的連接是雙方獨占的物理鏈路，由中間節點和各段鏈路相連而成，電路交換的優點主要有：

·實時性強：物理鏈路一經建立，雙方可隨時發送數據，由于鏈路直連故數據傳輸時延低。

·數據連續有序：通信雙方按序收發數據，中間節點不作干預，不存在數據亂序問題。

·可靠性高：電路交換占用固定線路資源，不易丟失數據，可靠性高錯誤率低。

·安全性好：源站與目的站之間的中間節點較少且路徑可控，便于監測與防竊聽。

·實現簡單：電路交換所用的交換設備（中間節點）以及電路的控制比較容易實現。

電路交換的缺點主要有：

·建立連接耗時長：源站發起連接建立請求后，需要等待較長時間才能建立成功。

·線路利用率低：通信雙方獨占線路，不收發數據時線路處于空閑狀態，其他站點須等待通信雙方拆除連接。

·差錯控制缺失：中間節點不具備存儲、解析并校驗數據以及差錯控制等能力，無法及時發現并糾正錯誤（后來人們提出了存儲轉發交換方式，包括報文交換和分組交換）。

·單目的站點通信：電路交換受制于雙方獨占線路，難以實現廣播及多站點通信。

2.報文交換

????????報文交換發送前無需建立連接，以報文作為數據傳輸單位，報文攜帶源站點地址和目標站點地址信息，中間節點在接收到完整報文后，根據目標站點地址信息選擇下一節點并發送完整報文。報文交換的一個典型例子是早期電報通信網，報文交換現已較少使用，被分組交換取代。
報文交換在中間節點存儲轉發報文，采用接力傳遞的形式（如圖 2.9）

它的優點主要有：
(1) 線路利用率高：任意時刻只占用到達目的站點所經路徑的其中一小段線路。
(2) 動態分配線路：不建立連接，中間節點可根據目的地址選擇路徑，實現動態分配線路。
(3) 多目的站點通信服務：一個報文可同時發給多個站點，中間節點按照既定地址規則將報文分散到網絡中。

報文交換的缺點主要有：
(1) 實時性差：中間各節點需要對報文執行存儲、完整性校驗、轉發等操作，從而產生轉發時延。
(2) 存儲空間開銷大：報文大小無限制，節點需要預留大量緩沖空間。
(3) 無效傳輸率高：報文長度較大，發生錯誤的幾率相對更高，當發現報文錯誤時，便請求重新發送報文，整個報文都將作廢丟棄。

3.分組交換

????????分組交換在報文交換基礎上，將大的報文分成小的分組，每個分組攜帶源站點地址、目標站點地址、編號等控制信息（分組首部），中間節點對分組進行存儲轉發，目標站點將接收到的分組根據編號重新組裝成報文（如圖 2.10）。現代計算機網絡便是采用分組交換方式。

分組交換具備報文交換的優點，無需建立連接，線路利用率高，此外它還具備如下優點：
(1) 存儲空間開銷較小：分組交換傳輸單元更小，存儲轉發的空間開銷相對更低，并且分組長度固定簡化了存儲空間。
(2) 傳輸時延低：同一時刻屬于同一報文的分組可分布于多段線路，縮短報文傳輸時間，網絡負載低時傳輸時延小。
(3) 無效傳輸率低：分組短小，發生錯誤的可能性低，且當分組發生錯誤時，只需要重傳這個分組，分組重傳的代價比報文小。
(4) 突發式通信服務：分組短小，適合采用優先級策略及時傳遞緊急數據。

分組交換的缺點主要有：
(1) 分組亂序：各個分組可能通過不同路徑到達目的站點，目的站點接收到的分組可能出現失序、重復問題（僅限于數據報分組交換）。
(2) 通信效率降低：每個分組都要攜帶地址、分組編號等信息，實際有效數據占比降低。

【提示】此處提及的是分組交換中的數據報交換方式，另一種虛電路交換方式見下一小節。

????????電路交換通信網絡不具備差錯控制能力，其后出現的報文交換和分組交換采取存儲轉發策略彌補了這一缺點。分組交換在報文交換基礎上分割報文，減少無效傳輸以及降低中間節點的數據緩存開銷。圖 2.11 是三種交換方式的數據傳遞過程，縱向為時間。表 2.3 展示了三種交換方式的特點及功能差異。從圖中可以看出，電路交換一旦建立連接，通信及時性高延遲最低，報文交換的通信延遲最高。此外，分組交換中間節點在接收下一個分組時，可同時把上一分組發向下一節點，類似于流水線并行處理。

2.1.5 數據報與虛電路

????????分組交換所帶來的較小的分組長度能夠有效減少錯誤幾率，更適合在錯綜復雜的網絡線路中傳輸，且存儲與轉發并行使得通信總時間大大縮短。采用分組交換的通信網絡內部操作方式分為數據報和虛電路，對應地向上層通信提供數據報和虛電路兩種服務。

1.數據報

????????前文描述的分組交換便是使用數據報操作方式，每個分組作為獨立數據報都攜帶源地址、目標地址、分組編號等信息。中間節點根據存儲的路由信息，為分組選擇合適的下一節點。同一目標地址的分組可沿著不同路徑到達目的站點，如此可降低特定線路載荷，避免因網絡局部故障或擁堵造成的通信失敗。

????????數據報網絡不提供可靠的傳輸服務，但成本低運行方式靈活且適用性廣。因特網正是一種數據報網絡，它使用 IP 地址轉發分組，這將在后續的網絡層中詳細介紹。

2.虛電路

????????隨著網絡應用各種需求的增長，網絡的服務質量及可靠性越發重要，人們將目光投向虛電路技術，因特網的很多底層點對點廣域交換網便是采用虛電路操作方式。之所以稱作 “虛電路”，是因為它借鑒電路交換方式，在源站點和目的站點間建立數據通路。此通路并非專用的物理連接，而是邏輯上的虛擬連接，它不獨占物理線路，其中間傳輸的分組按照既定路徑有序到達目標站點。

????????虛電路提供面向連接的通信服務，類似于電路交換，虛電路操作方式也有三個階段：
(1) 建立虛電路：確定分組將要經過的線路和中間節點，為每一條中間線路確定虛電路號，并在沿途節點的轉發表上新加一項，包括虛電路號、前一個節點、下一個節點等信息。
(2) 分組傳送：連接建立后，源站點開始發送分組，每個分組都具有分組編號以及要經過的虛電路號。分組到達一個節點后，節點根據轉發表將其傳送至下一正確節點，如圖 2.12 與表 2.4。多組虛電路通信可能同時使用同一路由線路，造成一條線路具有多個虛電路號，所以分組轉發過程中需結合前一節點信息（入站接口號與入站虛電路號）。
(3) 拆除虛電路：通信完畢后，源站點和目的站點都可以請求拆除虛電路。

????????虛電路操作方式中，目標站點地址僅在連接建立時使用，其后根據虛電路號進行分組轉發。當連接建立后，發往同一目標站點的分組沿著唯一一條確定路徑傳輸，目的站點接收到的分組順序與源站點保持一致。與電路交換相似，虛電路在建立連接和拆除連接上需有額外的時間開銷，因此虛電路對短時間內的小批量數據傳送并不友好，而是更適合持續時間長且大批量數據的傳送。

2.1.6 習題精編

1.利用模擬通信信道傳輸數字信號的方法稱為（ ）。
A. 同步傳輸 B. 異步傳輸 C. 基帶傳輸 D. 頻帶傳輸

1.【參考答案】D
【解析】同步和異步傳輸的區別是有無公共時鐘，和信號是數字還是模擬無關，AB 錯誤。將數字信號直接放在數字信道上傳輸的方式稱為基帶傳輸，C 錯誤。將數字信號經過調制后利用模擬信道傳輸的方式稱為頻帶傳輸，D 正確。因此答案為 D。

2.以下關于信道傳輸速率的表述，正確的是（ ）。
A. 信道的碼元傳輸速率是有上限的
B. 頻帶寬度越寬的信道，其信息傳輸速率越大
C. 信噪比越大的信道，其信息傳輸速率越大
D. 在信道頻帶寬度和信噪比不變的情況下，可以通過調制方式提高碼元極限傳輸速率

2.【參考答案】A
【解析】碼元的傳輸速率受到帶寬限制，并不是沒有上限的，奈奎斯特定理規定了碼元傳輸速率的上限，A 對。頻帶寬度越寬的信道其碼元傳輸速率越大，而信息傳輸速率還需要看每個碼元攜帶多少比特的數據信息，B 錯。信噪比大的信道，在信道帶寬相同的情況下，極限信息傳輸速率更大，但實際的信息傳輸速率未必更大，C 錯。調制方式能夠提高每個碼元攜帶的數據量，但碼元傳輸速率收到信道帶寬限制，調制也無法提高碼元的傳輸速率，D 錯。

3.若一個以太網的數據率為 60Mb/s，則該以太網的波特率

為（ ）MBaud。
A. 15 B. 30 C. 60 D. 120

3.【參考答案】D
【解析】以太網采用曼徹斯特編碼，因此每發送一位比特需要兩個信號周期，所以波特率反而是數據率的兩倍，當數據率為 60Mb/s 時，波特率為 120MBaud，因此答案為 D。注意：碼元率不一定小于數據率。

4.網絡鏈路的波特率是指該鏈路（ ）。
A. 每秒傳輸的比特數
B. 每秒傳輸的字節數
C. 每秒傳輸的周期數
D. 每秒傳輸的波形（碼元）數

4.【參考答案】D
【解析】波特率是對符號傳輸速率的一種度量，表示每秒鐘傳送的碼元符號的個數。一波特即是每秒傳輸一個符號，所以 D 正確。每秒鐘傳輸的比特數是數據率，A 錯誤。B/s 是常見的傳輸單位，但不是波特率，B 錯誤。模擬設備中用每秒傳輸的周期數來表示數據率，C 錯誤。因此答案為 D。

5.在相隔 2000km 的兩地間通過電纜以 4800b/s 的速率傳送 3000 比特長的數據包，電纜信道的傳播速率是 200km/ms，從開始發送到接收數據需要的時間是（ ）。
A. 480ms B. 645ms C. 630ms D. 635ms

5.【參考答案】D
【解析】一個數據包從開始發送到接收完成的時間包含發送時延和傳播時延兩部分，其中發送時延是數據從發送節點進入到傳輸介質所需的時間，傳播時延是數據在傳輸介質中傳輸所需時間。對電纜信道：

傳播時延 =2000km/200km/ms?=10ms，發送時延 =3000b?/4800b/s=625ms，所以總時間 =?10+625=635ms，因此答案為 D。

6.已知某通信的信號傳輸速率為 64kb/s，若一個載波信號碼元有 4 個有效的離散值，則該信道的波特率為（ ）。
A. 16kBaud B. 32kBaud C. 64kBaud D. 128kBaud

6.【參考答案】B
【解析】一個載波信號碼元有 4 個有效離散值說明一個碼元需要log2?4=2個比特表示，信號傳輸速率為 64kb/s，則波特率為64÷2=32kBaud，因此答案為 B。

7.假設某信道的波特率為 35MBaud，所用信號具有 16 種基礎的物理狀態，則該信號的數據率為（ ）Mb/s。
A. 35 B. 70 C. 105 D. 140

7.【參考答案】D
【解析】16 種基礎的物理狀態說明每個碼元攜帶log2?16=4個比特，數據率的計算公式為數據率 =?Slog2?（每個碼元攜帶比特數），其中 S 為碼元傳輸速率，因此數據率為35×4=140Mb/s，因此答案為 D。

8.某含有噪聲的信道的帶寬為 5000Hz，且其信噪比為 63:1，則數據在該信道的最大傳輸率為（ ）kb/s。
A. 15 B. 20 C. 30 D. 60

8.【參考答案】C
【解析】含有噪聲的信道的最大傳輸率受香農定理的限制，由香農定理公式可得最大傳輸率 =?Wlog2?(1+S/N)，其中S/N（信噪比）為 63，W 為信道帶寬，代入公式可得最大傳輸率為 30kb/s，因此答案為 C。

9.300 波特的信道如果采用 4 種信號狀態，則該信道的數據傳輸率為（ ）。
A. 300bps B. 600bps C. 1200bps D. 2400bps

9.【參考答案】B
【解析】4 種信號狀態意味著每個碼元需要用log2?4=2個比特來表示，所以數據傳輸率是波特率的兩倍，因此數據傳輸率為300×log2?4=600bps，因此答案為 B。

10.對于一個無噪聲的 4kHz 信道進行采樣，可以達到的最大數據傳輸率是（ ）。
A. 2kbit/s B. 4kbit/s C. 8kbit/s D. 無限大

10.【參考答案】D
【解析】無噪聲的情況下求最大數據傳輸率適用于奈奎斯特定理，即信道的極限碼元率 = 信道帶寬 ×2，所以最大碼元傳輸率為 8kBaud，同時每個碼元可以攜帶無上限的比特數，所以可以達到的最大數據傳輸率是無限大，因此答案為 D。

答案：D。
解析：在無噪聲情況下，根據奈奎斯特定理，信道極限碼元率 = 信道帶寬 ×2 ，此信道帶寬為 4kHz ，則極限碼元傳輸率為 8kBaud 。但奈奎斯特定理里，每個碼元攜帶比特數無限制（無噪聲時理論上可攜帶任意多比特信息 ），所以數據傳輸率（比特率）無上限，能達到無限大，選 D 。

11.一個網絡傳輸信道采用 8 個狀態的碼元，已知波特率為 600，則最大數據傳輸率為（ ）。
A. 600bps B. 1200bps C. 1800bps D. 4800bps

11.【參考答案】C
【解析】每個能表示 8 個狀態的碼元需要log2?8=3比特組成，因此數據率是波特率的三倍，由數據率 = 碼元傳輸速率 ×log2?（每個碼元攜帶比特數）可知數據率 =?600×3=1800bps，因此答案為 C。

12.若某通信鏈路的數據傳輸速率為 2400b/s，采用 4 相位調制。則該鏈路的波特率是（ ）。
A. 600Baud B. 1200Baud C. 4800Baud D. 9600Baud

12.【參考答案】B
【解析】4 相位調制可知需要有四種不同的相位，所以一碼元攜帶的比特數是log2?4=2，因此波特率為2400÷2=1200波特，因此答案為 B。

13.假設某信道中信號的采樣量化級為 256，若要使數據傳輸率達到 64kbps，所需的無噪聲信道的帶寬應為（ ）。
A. 8kHz B. 4kHz C. 16kHz D. 2kHz

13.【參考答案】B
【解析】量化級為 256，可以知道每個碼元攜帶log2?256=8個比特的數據量，所以N=8，根據奈奎斯特定理可知極限碼元速率為 2W，其中 W 為信道帶寬。而數據率 = 碼元極限傳輸率 ×log2?（每個碼元攜帶比特數），因此無噪聲聲道的最大數據率為2Wlog2?256=2NV=64kbps，所以 W 為 4kHz，因此答案為 B。

14.假定數據傳輸速率為 4800bps，若采用 8 相調制方式，則調制速率應為（ ）。
A. 1200 波特 B. 1600 波特 C. 7200 波特 D. 以上都不對

14.【參考答案】B
【解析】8 相調制方式說明每個碼元攜帶log2?8=3個比特，所以調制速率為4800÷3=1600Baud，因此答案為 B。

15.在數據通信中使用曼徹斯特編碼主要原因是（ ）。
A. 實現對通通過程中傳輸錯誤的恢復
B. 實現對通通過程中收發雙方的數據同步
C. 提高對數據的有效傳輸速率
D. 提高傳輸信號的抗干擾能力

15.【參考答案】B
【解析】曼徹斯特編碼是將要發送的數據與發送的時鐘信號結合在一起發往接收端，接收端對收到的編碼進行解碼，從中分離出接收時鐘。用它去對接收時鐘進行同步。按照曼徹斯特編碼的編碼原理，在傳送的每一個數據位的中間必須有一次電位的跳變，該跳變信號就是同步信號，因此 B 正確。曼徹斯特編碼不具備差錯恢復能力，A 錯誤。發送一位數據需要兩個信號周期，所以沒有提高有效數據的傳輸率，C 錯誤。曼徹斯特編碼的高低電平差別和其他編碼方式相比沒有顯著差別，所以不會提高抗干擾能力，D 錯誤。因此答案為 B。

16.下面四種編碼方式中屬于差分曼徹斯特編碼的是（ ）。

16.【參考答案】B
【解析】差分曼徹斯特編碼中，若碼元為 1，則前半個碼元與上個碼元的后半個碼元相同；若碼元為 0，則前半個碼元與上個碼元的后半個碼元相反。A 中第三個碼元不符，A 錯誤。B 的波形符合差分曼徹斯特編碼，B 正確。C 中第二個碼元不符，C 錯誤。D 的波形不是差分曼徹斯特編碼，D 錯誤。因此答案為 B。

17.有關曼徹斯特編碼的正確敘述是（ ）。
A. 每個信號起始邊界作為時鐘信號有利于同步
B. 將時鐘與數據取值都包含在信號中
C. 這種模擬信號的編碼機制特別適合于傳播聲音
D. 每位的中間不跳變表示信號的取值為 0

17.【參考答案】B
【解析】用于同步的時鐘信號的是中間的跳變而不是起始邊界，A 錯誤。中間的跳變除了表示數據，還能作為時鐘同步信號，所以時鐘和數據取值都包含在信號中，B 正確。聲音是一種模擬數據，而曼徹斯特編碼適合傳輸數字信號，C 錯誤。曼徹斯特編碼每個時間間隔的中間都發生跳變，D 錯誤。因此答案為 B。

18.數據的調制解調技術用來（ ）。
A. 模擬信道傳輸數字數據
B. 模擬信道傳輸模擬數據
C. 數字信道傳輸數字數據
D. 數字信道傳輸模擬數據

18.【參考答案】A
【解析】調制與解調技術，分別對應的是在發送端將數字信號轉換為模擬信號與在接收端將模擬信號調制回數字信號，因此數字信號在信道上作為模擬信號傳輸，在起點和終點再變回數字信號，所以調制與解調技術主要用于在模擬信道上傳輸數字信號，因此答案為 A。

19.（多選）自身含有同步信號的編碼方式是（ ）。
A. 曼徹斯特編碼 B. 二進制編碼 C. 歸零編碼 D. 非歸零編碼

19.【參考答案】A，C
【解析】曼徹斯特編碼方式下，每個碼元都有一個電平跳變的過程，因此可以通過對跳變的判斷來產生通信雙方的同步信號，A 對。歸零編碼在數據位脈沖結束后，需維持一段時間的低電平，可以用來同步。其他選項的編碼方式都沒有周期性的規律作同步信號，BD 錯誤。

20.在網絡中，有多種交換技術，下列說法正確的是（ ）。
A. 電路交換通常是面向連接的服務，而分組交換通常不是面向連接服務
B. 電路交換通常不是面向連接的服務，而分組交換通常是面向連接服務
C. 電路交換一定是面向連接的服務，而分組交換一定不是面向連接服務
D. 電路交換通常是面向連接的服務，而分組交換一定是面向連接服務

20.【參考答案】A
【解析】電路交換歷經三個步驟：建立連接、傳送數據、拆除連接，因此是面向連接的服務；報文交換通常無需建立連接，每個分組攜帶源站地址和目的站點地址以及編號，中間結點對分組進行存儲轉發，所以 A 正確 B 錯誤。同時分組交換也可以是面向連接的服務，如幀中繼網、ATM 網絡等都是面向連接的分組交換網，所以 CD 錯誤。因此答案為 A。

21.分組交換方式適用于下列哪種負荷情況？（ ）。
A. 間歇式輕負荷
B. 傳輸數據率需固定的負荷
C. 持續的實時要求高的負荷
D. 中等或大量隨時要傳送的負荷

21.【參考答案】A、D
【解析】間歇式輕負荷不適合建立電路連接，電路連接方式下每次輕負荷都要建立連接和釋放連接，開銷過大。分組交換不用建立連接，滿足 “間歇式” 的要求，且速度較快，故分組交換適合間歇式輕負荷，A 正確。傳輸速率高固定 (穩定傳輸) 的負荷、實時要求高的負荷比較適合電路交換；而分組交換相對來說不太穩定，BC 錯誤。電路交換需要預先建立連接，在不適合 “隨時傳送”；而分組交換滿足 “隨時傳送” 的要求，且速度較快，因此中等大量隨時傳送的負荷適合分組交換，D 選項正確。因此答案為 A、D。

22.以下交換技術能夠保證有序傳輸的是（ ）。
A. 數據報交換 B. 分組交換 C. 電路交換 D. UDP 交換

22.【參考答案】C
【解析】分組交換包括數據報交換和虛電路交換，其中數據報交換是無連接的，不能保證有序傳輸；而虛電路交換是面向連接的，能夠保證有序傳輸，所以 AB 錯誤。UDP 交換同樣是無連接的傳輸，盡最大努力交付而不保證有序傳輸，D 錯誤。電路交換是面向連接的服務，能夠保證有序傳輸，C 正確。因此答案為 C。

23.下列關于數據交換方式敘述正確的是（ ）。
A. 報文交換傳輸延遲最大但服務最可靠
B. 電路交換傳輸延遲最小且服務最可靠
C. 分組交換傳輸延遲最小但服務最不可靠
D. 分組交換總延遲最大但服務最可靠

23.【參考答案】B
【解析】電路交換是面向連接的，能夠保證可靠傳輸，而分組交換和報文交換是無連接的，因此電路交換的可靠性是最高的，A 和 D 錯誤。并且電路交換的物理鏈路建立后，雙方可隨時發送數據，因此電路交換的傳輸時延最低，所以 B 正確 C 錯誤。因此答案為 B。

24.有關交換技術的論述，以下哪個是正確的（ ）。
A. 電路交換要求在通信的雙方之間建立起一條實際的物理通路，但通信過程中，這條通路可以與別的通信方共享
B. 現有的公用數據網都采用報文交換技術
C. 報文交換可以滿足實時或交互式的通信要求
D. 分組交換將一個大報文分割成分組，并以分組為單位進行存儲轉發，在接收端再將各分組重新裝成一個完整的報文

24.【參考答案】D
【解析】電路交換的雙方在通信期間始終占用這條信道，A 錯誤。現有的公用數據網大部分都采用分組交換技術，因為分組交換的存儲空間開銷小，傳輸時延低，線路利用率高，B 錯誤。報文要經過中間節點的存儲轉發才能到達目的節點，這將增加傳輸延遲。因此報文交換不能滿足實時或交互式的通信要求，C 錯誤。分組交換在報文交換基礎上，將大的報文分成小的分組，目標站點將接收到的分組根據編號重新組裝成報文，D 正確。因此答案為 D。

25.假定在發送主機和接收主機間只有一臺分組交換機。發送主機和交換機間以及交換機和接收主機間的傳輸速率分別是R1?和R2?。假設該交換機使用存儲轉發分組交換方式，發送一個長度為L的分組的端到端總時延是（ ）（忽略鏈路排隊時延、傳播時延和處理時延 ）。
A.?L/R1?+L/R2??B.?L/R1?+2L/R2??C.?2L/R1?+L/R2??D.?2L/R1?+2L/R2?

25.【參考答案】A
【解析】忽略排隊時延與傳播時延，因此只需要考慮發送時延。由于采用存儲轉發方式，需把數據從發送主機全部送到交換機后，交換機才可以向接收方發送，發送主機到交換機的時延為L/R1?，交換機到接收主機的時延為L/R2?，因此總時延=L/R1?+L/R2?，因此答案為 A。

26.把網絡分為電路交換網、報文交換網、分組交換網屬于按（ ）進行分類。
A. 連接距離 B. 服務對象 C. 拓撲結構 D. 數據交換方式

26.【參考答案】D
【解析】按照連接距離可將網絡分為廣域網、城域網、局域網，A 錯誤。按照服務對象可將網絡分為企業網、校園網等類型，B 錯誤。按照拓撲結構可將網絡分為星形網絡、環形網絡、總線形網絡，C 錯誤。按照數據交換方式可分為電路交換網、報文交換網、分組交換網，D 正確。

27.下列交換方式中實時性最好的是（ ）。
A. 數據報方式 B. 虛電路方式 C. 電路交換方式 D. 各種方法都一樣

27.【參考答案】C
【解析】傳輸過程中耗時越短則實時性越好，電路交換方式下物理鏈路建立后，雙方可隨時發送數據，因為鏈路直連所以數據的傳輸時延很低，而分組交換方式下，中間結點需要對分組進行存儲轉發等操作，從而引起轉發時延，采用分組交換的通信網絡內部操作方式分為虛電路和數據報，所以數據報和虛電路的實時性都不如電路交換，因此答案為 C。

28.下列關于虛電路的說法中，正確的是（ ）。
A. 虛電路依賴其他協議實現差錯控制
B. 虛電路中間節點發生故障后，可沿另一條路徑繼續通信，無需重新建立連接
C. 虛電路結合了電路交換的思想，適合對實時性要求較高的長期通信
D. 多站點同時使用一段物理鏈路實行虛電路交換會產生沖突，無法正常通信

28.【參考答案】C
【解析】虛電路提供的是面向連接服務，自身能夠實現差錯控制，A 錯誤。當虛電路的中間節點發生故障后，所有經過該節點的虛電路都會遭到破壞，需要重新建立連接，這也是虛電路的一個缺點，B 錯誤。電路交換建立了物理上的電路，虛電路結合電路交換思想，建立了邏輯上的電路，具有通信時延小、實時性強的優點，一旦線路建立，雙方就可以實時通信，C 正確。同一段物理鏈路在邏輯上不一定是同一段，因此不一定會發生沖突，D 錯誤。因此答案為 C。

29.關于基于虛電路網絡和數據報網絡，在下列闡述中，不正確的是（ ）。
A. 虛電路提供了可靠的通信功能，能保證每個分組正確到達，且保持原來的順序；而數據報方式中，數據報不能保證數據分組按序到達，數據的丟失也不會被立即發現。
B. 虛電路服務和數據報服務本質的差別在于是將順序控制、差錯控制和流量控制等通信功能交給通信子網完成，還是由端系統自己來完成。
C. 數據報方式中，網絡結點要為每個分組做路由選擇；而虛電路方式中，只需在連接建立時確定路由。
D. 虛電路和數據報都提供了端到端的、可靠的數據傳輸。

29.【參考答案】D
【解析】虛電路通過建立連接，使傳輸的分組按照擬定路徑有序地到達目的站點，保證目的站點接收到的分組順序與源站一致，因此提供了可靠的傳輸，而數據報盡最大努力交付，不保證可靠傳輸，所以 A 正確 D 錯誤。虛電路服務的順序控制、差錯控制和流量控制是由自己完成，而數據報服務則是交給通信子網完成，B 正確。每個數據報分組都根據自己的目標地址進行路由轉發，而虛電路沿著虛電路建立時擬定的唯一路徑轉發，C 正確。因此答案為 D。

30.關于虛電路與數據報的比較，以下哪種是錯誤的（ ）。
A. 虛電路需要建立傳輸連接
B. 虛電路的包采用同一個路由
C. 虛電路更容易保證服務質量
D. 虛電路每個包含有完整的源和目的地址

30.【參考答案】D
【解析】分組也稱為包，虛電路需要建立虛擬的傳輸連接，A 正確。虛電路的分組根據虛電路號沿著虛電路建立時擬定的唯一路徑轉發，B 正確。同時由于虛電路提供可靠的面向連接服務所以更容易保證服務質量，C 正確。目的地址只有在連接建立時使用，連接建立后分組使用虛電路號，D 錯誤。因此答案為 D。

31.下列說法中，（ ）是數據報方式的特點。
A. 同一報文的不同分組可以經過不同的傳輸路徑通過通信子網
B. 同一報文的不同分組到達目的節點時順序是確定的
C. 適合于短報文的通信
D. 同一報文的不同分組在路由選擇時只需要進行一次

31.A
數據報方式是一種無連接的分組交換技術，它先將報文拆分成若干較小的數據段，加上地址等控制信息后構成分組，這樣做雖然會增加一些控制開銷，但并不意味著數據報方式只適合于短報文的通信。數據報方式提供盡最大努力的交付，不保證可靠性，分組可能出錯或丟失，網絡為每個分組獨立地選擇路由，轉發的路徑可能不同，因此分組不一定按序到達目的節點。

32.以下關于虛電路的說法正確的是（ ）。
A. 虛電路和電路交換一樣，在數據傳輸前要建立物理連接
B. 虛電路可以保證分組按序到達
C. 虛電路是一種分組交換技術，但不能按照存儲轉發的方式工作
D. 采用虛電路方式發送分組時，分組首部必須包含目的地址

32.【參考答案】B
【解析】虛電路建立的數據通路是邏輯上的虛擬連接，不會獨占線路，A 錯誤。虛電路能夠讓傳輸分組按照擬定路徑有序到達目標站點，B 正確。虛電路是一種分組交換技術，和數據報一樣都按存儲轉發的方式工作，C 錯誤。虛電路方式中，目的地址僅在建立連接時使用，建立連接后分組使用虛電路號，按照擬定路徑轉發，D 錯誤。因此答案為 B。

33.根據所學通信基礎知識，回答以下問題：
(1) 數據在信道中的傳輸速率受哪些因素影響？
(2) 信噪比能否任意提高？為什么？
(3) 香農公式在數據通信中的意義是什么？
(4) “比特 / 秒” 和 “碼元 / 秒” 有何區別？

33.【解析】
(1) 傳輸速率受信道所能通過的頻率范圍的影響，信號中存在的一些高頻分量無法通過信道；另外還受噪聲影響，噪聲會對接收端對于信號的接收產生干擾，傳輸速率越大越容易受到噪聲影響。
(2) 信噪比不能任意大，因為信號的傳輸功率總是有上限的，而噪聲也不可能為零，所以信噪比不能任意大。
(3) 香農公式的意義在于只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。
(4) b/s 是數據傳輸速率，碼元 / 秒是碼元傳輸速率，比特和碼元的含義并不相同。

34.對于帶寬為 3kHz 的信道，若有 8 種不同的物理狀態來表示數據，信噪比為 20dB。問：按 Nyquist 定理和 Shannon 定理，最大限制的數據速率分別是多少？

34.【解析】
8 種不同的物理狀態說明一碼元可以攜帶三比特的數據，按照奈奎斯特定理可知，無噪聲信道最大的數據傳輸率為2×3log2?8=18kb/s。信噪比為 20db 說明S/N=100，按照香農定理可知，最大的數據傳輸率是3×log2?(1+100)≈20kb/s。

35.假設主機 A 要向主機 B 傳輸一個長度為 512KB 的報文，數據傳輸速率為 50Mb/s，途中需要經過 8 個路由器。每條鏈路長度為 1000km，信號在鏈路中的傳播速度為 200000km/s，并且鏈路是可靠的。假定對于報文與分組，每個路由器的排隊延遲時間為 1ms，數據傳輸速率也為 50Mb/s。那么，在下列情況下，該報文需要多長時間才能到達主機 B?
(1) 采用報文交換方式，報文頭部為 32B。
(2) 采用分組交換方式每個分組攜帶的數據為 2KB，頭部長為 32B。

2.1.7 真題演練

36.【2009】在無噪聲情況下，若某通信鏈路的帶寬為 3kHz，采用 4 個相位，每個相位具有 4 種振幅的 QAM 調制技術，則該通信鏈路的最大數據傳輸速率是（ ）。
A. 12kbps B. 24kbps C. 48kbps D. 96kbps

36.【參考答案】B
【解析】根據奈奎斯特定理，最大數據傳輸率為2Wlog2?V，其中 W 代表了理想低通（無噪聲）信道的帶寬，V 代表一個碼元能取得的離散值個數。在本題中采用了 QAM 調制技術，4 個相位，每個相位有 4 種振幅，則一個碼元共有4×4共 16 種離散值，即V=16。代入奈奎斯特定理最大數據傳輸率的計算公式，可得該通信鏈路的最大數據傳輸速率為2×3k×log2?16=24kbps。因此答案為 B。

37.【2010】在右圖所示的采用 “存儲 - 轉發” 方式的分組交換網絡中，所有鏈路的數據傳輸速率為 100Mbps，分組大小為 1000B，其中分組頭大小為 20B。若主機 H1 向主機 H2 發送一個大小為 980000B 的文件，則在不考慮分組拆裝時間和傳播延遲的情況下，從 H1 發送開始到 H2 接收完為止，需要的時間至少是（ ）。

A. 80ms B. 80.08ms C. 80.16ms D. 80.24ms

37.【參考答案】C
【解析】由于題目說明不考慮分組拆裝時間和傳播延遲，所以只需要計算傳輸時延即可。可計算出一個分組中實際攜帶的數據大小為1000B?20B=980B，因此發送 980000B 大小的文件需要拆分成 1000 個分組，傳輸的數據量共為1000×1000B=106B=1MB。已知傳輸時延 = 分組長度 / 信道寬度，主機 H1 發送完全部分組的傳輸時延為1MB×8÷100Mbps=80ms（B 轉換位 b 需要乘以 8）。當主機 H1 發送完最后一個分組后，該分組還需要經過中間的交換機的 “存儲 - 轉發” 過程才能到達主機 H2，由于從 H1 到 H2 最短路徑需要至少經過兩個分組交換機，所以最后一個分組至少需要2×1000B÷100Mbps=0.16ms的時延才能到達 H2，即總共至少需要80+0.16=80.16ms的時延，因此答案為 C。

38.【2011】假設某通信鏈路的數據傳輸速率為 2400bps，采用四相位調制，則該通信鏈路的波特率是（ ）。
A. 600 波特 B. 1200 波特 C. 4800 波特 D. 9600 波特

38.【參考答案】B
【解析】數據傳輸率是指單位時間能傳輸的二進制比特數，波特率是指單位時間內能傳輸的碼元個數。二者的關系：數據傳輸率 = 波特率 ×log2?N，其中 N 指的是一個碼元的離散值個數，四相位調制表示一個碼元有四個離散值，根據公式可以得出該鏈路的波特率為2400bps÷log2?4=1200波特。因此答案為 B。

39.【2013】下圖為 10BaseT 網卡接收到的信號波形，則該網卡收到的比特串是（ ）。

A. 0011 0110 B. 1010 1101 C. 0101 0010 D. 1100 0101

39.【參考答案】A
【解析】10BaseT 的含義為 10Mbps 的以太網。以太網采用曼徹斯特編碼，其編碼規則為：在每個信號周期中（圖中兩個虛線之間看作一個周期），從高到低跳變表示 1，從低到高跳變表示 0；或者相反即從高到低跳變表示 0，從低到高跳變表示 1。只有 A 滿足，因此答案為 A。

40.【2013】主機甲通過 1 個路由器（存儲轉發方式）與主機乙互連，兩段鏈路的數據傳輸速率均為 10Mbps，主機甲分別采用報文交換和分組大小為 10kb 的分組交換向主機乙發送 1 個大小為 8Mb（1M=10^6）的報文。若忽略鏈路傳播延遲、分組頭開銷和分組拆裝時間，則兩種交換方式完成該報文傳輸所需的總時間分別為（ ）。
A. 800ms，1600ms B. 801ms，1600ms C. 1600ms，800ms D. 1600ms，801ms

40.【參考答案】D
【解析】采用報文交換時，主機甲將該報文發送到鏈路上的傳輸時延為

8Mb÷10Mbps=800ms，由于經過路由器需要對報文進行存儲轉發，所以需要再計算一次傳輸時延，所以總時延為2×800ms=1600ms。采用分組交換時，由于忽略了分組頭開銷，8Mb 大小的報文可以分成 800 個 10kb 的在鏈路上傳播的分組。主機甲將 800 個分組全部推到鏈路上的傳輸時延為10kb×800÷10Mbps=800ms，除此之外只需考慮最后一個分組經過路由器存儲轉發的時延，即10kb÷10Mbps=1ms，所以總時延為800ms+1ms=801ms，因此答案為 D。

41.【2014】下列因素中，不會影響信道數據傳輸速率的是（ ）。
A. 信噪比 B. 頻率寬帶 C. 調制速率 D. 信號傳播速度

41.【參考答案】D
【解析】根據香農定理公式Wlog2?(1+S/N)可知，帶寬 W 和信噪比S/N會對數據傳輸速率造成影響；調制速率反映的是信號波形變換的頻率，表示每秒能傳輸的碼元個數，也是對傳輸速率的一種度量；信號傳播速度是信號在信道中的傳播速率，與數據傳輸速率無關。因此答案為 D。

42.【2015】使用兩種編碼方案對比特流 01100111 進行編碼的結果如下圖所示，編碼 1 和編碼 2 分別是（ ）。

A. NRZ 和曼徹斯特編碼 B. NRZ 和差分曼徹斯特編碼
C. NRZI 和曼徹斯特編碼 D. NRZI 和差分曼徹斯特編碼

42.【參考答案】A
【解析】NRZ（Non Return Zero）為不歸零編碼，高電平代表 1，低電平代表 0，表示一個碼元時電平無需歸零。NRZI（Non Return Zero Inverted）為反向不歸零編碼，信號電平翻轉表示 0，信號電平不變表示 1。曼徹斯特編碼的每個時間間隔中心向上跳變代表 0，向下跳變代表 1。差分曼徹斯特編碼的每個時間間隔中間都發生跳變，間隔起始處發生跳變代表 0，無跳變代表 1。綜上，編碼 1 符合 NRZ 的描述，編碼 2 符合曼徹斯特編碼的描述，因此答案為 A。

43.【2016】如下圖，若連接 R2 和 R3 鏈路的頻率帶寬為 8kHz，信噪比為 30dB，該鏈路實際數據傳輸速率約為理論最大數據傳輸速率的 50%，則該鏈路的實際數據傳輸速率約是（ ）。

A. 8kbps B. 20kbps C. 40kbps D. 80kbps

43.【參考答案】C
【解析】理論最大數據傳輸率即極限數據傳輸率，根據香農定理計算，公式為Wlog2?(1+S/N)，單位為 bps。其中 W 為帶寬，S/N為數值型信噪比，與分貝型信噪比的轉換關系為：分貝型=10×log10?（數值型），代入分貝型 30dB 可以計算出數值型信噪比S/N=1000。再通過香農定理計算出理論最大數據傳輸率為8×log2?(1+1000)，約等于 80kbps，所以實際數據傳輸率為50%×80kbps=40kbps，因此答案為 C。

44.【2017】若信道在無噪聲情況下的極限數據傳輸速率不小于信噪比為 30dB 條件下的極限數據傳輸速率，則信號狀態數至少是（ ）。
A. 4 B. 8 C. 16 D. 32

44.【參考答案】D
【解析】在無噪聲的情況下，根據奈奎斯特定理可以計算出極限傳輸數據傳輸速率為2Wlog2?N；在有噪聲的情況下，根據香農定理可以計算出極限數據傳輸速率為Wlog2?(1+S/N)。需要注意的是公式中的信噪比為數值型（S/N）。題目所給的信噪比為分貝型（單位 dB），分貝型與數值型轉換關系為：分貝型=10×log10?（數值型），代入 30dB 可計算出數值型信噪比S/N=1000。由題可知，需滿足2Wlog2?N≥Wlog2?(1+S/N)，將S/N=1000代入計算可得到N≥32，即信號狀態數至少為 32，因此答案為 D。

45.【2020】下列關于虛電路網絡的敘述中，錯誤的是（ ）。
A. 可以確保數據分組傳輸順序 B. 需為每條虛電路分配帶寬
C. 建立虛電路時需要進行路由選擇 D. 依據虛電路號（VCID）進行數據分組轉發

45.【參考答案】B
【解析】虛電路是面向連接的通信，在兩個節點之間建立連接后，依次發送每個分組，因此可以保證接收端按發送端的發送順序收到分組，無須重新進行排序；虛電路建立連接時需要進行路由選擇，所以同一條虛電路的路由選擇相同，其分組進行轉發的路由相同；虛電路中的分組可以利用鏈路上的全部帶寬（電路交換網絡僅能使用多路復用技術為其分配的部分帶寬），也可以對鏈路、網絡設備資源（如帶寬、緩存）進行預分配，但并不是必須要為每條虛電路預分配帶寬；分組在使用虛電路傳輸時需要使用短的虛電路號（VCID）。綜上，B 選項錯誤，因此答案為 B。

46.【2021】若下圖為一段差分曼徹斯特編碼信號波形，則其編碼的二進制位串是（ ）。

A. 1011 1001 B. 1101 0001 C. 0010 1110 D. 1011 0110

46.【參考答案】A
【解析】差分曼徹斯特編碼的編碼規則是每個時鐘周期中間都有一次電平跳變，若時鐘周期起始處發生跳變代表該比特為 0，無跳變則代表該比特為 1（或者有跳變代表 1，無跳變代表 0）。但由于不知道第一個碼元的前一個周期的后半個碼元情況，僅憑圖無法判斷出第一個時鐘周期起始處是否發生跳變，但根據后續波形的跳變情況可以推導出第 2 - 8 個碼元代表的二進制位串可能為 0111001 或 1000110，選項中只有 A 符合。因此答案為 A。

2.2 傳輸介質