Preface

?計算機網絡是考研408基礎綜合中的一門課程，它的重要性不言而喻。然而，計算機網絡的知識體系龐大且復雜，各類概念、協議和技術相互關聯，讓人在學習時容易迷失方向。在進行復習時，面對龐雜的的知識點，很多人會感到困惑和焦慮。本文整理了計算機網絡這門課程的相關知識點，幫助大家構建清晰的知識框架，同時也是對自己學習成果的總結與復盤。本文參考了王道計算機教育——計算機網絡考研復習指導這本書和對應的視頻，總結過程中難免會出現錯誤，殷切希望各位讀者批評指正。

第2章 物理層

概述：物理層的主要功能是在物理媒體上為數據段設備透明的傳輸原始比特流，其傳輸單位是比特。

1.通信基礎基本概念（分別解釋數據、信源、信宿、信號、信道、碼元、速率、波特、帶寬的概念）。

數據：即信息的實體（如文字、圖像、音頻），在計算機內部數據通常是二進制。

信源：信號的來源（即數據的發送方）。

信宿：信號的“歸宿”（即數據的接收方）。

信號：數據的載體，是數據在傳輸過程中的存在形式。依據信號值的不同，信號可以分為數字信號和模擬信號，數字信號的信號值是離散的，模擬信號的信號值是連續的。

信道：信號的通道，是信號的傳輸介質。一條物理線路通常包含兩條信道，即發送信道和接收信道。

碼元：是指用一個固定時長的信號波形表示一位k進制數字，代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度。注意：如果一個“周期”內可能出現k種信號，則1碼元=log2k bit。

速率：也稱為數據率，指的是數據傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量。碼元傳輸速率又稱為波特率，表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數，單位是碼元/秒或波特（Baud）。信息傳輸速率又稱為信息速率或比特率，表示大內時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數（即比特數），單位是比特/秒。

帶寬：表示單位時間內從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”，單位是b/s。

2.什么是奈奎斯特定理與香農定理？

奈奎斯特定理又稱為奈氏準則，它規定：在理想低通信道（沒有噪聲、帶寬有限）中，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W波特，其中W是理想低通信道的帶寬。若用V表示每個碼元離散電平數目（指有多少種不同的碼元），則極限數據率為：

極限比特率 = 2Wlog2V?b/s

對于奈氏準則，可以得出以下結論：

①在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限的。若傳輸速率超過此上限，就會出現碼間串擾問題，使得接收端不可能完全正確識別碼元。

②信道的頻帶越寬，信道傳輸碼元的能力越強。

③奈氏準則未對一個碼元可以攜帶多少比特給出限制。

香農定理給出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限傳輸速率，當用此速率進行傳輸時，可以做到不產生誤差。香農定理定義為：

極限比特率 = Wlog2(1+S/N) b/s

式中，W為信道的帶寬，S為信道所傳輸信號的平均功率，N為信道內部的高斯噪聲功率。S/N為信噪比，即信號的平均功率與噪聲的平均功率之比，信噪比=10log10(S/N)（單位為dB），例如，當S/N=10時，信噪比為10dB，當S/N=30時，信噪比為30dB。

對于香農定理，可以得出以下結論：

①信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高。

②對于一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限是確定的。

③只要信息傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就能找到某種方法來實現無差錯的傳輸。

④香農定理得出的是極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少。

3.什么是編碼與調制？

數據無論是數字的還是模擬的，為了傳輸的目的都必須轉變成信號。把數據變換為數字信號的過程稱為編碼，把數據變換為模擬信號的過程稱為調制。

4.常用的編碼方法有哪些？各編碼的特點是什么？

常用的編碼方法包括：非歸零編碼（NRZ）、歸零編碼（RZ）、反向非歸零編碼（NRZI）、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼。如下圖所示：

各編碼的特點總結如下：

①歸零編碼：在歸零編碼中，用高電平代表1、低電平代表0（或者相反），每個時鐘周期的中間均跳變到低電平（也就是歸零），接收方根據該跳變調整本方向的時鐘基準，這就為傳輸雙方提供了自同步機制。由于歸零需要占用一部分帶寬，因此傳輸效率受到了一定的影響。

②非歸零編碼：非歸零編碼與歸零編碼的區別是不用歸零，一個周期可以全部用來傳輸數據，但非歸零編碼無法傳遞時鐘信號，雙方難以同步，因此若想傳輸高速同步數據，則需要都帶有時鐘線。

③反向非歸零編碼：反向非歸零編碼與非歸零編碼的區別是用信號的翻轉表示0，信號保持不變代表1。翻轉的信號本身可以作為一種通知機制。這種編碼方式集成了前兩種編碼的優點，技能傳輸時鐘信號，又能盡量不損失系統帶寬。

④曼徹斯特編碼：曼徹斯特編碼將一個碼元分成兩個相等的間隔，當前一個間隔為高電平而后一個間隔為低電平表示碼元為1，碼元0的表示方法則正好相反。該編碼的特點是，在每個碼元的中間出現電平跳變，位中間的跳變既作為時鐘信號，又作為數據信號，但它所占的頻帶寬度是原始基帶寬度的兩倍。PS：以太網使用的編碼方式就是曼徹斯特編碼。

⑤差分曼徹斯特編碼：差分曼徹斯特編碼常用于局域網傳輸，其規則是：若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同；若碼元為0，則情況相反。該編碼的特點是，在每個碼元的中間都有一次電平的跳轉，可以實現自同步，且抗干擾性較好。

為了更清晰的呈現各編碼的特點，使用下表進行總結：

各種常見編碼的特點

	非歸零編碼	歸零編碼	反向非歸零編碼	曼徹斯特編碼	差分曼徹斯特編碼
自同步能力	無	有	若增加冗余位就可實現	有	有
是否浪費帶寬	否	是	是	是	是
抗干擾能力	弱	弱	弱	強	強

5.常用的調制方法有哪些？

基本的數字調制方法有如下幾種：

①調幅（AM）：又稱為幅移鍵控（ASK），通過改變載波信號的振幅來表示數字信號1和0，而載波的頻率和相位都不改變。比較容易實現，但抗干擾能力差。

②調頻（FM）：又稱為頻移鍵控（FSK），通過改變載波信號的頻率來表示數字信號1和0，而載波的振幅和相位都不改變。容易實現，抗干擾能力強，目前應用較為廣泛。

③調相（PM）：又稱為相移鍵控（PSK），通過改變載波信號的相位來表示數字信號1和0，而載波信號的振幅和頻率都不改變。它又分為絕對調相和相對調相。

④正交振幅調制（QAM）：在頻率相同的前提下，將AM（ASK）與PM（PSK）結合起來，形成疊加信號。若有m種振幅、n種相位，則1碼元=log2mn bit。

常用的調制方法如下圖所示：

6.什么是電路交換、報文交換和分組交換？它們各自的優缺點是什么？

電路交換是指在進行數據傳輸前，兩個結點之間必須先建立一條專用（雙方獨占）的物理通信路徑，該路徑可能經過許多中間結點。這一路徑在整個數據傳輸期間一直被獨占，直到通信結束后才被釋放。

電路交換技術的優點如下：

①通信時延小。②有序傳輸。③沒有沖突。④適用范圍廣。⑤實時性強。⑥控制簡單。

電路交換技術的缺點如下：

①建立連接時間長。②線路獨占。③靈活性差。④難以規格化。

報文交換采用存儲轉發的傳輸方式傳輸數據，單位是報文，報文攜帶有目標地址、源地址等信息。

報文交換技術的優點如下：

①無需建立連接。②動態分配線路。③提高線路可靠性。④提高線路利用率。⑤提供多目標服務。

報文交換技術的缺點如下：

①存儲轉發時間和緩存開銷大。②報文不定長，不方便存儲轉發管理。③長報文容易出錯，重傳代價高。

分組交換也采用存儲轉發的方式傳輸數據，但是解決了報文交換中大報文傳輸的問題。分組交換限制了每次傳送的數據塊的大小的上限，把大的數據塊劃分為合理的小數據塊，再加上一些必要的控制信息，構成分組。網絡結點根據控制信息把分組送到下一個結點，下一個結點接收到分組后，暫時保存并排隊等待傳輸，然后根據分組控制信息選擇它的下一個結點，直到到達目的結點。

分組交換技術的優點如下：

①無建立時延。②線路利用率高。③簡化了存儲管理。④加速傳輸。⑤減少了出錯概率和重發數據量。

分組交換技術的缺點如下：

①存在傳輸時延。②需要傳輸額外的信息量。③當分組交換采用數據報服務時，可能會出現失序、丟失或重復分組，分組到達目的時，要對分組按編號進行排序等工作，因此很麻煩。

三種報文交換技術的比較如下圖所示：

要傳送的數據量非常大且傳送時間遠大于呼叫時間時，采用電路交換較為合適。端到端的通路由多段鏈路組成時，采用分組交換傳送數據較為合適。從提高整個網絡的信道利用率來看，報文交換和分組交換優于電路交換，其中分組交換比報文交換的時延小，尤其適合計算機之間的突發式數據通信。

7.數據報與虛電路的特點是什么？

分組交換根據通信子網向端點系統提供服務，還可以進一步分為面向連接的虛電路方式和無連接的數據報方式。這兩中服務方式都由網絡層提供。要注意數據報方式和虛電路方式是分組交換的兩種方式。

數據報服務和虛電路服務的比較如下表所示

數據報服務和虛電路服務的比較

	數據報服務	虛電路服務
連接的建立	不需要	必須有
目的地址	每個分組都有完整的目的地址	僅在建立連接階段使用，之后每個分組使用長度較短的虛電路號
路由選擇	每個分組獨立的進行路由選擇和轉發	屬于同一條虛電路的分組按照同一路由轉發
分組順序	不保證分組的有序到達	保證分組的有序到達
可靠性	不保證可靠通信，可靠性由用戶主機來保證	可靠性由網絡保證
對網絡故障的適應性	出故障的結點丟失分組，其他分組路徑選擇發生變化時可以正常傳輸	所有經過故障結點的虛電路均不能正常工作
差錯處理和流量控制	由用戶主機進行流量控制，不保證數據報的可靠性	可由分組交換網負責，也可由用戶主機負責

8.傳輸介質

傳輸介質也稱為傳輸媒體，它是數據傳輸系統中發送設備和接受設備之間的物理通路。傳輸介質分為導向傳輸介質和非導向傳輸介質。導向型傳輸介質中信號超固定方向傳播，而非導向型傳輸介質中信號超四面八方傳播。常用的導向性傳輸介質有雙絞線、同軸電纜、光纖。

①雙絞線

雙絞線主要是兩根導線相互絞合而成，分為有屏蔽層的雙絞線和無屏蔽層的雙絞線，如下圖所示。絞合可以減少對相鄰導線的電磁干擾。雙絞線價格便宜，是最常用的傳輸介質之一，在局域網和傳統電話網中普遍使用。雙絞線的帶寬取決于銅線的粗細和傳輸距離。

②同軸電纜

同軸電纜由內導體、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑料外層構成，如下圖所示。由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有良好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數據，其傳輸距離更遠，但價格較雙絞線貴。

③光纖

光纖通信就是利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖表示1，無光脈沖表示0.光纖主要由纖芯和包層構成，如下圖所示，纖芯很細，其直徑只有8值100μm，光波纖芯進行傳導，包層較纖芯有較低的折射率。光纖利用光的全反射特性，在纖芯內傳輸光脈沖信號，主要分為單模光纖和多模光纖，單模光纖只有一條光線在一根光纖中傳輸，適合長距離傳輸，信號傳輸損耗小，多模光纖是多條光纖在一根光纖中傳輸，適合近距離傳輸，遠距離傳輸光信號容易失真。光纖的抗干擾能力能力好，信號傳輸損耗小，體積小重量輕。

無線通信已經廣泛應用于移動電話領域，構成蜂窩式無線電話網。現在無線局域網產品的應用已非常普遍。目前常見的無線傳輸介質有無線電波、微波通信、紅外線通信、激光通信等。這幾種無線傳輸介質的特點總結如下圖所示。

物理層考慮的是如何在連接到各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不指具體的傳輸媒體。網絡中的硬件設備和傳輸介質種類繁多，通信方式也各不相同。物理層應盡可能屏蔽這些差異，讓數據鏈路層感覺不到這些差異，是數據鏈路層只需考慮如何完成本層的協議和服務。

物理層的主要任務可以描述為確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性：

①機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數和排列、固定和鎖定裝置等。

②電器特性：指明在接口電纜的各條線路上出現的電壓范圍。

③功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。

④過程特性：指明對于不同功能的各種可能時間的出現順序。

9.物理層設備

物理層設備有中繼器和集線器，其特性總結如下：

PS：放大器和中繼器都其放大作用，只不過放大器放大的是模擬信號，原理是將衰減的信號放大，而中繼器放大的是數字信號，原理是將衰減的信號整型再生。

PS：多臺計算機必然會發生同時通信的情形，因此集線器不能分割沖突域，所有集線器的端口都屬于同一個沖突域。集線器在一個時鐘周期中只能傳輸一組信息，如果一臺集線器連接的機器數目較多，且多臺機器經常需要同時通信，那么將導致信息碰撞，使得集線器的工作效率很差。