第二章 | 计算机网络原理 谢希仁（第八版）_ 习题答案

计算机网络原理 谢希仁（第八版）

第二章 物理层 习题答案

2-01

物理层要解决什么问题？物理层的主要特点是什么？

1)需要解决的问题:

物理层要屏蔽掉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，这样数据链路层就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。

2)主要特点

①由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些
物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI
的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械、气、功能和过程特性。

②由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。

2-02

规程与协议有什么区别?

在计算机网络中，规程就是协议。比如，物理层的协议也常称为物理层的规程，只是“协议”这个名词出现之前人们先使用了“规程”这一名词。

2-03

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。

如下图，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）。

源系统一般包括两部分:

源点:
源点设备产生要传输的数据，比如，从计算机的键盘输入汉字，计算机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之后才能够在传输系统中进行传输，比较典型的是调制器，现在很多计算机使用内置的调制解调器。

目的系统一般也包括两个部分:

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。

终点:
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。终点又称为目的站或信宿。

传输系统:
负责向密度系统传输源系统发来的数据，传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

2-04

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。

①数据:通信的目的是传送消息。语音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列，这种信息的表示可以用计算机或人处理产生。

②信号:信号是数据的电气或电磁的表现

③模拟数据:模拟数据也称为模拟量，相对于数字量而言，指的是取值范围是连续的变量或数值。模拟数据是指在某个区间产生的连续值，例如声音、图像、温度和压力等。模拟数据一般采用模拟信号，例如用一系列变化的电磁波（如无线电与电视广播中的电磁波），或电压信号（如电话传输中的音频电压信号）来表示。

④模拟信号:也称连续信号——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。

⑤基带信号:来自信源的信号称为基带信号（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。

⑥带通信号: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）。

⑦数字数据：在数据通信中也称为数字量，相对于模拟量而言，指的是取值范围是离散的变量或者数值。

⑧数字信号:也称离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。例如，用户家中的计算机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。

⑨码元:在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，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状态而另一种能够代表1状态。

⑩单工通信:又称为单向通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或优先电广播以及电视广播就是这种类型。

⑪半双工通信:又称为双向交替通信，可以双方互相发送和接收信息，但是双方不能同时发送和接收。

⑫全双工通信:又称为双向同时通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。

⑬串行传输:数据在单条一位宽的传输线上，1bit接1bit地按照顺序传送的方式称为串行通信。

⑭并行传输:指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输，常用的是将构成一个字符的几位二进制码同时分别在几个并行的信道上传输。

2-05

物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容?

1)机械特性:指明接口所用接线器的形状或尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化规定。

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的意义。

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。

2-06

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/秒”和“码元/秒”有何区别？

1.数据在信道中的传输速率受到带宽和信噪比等因素的限制。
2.信噪比不能任意提高。
3.香农公式的意义:只要信息传送速率低于信道的极限信息传输速率,就一定存在某种办法来实现无差错的传输。
4.比特/s是信息传输速率的单位码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。一个码元不一定对应于一个比特。

信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)       //S为信号的平均功率，N为噪声的平均功率。
香农公式：C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)    //C为信道的极限信息传输速率，W是信道带宽
M进制的码元，码元宽度为T秒：C=1/T×log2(M)
无噪:带宽为BHz。  C=2Blog2(M)
有噪:带宽为BHz。  C=Blog2(1+S/N)
最高码元速率R，码元振幅等级n。  C=Rlog2(n)
频率＝传播速率/波长
频带宽度=最高频率-最低频率

2-07

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，那么可以获取多高的数据率(bit/s)？

16个不同等级的振幅需要4个比特位(2^4)来进行表示，因此: 4*20000 = 80000 bit/s

2-08

假定要用3 kHz带宽的电话信道传送64kbit/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?

• 用比值表示: C = Wlog2（S/N）= 3000Hz*log2(S/N+1) = 64 x 10^3 bit/s
  S/N = 2^(64/3)-1;

• 用分贝表示: 10log10(S/N) = 10log10(2^(64/3))（dB）

• 结果说明: 64kbit/s传输速率下，信道的信噪比很高

2-09

用香农公式计算以下，假定信道带宽为3100Hz，最大信息传输速率为35kbit/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，问最大信息传输速率能否再增加20%？

根据香农公式: 35kbit/s = 3100Hzlog2(S/N+1),求得S/N = 2503.5
35(1+0.6)kbit/s = 3100Hzlog(S/N+1),求得S/N = 274131.9
求得， 274131.9/2503.5 = 109.0,因此，S/N应增大到109倍
根据香农公式: 3100Hzlog2(10*274131.9+1) /56000 = 1.184,因此，增加了18%，没有达到20%

2-10

常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

传输媒体分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体:
导引型传输媒体:

1. 双绞线:
   是最古老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起来就构成了双绞线。现在的以太网（主流的计算机局域网）基本上也是使用各种类型的双绞线电缆进行连接的。为了提高双绞线抗电磁干扰能力以及减少电缆内不同双绞线对之间的串扰，可以采用增加双绞线的绞合度以及增加电磁屏蔽的方法。绞合度越高的双绞线都能够用月儿高的数据率传送数据。无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以减少衰减，但却增加了导线的重量和价格。

2. 同轴电缆：
   由内导体铜制芯线（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）以及绝缘保护套层所组成。同轴电缆有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
   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，但现在基本都是采用双绞线作为传输媒体。

3. 光缆:
   光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信的，有光脉冲就相当于1，没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10^8MHz的重级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，做到光线在纤芯中传输数公里而基本没什么衰耗。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且：

• 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，也不容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。

非导引型传输媒体:
使用频段、短波通信、微波通信（传统的微波通信主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信）。

（特点略）

2-11

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?

工作距离:L = 20dB /0.7dB/km = 28.6 km
衰减降低到: 20dB/100km = 0.2 dB/km

2-12

试计算工作在1200~1400 nm之间以及工作在1400~1600 nm之间的广播的频带宽度。假定光在光线中的传输速率为2 x 10^8 m/s？

频率 = 光速/波长
带宽 = 短波长对应的频率-长波长对应的频率

因此，1200~1400nm之间的广播的频带宽度: 2 x 10^8 m/s / 1200 x 10^(-9)m – 2×10^8 m/s / 1400 x 10(-9)m = 2.381 x 10^13 Hz = 23.81 THz
1400~1600nm之间的广播的频带宽度: 2 x 10^8 m/s /1400 x10^(-9)m – 2 x 10^8 m/s / 1400 x 10^(-9)m = 1.786 x 10^13 Hz = 17.86 THz

2-13

为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些?

一般情况下，通信信道带宽远远大于用户所需的带宽，使用信道复用技术可以提高信道利用率，共享信道资源，降低网络成本。常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用。

2-14

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

1. FDM（Frequency Division Multiplexing）:频分复用：用户可以在相同的时间占用不同的带宽资源。

2. FDMA（Frequency Division Mutiple Access）:频分多址：使用频分复用技术，可以使N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带，这种方式称为频分多址接入，简称频分多址。

3.TDM（Time Division Mutiplexing）:时分复用：用户可以在不同的时间占用相同的带宽资源。

4.TDMA(Time Division Mutiple Access)：时分多址：使用时分复用技术，可以使N个用户各使用一个时隙，或者让更多的用户轮流使用这N个时隙。这种方式称为时分多址接入，简称时分多址。

5.STDM（Statistic TDM）：统计时分复用：是一种改进的时分复用。使用STDM帧来进行传送复用的数据。但是每一个STDM帧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。所以，STDM不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此，统计时分复用可以提高线路的利用率。

6. WDM（Wavelength Division Multiplexing）：波分复用:就是光的频分复用。使用一个光纤来同时传输多个频率接近但是不同的光载波信号。

7. DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）:密集波分复用：随机技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，现在已经能够做到一个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。

8. CDMA（Code Division Multiple Access）：码分多址：当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址。

9. SONET（Synchronous Optical Network）:同步光纤网：是Bellcore在八十年代中期首先提出的用光导纤维传输的物理层标准，SONET定义了同步和等时（时间敏感数据，如实时视频）信息的传输。

10. SDH（Synchronous Digital Hierarchy）：同步数字系列：SDH 即数字同步传输体制，SDH是一种传输的体制协议。SDH 规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型等特性，一般可认为SDH与SONET是同义词。

11. STM-1：是SDH的一种基本传输模块，传输速率为155.52Mbps。

12. OC-48：是SONET的一种速率标准，对应的数值是——2.5Gbit/s

2-15

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？

因为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。

优点：
①抗干扰能力强；其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
②可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性。
③增大通信系统的容量。

缺点：
占用较大的带宽

2-16

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是0还是1？

设码片序列为S
对于A：AS = （1 -1 3 1 -1 3 1 1）/8 = 1,因此A发送的是1
对于B：BS = （1 -1 -3 -1 -1 -3 1 -1）/8 = -1,因此B发送的是0
对于C：CS = （1 1 3 1 -1 -3 -1 -1）/8 = 0,因此C没有发送数据
对于D：DS = （1 1 3 -1 1 3 1 -1）/8 = 1,因此D发送的是1

2-17

试比较ADSL，HFC以及FTTx接入技术的优缺点？

非对称数字用户线ADSL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。ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。有许多老的建筑，电话线都早已存在。但若重新铺设光纤，往往会对原有建筑产生一些损伤。从尽量损坏原有建筑考虑，使用ADSL进行宽带接入就非常合适了。缺点是信号传输距离短，信号衰减大，信号传输不稳定，容易受干扰，故障率高。

光纤同轴混合网（HFC网）是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。优点是覆盖面广，带宽高，传输速率高，缺点是在使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。有线电视运营商往往宣传通过电缆调制解调器上网可以达到比ADSL更高的数据率（例如达到10Mbit/s甚至30Mbit/s），但只有在很少几个用户上网时才可能会是这样的。然而若出现大量用户（例如几百个）同时上网，那么每个用户实际的上网速率可能会低到难以忍受的程度。

多种宽带光纤接入方式，称为FTTx。这里字母x可代表不同的光纤接入地点。实际上，FTTx就是把光电转换的地方，从用户家中向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。光纤到户FTTH应当是最好的选择。所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号，这样做就可以使用户获得最高的上网速率。但光纤到户FTTH有两个问题：首先是目前的价格还不够便宜；其次是一般的家庭用户也并没有这样高的数据率的需求。要在网上流畅地观看视频节目，有数兆比特每秒的数据率就可以了，不一定非要使用100 Mbit/s或更高的数据率。

2-18

在ADSL技术中，为什么在不到1 MHz的带宽中却可以使传送速率高达每秒几个兆比特？

采用先进的编码技术，每个码元携带多个比特，即每秒传送一个码元就相当于每秒传送多个比特。

2-19

什么是EPON和GPON？

无源光网络PON的种类有很多，但最流行的有以下两种，各有其优缺点。

一种是以太网无源光网络EPON，已在2004年6月形成了IEEE的标准802.3ah，较新的版本是802.3ah-2008.EPON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。

另一种是吉比特无源光网络GPON，其标准是ITU在2003年1月批准的ITU-T G.984。之后更新多次，目前最新的是2010年的G.984.7.GPON采用通用封装方法GEM，可承载多业务，对各种业务类型都能够提供很有潜力的宽带光纤接入技术。

代码007普通

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