物理層

大綱要求

（一）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

（二）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

（三）物理層設備

1. 中繼器
2. 集線器

核心考點

1. （★★★）掌握奈奎斯特定理和香農定理
2. （★★★）掌握電路交換、報文交換與分組交換的工作方式與特點
3. （★★）理解中繼器和集線器的功能以及實現原理
4. （★★）理解通信基礎的基本概念

通信基礎

信號

信號∶數據的電氣或電磁的表現（就是將數據用另外一種形態表現出來，就好像水轉換成冰，其實質還是水，僅僅是形態變了）。而數據是傳送信息（如圖片和文字等）的實體。

注意1∶無論數據或信號，都既可以是模擬的，也可以是數字的。"模擬的"就是連續變化的，如圖2-1所示；而"數字的"表示取值僅允許是有限的離散值，如圖2-2所示。

注意2∶信道上傳送的信號分為基帶信號和寬帶信號。基帶信號是將數字信號0和1直接用兩種不同的電壓表示，然后傳送到數字信道上去傳輸，稱為基帶傳輸∶寬帶信號是將基帶信號進行調制后形成模擬信號，然后再傳送到模擬信道上去傳輸，稱為寬帶傳輸。總之，記住一句話∶基帶對應數字信號，寬帶對應模擬信號。

注意3∶寬帶傳輸在考研中可以等同於頻帶傳輸（都是傳輸模擬信號），只是寬帶傳輸比頻帶傳輸有更多的子信道，並且這些子信道都可以同時發送信號。

信源、信道及信宿

雖然大綱刪除了信源與信宿，但還是需要了解。

信源∶字面理解就是信息的源泉，也就是通信過程中產生和發送信息的設備或計算機。

信道∶字面理解就是信息傳送的道路，也就是信號的傳輸媒質，分為有線信道和無線信道，人們常說的雙絞線和人造衛星傳播信號分別是有線信道和無線信道的典型代表。

信宿∶字面理解就是信息的歸宿地，也就是通信過程中接收和處理信息的設備或計算機。

故事助記∶某公司要將貨物從A地運送到B地（通過鐵路），B地把貨物加工為成品銷售給用戶。這里的A地就是信源，鐵路就是信道，B地就是信宿，貨物就是數據，貨物加工成的成品就是信息。信號、數據、信息三者的關系則是∶比如在使用萬用表時，輸入（電）信號得到（電壓/電流）數據，數據通過整理就是信息。

口補充知識點∶數據傳輸方式、通信方式與通信模式（了解即可）。

解析∶數據傳輸方式分為串行傳輸和並行傳輸。串行傳輸∶一個一個比特按照時間順序傳輸（遠距離傳輸經常采用）。並行傳輸∶多個比特通過多條通信信道同時傳輸（近距離傳輸經常采用）。

通信方式分為同步通信和異步通信。
同步通信∶要求接收端的時鍾頻率和發送端的時鍾頻率相等，以便使接收端對收到的比特流的采樣判決時間是准確的。

異步通信∶發送數據以字節為單位，對每一字節增加一個起始比特和一個終止比特，共10bit。接收端接收到起始比特，便開始對這個數據單元的10bit進行處理。它的特點是發送端發送完一個字節后，可以經過任意長的時間間隔再發送下一個字節。相對來說，同步通信技術較復雜，價格昂貴，但通信效率較高；而異步通信開銷較大，價格低廉，使用具有一般精度的時鍾來進行數據通信。

通信模式分為單向通信（單工）、雙向交替通信（半雙工）和雙向同時通信（全雙工）。

單工∶只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，如有線廣播電視。

半雙工∶通信雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送，也不能同時接收。

全雙工∶通信雙方可以同時發送和接收信息。

速率、波特及碼元

在計算機網絡中，速率顧名思義是指數據的傳輸速率，即單位時間內傳輸的數據量。一般速率有兩種描述形式∶波特率和比特率。

波特率∶又稱為碼元傳輸速率，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（也可以稱為脈沖個數或者信號變化的次數，對理解某些題有好處，一定記住!），單位是波特（Baud）。1波特表示數字通信系統每秒傳輸1個碼元。碼元可以用二進制表示，也可以用多進制表示。

比特率∶又稱為信息傳輸速率，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的二進制碼元個數，即比特數，單位為bits。為什么是二進制碼元?比特率和波特率之間的關系和這個進制有聯系嗎?

正常情況下，每比特只能表示兩種信號變化（0或1），可看成二進制。此時每個碼元只能攜帶1bit的信息（因為2¹=2），所以在數量上，波特率就和比特率相等了。因此，在二進制碼元的情況下，比特率在數量上和波特率是相等的。但是，一個碼元僅攜帶一個比特，數據率很低，所以編碼專家想辦法讓一個碼元攜帶更多的比特，以此來提高傳輸速率，即通過一些手段將信號的變化次數增加，從而讓一個碼元攜帶更多的比特。

例如，增加到16種信號變化（可以看成十六進制），那么自然就需要4bit（log2¹⁶=4，記住這個公式！）來表示，此時一個碼元攜帶了4bit，傳輸數據率大大增加。如果可以通過某些手段達到無窮種信號變化，數據傳輸速率就可以無限大。香農發現了極限速率（后講），但至今沒有人想出辦法達到無窮種信號變化。

注意∶以上的討論都是在有噪聲的情況下。

帶寬

帶寬分為模擬信號的帶寬和數字信號的帶寬。第1章就已經提到過，在過去很長一段時間里，通信的主干線路傳送的是模擬信號，此時帶寬的定義為∶通信線路允許通過的信號頻帶范圍，就是允許通過的最高頻率減去最低頻率。例如，某通信線路允許通過的最低頻率為300Hz，最高頻率為3400Hz，則該通信線路的帶寬就為3100Hz。

但是，在計算機網絡中，帶寬不是以上的定義。此時的帶寬是用來表示網絡的通信線路所能傳送數據的能力。因此，帶寬表示在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"。顯然，此時帶寬的單位不再是Hz，而是bit/s，讀作"比特每秒"。

奈奎斯特定理

采樣定理

講解帶寬的時候提到，在通信領域帶寬是指信號最高頻率與最低頻率之差，單位為Hz。因此將模擬信號轉換成數字信號時，假設原始信號中的最大頻率為f，那么采樣頻率f_采樣必須大於或等於最大頻率f的兩倍，才能保證采樣后的數字信號完整保留原始模擬信號的信息（只需記住結論，不要試圖證明，切記!）。另外，采樣定理又稱為奈奎斯特定理。

奈奎斯特定理

具體的信道所能通過的頻率范圍總是有限的（因為具體的信道帶寬是確定的），所以信號中的大部分高頻分量就過不去了，這樣在傳輸的過程中會衰減，導致在接收端收到的信號的波形就失去了碼元之間的清晰界限，這種現象叫作碼間串擾。所以是不是應該去尋找在保證不出現碼間串擾的條件下的碼元傳輸速率的最大值呢？沒錯，這就是奈奎斯特定理的由來。奈奎斯特在采樣定理和無噪聲的基礎上，提出了奈奎斯特定理。奈奎斯特定理的公式為

式中，f表示理想低通信道的帶寬；N表示每個碼元的離散電平的數目。

注意∶低通信道就是信號的頻率只要不超過某個上限值，都可以不失真地通過信道，而頻率超過該上限值則不能通過。也就是說，低通信道沒有下限，只有上限。理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒兩個碼元。當然還有一種叫理想帶通信道，只允許上、下限之間的信號頻率成分不失真地通過，其他頻率成分不能通過。也就是說，帶通信道有上、下限。理想帶通信道的最高碼元傳輸速率是每秒一個碼元。考研考查的基本都是理想低通信道，帶通值道了解即可。

由以上公式可知，奈奎斯特定理僅僅是給出了在無噪聲情況下碼元的最大傳輸速率，即2f，並沒有給出最大數據傳輸率。那是不是可以改變logN？沒錯，只要N足夠大，即編碼足夠好，使得一個碼元攜帶無窮個比特，那么最大數據傳輸速率C_max就可以無窮大（記住!）。

【例2-1】對一個無噪聲的4kHz信道進行采樣，可達到的最大數據傳輸速率是（ ）。D

A.4kbit/s

B.8kbit/s

C.1kbit/s

D.無限大

解析∶D。在 4kHz的信道上，采樣頻率需要8kHz（每秒可進行8k次采樣）。如果每次采樣可以取得16bit的數據，那么信道就可以發送128kbit/s的數據。如果每個采樣可以取得1024bit 的數據，那么信道就可以發送8Mbits的數據。所以說只要編碼編得足夠好（每個碼元能攜帶更多的比特），最高碼元傳輸速率是可以無限大的。

另外一種直觀的解釋就是使用奈奎斯特公式，無噪聲最大數據傳輸率C_max=f_采樣 x log₂N=2f x log₂N（其中f表示帶寬）=8k x log₂N，而這個N可以無窮大。

注意∶這里的關鍵在於信道是無噪聲的，如果是在一個有噪聲的4KHz的信道中，根據香農定理則不允許最大數據傳輸率為無限大。

香農定理

介紹香農定理之前需要引入一個概念，即信噪比。要清楚噪聲的影響是相對的，也就是說，信號較強，噪聲的影響就相對較小（兩者是同時變化的，僅考慮兩者之一是沒有任何意義的），所以求信號的平均功率和噪聲的平均功率之比（記為S/N，讀作"信噪比"）才有意義，即

其中，W為信道的帶寬，所以要想提高最大數據傳輸速率，就應設法提高傳輸線路的帶寬或者設法提高所傳信號的信噪比。
從以上公式可以得出以下結論∶

1. 要使信息的極限傳輸速率提高，就必須提高信道的帶寬或信道中的信噪比。換句話說，只要信道的帶寬或信道中的信噪比固定了，極限傳輸速率就固定了。
2. 只要信息的傳輸速率低於信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來實現無差錯的傳輸。
3. 實際信道的傳輸速率要比極限速率低不少。

可能疑問點∶在有噪聲的情況下，"要想提高信息的傳輸速率，或者必須設法提高傳輸線路的帶寬，或者必須設法提高所傳信號的信噪比，此外沒有其他辦法"（見相關教材）。不是還可以讓每個碼元攜帶更多的比特，這也是可以提高信息的傳輸速率的，怎么說沒有其他辦法了呢?

解析∶這里所要表達的意思是要提高香農公式所確定的極限傳輸速率只能提高帶寬和信噪比，僅通過改善編碼（改善編碼僅僅是在極限傳輸速率范圍內提高傳輸速率）是不可能超過香農公式算出的速率的。所以說要想提高信息的極限傳輸速率，一定要提高帶寬和信噪比，此外別無他法。千萬不要把奈奎斯特定理和香農定理搞混，因為它們討論的前提條件是不一樣的，前者是無噪聲，后者是有噪聲。

【例2-2】電話系統的典型參數是信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則該系統的最大數據傳輸率為（）。C

A.3kbit/s

B.6kbit/s

C.30kbit/s

D.64kbit/s

解析∶C。電話系統的信道是有噪聲的信道，所以該題應該用香農公式來求解。SN為信噪比，若要換算為dB，則為10log₁₀（S/N），因此依題意有10log₁₀（S/N）=30，可解出 SN=1000

根據香農公式，最大數據傳輸率=3000log₂（1+S/N）30kbit/s。

總結∶奈奎斯特定理公式和香農公式的主要區別是什么？這兩個公式對數據通信的意義是什么?

解析∶奈奎斯特定理公式指出了碼元傳輸的速率是受限的，不能任意提高，否則在接收端就無法正確判定碼元是1還是0（因為有碼元之間的相互干擾）。奈奎斯特定理公式是在理想條件下推導出來的。在實際條件下，最高碼元傳輸速率要比理想條件下得出的數值還要小些。電信技術人員的任務就是要在實際條件下，尋找出較好的傳輸碼元波形，將比特轉換為較為合適的傳輸信號。需要注意的是，奈奎斯特定理公式並沒有對信息傳輸速率（bit/s）給出限制（也就是可以無限大）。要提高信息傳輸速率就必須使每個傳輸的碼元能夠代表許多個比特的信息，這就需要有很好的編碼技術。

香農公式給出了信息傳輸速率的極限，即對於一定的傳輸帶寬（以 Hz為單位）和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限就確定了。這個極限是不能夠突破的。要想提高信息的極限傳輸速率，或者必須設法提高傳輸線路的帶寬，或者必須設法提高所傳信號的信噪比，此外沒有其他辦法。至少到現在為止，還沒有聽說有誰能夠突破香農公式給出的信息傳輸速率的極限。

香農公式告訴人們，若要得到無限大的信息傳輸速率，只有兩個辦法∶要么使用無限大的傳輸帶寬（這顯然不可能），要么使信號的信噪比為無限大，即采用沒有噪聲的傳輸信道或使用無限大的發送功率（當然這些也都是不可能的）。

編碼與調制

模擬數據和數字數據都可以轉換為模擬信號或數字信號。將模擬數據或數字數據（可統稱為數據）轉換為模擬信號的過程稱為調制，將模擬數據或數字數據轉換為數字信號的過程稱為編碼，如圖2-3所示。

調制

（1）數字數據調制為模擬信號（理解）

雖然數字化已成為當今的趨勢，但這並不等於說使用數字數據和數字信號就是"先進的"，也不等於說使用模擬數據和模擬信號就是"落后的"。數據究竟應當是數字的還是模擬的，是由所產生的數據的性質決定的。

數字數據調制技術在發送端將數字信號轉換為模擬信號，而在接收端將模擬信號還原為數字信號，分別對應於調制解調器的調制和解調過程。考研中理解這兩種轉換即可，其他的了解即可。

故事助記∶調制解調器的調制是為了將數字數據轉換成模擬信號，因為數字數據含有太多的低頻成分（可以看成矮個子），而該信道不讓他過去的原因有兩種∶

1. 太矮了（都是低頻成分），不讓他過去。
2. 他穿的衣服不適合該場合（低頻成分不能與信道的特性相適應）。

針對以上兩種原因，可以想出兩種辦法。

針對第一種原因∶讓他變高。

針對第二種原因∶換件正式的西裝。這樣就引入了兩種調制。

1. 帶通調制（把矮個子變高）∶類似於增高墊，讓矮個子變高了，這樣就可以過去了，即教材所講的將基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸，由此引出了3種方式∶調幅、調頻和調相。
2. 基帶調制（換件西裝）∶給基帶信號的低頻成分改變波形，使之適應信道的特性（也就是說給矮個子穿上西裝，改變一下外表，使之適應這個場合）；但是穿上西裝仍然是矮個子，也就是說基帶信號的低頻成分改變波形仍然是基帶信號，沒有變成其他信號。

（2）模擬數據調制為模擬信號（了解，考的概率約為0）

模擬數據調制為模擬信號主要有以下原因∶

1. 為了實現傳輸的有效性，可能需要較高的頻率。
2. 充分利用帶寬。

編碼

（1）數字數據編碼為數字信號（理解）

數字數據編碼用於基帶信號傳輸中，可以在基本不改變數字數據信號頻率的情況下，直接傳輸數字信號，即直接讓矮個子過去，不用穿增高墊了。既然不用穿增高墊，那就必須穿西裝過去，而現在西裝又分很多種牌子（非歸零碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼）。

1. 非歸零碼（NRZ）∶用低電平表示0，高電平表示1；或者反過來。其缺點是無法判斷一個碼元的開始和結束，收發雙方難以保持同步。

   非歸零碼中還有一類NRZ-I編碼，NRZ-I電平的一次翻轉來表示電平的邏輯0，與前一個NRZ-I電平相同的電平表示電平的邏輯1。

2. 曼徹斯特編碼（2013年考查了一道選擇題）∶將每個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為高電平而后一個間隔為低電平表示碼元1，碼元0正好相反。曼徹斯特編碼的特點是將每個碼元的中間跳變作為收發雙方的同步信號，無須額外的同步信號，但它所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍（很多人會產生疑問，曼徹斯特編碼到底是前一個間隔為高電平而后一個間隔為低電平表示碼元1，還是前一個間隔為低電平而后一個間隔為高電平表示碼元1?不同輔導書介紹不同。其實這個不用擔心，這個僅僅是形式上的，考試的時候試卷肯定會說明）。

3. 差分曼徹斯特編碼∶若碼元為1，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反。在每個碼元的中間，都有一次電平的跳轉。該編碼技術較復雜，但抗干擾性較好。

（2）模擬數據編碼為數字信號（了解）

此編碼最典型的例子就是脈沖編碼調制。

脈沖編碼調制∶只需記住3個步驟，即采樣（參考采樣定理）、量化和編碼，以及它是將模擬數據進行數字信號編碼即可。

數據傳輸方式

數據傳輸方式包括電路交換、報文交換和分組交換。

電路交換、報文交換和分組交換的數據傳輸方式如圖2-4所示。

電路交換

電路交換：由於電路交換在通信之前要在通信雙方之間建立一條被雙方獨占的物理通路（由通信雙方之間的交換設備和鏈路逐段連接而成），因此有以下優缺點。

優點∶

1. 通信時延小。由於通信線路為通信雙方用戶專用，數據直達，因此傳輸數據的時延非常小。
2. 實時性強。通信雙方之間的物理通路一旦建立，雙方可以隨時通信，所以實時性強。
3. 有序傳輸。雙方通信時按發送順序傳送數據，不存在失序問題。
4. 適用范圍廣。電路交換既適用於傳輸模擬信號，也適用於傳輸數字信號。
5. 控制簡單。電路交換的交換設備（交換機等）及控制均較簡單。
6. 避免沖突。不同的通信雙方擁有不同的信道，不會出現爭用物理信道的問題。

缺點∶

1. 建立連接時間長。電路交換建立連接的平均時間相對計算機通信來說太長。
2. 信道利用率低。電路交換連接建立后，物理通路被通信雙方獨占，即使通信線路空閑，也不能供其他用戶使用，因而信道利用率低。
3. 缺乏統一標准。當電路交換時，數據直達，不同類型、不同規格、不同速率的終端很難相互進行通信，也難以在通信過程中進行差錯控制。
4. 靈活性差。只要通信雙方建立的通路中的任何一個節點出了故障，就必須重新撥號建立新的連接。

報文交換

報文交換∶數據交換的單位是報文，報文攜帶有目的地址、源地址等信息。報文交換在交換節點采用存儲轉發的傳輸方式，因而有以下優缺點。

優點∶

1. 無需建立連接。報文交換不需要為通信雙方預先建立一條專用的通信線路，不存在建立連接時延，用戶可隨時發送報文。
2. 動態分配線路。當發送方把報文交給交換設備時，交換設備先存儲整個報文，然后選擇一條合適的空閑線路，將報文傳送出去。
3. 提高可靠性。如果某條傳輸路徑發生故障，可重新選擇另一條路徑傳輸數據，所以提高了傳輸的可靠性。
4. 提高線路利用率。通信雙方不是固定占有一條通信線路，而是在不同的時間一段一段地部分占有這條物理通路，因而大大提高了通信線路的利用率。
5. 提供多目標服務。一個報文可以同時發送到多個目的地址，這在電路交換中是很難實現的。

缺點∶

1. 由於數據進入交換節點后要經歷存儲、轉發這一過程，從而引起轉發時延（包括接收報文、檢驗正確性、排隊、發送時間等）。
2. 報文交換對報文的大小沒有限制，這就要求網絡節點需要有較大的存儲緩存空間。注意∶報文交換主要用在早期的電報通信網中，現在用得較少，通常被較先進的分組交換方式所取代。

分組交換

分組交換∶分組交換仍采用存儲轉發傳輸方式，但將一個長報文先分割為若干個較短的分組，然后把這些分組（攜帶源地址、目的地址和編號信息）逐個地發送出去，因此分組交換與報文交換相比有以下優缺點。

優點∶

1. 加速傳輸。因為分組是逐個傳輸的，所以可以使后一個分組的存儲操作與前一個分組的轉發操作並行，這種流水線式傳輸方式減少了報文的傳輸時間。此外，傳輸一個分組所需的緩沖區比傳輸一份報文所需的緩沖區小得多，這樣因緩沖區不足而等待發送的概率及等待的時間也必然少得多。
2. 簡化了存儲管理。因為分組的長度固定，相應的緩沖區的大小也固定，在交換節點中存儲器的管理通常被簡化為對緩沖區的管理，相對比較容易。
3. 減少了出錯概率和重發數據量。因為分組較短，其出錯概率必然減少，所以每次重發的數據量也就大大減少，這樣不僅提高了可靠性，也減少了傳輸時延。

缺點∶

1. 存在傳輸時延。盡管分組交換比報文交換的傳輸時延少，但相對於電路交換仍存在存儲轉發時延，而且其節點交換機必須具有更強的處理能力。
2. 當分組交換采用數據報服務時，可能出現失序、丟失或重復分組現象，分組到達目的節點時，要對分組按編號進行排序等工作，增加了麻煩。若采用虛電路服務，雖然無失序問題，但有呼叫建立、數據傳輸和虛電路釋放3個過程。

總之，若要傳送的數據量很大，且其傳送時間遠大於呼叫時間，則采用電路交換較為合適；

當端到端的通路由很多段的鏈路組成時，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上看，報文交換和分組交換優於電路交換，其中分組交換比報文交換的時延小，尤其適合於計算機之間的突發式的數據通信。

補充知識點∶報文與分組有什么區別?

故事助記∶某人要運送一個1000kg的物品（完整的報文，通常將要發送的完整數據稱為一個報文），但是每個箱子只能裝100kg，所以必須把這個物品分成10份，然后分別裝入10個箱子，而且每個箱子都要寫上寄件人地址（源地址）和收件人地址（目的地址），組成首部，這樣首部+物品就組成一個分組，等10個分組全部到達了目的地，把箱子扔了（去除首部，首部包含源地址和目的地址。當然還有其他，把箱子的殼當作其他東西，箱子上的那張快遞單當作源地址和目的地址），然后拼成原來的物品（完整的報文）. 考生可能會產生疑問，這10個箱子的東西能按照原來的順序拼接嗎（因為不一定是按序到達的）?先別急，全部奧秘都在首部，學習完網絡層就全部明白了。

可能疑問點∶電路交換和面向連接是等同的，而分組交換和無連接是等同的，對嗎?

解析∶不對，電路交換一定是面向連接的，而分組交換則存在面向連接和無連接兩種情況（參考2.1.9小節）。

電路交換∶就是在A和B要通信的開始，必須先建立一條從A到B的連接（中間可能經過很多的交換節點）。當A到B的連接建立后，通信就沿着這條路徑進行。A和B在通信期間始終占用這條信道（全程占用），即使在通信的信號暫時不在通信路徑上流動時（如打電話時雙方暫時停止說話），也是同樣地占用信道。通信完畢時釋放所占用的信道，即斷開連接，將通信資源還給網絡，以便讓其他用戶可以使用。因此，電路交換是使用面向連接的服務。

分組交換∶也可以使用面向連接服務，例如，X.25網絡、幀中繼網絡或ATM網絡（這些僅是例子，這些網絡不需要懂）都屬於分組交換網。然而，這種面向連接的分組交換網在傳送用戶數據之前必須先建立連接，數據傳送完畢后還必須釋放連接。因此，使用面向連接服務的可以是電路交換，也可以是分組交換。

面向連接和無連接往往可以在不同的層次上來討論。例如，在數據鏈路層，HDLC是面向連接的，而PPP和以太網使用的CSMACD協議是無連接的；在網絡層，X.25協議是面向連接的，而IP是無連接的；在傳輸層，TCP是面向連接的，而UDP是無連接的。但是不能說∶"TCP是電路交換"，而應當說∶"TCP可以向應用層提供面向連接的服務"。

總結∶電路交換與分組交換的特性比較。解析∶見表2-1。

數據報和虛電路

2.1.8小節講解分組交換的缺點時提到了分組交換可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。

數據報

如圖2-5所示，假設主機A給主機B發送一個報文，高層協議會將報文拆分成若干帶有序號和完整目的地址的分組，交換機根據轉發表轉發分組。其原理如下∶

1. 首先主機A先將分組逐個地發往與它直接相連的交換機1，交換機1將主機A發來的分組緩存。
2. 然后查找自己的轉發表，不同時刻轉發表的內容可能不相同，因此有的分組轉發給交換機2，有的分組轉發給交換機3和交換機4。
3. 依次類推，直到所有分組到達主機 B。

注意∶當分組正在交換機1-交換機2、交換機1-交換機3等鏈路上傳送時，分組並不占用網絡其他部分的資源。換句話說，當主機A在發送分組時，主機B也可同時發送分組。

由以上分析可知數據報方式具有以下特點∶

1. 發送分組前無需建立連接。
2. 網絡盡最大努力交付，傳輸不保證可靠性，即可能丟失。每個分組都是被獨立處理的，所以轉發的路徑可能不同，因此不一定按序到達接收方。
3. 在具有多個分組的報文中，交換機尚未接收完第二個分組，已經收到的第一個分組就可以轉發出去，不僅減小了延遲，而且大大提高了吞吐量。
4. 當某一台交換機或一段鏈路故障時，可相應地更新轉發表，尋找到另一條替代路徑轉發分組，對故障適應能力強。
5. 發送方和接收方不獨占某一鏈路，所以資源利用率高。

虛電路

虛電路方式要求在發送數據之前，在源主機和目的主機之間建立一條虛連接。一旦虛連接建立以后，用戶發送的數據（以分組為單位）將通過該路徑按順序傳送到達目的主機。當通信完成之后用戶發出釋放虛電路請求，由網絡清除該虛連接。

以上描述是不是有一種似曾相識的感覺？

沒錯，虛電路方式與電路交換方式極其相似。其實虛電路方式就是將數據報方式與電路交換方式結合起來，充分發揮二者優點。由以上分析可知，虛電路方式的通信過程分為3個階段∶虛電路建立、數據傳輸與虛電路釋放階段。

如圖2-6和圖2-7所示，假設主機A給主機B發送一個報文，原理如下∶

1. 主機A 先發出一個特殊的"呼叫請求"分組，該分組通過中間交換機（圖2-6中的小圓點）送往主機B。如果同意連接，主機B就發送"呼叫應答"分組進行確認，虛電路就建立好了。
2. 虛電路建立之后，主機A就可以向主機B發送分組了。由於所有分組都是走同樣的路徑，因此分組一定按序到達目的主機。
3. 分組傳輸結束后，主機通過發送"釋放請求"分組以拆除虛電路，整個連接就斷開了。

由以上分析可知虛電路方式具有以下特點∶

1. 用戶之間通信必須建立連接，數據傳輸過程中不再需要尋找路徑，相對數據報方式時延較小。
2. 通常分組走同樣的路徑，所以分組一定是按序到達目的主機的。
3. 分組首部並不包含目的地址，而是包含虛電路標識符，相對數據報方式開銷小。
4. 當某個交換機或某條鏈路出現故障而徹底失效時，所有經過該交換機或該鏈路的虛電路將遭到破壞

總結∶數據報服務與虛電路服務的特性比較。解析∶見表2-2。

傳輸介質

傳輸介質分類

傳輸介質分為兩大類∶導向性傳輸介質（就是用一根實實在在的線來傳播，如雙絞線和光纖）和非導向性傳輸介質（在自由空間中自由傳播，如紅外線、微波）。

導向性傳輸介質包含雙絞線、同軸電纜和光纖。

1. 雙絞線∶把兩根互相絕緣的銅導線絞合起來。其特點是既可以傳輸模擬信號，又可以傳輸數字信號（距離太遠時，對於模擬信號傳輸，要用放大器放大衰減了的信號；對於數字信號傳輸，要用中繼器將失真的信號整形）。
   雙絞線又可分為無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線就是在普通的雙絞線外加上金屬絲編織的屏蔽層，以提高抗電磁干擾的能力，如圖2-8所示。

2. 同軸電纜∶由內導體銅質芯線、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層組成。它比雙絞線的抗干擾能力強，因此傳輸距離更遠。按照特性阻抗數值的不同，同軸電纜又可分為兩類∶502同軸電纜和75Q同軸電纜。其中，50Q同軸電纜主要用於傳送基帶數字信號，所以又稱為基帶同軸電纜；75Q同軸電纜主要用於傳送寬帶信號，所以又稱為寬帶同軸電纜，如圖 2-9所示。

   

3. 光纖∶即光導纖維，根據光線傳輸方式不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。其主要優點是頻帶寬、衰減小、速率高、體積小、抗雷電和電磁干擾性好、誤碼率低、質量輕、保密性好等。

   單模光纖∶直徑只有一個光波的波長，光線在其中一直向前傳播，不會發生多次反射，如圖2-10所示。單模光纖的光源使用的是昂貴的半導體激光器，而不使用較便宜的發光二極管，因此單模光纖的衰減較小，適合遠距離傳輸。

   

   多模光纖∶利用光的全反射特性，如圖2-11所示。多模光纖的光源為發光二極管。由於光脈沖在多模光纖中傳輸會逐漸展寬，造成失真，因此多模光纖只適合近距離傳輸。

   

   非導向性傳輸介質有短波、微波、紅外線與可見光等。常見的通信方式有短波通信、微波通信、衛星通信、激光通信等。此知識點不太重要，在此就不展開講解了，有興趣的同學可參考相關教材。

物理層接口特性

講解此知識點之前，首先需要向考生提出幾個問題∶物理層是否就是傳輸介質？如果不是，物理層和傳輸介質有什么區別?

解析∶傳輸介質並不是物理層。傳輸介質在物理層的下面。由於物理層是體系結構的第1層，因此有時將傳輸介質稱為第0層。在傳輸介質中傳輸的是信號，但傳輸介質並不知道所傳輸的信號代表什么意思。也就是說，傳輸介質不知道所傳輸的信號什么時候是1，什么時候是0。而物理層由於規定了功能特性，因此能夠識別所傳送的比特流，如圖2-12所示。

由以上分析可知，物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸介質。物理層應盡可能地屏蔽各種物理設備的差異，使得數據鏈路層只需考慮本層的協議和服務。

換句話說，物理層主要的功能其實就是確定與傳輸介質的接口有關的一些特性，即物理層接口的特性。對於以下4個特性的定義只需記住關鍵字即可，無須按照教材上的定義死記硬背。

1. 機械特性∶指明接口的形狀、尺寸、引線數目和排列等。
   其實這類似於常用的電源插座，一般常見的是2個孔的和3個孔的，1個孔和4個孔的比較少見，這些就是指明的一些屬性。如果生產廠家不按照這個規則來做，就無法與電器連接。
2. 電氣特性∶電壓的范圍，即何種信號表示電壓0和1。
3. 功能特性∶接口部件的信號線（數據線、控制線、定時線等）的用途。
4. 規程特性（2012年真題已考）∶或稱為過程特性，物理線路上對不同功能的各種可能事件的出現順序，即時序關系。

總之，對於該知識點的理解只需知道物理層有這4個特性即可，無須深究。

物理層設備

中繼器

物理層設備主要包含中繼器和集線器，當然還有其他設備，但考研只需掌握此兩種即可。

在計算機網絡中，最簡單的就是兩台計算機通過兩塊網卡構成雙機互連，這兩台計算機的網卡之間一般是由非屏蔽雙絞線來充當信號線的。由於雙絞線在傳輸信號時信號功率會逐漸衰減，當信號衰減到一定程度時會造成信號失真，因此在保證信號質量的前提下，雙絞線的最大傳輸距離為100m。當兩台計算機之間的距離超過100m時，為了實現雙機互連，人們便在這兩台計算機之間安裝一個中繼器，它的作用就是將已經衰減得不完整的信號經過整理，重新產生出完整的信號再繼續傳送。注意∶放大器和中繼器都是起放大信號的作用，只不過放大器放大的是模擬信號，中繼器放大的是數字信號。

集線器

中繼器是普通集線器的前身，集線器實際就是一種多端口的中繼器。集線器一般有4、8、16、24、32等數量的RJ45接口，通過這些接口，集線器便能為相應數量的計算機完成"中繼"功能。由於它在網絡中處於一種"中心"位置，因此集線器也叫作Hub。

線器的工作原理很簡單，假設有一個8個接口的集線器，共連接了8台計算機。集線器處於網絡的"中心"，通過集線器對信號進行轉發，可以實現8台計算機之間的互連互通。具體通信過程分析如下∶

假如計算機1要將一條信息發送給計算機8，當計算機1的網卡將信息通過雙絞線送到集線器上時，集線器並不會直接將信息送給計算機8，它會將信息進行"廣播"，即將信息同時發送給其他7個端口。當其他7個端口上的計算機接收到這條廣播信息時，會對信息進行檢查，如果發現該信息是發給自己的，則接收，否則不予理睬。由於該信息是計算機1發給計算機8的，因此最終計算機8會接收該信息，而其他6台計算機檢查信息后，會因為信息不是發給自己的而不接收該信息。

補充知識點∶集線器能不能將沖突域隔離開來?

解析∶介紹一下沖突域的概念。在某網絡中，如果該網絡上的兩台計算機在同時通信時會發生沖突，那么這個網絡就屬於一個沖突域。當計算機1的網卡將信息通過雙絞成送到集線器上時，集線器並不會直接將信息送給計算機8，它會將信息進行"廣播"。如果有多台計算機同時通信時必會發生沖突，所以集線器不能隔離沖突域。

故事助記∶假如你在出差，有一個陌生來電，接了之后你卻發現打錯了，要花費不少漫游費，你生不生氣?當然很生氣（沖突），所以集線器所有端口都屬於一個沖突域，即集線器不能隔離沖突域。

集線器在一個時鍾周期中只能傳輸一組信息，如果一台集線器連接的機器數目較多，並且多台機器經常需要同時通信，將導致集線器的工作效率很差，如發生信息堵塞、碰撞等。

什么會這樣呢？打個比方，一個集線器連接8台計算機，當計算機1正在通過集線器發信息給計算機8時，如果計算機2想通過集線器將信息發給計算機7，當它試圖與集線器聯系時，卻發現集線器正在忙計算機1的事情，於是計算機2便會帶着數據站在集線器的面前等待，並時時要求集線器停下計算機1的事情來幫自己。如果計算機2成功地將集線器"搶"過來了（由於集線器是"共享"的，因此很容易搶到手），此時正處於傳輸狀態的計算機1的數據便會停止，於是計算機1也會去"搶"集線器。可見，集線器上每個端口的真 實速度除了與集線器的帶寬有關外，與同時工作的設備數量也有關。

例如，一個帶寬為10Mbit/s的集線器上連接了8台計算機，當這8台計算機同時工作時，每台計算機真正所擁有的帶寬是10Mbit/s/8=1.25Mbit/s。

補充知識點∶

1. 通過中繼器或集線器連接起來的幾個網段仍然是一個局域網。
2. 使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是CSMA/CD 協議（該協議會在數據鏈路層詳細講解），並共享邏輯上的總線。