1.2.5 答案与解析
# 1.2.5 答案与解析
## 单项选择题
01. B
分层属于计算机网络体系结构的范畴，选项A、C和D均是网络模型分层的目的，而分层的目的不包括定义功能执行的具体方法。
02. D
将用户数据分成一个个数据块传输，因为每块均需加入控制信息，所以实际上会使有效数据在PDU中所占的比例更小。其他各项均为其优点。
03. D
协议是为对等层实体之间进行逻辑通信而定义的规则的集合。
04. C
实体是指每层中实现该层功能的软件或硬件，可以是程序、模块、子程序或设备。
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05. A
服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，每层只能调用紧邻下层提供的服务（通过服务访问点），而不能跨层调用。
06. C
ISO设计了开放系统互连参考模型（OSI/RM），但实际执行的通用标准是TCP/IP标准。
07. A
计算机网络要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定的原则，这些原则就是协议。在协议的控制下，两个对等实体之间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还要使用下一层提供的服务，而提供服务就是交换信息，交换信息就需要通过接口，所以说服务、接口、协议是OSI参考模型的3个主要概念。
08. C
描述网络协议的三要素是语法、语义和同步。
09. B
网络协议三要素中的时序（或称同步）定义了通信双方的时序关系，TCP通信双方通过“四次挥手”释放连接，它规定发送FIN、ACK、FIN和ACK报文的先后顺序。
10. A
网络协议三要素中的语法定义所交换信息的格式，因此TCP首部格式体现了语法的要素。
11. D
OSI参考模型不仅划分了层次结构，还定义了各层可能提供的服务，但并未规定协议的具体实现，而是描述了一些概念和原则，用来协调和组织各层所用的协议。OSI参考模型并未定义各层接口的实现方法，而把具体的实现细节留给了各个协议和标准，选项D错误。
12. D
物理层为数据链路层提供二进制流的传输服务，涉及信号的编码、解码和同步等，选项D正确。
13. D
避免快速发送方“淹没”慢速接收方，描述的是流量控制的作用，属于数据链路层或传输层的功能。物理层只负责透明地传送比特流，不涉及流量控制的功能，选项D错误。
14. D
数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输，作用包括物理寻址、组帧、流量控制、差错检验、数据重发等。网络层和传输层才具有拥塞控制的功能。
15. D
OSI参考模型的数据链路层向上提供可靠的传输服务，在差错检测的基础上，增加了帧编号、确认和重传机制，因此保证了数据正确的顺序和完整性。选项A是应用层的功能，选项B是物理层的功能，选项C是网络层的功能。学习3.1节后，对本题的理解将更深刻。
16. A
物理层以0、1比特流的形式透明地传输数据链路层提交的帧。网络层和表示层都为上层提交的数据加上首部，数据链路层为上层提交的数据加上首部和尾部，然后提交给下一层。物理层不存在下一层，自然也就不用封装。
17. C
只有传输层及以上各层的通信才能称为端到端，选项B、D错。会话层管理不同主机间进程的对话，而传输层实现应答、分组排序和流量控制功能。
18. C
本题容易误选选项D。ISO/OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输
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第1章 计算机网络体系结构
层仅支持面向连接的通信；TCP/IP 模型在网络层仅有无连接的通信，而在传输层支持无连接和面向连接的通信。两类协议栈的区别是联考的考点，而这个区别是常考点。
19. B
在 OSI 参考模型中，会话层的两个主要服务是会话管理和同步。会话层使用检验点使通信会话在通信失效时从检验点继续恢复通信，实现数据同步。
20. B
OSI 参考模型表示层的功能有数据解密与加密、压缩、格式转换等。
21. D
会话层的主要功能是建立、管理和终止进程间的会话，以及使用检查点（或称检验点）使会话在通信失效时从检验点继续恢复通信，实现数据同步。
22. B
数据链路层在分组上除增加源和目的物理地址外，也增加控制信息；传输层的 PDU 不称为帧；表示层不负责将高层协议产生的数据分割成数据段，负责增加相应源和目的端口信息的应是传输层。选项 B 正确描述了 OSI 参考模型中数据的封装过程，数据经过网络层后，只是增加了第三层 PCI。
23. ① B、② D、③ C、④ A、⑤ B
在计算机网络中，流量控制指的是通过限制发送方发出的数据流量，使得其发送速率不超过接收方接收速率的一种技术。流量控制功能可存在于数据链路层及其之上的各层中。目前提供流量控制功能的主要是数据链路层、网络层和传输层。不过，各层的流量控制对象不一样，各层的流量控制功能是在各层实体之间进行的。
在 OSI 参考模型中，物理层实现比特流在传输介质上的透明传输；数据链路层将有差错的物理线路变成无差错的数据链路，实现相邻节点之间即点到点的数据传输。网络层的主要功能是路由选择、拥塞控制和网际互联等，实现主机到主机的通信；传输层实现主机的进程之间即端到端的数据传输。
下一层为上一层提供服务，而网络层的下一层是数据链路层，所以为网络层实体提供数据发送和接收功能及过程的是数据链路层。
24. B
在 OSI 参考模型中，数据链路层提供链路上相邻节点之间的逻辑通信，网络层提供主机之间的逻辑通信，传输层在运行于不同主机上的进程之间（端到端）提供逻辑通信。
25. A
协议是网络上计算机之间进行信息交换和资源共享时共同遵守的约定，没有协议的存在，网络的作用也就无从谈起。在互联网中应用的网络协议是采用分组交换技术的 TCP/IP，它是互联网的核心技术。
26. C
TCP/IP 模型的传输层提供端到端的通信，并且负责差错控制和流量控制，可以提供可靠的面向连接服务或不可靠的无连接服务。
27. A
在同一系统中，相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点（SAP）， $N$ 层的 SAP 是 $N + 1$ 层可以访问 $N$ 层服务的地方。SAP 用于区分不同的服务类型。在 5 层体系结构中，数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段，网络层的服务访问点为 IP 数据报的“协议”字段，传输层的服务访问点为“端口号”字段，应用层的服务访问点为“用户接口”。
28. A、C、C
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1）物理层。物理层负责正确、透明地传输比特流（0,1）。
2）数据链路层。数据链路层的PDU称为候，帧的差错检测是数据链路层的功能。
3）应用层。打印机是向用户提供服务的，运行的是应用层的程序。
29. B
在 OSI 参考模型中，传输层是自下而上第一个提供端到端服务的层，通过端口号实现应用进程间的逻辑通信。数据链路层仅负责相邻节点（如交换机、路由器等中间设备）之间的通信，而网络层提供主机到主机的通信，不提供面向应用进程的服务。
30. C
网络体系结构是指各层及其协议的集合，涵盖网络的层次划分、每层的功能及所用的协议，因此选项A、B、D均属于描述内容。而协议的内部实现细节属于实现问题，不由体系结构规定。
31. B
在OSI参考模型中，应用层的相邻下层是表示层（第6层），负责处理与数据表示相关的问题。其主要功能包括数据字符集转换、数据格式转换、文本压缩以及加密与解密等。
32. C
在OSI参考模型中，各层直接为其上一层提供服务，而会话层的下一层是传输层。
33. C
集线器（Hub）是多端口中继器，工作在物理层（第1层）；以太网交换机（Switch）是多端口网桥，工作在数据链路层（第2层）；路由器是网络层设备，最高工作在第3层。因此，三者实现的最高功能层分别为网络层、数据链路层和物理层。
34. A
OSI参考模型共7层，除了物理层和应用层，中间5层每层引入20B开销，共增加100B开销。原始数据为400B，总传输量为500B，故传输效率为 $400\mathrm{B} \div 500\mathrm{B} = 80\%$ 。
35. C
OSI参考模型自下而上的第5层为会话层，主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序间的会话。
36. C
协议由语法、语义和时序三要素组成：语法规定数据格式，语义定义控制信息含义，时序规定交互顺序。题图中发送方与接收方按特定顺序交互，体现了协议的时序要素。
37. B
在 TCP/IP 模型中，传输层的下一层是网际层，其主要功能是为分组选择路由并转发，即实现路由选择；它提供无连接、不可靠的尽力而为的服务，不保证有序交付。端到端报文段传输属于传输层功能，对话管理由应用层处理。TCP/IP 网际层不提供节点到节点的流量控制功能。
38. B
在OSI参考模型中，流量控制功能在多个层次存在：数据链路层实现相邻节点之间的流量控制，网络层关注整个网络中的拥塞与流量调节，传输层则提供端到端的流量控制。本题明确要求“两个相邻节点间”的流量控制，因此由数据链路层实现。
## 1.3 本章小结及疑难点
1. 互联网使用的 IP 是无连接的，因此其传输是不可靠的。这容易让人觉得互联网很不可靠。
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第1章 计算机网络体系结构
为什么当初不把互联网的传输设计为可靠的呢？
传统电信网主要用于电话通信，而普通电话机是“唾终端”（不具备智能处理能力），因此电信公司必须将网络本身设计得高度可靠，以保障通信质量。
数据传输显然需要可靠性。但在设计 ARPAnet（互联网的前身）时，一个关键争论是“谁应该负责保证传输的可靠性？”一种观点认为，应像电信网那样，由通信网络本身确保可靠传输——毕竟当时的技术已能构建高可靠的网络。另一种观点则主张，由用户主机（端系统）来负责可靠性，理由是这样可以让网络结构更简单、成本更低、扩展性更强。
计算机网络的先驱们注意到，计算机与电话机有本质区别：计算机是智能终端，具备强大的处理能力。因此，他们最终采纳了端到端可靠传输的设计哲学：在网络层使用简单、无连接、不可靠的IP协议，而在传输层通过面向连接的TCP协议实现端到端的可靠性。
这样既降低了网络基础设施的复杂性和成本，又确保了应用所需的可靠通信。
2. 端到端通信和点到点通信有什么区别？
本质上，由物理层、数据链路层和网络层构成的通信子网负责提供主机到主机的通信服务，而传输层则负责为主机上的应用进程提供端到端的通信服务。
点到点通信指的是主机到主机之间的数据传递，不涉及具体的应用进程。它只负责将数据从一台主机传送到另一台主机，但无法识别是哪两个进程在通信——这一任务由更高层完成。
端到端通信建立在点到点通信的基础之上，通过多段点到点链路串联，最终实现不同主机上应用进程之间的通信。这里的“端”指的是应用进程的端口，而端口号用于标识应用层中的不同进程。因此，端到端通信真正面向的是用户程序之间的交互，而非仅仅是机器之间的连接。
3. 如何理解传输速率和传播速率？
传输速率是指主机或路由器在数字信道上发送数据的速率，单位是比特/秒（b/s）。
传播速率是指电磁波在物理介质中向前传播的速度，单位是米/秒（m/s）。
例如，在图1.19中，假定链路的传播速率为 $2 \times 10^{8} \mathrm{~m/s}$，即电磁波 $1 \mu \mathrm{s}$ 可向前传播 $200 \mathrm{~m}$。若链路带宽为 $1 \mathrm{Mb/s}$，则主机 $1 \mu \mathrm{s}$ 可向链路发送 1 比特数据。
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图1.19 传输速率与传播速率的区别
在 $t = 0$ 时，开始发送数据；
到 $t = 1\mu \mathrm{s}$ 时，第一个比特已沿链路传播约 $200\mathrm{m}$
到 $t = 2\mu \mathrm{s}$ 时，第二个比特发出，第一个比特到达 $400\mathrm{m}$ 处；
到 $t = 3\mu \mathrm{s}$ 时，第三个比特发出，第一个比特到达 $600\mathrm{m}$ 处。
由此可见：链路上同时存在多少比特，取决于传输速率（带宽）；而每个比特在某一时刻位于何处，取决于传播速率。
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# 第2章
# 物理层
## 【考纲内容】
（一）通信基础
信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念；
奈奎斯特定理与香农定理；编码与调制；
电路交换、报文交换与分组交换；数据报与虚电路①
（二）传输介质
双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质；物理层接口的特性
（三）物理层设备
中继器；集线器
## 【复习提示】
物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输介质上传输数据比特流，而不是具体的传输介质。本章概念较多，易出选择题，复习时应抓住重点，如奈奎斯特定理和香农定理的应用、编码与调制技术、物理层接口的特性、物理层设备的功能和特点等。
## 2.1 通信基础
### 2.1.1 基本概念
#### 1. 数据、信号与码元
通信的目的是传输信息，如文字、图像和视频等。数据是信息的载体，即用于传送信息的实体。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。数据和信号均可分为模拟和数字两类：模拟信号的取值是连续的；数字信号的取值是离散的。
在通信系统中，通常用一个固定时长的信号波形表示一个 $k$ 进制符号，该波形称为码元（也称 $k$ 进制码元），而该时长称为码元宽度（或信号周期）。每个码元能够承载的信息量与其所表示的信号状态数量直接相关，1码元可以携带若干比特的信息量。例如，若一个信号周期内可能出现2种信号，则每种信号可表示1位二进制数，意味着1码元可携带1比特信息；若可能出现4种信号，则每种信号可表示2位二进制数，意味着1码元携带2比特信息。
#### 2. 信源、信道与信宿
图2.1所示为一个单向通信系统的模型，实际的通信系统大多数是双向的，可进行双向通信。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
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视频讲解 ① “电路交换、报文交换与分组交换”的介绍见1.1.4节，“数据报与虚电路”的介绍见4.1.3节。 <!-- page: 43 --> 第2章 物理层 31 数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。信道是信号的传输介质，一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道。信源发出信息后，需经发送变换器转换为适合在信道传输的信号；该信号经信道传至接收端后，由接收变换器还原为原始信息，再交付给信宿。噪声源是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。
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图2.1 一个单向通信系统的模型
按传输信号形式的不同，信道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；按传输介质的不同，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。基带信号是由信源发出的未经过调制的原始电信号，当在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输；宽带信号是将基带信号调制到高频载波上形成的信号，然后其在信道上传输，这种方式称为宽带传输。
数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输是指逐比特地按序依次传输，并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。串行传输适用于长距离通信，如计算机网络。并行传输适用于短距离通信，常用于计算机内部，如CPU与主存之间。
从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：
1）单向通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播、电视广播等。
2）半双工通信。通信双方都可发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收。
3）全双工通信。通信双方可同时发送和接收信息。
单向通信只需一个信道；全双工通信需要两个独立信道（每个方向一个）；而半双工通信可在同一信道上分时双向传输，无须两个物理信道。
## 3. 速率、波特与带宽
速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，常有两种描述形式。
带宽值按 $\triangleright$ 比特率与波特率的关系（2011、2014、2022）
1）码元传输速率。也称波特率或调制速率，表示数字通信系统每秒传输的码元数，单位是波特（Baud）。码元既可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制无关。
2）信息传输速率。也称比特率，表示数字通信系统每秒传输的比特数，单位是 $b/s$ 。
## 注意
波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则波特率 $M$ Baud 对应的比特率为 $M \times n b/s$。
在模拟通信中，带宽（也称频率带宽）表示信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。而在数字通信或计算机网络中，带宽用来表示通信线路所能传输数据的能力，即最大数据传输速率，此时带宽的单位不再是 Hz，而是 b/s。
## 2.1.2 信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，信号在信道上传输时会不可避免地产生失真。只要接收端
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2027年计算机网络考研复习指导
能够从失真的信号波形中识别出原始信号，这种失真对通信质量就没有影响；然而，若信号失真严重，则接收端就无法正确识别每个码元。码元传输速率越高、传输距离越远、噪声干扰越大或传输介质质量越差，接收端波形的失真就越严重。
## 1. 奈奎斯特定理（奈氏准则）
**考点击注** 奈氏准则的应用（2009、2014、2022、2023）
实际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无法通过信道，会在传输中衰减，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。奈奎斯特定理指出：在理想低通信道（无噪声、带宽有限）中，为避免码间串扰，极限码元传输速率为 $2W$ 波特，其中 $W$ 是信道的频率带宽（单位为 $\mathrm{Hz}$）。若用 $V$ 表示每个码元的离散电平数量（不同码元的种类数；例如，若有16种不同的码元，则需用4个二进制位来表示，此时数据传输速率是码元传输速率的4倍），则有
理想低通信道的极限数据传输速率 $= 2W\log_{2}V$ （单位为 $\mathrm{b / s}$）
对于奈氏准则，有以下结论：
1）在任何信道中，码元传输速率存在上限。若超过该上限，则会产生严重码间串扰，导致接收端无法正确识别码元。
2）信道带宽越大，其传输码元的能力越强。
3）奈氏准则仅限制码元传输速率，并未限制每个码元所能承载的信息量（比特数），因此信息传输速率仍可采用多元调制（如QAM-16、QAM-64）来提升。
## 2. 香农定理
**考点击注** 香农定理的应用（2014、2016）
实际信道存在高斯白噪声。香农定理给出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率。当速率不超过该极限值时，理论上可以实现任意低的误码率。香农定理定义为
信道的极限数据传输速率 $= W\log_{2}(1 + S / N)$ （单位为 $\mathrm{b / s}$）
式中，$W$ 为信道的频率带宽（单位为 $\mathrm{Hz}$），$S$ 为信号的平均功率，$N$ 为噪声功率。$S / N$ 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。
信噪比有两种表示形式：无单位记法和分贝（dB）记法。当采用无单位记法时，信噪比 $= S / N$；当采用分贝记法时，信噪比 $= 10\log_{10}(S / N)$（单位为dB），例如，当 $S / N = 1000$ 时，信噪比为30dB。注意，使用香农定理计算信道的极限数据传输速率时，信噪比应采用无单位记法。
**考点击注** 信道带宽的影响因素（2014）
对于香农定理，有以下结论：
1）信道带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
2）对于给定的带宽和信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
3）只要实际信息传输速率低于该极限值，就能找到某种方法实现近似无差错传输。
4）香农定理得出的是理论极限，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
**考点击注** 奈氏准则与香农定理的对比（2017）
奈氏准则仅考虑带宽对码元速率的限制，适用于无噪声的理想信道；而香农定理同时考虑了带宽和信噪比，适用于有噪声的实际信道。香农定理表明，在给定带宽和信噪比下，信息传输速率存在上限，即每个码元所能可靠携带的比特数是有限的。
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第2章 物理层
33
## 2.1.3 编码与调制
信号是数据的具体表示形式，数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都要转换成信号。将数据转换为数字信号的过程称为编码，将数据转换为模拟信号的过程称为调制。
数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号进行传输，也可以通过调制器转换为模拟信号进行传输；同样，模拟数据既可通过 PCM 编码器转换为数字信号进行传输，也可直接以模拟信号形式传输（例如传统电话中的语音信号）。由此形成了以下四种编码与调制方式。
## 1. 数字数据编码为数字信号
数字数据编码用于基带传输，即在基本不改变信号频率的情况下直接传输数字信号。编码的核心在于如何用电平或跳变来表示二进制数 0 和 1。常用编码方式有以下几种，如图 2.2 所示。
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图 2.2 常用的数字数据编码 1）归零（RZ）编码。用高电平表示 1，低电平表示 0（或相反），每个码元中间都会跳变回零电平（“归零”）。接收方可利用这一跳变来调整自身的时钟基准，从而实现收发双方的自同步。但由于归零过程占用了一部分带宽，传输效率会受到一定影响。 **带点值按** ⇒ NRZ 与 NRZI 编码的波形特性（2015） 2）非归零（NRZ）编码。与 RZ 编码的区别是不进行归零，整个周期都可用于传输数据，因此编码效率最高。但由于缺乏内在时钟信息，收发双方需额外时钟线来实现同步。 3）反向非归零（NRZI）编码。以码元起始处是否有跳变来表示数据；无跳变表示 1（或依协议约定），有跳变表示 0。跳变本身可用于辅助时钟恢复，兼顾了 NRZ 的高效率与一定的自同步能力，并且避免了 RZ 的带宽浪费。USB 2.0 等标准采用此编码。 **带点值按** ⇒ 曼彻斯特编码的波形特性（2013、2015） 4）曼彻斯特编码。每个码元中间都有一次电平跳变，该跳变同时承担时钟同步与数据表示功能。常用下降沿（高→低）表示 1，上升沿（低→高）表示 0，或采用相反的约定。 **带点值按** ⇒ 差分曼彻斯特编码的波形特性（2021） 5）差分曼彻斯特编码。同样，每个码元中间都有电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，该跳变仅用于时钟同步，而不表示数据。数据由码元起始处是否有跳变决定；无跳变表示 1， <!-- page: 46 --> 2027年计算机网络考研复习指导 有跳变表示 0。这种方式具有更强的抗干扰能力。 传统以太网采用的就是曼彻斯特编码，而差分曼彻斯特编码常用于令牌环网等高速网络。 常见数字编码方式的特性对比如表2.1所示。 表 2.1 常见数字编码方式的特性对比 | 特性 | 归零编码 | 非归零编码 | 反向非归零编码 | 曼彻斯特编码 | 差分曼彻斯特编码 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 自同步能力 | 有 | 无 | 需增加冗余位 | 有 | 有 | | 浪费带宽 | 浪费 | 无 | 不太浪费 | 浪费 | 浪费 | | 抗干扰能力 | 弱 | 弱 | 弱 | 强 | 强 |