Relax1000 计算机网络 · 第2章 物理层 · 解析¶
第2章 物理层¶
本章 45 题；解析册印刷页 262-266。
速对答案（原书）： DAABC CCBBB CBDCD ABDCB DCBCB DDBBB CDCCD BCBCC CBCCA
Q1¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
信道是信号从发送端到接收端传输的通路，通常依托双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等传输介质实现，故A正确。在双向通信中，例如全双工通信，通常需要独立的发送信道和接收信道，故 B 正确。根据信道中传输的信号类型，可以将信道划分为传输模拟信号的模拟信道和传输数字信号的数字信道，故 C 正确。物理层考虑的是如何在传输介质上传输比特流，而不指具体的传输介质，故 D 错误。
Q2¶
速对表原值： A
详细解析标注： A
一个通信系统主要包括信源、信道和信宿。信源是产生和发送原始信息的地方。在本题中，网络摄像头采集视频并编码，是信息的源头，因此是
①信源。信道是传输信号的物理路径或逻辑路径。以太网线和光纤是承载信号的传输介质，它们共同构成了
②信道。信号是数据的电磁或光学表现形式，适合在信道中传输。比特流以光信号或电信号的形式在介质上传输，这些是
③信号。信宿是接收信息的一方。监控中心服务器是最终接收数据的一方，因此是
④信宿。
Q3¶
速对表原值： A
详细解析标注： A
在计算机网络领域，带宽指在单位时间内，网络中某信道所能通过的“最高数据率”或“额定速率”，单位是比特/秒 (bps)。
Q4¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
若一个码元有 M 种离散状态，则每个码元可以携带〔公式/符号见原页版面片段〕2〔公式/符号见原页版面片段〕比特的信息，所以 16 种状态可以表示 4 个比特。
原页版面片段（图表、公式或字体缺映射时以此为准）
Q5¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
信息传输速率（比特率）等于码元传输速率（波特率）乘以每个码元所承载的信息量（比特数）。〔公式/符号见原页版面片段〕 = 〔公式/符号见原页版面片段〕 ∗ 〔公式/符号见原页版面片段〕2〔公式/符号见原页版面片段〕这里直接给出了每个码元携带 3 比特，所以 2400Baud*3bit=7200bps。
原页版面片段（图表、公式或字体缺映射时以此为准）
Q6¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
香农定理定义了在给定带宽和信噪比的信道中，可靠信息传输速率的理论上限。任何实际通信系统的信息传输速率都不可能超过该信道容量。奈氏准则关注的是无噪声情况下的码元速率上限。
Q7¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
ASK（幅移键控）用不同的振幅电平表示码元。16 个不同的幅值意味着每个码元可以代表 4 个比特。因此，数据传输速率 = 4000 波特×4 比特/波特=16000 bps=16 kbps。
Q8¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
在无噪声情况下，根据奈氏准则，最大码元传输速率 R=2W，为 16000Baud，对于8 电平 PAM，每个码元携带 3 比特信息。因此，最大数据传输速率 R×3=16000×3=48000 bps=48 kbps。
Q9¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
信道带宽为 10kHz-2kHz=8kHz，根据香农公式，信道的极限传输速率为〔公式/符号见原页版面片段〕2 1 + 〔公式/符号见原页版面片段〕/〔公式/符号见原页版面片段〕 ，代入得 8〔公式/符号见原页版面片段〕 ∗ 〔公式/符号见原页版面片段〕2 1 + 〔公式/符号见原页版面片段〕/〔公式/符号见原页版面片段〕 >= 40〔公式/符号见原页版面片段〕，可解得 S/N 至少为 31。
原页版面片段（图表、公式或字体缺映射时以此为准）
Q10¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
香农定理确定的信道容量 C 是信道本身的固有属性，由带宽 W 和信噪比 S/N 决定。调制方式的选择影响实际能达到的数据速率以及在给定波特率下能传输多少比特，但它不能改变信道的理论容量上限。
Q11¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
奈氏准则给出了无噪声情况下的码元速率上限，由此计算出的数据速率（32kbps）是一个理论上的可能值。但香农定理考虑了噪声，并给出了信道能够可靠传输信息的最大速率（20kbps）。实际可靠的数据传输速率不能超过香农极限。
Q12¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
信道采用 4 个相位，每个相位有 x 种振幅，则每个码元可以表示 4x 个比特的信息。根据奈奎斯特定理，无噪声下极限数据传输速率〔公式/符号见原页版面片段〕1 = 2〔公式/符号见原页版面片段〕2 4〔公式/符号见原页版面片段〕 。根据香农定理可知，在信噪比为 30dB 条件下，极限数据传输速率〔公式/符号见原页版面片段〕2 = 〔公式/符号见原页版面片段〕2 1 + 〔公式/符号见原页版面片段〕/〔公式/符号见原页版面片段〕 = 〔公式/符号见原页版面片段〕2 1 + 1000 。由题意知，〔公式/符号见原页版面片段〕1 > 〔公式/符号见原页版面片段〕2，可解得 x 至少为 8。
原页版面片段（图表、公式或字体缺映射时以此为准）
Q13¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
首先计算信道容量 C=2000bps。文件大小为 100KB=100×1024×8 bits=819200 bits。所需时间=总比特数/信道容量 = 819200/2000=409.6 秒，约等于 410 秒。
Q14¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
该信道为无噪声信道，则可根据奈氏准则计算极限数据传输速率〔公式/符号见原页版面片段〕 =2〔公式/符号见原页版面片段〕2〔公式/符号见原页版面片段〕 = 1.6〔公式/符号见原页版面片段〕。一个分组的长度为 1000B，则共 4000 个分组(N=4000)，每个分组的发送时延〔公式/符号见原页版面片段〕 = 1000 ∗ 8〔公式/符号见原页版面片段〕/1.6〔公式/符号见原页版面片段〕 = 0.005〔公式/符号见原页版面片段〕。网络采取存储转发，共两段链路(k=2)，忽略传播时延，总时间〔公式/符号见原页版面片段〕总 = （〔公式/符号见原页版面片段〕 + 〔公式/符号见原页版面片段〕 − 1） ∗ 〔公式/符号见原页版面片段〕 = 20.005〔公式/符号见原页版面片段〕。
原页版面片段（图表、公式或字体缺映射时以此为准）
Q15¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
本题考察香农公式。最高数据传输速率(信道带宽)= 〔公式/符号见原页版面片段〕log2 1 + 〔公式/符号见原页版面片段〕 =160〔公式/符号见原页版面片段〕 × log2 1 + 0.6 0.0193 〔公式/符号见原页版面片段〕 = 800 〔公式/符号见原页版面片段〕 ；时延带宽积=传播时延*带宽=1000〔公式/符号见原页版面片段〕/(2 ∗ 10^8 〔公式/符号见原页版面片段〕/〔公式/符号见原页版面片段〕) ∗ 80〔公式/符号见原页版面片段〕/〔公式/符号见原页版面片段〕 = 4000〔公式/符号见原页版面片段〕。
原页版面片段（图表、公式或字体缺映射时以此为准）
审计旁注（非原文）：改解析笔误
香农公式先算得 800 Mb/s，后一步误写成 80 Mb/s；最终 4000 bit 实际仍按 800 Mb/s 计算，答案 D 可保留。
Q16¶
速对表原值： A
详细解析标注： A
数字数据通过调制解调器 调制成模拟信号，在接收端将通过调制解调器将模拟信号还原为数字信号。基本的数字调制方法有移幅键控法(ASK)、移频键控法(FSK)、移相键控法(PSK)和正交振幅调制法(QAM)。模拟数据采用脉码调制 PCM 转换成数字信号，经过采样、量化、编码三个步骤，常用于音频信号。数字数据通过数字发送器转换成数字信号；模拟数据通过放大调制器转换成模拟信号。
Q17¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
FSK 是“频移键控”的缩写，它使用不同频率的载波信号来代表不同的数字比特。
Q18¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
ASK, PSK, FSK 都是根据当前码元信号的某个参数（振幅、绝对相位、频率）来确定其代表的比特。而 DPSK（差分相移键控）则是利用相邻码元之间的载波相位差来表示数字信息，因此解调当前码元时需要知道前一个码元的相位信息。
Q19¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
观察题目发现，每一个周期内的波形图没有跳变，因此排除曼彻斯特、差分曼彻斯特和归零编码，有可能是不归零编码和反向不归零编码。NRZ编码就是不归零编码，A选项正确。该波形图有可能是反向不归零编码，该编码方式会携带同步信息，B 选项正确。该波形图传递的是数字信号，但所传递的数据不一定是数字数据，模拟数据也可以编码成数字信号。
C 选项错误。以太网默认使用曼彻斯特编码，该波形图无跳变，不可能是曼彻斯特编码，D 选项正确。
原页版面片段（图表、公式或字体缺映射时以此为准）
Q20¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
非归零编码，用高/低电平表示 1/0，没有同步信息。归零编码通过每个脉冲中间跳变到 0 来确定同步信息，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码也是通过中间跳变来同步。
Q21¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
10BASE-T 是指带宽位 10Mb/s 的传统以太网。传统以太网采用曼彻斯特编码。曼彻斯特编码在每个码元中间时刻电平发送跳变，上跳变表示1，下跳变表示 0，也可以上跳变表示0，下跳变表示 1。
Q22¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
曼彻斯特编码的码元速率（波特率）是数据速率的两倍，已知数据速率为10Mbps，则波特率为 2*10M=20MBaud。根据奈氏准则，理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud，其中 W 为信道的频率带宽。将波特率 20MBaud 代入可得，所需的最小信道带宽为 10MHz。
Q23¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
电路交换是面向连接的，能够保证可靠传输，而分组交换和报文交换是无连接的，因此电路交换的可靠性是最高的，A 和 D 错误。并且电路交换的物理链路建立后，双方可随时发送数据，因此电路交换的传输时延最低，所以 B 正确 C 错误。因此答案为 B。
审计旁注（非原文）：作废/缺前提
未给连接建立时延、数据规模及可靠机制，不能绝对推出电路交换“延迟最低且最可靠”；现有条件不足以唯一确定 B。
Q24¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
在报文交换中，整个文件作为一个完整的报文进行发送。网络中的路由器采用“存储-转发”的方式处理该报文，即每个路由器必须完整地接收到整个报文，然后才能开始向下一个节点转发。从主机 H1 到主机 H2 共经过了 2 个路由器，构成了 3 段链路。传播时延和节点处理时延均忽略不计，总时延主要由发送时延构成。报文需要经过 3 段链路的发送，每段链路的发送时延为0.5MB/2Mbps=2s，则总时间为 3*2s=6s。
Q25¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
采用分组交换时，报文被分为 2 个分组，分组交换的时间为 20kb/10kbps + (2-1)×10kb/10kbps = 3s；采用报文交换时，每一段链路的时延相同，故每段链路的传输时延为 1.5s，数据的长度为 1.5s×10kbps = 15kb，选择 B 选项。
Q26¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
I. 电路交换：一旦专用电路建立，路径上的任何故障（如 R2 故障）都会导致整个连接中断。
II. 数据报分组交换：每个分组独立路由。R2 故障后，R1 发往 R2 的分组将失败。除非路由协议（如 OSPF, RIP）能够检测到故障并为 R1 找到一条不经过 R2 的新路径到达目的服务器，否则后续分组将无法送达。
III. 报文交换：如果报文已完整到达 R1，但下一跳 R2 故障，R1 无法将报文转发出去。该报文可能会在 R1 的存储中因超时而丢弃，或者如果系统有动态路由能力且存在备用路径，可能会尝试重路由（但这超出了基本报文交换的范畴，更接近高级网络功能）。基本情况下，可以认为报文受阻于 R1。
Q27¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
虚电路分组交换在数据传输前需要一个虚电路建立阶段，通过网络发送一个特殊的“呼叫请求”分组来建立一条逻辑连接（虚电路）。一旦虚电路建立，后续所有分组都沿着这条路径传输，并能保证按序到达。因此，“无需连接建立过程”的说法是错误的。
Q28¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
数据报网络是一种无连接的分组交换方式。
A 错误，数据报方式不需要预先建立连接。
B 正确，由于每个分组独立路由，它必须包含足够的信息（如完整的源和目的地址）使网络节点能够将其转发到正确的目的地。
C 错误，转发主要依据目的地址，数据报号（如 IP 分片中的标识）用于其他目的。
D 错误，不同分组可能经过不同路径，因此可能失序到达。
Q29¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
虚电路网络由于维护了连接状态，当检测到拥塞时，可以通过信令机制（如发送特定的控制分组）通知源端调整发送速率。例如，帧中继和 ATM 网络都有这样的机制，因此 B 正确。数据报网络是无连接的，不存在“虚电路端点“，故A错误。拥塞是网络资源（如链路带宽、路由器缓存）不足的宏观现象，物理层冲突是链路层介质访问控制问题，故 C 错误。数据报网络通常采用尽力而为的服务，不预留带宽。虚电路在建立时反而可能协商带宽，故 D 错误。
Q30¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
网络层可以向传输层提供两种类型的服务，面向连接的服务称为虚电路服务，而无连接的服务称为数据报服务。虚电路的想法是避免为发送的每个分组都必须进行路由选择。取而代之的方法是，在传送分组之前，在源结点与目的结点之间建立一条逻辑连接的虚电路，以后这条虚电路上的所有分组将采取相同的路由。虚电路连接采用连接标识符进行标识，连接标识符由每台主机独立选择。因此，可以保证在主机内部每个连接标识符惟一地标识一个虚电路，同时两台主机可以存在多条虚电路为不同的进程服务。
Q31¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
对讲机是半双工通信，允许双向通信但不能同时进行，故 A 错误。传统广播电视是单工通信，信息只能单向从发射台传向接收机，故 B 错误。全双工通信允许通信双方在任何时刻同时发送和接收数据，C 正确。集线器连接的以太网构成一个冲突域，所有设备共享带宽，采用 CSMA/CD机制，工作在半双工模式，D 错误。交换机连接的点对点链路可以工作在全双工模式。
Q32¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
光纤通过光脉冲传输数据，其材料（玻璃或塑料）不导电，因此完全不受电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）的影响。光纤还具有极高的带宽潜力和非常低的信号衰减，使其能够支持长距离高速传输。
Q33¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
单模光纤的纤芯直径非常小，使得光信号只能沿着纤芯的轴心以单一路径（模式）传播，从而避免了多模光纤中因多种模式光信号沿不同路径、以不同速度传播而引起的模式色散。模式色散会导致光脉冲展宽，限制了传输速率和距离。消除了模式色散是单模光纤能够支持更长距离和更高速率的关键。
Q34¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
物理层接口的功能特性指明了接口各条信号线（引脚）的用途，例如哪些线用于发送数据、哪些用于接收数据、哪些用于提供时钟信号、哪些用于控制等。
Q35¶
速对表原值： D
详细解析标注： D
过程特性定义了在物理连接的建立、维持和释放过程中，各种事件发生的合法顺序。题目描述的“检测信道 -> 发送同步请求 -> 等待同步确认 -> 开始传输”是一个典型的事件序列，符合过程特性的定义。
Q36¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
规定连接器的型号（如DB-9）属于机械特性，因为它定义了接口的物理形状、尺寸和引脚排列。明确各个引脚的功能（如 TD 用于发送数据，RD 用于接收数据）则属于功能特性。
Q37¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
物理层接口规范主要定义接口本身的特性，包括机械特性（连接器形状、尺寸）、电气特性（电压、速率）、功能特性（引脚定义）和过程特性（事件顺序）。通信电缆的具体铺设路径、支撑方式等属于网络工程实施和综合布线的范畴，而非物理层接口规范直接定义的内容。
Q38¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
作为传统的共享式局域网的连接设备，集线器在物理上采用星状的连接结构，但在逻辑上采用的是总线状的连接结构。
Q39¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
集线器工作在物理层，它将接收到的信号进行放大和整形，然后将其广播到除输入端口外的所有其他端口。集线器不识别帧的 MAC 地址，因此无法进行定向转发。所有连接到集线器的主机（在同一个冲突域内）都会收到该数据帧，由各主机的网卡判断是否是发给自己的。
Q40¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
中继器是物理层设备，它对信号进行再生和放大，以延长网络传输距离。它连接的两个网段必须在物理层规范上完全相同，包括数据传输速率、信号编码方式等。如果速率不同，中继器无法正确处理信号。
Q41¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的 10BASE5 以太网规范中，互相串联的中继器连接必须遵守“5-4-3 规则”(4 中继器限制)，即用 4 个中继器连接 5 个网段，其中只有 3 个网段可以连接站点。
Q42¶
速对表原值： B
详细解析标注： B
信号在传输过程中会因为介质的物理特性而衰减。为了能将信号传输得更远，就需要在线路中间对信号进行增强。对于模拟信号，使其传播更远的设备是放大器，放大器的作用是将衰减的模拟信号的能量放大。对于数字信号，使其传播更远的设备是中继器，中继器对失真的数字信号进行“再生”和“还原”，而不是简单的放大。
Q43¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
集线器作为物理层设备，它不对数据帧的内容进行检查，包括帧的长度。它接收到比特流后，会进行信号放大和再生，然后将其转发出去。处理短帧（或 runt frame）是更高层（如数据链路层，由网卡或驱动程序负责填充）或接收端的事情，集线器本身会按原样转发它接收到的比特信号。
Q44¶
速对表原值： C
详细解析标注： C
连接在集线器上的所有主机共享集线器的总带宽。对于一个 10Mbps 的集线器，无论连接多少台主机，它们共同分享这 10Mbps 的带宽。由于集线器是半双工工作方式，并且构成一个冲突域，在任何时刻只有一个主机可以成功发送数据。因此，从整个集线器（冲突域）的角度来看，其总的输出数据吞吐量上限就是该集线器的额定速率，即 10Mbps。
Q45¶
速对表原值： A
详细解析标注： A
理论上，如果 N 个主机完全平均地、无冲突地共享 10Mb/s 的带宽，则每个主机获得的平均带宽为 (10/N) Mb/s。当 N=1 时，带宽为 10Mbps；当 N=10 时，带宽为 1Mbps。这个变化趋势是随着 N 的增加而减少。实际中需要考虑碰撞，集线器环境是一个冲突域。当 N 增加时，多个主机同时发送数据的概率增大，导致数据帧碰撞的几率也随之增加。发生碰撞后，相关主机必须等待一个随机时间后重传，这会浪费信道带宽。因此，随着N的增加，碰撞的负面影响会越来越显著，导致每个主机实际获得的平均带宽会低于理论上的 (10/N) Mb/s，并且下降的速率会因为碰撞的加剧而比理论情况更快。