第 19 章 计算机网络体系结构
19.1 基本概念
19.1.1 计算机网络概述
1.计算机网络的定义、组成与功能
计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
计算机网络的定义如图 19 - 1 所示。计算机系统不仅仅指的是计算机，还可以表示 ipad、手机等可联网的设备。这些计算机系统并不是孤立的，它们需要通过通信设备以及线路连接起来，例如我们需要使用路由器和网线来充当通信设备以及线路。最后还需要安装上软件。一台刚刚出厂的计算机，是没有办法和别人进行通信的，需要安装上浏览器、微信等软件才可以通信。
2.计算机网络的分类
计算机网络可以根据不同的划分标准，分为不同的类别。
按照覆盖范围的不同，计算机网络可以分为广域网、城域网和局域网。按照拓扑结构的不同，计算机网络可分为总线、星形、环形、网状等多种类型。按照交换技术的不同，计算机网络也可以分为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。3.计算机网络主要性能指标
了解了计算机网络的定义之后，接下来就会带来一个问题：如何去评价一个计算机网络的质量好不好？
在日常生活中，我们可能会用测网速的方式衡量计算机网络质量的优劣，实际上网速也是一个衡量标准，但也不能仅只有这一个标准。我们可以使用性能指标去对计算机网络进行描述和评价。下面介绍一些常见的性能指标。
（1）速率：计算机网络上主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率（data rate）。它表示的是单位时间（秒）传输信息（比特）量，单位是 b/s 或（bps），kb/s，Mb/s，Gb/s。例如，当速率为 10 kb/s 时，代表一秒钟可以传输 10 000 比特的数据。
（2）带宽：带宽有两种定义 —— 频带宽度和网络带宽。① 频带宽度：“带宽” 原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）（在奈氏定理和香农定理中会用到）。
② 网络带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的 “最高数据率”，单位为 b/s。当带宽表示这个意思时，和速率是一样的。
（3）吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，单位为 b/s，kb/s 和 Mb/s。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。这里注意区分吞吐量和带宽的区别。带宽指的是最高数据率，是一个理想情况下的速率；而吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量通过网络。
（4）时延：是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，单位是 s。总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。发送时延、传播时延、处理时延和排队时延如图 19 - 2 所示。
① 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
② 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
③ 处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理。
④ 排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。
（5）时延带宽积：把传播时延和带宽相乘，即时延带宽积 = 传播时延 × 带宽。单位为 b，kb，Mb。
（6）利用率：计算机网络中的利用率主要有信道利用率和网络利用率两种。信道利用率 = 有数据通过的时间 /（有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间）
网络利用率：网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。
19.1.2 计算机网络体系结构
1.计算机网络分层结构
接下来我们思考，作为一名程序员，应如何去实现一个计算机网络？
计算机网络包括的内容很多，当它是一个整体的时候我们无从下手，这时就需要将其化整为零，将一个庞大的计算机网络系统划分为多个小的模块，让不同的模块去实现不同的事情，再让各个模块相互交互。这就是计算机网络的分层思想。
分层有以下好处。①.各层之间是独立的。
②.灵活性好。
③.结构上可分割开，各层都可以采用最合适的技术来实现。
④.易于实现和维护。
⑤.能促进标准化工作。
2.计算机网络协议、接口、服务等概念
为了描述一个分层，可以对协议、接口和服务这 3 个名词进行定义。协议、接口和服务如图 19 - 3 所示。
（1）协议：在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则就是协议。协议主要由以下 3 个要素组成。
1.语法：数据与控制信息的结构或格式。
2.语义：需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应。
3.同步：事件实现顺序的详细说明。
（2）接口：在网络分层结构中，相邻两层之间存在一个接口，它是较低层次向较高层次提供服务的入口。
（3）服务：为保证上层对等体之间能相互通信，下层向上层提供的功能。
记住一点：协议是 “水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是 “垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。两个第 n 层的实体使用第 n 层的协议进行通信，并通过接口对第 n + 1 层的实体提供服务。3.ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型
ISO/OSI 参考模型（见图 19 - 4）是一个法定标准，由国际标准化组织提出，可以支持异构网络系统的互联互通。
该模型分为 7 层。
1.应用层：ISO/OSI 参考模型中最靠近用户的一层，它直接提供文件传输、电子邮件、网页浏览等服务给用户。
2.表示层：处理两个应用实体之间进行数据交换的语法问题，解决数据交换中存在的数据格式不一致以及数据表示方法不同等问题。如加密解密、转换翻译、压缩以及解压缩等。
3.会话层：不同机器上的用户之间建立和管理会话。
4.传输层：向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输。
5.网络层：为处在不同网络系统中的两个结点设备通信提供一条逻辑通路。其基本任务包括路由选择、拥塞控制与网络互联等功能。
6.数据链路层：负责在两个相邻结点之间，无差错地传送以 “帧” 为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和若干控制信息。
7.物理层：传输二进制位流，即透明的传输比特。
如图 19 - 5 所示，TCP/IP 参考模型是一个事实模型，该模型分为 4 层，包含应用层、传输层、网际层和网络接口层（用网际层这个名字是强调这一层是为了解决不同网络的互连问题）。不过从实质上讲，TCP/IP 参考模型只有最上面的 3 层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。
1.应用层：等同于 ISO/OSI 参考模型的会话层 + 表示层 + 应用层。它是最靠近用户的一层，为用户提供各种服务。
2.传输层：负责应用进程之间的端 - 端通信，和 ISO/OSI 参考模型的传输层类似，只是 ISO/OSI 参考模型的传输层只支持面向连接的通信；而 TCP/IP 参考模型的传输层支持无连接和面向连接的通信。
3.网际层：等同于 ISO/OSI 参考模型的网络层的无连接网络服务（ISO/OSI 参考模型的网络层可以提供无连接的服务，也可以提供有连接的服务）。
4.网际接口层：等同于 ISO/OSI 参考模型的数据链路层 + 物理层。它负责通过网络发送和接收 IP 数据报。
在学习计算机网络原理时，往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 参考模型的优点，采用一种只有 5 层协议的体系结构（上 3 层来自 TCP/IP 参考模型，下两层来自 ISO/OSI 参考模型），如图 19 - 6 所示。这样既简洁又能将概念阐述清楚。所以在后面的章节中，将按照物理层、数据链路层、物理层、运输层（传输层）和应用层的顺序进行讲解。
19.2 计算机网络概述精选习题与解析
19.2.1 精选习题
1.计算机网络是分布在不同地理位置的多个独立的自治计算机的集合，下列关于计算机网络的划分以及划分所使用的技术，说法正确的是（ ）。
Ⅰ. 计算机网络分为广域网、局域网和城域网，其划分的主要依据是网络的作用范围
Ⅱ. 在较小范围内布置的一定是局域网，而在较大范围内布置的一定是广域网
Ⅲ. 分布在一座大楼或一集中建筑群中的网络可称为局域网
Ⅳ. 子网掩码用于将一个 IP 地址划分为网络地址和主机地址
Ⅴ. CIDR（无类别域间路由）是一种网络划分和地址分配的方案
Ⅵ. VLAN（虚拟局域网）是一种逻辑上的网络划分方法，允许在同一物理网络上创建多个虚拟局域网
Ⅶ. 网关只是用于连接两个不同网络，进行数据传输的设备
A. Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ，Ⅵ
B. Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ
C. Ⅰ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ
D. Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ1.答案：B。
计算机网络按覆盖范围分为广域网、城域网、局域网。广域网的覆盖范围通常是直径为几十千米到几千千米的区域，城域网的覆盖区域直径范围是 5 - 50 km，局域网的覆盖范围较小，通常是直径为几十米到几千米的区域。因此 Ⅰ 正确。
广域网和局域网之间的差异不仅在于它们所覆盖范围的不同，还在于它们所采用的协议和网络技术的不同，广域网使用点对点等技术，局域网使用广播技术。区别局域网与广域网的关键在于所采用的协议，而非覆盖范围。因此 Ⅱ 错误。
局域网主要是指小范围内的计算机互联网络。这个 “小范围” 可以是一个家庭、一所学校、一家公司，或者是一个政府部门。因此 Ⅲ 正确。
子网掩码用于将一个 IP 地址划分为网络地址和主机地址。子网掩码与 IP 地址结合使用，可以确定主机所属的网络。这是网络划分的重要概念。因此 Ⅳ 正确。
CIDR（无类别域间路由）是一种网络划分和地址分配的方案，它通过将 IP 地址分为网络前缀和主机标识部分，灵活地分配 IP 地址，以适应不同规模和需求的网络。这是网络划分的一种常见方式，是正确的。因此 Ⅴ 正确。
VLAN（虚拟局域网）是一种逻辑上的网络划分方法，它可以在同一物理网络上创建多个虚拟局域网。通过 VLAN，可以将不同的设备划分到不同的虚拟局域网中，实现逻辑上的隔离和管理。这也是网络划分的一种常见方式，因此 Ⅵ 正确。
网关不仅仅用于连接两个不同网络进行数据传输，还可以用于连接一个局域网到互联网或连接一个网络到另一个网络。网关是一个网络结点，负责在不同网络之间进行数据转发和协议转换。因此，网关不仅仅限于连接两个不同网络之间的数据传输，还可以在网络中起到重要的中继和转发作用。因此 Ⅶ 错误。
综上所述，答案选择 B。2.下列关于计算机网络拓扑结构，说法错误的是（ ）。
A. 计算机网络拓扑主要是指通信子网结点之间连接的结构，其中，星形拓扑中各结点的分布处理能力较弱
B. 广域网的拓扑结构通常采用总线
C. 总线拓扑不能保证信息的及时传送，且不具有实时功能
D. 总线拓扑具有经济性、简单性和灵活性，但其共享带宽的特点可能会导致性能瓶颈2.答案：B。
网络拓扑结构是指由网中结点（路由器、主机等）与通信线路（网线）之间的几何关系（如总线、环形）表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。按网络的拓扑结构，主要分为总线、星形、环形和网状网络等。星形网络便于集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备，因此各结点分布处理能力较弱。因此 A 正确。
广域网覆盖范围较广、结点较多，为了保证可靠性和可扩展性，通常需采用网状结构。星形、总线和环形网络多用于局域网。因此 B 错误，答案选择 B。
总线拓扑结构的各结点要介质访问控制功能，不能保证消息的及时传送，不具有实时功能。因此 C 正确。
总线结构使用共享的传输介质（总线），可以减少物理布线的成本。由于所有结点都连接到同一个总线，故障检测和故障处理相对较为容易。除此之外，还可以根据需求轻松地添加或删除结点，而无须对整个拓扑结构进行大规模更改。总线结构中的结点之间通信需要共享总线带宽，可能会导致性能瓶颈。因此 D 正确。3.下列关于计算机网络的组成，说法正确的是（ ）。
Ⅰ. 一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、通信介质三大部分组成
Ⅱ. 计算机网络可以从工作方式上分为边缘部分和核心部分，边缘部分由所有连接到网络上的主机组成，核心部分由网络和路由器组成
Ⅲ. 通信子网用来进行数据传输，资源子网用来提供共享服务，并且通信子网位于资源子网的下层
Ⅳ. 计算机网络的核心是协议，它的作用类似于交通规则
A. Ⅱ，Ⅳ
B. Ⅰ，Ⅲ
C. Ⅰ，Ⅳ
D. Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ3.答案：D。
计算机网络主要由硬件、软件和协议 3 大部分组成。硬件包括主机、通信链路、交换设备和通信处理机等；软件包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件；协议是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范。因此 Ⅰ 错误。
计算机网络从工作方式上可分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接到网络上的主机组成，用来进行通信和资源共享；核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。因此 Ⅱ 正确。
计算机网络由通信子网和资源子网组成。通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现连网计算机之间的数据通信；资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。其中，通信子网对应于低三层（物理层、数据链路层、网络层），资源子网对应于高三层（会话层、表示层、应用层）。因此通信子网位于资源子网下层。因此 Ⅲ 正确。
计算机网络的核心是协议，它的作用类似于交通规则。协议是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范，起到了类似于交通规则的作用。因此 Ⅳ 正确。
综上所述，答案选择 D。4.性能指标从不同方面度量计算机网络的性能。关于常用性能指标，下列说法错误的是（ ）。
A. 带宽指数字信道最高数据传输率。传输时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
B. 往返时延包括中间节点的处理时延、排队时延和发送时延
C. 网络抖动可以使用数据从发送端到接收端所需的时间的变化范围来描述
D. 网络吞吐量是指在单位时间内通过网络传输的数据量或信息量，是衡量网络传输能力的指标4.答案：A。
在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的 “最高数据传输率” 的同义语。传输时延又称发送时延，是主机或路由器发送数据帧所需的时间，即从数据帧的第 1 比特算起，到该数据帧的最后 1 比特发送完毕所需要的时间。计算公式是：发送时延 = 数据帧长度 / 信道带宽。传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离所花费的时间。计算公式是：传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率。这里应注意区分传输时延和传播时延，因此 A 选项错误，答案选择 A。
往返时延指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。在互联网中，除了传播时延，往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延。因此 B 正确。
网络抖动是指数据从发送端到接收端所需的时间的变化范围。它衡量了网络传输的时延变化情况，用于描述数据包之间的不稳定性或波动性。因此 C 正确。
网络吞吐量是指在计算机网络中，在单位时间内通过网络传输的数据量或信息量。它是衡量网络传输能力的指标，表示网络在特定时间段内能够传输的数据量大小。网络吞吐量通常以每秒传输的数据位数、字节数或帧数来表示。较高的网络吞吐量意味着网络具有更大的传输能力，能够在较短的时间内传输更多的数据。因此 D 正确。5.主机 A 和主机 B 由一条带宽为 100 Mb/s、长度为 M m 的链路互连，信号传播速率为 250 000 km/s。假设主机 A 从 t = 0 时刻开始向主机 B 发送分组，分组长度为 512 bit，使带宽时延积刚好为一个分组长度的链路长度 M 是（ ）。（1 k = 10³，1 M = 10⁶）
A. 512 km
B. 5.12 km
C. 1280 km
D. 1.28 km5.答案：D。
时延带宽积是计算网络中传输性能的重要参数，用来衡量网络链路传输数据时的效率和延迟。它是指链路的传输时延和带宽的乘积，通常用比特（bit）或字节（byte）作为单位。计算如下。
时延带宽积 = 传播时延 × 带宽
512 = M/250 000 km/s×100 Mb/s
M = (512/100 000 000)×250 000 = 1.28 km6.在一个现实以太网的数据传输场景中，一台计算机发送一个数据包到另一台计算机，其间经过了 3 台路由器。其中发送端的发送速率为 100 Mb/s，数据包大小为 1500 bytes，物理链路的总长度为 500 m，信号传播速度为 2×10⁸ m/s，并且假设处理延迟为 2 ms，排队延迟为 1 ms，请计算数据包的总时延。
19.3 计算机网络体系结构精选习题与解析
19.3.1 精选习题
1.下列关于网络模型分层的说法，错误的是（ ）。
A. 网络分层需要提供标准语言，定义标准界面
B. 网络分层需要定义功能执行的方法，增加功能之间的独立性
C. 网络层负责实现数据的分组和路由选择
D. 应用层提供应用服务和功能，该层次是用户直接接触和使用的网络层次1.答案：B。
分层属于计算机网络的体系结构的范畴。计算机网络的各层及其协议的集合称为网络体系结构。网络体系结构是抽象的，不应该包括各层协议及功能的具体实现细节（定义功能执行的方法）。这些内部实现细节应该由工作人员完成，我们并不需要知道，因此分层并不需要定义功能执行的具体方法，B 错误，答案选择 B。
选项 A 是网络模型分层的目的。
对计算机网络模型进行分层的目的有以下几个。
（1）模块化设计：通过将整个网络系统划分为多个层次，可以将网络功能划分为不同的模块，使网络设计和开发更加模块化和可管理。每个层次负责特定的功能，使网络的设计、实现和维护变得更加简单和可扩展。
（2）接口统一：通过定义每个层次之间的接口和协议，使不同层次的组件可以相互交互和通信。每个层次定义了自己的服务和接口，上层使用下层提供的服务，从而实现了模块之间的统一和协作。
（3）独立性和可替换性：每个层次的实现是相对独立的，可以根据需要进行独立的改进、更新或替换，而不会对其他层次产生影响。这种独立性和可替换性使网络的发展和演进更加灵活和可控。
（4）简化复杂性：通过将网络功能划分为不同的层次，复杂的网络问题被分解为更小的、易于处理的子问题。每个层次关注特定的任务和功能，从而简化了整个网络系统的设计和管理。
（5）促进标准化：网络分层模型提供了一个框架和共同的术语，促进了网络技术的标准化和互操作性。每个层次的标准化有助于不同厂商和组织之间的协作和通信，提高了网络的互操作性和可扩展性。
总之，通过对计算机网络模型进行分层，可以实现模块化设计、接口统一、独立性和可替换性、简化复杂性以及促进标准化，从而提高网络的可管理性、可扩展性和可靠性。
根据计算机网络分层模型，不同层次有不同的功能和责任。具体如下。
（1）物理层：负责传输比特流，处理物理介质上的电信号转换。
（2）数据链路层：负责在相邻结点之间传输帧，提供点对点的可靠数据传输。
（3）网络层：负责数据的分组和路由选择，将数据从源主机传送到目的主机。
（4）传输层：负责端到端的可靠数据传输，提供进程之间的通信。
（5）应用层：提供了网络应用程序与网络基础设施之间的接口和交互。
具体而言，应用层为用户提供了各种网络应用服务和功能，如电子邮件、文件传输、远程登录、Web 浏览等。它是用户直接接触和使用的网络层次，通过应用层，用户可以进行各种网络活动和信息交流。2.下列关于计算机网络分层结构说法错误的是（ ）。
A. 两相邻层实体通过服务访问点（SAP）来交换数据
B. 协议数据单元（PDU） = 服务数据单元（SDU） + 协议控制信息（PCI）
C. 下一层的实现细节对上一层不透明
D. 一层内完成的功能并非都是该层所提供的服务2.答案：C。
同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（SAP）进行交互。服务是通过 SAP 提供给上层使用的，第 n 层的 SAP 就是第 n + 1 层可以访问第 n 层服务的地方。因此 A 正确。
在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文都分为两部分：一是数据部分，即 SDU；二是控制信息部分，即 PCI。它们共同组成 PDU。因此 B 正确。
下一层所提供服务的实现细节对上一层透明，上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务。因此 C 错误，答案选择 C。
只有那些能够被高一层实体 “看得见” 的功能才能称为服务，因此 D 正确。3.为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，下列关于网络协议说法错误的是（ ）。
A. 协议由语法、语义和同步 3 部分组成
B. 协议可以是水平的，也可以是垂直的
C. 协议规定了线路的建立与释放
D. 结点 A 的传输层和结点 B 的网络层之间不存在协议3.答案：B。
网络协议主要由以下 3 个要素组成。① 语法：用户数据与控制信息的结构与格式。② 语义：需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应。③ 时序：对事件实现顺序的详细说明。因此 A 正确。
协议是控制两个（或多个）对等实体进行通信的规则的集合，是水平的，因此 B 错误，答案选择 B。
一个完整的协议通常应具有线路管理（建立、释放连接）、差错控制、数据转换等功能。因此 C 正确。
不对等实体之间是没有协议的，结点 A 的传输层和结点 B 的传输层之间存在协议，但是结点 A 的传输层和结点 B 的网络层之间不存在协议。因此 D 正确。4.物理层、数据链路层、网络层、传输层的传输单位（或 PDU）分别是（ ）。
Ⅰ. 帧
Ⅱ. 比特
Ⅲ. 报文段
Ⅳ. 数据报
A. Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ，Ⅲ
B. Ⅱ，Ⅰ，Ⅳ，Ⅲ
C. Ⅰ，Ⅳ，Ⅱ，Ⅲ
D. Ⅲ，Ⅳ，Ⅱ，Ⅰ4.答案：B。
协议数据单元是指对等层次之间传递的数据单位。
物理层的 PDU 是数据位（bit）。
数据链路层的 PDU 是数据帧（frame）。
网络层的 PDU 是数据报（packet）。
传输层的 PDU 是报文段（segment）。
其他更高层次的 PDU 是报文（message）。5.在 OSI 参考模型中，当两台计算机进行通信时，希望可以使用加解密算法在二者之间建立一个安全连接，这个动作发生在（ ）。
A. 表示层
B. 会话层
C. 网络层
D. 应用层5.答案：B。
表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，包括数据格式的变换、数据的加密与解密、数据的压缩与恢复等功能。因此 A 错误。
会话层负责管理不同应用程序之间的会话连接，例如通过会话请求、会话建立和会话终止来调节会话。当两台计算机进行通信时，会层可以使用 SSL 或 TLS 协议进行握手，使用加、解密算法来交换会话密钥，从而建立安全连接。因此 B 正确。
网络层对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能。因此 C 错误。
应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的界面。因此 D 错误。6.用户在网上银行和电子商务等场景中输入隐私信息（如密码）时，可以使用 OSI 参考模型第（ ）层的功能实现对隐私信息进行加、解密。
A. 4 B. 5 C. 6 D. 7
6.答案：C。
OSI 参考模型会话层和表示层都可以进行加、解密，但是它们的加、解密对象和目的不同。下面是它们的区别。
（1）加、解密对象不同。
会话层的加、解密对象是整个会话连接，它可以通过 SSL 和 TLS 等协议来提供安全连接服务。当客户端与服务器之间建立连接时，它们使用 SSL 或 TLS 协议进行握手，建立安全连接，并使用加、解密算法来交换密钥。之后，它们可以使用私钥和公钥加密算法来保护数据的传输安全性。
表示层的加、解密对象是数据表示格式，它可以通过加密算法对数据进行加密和解密，如使用 DES，3DES，AES，RSA 等加密算法进行数据加密。表示层的加密和解密主要用于数据格式转换、数据压缩和加密、数据加密和解密等方面，例如在电子商务、网上银行、电子邮件等场景中使用。
（2）加、解密目的不同。
会话层的加、解密目的是保护整个会话连接的安全性，包括数据的机密性、完整性和可靠性。会话层的加密和解密可以防止截获攻击、信息泄露、数据篡改和重放攻击等。
表示层的加解密目的是保护数据的安全性，包括数据的机密性和完整性。表示层的加密和解密可以用于数据压缩、数据加密、数据格式转换等方面，以保护数据的安全性和保密性。
综上所述，会话层和表示层都可以进行加、解密，但它们的加解密对象和目的不同。会话层主要用于保护整个会话连接的安全性，而表示层主要用于保护数据的安全性和保密性。
本题考查对隐私信息的加密，因此选择第 6 层表示层，答案选择 C 选项。7. 下列功能中，属于 OSI 参考模型的表示层提供的是（ ）。
A. 交互管理
B. 透明传输
C. 死锁管理
D. 文本压缩7.答案：D。
应用层是用户与网络的界面，提供交互管理，因此 A 错误。
物理层实现比特流的透明传输，因此 B 错误。
计算机网络不提供死锁管理，因此 C 错误。
表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，包括数据格式的变换、数据的加密与解密、数据的压缩与恢复等功能。因此 D 正确。8. 传输线上的位流信号同步，应属于下列 OSI 的（ ）处理。
A. 物理层
B. 网络层
C. LLC 层
D. 数据链路层8.答案：A。
第 1 层：物理层，负责原始的二进制传输，协议数据单元是 bit（比特流）。
第 2 层：数据链路层，负责介质访问，协议数据单元是 frame（帧）。
第 3 层：网络层，负责路由和转发，确定地址和最佳路径，协议数据单元是 packet（包）。
第 4 层：传输层，负责端到端连接，协议数据单元是 segment（段）。
第 5 层：会话层，互连主机通信。
第 6 层：表示层，数据表示。
第 7 层：应用层，为应用程序提供网络服务。
第 5 - 7 层为结点传输，负责发送和接收消息。
综上所述，负责比特流传输的只有物理层，因此答案选择 A 选项，物理层。9. 当数据由计算机 A 传送至计算机 B 时，不参与数据封装工作的是（ ）。
A. 物理层
B. 数据链路层
C. 应用层
D. 网络层9.答案：A。
物理层的作用是透明地传输比特流，不参与数据的封装，只是将帧给转换为比特流，A 正确。
数据链路层的功能包括封装成帧、差错控制、流量控制和传输管理，需要将网络层传递的数据报封装成帧，因此 B 错误。
应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的界面，需要将用户的输入封装成应用数据。因此 C 错误。
网络层对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能，需要将传输层传递的报文封装成数据报，因此 D 错误。10. 当一台计算机从 FTP 服务器下载文件时，在该 FTP 服务器上对数据进行封装的 5 个转换步骤是（ ）。
A. 数据、报文、IP 分组、数据帧、比特流
B. 数据、IP 分组、报文、数据帧、比特流
C. 报文、数据、数据帧、IP 分组、比特流
D. 比特流、IP 分组、报文、数据帧、数据10.答案：A。
FTP 服务器的数据要经过应用层、传输层、网络层、链路层才到达物理层，每个层次都对数据进行封装，对应的封装分别是数据、报文、IP 分组、数据帧，最后是比特。
封装的具体过程如下。
（1）应用层封装：FTP 服务器的应用层将文件数据进行封装，将文件内容划分为合适的数据块，并为每个数据块添加 FTP 应用层协议头部，以标识文件传输的相关信息，如文件名、文件大小等。
（2）传输层封装：封装完成后的 FTP 数据块将被传输层处理。传输层将 FTP 数据块进行分段，每个分段添加传输层协议头部，如 TCP 头部，以提供可靠的数据传输服务。传输层还负责将数据分段进行编号和排序，以确保数据的有序性和可靠性。
（3）网络层封装：传输层封装后的数据块将被网络层处理。网络层负责将数据块封装成数据报，每个数据报添加网络层协议头部，如 IP 头部，以标识源 IP 地址和目的 IP 地址，并进行路由选择。
（4）数据链路层封装：网络层封装后的数据包将被数据链路层处理。数据链路层负责将数据包封装成数据帧，每个数据帧添加数据链路层协议头部，如以太网头部，以标识源 MAC 地址和目的 MAC 地址，并进行数据帧的传输和接收。
（5）物理层封装：数据链路层封装后的数据帧将通过物理层进行传输。物理层负责将数据帧转换为比特流，并通过物理介质进行传输，如通过以太网电缆或无线信道进行传输。
综上所述，答案选择 A 选项。11. 计算机网络中有两个重要的参考模型，分别是 OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型。结合这两个参考模型，比较它们的异同，并分析它们在实际网络中的应用情况。
11.答案如下。
OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型都是用于描述计算机网络体系结构的参考模型，它们在组织网络协议和功能方面有着不同的设计思想和层次结构。
（1）结构层次。
OSI 参考模型：OSI 参考模型由 7 个层次组成，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
TCP/IP 参考模型：TCP/IP 参考模型由 4 个层次组成，分别是网际接口层、网际层、传输层和应用层。
（2）层次功能。
OSI 参考模型：每个层次有特定的功能，通过不同层次之间的协议交互实现数据传输和服务提供。每个层次负责不同的任务，如数据封装、路由选择、错误检测和纠正、数据格式转换等。
TCP/IP 参考模型：TCP/IP 参考模型的层次功能比较简化，每个层次的功能相对集成。网际接口层负责物理传输和数据链路管理，网际层负责数据传输和路由，传输层提供端到端的可靠数据传输，应用层提供应用程序的接口。
（3）协议套件。
OSI 参考模型：OSI 参考模型定义了一系列的协议标准，如 TCP，UDP，IP，Ethernet 等。每个层次都有对应的协议。
TCP/IP 参考模型：TCP/IP 参考模型是基于 TCP 和 IP 协议的网络体系结构，TCP 协议提供可靠的数据传输，IP 协议提供数据路由和分组传输。
（4）实际应用。
OSI 参考模型：OSI 参考模型在理论上提供了完备的网络体系结构，但在实际应用中并没有广泛采用。然而，OSI 的概念和思想对于理解网络协议和通信原理仍然具有重要意义。
TCP/IP 参考模型：TCP/IP 参考模型是实际网络中最常用的参考模型，广泛应用于互联网和大部分局域网。它的简化结构和实用性使其成为网络通信的主流。
综上所述，OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型在结构层次、层次功能、协议套件和实际应用方面存在差异。第 20 章 物理层
20.1 基本概念
20.1.1 通信基础
1.信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念
码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有 M 个时（M 大于 2），码元为 M 进制码元。
1 个码元可以携带多个比特的信息量。1 个 M 进制码元可以携带log2M个比特。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，分别是 0 和 1。在使用四进制编码时，有 4 种不同的码元，分别是 00，01，10，11。
数据传输速率也叫数据率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。1.码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，也可称为脉冲个数或信号变化的次数，单位是波特（Baud）。1 波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。
2.信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特 / 秒（b/s）。
码元传输速率和信息传输速率（波特率与比特率）的关系是：若一个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M×n bit/s。
信道是信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。2.奈奎斯特定理与香农定理
对于信道来说，越好的信道所具备的数据传输速率越高，但是数据传输速率也是存在一个极限值的，这就是信道的极限容量。
我们通常会使用奈奎斯特定理和香农定理去计算信道的极限容量。
奈奎斯特定理：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud，W 是信道带宽，单位是 Hz，V 代表几进制码元率。
理想低通信道下的极限数据传输率 = 2Wlog2V（b/s）
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
信道的极限数据传输速率 = Wlog2(1+S/N)（b/s）3.编码与调制
信道如果按照传输的信号种类划分，可以分为模拟信道和数字信道。在实际生活中，这两种信号也是可以互相转换的。将数据转化成数字信号称为编码，将数据转化为模拟信号，称为调制。
由于数据也被分为两种，数字数据和模拟数据。因此，编码也被分为两种：一种是将数字数据转为数字信号的编码，另一种是将模拟数据转为数字信号的编码。
首先介绍第一种情况。将数字数据转为数字信号的编码方式如图 20 - 1 所示。
对于第二种情况，将模拟数据转为数字信号的编码，常采用 PCM 脉冲编码方法。该方法一般需要 3 个步骤：采样、量化和编码。
（1）采样：按时间间隔进行采样。例如，每 1 s 进行一次采样（采样的频率被称为采样率）。
（2）量化：因为模拟信号本质上是一连串连续的值，我们可以对这些值进行等级划分（量化的等级），这样步骤一的采集到的样品就可以被划分到不同的等级。
（3）编码：量化步骤中的不同等级可以表示不同的编码。连续的模拟信号最终可以转换 0101 的数字信号。
调制有 3 种基本方法，即调相、调频和调幅，如图 20 - 2 所示。
4.电路交换、报文交换与分组交换
众所周知，信号是在信道中传输的，那么信号在信道里是如何进行传输的？是一次性发送，还是一点点发送？这就涉及数据的交换方式。
常见的交换方式有 3 种，分别是电路交换、报文交换和分组交换，如图 20 - 3 所示。
（1）电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
（2）报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
（3）分组交换：单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
5. 数据报与虚电路
分组交换也会模仿打电话所使用的面向连接的通信方式，这种方式被称为虚电路（VC）。
如图 20 - 4 所示，当两台计算机进行通信时，先建立连接，即在分组交换中建立一条虚电路，以预留双方通信所需的一切网络资源；然后双方就沿着已建立的虚电路发送分组；等分组传输完成后，再断开虚电路。
分组交换还有一种数据报的方式：网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。
图 20 - 5 给出了网络提供数据报服务的示意图。主机 H1 向 H2 发送的分组各自独立地选择路由，并且在传送的过程中还可能丢失。
20.1.2 传输媒体
1.双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输媒体
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导引型传输媒体是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
双绞线：是一种导引型传输媒体，也称为双扭线，是最古老但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。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。
同轴电缆：是一种导引型传输媒体，由内导体铜质芯线（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）以及保护塑料外层所组成。
光纤通信：是一种导引型传输媒体，利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0。而可见光的频率约为 108 MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信。由于这种通信方式不使用之前介绍的各种导引型传输介质，因此就将自由空间称为 “非导引型传输媒体”。
根据频段划分，常见非导引型传输媒体有短波通信、无线电微波通信、红外通信、激光通信，甚至可以使用两台距离较近的主机相互传输数据。2.物理层接口的特性
可以看到，在物理层中传输媒体和通信手段都有多种方式，可以使用电路交换的通信手段，也可以采用分组交换的通信手段，那么物理层如何向上层屏蔽这些区别呢？这就需要使用物理层的 4 个接口特性。
可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，具体如下。机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、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。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平电压的意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
通过定义这 4 个接口特性，可以描述物理层的主要任务，从而屏蔽传输媒体和通信手段的区别。20.1.3 物理层设备
1.中继器
了解了物理层的 4 个接口特性之后，接着学习使用这 4 个接口特性的物理层设备。
物理层设备有两个，中继器（转发器）和集线器，如图 20 - 6 所示。
中继器（转发器）可以解决信号在传递过程中存在损耗、逐渐衰减的问题，它能对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
2. 集线器
集线器实质上是一个多端口的中继器，工作在物理层。它可以对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。它不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
由于集线器具有将收到的信号转发给除输入端口外的所有端口的特点，所以它并不能分割冲突域和广播域。20.2 通信基础精选习题与解析
20.2.1 精选习题
1.下列说法错误的是（ ）。
A. 衡量网络上数据传输速率的单位是 bps，其含义是每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数
B. 波特率等于每秒可能发生的信号变化次数
C. 比特率表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数
D. 若一个码元携带 n 比特的信息量，则 M 波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M/n（b/s）1.答案：D
bps 的全称为 bit per second，译为比特每秒，即每秒传送多少个二进制位。在网络技术中，速率是指数据的传输速率。因此 A 正确。
码元传输速率又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，也可称为脉冲个数或信号变化的次数。因此 B 正确。
比特率表示单位时间内传送比特的数目，用于衡量数字信息的传送速度，因此 C 正确。
码元传输速率与信息传输速率在数量上有一定的关系，若一个码元携带 n 比特的信息量，则 M 波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M×n（b/s），因此 D 错误，答案选择 D 选项。2.在异步通信中，每个字符包含 1 位起始位、7 位数据位、1 位奇偶位和 2 位终止位，若每秒传送 100 个字符，采用 4 相位调制，则码元速率为（ ）。
A. 50 Baud/s
B. 500 Baud/s
C. 550 Baud/s
D. 1100 Baud/s2.答案：C。
采用 4 相位调制，表示有 4 种波形，为了标识这 4 种波形，至少需要两位，即用两位来表示一个码元。
每个字符共 11 位，每秒 100 个字符，则比特率为 1100 bit/s；两位表示一个码元，则码元的速率为 1100 (bit/s)/2 = 550 Baud/s，因此 C 正确。3.从通信双方信息交换的方式来看，信道通信方式可以分为单向通信、半双工通信、全双工通信，下列说法正确的是（ ）。
Ⅰ. 单向通信的方向可变
Ⅱ. 半双工通信的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信息
Ⅲ. 半双工通信只需要一条信道，以太网可以使用这种半双工模式工作
Ⅳ. 全双工通信需要两条信道，常见的使用全双工通信的现代网络设备和协议有全双工以太网、TCP/IP 协议
A. Ⅰ，Ⅱ
B. Ⅱ，Ⅳ
C. Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ
D. Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ3.答案：B。
单向通信：单向通信表示在一个单一不变的方向上进行信息传输的通信方式，只有一个方向不变的单向信道连接了两个设备。这种通信方式类似广播电视的单向传输，接收方无法直接回复或发送信息。因此 Ⅰ 错误。
半双工通信：半双工通信表示通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，需要一条信道，以太网也可以采用全双工的方式进行，因此 Ⅲ 错误。半双工通信常见于以太网的半双工模式，其中同一物理链路上的数据传输是双向的，但在同一时刻只能有一方发送数据。这种通信方式类似于对讲机，一方说话时，另一方只能听，不能同时发言，因此 Ⅱ 正确。
全双工通信：全双工通信表示通信双方可以同时发送和接收信息，即两设备之间存在两条不同方向的信息传输通道，可以同时在两个方向上传输数据。全双工通信常见于现代网络设备和协议，如全双工以太网、TCP/IP 协议等，双方可以同时发送和接收数据，实现双向的即时通信。这种通信方式类似于电话通信，双方可以同时说话和听对方的回复。因此 Ⅳ 正确。4.设待传送数据总长度为 L 位，分组长度为 P 位，其中头部开销长度为 H 位，源结点到目的结点之间的链路数为 h，每个链路上的延迟时间为 D 秒，数据传输率为 B b/s，电路交换建立连接的时间为 S 秒，则传送所有数据，电路交换所需的时间是（ ）s。
A. hD + L/B
B. S + hD + L/P
C. S + hD + L/B
D. S + L/B4.答案：C。
电路交换首先建立连接，然后进行数据传输，注意这里使用电路交换，因此传输的数据应该是报文，即待传送数据总长度 L。因此传送所有数据所需的时间 = 连接建立时间 + 发送时间 + 链路延迟，即 S + hD + L/B。5.在无噪声情况下，若某通信链路的起始位宽为 4 kHz，采用 8 个相位，每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是（ ）。
A. 10 kb/s
B. 20 kb/s
C. 30 kb/s
D. 40 kb/s5.答案：D。
无噪声情况下，使用奈奎斯特定理，可求出信道容量 C = 2Hlog2N。其中，C 表示信道容量，H 表示信道带宽，N 表示一个码元所取的有效离散值个数。对于本题，H = 4 kHz，N = 8×4，可计算得到 C = 2×4 klog2^32 = 40 kb/s。因此，选择 D 选项。6.假设在一个无噪声的信道中，信道长度为 1000 m，信道带宽为 1.5 MHz，信号传播速率为 2000 m/s，则这段信道中可以存在的最大码元数是（ ）。
A. 0.5 M
B. 1 M
C. 1.5 M
D. 2 M6.答案：C。
无噪声情况下，使用奈奎斯特定理，可知最大码元传输速率为：C = 2H。其中，C 表示最大码元传输速率，H 表示信道带宽，计算得出最大码元传输速率为 2×1.5 = 3×10⁶（Baud）。
根据信道长度和信号传播速率，可以计算出该信道的传播时延为 1000 m/2000（m/s） = 0.5 s。
参考时延带宽积的公式，传播时延 × 数据传输速率，可以得到这个信道中可存在的最大比特数；同理，传播时延 × 码元传输速率，可以得到这个信道中可存在的最大码元数。
因此，这个信道中可存在的最大码元数为 0.5 s×3×10⁶ Baud = 1.5 M。答案选择 C 选项。7.一个传输数字信号的模拟信道的信号功率是 0.62 W，噪声功率是 0.02 W，频率范围为 3.5 - 3.9 MHz，该信道的最高数据传输速率是（ ）。
A. 1 Mb/s
B. 2 Mb/s
C. 4 Mb/s
D. 8 Mb/s7.答案：B。
首先计算信噪比 S/N = 0.62/0.02 = 31；带宽 H = 3.9 MHz - 3.5 MHz = 0.4 MHz，由香农公式可知，最高数据传输率 C = Hlog2(1 + S/N) = 0.4×log2(1 + 31) Mb/s = 2 Mb/s。8.下面关于奈奎斯特定则和香农定理说法正确的是（ ）。
A. 为了避免采样失真，信号的带宽为 20 kHz 的音频系统所采用的采样率至少是 40 kHz
B. 在一个数字音频系统中，采样率为 96 kHz，采用 24 位 PCM 编码，则每秒可传输的码元量为 2.304 B
C. 奈奎斯特定则和香农定理都只适用于模拟信号传输
D. 奈奎斯特定则指出，由于码间串扰的存在，码元传输速率越小越好8.答案：A。
为了避免采样失真，采样率应至少是带宽的两倍，即应该保障每一个码元都能至少对应一个采样点，否则将有可能导致采样后的波形无法还原原波形。A 选项正确。
每个采样点占用 24 位，每秒采样点为 96 k，则每秒采样数据量为 96 k×24 bit = 2.304 Mb，因此，每秒可传输的数据量为 2.304 Mb。而选项询问的是码元，则每秒可传输的码元为 2.304×24B。B 选项错误。
香农定理可用于模拟信号传输，也可用于数字信号传输，C 选项错误。
码元传输速率并非越小越好，太小将会导致传输效率低下，资源利用率低等问题，D 选项错误。9.在一个网络的物理线路上抓到波形图片段，如下所示，下列说法不正确的是（ ）。
A. 该编码方式有可能是 RZ 编码
B. 该编码方式有可能携带同步信息
C. 该波形图传递的一定是数字数据
D. 该波形图不可能是从以太网抓取的9.答案：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。
RZ 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。10. 在数字通信中，（ ）技术可以将多个比特映射到同一个码元进行传输，从而提高传输速率。
A. 前向纠错编码
B. 后向纠错编码
C. 16QAM 调制方法
D. 多路复用10.答案：C。
在 16QAM 调制方法中，每个码元可以携带 4 比特的信息，将 4 个比特映射到一个码元上，符合题意，答案选择 C 选项。
前向纠错编码和后向纠错编码都是差错控制的一种方式，不符合题目，A 和 B 选项错误。
多路复用技术是指在一条通信线路上传输多路信号，以提高通信线路利用率的技术，常见有频分复用、时分复用、码分复用和波分复用。该技术是一种共享带宽或者时间的技术，并不能将多个比特映射到一个码元上，D 选项错误。11. 有关曼彻斯特编码的正确叙述是（ ）。
A. 将时钟与数据取值都包含在信号中
B. 将每个信号起始边界作为时钟信号有利于同步
C. 这种模拟信号的编码机制特别适合传输声音
D. 每位的中间不跳变时表示信号的取值为 011.答案：A。
曼彻斯特编码的特点是在每个码元的中间都出现电平跳变，位中间的跳变作为时钟信号，每个码元的电平作为数据信号。因此 A 选项正确，答案选择 A 选项。
曼彻斯特编码将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，位中间的跳变作为时钟信号用于同步。因此 B 选项错误。
曼彻斯特编码用于将数字数据编码为数字信号，而不是模拟信号，因此不适合传输声音。因此 C 选项错误。
曼彻斯特编码将每个码元分成两个相等的间隔。前面一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元 1，码元 0 正好相反；也可以采用相反的规定。因此 D 选项错误。12. 包含同步信息的编码是（ ）。
Ⅰ. 归零编码
Ⅱ. 非归零编码
Ⅲ. 曼彻斯特编码
Ⅳ. 差分曼彻斯特编码
A. Ⅱ，Ⅲ
B. Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ
C. Ⅲ，Ⅳ
D. Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ12.答案：B。
归零编码（RZ）中用高电平代表 1、低电平代表 0（或者相反），每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。因此 Ⅰ 正确。
非归零码（NRZ）是最简单的一种编码方法，它用 0 表示低电平，用 1 表示高电平；或者反过来。由于每个码元之间并没有间隔标志，所以它不包含同步信息，因此 Ⅱ 错误。
曼彻斯特编码的特点是在每个码元的中间都出现电平跳变，位中间的跳变作为时钟信号用于同步，因此 Ⅲ 正确。差分曼彻斯特编码，位开始边界有跳变表示 0，位开始边界没有跳变表示 1，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，因此 Ⅳ 正确。
13. 一个网络的物理线路上抓到波形图片段如下所示。该线路不可能采用（ ）编码方式。
A. 不归零编码
B. 曼彻斯特编码
C. 差分曼彻斯特编码
D. 归零编码13. 答案：A。
各编码方式特点如下。
（1）不归零编码。
① 使用两个电平表示二进制的 0 和 1，通常是高电平和低电平。
② 简单直观，易于实现和解码。
③ 传输速率较低，效率较低，需要较宽的带宽。
（2）曼彻斯特编码。
① 将每个位的数据编码为两个相等时间间隔的信号，通过信号的变化来表示二进制的 0 和 1。
② 每个位周期内都有信号变化，有较好的同步性和时钟恢复能力。
③ 传输速率较低，效率较低，需要较宽的带宽。
（3）差分曼彻斯特编码。
① 类似于曼彻斯特编码，但信号的变化表示二进制的 0，信号的不变表示二进制的 1。
② 每个位周期内都有信号变化，有较好的同步性和时钟恢复能力。
③ 传输速率较低，效率较低，需要较宽的带宽。
（4）归零编码。
① 每个位周期内的中间位置（过零点）表示二进制的 0，而两个极性信号的变化表示二进制的 1。
② 信号中总是存在过零点，有较好的同步性和时钟恢复能力。
③ 传输速率较低，效率较低，需要较宽的带宽。
观察题目发现，在一个周期内，信号出现了跳变，则不可能是不归零编码，因此不归零编码在一个周期内要么是高电平要么是低电平。因此答案选择 A 选项。14. 关于基带传输和频带传输，下列说法错误的是（ ）。
A. 传输基带数字信号时，可采用曼彻斯特编码。基带传输通常用于局域网。利用模拟通信信道传输数字信号的方法称为频带传输
B. 基带传输适用于短距离传输，而频带传输适用于长距离传输。基带传输的传输速率高于频带传输
C. 基带传输使用调制技术将数字信号直接传输到信道上，而频带传输将数字信号调制成模拟信号后传输
D. 远距离传输或无线传输时，数字信号可以用基带传输技术进行传输14. 答案：D。
在信道中传输数字信号时最简单的方法是用两个高低电平来表示二进制数字，常用的编码方法有不归零编码和曼彻斯特编码。在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可以不经过调制就在信道上直接进行的传输方式称为基带传输。它通常用于局域网，把基带信号经过调制后送到通信线路（模拟信道）上的方式称为频带传输，它通常用于长距离传输。因此 D 选项错误，答案选择 D。
基带传输和频带传输是两种不同的传输方式，其特点如下。
（1）基带传输。
① 使用调制技术将数字信号直接传输到信道上，不进行模拟信号的调制过程。
② 传输信号占据的频谱范围与数字信号的频带宽度相同，通常使用窄带信道进行传输。
③ 适用于短距离传输，如在局域网中进行数据传输。
④ 传输速率较高，能够实现高速数据传输。
（2）频带传输。
① 将数字信号调制成模拟信号，然后进行传输。
② 传输信号占据的频谱范围比数字信号的频带宽度要宽，通常使用宽带信道进行传输。
③ 适用于长距离传输，如在广域网中进行数据传输。
④ 传输速率较低，受到信道带宽和噪声等因素的限制。15. 调制解调技术主要使用在（ ）通信方式中。
A. 模拟信道传输数字数据
B. 模拟信道传输模拟数据
C. 数字信道传输数字数据
D. 数字信道传输模拟数据15. 答案：A。
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号。这两种方式分别对应于调制解调器的调制和解调过程。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）和正交振幅调制制法（QAM）。16. 通过改变载波信号的相位值来表示数字信号 1，0 的方法是（ ）。
A. ASK
B. FSK
C. PSK
D. PPP16. 答案：C。
移幅键控法（ASK）、移频键控法（FSK）和移相键控法（PSK）是数字调制的 3 种基本形式。
（1）在 ASK 方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。
（2）在 FSK 方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。
（3）在 PSK 方式下，用载波信号相位移动来表示数据。17. 电路交换的优点是（ ）。
Ⅰ. 分组按序到达
Ⅱ. 传输时延小
Ⅲ. 无须建立连接
Ⅳ. 线路利用率高
A. Ⅰ，Ⅱ
B. Ⅱ，Ⅲ
C. Ⅰ，Ⅳ
D. Ⅲ，Ⅳ17. 答案：A。
在使用电路交换方式进行数据传输时，通信双方之间必须事先建立一条物理通信线路，这一通信线路在整个数据传输期间一直被独占，直至通信结束才被释放。
通信时，电路交换是按发送顺序传输数据的，所以不存在失序问题，分组按序到达，因此 Ⅰ 正确。
由于通信线路为通信双方专用，且传输过程中，不需要在中间结点停留，所以传输时延小，因此 Ⅱ 正确。
在使用电路交换方式进行数据传输时，通信双方之间必须事先建立一条物理通信线路，这一通信线路在整个数据传输期间一直被独占，直至通信结束才被释放。因此 Ⅲ 错误。
由于被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的，所以线路利用率低，因此 Ⅳ 错误。18. 在下列数据交换方式中，数据经过网络的传输延迟长而且不固定，不能用于语音数据传输的是（ ）。
A. 电路交换
B. 报文交换
C. 数据报交换
D. 虚电路交换18. 答案：B。
电路交换通信线路为通信双方用户专用，数据直达，传输数据的时延非常小，因此 A 错误。
在报文交换中，交换的数据单元是报文。由于报文大小不固定，在交换结点中需要较大的存储空间，另外报文经过中间结点的接收、存储和转发的时间较长而且也不固定，因此不能用于实时通信应用环境（如语音、视频等）。因此 B 正确，答案选择 B 选项。
数据报交换和虚电路交换是分组交换网中，在源地址和目的地址之间，每个包（分组）都通过通信链路和结点，直到到达目的结点。分组交换简化了存储管理（相对于报文交换）。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。因此 C 和 D 错误。19. 分组交换网中，（ ）不是包（分组）在交换机的任务。
A. 检查包中传输的数据内容
B. 检查包的目的地址
C. 将包送到交换机端口进行发送
D. 从缓冲区中提取下一个包19. 答案：A。
分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（packet）。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。分组交换网中，在源地址和目的地址之间，每个包（分组）都通过通信链路和结点，直到到达目的结点。包交换机收到一个包后，先暂时存储，再检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，将包送到交换机端口进行发送，最后从缓冲区中提取下一个包。
交换机分为两种，直通式交换机和存储转发式交换机。对于直通式交换机，只会查看目的地址并转发，并不会检查包是否正确，因此答案选择 A 选项。20. 有关交换技术的论述以下哪个是正确的？（ ）
A. 电路交换要求在通信的双方之间建立起一条实际的物理通路，但通信过程中，这条通路可以与别的通信方共享
B. 电路交换可以满足实时或交互式的通信要求，因此现有的公用数据网都采用电路交换技术
C. 电路交换在传输过程中使用固定大小的数据单元，而分组交换和报文交换则使用可变大小的数据单元
D. 分组交换将一个大报文分割成分组，并以分组为单位进行存储转发，在接收端再将各分组重新装成一个完整的报文20. 答案：D。
电路交换是在通信双方之间建立起一条实际的物理通路，通信过程中，这条通路可以与别的通信方式共享，A 选项错误。
电路交换在建立连接后提供可靠的、实时的传输，适用于对传输延迟要求较高的应用。而分组交换和报文交换适用于非实时传输，如互联网上的数据传输。但是现有的公用数据网多采用分组交换技术，B 选项错误。
电路交换和分组交换都可以使用可变大小的数据单元，而报文交换使用固定大小的数据单元，C 选项错误。
分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组（packet）。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。因此 D 选项正确。21. 下列关于虚电路的说法，正确的是（ ）。
A. 虚电路建立连接和发送数据都不进行路由选择。虚电路适用于短距离传输，如在局域网中进行数据传输
B. 因为虚电路建立了预先分配的线路，因此虚电路采用的是电路交换技术
C. 在通信的两个站点之间可以建立多条虚电路。虚电路提供面向连接的服务，数据传输过程中保持连接状态
D. 虚电路在通信前需要建立专用的通信路径，在虚电路上传送的同一个会话的数据分组可以走不同的路径21. 答案：C。
虚电路只在建立时需要进行路由选择，并且一旦建立连接，就固定了虚电路所对应的物理路径。虚电路可以适用于长距离传输和短距离传输，与传输距离没有直接关联。A 错误。
电路交换是真正的物理线路交换，如电话线路；虚电路交换是多路复用技术，虚电路属于分组交换的一种，它和电路交换有着本质的差别，每条物理线路可以进行多条逻辑上的连接，B 错误。
虚电路之所以是 “虚” 的，是因为这条电路不是专用的，每个结点到其他结点之间可能同时有若干虚电路通过，它也可能同时与多个结点建立虚电路。虚电路提供面向连接的服务，通信双方在建立连接后保持连接状态进行数据传输。C 正确。
虚电路在通信开始前需要建立一条专用的通信路径，类似于电路交换。一个特定会话的虚电路是事先建立好的，因此它的数据分组所走的路径也是固定的，D 错误。22. 以下有关数据报的说法，正确的是（ ）。
Ⅰ. 网络结点要为每个分组做出路由选择，同一报文的不同分组可能经过不同的传输路径
Ⅱ. 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址
Ⅲ. 数据报传输不保证可靠性
Ⅳ. 某个结点若因故障而丢失分组，其他分组仍可正常传输
A. Ⅰ，Ⅱ
B. Ⅱ，Ⅲ
C. Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ
D. Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ22. 答案：C。
数据报服务中，网络为每个分组独立地选择路由，传输不保证可靠性，同一报文的不同分组可能经过不同的传输路径。Ⅰ 正确。
数据报发送的分组中要包括发送端和接收端的完整地址，以便可以独立传输。Ⅱ 正确。
数据报网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，所以可能丢失，为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因而分组不一定按序到达目的结点。Ⅲ 正确。
数据报服务当某个交换结点或一条链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强。Ⅳ 正确。23. 有关虚电路服务和数据报服务的特性，正确的是（ ）。
A. 虚电路服务和数据报服务都是无连接的服务
B. 数据报服务中，分组在网络中沿同一条路径传输，并且按发出顺序到达
C. 虚电路在建立连接后，分组中只需携带虚电路标识
D. 虚电路中的分组到达顺序可能与发出顺序不同23. 答案：C。
虚电路服务在分组发送之前，要求在发送方和接收方建立一条逻辑上的相连，数据报发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。A 选项错误。
数据报服务中，网络为每个分组独立地选择路由，传输不保证可靠性，也不保证分组的按序到达。B 选项错误。
虚电路建立后，传送路径就决定了，它只需要跟着路径就可以传送到目的地址，但是它要携带虚电路号，以区别本系统中的其他虚电路。C 选项正确。
属于同一条虚电路的分组，根据该分组的相同虚电路标识，按照同一路由转发，保证分组的有序到达。D 选项错误。20.3 传输媒体精选习题与解析
20.3.1 精选习题
1.下列关于双绞线和同轴电缆的说法，错误的是（ ）。
A. 双绞线分为屏蔽和非屏蔽两种，100BASE-T 中的 T 代表双绞线
B. 双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起组成，这样可以降低成本信号干扰的程度。模拟传输和数字传输都可使用双绞线
C. 同轴电缆具有更高的传输带宽，而双绞线具有更好的抗干扰能力
D. 同轴电缆适用于长距离传输，而双绞线适用于短距离传输1.答案：B。
双绞线是把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来构成的。双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线，一般屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线好，价格也比非屏蔽双绞线高。100BASE-T 是在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星形拓扑以太网。100 表示理论最大的传输速率，BASE 是 baseband 的缩写，表示使用基带传输，T 表示 twisted pair cable，表明传输的介质是双绞线。A 选项正确。
绞合的目的是减少两根导线的相互电磁干扰。模拟传输和数字传输都可使用双绞线，其通信距离一般为几千米到数十千米。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。B 选项错误，答案选择 B 选项。
同轴电缆：同轴电缆由中心导体、绝缘层、金属屏蔽层和外层绝缘层组成。它适用于较长距离的传输，并具有较高的传输带宽。同轴电缆常用于有线电视和以太网等应用场景。
双绞线：双绞线由两根绝缘的导线组成，它们以一定的方式绞合在一起。双绞线具有较好的抗干扰能力，能够减少电磁干扰和射频干扰对信号的影响。双绞线适用于较短距离的传输，常用于电话线和局域网等应用场景。
因此，C 和 D 选项正确。2.下列关于光纤的说法，错误的是（ ）。
A. 在常用的传输介质中，光纤的带宽最宽，信号传输衰减最小
B. 光纤不受电磁干扰或噪声影响
C. 光纤系统的实际速率主要受限于光电转换的速率
D. 双绞线、光纤、同轴电缆、无线电中，光纤的误码率最高2.答案：D。
光纤具有传输损耗小、中继距离长、抗雷电和电磁干扰性能好、通信容量大、无串音干扰、体积小、重量轻等优点。A 选项正确。
光纤抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好。B 选项正确。
光的频率非常高，达 108 MHz，其传输带宽非常大，实际速率主要受限于光电转换的速率。C 选项正确。
光纤采用光通信，特点是带宽大，误码率小。D 选项错误，答案选择 D 选项。3.下列关于卫星通信的说法，错误的是（ ）。
A. 卫星通信的通信距离大，覆盖的范围广
B. 使用卫星通信易于实现广播通信和多址通信
C. 卫星通信不受气候的影响，误码率很低
D. 通信费用高，时延较大是卫星通信的不足之处3. 答案：C。
卫星通信是微波通信的一种特殊形式，通过将地球同步卫星作为中继器来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制。卫星通信的优点是通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、通信容量大、不受地理条件的制约、易于实现多址和移动通信，其缺点是费用较高、传输延迟大、对环境气候较为敏感。C 选项错误，因此答案选择 C 选项。4.同轴电缆比双绞线的传输速度更快，得益于（ ）。
A. 同轴电缆的铜芯比双绞线粗，能通过更大的电流
B. 同轴电缆的阻抗比较标准，减少了信号的衰减
C. 同轴电缆具有更高的屏蔽性，同时有更好的抗噪声性
D. 以上都对4. 答案：C。
同轴电缆以硬铜线为芯，外面包上一层绝缘的材料，绝缘材料的外面包裹上一层密织的网状导体，导体的外面又覆盖上一层保护性的塑料外壳。同轴电缆的这种结构使其具有更高的屏蔽性，从而既有很高的带宽，又有很好的抗噪特性。所以，同轴电缆的传输速度更快得益于它的高屏蔽性。C 选项正确。5.下列关于单模光纤与多模光纤间的比较，正确的是（ ）。
A. 单模光纤可以传输多个光信号，而多模光纤只能传输一个光信号
B. 单模光纤的核心直径较大，多模光纤的核心直径较小
C. 单模光纤适用于长距离传输，而多模光纤适用于短距离传输
D. 单模光纤具有较低的带宽，而多模光纤具有较高的带宽5. 答案：C。
单模光纤和多模光纤是常见的光纤传输介质，它们在传输特性和用途上有一些区别。
（1）单模光纤：单模光纤的核心直径很小，只允许一条光线沿着光轴传输。它的传输距离较长，损耗较小，适用于需要传输大量数据的长距离应用场景，如广域网（WAN）和光纤通信等。
（2）多模光纤：多模光纤的核心直径相对较大，允许多条光线以不同的角度沿着光轴传输。它的传输距离较短，适用于短距离传输需求，如局域网（LAN）、数据中心和视频传输等。
单模光纤可以传输一个光信号，而多模光纤能传输多个光信号。A 选项错误。
单模光纤只需要传输一个光信号，核心直径较小，多模光纤需要传输多个光信号，核心直径较大。B 选项错误。
光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤。C 选项正确。
单模光纤具有较高的带宽，而多模光纤具有较低的带宽。D 选项错误。6.描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义，该描述属于（ ）。
A. 机械特性
B. 电气特性
C. 功能特性
D. 规程特性6. 答案：C。
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
功能特性：指明某条线路上出现的某一电平表示的意义，以及接口部件的信号线的用途。此题考查高电平的含义，是功能特性的范畴，故选择 C 选项。
过程特性：或称规程特性。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。20.4 物理层设备精选习题与解析
20.4.1 精选习题
1.下列关于中继器和集线器的说法，不正确的是（ ）。
A. 二者都工作在 OSI 参考模型的物理层
B. 二者都可以对信号进行放大和整形
C. 通过中继器或集线器互联的网段数量不受限制
D. 二者都不能连接两个速率不同的网段1.答案：C。
中继器是用来扩大网络规模的最简单廉价的互联设备，集线器本质上是一个多端口中继器，中继器和集线器均工作在物理层，A 选项正确。
中继器的主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，中继器和集线器都能对信号进行放大和整形。B 选项正确。
因为中继器不仅传送有用信号，也传送噪声和冲突信号，所示互相串联的个数只能在规定的范围内进行，否则网络将不可用。注意 “5 - 4 - 3 规则”。C 选项错误，答案选择 C 选项。
如果某网络设备没有存储转发功能，那么认为它不能连接两个不同的协议。中继器和集线器没有存储转发功能，因此它不能连接两个速率不同的网段，它们两端的网段一定要使用同一个协议。D 选项正确。2.假设有 X 台计算机连接到一个 Y Mb/s 的集线器上，其中有几台计算机需要传输大量数据，其他计算机只需要传输少量数据。为了确保每台计算机分得的带宽基本相同，可以采用（ ）方法。
A. 为每台计算机分配固定的带宽
B. 采用令牌桶算法对每台计算机的带宽进行限制
C. 将这些计算机连接到不同的集线器上
D. 增大集线器的带宽2.答案：B。
为了确保每台计算机分得的带宽基本相同，可以采用限制算法对每台计算机的带宽进行限制。其中，令牌桶算法是一种常用的带宽限制算法。在令牌桶算法中，集线器为每台计算机分配一个令牌桶，每个令牌桶都有一个固定的容量和一个固定的速率。当计算机需要传输数据时，必须从令牌桶中获取令牌，每个令牌代表着一定量的带宽。如果令牌桶中没有足够的令牌，则该计算机无法进行数据传输，直到令牌桶中有足够的令牌为止。
固定分配带宽并不能满足各台计算机不同的带宽需求，选项 A 错误。
通过令牌桶算法，可以限制每台计算机的带宽，以确保每台计算机分得的带宽基本相同。选项 B 正确。
将这些计算机连接到不同的集线器上会增加集线器数量，增加了成本和复杂度。选项 C 错误。
增大集线器的带宽只是增加了总带宽，而并不能解决各台计算机分配带宽不均的问题。选项 D 错误。3.以下哪个选项最能描述集线器的特性？（ ）
A. 集线器可以过滤网络流量，只将需要的数据包转发出去
B. 集线器可以隔离冲突域和广播域，从而提高网络的吞吐率
C. 集线器可以连接不同类型的网络，例如将局域网和广域网连接起来
D. 集线器不能分割冲突域，所有连接的工作站都属于同一个冲突域3.答案：D。
集线器不能过滤网络流量，它只是一个简单的物理层设备，只能将信号整形放大再转发出去，无法对数据包进行处理和过滤，也无法识别不同类型的数据包。因此，所有连接到集线器上的设备都会收到所有发送到网络上的数据包，不管它们是否需要这些数据包。A 选项错误。
集线器不能隔离冲突域和广播域，因为所有连接到集线器上的设备都属于同一个冲突域和广播域。这意味着如果一个设备向网络发送数据包，其他设备也会收到这个数据包，可能会导致碰撞和数据包丢失。B 选项错误。
集线器不能连接不同类型的网络，因为它只是一个物理层设备，不能理解和转换不同类型的数据包。例如，如果一个集线器连接在一个局域网和一个广域网之间，它只能将数据包从一个网络传递到另一个网络，但不能实现不同网络之间的协议转换和处理。C 选项错误。
集线器不能分割冲突域，所有连接到集线器上的设备都属于同一个冲突域。这意味着如果多个设备同时发送数据包，这些数据包将会发生碰撞，导致网络性能下降。此外，集线器也无法识别数据包，因此无法实现分割广播域。D 选项正确。4.为了使模拟信号传输得更远，可以采用的设备是（ ）；为了使数字信号传输得更远，可采用的设备是（ ）。
A. 中继器
B. 放大器
C. 交换机
D. 路由器4.答案：B，A。
使模拟信号传播得更远，就需要对其进行放大，而放大信号是物理设备应执行的功能，所以交换机（数据链路层）和路由器（网络层）可以排除，C，D 选项错误。
中继器和放大器都可以放大信号，但是两者的区别在于中继器放大数字信号，放大器放大模拟信号。因此答案选择 B，A。5.关于数字信号、模拟信号、数字传输和模拟传输的描述，正确的是（ ）。
A. 数字信号是连续的信号，模拟信号是离散的信号。模拟传输采用调制技术将数字信号转换为模拟信号进行传输，数字传输采用解调技术将模拟信号转换为数字信号进行传输
B. 模拟传输适用于短距离传输和低速数据传输。由于模拟信号的传输质量相对较低，适用于音频和传感器数据等需要连续变化的信号传输领域
C. 数字信号具有抗干扰能力强、传输质量稳定的特点，适用于近距离传输
D. 数字传输适用于高速数据传输。由于数字信号的传输质量较高，可以有效地传输大量数据，适用于网络视频通信、互联网和数字化系统等领域5.答案：D。
解析：在计算机网络中，数字信号和模拟信号是常见的信号类型，数字传输和模拟传输是相应的传输方式。
数字信号：数字信号是离散的信号，它表示信号的数值以离散的形式表达，通常使用二进制表示。数字信号具有抗干扰能力强、传输质量稳定等特点。
模拟信号：模拟信号是连续的信号，它表示信号的数值以连续的形式表达，可以采用各种数学函数进行表示。
数字传输：数字传输将模拟信号转换为数字信号进行传输。在数字传输中，数字信号经过调制技术转换为模拟信号，在传输过程中能够克服干扰和衰减，保持较高的传输质量。接收端使用解调技术将模拟信号还原为数字信号。
模拟传输：模拟传输将数字信号转换为模拟信号进行传输。在模拟传输中，数字信号经过调制技术转换为模拟信号，传输过程中容易受到干扰和衰减的影响，传输质量相对较低。接收端使用解调技术将模拟信号转换为数字信号。
数字信号是离散的信号，模拟信号是连续的信号。模拟传输采用调制技术将数字信号转换为模拟信号进行传输，数字传输采用解调技术将模拟信号转换为数字信号进行传输。A 选项错误。
模拟传输适用于短距离传输和低速数据传输。由于模拟信号的传输质量相对较低，适用于音频、视频和传感器数据等需要连续变化的信号传输领域。B 选项错误。
数字信号具有抗干扰能力强、传输质量稳定的特点，适用于远距离传输。C 选项错误。
数字传输适用于高速数据传输。由于数字信号的传输质量较高，可以有效地传输大量数据，适用于网络通信、互联网和数字化系统等领域。D 选项正确。6.使用中继器连接 LAN 的电缆段是有限制的，任何两个数据终端设备允许的传输通路中可使用的中继器个数最多是（ ）。
A. 1 个
B. 3 个
C. 4 个
D. 5 个6.答案：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 10 - 5 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。7.在一个小型办公楼中，多台计算机通过物理层设备进行网络连接。请回答下面的问题。
（1）办公楼内部的电缆布线较长，存在信号衰减的问题。为了解决这个问题，网络管理员安装了中继器，请解释中继器的作用，并说明其工作原理。
（2）与中继器相比，集线器（hub）有什么不同之处？
（3）如果在该办公楼中只使用集线器，当多台计算机同时发送数据时会引发哪些问题？请说明并提出解决方案。7.答案如下。
（1）中继器的作用是扩展网络的传输距离并增强信号强度。它通过接收来自发送设备的信号，对信号进行整形放大和重新发送，以确保信号能够在长距离传输过程中保持强度稳定。
（2）集线器是多端口设备，它将收到的信号广播给所有连接在其上的设备。而中继器只有两个端口。集线器本质上是多端口的中继器。
（3）由于集线器是共享带宽的设备，同时发送的数据包会产生冲突，导致数据传输错误和网络性能下降。解决方案：使用交换机（switch）替代集线器。交换机是一种智能化的网络设备，它可以分析数据包的目标地址，并将数据包只发送到目标设备，从而避免了广播和冲突问题。交换机提供了更高的性能和更可靠的数据传输。8.两个主机 A 和 B 通过存储转发方式进行数据交换，A 和 B 之间连有一个交换机，链路传输速率为 8 Mb/s。假设数据传输不受拆装时间和传播延迟的影响。
（1）主机 A 需要向主机 B 传输一个大小为 146 000 B 的文件。采用分组交换方式，每个分组大小为 1500 字节（包括分组头和有效载荷），其中分组头大小为 40 字节。请计算从主机 A 发送开始到主机 B 接收完毕所需的最少时间。
（2）如果主机 A 采用报文交换方式向主机 B 发送相同大小的文件。计算从主机 A 发送开始到主机 B 接收完毕所需的最少时间。8.答案如下。
（1）计算文件需要被划分成多少个分组。分组大小（包括分组头和有效载荷）：1500 字节 = 1500 B；分组头大小：40 字节 = 40 B；每个分组的有效载荷大小为：1500 字节 - 40 字节 = 1460 字节 = 1460 B。
分组数 = 文件大小 / 每个分组的有效载荷大小 = 146 000 B/1460 B = 100。
每个分组的传输时间：传输时间 = 分组大小 / 链路传输速率 = (1500 B×8 bits)/(8 Mb/s) = 1500 μs。
由于存在一个交换机，第一个分组到达 B 传输时间 = (1500μs×2) = 3000 μs。
总传输时间 = (第一个分组到达 B 时间 + 其他分组传输时间)= 3000 μs + (100 - 1)×1500μs = 151 500 μs = 151.5 ms。
（2）在报文交换方式下，整个报文作为一个单位进行传输。
一条链路传输时间 = 文件大小 / 链路传输速率 = 146 000 B/(8 Mb/s) = 146 000 μs = 146 ms；
总传输时间 = (链路数 × 一条链路传输时间)= 146 ms×2 = 292 ms。9.N 名用户共享一条 2 Mb/s 线路，假定每个用户传输时以连续的 1 Mb/s 传输，但每个用户在使用线路的过程中传输的时间占总时间的 20%。
回答下列问题。
（1）如果使用电路交换，N 最大为多少？
（2）如果使用分组交换，N = 3，是否会产生排队延时？为什么？
（3）根据上述问题，分别说明电路交换和分组交换的优缺点。9.答案如下。
（1）N 最大为 2。因为电路交换具有独占性，最多只能支持 2 个用户同时使用线路。
（2）会。但 3 个用户同时开始传输时，总传输速率为 3 Mb/s，大于线路的带宽，所以会产生排队时延。
（3）电路交换的优点如下。1.确保了传输的实时性和连续性，适用于实时音视频通信等对时延要求较高的应用。
2.固定的带宽分配，可以提供稳定的传输质量。
电路交换的缺点如下。1.带宽资源的浪费，因为在整个通话期间，即使用户不传输数据，带宽仍然被保留给该用户。
2.当用户数量增加时，难以动态分配和管理带宽资源。
3.对于不连续的数据传输，可能会出现带宽浪费的情况。
分组交换的优点如下。1.带宽资源的灵活利用，按需分配带宽，多个用户可以共享线路的带宽。
2.更好地适应不连续数据传输，如 Web 浏览、文件下载等非实时应用。
3.能够处理不同数据优先级，实现流量控制和拥塞控制。
分组交换的缺点如下。1.可能引入排队时延和分组丢失，特别是在网络拥塞时。
2.对时延和延迟敏感的应用可能受到影响，如实时音视频通信。
3.需要更复杂的路由和转发机制，增加了网络的复杂性和管理难度。
