计算机网络A第二章习题答案2-01物理层要解决哪些问题物理层的主要特点是什么答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?答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。答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。外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传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。答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?答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*答从概念上讲限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个:①信道能够通过的频率范围:具体的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不能通过信道。信号中的高频分量在传输时会受到衰减使得高频和低频分量难以区分每个码元之间的界限也变得模糊这就叫码间串扰。奈氏准则说:在带宽为W(Hz)的低通信道中若不考虑噪声影响则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。超过这个上限就会出现严重的码间串扰使得信息无法被识别。②信噪比:噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。但噪声的影响是相对的如果信号相对较强那么噪声的影响就相对较小。因此信噪比很重要——信号的平均功率和噪声的平均功率之比常记为S/N但是一般用分贝作为度量单位(dB)信噪比 d B 10 l g S N 信噪比dB10lg\frac{S}{N}信噪比dB10lgNS​在1948年信息论的创始人香农推倒出了著名的香农公式。香农公式指出:信道的极限信息传输速率C是:C W log ⁡ 2 ( 1 S / N ) ( b i t / s ) CW \log _2(1S / N) \quad(\mathrm{bit} / \mathrm{s})CWlog2​(1S/N)(bit/s)香农公式表名信道的带宽或信道中的信噪比越大信息的极限速率就越高。这个公式的意义在于只要信息的传输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。但香农并没给出具体的方法。“比特/秒”与“码元/秒”:根据编码的不同一个码元可以对应多个比特位一个比特位也可以对应多个码元。当然也可以一个码元对应一个比特位在这种情况下他们在数值上才相等。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)答16个不同等级的振幅需要4个比特位(2 4 2^424)来进行表示因此:$ 4×20000 80000$ bit/s2-08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?解1用比值表示:C W log ⁡ 2 ( 1 S / N ) ( b i t / s ) 3000 H z × log ⁡ 2 ( 1 S N ) 64 × 10 3 b i t / s CW \log _2(1S / N) \quad(\mathrm{bit} / \mathrm{s})3000Hz×\log_2(1\frac{S}{N})64×10^3 bit/sCWlog2​(1S/N)(bit/s)3000Hz×log2​(1NS​)64×103bit/s​ S/N 2 64 / 3 − 1 2^{64/3}-1264/3−1;2)用分贝表示:10 lg ⁡ S N 10 lg ⁡ 2 64 / 3 − 1 10\lg^{\frac{S}{N}}10\lg{2^{64/3-1}}10lgNS​10lg264/3−1dB3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%解根据香农公式:35 ( k b i t / s ) 3100 × log ⁡ 2 ( S / N 1 ) 35(kbit/s) 3100×\log_2^{(S/N1)}35(kbit/s)3100×log2(S/N1)​,求得S/N 2503.5​35 × ( 1 0.6 ) × 10 3 3100 × l o g 2 ( S / N 1 ) 35×(10.6)×10^3 3100×log_2{(S/N1)}35×(10.6)×1033100×log2​(S/N1),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:3100 × l o g 2 ( 10 274131.9 1 ) 35 × ( 1 0.6 ) 1.184 \frac{3100×log_2(10^{274131.9}1)}{35×(10.6)} 1.18435×(10.6)3100×log2​(10274131.91)​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答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。类别带宽线缆特点典型应用316 MHz2 对 4 芯双绞线模拟电话传统以太网10 Mbit/s5100 MHz与 3 类相比增加了绞合度传输速率 100 Mbit/s距离 100 m5E (超 5 类)125 MHz与 5 类相比衰减更小传输速率 1 Gbit/s距离 100 m6250 MHz改善了串扰等性能可使用屏蔽双绞线传输速率 10 Gbit/s距离 35 ~ 55 m6A500 MHz改善了串扰等性能可使用屏蔽双绞线传输速率 10 Gbit/s距离 100 m7600 MHz必须使用屏蔽双绞线传输速率超过 10 Gbit/s距离 100 m82000 MHz必须使用屏蔽双绞线传输速率 25 Gbit/s 或 40 Gbit/s距离 30 m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 8 10^8108MHz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?解工作距离:L 20 d B 0.7 d B / k m 28.6 k m L \frac{20dB} {0.7dB/km} 28.6 kmL0.7dB/km20dB​28.6km衰减降低到:20 d B 100 k m 0.2 d B / k m \frac{20dB}{100km} 0.2 dB/km100km20dB​0.2dB/km2-12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 × 10 8 2 ×10^82×108m/s答频率 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 × 10 8 ( m / s ) / 1200 × 10 − 9 m − 2 × 10 8 ( m / s ) / 1400 × 10 − 9 m 2.381 × 10 13 H z 23.81 T H z 2 × 10^8 (m/s)/ 1200× 10^{-9}m - 2× 10^8 (m/s) / 1400 × 10^{-9}m 2.381 × 10^{13} Hz 23.81 THz2×108(m/s)/1200×10−9m−2×108(m/s)/1400×10−9m2.381×1013Hz23.81THz​ 1400~1600nm之间的广播的频带宽度:2 × 10 8 m / s 1400 × 10 ( − 9 ) m − 2 × 10 8 m / s 1400 × 10 ( − 9 ) m 1.786 × 10 13 H z 17.86 T H z \frac{2 × 10^8 m/s}{1400×10^{(-9)}m} - \frac{2 ×10^8 m/s}{1400 ×10^{(-9)}m} 1.786 × 10^{13} Hz 17.86 THz1400×10(−9)m2×108m/s​−1400×10(−9)m2×108m/s​1.786×1013Hz17.86THz2-13为什么要使用信道复用技术常用的信道复用技术有哪些?答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。答FDMFDMATDMTDMASTDMWDMDWDMCDMASONETSDHSTM-1OC-48。1FDMFrequency DivisionMultiplexing:频分复用用户可以在相同的时间占用不同的带宽资源。2FDMAFrequency Division MutipleAccess: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。3TDMTime 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。4TDMA(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。5STDMStatistic 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。6WDMWavelength DivisionMultiplexing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。7DWDMDense Wavelength DivisionMultiplexing: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。8CDMACode Division MultipleAccess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。9SONETSynchronous OpticalNetwork: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。10SDHSynchronous DigitalHierarchy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**。**11STM-1是SDH的一种基本传输模块传输速率为155.52Mbps。12OC-48是SONET的一种速率标准对应的数值是——2.5Gbit/s2-15码分多址DMA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答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①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 11 1 -1C:-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1设码片序列为S答对于AA*S 1 -1 3 1 -1 3 1 1/8 1,因此A发送的是1对于BB*S 1 -1 -3 -1 -1 -3 1 -1/8 -1,因此B发送的是0对于CC*S 1 1 3 1 -1 -3 -1 -1/8 0,因此C没有发送数据对于DD*S 1 1 3 -1 1 3 1 -1/8 1,因此D发送的是1类似的题目已知四个码片P (1 1 1 1) Q (1 -1 1 -1) S (1 1 -1 -1) T (1 -1 -1 1)现收到序列R (1 1 -1 3)求哪个站发送了发的 0 还是 1提示内积 ÷ 4答$$P・R 4 ÷4 1 → 发1\Q・R -4 ÷4 -1 → 发0\S·R 0 →未发送\T・R 4 ÷4 1 → 发1\即P 发 1、Q 发 0、T 发 1、S 静默。$$另四站码片A (1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1) B (1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1) C (1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1) D (1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1)接收信息R (1 -1 1 3 1 -1 1 3 1 -1 1 3 1 -1 1 3)求哪个站发送了发的 0 还是 1提示内积 ÷ 16答案 A ・ R 16 ÷ 16 1 → 发 ∗ ∗ 1 ∗ ∗ B ⋅ R 0 → ∗ ∗ 未发送 ∗ ∗ C ・ R − 16 ÷ 16 − 1 → 发 ∗ ∗ 0 ∗ ∗ D ・ R 16 ÷ 16 1 → 发 ∗ ∗ 1 ∗ ∗ 即 ∗ ∗ A 发 1 、 D 发 1 、 C 发 0 、 B 静默 ∗ ∗ 。 答案 A・R 16 ÷16 1 → 发 **1**\\ B·R 0 → **未发送**\\ C・R -16 ÷16 -1 → 发 **0**\\ D・R 16 ÷16 1 → 发 **1**\\ 即 **A 发 1、D 发 1、C 发 0、B 静默**。答案A・R16÷161→发∗∗1∗∗B⋅R0→∗∗未发送∗∗C・R−16÷16−1→发∗∗0∗∗D・R16÷161→发∗∗1∗∗即∗∗A发1、D发1、C发0、B静默∗∗。2-17试比较ADSL**FC以及FTTx接入技术的优缺点**答非对称数字用户线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答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****答无源光网络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。