计算机网络谢希仁第七版课后答案-第二章 物理层（1-19题）

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计算机网络第七版答案 第二章 物理层（1-19题）

2-01物理层要解决哪些问题?物理层的主要特点是什么?

答:

物理层要解决的主要问题：

(1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。

(2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。(3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路

物理层的主要特点:

(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，电气，功能和规程特性。

(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: 在数据通信的早期，对通信所使用的各种规则都称为“规程"(Procedure)，后来具有体系结构的计算机网络开始使用“协议"(Protocol)这一名词，以前的“规程"其实就是"协议”，但由于习惯，对以前制定好的规程有时仍常用用的名称——“规程”。

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1:

一个数据通信系统可划分为3大部分:源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。

源系统一般包括以下3个部分:

源点:源点设备产生要传输的数据，如正文输入到PC机，产生输出的数字比特流。

发送器:通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输，如调制解调器将PC输出的数字比特流转换成能够在用户的电话线上传输的模拟信号。

接收器:接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息，如调制解调器接收来自传输线路上的模拟信号，并将其转换成数字比特流。)
根据数据的传输过程便可以轻松给出数据通信系统的模型，并能够很好的掌握各主要组成构件的作用。

答2:

源点:源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站。
发送器:通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。

接收器:接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。

终点:终点设备从接收器获取传送过来的信息。终点又称为目的站传输系统:信号物理通道

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:

数据:是运送信息的实体。

信号:则是数据的电气的或电磁的表现。

模拟数据:运送信息的模拟信号。

模拟信号:连续变化的信号。

基带信号（即基本频带信号)——来自信源的信号。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。

带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

数字数据：取值为不连续数值的数据，即离散数据，数据的变化是离散的。

数字信号:取值为有限的几个离散值的信号。

码元(code):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。
单工通信:即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。

半双工通信:即通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。

全双工通信:即通信的双方可以同时发送和接收信息。
串行传输:使用一根数据线传输数据，一次传输1个比特，多个比特需要一个接一个依次传输。
并行传输:使用多根数据线一次传输多个比特。

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: 明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。(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表示何意。

(4)规程特性: 说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2-06数据在信道重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/每秒”和“码元/每秒”有何区别?

答:码元传输速率受奈氏准则的限制，信息传输速率受香农公式的限制。数据在信道重的传输速率受到信道带宽（频带宽度）与信噪比的限制，信号频率高容易码间串扰，信噪比低容易有错误比特。

信噪比不能任意提高，信号功率有限，噪声功率不可能任意小。

香农公式在数据通信中的意义是:只要信息传输速率低于信道的极限传信率，就可实现无差传输。

比特/每秒指信息传输速率，每秒传送的信息量，码元/每秒是码元传输速率，每秒钟传送的码元个数。一个码元不一定对应于一个比特，根据编码的不同一个码元可以对应几个比特或几个码元对应一个比特。

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,那么可以获得多高的数据率（b/s）?

答:

C=R*Log2(16) =20000b/s*4=80000b/s

2-08假定要用3KHz带宽的电话信道传送64kb/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?)

答:

代入香农公式 C=W*log2 ( 1+S/N )(b/s)
W=3KHz，

C=3KHz*log2 ( 1+S/N )=64kb/s

S/N=2^(64/3)-1=1=2.64×10^6

64kb/s的数据率下信道信噪比很高，但是这题没有说最高数据率，实际信噪比可能会低。

2-09用香农公式计算一下，假定信道带宽为为3100Hz，最大信道传输速率为35Kb/ s，那么若想使最大信道传输速率增加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再增大到十倍，问最大信息速率能否再增加20%?

答:

C= W log2(1+S/N) b/s

原来的：S/N1=2^ (C1/W) -1=2^(35000/3100）-1=2504

道传输速率增加60%：S/N2=2^ (C2/W) -1=2^(1.6*C1/W) -1=2^ (1.6*35000/3100) -1=274132
信噪比S/N：(S/N2)/(S/N1)=274132/2504≈109 信噪比应增大到约109倍。

信噪比增大十倍后的数据率：

C3=W log2 ( 1+S/N3) =W log2( 1+10*S/N2)=3100*log2(1+10*274132)=66298

C3/C2=66298/56000=1.18，如果在此基础上将信噪比S/N再增大到10倍，最大信息通率只能再增加18%，无法增加20%

2-10常用的传输媒体有哪几种?各有何特点?

答:

(1)双绞线:双绞线分屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线。由两根相互绝缘的导线组成。可以传输模拟信号,也可以传输数字信号,有效带宽达250kHz,通常距离一般为几到十几公里。导线越粗其通信距离越远。在数字传输时,若传输速率为每秒几兆比特,则传输距离可达几公里。一般用作电话线传输声音信号。

虽然双绞线容易受到外部高频电磁波的干扰,误码率高,但因为其价格便宜,且安装方便,既适于点到点连接,又可用于多点连接,故仍被广泛应用。

(2)同轴电缆:同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆,其结构是在一个包有绝缘的实心导线外,再套上一层外面也有一层绝缘的空心圆形导线。由于其高带宽(高达300~400Hz)、低误码率、性能价格比高,所以用作LAN中。

同轴电缆的最大传输距离随电缆型号和传输信号的不同而不同,由于易受低频干扰,在使用时多将信号调制在高频载波上。

(3)光导纤维:光导纤维以光纤维载体,利用光的全反向原理传播光信号。

其优点是:直径小、质量轻;传播频带宽、通信容量大;抗雷电和电磁干扰性能好;无串音干扰、保密性好、误码率低。但光电接口的价格较昂贵。光纤被广泛用于电信系统铺设主干线。

(4)无线电微波通信:无线电微波通信分为地面微波接力通信和卫星通信。

其主要优点是频率高、频带范围宽、通信信道的容量大;信号所受工业干扰较小、传播质量高、通信比较稳定;不受地理环境的影响,建设投资少、见效快。缺点是:地面微波接力通信在空间是直线传播,传输距离受到限制,一般只有50km,隐蔽性和保密性较差;卫星通信虽然通信距离远且通信费用与通信距离无关,但传播时延较大,技术较复杂,价格较贵。

2-11假定有一种双绞线的衰减是0.7dB/km(在 1 kHz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?如果要双绞线的工作距离增大到100公里，试应当使衰减降低到多少?

解:

使用这种双绞线的链路的工作距离为s=20dB/0.7dB/km=28.6km
衰减应降低到20dB/100km=0.2dB/km

2-12试计算工作在1200nm到 1400nm之间以及工作在1400nm到 1600nm之间的光波的频带宽度。假定光在光纤中的传播速率为2*10^8m/s.

解:

V=F2-F1=V/L1-V/L2
1200nm到 1400nm的带宽：

2×10^8/(1.2×10^6)−2×108/(1.4×10^6)=1.67×10^14−1.43×10^14=23.8THZ

1400nm到1600nm的带宽：

2×10^8/(1.4×10^6)−2×108/(1.6×10^6)=1.43×10^14−1.25×10^14=17.86THZ

2-13 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:

为了通过共享信道、最大限度提高信道利用率。

频分复用、时分复用、码分复用、波分复用。

2-14试写出下列英文缩写的全文，并做简单的解释。
FDM,TDM,STDM,WDM,DWDM,CDMA,SONET,SDH,STM-1 ,OC-48.

答:

FDM(frequency division multiplexing)频分复用
TDM(Time Division Multiplexing)时分复用
STDM(Statistic Time Division Multiplexing)统计时分复用:又称为异步时分复用

WDM(Wave Division Multiplexing)波分复用
DWDM(Dense Wave Division Multiplexing)密集波分复用，是波分复用的一种具体表现形式

CDMA(Code Wave Division Multiplexing)码分多址，即码分复用

SONET(Synchronous Optical Network)同步光纤网

SDH(Synchronous Digital Hierarchy)同步数字系列
STM-1(Synchronous Transfer Module)第Ⅰ级同步传递模块

OC-48(Optical Carrier)第48级光载波

2-15码分多址CDMA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:

各用户使用经过特殊挑选的相互正交的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

优点：这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

缺点：占用较大的带宽。

2-16共有4个站进行码分多址通信。4个站的码片序列为
A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1）

B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）

C：（－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S：（－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还是1?

解:

S•A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1，      A发送1
S•B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1，  B发送0
S•C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0，     C无发送
S•D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1，     D发送1

12-17试比较xDSL、HFC以及FTTx接入技术的优缺点?

答:

xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。成本低，易实现，但带宽和质量差异性大。

HFC网的最大的优点具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的450 MHz单向传输的有线电视网络改造为750 MHz双向传输的 HFC网需要相当的资金和时间。

FTTx（光纤到......）这里字母x可代表不同意思。可提供最好的带宽和质量、但现阶段线路和工程成本太大。

2-18为什么在ASDL技术中，在不到1MHz的带宽中却可以传送速率高达每秒几个兆比?

答:ADSL采用DMT调制技术,将11MHz频带划分为多个4kHz的子信号,采用不同的载波以自适应地进行数字调制,并行地传输数据,靠先进的DMT编码，频分多载波并行传输、使得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:

EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太网无源光网络），是基于以太网的PON技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。

GPON（Gigabit-Capable PON，吉比特无源光网络）是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。

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