Preface

 计算机网络是考研408基础综合中的一门课程，它的重要性不言而喻。然而，计算机网络的知识体系庞大且复杂，各类概念、协议和技术相互关联，让人在学习时容易迷失方向。在进行复习时，面对庞杂的的知识点，很多人会感到困惑和焦虑。本文整理了计算机网络这门课程的相关知识点，帮助大家构建清晰的知识框架，同时也是对自己学习成果的总结与复盘。本文参考了王道计算机教育——计算机网络考研复习指导这本书和对应的视频，总结过程中难免会出现错误，殷切希望各位读者批评指正。

第2章 物理层

概述：物理层的主要功能是在物理媒体上为数据段设备透明的传输原始比特流，其传输单位是比特。

1.通信基础基本概念（分别解释数据、信源、信宿、信号、信道、码元、速率、波特、带宽的概念）。

数据：即信息的实体（如文字、图像、音频），在计算机内部数据通常是二进制。

信源：信号的来源（即数据的发送方）。

信宿：信号的“归宿”（即数据的接收方）。

信号：数据的载体，是数据在传输过程中的存在形式。依据信号值的不同，信号可以分为数字信号和模拟信号，数字信号的信号值是离散的，模拟信号的信号值是连续的。

信道：信号的通道，是信号的传输介质。一条物理线路通常包含两条信道，即发送信道和接收信道。

码元：是指用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字，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，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。注意：如果一个“周期”内可能出现k种信号，则1码元=log2k bit。

速率：也称为数据率，指的是数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。码元传输速率又称为波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是码元/秒或波特（Baud）。信息传输速率又称为信息速率或比特率，表示大内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。

带宽：表示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”，单位是b/s。

2.什么是奈奎斯特定理与香农定理？

奈奎斯特定理又称为奈氏准则，它规定：在理想低通信道（没有噪声、带宽有限）中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽。若用V表示每个码元离散电平数目（指有多少种不同的码元），则极限数据率为：

极限比特率 = 2Wlog2V b/s

对于奈氏准则，可以得出以下结论：

①在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确识别码元。

②信道的频带越宽，信道传输码元的能力越强。

③奈氏准则未对一个码元可以携带多少比特给出限制。

香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为：

极限比特率 = Wlog2(1+S/N) b/s

式中，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。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=10log10(S/N)（单位为dB），例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，当S/N=30时，信噪比为30dB。

对于香农定理，可以得出以下结论：

①信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

②对于一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。

③只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输。

④香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

3.什么是编码与调制？

数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为数字信号的过程称为编码，把数据变换为模拟信号的过程称为调制。

4.常用的编码方法有哪些？各编码的特点是什么？

常用的编码方法包括：非归零编码（NRZ）、归零编码（RZ）、反向非归零编码（NRZI）、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。如下图所示：

各编码的特点总结如下：

①归零编码：在归零编码中，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（也就是归零），接收方根据该跳变调整本方向的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。

②非归零编码：非归零编码与归零编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据，但非归零编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。

③反向非归零编码：反向非归零编码与非归零编码的区别是用信号的翻转表示0，信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，技能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。

④曼彻斯特编码：曼彻斯特编码将一个码元分成两个相等的间隔，当前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元为1，码元0的表示方法则正好相反。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。PS：以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。

⑤差分曼彻斯特编码：差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则情况相反。该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。

为了更清晰的呈现各编码的特点，使用下表进行总结：

各种常见编码的特点

	非归零编码	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	无	有	若增加冗余位就可实现	有	有
是否浪费带宽	否	是	是	是	是
抗干扰能力	弱	弱	弱	强	强

5.常用的调制方法有哪些？

基本的数字调制方法有如下几种：

①调幅（AM）：又称为幅移键控（ASK），通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。

②调频（FM）：又称为频移键控（FSK），通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。

③调相（PM）：又称为相移键控（PSK），通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波信号的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。

④正交振幅调制（QAM）：在频率相同的前提下，将AM（ASK）与PM（PSK）结合起来，形成叠加信号。若有m种振幅、n种相位，则1码元=log2mn bit。

常用的调制方法如下图所示：

6.什么是电路交换、报文交换和分组交换？它们各自的优缺点是什么？

电路交换是指在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。

电路交换技术的优点如下：

①通信时延小。②有序传输。③没有冲突。④适用范围广。⑤实时性强。⑥控制简单。

电路交换技术的缺点如下：

①建立连接时间长。②线路独占。③灵活性差。④难以规格化。

报文交换采用存储转发的传输方式传输数据，单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。

报文交换技术的优点如下：

①无需建立连接。②动态分配线路。③提高线路可靠性。④提高线路利用率。⑤提供多目标服务。

报文交换技术的缺点如下：

①存储转发时间和缓存开销大。②报文不定长，不方便存储转发管理。③长报文容易出错，重传代价高。

分组交换也采用存储转发的方式传输数据，但是解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送的数据块的大小的上限，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，构成分组。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。

分组交换技术的优点如下：

①无建立时延。②线路利用率高。③简化了存储管理。④加速传输。⑤减少了出错概率和重发数据量。

分组交换技术的缺点如下：

①存在传输时延。②需要传输额外的信息量。③当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的时，要对分组按编号进行排序等工作，因此很麻烦。

三种报文交换技术的比较如下图所示：

要传送的数据量非常大且传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适。端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率来看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合计算机之间的突发式数据通信。

7.数据报与虚电路的特点是什么？

分组交换根据通信子网向端点系统提供服务，还可以进一步分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。这两中服务方式都由网络层提供。要注意数据报方式和虚电路方式是分组交换的两种方式。

数据报服务和虚电路服务的比较如下表所示

数据报服务和虚电路服务的比较

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不需要	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立的进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证分组的有序到达	保证分组的有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证	可靠性由网络保证
对网络故障的适应性	出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

8.传输介质

传输介质也称为传输媒体，它是数据传输系统中发送设备和接受设备之间的物理通路。传输介质分为导向传输介质和非导向传输介质。导向型传输介质中信号超固定方向传播，而非导向型传输介质中信号超四面八方传播。常用的导向性传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤。

①双绞线

双绞线主要是两根导线相互绞合而成，分为有屏蔽层的双绞线和无屏蔽层的双绞线，如下图所示。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输距离。

②同轴电缆

同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成，如下图所示。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

③光纤

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。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0.光纤主要由纤芯和包层构成，如下图所示，纤芯很细，其直径只有8值100μm，光波纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。光纤利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号，主要分为单模光纤和多模光纤，单模光纤只有一条光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，信号传输损耗小，多模光纤是多条光纤在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真。光纤的抗干扰能力能力好，信号传输损耗小，体积小重量轻。

无线通信已经广泛应用于移动电话领域，构成蜂窝式无线电话网。现在无线局域网产品的应用已非常普遍。目前常见的无线传输介质有无线电波、微波通信、红外线通信、激光通信等。这几种无线传输介质的特点总结如下图所示。

物理层考虑的是如何在连接到各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不指具体的传输媒体。网络中的硬件设备和传输介质种类繁多，通信方式也各不相同。物理层应尽可能屏蔽这些差异，让数据链路层感觉不到这些差异，是数据链路层只需考虑如何完成本层的协议和服务。

物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

①机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数和排列、固定和锁定装置等。

②电器特性：指明在接口电缆的各条线路上出现的电压范围。

③功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

④过程特性：指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序。

9.物理层设备

物理层设备有中继器和集线器，其特性总结如下：

PS：放大器和中继器都其放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整型再生。

PS：多台计算机必然会发生同时通信的情形，因此集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域。集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差。