2.物理层 (1) | duanren的blog

大纲要求核心考点通信基础信号信源、信道及信宿速率、波特及码元带宽奈奎斯特定理采样定理奈奎斯特定理香农定理编码与调制调制编码数据传输方式电路交换报文交换分组交换数据报和虚电路数据报虚电路传输介质传输介质分类物理层接口特性物理层设备中继器集线器

大纲要求

（一）通信基础

信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念

奈奎斯特定理与香农定理

编码与调制

电路交换、报文交换与分组交换

数据报与虚电路

（二）传输介质

双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

物理层接口的特性

（三）物理层设备

中继器

集线器

核心考点

（★★★）掌握奈奎斯特定理和香农定理

（★★★）掌握电路交换、报文交换与分组交换的工作方式与特点

（★★）理解中继器和集线器的功能以及实现原理

（★★）理解通信基础的基本概念

通信基础

信号

信号∶数据的电气或电磁的表现（就是将数据用另外一种形态表现出来，就好像水转换成冰，其实质还是水，仅仅是形态变了）。而数据是传送信息（如图片和文字等）的实体。

注意 1∶无论数据或信号，都既可以是模拟的，也可以是数字的。“模拟的” 就是连续变化的，如图 2-1 所示；而 “数字的” 表示取值仅允许是有限的离散值，如图 2-2 所示。

注意 2∶信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号。

基带信号是将数字信号 0 和 1 直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上去传输，称为基带传输∶

宽带信号是将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后再传送到模拟信道上去传输，称为宽带传输。总之，记住一句话∶基带对应数字信号，宽带对应模拟信号。

注意 3∶宽带传输在考研中可以等同于频带传输（都是传输模拟信号），只是宽带传输比频带传输有更多的子信道，并且这些子信道都可以同时发送信号。

信源、信道及信宿

虽然大纲删除了信源与信宿，但还是需要了解。

信源∶字面理解就是信息的源泉，也就是通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。

信道∶字面理解就是信息传送的道路，也就是信号的传输媒质，分为有线信道和无线信道，人们常说的双绞线和人造卫星传播信号分别是有线信道和无线信道的典型代表。

信宿∶字面理解就是信息的归宿地，也就是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。

故事助记∶某公司要将货物从 A 地运送到 B 地（通过铁路），B 地把货物加工为成品销售给用户。这里的 A 地就是信源，铁路就是信道，B 地就是信宿，货物就是数据，货物加工成的成品就是信息。信号、数据、信息三者的关系则是∶比如在使用万用表时，输入（电）信号得到（电压 / 电流）数据，数据通过整理就是信息。

💡

补充知识点∶数据传输方式、通信方式与通信模式（了解即可）。

数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输∶一个一个比特按照时间顺序传输（远距离传输经常采用）。并行传输∶多个比特通过多条通信信道同时传输（近距离传输经常采用）。

通信方式分为同步通信和异步通信。同步通信∶要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等，以便使接收端对收到的比特流的采样判决时间是准确的。

异步通信∶发送数据以字节为单位，对每一字节增加一个起始比特和一个终止比特，共 10bit。接收端接收到起始比特，便开始对这个数据单元的 10bit 进行处理。它的特点是发送端发送完一个字节后，可以经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。相对来说，同步通信技术较复杂，价格昂贵，但通信效率较高；而异步通信开销较大，价格低廉，使用具有一般精度的时钟来进行数据通信。

通信模式分为单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）。

单工∶只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如有线广播电视。半双工∶通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，也不能同时接收。全双工∶通信双方可以同时发送和接收信息。

速率、波特及码元

在计算机网络中，速率顾名思义是指数据的传输速率，即单位时间内传输的数据量。一般速率有两种描述形式∶波特率和比特率。

波特率∶又称为码元传输速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或者信号变化的次数，对理解某些题有好处，一定记住!），单位是波特（Baud）。1 波特表示数字通信系统每秒传输 1 个码元。码元可以用二进制表示，也可以用多进制表示。

比特率∶又称为信息传输速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，即比特数，单位为 bits。

为什么是二进制码元? 比特率和波特率之间的关系和这个进制有联系吗?

正常情况下，每比特只能表示两种信号变化（0 或 1），可看成二进制。此时每个码元只能携带 1bit 的信息（因为 21=2），所以在数量上，波特率就和比特率相等了。因此，在二进制码元的情况下，比特率在数量上和波特率是相等的。但是，一个码元仅携带一个比特，数据率很低，所以编码专家想办法让一个码元携带更多的比特，以此来提高传输速率，即通过一些手段将信号的变化次数增加，从而让一个码元携带更多的比特。

例如，增加到 16 种信号变化（可以看成十六进制），那么自然就需要 4bit（log216=4，记住这个公式！）来表示，此时一个码元携带了 4bit，传输数据率大大增加。如果可以通过某些手段达到无穷种信号变化，数据传输速率就可以无限大。香农发现了极限速率（后讲），但至今没有人想出办法达到无穷种信号变化。

注意∶以上的讨论都是在有噪声的情况下。

带宽

带宽分为模拟信号的带宽和数字信号的带宽。第 1 章就已经提到过，在过去很长一段时间里，通信的主干线路传送的是模拟信号，此时带宽的定义为∶通信线路允许通过的信号频带范围，就是允许通过的最高频率减去最低频率。例如，某通信线路允许通过的最低频率为 300Hz，最高频率为 3400Hz，则该通信线路的带宽就为 3100Hz。

但是，在计算机网络中，带宽不是以上的定义。此时的带宽是用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。因此，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”。显然，此时带宽的单位不再是 Hz，而是 bit/s，读作 “比特每秒”。

奈奎斯特定理

采样定理

讲解带宽的时候提到，在通信领域带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为 Hz。因此将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为 f，那么采样频率 f 采样必须大于或等于最大频率 f 的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息（只需记住结论，不要试图证明，切记!）。另外，采样定理又称为奈奎斯特定理。

奈奎斯特定理

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的（因为具体的信道带宽是确定的），所以信号中的大部分高频分量就过不去了，这样在传输的过程中会衰减，导致在接收端收到的信号的波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫作码间串扰。所以是不是应该去寻找在保证不出现码间串扰的条件下的码元传输速率的最大值呢？没错，这就是奈奎斯特定理的由来。奈奎斯特在采样定理和无噪声的基础上，提出了奈奎斯特定理。奈奎斯特定理的公式为

式中，f 表示理想低通信道的带宽；N 表示每个码元的离散电平的数目。

注意∶低通信道就是信号的频率只要不超过某个上限值，都可以不失真地通过信道，而频率超过该上限值则不能通过。也就是说，低通信道没有下限，只有上限。理想低通信道的最高码元传输速率是每秒两个码元。当然还有一种叫理想带通信道，只允许上、下限之间的信号频率成分不失真地通过，其他频率成分不能通过。也就是说，带通信道有上、下限。理想带通信道的最高码元传输速率是每秒一个码元。考研考查的基本都是理想低通信道，带通值道了解即可。

由以上公式可知，奈奎斯特定理仅仅是给出了在无噪声情况下码元的最大传输速率，即 2f，并没有给出最大数据传输率。那是不是可以改变 logN？没错，只要 N 足够大，即编码足够好，使得一个码元携带无穷个比特，那么最大数据传输速率 Cmax 就可以无穷大（记住!）。

【例 2-1】对一个无噪声的 4kHz 信道进行采样，可达到的最大数据传输速率是（）。D

A.4kbit/s

B.8kbit/s

C.1kbit/s

D. 无限大

解析∶D。在 4kHz 的信道上，采样频率需要 8kHz（每秒可进行 8k 次采样）。如果每次采样可以取得 16bit 的数据，那么信道就可以发送 128kbit/s 的数据。如果每个采样可以取得 1024bit 的数据，那么信道就可以发送 8Mbits 的数据。所以说只要编码编得足够好（每个码元能携带更多的比特），最高码元传输速率是可以无限大的。

另外一种直观的解释就是使用奈奎斯特公式，无噪声最大数据传输率 Cmax=f 采样 x log2N=2f x log2N（其中 f 表示带宽）=8k x log2N，而这个 N 可以无穷大。

注意∶这里的关键在于信道是无噪声的，如果是在一个有噪声的 4KHz 的信道中，根据香农定理则不允许最大数据传输率为无限大。

香农定理

介绍香农定理之前需要引入一个概念，即信噪比。要清楚噪声的影响是相对的，也就是说，信号较强，噪声的影响就相对较小（两者是同时变化的，仅考虑两者之一是没有任何意义的），所以求信号的平均功率和噪声的平均功率之比（记为 S/N，读作 “信噪比”）才有意义，即

其中，W 为信道的带宽，所以要想提高最大数据传输速率，就应设法提高传输线路的带宽或者设法提高所传信号的信噪比。从以上公式可以得出以下结论∶

要使信息的极限传输速率提高，就必须提高信道的带宽或信道中的信噪比。换句话说，只要信道的带宽或信道中的信噪比固定了，极限传输速率就固定了。

只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。

实际信道的传输速率要比极限速率低不少。

💡

可能疑问点∶在有噪声的情况下，“要想提高信息的传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他办法”（见相关教材）。不是还可以让每个码元携带更多的比特，这也是可以提高信息的传输速率的，怎么说没有其他办法了呢?

解析∶这里所要表达的意思是要提高香农公式所确定的极限传输速率只能提高带宽和信噪比，仅通过改善编码（改善编码仅仅是在极限传输速率范围内提高传输速率）是不可能超过香农公式算出的速率的。所以说要想提高信息的极限传输速率，一定要提高带宽和信噪比，此外别无他法。千万不要把奈奎斯特定理和香农定理搞混，因为它们讨论的前提条件是不一样的，前者是无噪声，后者是有噪声。

【例 2-2】电话系统的典型参数是信道带宽为 3000Hz，信噪比为 30dB，则该系统的最大数据传输率为（）。C

A.3kbit/s

B.6kbit/s

C.30kbit/s

D.64kbit/s

解析∶C。电话系统的信道是有噪声的信道，所以该题应该用香农公式来求解。SN 为信噪比，若要换算为 dB，则为 10log10（S/N），因此依题意有 10log10（S/N）=30，可解出 SN=1000

根据香农公式，最大数据传输率 = 3000log2（1+S/N）30kbit/s。

💡

总结∶奈奎斯特定理公式和香农公式的主要区别是什么？这两个公式对数据通信的意义是什么?

解析∶奈奎斯特定理公式指出了码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是 1 还是 0（因为有码元之间的相互干扰）。奈奎斯特定理公式是在理想条件下推导出来的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值还要小些。电信技术人员的任务就是要在实际条件下，寻找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。需要注意的是，奈奎斯特定理公式并没有对信息传输速率（bit/s）给出限制（也就是可以无限大）。要提高信息传输速率就必须使每个传输的码元能够代表许多个比特的信息，这就需要有很好的编码技术。

香农公式给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（以 Hz 为单位）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。这个极限是不能够突破的。要想提高信息的极限传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他办法。至少到现在为止，还没有听说有谁能够突破香农公式给出的信息传输速率的极限。

香农公式告诉人们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法∶要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能），要么使信号的信噪比为无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（当然这些也都是不可能的）。

编码与调制

模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。将模拟数据或数字数据（可统称为数据）转换为模拟信号的过程称为调制，将模拟数据或数字数据转换为数字信号的过程称为编码，如图 2-3 所示。

调制

（1）数字数据调制为模拟信号（理解）

虽然数字化已成为当今的趋势，但这并不等于说使用数字数据和数字信号就是 “先进的”，也不等于说使用模拟数据和模拟信号就是 “落后的”。数据究竟应当是数字的还是模拟的，是由所产生的数据的性质决定的。

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，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。考研中理解这两种转换即可，其他的了解即可。

故事助记∶调制解调器的调制是为了将数字数据转换成模拟信号，因为数字数据含有太多的低频成分（可以看成矮个子），而该信道不让他过去的原因有两种∶

太矮了（都是低频成分），不让他过去。

他穿的衣服不适合该场合（低频成分不能与信道的特性相适应）。

针对以上两种原因，可以想出两种办法。

针对第一种原因∶让他变高。

针对第二种原因∶换件正式的西装。这样就引入了两种调制。

带通调制（把矮个子变高）∶类似于增高垫，让矮个子变高了，这样就可以过去了，即教材所讲的将基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，由此引出了 3 种方式∶调幅、调频和调相。

基带调制（换件西装）∶给基带信号的低频成分改变波形，使之适应信道的特性（也就是说给矮个子穿上西装，改变一下外表，使之适应这个场合）；但是穿上西装仍然是矮个子，也就是说基带信号的低频成分改变波形仍然是基带信号，没有变成其他信号。

（2）模拟数据调制为模拟信号（了解，考的概率约为 0）

模拟数据调制为模拟信号主要有以下原因∶

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。

充分利用带宽。

编码

（1）数字数据编码为数字信号（理解）

数字数据编码用于基带信号传输中，可以在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号，即直接让矮个子过去，不用穿增高垫了。既然不用穿增高垫，那就必须穿西装过去，而现在西装又分很多种牌子（非归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码）。

非归零码（NRZ）∶用低电平表示 0，高电平表示 1；或者反过来。其缺点是无法判断一个码元的开始和结束，收发双方难以保持同步。

非归零码中还有一类 NRZ-I 编码，NRZ-I 电平的一次翻转来表示电平的逻辑 0，与前一个 NRZ-I 电平相同的电平表示电平的逻辑 1。

曼彻斯特编码（2013 年考查了一道选择题）∶将每个码元分成两个相等的间隔，前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。曼彻斯特编码的特点是将每个码元的中间跳变作为收发双方的同步信号，无须额外的同步信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍（很多人会产生疑问，曼彻斯特编码到底是前一个间隔为高电平而后一个间隔为低表示码元 1，还是前一个间隔为低电平而后一个间隔为高电平表示码元 1? 不同辅导书介绍不同。其实这个不用担心，这个仅仅是形式上的，考试的时候试卷肯定会说明）

差分曼彻斯特编码∶若码元为 1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；若码元为 0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。在每个码元的中间，都有一次电平的跳转。该编码技术较复杂，但抗干扰性较好。

（2）模拟数据编码为数字信号（了解）

此编码最典型的例子就是脉冲编码调制。

脉冲编码调制∶只需记住 3 个步骤，即采样（参考采样定理）、量化和编码，以及它是将模拟数据进行数字信号编码即可。

数据传输方式

数据传输方式包括电路交换、报文交换和分组交换。

电路交换、报文交换和分组交换的数据传输方式如图 2-4 所示。

电路交换

电路交换：由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因此有以下优缺点。

优点∶

通信时延小。由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。

实时性强。通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，所以实时性强。

有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。

适用范围广。电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。

控制简单。电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

避免冲突。不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。

缺点∶

建立连接时间长。电路交换建立连接的平均时间相对计算机通信来说太长。

信道利用率低。电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。

缺乏统一标准。当电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

灵活性差。只要通信双方建立的通路中的任何一个节点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接。

报文交换

报文交换∶数据交换的单位是报文，报文携带有目的地址、源地址等信息。报文交换在交换节点采用存储转发的传输方式，因而有以下优缺点。

优点∶

无需建立连接。报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可随时发送报文。

动态分配线路。当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文传送出去。

提高可靠性。如果某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输数据，所以提高了传输的可靠性。

提高线路利用率。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。

提供多目标服务。一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的。

缺点∶

由于数据进入交换节点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）。

报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络节点需要有较大的存储缓存空间。注意∶报文交换主要用在早期的电报通信网中，现在用得较少，通常被较先进的分组交换方式所取代。

分组交换

分组交换∶分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源地址、目的地址和编号信息）逐个地发送出去，因此分组交换与报文交换相比有以下优缺点。

优点∶

加速传输。因为分组是逐个传输的，所以可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的概率及等待的时间也必然少得多。

简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换节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。

减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，其出错概率必然减少，所以每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。

缺点∶

存在传输时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，而且其节点交换机必须具有更强的处理能力。

当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组现象，分组到达目的节点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽然无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放 3 个过程。

总之，若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；

当端到端的通路由很多段的链路组成时，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上看，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，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

💡

补充知识点∶报文与分组有什么区别?

故事助记∶某人要运送一个 1000kg 的物品（完整的报文，通常将要发送的完整数据称为一个报文），但是每个箱子只能装 100kg，所以必须把这个物品分成 10 份，然后分别装入 10 个箱子，而且每个箱子都要写上寄件人地址（源地址）和收件人地址（目的地址），组成首部，这样首部 + 物品就组成一个分组，等 10 个分组全部到达了目的地，把箱子扔了（去除首部，首部包含源地址和目的地址。当然还有其他，把箱子的壳当作其他东西，箱子上的那张快递单当作源地址和目的地址），然后拼成原来的物品（完整的报文）. 考生可能会产生疑问，这 10 个箱子的东西能按照原来的顺序拼接吗（因为不一定是按序到达的）? 先别急，全部奥秘都在首部，学习完网络层就全部明白了。

💡

可能疑问点∶电路交换和面向连接是等同的，而分组交换和无连接是等同的，对吗?

解析∶不对，电路交换一定是面向连接的，而分组交换则存在面向连接和无连接两种情况（参考 2.1.9 小节）。

电路交换∶就是在 A 和 B 要通信的开始，必须先建立一条从 A 到 B 的连接（中间可能经过很多的交换节点）。当 A 到 B 的连接建立后，通信就沿着这条路径进行。A 和 B 在通信期间始终占用这条信道（全程占用），即使在通信的信号暂时不在通信路径上流动时（如打电话时双方暂时停止说话），也是同样地占用信道。通信完毕时释放所占用的信道，即断开连接，将通信资源还给网络，以便让其他用户可以使用。因此，电路交换是使用面向连接的服务。

分组交换∶也可以使用面向连接服务，例如，X.25 网络、帧中继网络或 ATM 网络（这些仅是例子，这些网络不需要懂）都属于分组交换网。然而，这种面向连接的分组交换网在传送用户数据之前必须先建立连接，数据传送完毕后还必须释放连接。因此，使用面向连接服务的可以是电路交换，也可以是分组交换。

面向连接和无连接往往可以在不同的层次上来讨论。例如，在数据链路层，HDLC 是面向连接的，而 PPP 和以太网使用的 CSMACD 协议是无连接的；在网络层，X.25 协议是面向连接的，而 IP 是无连接的；在传输层，TCP 是面向连接的，而 UDP 是无连接的。但是不能说∶“TCP 是电路交换”，而应当说∶“TCP 可以向应用层提供面向连接的服务”。

总结∶电路交换与分组交换的特性比较。解析∶见表 2-1。

数据报和虚电路

2.1.8 小节讲解分组交换的缺点时提到了分组交换可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。

数据报

如图 2-5 所示，假设主机 A 给主机 B 发送一个报文，高层协议会将报文拆分成若干带有序号和完整目的地址的分组，交换机根据转发表转发分组。其原理如下∶

首先主机 A 先将分组逐个地发往与它直接相连的交换机 1，交换机 1 将主机 A 发来的分组缓存。

然后查找自己的转发表，不同时刻转发表的内容可能不相同，因此有的分组转发给交换机 2，有的分组转发给交换机 3 和交换机 4。

依次类推，直到所有分组到达主机 B。

注意∶当分组正在交换机 1 - 交换机 2、交换机 1 - 交换机 3 等链路上传送时，分组并不占用网络其他部分的资源。换句话说，当主机 A 在发送分组时，主机 B 也可同时发送分组。

由以上分析可知数据报方式具有以下特点∶

发送分组前无需建立连接。

网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，即可能丢失。每个分组都是被独立处理的，所以转发的路径可能不同，因此不一定按序到达接收方。

在具有多个分组的报文中，交换机尚未接收完第二个分组，已经收到的第一个分组就可以转发出去，不仅减小了延迟，而且大大提高了吞吐量。

当某一台交换机或一段链路故障时，可相应地更新转发表，寻找到另一条替代路径转发分组，对故障适应能力强。

发送方和接收方不独占某一链路，所以资源利用率高。

虚电路

虚电路方式要求在发送数据之前，在源主机和目的主机之间建立一条虚连接。一旦虚连接建立以后，用户发送的数据（以分组为单位）将通过该路径按顺序传送到达目的主机。当通信完成之后用户发出释放虚电路请求，由网络清除该虚连接。

以上描述是不是有一种似曾相识的感觉？

没错，虚电路方式与电路交换方式极其相似。其实虚电路方式就是将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥二者优点。由以上分析可知，虚电路方式的通信过程分为 3 个阶段∶虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。

如图 2-6 和图 2-7 所示，假设主机 A 给主机 B 发送一个报文，原理如下∶

主机 A 先发出一个特殊的 “呼叫请求” 分组，该分组通过中间交换机（图 2-6 中的小圆点）送往主机 B。如果同意连接，主机 B 就发送 “呼叫应答” 分组进行确认，虚电路就建立好了。

虚电路建立之后，主机 A 就可以向主机 B 发送分组了。由于所有分组都是走同样的路径，因此分组一定按序到达目的主机。

分组传输结束后，主机通过发送 “释放请求” 分组以拆除虚电路，整个连接就断开了。

由以上分析可知虚电路方式具有以下特点∶

用户之间通信必须建立连接，数据传输过程中不再需要寻找路径，相对数据报方式时延较小。

通常分组走同样的路径，所以分组一定是按序到达目的主机的。

分组首部并不包含目的地址，而是包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小。

当某个交换机或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该交换机或该链路的虚电路将遭到破坏

总结∶数据报服务与虚电路服务的特性比较。解析∶见表 2-2。

传输介质

传输介质分类

传输介质分为两大类∶导向性传输介质（就是用一根实实在在的线来传播，如双绞线和光纤）和非导向性传输介质（在自由空间中自由传播，如红外线、微波）。

导向性传输介质包含双绞线、同轴电缆和光纤。

双绞线∶把两根互相绝缘的铜导线绞合起来。其特点是既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号（距离太远时，对于模拟信号传输，要用放大器放大衰减了的信号；对于数字信号传输，要用中继器将失真的信号整形）。双绞线又可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。屏蔽双绞线就是在普通的双绞线外加上金属丝编织的屏蔽层，以提高抗电磁干扰的能力，如图 2-8 所示。

同轴电缆∶由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。它比双绞线的抗干扰能力强，因此传输距离更远。按照特性阻抗数值的不同，同轴电缆又可分为两类∶502 同轴电缆和 75Q 同轴电缆。其中，50Q 同轴电缆主要用于传送基带数字信号，所以又称为基带同轴电缆；75Q 同轴电缆主要用于传送宽带信号，所以又称为宽带同轴电缆，如图 2-9 所示。

光纤∶即光导纤维，根据光线传输方式不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。其主要优点是频带宽、衰减小、速率高、体积小、抗雷电和电磁干扰性好、误码率低、质量轻、保密性好等。

单模光纤∶直径只有一个光波的波长，光线在其中一直向前传播，不会发生多次反射，如图 2-10 所示。单模光纤的光源使用的是昂贵的半导体激光器，而不使用较便宜的发光二极管，因此单模光纤的衰减较小，适合远距离传输。

多模光纤∶利用光的全反射特性，如图 2-11 所示。多模光纤的光源为发光二极管。由于光脉冲在多模光纤中传输会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合近距离传输。

非导向性传输介质有短波、微波、红外线与可见光等。常见的通信方式有短波通信、微波通信、卫星通信、激光通信等。此知识点不太重要，在此就不展开讲解了，有兴趣的同学可参考相关教材。

物理层接口特性

💡

讲解此知识点之前，首先需要向考生提出几个问题∶物理层是否就是传输介质？如果不是，物理层和传输介质有什么区别?

解析∶传输介质并不是物理层。传输介质在物理层的下面。由于物理层是体系结构的第 1 层，因此有时将传输介质称为第 0 层。在传输介质中传输的是信号，但传输介质并不知道所传输的信号代表什么意思。也就是说，传输介质不知道所传输的信号什么时候是 1，什么时候是 0。而物理层由于规定了功能特性，因此能够识别所传送的比特流，如图 2-12 所示。

由以上分析可知，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据比特流，而不是指具体的传输介质。物理层应尽可能地屏蔽各种物理设备的差异，使得数据链路层只需考虑本层的协议和服务。

换句话说，物理层主要的功能其实就是确定与传输介质的接口有关的一些特性，即物理层接口的特性。对于以下 4 个特性的定义只需记住关键字即可，无须按照教材上的定义死记硬背。

机械特性∶指明接口的形状、尺寸、引线数目和排列等。其实这类似于常用的电源插座，一般常见的是 2 个孔的和 3 个孔的，1 个孔和 4 个孔的比较少见，这些就是指明的一些属性。如果生产厂家不按照这个规则来做，就无法与电器连接。

电气特性∶电压的范围，即何种信号表示电压 0 和 1。

功能特性∶接口部件的信号线（数据线、控制线、定时线等）的用途。

规程特性（2012 年真题已考）∶或称为过程特性，物理线路上对不同功能的各种可能事件的出现顺序，即时序关系。

总之，对于该知识点的理解只需知道物理层有这 4 个特性即可，无须深究。

物理层设备

中继器

物理层设备主要包含中继器和集线器，当然还有其他设备，但考研只需掌握此两种即可。

在计算机网络中，最简单的就是两台计算机通过两块网卡构成双机互连，这两台计算机的网卡之间一般是由非屏蔽双绞线来充当信号线的。由于双绞线在传输信号时信号功率会逐渐衰减，当信号衰减到一定程度时会造成信号失真，因此在保证信号质量的前提下，双绞线的最大传输距离为 100m。当两台计算机之间的距离超过 100m 时，为了实现双机互连，人们便在这两台计算机之间安装一个中继器，它的作用就是将已经衰减得不完整的信号经过整理，重新产生出完整的信号再继续传送。注意∶放大器和中继器都是起放大信号的作用，只不过放大器放大的是模拟信号，中继器放大的是数字信号。

集线器

中继器是普通集线器的前身，集线器实际就是一种多端口的中继器。集线器一般有 4、8、16、24、32 等数量的 RJ45 接口，通过这些接口，集线器便能为相应数量的计算机完成 “中继” 功能。由于它在网络中处于一种 “中心” 位置，因此集线器也叫作 Hub。

线器的工作原理很简单，假设有一个 8 个接口的集线器，共连接了 8 台计算机。集线器处于网络的 “中心”，通过集线器对信号进行转发，可以实现 8 台计算机之间的互连互通。具体通信过程分析如下∶

假如计算机 1 要将一条信息发送给计算机 8，当计算机 1 的网卡将信息通过双绞线送到集线器上时，集线器并不会直接将信息送给计算机 8，它会将信息进行 “广播”，即将信息同时发送给其他 7 个端口。当其他 7 个端口上的计算机接收到这条广播信息时，会对信息进行检查，如果发现该信息是发给自己的，则接收，否则不予理睬。由于该信息是计算机 1 发给计算机 8 的，因此最终计算机 8 会接收该信息，而其他 6 台计算机检查信息后，会因为信息不是发给自己的而不接收该信息。

💡

补充知识点∶集线器能不能将冲突域隔离开来?

解析∶介绍一下冲突域的概念。在某网络中，如果该网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突，那么这个网络就属于一个冲突域。当计算机 1 的网卡将信息通过双绞成送到集线器上时，集线器并不会直接将信息送给计算机 8，它会将信息进行 “广播”。如果有多台计算机同时通信时必会发生冲突，所以集线器不能隔离冲突域。

故事助记∶假如你在出差，有一个陌生来电，接了之后你却发现打错了，要花费不少漫游费，你生不生气? 当然很生气（冲突），所以集线器所有端口都属于一个冲突域，即集线器不能隔离冲突域。

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，并且多台机器经常需要同时通信，将导致集线器的工作效率很差，如发生信息堵塞、碰撞等。

什么会这样呢？打个比方，一个集线器连接 8 台计算机，当计算机 1 正在通过集线器发信息给计算机 8 时，如果计算机 2 想通过集线器将信息发给计算机 7，当它试图与集线器联系时，却发现集线器正在忙计算机 1 的事情，于是计算机 2 便会带着数据站在集线器的面前等待，并时时要求集线器停下计算机 1 的事情来帮自己。如果计算机 2 成功地将集线器 “抢” 过来了（由于集线器是 “共享” 的，因此很容易抢到手），此时正处于传输状态的计算机 1 的数据便会停止，于是计算机 1 也会去 “抢” 集线器。可见，集线器上每个端口的真实速度除了与集线器的带宽有关外，与同时工作的设备数量也有关。

例如，一个带宽为 10Mbit/s 的集线器上连接了 8 台计算机，当这 8 台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽是 10Mbit/s/8=1.25Mbit/s。

补充知识点∶

通过中继器或集线器连接起来的几个网段仍然是一个局域网。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议（该协议会在数据链路层详细讲解），并共享逻辑上的总线。