计算机网络3章习题及参考答案0719.docx
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计算机网络3章习题及参考答案0719
第3章物理层
1.物理层的接口有哪几个方面的特性？
各包含些什么内容？
答案：
将物理层实现的主要功能描述为DTE和DCE之间的接口特性，这就是通常所谓物理层
标准的含意。
物理层的接口接口具有以下四方面的特性：
．机械特性涉及接口的机械结构，说明接口所用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。
．电气特性规定DTE/DCE之间各条信号线的电气连接及有关电路特性，说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应处于什么范围，即什么样的电压表示1或0。
．功能特性对各接口信号线作出确切的功能定义，说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
．规程特性说明对于不同功能，各种可能事件的出现顺序。
2.将1000MB的数据从成都传送到北京，既可以将数据写到磁盘上，通过特快专递
（设需24小时）传递，也可以用计算机通过长途电话线（设信息传送的速率是9.6Kb/s）发送。
试比较这两种方法的优劣。
若信息传送速率为33.6Kb/s，其结果又如何？
答案：
用特快专递所达到信道速率：
显然，比9.6kb/s快。
当信道速率为33.6kb/s时，仍然是特快专递更快些。
3.56Kb／s的调制解调器是否已突破了香农的信道极限传输速率？
这种调制解调器
的使用条件是怎样的？
此时电话线路的信噪比至少应该是多少？
答案：
（1）56kb／s的调制解调器没有突破了仙农的信道极限传输速率。
（2）1998年ITU为56kb/sModem制定的标准称为V.90，V.90规定，数字Modem和模拟Modem能以56kb/s的下行流和33.6kb/s的上行流传输数据。
ISP经数字线路（T1，E1或ISDN线路）连到PSTN网，用户计算机A则经模拟线路连到PSTN网。
V.90的56kb/s能力的关键是一种专有的PCM解码模式。
PCM码长8比特，每秒取样8000次，速率为64kb/s。
V.90数字Modem使用上述PCM码中的一个子集来编码ISP的下行数据，即ISP的每7比特数据编码为8比特PCM码，就得到了56kb/s的下行数据流，再通过ISDN线路将下行数据传输到PSTN网。
在用户端，交换机则将PCM码转换为模拟信号，再发给模拟Modem，可见，下行比上行少了一次A/D变换。
（3）此时电话线路的信噪比计算如下：
由于现有的电话线路中音频使用的有效频谱在300～3400Hz之间，带宽只有3.1KHz左右。
56000b/s=
（以下推导中不再写b/s）
56000/W=
256000/W=
=256000/W–1=256/3.1–1
4.在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于0.85μm，1.30μm和1.55μm。
所
有这三个波段都具有25000GHz－30000GHz的带宽，因此光纤的通信容量非常大。
以一路电话占用4kHz带宽计，一根光纤（只用一个波段）可承载多少路电话信号？
答案：
（30000×109）Hz/（4kHz/电话）=7.5×109电话
5.若一个电话公司有1000万个用户，每部电话都通过铜双绞线连接到中心局，这些
双绞线的平均长度是10km。
问本地回路的铜价值是多少？
此答案具有的经济、技术意义是什么？
（假定铜双绞线的直径为lmm，铜的密度为9.0g／cm3，铜的价格是30元/kg。
）
答案：
每部电话铜双绞线的体积平均为[π（10-3/2）2×2×104]m3=（π/200）m3
1000万个用户所用铜双绞线的体积为（π/2）×105m3
1000万个用户所用铜的量为（9π/2）×105吨
本地回路的铜价值为（9π/2）×105吨×30000元/吨=1.35π×1010元
≈135π亿元≈423.9亿元
此答案的经济、技术意义在于，为保护投资，电话公司将长期坚持使用这类本地回路，从而促使科技界继续进行在铜双绞线上实现高速可靠的数据传输的研究工作。
6.因为拨号Modem要完成一系列和电话应答有关的事务，故拨号Modem比使用租
借线路的4线Modem有更复杂的电路。
但是，拨号Modem要比后者远为便宜，为什么？
答案：
因为借助大批量生产和销售，形成了规模（规模经济性），故成本低。
7.在不考虑信道误码率影响的情况下，分别计算以下两种情况的报文传送时延（发送
时间+电磁信号的传播时间）。
设数据块的长度为5000b，广域网的跨距为6000Km，链路速率为9.6Kb／s，设卫星信道的速率为5Mb／s。
答案：
广域网的报文传送时延:
卫星信道的数据传送时延：
8.一条光线由光密媒质射向光疏媒质，临界角为60度，画出以下几种情况下光线
通过这两种媒质的路径，即入射角分别为40、50、60、70、80度。
答案：
光线通过这两种媒质的路径如图3-1所示。
画图之前，需进行简要的计算：
临界角60度。
此时折射角为90度。
图3-1光线通过两种媒质的路径
9.一个信噪比为20db，3100Hz宽的信道，用于发送二进制信号，求其最大信息传输
速率。
答案：
10.E1线路的2.048Mb/s中，有多少不能被最终用户所用？
答案：
E1线路由32个等长时隙组成，用户话路占用其中30个（1～15，17～31），时隙0用于帧同步，时隙16用于传送信令，即E1的2.048Mb/s中不能被最终用户所用的为
。
11.有什么办法可以减小PCM系统的量化噪声？
答案：
PCM系统在对模拟信号取样值进行量化时，由于量化精度的限制，幅度在某一范围内的
模拟信号取样值都转换为同样的离散数值，这些离散数值滤波还原成模拟信号后，就与原模拟信号有差别，因而产生了失真，称为量化噪声。
这是模数转换的性质决定的，即总有量化误差。
可见PCM系统的量化噪声起因于量化误差，减少这种量化噪声的办法就是减小该量化误差，即增大量化级，例如从256个等级提高到1024个等级，即每个取样，编码为10比特。
12.某信道带宽为6MHz，为获得3Mb/s的信息传输速率，信噪比至少应为多大？
答案：
13.画出图3-2中数据的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码（假定信号开始前的状态为
高电平）。
图3-2数据及其曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
答案：
曼彻斯特编码将每一个码元分成两个相等的间隔，码元1的前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平，码元0则正好相反，从低电平变到高电平。
差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的变种，其编码规则是：
对码元1，其前半个码元的电平与上一个码元的后半部分的电平一样；对码元0，其前半个码元的电平与上一个码元的后半部分的电平相反。
另一种解法：
待编码的数据为：
101001101101
采用曼彻斯特编码时，每个比特信号对应一个两值方波，高为（H），低为（L），即码元0（LH），码元1（HL）。
比特流101001101101的曼彻斯特编码图案是
HLLHHLLHLHHLHLLHHLHLLHHL。
采用差分曼彻斯特编码时，每个比特信号仍然对应一个两值方波，但其编码规则有变：
对码元1，其前半个码元的电平与上一个码元的后半部分的电平一样；对码元0，其前半个码元的电平与上一个码元的后半部分的电平相反。
比特流101001101101的差分曼彻斯特编码图案是
HLHLLHLHLHHLLHLHHLLHLHHL（假定信号开始前的状态为高电平）。
14.说明虚调制解调器的工作原理。
答案：
RS-232-C／V.24标准接口只控制DTE和DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话线路（公用电话网或专线）没有直接的关系。
EIA还规定了插头应装在DTE上，插座应装在DCE。
因此当终端或计算机与调制解调器相连时就非常方便。
但是当两台计算机通过EIA-232串行接口直接相连时，就有困难。
例如，这台计算机通过引线2发送数据，但仍然传送到另一台计算机的引线2，使对方无法接收。
为了不改动计算机的串行接口线路，又能使两台计算机直接相连，可以采用虚调制解调器的方法。
所谓虚调制解调器就是一段电缆，具体的连接方法如下图所示。
这样对每台计算机来说，都好像是与一个调制解调器相连。
在这种情况下，信号线6（DCE就绪）和信号线20（DTE就绪）相连后，再与对方DTE的信号线22（振铃指示）相连，当DTE就绪信号出现时，另一方即振铃，表示有呼叫进来，此时DCE就绪信号也产生，因此，只要双方DTE就绪，就同时给双方提供DCE就绪信号。
由于信号线4（请求发送）和信号线5（允许发送）接在一起，因此只要有请求就允许发送，同时对方信号线8（载波检测）也收到信号。
这种连接可实现全双工通信。
15．请举例说明信息、数据与信号之间的关系。
答案：
数据通信中被传输的二进制代码称为数据，数据是信息的载体。
数据涉及对事物的表示形式。
信息涉及对数据所表示内容的解释。
数据通信的任务是要传输二进制代码的比特序列，而不需要解释代码所表示的内容。
例如，二进制编码按从高位到低位的顺序排列，英文单词“NETWORK”的ASCII码编码的二进制比特序列应该是“1001110100010110101001010111100111110100101001011”。
如果要从一个主机将这个比特序列准确地传送到另一个主机，并且两个主机都使用ASCII编码，那么另一个主机就可以将接收的比特序列解释为“NETWORK”。
16．请说明串行通信与并行通信的区别。
答案：
数据通信按照字节使用的信道数，可以分为串行通信和并行通信两种类型。
串行通信是指将待传送的字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送。
并行通信是指将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的信道发送。
17．请说明单工通信、半双工通信与全双工通信的区别。
答案：
数据通信按照信号的传输方向和时间的关系，可以分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种类型。
单工通信是指信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。
半双工通信方式是指信号可以双向传送，但在一个时间只能向一个方向传送。
全双工通信是指信号可以同时双向传送。
18．通过比较说明双绞线、同轴电缆与光纤等3种常用传输介质的特点。
答案：
传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。
网络中常用的传输介质有：
双绞线、同轴电缆和光缆。
（1）双绞线由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成。
各线对螺旋排列的目的是使线对之间的电磁干扰最小。
双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线两种。
双绞线的主要特点是：
连接距离比较短，抗干扰性比较好，支持点－点连接与多点连接，价格低于其他传输介质，安装与维护比较方便。
（2）同轴电缆由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层组成。
同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数与机械尺寸决定。
同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。
同轴电缆的主要特点是：
连接距离比较长，抗干扰性很好，支持点－点连接与多点连接，价格介于双绞线与光缆之间，安装与维护比较方便。
（3）光缆是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。
光纤是一种直径为9－62.5µm、能传导光波的柔软介质。
在折射率较高的单根光纤外面，用折射率较低的包层包裹起来构成一条光纤通道；由多条光纤组成一束就构成一条光缆。
光纤分为单模光纤与多模光纤两种。
光缆的主要特点是：
低损耗和宽频带、高数据传输速率、低误码率和安全保密性好，价格高于双绞线与同轴电缆，安装与维护比较困难。
19．数据编码方法可以分为哪两种类型？
它们各有哪些主要的编码方法？
答案：
通信信道分为模拟信道与数字信道两类，相应的用于数据通信的数据编码方式也分为模拟数据编码（即调制）与数字数据编码两类。
（1）模拟数据编码方法分为振幅键控、移频键控和移相键控3种。
（2）数字数据编码方法主要有单极性码、双极性码、归零码、不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
20．请说明脉冲编码调制方式的基本工作原理。
答案：
脉冲编码调制方式主要包括采样、量化与编码3部分。
（1）采样是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本，让其表示原来的信号。
采样频率f应为：
f≥2B或f＝1/T≥2fmax，式中B为通信信道带宽，T为采样周期，fmax为信道允许通过的信号最高频率。
（2）量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。
（3）编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。
如果有k个量化级，则二进制的位数为log2k。
例如，如果量化级有16个，就需要4位编码。
经过编码后的每个样本都要用相应的编码脉冲表示。
21．数据传输速率的定义是什么？
如果在信道上发送1比特二进制信号所需时间为0.05ms，那么通信信道的数据传输速率为多少？
答案：
数据传输速率是每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为bps（比特每秒）。
数据传输速率为：
S＝1/T（bps）。
T为发送每一比特所需要的时间。
根据数据传输速率公式来计算，S＝1/0.00005=20000bps＝20kbps，因此信道的数据传输速率为20kbps。
22．一条无噪声4kHz信道按照每1ms进行8次取样，请问最大数据传输率是多少？
答案：
一条无噪声信道可以传送任意大数量的信息，不管信息的取样频率是多少,每个取样可发送很多数据。
对于一个4KHz的信道，取样频率为每秒8000次。
如果每个取样是16b，这个信道可以128kbps的数据传输率发送。
如果每个取样是1024b，则信道能以8.2Mbps的数据传输率发送。
这里的关键是“无噪声”，对于一个普通的（有噪声）4KHz信道，Shannon极限将不允许以上述数据传输率发送。
23．电视频道的带宽是6MHz。
如果使用4级数字信号，则每秒钟可以发送多少位？
假设电视频道为无噪声信道。
答案：
利用Nyquist定律，每秒可采样12000000次。
四级信号每个采样点提供2bits，所以总的数据率为24Mbps。
24．如果在一条3kHz的信道上发送一个二进制信号，该信道的信噪比为20dB，则最大可达到的数据传输率为多少？
答案：
信噪比为20dB意味着S/N=100。
因为log2101大约是6.658，于是，Shannon极限大约为19.975kbps。
Nyquist极限则为6kbps。
显然瓶颈是Nyquist极限，该信道最大可达到的数据传输率为6kbps。
25．在50kHz的线路上使用T1线路需要多大的信噪比？
答案：
为了发送一个T1信号，即Hlog2（1+S/N）=1.544106，此处，H=50,000。
于是，S/N=230-1，大约是93dB。
26．在1m的波长上，在0.1m的频段中有多少带宽？
答案：
利用f=（c）/
（2），其中=10-7meters，=10-6meters。
其带宽（f）为30000GHz。
27．在光纤上发送一系列计算机屏幕图像，屏幕的分辨率为480640像素，每个像素为24位，每秒钟有60幅屏幕图像。
请问：
需要多大带宽？
在1.30m波长上，这段带宽需要多少m的频段？
答案：
数据率为4806402460bps，即带宽为442Mbps。
假设1bps/Hz。
从公式f=（c）/
（2）可得=f2/c。
这里，f=4.42108,则=3.9610-9m。
28．当无线电天线的直径等于无线电波长的时候，天线通常工作得最好。
常见的天线直径范围为1－5m。
请问这将覆盖多大的频率范围？
答案：
因为f=c，光速c=3108m/s。
当=1m，f=300MHz。
对于=5m，f=60MHz。
故覆盖60MHz到300MHz。
29．某卫星通信系统中的66颗低轨道卫星被分为环绕地球的6条链环，它们环绕地球的周期是90分钟。
对于地面的固定用户，卫星移交的平均间隔是多少？
答案：
每条链环上有66/6即11颗卫星，每90分钟11颗卫星依次通过地面的固定用户头顶一次，即每平均间隔491秒（8分11秒）有一次卫星移交。
30．某国每个电话端局是由它的3个区域码和前3位本地号码来命名的。
区域码的第1位是2-9之间的数字，第2位是0或者1，第3位可以是任何一个数字。
本地号码的前2位数字总是在2-9之间，第3位可以是任何数字。
该国可以有多少个端局？
答案：
区域码的数量是8×2×10，等于160。
前3位本地号码的数量是8×8×10，等于640。
因此，该国可以有102400个端局。
31．一个简单的电话系统包括两个端局和一个长途局，每个端局通过一条1MHz的全双工干线连接到长途局。
在每8小时的工作日中，平均每部电话有4次呼叫，每次呼叫平均6分钟，10%的呼叫是长途的（即通过长途局）。
请问一个端局能够支持最多多少部电话？
（假设每条线路为4kHz）
答案：
每部电话的呼叫率为0.5呼叫/小时，每次6分钟。
因此，一部电话每小时占用电路的时间为3分钟。
20部电话可以共享一条电路，尽管这会使得负载接近100%（=1），即等待时间会很长。
因为10%的呼叫是长距离的，即200部电话全时占据一条长途电路。
干线中复用的长途电路为1,000,000/4000=250条。
每条电路支持200部电话，一个端局可以支持200×250＝50000部电话。
32．请问单线铁路是单工系统，半双工系统，或是全双工系统，或者三者都不是？
答案：
单线铁路是半双工系统，列车可以从任意一端进入，但是不能一次从两端同时进入。
33．一个类似于图3-3的调制解调器星座图有以下几个坐标点：
（1,1）、（1,-1）、（-1,1）和（-1,-1）。
请问一个具备这些参数的调制解调器在1200波特上可以达到多少bps？
答案：
每波特有4个合法值，所以比特率是波特率的2倍。
在1200波特的速度上，数据速率为2400bps。
图3-3调制解调器星座图
34．一个类似于图3-3的调制解调器星座图有两个坐标点（0,1）和（0,2）。
请问调制解调器使用相位调制还是振幅调制？
答案：
相移始终为0，但是使用了两个振幅，所以这只是调幅。
35．在一个星座图中，所有的点都位于一个以原点为中心的圆上。
请问它使用了哪种调制方案？
答案：
如果所有的点都和原点等距，显然它们都有同样的振幅，所以不用调幅。
在星座图上绝不会使用调频，所以该编码是纯相移键控。
36．一个全双工的QAM-64（QAM（QuadratureAmplitudeModulation）,正交调幅）调制解调器使用了多少频率？
答案：
使用了二个频率，一个用于上行，一个用于下行。
该调制方案只改变振幅和相位，频率不用调节。
37．如图3-4所示，一个使用DMT（DiscreteMulti-Tone,离散多音）的ADSL系统将3/4可用信道都分配给下行链路了。
在每条信道上它使用QAM-64调制方法。
请问下行链路的容量是多少？
图3-8使用DMT的ADSL频谱划分方案
答案：
总共有256个信道，信道0用于POTS（PlainOldTelephoneService，传统的简单电话服务），信道1-5用于隔离语音信号与数据信号，2个信道分别用于上行控制和下行控制，留下248个用于传输数据。
如果3/4的用于下行，即186个信道用于下行。
ADSL调制速率为4000波特，采用QAM-64（6bits/baud），所以186条信道中每条速度为24000bps。
于是，下行链路的容量是4.464Mbps。
38．有10个信号，每个都要求4000Hz，现在用FDM将它们复用在一条信道上。
对于被复用的信道，最小要求多少带宽？
假设防护频段为400Hz宽。
答案：
10个4000Hz的信号，需要9个防护频段来避免干扰，故最小带宽需要400010+4009=43,600Hz
39．为什么PCM采样时间被设置为125μs？
答案：
一个125μs采样时间相当于每秒8000次采样。
根据Nyquist定律，这是一个在4KHz的电话信道上获得所有信息的采样频率。
40．T1线路额外开销的百分比是多少？
也就是说，1.544Mbps中有百分之多少没有递交给最终用户？
答案：
最终用户得到帧中193bits中的724=168bits。
因此开销是25/193＝13%。
41．假定将来的有线电视电缆采10Gbps的光纤，而不再是铜线。
请问，它可以被用来模拟电话模型（每个家庭都有自己私有的线路连接到端局）吗？
如果可以的话，请问一根光纤上可以挂接多少户单电话家庭？
答案：
一个数字PCM电话需要64kbps，10Gbps的光纤上可挂接的单电话家庭户数为156250。
42．一个有线电视公司决定在一个包含5000户家庭的区域内提供Internet访问服务。
该公司使用一根同轴电缆，它的频谱分配方案允许每根电缆有100Mbps的下行带宽。
为了吸引顾客，该公司决定，保证每户家庭在任何时候都至少有2Mbps的下行带宽。
请描述一下该公司需要采取什么措施才能提供这样的保证。
答案：
保证每户家庭至少有2Mbps的下行带宽，意味着每条同轴电缆至多连接50个家庭。
因此，电缆公司将需要把现存的电缆系统改换成100根同轴电缆，并且将它们每一根直接连接到光节点。
43．利用第3章正文图3-28中显示的频谱分配方案，计算一下，一个有线电视系统分配给上行数据信道多少Mbps？
给下行数据信道多少Mbps？
答案：
上行带宽是60MHz，利用QPSK（2bits/Hz），得到120Mbps上行数据流。
下行带宽是200MHz。
采用QAM-64（6bits/Hz）得到1200Mbps，利用QAM-256（8bits/Hz）则得到1600Mbps。
44．如果有线电视网络是空闲的话，请问一个用户接受数据可能有多快？
答案：
若下行通道工作在100Mbps，因为用户接口几乎总是10Mbps以太网，所以在这种环境下，计算机没有办法获得10Mbps以上的数据率。
如果连接PC和cablemodem的是快速以太网（100Mbps），那么可获得全部100Mbps。
45一个客户/服务器系统使用了卫星网络，卫星的高度为40000km。
在对一个请求进行响应的时候，最佳情形下的延迟是什么？
答案：
请求需要先上去再下来，回应也需要先上去再下来。
因此，总的传输长度160000km。
光在大气和真空中的传播速度是300000km/s，所以传播延迟是（160000/300000）s，大约533ms。
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