第 2 章物理层

408 计算机网络第 2 章物理层复习讲义，涵盖核心概念、重点考点与典型题型。

先建立整章的主线：

物理层解决的问题：怎样把 0、1 比特真正变成可以在线路、光纤、无线空间中传播的物理信号，并让接收端重新识别出这些比特。

所以这一章其实是在回答 4 个问题：

传什么？——数据、信号、码元。
最多能传多快？——波特率、比特率、奈氏准则、香农定理。
0 和 1 怎么变成电信号？——编码与调制。
信号靠什么传播、怎样延长？——双绞线、光纤、无线、中继器、Hub。

一、物理层到底干什么

在五层体系中：

应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层  ← 0/1 比特流
-----------------
实际传输介质：双绞线、光纤、无线空间……

物理层面对数据链路层时，不需要知道：

这是不是 MAC 帧；
目的 MAC 是谁；
IP 地址是多少；
数据有没有错；
该走哪条路。

它看到的基本上就是：

101100101001...

然后考虑如何把它变成：

高低电平；
电压变化；
光脉冲；
无线电波的幅度/频率/相位变化。

一个非常重要的判断题：

传输介质本身严格来说不属于物理层。

传输介质是物理层下面真正承载电磁波的通道；物理层负责规定怎样利用这个通道传输比特流。这是资料本章总结中特别强调的易混点。

二、通信基础

这是整章的概念基础。

1. 数据、信号、码元

1.1 数据

数据是信息的载体。

例如：

“hello”是一段数据；
一张 JPEG 图片是一段数据；
视频文件是一段数据。

数据可以是：

模拟数据；
数字数据。

1.2 信号

信号是数据在传输介质中的电气或电磁表现。

例如：

数据：1 0 1 1
↓
编码
↓
电压：高 低 高 高

因此：

数据是“想传的东西”，信号是“真正在线路上传播的东西”。

资料将两者区分为：数据是信息的载体，信号是数据的电气或电磁表现；模拟信号连续，数字信号离散。

三、码元：本章第一个高频概念

“码元”和“比特”千万不要混为一谈。

1. 什么叫码元

可以把时间切成一个一个固定的小格：

|----|----|----|----|
  ↑    ↑    ↑    ↑
 码元  码元 码元 码元

每一个时间格内使用一种信号状态，就称为一个码元。

假设只有两种状态：

高电平
低电平

那么一个码元有 2 种可能：

V = 2

因此一个码元携带：

lo g_{2} 2 = 1 bit

如果一个码元可以取 4 种状态：

状态 A
状态 B
状态 C
状态 D

可以分别表示：

所以一个码元携带：

lo g_{2} 4 = 2 bit

同理：

码元状态数 $V$	每码元信息量
2	1 bit
4	2 bit
8	3 bit
16	4 bit
64	6 bit

核心公式：

每码元比特数 = lo g_{2} V

资料也明确说明，一个固定时长信号波形对应一个 $k$ 进制符号即码元，码元可能一次承载多个比特。

四、信源、信道、信宿

一个最基本通信系统：

信源 → 发送器 → 信道 → 接收器 → 信宿

信源

产生数据的一端。

例如：

你的电脑；
手机；
麦克风产生的语音信号源。

信道

信号传播的通道。

信宿

最终接收信息的一方。

可以粗略记成：

源 → 道 → 宿

五、基带传输与宽带传输

这是容易在名词上绕晕的地方。

1. 基带信号

信源刚刚产生、没有调制到高频载波上的原始信号。

直接发送这种信号叫：

基带传输。

例如传统以太网中直接使用电压变化来表达 0 和 1。

2. 宽带信号

如果原信号不适合直接传：

原始数字信号
↓
调制
↓
高频载波

就把数据加载到一个高频载波上。

这称为：

频带传输 / 宽带传输。

资料对此的区分是：基带信号是未经调制的原始电信号；宽带信号则是把基带信号调制到高频载波后得到的信号。

六、串行与并行传输

串行

一位一位传：

1 → 0 → 1 → 1 → 0

只需要较少线路。

适合：

长距离网络通信。

并行

例如一次同时传 8 bit：

线路1 → 1
线路2 → 0
线路3 → 1
线路4 → 0
...

优点：

理论上一次可以传多个比特。

缺点：

距离一长，各线路信号到达时间可能不一致，同时线多、成本高、串扰严重。

所以：

计算机网络长距离传输主要用串行。

计算机内部短距离通信更可能采用并行。

资料也是按“串行适合长距离，网络常用；并行适合短距离，如计算机内部”来区分。

七、单工、半双工、全双工

这个考得不算难，但非常容易概念混。

单工

永远只能：

A ─────→ B

例如：

广播；
传统电视。

半双工

两边都可以发，但不能同时：

A ─────→ B

然后

A ←───── B

类似对讲机：

你说的时候我听，我说的时候你听。

全双工

两边同时：

A ─────→ B
A ←───── B

类似电话。

资料强调：

单向通信只需一个信道；
半双工可在同一信道上分时双向；
全双工需要两个方向同时通信。

八、★★★★★ 波特率与比特率

这是整个第 2 章最重要的基础之一。

资料的“考点追踪”指出比特率和波特率曾在 2011、2014、2022 等题目中考查。

1. 波特率

也称：

码元传输速率；
调制速率。

含义：

每秒传多少个码元。

单位：

Baud

若一个码元持续时间：

T

则波特率：

R_{B} = \frac{1}{T}

例如每个码元持续：

1 ms

则：

R_{B} = 1000 Baud

九、比特率

比特率是：

每秒传多少 bit 信息。

单位：

bit/s

也就是：

b/s

十、波特率和比特率的核心关系

若一个码元有 $V$ 种不同状态：

每码元携带信息量 = lo g_{2} V

因此：

R_{b} = R_{B} lo g_{2} V

其中：

$R_{b}$ ：比特率；
$R_{B}$ ：波特率；
$V$ ：码元状态数。

例 1

波特率：

1200 Baud

采用四进制调制：

V = 4

每码元：

lo g_{2} 4 = 2 bit

所以：

R_{b} = 1200 \times 2 = 2400 b/s

这正是资料收录的 2011 年真题类型：2400 bps、四相位调制，要求求波特率。答案就是：

1200 Baud

十一、最重要的辨析

如果是二进制码元：

V = 2

所以：

R_{b} = R_{B}

但如果是多进制码元：

V > 2

通常：

R_{b} > R_{B}

所以：

不要说“波特率就是比特率”。

只有二进制一码元一比特时，两者数值相同。

十二、带宽有两个含义

这也是出题坑点。

通信理论中的带宽

单位：

Hz

表示：

W = f_{m a x} - f_{m i n}

也就是信道允许通过的频率范围。

计算机网络中的“链路带宽”

单位：

b/s

一般表示链路的最大数据传输能力。

因此看到：

带宽 = 4 MHz

基本是在讲：

频率带宽。

看到：

链路带宽 = 100 Mb/s

是在讲：

数据传输能力。

资料也特别区分了这两个语境。

十三、★★★★★ 信道为什么不可能无限快

假设你疯狂提高码元速率：

原来：
| 1 | 0 | 1 | 1 |

越来越快：
|1|0|1|1|

更快：
|||||||||

最终因为信道带宽有限，信号波形会被“抹平”，相邻码元互相影响。

这种现象就是：

码间串扰

即：

前后码元波形相互重叠，接收方无法准确判断每个码元。

由此产生了：

奈奎斯特定理；
香农定理。

十四、★★★★★ 奈奎斯特定理 / 奈氏准则

这是本章绝对重点。

资料考点追踪：

2009；
2014；
2022；
2023。

都涉及奈氏准则。

奈氏准则研究什么

前提：

理想、无噪声、带宽有限的低通信道。

核心问题：

即便完全没有噪声，由于带宽有限，码元最多能发多快？

结论：

R_{B, m a x} = 2 W

其中：

$W$ ：信道频率带宽，单位 Hz；
$R_{B}$ ：码元速率，单位 Baud。

所以：

理想低通信道每秒最多发送 $2 W$ 个码元。

十五、奈氏准则的数据率形式

如果一个码元有 $V$ 种状态：

1 码元 = lo g_{2} V bit

因此：

R_{m a x} = 2 W lo g_{2} V

单位：

b/s

这是考试最常用的公式。

十六、奈氏公式怎么理解

有两个提高数据率的方法：

方法一：增加带宽

W ↑

则：

R_{m a x} ↑

方法二：一个码元承载更多 bit

增加：

V

例如：

2 状态 → 1 bit/码元
4 状态 → 2 bit/码元
16 状态 → 4 bit/码元
64 状态 → 6 bit/码元

但注意：

奈氏准则只从码间串扰角度看问题。

现实中：

信号状态越多，越容易受到噪声干扰。

于是还需要香农定理。

十七、真题型：2009 QAM

资料收录的 2009 题：

无噪声信道带宽 $3 kHz$ ，QAM 有 4 个相位，每个相位又有 4 种振幅，求最大数据率。

总信号状态数：

V = 4 \times 4 = 16

每个码元：

lo g_{2} 16 = 4 bit

奈氏：

R_{m a x} = 2 W lo g_{2} V

于是：

R_{m a x} = 2 \times 3000 \times 4

R_{m a x} = 24000 b/s = 24 kb/s

十八、2022 真题型

信道：

W = 200 kHz

采用 4 个幅值 ASK：

V = 4

所以：

R_{m a x} = 2 \times 200 \times 1 0^{3} \times lo g_{2} 4

= 400 \times 1 0^{3} \times 2

800 kb/s

这也是资料真题中的直接考法。

十九、★★★★★ 香农定理

奈氏解决的是：

没有噪声也不能无限快。

而现实问题是：

有噪声以后又能多快？

因此有香农定理。

香农公式

C = W lo g_{2} (1 + \frac{S}{N})

其中：

$C$ ：极限数据传输速率；
$W$ ：频率带宽；
$S$ ：信号功率；
$N$ ：噪声功率；
$S / N$ ：信噪比。

资料强调，香农定理针对的是带宽受限且存在高斯噪声的信道。

二十、dB 是最常见的坑

题目通常不直接给：

\frac{S}{N}

而是给：

信噪比 = 30 dB

关系是：

SNR_{d B} = 10 lo g_{10} \frac{S}{N}

因此若：

30 = 10 lo g_{10} \frac{S}{N}

得到：

lo g_{10} \frac{S}{N} = 3

所以：

\frac{S}{N} = 1000

常见值最好直接熟悉：

dB	$S / N$
10 dB	10
20 dB	100
30 dB	1000
40 dB	10000

二十一、2016 真题型

资料收录：

W = 8 kHz

信噪比：

30 dB

所以：

\frac{S}{N} = 1000

香农上限：

C = 8000 lo g_{2} (1 + 1000)

因为：

lo g_{2} (1001) \approx 10

所以：

C \approx 80 kb/s

实际速率是理论最大值的 50%：

R \approx 40 kb/s

所以答案：

40 kb/s

资料真题也是这种“先 dB 转 $S / N$ ，再套香农”的典型套路。

二十二、★★★★★ 奈氏和香农究竟有什么区别

这个一定要形成条件反射。

	奈奎斯特	香农
信道	理想无噪声	有噪声
核心限制	带宽、码间串扰	带宽 + 信噪比
出现 $V$ 吗	是	否
出现 $S / N$ 吗	否	是
关键词	理想、无噪声、码元状态	噪声、dB、SNR
公式	$2 W lo g_{2} V$	$W lo g_{2} (1 + S / N)$

资料同样将这一对比作为高频判断框架。

二十三、同时满足奈氏和香农怎么办

这是更重要的理解。

现实信道：

既有带宽；
也有噪声。

因此可能同时受到两个限制。

分别算：

C_{N} = 2 W lo g_{2} V

C_{S} = W lo g_{2} (1 + \frac{S}{N})

实际最大速率不能超过其中任何一个：

C_{m a x} = min (C_{N}, C_{S})

二十四、2017 真题型：反求码元状态数

设：

SNR = 30 dB

则：

\frac{S}{N} = 1000

香农：

C_{S} = W lo g_{2} (1001) \approx 10 W

奈氏：

C_{N} = 2 W lo g_{2} V

题目要求奈氏上限不小于香农上限：

2 W lo g_{2} V \geq 10 W

约掉 $W$ ：

2 lo g_{2} V \geq 10

lo g_{2} V \geq 5

因此：

V \geq 32

这就是资料收录 2017 真题的思路。

二十五、一个很重要的辨析：传播速率不是数据传输速率

资料收录的 2014 真题就考：

哪个因素不会影响信道数据传输速率？

选项中有：

信号传播速度。

正确理解：

传播速度：

v \approx 2 \times 1 0^{8} m/s

影响的是：

t_{p} = \frac{d}{v}

也就是传播时延。

而数据传输速率如：

100 Mb/s

描述的是：

每秒向链路推出多少 bit。

所以：

传输速率 ≠ 传播速率。

这个概念从第 1 章一直延续到第 2 章。

二十六、★★★★★ 编码与调制

这部分是本章另一个大头。

核心先记：

编码

通常理解为：

数据 → 数字信号

调制

通常理解为：

数据 → 模拟载波信号

资料把数据/信号转换分成四类：数字→数字、模拟→数字、数字→模拟、模拟→模拟。

二十七、数字数据 → 数字信号

主要方法：

RZ；
NRZ；
NRZI；
Manchester；
Differential Manchester。

二十八、RZ 归零编码

假设：

1：高电平
0：低电平

但是每个码元中途都会：

回到零电平。

所以叫：

Return to Zero

优点：

电平有跳变；
有利于时钟同步。

缺点：

为了“归零”消耗额外信号变化；
带宽利用率较低。

二十九、NRZ 非归零编码

NRZ：

Non-Return-to-Zero

整个码元周期保持相应电平：

1 1 1 1
──────── 高

0 0 0 0
──────── 低

优点：

码元周期全部用于表达数据，效率高。

最大问题：

连续多个相同比特时没有电平跳变。

例如：

111111111111111

如果一直是高电平，接收方就很难判断：

到底已经经过了几个码元周期？

因此：

NRZ 自同步能力差。

资料称其编码效率高，但需要额外时钟实现同步。

三十、NRZI 反向非归零

NRZI 的重点不是：

当前是高还是低。

而是：

码元边界有没有发生跳变。

资料使用的约定为：

无跳变 → 1；
有跳变 → 0。

所以看 NRZI 波形时：

看变化，不看绝对电平。

三十一、★★★★★ 曼彻斯特编码

这是必会读波形的编码。

每个码元：

中间一定发生一次跳变。

这个中间跳变有两个作用：

表示数据；
提供时钟同步。

例如常见约定：

低 → 高：0
高 → 低：1

但一定注意：

有的教材或题目可能采用相反定义。

所以真正最重要的不是死记高低，而是：

每码元中间一定跳变

资料也明确说明曼彻斯特编码的常用约定可以反向，所以做波形题首先看题目定义。

三十二、为什么曼彻斯特浪费带宽

假设原始数据率：

R_{b} = 10 Mb/s

曼彻斯特每个比特周期中必须安排一次中间跳变。

所以信号变化频率相对更高。

直观上：

1 bit 经常需要两个信号电平区间表达。

因此带宽利用率低于普通 NRZ。

但优点是：

自同步非常好。

三十三、★★★★★ 差分曼彻斯特

这个比普通曼彻斯特稍难。

记两件事。

第一件事

每个码元：

中间一定跳变。

这个跳变只用于：

时钟同步。

不表达数据。

第二件事

真正的数据看：

码元开始位置有没有跳变。

资料使用的规则：

开始跳变 → 0
开始不跳 → 1

所以读差分曼彻斯特：

先找到每个码元中点
↓
确认中点一定跳变
↓
再看每个码元开始边界
↓
跳变？0
不跳？1

三十四、曼彻斯特与差分曼彻斯特最简单区别

Manchester

看：

码元中间跳变方向

Differential Manchester

看：

码元开始处是否跳变

这是波形题最关键的一句话。

资料收录 2021 年真题以及模拟题均直接考差分曼彻斯特波形识别。

三十五、模拟数据 → 数字信号：PCM

PCM：

Pulse Code Modulation，脉冲编码调制。

例如人的声音本来是：

连续模拟信号。

电脑想处理它，需要数字化。

流程是：

采样 \to 量化 \to 编码

资料也是严格按这三个步骤讲解。

三十六、PCM 第一步：采样

原模拟波：

~~~~~~连续~~~~~~

每隔一段时间测量一次：

•   •   •   •   •

于是：

时间从连续变成离散。

采样频率

若原信号最高频率为：

f_{m a x}

要能够从采样结果恢复原信号，通常要求：

f_{s} \geq 2 f_{m a x}

注意：

这也是奈奎斯特相关结论，但属于采样定理的使用场景。

不要和前面的：

R_{B} \leq 2 W

机械混成一个东西。

三十七、PCM 第二步：量化

采样值可能是：

1.237V
1.754V
2.109V

实际数字系统只设置有限个等级。

例如：

于是将实际幅值映射到最近等级。

这就是：

量化。

本质：

幅值连续 → 幅值离散。

三十八、PCM 第三步：编码

如果量化为：

256 = 2^{8}

个等级，那么每个采样值需要：

8 bit

编码。

若采样率：

8000 次 /s

则 PCM 比特率：

8000 \times 8 = 64000 b/s

即：

64 kb/s

这是电话语音数字化中非常典型的数量级。

三十九、数字数据 → 模拟信号：调制

载波可写成类似：

s (t) = A cos (2 π f t + φ)

可以发现正弦波有三个主要参数：

振幅 $A$ ；
频率 $f$ ；
相位 $φ$ 。

因此调制就有三个基本方向：

改振幅 → ASK
改频率 → FSK
改相位 → PSK

四十、ASK

ASK：

Amplitude Shift Keying

改变：

振幅

例如：

1 → 有载波
0 → 无载波

优点：

简单。

缺点：

噪声很容易改变振幅，所以抗干扰能力较弱。

四十一、FSK

FSK：

Frequency Shift Keying

改变：

频率

例如：

1 → f1
0 → f2

所以资料收录的 2024 真题：

哪种二进制数字调制需要两个不同频率的载波？

答案：

FSK

四十二、PSK

PSK：

Phase Shift Keying

改变：

相位

例如：

0 → 相位 0°
1 → 相位 180°

PSK 看的是：

绝对相位。

四十三、DPSK

DPSK：

Differential PSK

它不重点看绝对相位，而看：

当前码元相对于上一个码元相位是否变化。

因此：

PSK → 绝对相位；
DPSK → 相位差。

资料对此作了专门区分。

四十四、★★★★★ QAM

QAM：

Quadrature Amplitude Modulation

同时改变：

振幅 + 相位

这是现代数字通信中非常重要的一类技术。

QAM-16

有：

16

个信号状态。

因此：

lo g_{2} 16 = 4

所以：

1 码元 = 4 bit。

QAM-64

有：

64

个状态。

所以：

lo g_{2} 64 = 6

即：

1 码元 = 6 bit。

资料通过星座图解释了 QAM-16 和 QAM-64：每一个星座点就是一种码元状态。

四十五、QAM 通用计算

若：

波特率 $B$ ；
$m$ 个相位；
每相位 $n$ 个振幅；

总状态：

V = mn

所以：

R = B lo g_{2} (mn)

四十六、2023 QAM 真题型

资料收录：

W = 4 MHz

无噪声理想信道。

最大速率：

R = 48 Mb/s

奈氏：

48 \times 1 0^{6} = 2 \times 4 \times 1 0^{6} \times lo g_{2} V

所以：

48 = 8 lo g_{2} V

lo g_{2} V = 6

因此：

V = 64

答案：

QAM - 64

四十七、模拟数据 → 模拟信号

这部分相对次要。

例如语音本身就是模拟信号。

若要加载到高频载波，可用：

方法	改变
AM	振幅
FM	频率
PM	相位

资料把它和数字调制区分为：

数字调制承载离散数据；模拟调制承载连续变化的模拟数据。

四十八、传输介质

从考试角度可以分：

导向介质

信号被约束在线路中：

双绞线；
同轴电缆；
光纤。

非导向介质

通过空间：

无线电波；
微波；
红外；
激光。

四十九、双绞线

结构：

铜线 A  ╲╱╲╱╲╱
铜线 B  ╱╲╱╲╱╲

为什么要绞？

因为：

两根线相互绞合可以降低电磁干扰和串扰。

UTP

Unshielded Twisted Pair

非屏蔽双绞线。

STP

Shielded Twisted Pair

屏蔽双绞线。

外面增加屏蔽层。

所以：

STP 抗干扰更强，但成本更高。

资料指出双绞线是局域网中最常用的介质，价格低，可传模拟信号和数字信号。

五十、模拟传输和数字传输的“延长距离”不同

这个细节很值得记。

模拟信号衰减

使用：

放大器。

作用：

把信号幅度放大。

但往往也会把噪声一起放大。

数字信号失真

使用：

中继器。

作用：

不是单纯放大，而是：

识别 \to 整形 \to 再生

尽量重新恢复为标准 0/1 波形。

资料对此也特别做了区分。

五十一、同轴电缆

结构大致：

保护层
屏蔽导体
绝缘层
中心导体

它有很好的屏蔽层，因此：

抗干扰能力通常优于普通双绞线。

50 Ω

主要：

基带数字通信。

历史上早期以太网使用。

75 Ω

主要：

宽带信号。

典型：

有线电视。

这是一个很典型的选择题记忆点。

五十二、★★★★★ 光纤

光纤传输：

光脉冲。

简单理解：

有光 → 1
无光 → 0

光纤的频率非常高，因此：

带宽潜力非常巨大。

五十三、光为什么不会从光纤里跑出去

光纤主要由：

纤芯；
包层。

组成。

满足：

n_{纤芯} > n_{包层}

在合适角度下会发生：

全反射。

于是光不断：

╲    ╱
 ╲  ╱
  ╲╱
  ╱╲
 ╱  ╲

沿纤芯向前传播。

五十四、多模光纤

允许多条不同路径传播：

────────
╲╱╲╱╲╱
───╲───
────────

问题是：

不同路径长度不同，因此不同光线到达时间不同。

会产生：

模间色散。

所以多模一般：

更适合短距离。

资料也是按“多条不同角度光线、损耗较大、适合短距离”来理解。

五十五、单模光纤

纤芯更细，只允许一种主要传播模式。

于是：

色散更小；
传输距离更远；
带宽潜力更大。

所以考试场景：

高速 + 长距离

优先想到：

单模光纤

五十六、光纤的优势

资料归纳得非常好：

损耗小；
中继距离长；
抗电磁干扰；
不受雷电干扰；
无串音；
保密性好；
体积小；
重量轻。

其中最重要的判断题：

光纤不传导电信号，因此抗电磁干扰能力特别强。

五十七、无线传输

无线电波

特点：

穿透能力较强；
距离远；
常为全向传播。

应用：

WLAN；
蜂窝通信。

五十八、微波

特点：

频率高；
带宽大；
通信容量大；
近似直线传播；
通常要求视距。

因此地面微波需要：

塔 ───── 塔 ───── 塔

使用中继站。

五十九、卫星通信

本质可以把卫星理解为：

天上的微波中继站。

优点：

覆盖范围广；
通信距离远；
容量大。

缺点：

传播时延明显。

资料也指出卫星通信覆盖广、距离远，但端到端传播时延大。

六十、红外和激光

特点：

方向性强；
通常需要视距；
容易被障碍物阻挡；
一般不能穿墙。

例如遥控器：

房间里能用，隔墙通常不行。

六十一、★★★★★ 物理层接口四大特性

2012、2018 都考过，非常适合选择题。

记：

机械、电气、功能、过程

资料明确把四者定义如下。

1. 机械特性

关键词：

长什么样。

例如：

插头形状；
插座尺寸；
引脚数量；
引脚排列。

口诀：

机械 = 外形。

六十二、电气特性

关键词：

电。

例如：

电压范围；
信号电平；
传输速率；
距离限制。

口诀：

电气 = 电平。

六十三、功能特性

关键词：

每根线是干什么的。

例如某根引脚：

发送数据；
接收数据；
控制；
地线。

口诀：

功能 = 用途。

六十四、过程特性

又叫：

规程特性。

关键词：

先做什么，后做什么。

也就是：

事件发生的顺序和时序。

所以资料收录的 2012 真题：

“描述完成每种功能的事件发生顺序”

答案：

过程特性

六十五、2018 题为什么“物理地址”不属于物理层接口规范

物理接口规范可管：

接口形状；
引脚；
电平；
时序。

但：

MAC 地址

是数据链路层概念。

所以：

“物理地址”虽然名字里有“物理”，但并不是物理层内容。

这是经典文字陷阱。

六十六、★★★★★ 中继器 Repeater

中继器工作：

物理层

功能：

对数字信号进行整形、再生、转发。

资料特别强调：

中继器的核心是信号再生，而非简单把衰减后的信号连噪声一起放大。

六十七、中继器能不能识别 MAC 地址？

不能。

因为 MAC 地址属于：

数据链路层。

中继器只看到：

101001011...

六十八、中继器连接后还是同一个网络

假设：

网段 A ── 中继器 ── 网段 B

它们仍属于：

同一个局域网。

中继器：

不进行路由；
不改变网络层子网；
不进行帧过滤。

六十九、为什么不能无限串中继器

直觉上似乎：

电缆 → repeater → 电缆 → repeater → ...

可以无限延长。

实际上不行，因为：

网络协议有最大传播时延限制。

资料举的是经典：

5-4-3 规则

传统 10Base-5：

最多 5 个网段；
4 个中继器；
其中 3 个网段可连接主机。

现在更多是理解其原理，不必过度纠结老以太网工程细节。

七十、★★★★★ 集线器 Hub

一句话：

Hub = 多端口中继器

它工作：

物理层

资料就是这样定义的。

七十一、Hub 如何转发

假设：

       B
       |
A ── HUB ── C
       |
       D

如果 A 发数据：

Hub 不是：

“发现目的 MAC 是 C，所以只给 C。”

而是：

A → Hub
     ├→ B
     ├→ C
     └→ D

即：

无差别复制到其他端口。

所以 Hub：

不认识 MAC；
不会查转发表；
不会过滤帧；
没有定向转发能力。

七十二、为什么 Hub 会发生冲突

如果：

A 同时发送
B 同时发送

两者共享同一逻辑介质，就会冲突。

所以 Hub 网络：

所有端口属于同一冲突域

资料也明确强调 Hub 不能隔离冲突域。

七十三、Hub 能不能隔离广播域？

也不能。

因此 Hub：

冲突域：不隔离
广播域：不隔离

这点后面和交换机、路由器一起比较就特别重要：

设备	层	隔离冲突域	隔离广播域
Hub	1	否	否
交换机	2	是	通常否
路由器	3	是	是

这是网络设备题的核心框架。

七十四、Hub 为什么只能半双工

Hub 上所有主机：

共享同一个逻辑信道。

如果同时发：

冲突。

所以需要避免/检测冲突。

因此 Hub：

只能半双工

资料中的模拟题：

“集线器连接的多个网段必须工作在半双工模式”

答案就是正确。

七十五、Hub 的物理拓扑和逻辑拓扑

这个非常经典：

Hub 看起来：

    A
    |
B--Hub--C
    |
    D

物理结构：

星形

但从通信行为看：

一个站发送，其他所有站都能收到信号。

相当于老式共享总线：

逻辑总线形

所以：

Hub：物理星形，逻辑总线形。

资料专门强调了这一判断。

七十六、Hub 的带宽是共享的

假设：

10 Mb/s

Hub 连接 8 台主机，若同时工作：

平均每台大约：

\frac{10}{8} = 1.25 Mb/s

这和交换机不同。

Hub：

共享带宽。

交换机：

每端口通常可独享链路带宽。

资料也用 10 Mb/s、8 台计算机给出了这个例子。

七十七、Hub 没有速率转换能力

如果一边：

10 Mb/s

另一边：

100 Mb/s

Hub 不像交换机那样有帧缓存进行灵活速率适配。

资料强调：

中继器和 Hub 没有缓存及协议转换能力；若连接不同速率网段，整体只能按兼容的较低速率工作。

七十八、本章还出现“交换方式”，怎么处理？

本章考纲里还列有：

电路交换；
报文交换；
分组交换；
数据报；
虚电路。

但资料明确注明：

三种交换方式在第 1 章 1.1.4 详细讲；
数据报与虚电路在后续网络层部分详细讲。

所以这一章复习时，只需要把它们和“通信基础”联系起来即可。

核心：

电路交换

先建专用连接：

建立 → 通信 → 释放

报文交换

完整报文：

存储完整报文 → 转发

分组交换

拆成很多小分组：

P1 P2 P3 P4...

利用流水转发提高效率。

七十九、分组交换的流水线思想

这个虽然上一章讲过，但第 2 章真题经常混在通信基础中计算。

假设：

H1 → R → H2

有 $n$ 个等长分组，每个分组发送时延：

t

第一个分组：

H1→R：t
R→H2：t

需要：

2 t

但第二个分组可以在第一个被 R 转发的时候，从 H1 发到 R。

于是：

T = (n + 1) t

而不是：

2 n t

这就是：

流水线效应。

资料收录的 2010、2013、2023 真题都有类似分组交换时延计算。

八十、2024 吞吐量型题

如果路径：

H1
 |
1Gb/s
 |
R1
 |
100Mb/s
 |
R2
 |
10Mb/s
 |
H2

端到端吞吐量上限取：

min (R_{1}, R_{2}, \dots, R_{n})

因此：

10 Mb/s

本质就是：

木桶最短板。

资料收录的 2024 真题也是这种链路最大吞吐量判断。

八十一、本章最容易混的 10 组概念

1 数据 vs 信号

数据：

信息载体。

信号：

数据的物理表现。

2 bit vs 码元

bit：

信息单位。

码元：

一个信号符号。

一个码元可能包含多个 bit。

3 比特率 vs 波特率

R_{b} = R_{B} lo g_{2} V

4 Hz 带宽 vs b/s 带宽

Hz：

频率范围。

b/s：

数据传输能力。

5 传播速率 vs 传输速率

传播速率：

m/s

传输速率：

bit/s

6 奈氏 vs 香农

奈氏：

无噪声、码间串扰。

香农：

有噪声、SNR。

7 编码 vs 调制

编码：

数据 → 数字信号。

调制：

数据 → 载波模拟信号。

8 曼彻斯特 vs 差分曼彻斯特

Manchester：

中点跳变方向表示数据。

Differential Manchester：

开头是否跳变表示数据。

9 放大器 vs 中继器

放大器：

放大模拟信号。

中继器：

再生数字信号。

10 Hub vs Switch

Hub：

比特级广播。

Switch：

根据 MAC 定向转发。

八十二、做题时的“公式决策树”

看到通信容量题，可以直接这样判断。

题目给什么？
        |
        ├── 无噪声 / 理想低通 / V 种信号状态
        |         ↓
        |      奈奎斯特
        |  R = 2W log₂V
        |
        ├── S/N / 信噪比 / dB
        |         ↓
        |        香农
        |  C = W log₂(1+S/N)
        |
        └── 两类条件都有
                  ↓
              两个都算
                  ↓
               取较小值

八十三、波特率题的决策模板

给：

比特率 $R_{b}$ ；
$V$ 种码元状态；

求波特率：

R_{B} = \frac{R _{b}}{lo g _{2} V}

给：

波特率 $R_{B}$ ；
$V$ 种状态；

求比特率：

R_{b} = R_{B} lo g_{2} V

八十四、QAM 题的决策模板

看到：

QAM-16

直接：

4 bit/ 码元

看到：

QAM-64

直接：

6 bit/ 码元

看到：

m 个相位，每个相位 n 个振幅

先：

V = mn

再：

bit/ 码元 = lo g_{2} (mn)

八十五、PCM 题的决策模板

最高模拟频率：

f_{m a x}

最低采样率：

f_{s} = 2 f_{m a x}

量化级：

L

每采样点比特数：

n = lo g_{2} L

PCM 数据率：

R = f_{s} lo g_{2} L

八十六、本章考频分层

结合资料中的“考点追踪”和历年题目，建议这样复习。

S 级：必须非常熟

1. 波特率与比特率

R_{b} = R_{B} lo g_{2} V

2. 奈奎斯特

R_{m a x} = 2 W lo g_{2} V

3. 香农

C = W lo g_{2} (1 + S / N)

以及：

SNR_{d B} = 10 lo g_{10} (S / N)

4. Manchester / Differential Manchester

要会读波形。

5. QAM

lo g_{2} M

每码元 bit 数。

这些在资料中都有多年份真题记录。

A 级：选择题高频

ASK / FSK / PSK；
PCM；
四种接口特性；
单模 / 多模光纤；
Hub 与 Repeater；
冲突域；
Hub 物理星形、逻辑总线形。

物理层接口特性在 2012、2018 出现，调制技术在 2024 仍有直接考查。

B 级：理解即可

双绞线具体结构；
同轴电缆内部结构；
微波、红外、激光细节；
5-4-3 规则的具体历史背景。

八十七、最后用一张知识树把第 2 章串起来

第2章 物理层
│
├── 1. 通信基础
│   │
│   ├── 数据 / 信号 / 码元
│   ├── 信源 / 信道 / 信宿
│   ├── 基带 / 宽带
│   ├── 串行 / 并行
│   ├── 单工 / 半双工 / 全双工
│   │
│   ├── ★ 比特率 / 波特率
│   │       Rb = RB log₂V
│   │
│   ├── ★ 奈奎斯特
│   │       Rmax = 2W log₂V
│   │
│   └── ★ 香农
│           C = W log₂(1+S/N)
│
├── 2. 编码与调制
│   │
│   ├── 数字 → 数字
│   │   ├── RZ
│   │   ├── NRZ
│   │   ├── NRZI
│   │   ├── ★ Manchester
│   │   └── ★ Differential Manchester
│   │
│   ├── 模拟 → 数字
│   │   └── ★ PCM
│   │        采样→量化→编码
│   │
│   ├── 数字 → 模拟
│   │   ├── ASK：振幅
│   │   ├── FSK：频率
│   │   ├── PSK：相位
│   │   └── ★ QAM：振幅+相位
│   │
│   └── 模拟 → 模拟
│       ├── AM
│       ├── FM
│       └── PM
│
├── 3. 传输介质
│   │
│   ├── 导向
│   │   ├── 双绞线
│   │   ├── 同轴电缆
│   │   └── ★ 光纤
│   │       ├── 多模
│   │       └── 单模
│   │
│   └── 非导向
│       ├── 无线电
│       ├── 微波
│       ├── 红外
│       └── 激光
│
├── 4. ★ 物理层接口
│   ├── 机械：长什么样
│   ├── 电气：电平如何
│   ├── 功能：每条线干什么
│   └── 过程：先后顺序
│
└── 5. 物理层设备
    │
    ├── Repeater
    │   └── 信号整形、再生
    │
    └── Hub
        ├── 多端口中继器
        ├── 不认识 MAC
        ├── 所有端口共享带宽
        ├── 同一冲突域
        ├── 不隔离广播域
        ├── 半双工
        └── 物理星形、逻辑总线形

这套框架基本就是资料第 2 章要求掌握的完整知识链。尤其要把“码元 → 波特率 → 奈氏 → 香农 → 编码/调制”连成一条线理解，而不是把公式孤立背下来；物理层的计算题和绝大部分易错选择题都围绕这条主线展开。

第 2 章 物理层