计算机网络技术备考指南 | 第2章 数据通信基础：考试重点全解析
计算机网络技术备考指南 | 第2章 数据通信基础：考试重点全解析
一、本章在考试中的地位
本章是全书的"物理地基"，公式多、编码图多，也是计算题的高发区。以近年真题常见题型为例，具体以当次考试大纲为准：单选题常考调制方式、传输介质特性、复用技术、交换方式；填空题常考采样定理、曼彻斯特编码、CRC、信噪比公式；简答题可能要求比较三种交换方式或说明差错控制方法；综合应用题常出现信道容量、PCM 码率、CRC 校验等计算。复习时务必"公式会套、编码会画、概念会辨"。
二、核心考点清单
基本概念
数据是传递信息的实体，信号是数据的电气或电磁表现。信源—信道—信宿构成通信系统三要素。码元是承载信息的基本波形；比特率 = 波特率 × log₂M（M 为码元种类数）。例：4 相调制、2400 Baud，则比特率为 4800 bps。
数据传输方式
单工（单向）、半双工（双向不同时）、全双工（双向同时）；串行传输（远距离、成本低）与并行传输（短距离、速度快）；同步传输（以帧为单位、效率高）与异步传输（以字符为单位、加起止位）；基带传输与频带传输。
数据通信系统的性能
- 奈奎斯特准则（理想无噪声低通信道）：C = 2W·log₂M。W = 3 kHz、M = 4 时，C = 12 kbps。
- 香农定理：C = W·log₂(1 + S/N)，信噪比 dB = 10·lg(S/N)。W = 3 kHz、30 dB（即 S/N = 1000）时，C ≈ 3 k × log₂1001 ≈ 30 kbps。
- 二者区别：奈氏说明"码元速率有上限"，香农说明"有噪声时极限速率"，实际速率取二者较小值。
传输信道
双绞线（UTP/STP，Cat5e 支持千兆、Cat6 支持万兆，单段 100 m）、同轴电缆（基带/宽带）、光纤（单模传输距离远、用激光器；多模用 LED、距离近）、无线信道（无线电、微波、红外、卫星）。
编码
- NRZ：高低电平直接表示 1/0，无自同步能力。
- 曼彻斯特编码：每个比特中间必有一次跳变，既传数据又传时钟，自同步；编码效率 50%，波特率为比特率的 2 倍，用于 10BASE-T。
- 差分曼彻斯特：中间跳变仅作时钟，比特开始处有跳变表示 0、无跳变表示 1，抗干扰更好。
- PCM 三步：采样—量化—编码。采样定理 fs ≥ 2f_max；电话语音取 4 kHz，采样 8 kHz、量化 8 bit，得 64 kbps。
复用技术
FDM（按频率划分，模拟）、TDM（按时间划分，分同步与统计 TDM）、WDM（光纤波分复用）、CDMA（码片序列正交，各站同时同频发送）。
差错控制技术
奇偶校验（只能检出奇数个错）；CRC 循环冗余校验（模 2 除法，检错力强）；海明码（满足 2^r ≥ m + r + 1，可纠 1 位错）；ARQ 自动重传（停等、后退 N 帧、选择重传）；FEC 前向纠错。
CRC 例：数据 101001，G(x) = x³ + x² + 1 即 1101，被除数补 3 个 0 得 101001000，模 2 除后余 001，故发送 101001001。
交换技术
电路交换（建链—通信—拆链，时延小、独占线路）；报文交换（整报文存储转发）；分组交换（数据报：独立选路、可能乱序；虚电路：先建逻辑连接、按序到达）。
三、高频简答题预测
1. 简述曼彻斯特编码的规则与特点。
要点：每比特中间必跳变，高到低表示 1、低到高表示 0（或相反，须前后一致）；跳变兼具时钟作用，故称自同步编码；缺点是频带利用率低，编码效率仅 50%，常用于以太网 10BASE-T。
2. 简述 PCM 的三个步骤及电话语音 64 kbps 的由来。
要点：采样（按 fs ≥ 2f_max 抽取样值）→ 量化（把样值归入有限电平等级）→ 编码（用二进制码表示等级）。语音取 4 kHz 带宽，采样率 8 kHz，每样值 8 bit，8 k × 8 = 64 kbps。
3. 比较电路交换、报文交换和分组交换。
要点：电路交换需建立专用通路，传输时延小、实时性好，但建链时间长、线路利用率低；报文交换无需建链，整报文存储转发，时延大、要求节点缓存大；分组交换分组存储转发、可流水线传输，利用率高、时延较小，但存在乱序与重组开销，适合突发数据。
4. 常用的差错控制方法有哪些？
要点：检错重发（ARQ，含停等、后退 N 帧、选择重传）、前向纠错（FEC，海明码）、反馈校验、检错丢弃；检错码常用奇偶校验与 CRC。
四、易错点提醒
- 波特率 ≠ 比特率：只有在二进制（M = 2）时二者数值相等；曼彻斯特编码因每比特两个码元，波特率是比特率的 2 倍。
- 香农公式中的 S/N 是功率比而非 dB，题目给"30 dB"必须先换算为 1000。
- 采样定理是 fs ≥ 2f_max，与量化位数无关；量化位数只决定量化误差与码率。
- CRC 用模 2 除法（异或，不借位），不是普通除法；余数位数比生成多项式少 1 位。
五、本章记忆口诀/速记表
| 项目 | 关键数字/规则 |
|---|---|
| 奈氏准则 | C = 2W log₂M |
| 香农定理 | C = W log₂(1+S/N)，dB = 10lg(S/N) |
| PCM 电话 | 8 kHz × 8 bit = 64 kbps |
| 曼彻斯特 | 中间跳变、自同步、效率 50% |
| 海明码 | 2^r ≥ m + r + 1 |
| 三种交换 | 电路独占、报文整体、分组拆分 |
口诀："奈氏看码元、香农看信噪；采样两倍频、量化定精度；曼码中间跳、CRC 模二除；电路快、报文笨、分组活。"