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一文讀懂計算機網路資料通訊效能指標:速率、頻寬、誤位元速率、時延

我們知道計算機網路資料通訊在傳輸資料的時候,我們總是希望它能夠速度又快,出錯率又低,所以為了衡量一個數據通訊系統質量的好壞,必須要定義一些效能指標。這裡給大家介紹幾個常用的效能指標,主要包括:資料傳輸速率、頻寬、誤位元速率、時延、通道容量。

一文讀懂計算機網路資料通訊效能指標:速率、頻寬、誤位元速率、時延

資料傳輸速率

資料傳輸速率主要是從數量上來衡量資料通訊系統中資料傳輸能力的有效性,主要包括

傳碼速率

傳信速率

傳碼速率即碼元速率,又稱為波特率

。是指在資料通訊系統中每秒鐘或者單位時間裡傳輸的訊號碼元的個數,單位是波特(Baud)。

什麼是碼元?我們先來看一下碼元的概念,

碼元

是指一個固定時長的訊號波形(一個數字脈衝)。我們說對於計算機通訊數字資料來說,最終都是以0、1的形式來表示,在轉換成訊號傳輸的時候,比如下圖只有兩種波形,用一種波形來表示一個訊號碼元,這一個訊號碼元就攜帶了1位元也就是0或者是1這樣的資料就被稱為二電平訊號。在這圖中橫座標是時間,縱座標表示的是電壓,它代表的是電訊號,用+3伏的一個脈衝代表傳輸的是1,用-3伏的脈衝代表傳輸的是0,每個脈衝都會持續一段時間,保持電壓不變。脈衝的持續時間,我們就稱為

碼元週期T

。那麼

碼元速率B=1/T

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如果在相同的傳碼速率的條件下,想攜帶更多的資料應該怎麼辦?解決的辦法就是可以用多種訊號脈衝來傳輸資料。每種訊號脈衝裡就可以攜帶若干位元的0、1資料。例如我們現在所看到的下圖中有四種波形,對應的電壓分別是+3伏、+6、-3伏和-6伏是四電平訊號,每種波形表示一個碼元,那麼在這樣的情況下,每個碼元中就會攜帶2位元的資料。也就是說4種波形分別攜帶了資料00、01、10和11。那麼,一個碼元所攜帶的資訊量n(位)與碼元的種類數(N)有如下關係:

n=log

2

N

同理,還可以採用8電平或者16電平等來傳輸。

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明白二電平和多電平傳輸以後,我們再來看傳信速率的概念就非常容易理解了。

傳信速率即資料速率,又稱為位元率

,是指在資料通訊系統中每秒鐘或者單位時間內傳送的資訊量位數,它的單位是位元每秒。在一定的波特率下提高速率的途徑是用一個碼元表示更多的位數。因此資料速率(R)和碼元速率(B)有確定的關係,公式如下:

R=B*n=Blog

2

N(bps)

例:

若在一個數據通訊系統中,某條線路上一個訊號碼元,持續時間為10的-4次方秒,如果採用8電平傳輸,則其傳碼速率和傳信速率各是多少?

解:

碼元週期T=10的-4次方秒,所以傳碼速率B=1/T=10000波特。又因為採用8電平傳輸,也就是N=8。則傳信速率R=Blog

2

N=30000bit/s。

頻寬

在日常生活中我們還會經常聽到頻寬這個詞,比如說有人會問你說你家上網寬頻頻寬是多少?頻寬本來是指某個訊號具有的頻帶的寬度,因為在過去很長的一段時間,通訊的主幹線路都是模擬通道,用來傳送模擬訊號,所以說頻寬就表示在這樣的一個通道上允許透過的訊號的頻帶範圍。比如因為電話語音訊號主要成分的頻率範圍是300赫茲到3400赫茲,因此在傳統的通訊線路上傳送電話語音訊號,它的標準頻寬就是3400-300=3100赫茲。

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在目前的資料通訊系統或者是計算機網路中,頻寬往往用來表示通訊線路所能夠傳送資料的能力,也就是在單位時間內從一個節點到另外一個節點所能夠透過的最高的資料量是多少?從這個意義上來講,此時頻寬的單位就等同於我們前面所介紹的資料傳信速率,也就是多少位元每秒。

誤位元速率

我們知道資料傳輸的目的是確保在接收端能夠恢復出原始傳送的二進位制數字序列,也就是接收端收到的和傳送端傳送的應該是完全一致的。但是在實際的傳輸過程中,不可避免地會受到噪聲或者是外界的各種干擾,致使會出現出現差錯。比如本來發送的是0,到了接收端會根據收到的訊號脈衝判決出來,收到的是1,也就是出現了位元的差錯。通常採用誤位元速率作為衡量資料傳輸質量的指標。

誤位元速率Pc是指在一定的時間內接收到出錯的位元數Ne與總的傳輸的位元數N的比值,也就是Pc=Ne/N。

在計算機通訊網路中,誤位元速率一般要求低於10的-6次方,即平均每傳送1兆位才允許錯1位。

:假如說在一個傳信速率為9600位元每秒的線路上進行1小時的連續傳輸,經過測試有150個比特出現了差錯,那麼這個資料通訊系統它的誤位元速率是多少呢?

解:

Ne=150bit,N=9600*3600=34560000bit,所以誤位元速率Pc=150/34560000≈4。34*10-6

時延

在一個實際的資料通訊系統中,我們經常會將一個分組或者是報文從一臺主機出發,經過若干次通訊裝置的轉發,最終到達目的主機。那麼這一次通訊總共花了多少時間?所花的時間究竟又是和什麼有關係的?這一切都和一個稱為時延的效能指標有關。所謂時延是指把一個數據塊從一條鏈路的一端傳送到另外一端所需的時間。

首先我們需要花時間把這個資料塊傳送到通道上,正如我們現在在下圖中看到的這樣,節點A的內部有一個傳送器,由它來完成這項傳送工作,所花的時間被稱為

傳送時延

。傳送器在哪裡?實際上是每臺主機或者各網路裝置中的網路介面卡,也就是我們俗稱的網絡卡來完成傳送資料的功能。也就是說所謂的

傳送時延是節點在傳送資料時使資料塊從節點進入到傳輸介質上所需要的時間

,也就是從資料塊的第一個位元開始傳送,就開始計時,到最後一個位元傳送到傳輸截止,計時結束所需要的時間。知道了定義以後,那麼傳送時延的大小和什麼有關係?很顯然,一方面取決於資料塊的長度,資料塊越長,傳送時延相對越高;還取決於什麼?很顯然就是傳送器的傳送速度,傳送速度就是前面我們所說的以位元每秒為單位的通道頻寬。所以傳送時延的計算公式是資料塊的長度除以通道的頻寬。

傳送時延=資料塊長度(位元)/通道頻寬(位元/秒)

我們來看一個形象的比喻,資料塊好比是一個自駕遊的車隊,從A到B的通道相當於是一條高速公路,每輛汽車相當於是一個位元的資料,傳送時延就相當於是這個車隊從第一輛車透過高速的入口一直到最後一輛車透過入口進入高速總共所花的時間。

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那麼每輛車上了高速以後開始在高速公路上從A地行駛到B地那肯定也是要花時間的,那這段時間和什麼有關係?很顯然時間是等於路程除以速度,路程就是兩地之間的距離,也就是通道的長度,單位是米;那這個速度是指什麼?就是資料以訊號的形式沿著通道向前傳播的速度,被稱為是電磁波在通道上的傳播速度。這個速度一般取決於所用到的傳輸介質。比如對於電磁波訊號來說,一般以接近光速的速度(300m/μs)傳播。但隨傳輸介質的不同而略有差別,比如在電纜中的傳播速度一般為光速的77%,即200m/μs左右。像這種由於電磁波在通道中需要傳播一定的距離而花費的時間被稱為

傳播時延

。傳播時延的計算公式就很簡單,也就是通道的長度除以電磁波在通道上的傳播速度。

傳播時延=通道長度(米)/訊號在通道上的傳播速率(米/秒)

例:

在地面上相距2000公里的兩地之間透過電纜傳輸4000位元長的資料包,資料速率為64Kb/s,從開始傳送到接收完成需要的時間為多少?

解:

總時延=傳送時延+傳播時延=4000b/(64Kb/s)+2000km/(200m/μs)=72。5ms

通道容量

所謂

通道容量是指在給定條件下給定通訊路徑或者是通道上所能夠達到的最大的資料傳輸速率。

因為通道容量的單位是位元每秒,所以我們也可以理解為所能夠達到的最大的傳信速率。那麼如何去計算通道容量?根據是否有噪聲的存在,我們可以分為兩種情況來考慮。第一種是在無噪聲存在的情況下,通道容量是根據奈奎斯特的美國科學家所發現的一個定理來計算的。這個定理稱為

奈奎斯特定理

,若通道頻寬為W,則最大碼元速率為:

B=2W(Baud)

該定理說明什麼?說明如果在無噪聲的情況下,任何一個通道的傳輸速率都是有上限的,為頻寬的兩倍,也就是2W波特。如果超出了2W波特以後,再加上在實際的通道是有噪聲存在的,那麼就會出現嚴重的碼間串擾的問題,就像我們現在所看到的,傳送端的訊號波形是矩形的,而對於接收端的波形出現了嚴重的失真,使得接收端對於接收到的碼元無法判決,誤位元速率非常高,那麼這種傳輸就沒有任何的意義。

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既然傳碼速率是固定的,那我們如何去提高通道容量?再根據我們前面剛剛介紹過的傳信速率和傳碼速率,在一定的波特率下提高速率的途徑是用一個碼元表示更多的位數,也就是說我們可以採用多電平傳輸,一個碼元中攜帶有若干位元的資訊。因此資料速率(R)和碼元速率有確定的關係,公式如下:

R=B*n=Blog

2

N=2Wlog

2

N(bps)

例:

在一個無噪聲的3000赫茲的這個通道如果採用8電平傳輸,問該通道可允許的最大的資料傳輸速率是多少?

解:

N=8,W=3000HZ,則通道容量,即該通道可允許的最大資料傳輸速率R=2Wlog

2

N=18kbit/s

對於普通電話線路,頻寬為3000Hz,最高波特率為6000Baud,最高資料速率可隨著調製方式的不同而取不同的值。這些都是在無噪聲的理想情況下的極限值。實際通道會受到各種噪聲的干擾,因而遠遠達不到按奈奎斯特定理計算出的資料傳送速率。夏農(Shannon)的研究表明,有噪聲通道的極限資料速率可由下面的公式計算

C=Wlog

2

(1+S/N)

這個公式叫做

夏農定理

,其中,W為通道頻寬,S為訊號的平均功率,N為噪聲平均功率,S/N叫做信噪比。由於在實際使用中S與N的比值太大,故常取其分貝數(dB)。分貝與信噪比的關係為

dB=10log

10

S/N

例:

當S/N=1000時,信噪比為30dB。這個公式與訊號取得離散值的個數無關,也就是說,無論用什麼方式調製,只要給定了信噪比,則單位時間內最大的資訊傳輸量就確定了。例如,通道頻寬為3000Hz,信噪比為30dB,則最大資料速率為

C=3000log

2

(1+1000)≈3000*9。97≈30000bps

綜上所述,有兩種頻寬的概念,在模擬通道,頻寬按照公式W=f

2-

f

1

計算,例如CATV電纜的頻寬為600MHz或者1000MHz;數字通道的頻寬為通道能夠達到的最大資料速率,例如乙太網的頻寬為10Mbps或100Mbps。兩者可互相轉換。

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