数据通信——2、数据通信概述：从数据到信息，读懂数据通信的第一性原理

本章内容概览

本章共六节，逻辑上可以分为"定义—概念—历史—度量—规律—标准"六个层次：

           1.    数据通信定义——数据通信是什么，它包含哪两个过程，与计算机通信有何区别

           2.    数据通信的基本概念——数据和信息、数据通信系统与数据通信网络、互连网和互联网

           3.    数据通信的前世今生——缘起（ARPANET）、孕育（全球学术科研网）、爆发（走向商业化）、泛化（走向产业互联网）

           4.    数据通信的关键技术指标——带宽、时延、抖动和丢包率

           5.    数据通信的关键定律——摩尔定律、香农定理、梅特卡夫定律

           6.    数据通信的标准化组织——IETF 与 IEEE

一、数据通信定义

要理解数据通信，先要回到它诞生的原点。本节从"什么是数据通信"入手，说明它包含的两个过程、数据的搬运单位，以及它与计算机通信的区别。

1.1 什么是数据通信

1876 年，人类发明了电话，语音通信第一次跨越了空间的限制。到了 20 世纪 50 年代，随着电子计算机的成熟，逐渐产生了计算机与计算机之间的通信需求。

正是在这种背景下，数据通信诞生了：

 数据通信是指将通信技术与计算机技术相结合，使得不同地点的终端或计算机能够互联互通，实现共享软硬件和信息资源的一种数据传输和处理技术。

1.2 数据通信包含哪两个过程

数据通信并不是单一的"传输"动作，它包含数据传输的过程，以及数据传输前后的数据处理过程：

               ● 数据传输：通过某种方式建立一种数据传输通道传输数据信号，它是数据通信的基础

               ● 数据处理：数据处理可以使数据更有效、更可靠及更安全地传输，包括数据存储、数据交换、差错控制和传输规程等

1.3 分组报文：数据通信的搬运单位

数据通信在计算机之间发送和接收一块块数据，这些数据块又称"分组报文"。

这种机制带来两个重要特性：

               ● 数据块是不连续的，不发送数据就不占用通信资源

               ● 计算机一般是多任务的，多个任务可以同时使用通信资源，提升利用率，一台计算机可以同时参与多个数据通信

1.4 数据通信与计算机通信

两个概念经常被混用，但出发点不同：

二、数据通信的基本概念

明确了定义之后，本节逐层厘清几个最基础、也最容易混淆的概念——数据与信息、数据通信系统与数据通信网络，以及"互连网"与"互联网"。

2.1 数据和信息

               ● 数据（data）：是对客观事物的数量、属性、位置以及相互关系的抽象表示，以适合在特定领域中使用自然、人工或机器的方式进行保存、传输和处理

               ● 信息（information）：是有一定含义的、有逻辑的、经过加工处理的、对决策有价值的数据组合。信息是数据表示的含义，是数据的逻辑抽象和描述

两者的关系可以概括为一句话：

 数据是信息的表现形式，所有的信息都要用某种形式的数据进行表示；信息不会因为数据的表示形式不同而改变。

举个例子——"今日天气预报：晴转多云，气温 4—15℃"。这条信息可以用文字写出来，也可以用图标画出来，还可以用播报读出来；形式在变，但"晴转多云、4—15℃"这个含义不变。

信息还有两个重要属性，用一个股票的例子就能说清：

               ● 信息的价值性："某股票价格会上涨"——这是有价值的

               ● 信息的时效性："某股票价格昨日上涨"——价值已经大打折扣

2.2 数据通信系统

数据通信系统是实现数据通信功能的物理实体，它将计算机或终端与数据传输线路连接起来，达到数据的采集、传输、分配、存储、处理目的。

从组成上看，数据通信系统一般包括发送端、接收端、以及收发两端之间的信道三个部分。

其系统模型可以进一步细化为五个环节，加上一个干扰源：

               ● 信息源：是信息或信息序列的产生源

               ● 发送设备：把信息源发出的信息变换成适合传输的信号形式（码元），使之适应于信道传输特性

               ● 信道：指传输信号的通道

               ● 接收设备：接收从信道传输过来的信息，并将该信息转换成信息宿便于接收的形式

               ● 信息宿：接收发送端信息的对象，它可以是人，也可以是机器设备

               ● 噪声源：在传输过程中对信道产生干扰

其中，信息源与发送设备构成发送端，接收设备与信息宿构成接收端。

2.3 数据通信网络

如果只是把任意两台终端设备直接连接起来，设备数量一多就会变得不可维护。因此，实际的做法是所有设备连接到一个通信网络，由网络来承担转发与交换的职责。

数据通信网络节点可以连接成多种拓扑结构。常见的有六种，它们各有取舍：

树型结构值得一提：这种结构中执行网络控制功能的节点通常位于树的顶点，在树枝上很容易增加节点，因此具有灵活的扩展性——这也是今天园区网络分层架构的思想源头。

2.4 以太网和 TCP/IP：构筑数据通信网络的基础

无论拓扑如何变化，当代数据通信网络的技术底座是以太网 + TCP/IP。两者分工明确：

一头连着终端，一头连着服务器与云，数据通信网络在数字世界中提供着"物流服务"。

2.5 互连网和互联网

这两个词只差一个字，含义却完全不同——差别在于首字母是否大写：

三、数据通信的前世今生

数据通信的发展，可以划分为四个阶段：缘起、孕育、爆发、泛化。

3.1 缘起：互联网的前身 ARPANET

故事要从一颗卫星说起。

1957 年，苏联成功发射第一颗人造卫星斯普特尼克一号，引起美国上下震惊，美国国防部随即组建了 ARPA，开始资助大学和科研项目。

到 1965 年，ARPA 给美国各地研究中心都装上了大型机，但由于软硬件标准不统一，提出了一个解决思路：建立一个网络将这些计算机连接起来。

1969 年 10 月 29 日，2 台 BBN 生产的接口信息处理机（IMP）在加州大学洛杉矶分校和斯坦福研究院成功通信。这一天，被业界认为是真正意义上的数据通信的开始。

BBN 连接的这个网络被称为 ARPANET，从最初的 2 个节点开始，发展到 1973 年 9 月已有 40 个节点。

3.2 孕育：全球学术科研网

70 年代，人们发现不可能用单独的网络来满足所有的通信需求，必须走向全球联网。但摆在面前的问题是：不同计算机之间、不同网络之间有各自的通信协议，无法互通。

1974 年 5 月，温顿·瑟夫（Vinton Cerf）和罗伯特·卡恩（Robert Kahn）发表的论文中阐释了 TCP/IP 协议可解决这一问题。

1983 年，ARPANET 正式采用 TCP/IP；1984 年，ISO 国际标准化组织正式认证 TCP/IP 成为国际标准。

1990 年，ARPANET 被移交给 NSFNET，NSFNET 由美国国家科学基金会（NSF）组建。

3.3 爆发：互联网走向商业化

1991 年，NSF 和美国的政府机构意识到：如果要扩大网络，不该仅限于大学和研究机构，于是许多企业开始接入网络。

此后，NSFNET 逐渐被若干个商用的互联网主干网替代，政府机构不再负责互联网的运营，ISP（互联网服务提供商） 由此出现。

在此之后，互联网基本上每个十年都有一次技术与商业上的跨越式发展：

3.4 泛化：从消费互联网走向产业互联网

纵观互联网发展历史，2020 年之前的数据通信网络具有典型的互联网特征——时延、抖动、丢包率等指标以"尽力而为"为主。

而 2020 年之后，数据通信开始向产业互联网泛化。按场景划分，互联网走过了三个阶段：

从"科研"到"消费"再到"产业"，数据通信的使命正在从"连得上"转向"连得稳、连得确定"。

四、数据通信的关键技术指标

衡量一张网络好不好，业界主要看四个指标：带宽、时延、抖动、丢包率。

4.1 带宽

 网络带宽表示在单位时间内网络中的某个通道所能通过的"最高数据率"。

带宽描述的是"管道有多粗"，它决定了理论上单位时间能通过多少数据。

4.2 时延

时延描述的是"要走多久"。一个报文从发出到被收到，其总时延由四部分叠加而成：

 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

理解时延有两个容易踩的坑：

               ● 提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延，并不能明显减少传播时延。两者是不同性质的时间

               ● 光纤信道的传输速率高：可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤信道的传播速率实际上比铜线的传播速率还略低一点

4.3 抖动和丢包率

               ● 抖动：偏离了预期的时延，即不稳定的时延。网络抖动一般是指最大时延与最小时延的时间差

               ● 丢包率：数据报文从一端发送到另一端的过程中，部分数据报文未能到达目的地

这两个指标的危害，在实时业务上体现得最直观。设想一段网络的时延序列为 50ms、50ms、10ms、40ms、90ms、90ms——平均时延看起来正常，但对语音或视频通话而言，时延忽高忽低会直接导致声音断续、画面卡顿，体验远差于一个稳定的高时延链路。丢包同理：音频流中丢掉一个报文，听到的就是一次"断音"。

这正是数据通信从消费互联网走向产业互联网时，必须把"确定性"作为核心诉求的原因。

五、数据通信的关键定律

有三个定律，长期支配着数据通信的技术演进与产业判断。

5.1 摩尔定律

戈登·摩尔（Gordon Moore）在 1965 年总结存储器芯片的增长规律时，发现"微芯片上集成的晶体管数目每 18 个月翻一番"。后来的表述演化为三条推论：

           1.    同样面积的芯片上，每隔两年集成的晶体管数目翻一番

           2.    芯片具有更高的性能，每隔两年性能提高一倍

           3.    单个晶体管的价格每隔两年下降一倍

摩尔定律是算力供给侧的"时钟"，它保证了硬件持续变便宜、变强——这也是数据通信网络不断向更高速率演进的前提。

5.2 香农定理

香农定理给出了信道容量的理论上限：

 C = W log₂(1 + S/N)

其中 C 为信道容量，W 为信道的带宽，S 为信道内所传信号的平均功率，N 为信道内部的平均噪声功率。

可以用道路通行量来类比理解：W 好比路面宽度，S/N 好比其他干扰因素（行车速度、红灯密度、限行情况、道路拥挤度等），最终能通过的车流量就是信道容量。

香农定理告诉工程人员一个残酷但重要的事实：

 在有噪声的实际信道上，无论采用多么复杂的编码技术，信息传输速率 R 都不可能突破公式给出的绝对极限值。

即 R ≤ C = W log₂(1 + S/N)。这个公式直接指导了四类工程实践：

               ● 在信噪比 S/N 一定时，增加带宽 W 可以增加信道容量——例如亚厘米波、毫米波、太赫兹等通信技术的研究和应用

               ● 在带宽 W 一定时，提高信噪比 S/N 可以增加信道容量——例如增加发射功率 S、降低器件噪声 N 等

               ● 在信道容量一定时，带宽 W 与信噪比之间可以互换——即减小带宽同时提高信噪比，可以维持原来的信道容量

               ● 采用多信道并行通信可以增加总的信道容量——例如多天线技术、多载波技术等

5.3 梅特卡夫定律

 一个网络的价值与联网的用户数量的平方成正比。

公式表达为 V = A × N²，其中 V 为网络价值，N 为网络节点数/用户数，A 为价值系数。

这个定律解释了网络效应为何如此强大：网络的成本大约与用户数 N 成正比（Cost ≈ N），而价值与 N² 成正比（v = A·N²）。两条曲线存在一个临界价值交叉点——在用户数越过这个点之后，网络价值开始远超其成本，从而产生自我强化的扩展动力。

梅特卡夫定律对实践有三重指导意义：网络扩展的动力、市场策略的指导、投资决策的依据。

但也要看到它的局限。后续研究（如 V = A·N log N 等修正模型）指出，原始的平方关系存在三个问题：

               ● 价值估算的过度简化

               ● 忽略了边际效益递减

               ● 未充分考虑网络拥塞和管理成本

六、数据通信的标准化组织

标准是互联互通的前提。数据通信领域有两大主要标准组织，分工清晰：

一句话记：IETF 定协议（如 TCP/IP，发 RFC）；IEEE 802 系列定物理接口（如以太网、Wi-Fi）。

本章总结

本章的核心知识点可以浓缩为九条：

           1.    数据通信定义：通信与计算机技术结合，传二进制数据（分组报文形式），支持多任务；"数据通信网络"因终端多样化而更贴合当代场景

           2.    数据与信息：数据是信息的表现形式，信息是有价值、有时效的加工后数据，含义不随数据形式而改变

           3.    数据通信系统：含信源、发送设备、信道、接收设备、信宿五部分，是实现数据通信的物理实体

           4.    数据通信网络：解决设备直连问题，有六种拓扑结构（总线/环/星等），核心是分组交换，基础为以太网与 TCP/IP

           5.    互连网 vs 互联网：小写"互连网"是任意网络互连（协议可选）；大写"互联网"特指采用 TCP/IP 协议的全球最大网络，前身是 ARPANET

           6.    发展关键节点：1969 年 ARPANET 起步，1974 年 TCP/IP 提出，1991 年商用化，2020 年向产业互联网（万物互联）转型

           7.    核心技术指标：带宽、时延、抖动、丢包率

           8.    三大定律：摩尔定律、香农定理、梅特卡夫定律

           9.    两大标准组织：IETF 定协议（如 TCP/IP，发 RFC）；IEEE 802 系列定物理接口（如以太网、Wi-Fi）

结语

从 1876 年的一通电话，到 1969 年两台主机跨越 350 英里的第一次握手；从"数据"与"信息"的概念辨析，到香农定理划定的那道物理天花板——数据通信这一章讲的其实是一件事：如何把有意义的信息，用可靠、高效、可度量的方式，从一个地方搬到另一个地方。

理解了定义、指标与定律，后面的以太网、TCP/IP、IP/MPLS、IPv6+ 与 SDN/ADN，才不再是零散的技术名词，而是一条有内在逻辑的技术演进主线。