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

简介: 本章系统讲解数据通信核心知识:从定义、基本概念(数据/信息、系统/网络、互连网/互联网)出发,梳理其发展脉络(ARPANET→学术网→商业化→产业互联网),解析带宽、时延、抖动、丢包率四大指标,阐释摩尔定律、香农定理、梅特卡夫定律三大基石,并介绍IETF与IEEE两大标准化组织分工。

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:

概念

出发点

侧重点

数据通信

通信的内容

强调通信的内容是 数据

计算机通信

通信的主体

强调通信的主体是 计算机

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:

拓扑结构

工作原理

优点

局限

总线结构

采用单一主干线缆连接所有设备,网上的一个节点发送数据时,其他所有节点都能接收总线上的数据

安装简单

通信效率低

环型结构

节点连接成闭合环,一般采用点对点通信模式,即一个网络节点将数据沿一定方向传送到下一个网络节点

连接简单

单点故障致命

星型结构

所有节点通过专线连接到中心节点(如交换机、集线器),数据经中心节点转发

易于拓展

中心节点故障致命

树型结构

像层次化的星型结构,由根节点和分支节点组成,从根节点开始向下逐步分层、分叉

扩展灵活、隔离性强

流量瓶颈

网状结构

节点之间的连接是任意的,没有固定的规律

可靠性高

协议复杂、成本高

全连接结构

每个节点与其他所有节点直接相连

可靠性高、传输速度快

造价非常高

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:

层次

代表技术

职责

应用层

HTML

从文本到多媒体图像视频

传输层

TCP

可靠传输

网络层

IP

统一协议

链路层

以太网 / 4G / 5G / Wi-Fi / 光通信

提供底层物理承载

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:

名词

英文

性质

说明

互连网

internet

通用名词

泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。这些网络之间的通信协议(即通信规则)可以任意选择, 不一定非要使用 TCP/IP 协议

互联网

Internet

专用名词

指当前全球最大的、开放的、由众多网络互连而成的 特定 互连网,它采用 TCP/IP 协议族作为核心的通信协议

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:

时期

商业标志

协议

网络

接入

1990s

Web 1.0 门户商业化黄金十年: Netscape ( 1994 )、 Yahoo ( 1994 )、 IE ( 1995 )、 eBay ( 1995 )

FR / IPv4

IP 可达网络

窄带接入

2000s

Web 2.0 即时通信: Facebook ( 2004 )、 Skype ( 2003 )、 ATM 论坛合并至 IP/MPLS 论坛( 2005 )

ATM / IPv4

高可靠网络

宽带接入

2010s

移动互联网时代: iPhone 4 ( 2010 )、字节跳动( 2012 )、宽带中国战略( 2013 )、中国 4G 牌照( 2013 )

MPLS

开放自动化网络

综合业务承载

2020—now

全行业互联: 5G 和云

SRv6 / IPv6+

确定性 / 低时延网络

云网

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:

阶段

时间

典型场景

科研网(阿帕网)

1969 起

军事与科研、科学研究

消费互联网

1990 起

电子商务、企业办公、个人在线娱乐消费

产业互联网

2020 起

与实体经济深度融合、企业办公 + 生产、工业互联网 / 远程工控 / 车联网、沉浸式交互 / 物联网 /ARVR 、万物智联

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

时延类型

含义

产生位置

发送时延

主机或网络设备发送数据报文所需要的时间,从发送数据报文的第一个比特算起,到发送完最后一个比特结束

发送器(此处产生发送时延,即传输时延)

传播时延

电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间

链路(此处产生传播时延)

处理时延

主机或网络设备在收到数据报文时要花费一定的时间进行处理

节点(此处产生处理时延和排队时延)

排队时延

数据报文进入网络设备(如路由器)后,要先在输入队列中排队等待处理

节点队列

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:

组织

全称

覆盖范围

典型产出

IETF

国际互联网工程任务组

数据通信的 控制面和转发面

发布一系列 RFC ,定义 IP 、 MPLS 等各种协议和特性,是网络工程师和开发者的重要参考

IEEE

电气和电子工程师协会

数据通信的 物理面

802 标准族定义数据通信的物理接口标准,例如 Wi-Fi 5 标准、 Wi-Fi 6 标准、 GE 接口标准、 10GE 接口标准等

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。

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