一文读懂计算机网络数据通信性能指标：速率、带宽、误码率、时延

我们知道计算机网络数据通信在传输数据的时候，我们总是希望它能够速度又快，出错率又低，所以为了衡量一个数据通信系统质量的好坏，必须要定义一些性能指标。这里给大家介绍几个常用的性能指标，主要包括：数据传输速率、带宽、误码率、时延、信道容量。

数据传输速率

数据传输速率主要是从数量上来衡量数据通信系统中数据传输能力的有效性，主要包括传码速率 和传信速率 。传码速率即码元速率，又称为波特率 。是指在数据通信系统中每秒钟或者单位时间里传输的信号码元的个数，单位是波特（Baud）。

什么是码元？我们先来看一下码元的概念，码元 是指一个固定时长的信号波形（一个数字脉冲）。我们说对于计算机通信数字数据来说，最终都是以0、1的形式来表示，在转换成信号传输的时候，比如下图只有两种波形，用一种波形来表示一个信号码元，这一个信号码元就携带了1比特也就是0或者是1这样的数据就被称为二电平信号。在这图中横坐标是时间，纵坐标表示的是电压，它代表的是电信号，用+3伏的一个脉冲代表传输的是1，用-3伏的脉冲代表传输的是0，每个脉冲都会持续一段时间，保持电压不变。脉冲的持续时间，我们就称为码元周期T 。那么码元速率B=1/T 。

如果在相同的传码速率的条件下，想携带更多的数据应该怎么办？解决的办法就是可以用多种信号脉冲来传输数据。每种信号脉冲里就可以携带若干比特的0、1数据。例如我们现在所看到的下图中有四种波形，对应的电压分别是+3伏、+6、-3伏和-6伏是四电平信号，每种波形表示一个码元，那么在这样的情况下，每个码元中就会携带2比特的数据。也就是说4种波形分别携带了数据00、01、10和11。那么，一个码元所携带的信息量n（位）与码元的种类数（N）有如下关系：

n=log 2 N

同理，还可以采用8电平或者16电平等来传输。

明白二电平和多电平传输以后，我们再来看传信速率的概念就非常容易理解了。传信速率即数据速率，又称为比特率 ，是指在数据通信系统中每秒钟或者单位时间内传送的信息量位数，它的单位是比特每秒。在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的位数。因此数据速率（R）和码元速率（B）有确定的关系，公式如下：

R=B*n=Blog 2 N（bps）

例： 若在一个数据通信系统中，某条线路上一个信号码元，持续时间为10的-4次方秒，如果采用8电平传输，则其传码速率和传信速率各是多少？

解： 码元周期T=10的-4次方秒，所以传码速率B=1/T=10000波特。又因为采用8电平传输，也就是N=8。则传信速率R=Blog2N=30000bit/s。

带宽

在日常生活中我们还会经常听到带宽这个词，比如说有人会问你说你家上网宽带带宽是多少？带宽本来是指某个信号具有的频带的宽度，因为在过去很长的一段时间，通信的主干线路都是模拟信道，用来传送模拟信号，所以说带宽就表示在这样的一个信道上允许通过的信号的频带范围。比如因为电话语音信号主要成分的频率范围是300赫兹到3400赫兹，因此在传统的通信线路上传送电话语音信号，它的标准带宽就是3400-300=3100赫兹。

在目前的数据通信系统或者是计算机网络中，带宽往往用来表示通信线路所能够传送数据的能力，也就是在单位时间内从一个节点到另外一个节点所能够通过的最高的数据量是多少？从这个意义上来讲，此时带宽的单位就等同于我们前面所介绍的数据传信速率，也就是多少比特每秒。

误码率

我们知道数据传输的目的是确保在接收端能够恢复出原始发送的二进制数字序列，也就是接收端收到的和发送端发送的应该是完全一致的。但是在实际的传输过程中，不可避免地会受到噪声或者是外界的各种干扰，致使会出现出现差错。比如本来发送的是0，到了接收端会根据收到的信号脉冲判决出来，收到的是1，也就是出现了比特的差错。通常采用误码率作为衡量数据传输质量的指标。误码率Pc是指在一定的时间内接收到出错的比特数Ne与总的传输的比特数N的比值，也就是Pc=Ne/N。

在计算机通信网络中，误码率一般要求低于10的-6次方，即平均每传送1兆位才允许错1位。

例 ：假如说在一个传信速率为9600比特每秒的线路上进行1小时的连续传输，经过测试有150个比特出现了差错，那么这个数据通信系统它的误码率是多少呢？

解： Ne=150bit，N=9600*3600=34560000bit，所以误码率Pc=150/34560000≈4.34*10-6

时延

在一个实际的数据通信系统中，我们经常会将一个分组或者是报文从一台主机出发，经过若干次通信设备的转发，最终到达目的主机。那么这一次通信总共花了多少时间？所花的时间究竟又是和什么有关系的？这一切都和一个称为时延的性能指标有关。所谓时延是指把一个数据块从一条链路的一端传送到另外一端所需的时间。

首先我们需要花时间把这个数据块发送到信道上，正如我们现在在下图中看到的这样，节点A的内部有一个发送器，由它来完成这项发送工作，所花的时间被称为发送时延 。发送器在哪里？实际上是每台主机或者各网络设备中的网络适配器，也就是我们俗称的网卡来完成发送数据的功能。也就是说所谓的发送时延是节点在发送数据时使数据块从节点进入到传输介质上所需要的时间 ，也就是从数据块的第一个比特开始发送，就开始计时，到最后一个比特发送到传输截止，计时结束所需要的时间。知道了定义以后，那么发送时延的大小和什么有关系？很显然，一方面取决于数据块的长度，数据块越长，发送时延相对越高；还取决于什么？很显然就是发送器的发送速度，发送速度就是前面我们所说的以比特每秒为单位的信道带宽。所以发送时延的计算公式是数据块的长度除以信道的带宽。

发送时延=数据块长度（比特）/信道带宽（比特/秒）

我们来看一个形象的比喻，数据块好比是一个自驾游的车队，从A到B的信道相当于是一条高速公路，每辆汽车相当于是一个比特的数据，发送时延就相当于是这个车队从第一辆车通过高速的入口一直到最后一辆车通过入口进入高速总共所花的时间。

那么每辆车上了高速以后开始在高速公路上从A地行驶到B地那肯定也是要花时间的，那这段时间和什么有关系？很显然时间是等于路程除以速度，路程就是两地之间的距离，也就是信道的长度，单位是米；那这个速度是指什么？就是数据以信号的形式沿着信道向前传播的速度，被称为是电磁波在信道上的传播速度。这个速度一般取决于所用到的传输介质。比如对于电磁波信号来说，一般以接近光速的速度（300m/μs）传播。但随传输介质的不同而略有差别，比如在电缆中的传播速度一般为光速的77%，即200m/μs左右。像这种由于电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间被称为传播时延 。传播时延的计算公式就很简单，也就是信道的长度除以电磁波在信道上的传播速度。

传播时延=信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）

例： 在地面上相距2000公里的两地之间通过电缆传输4000比特长的数据包，数据速率为64Kb/s,从开始发送到接收完成需要的时间为多少？

解： 总时延=发送时延+传播时延=4000b/（64Kb/s）+2000km/(200m/μs）=72.5ms

信道容量

所谓信道容量是指在给定条件下给定通信路径或者是信道上所能够达到的最大的数据传输速率。 因为信道容量的单位是比特每秒，所以我们也可以理解为所能够达到的最大的传信速率。那么如何去计算信道容量？根据是否有噪声的存在，我们可以分为两种情况来考虑。第一种是在无噪声存在的情况下，信道容量是根据奈奎斯特的美国科学家所发现的一个定理来计算的。这个定理称为奈奎斯特定理 ，若信道带宽为W，则最大码元速率为：

B=2W（Baud）

该定理说明什么？说明如果在无噪声的情况下，任何一个信道的传输速率都是有上限的，为带宽的两倍，也就是2W波特。如果超出了2W波特以后，再加上在实际的信道是有噪声存在的，那么就会出现严重的码间串扰的问题，就像我们现在所看到的，发送端的信号波形是矩形的，而对于接收端的波形出现了严重的失真，使得接收端对于接收到的码元无法判决，误码率非常高，那么这种传输就没有任何的意义。

既然传码速率是固定的，那我们如何去提高信道容量？再根据我们前面刚刚介绍过的传信速率和传码速率，在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的位数,也就是说我们可以采用多电平传输，一个码元中携带有若干比特的信息。因此数据速率（R）和码元速率有确定的关系，公式如下：

R=B*n=Blog 2 N=2Wlog 2 N（bps）

例： 在一个无噪声的3000赫兹的这个信道如果采用8电平传输，问该信道可允许的最大的数据传输速率是多少？

解： N=8,W=3000HZ，则信道容量，即该信道可允许的最大数据传输速率R=2Wlog2N=18kbit/s

对于普通电话线路，带宽为3000Hz，最高波特率为6000Baud，最高数据速率可随着调制方式的不同而取不同的值。这些都是在无噪声的理想情况下的极限值。实际信道会受到各种噪声的干扰，因而远远达不到按奈奎斯特定理计算出的数据传送速率。香农（Shannon）的研究表明，有噪声信道的极限数据速率可由下面的公式计算

C=Wlog 2 (1+S/N)

这个公式叫做香农定理 ，其中，W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率，S/N叫做信噪比。由于在实际使用中S与N的比值太大，故常取其分贝数（dB）。分贝与信噪比的关系为

dB=10log 10 S/N

例： 当S/N=1000时，信噪比为30dB。这个公式与信号取得离散值的个数无关，也就是说，无论用什么方式调制，只要给定了信噪比，则单位时间内最大的信息传输量就确定了。例如，信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则最大数据速率为

C=3000log2(1+1000)≈3000*9.97≈30000bps

综上所述，有两种带宽的概念，在模拟信道，带宽按照公式W=f2-f1计算，例如CATV电缆的带宽为600MHz或者1000MHz；数字信道的带宽为信道能够达到的最大数据速率，例如以太网的带宽为10Mbps或100Mbps。两者可互相转换。

什么是数据通信

什么是数据通信的模型，下面我们简单用个例子介绍。这个例子是两个PC经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。

图2-1 数据通信系统的模型

如图2-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统一般包括以下两个部分：

源点（source）:源点设备产生要传输的数据，例如，从PC产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。

发送器：通常，源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制解调器。

目的系统一般也包括以下两个部分：

接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是调解器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

终点（destination）:终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

图2-1所示的数据通信系统，说它是计算机网络也可以。这里我们使用数据通信系统这个名词，主要是为了从通信的角度来介绍一个数据通信系统中的一些要素，而有些数据通信的要素在计算机网络中可能就不去讨论他们了。

下面我们先介绍一些常用术语。

通信的目的是传送消息（message）。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据（data）是运送消息的实体，通常是有意义的符号序列；这种信息的表示可用计算机处理或产生，信号（signal）则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类：

（1）模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。例如图2-1中，用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。

（2）数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。例如图2-1中，用户家中的PC到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

下一章我们介绍有关信道的几个基本概念。

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