带宽

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带宽是通信信道的信息承载容量。信道可以是模拟的或数字的。模拟传输(如电话、调幅和调频无线电和电视)的度量单位是周/秒(Hz)；而数字传输的度量单位是bit/S。数字系统，术语“带宽”和“容量”常常可以互换使用，实际的传输性能称为数据传输率(或简称为数据率)。

将通信系统想象为水管或软管可帮助读者对它的理解：管子大小好比是带宽，水流好比是数据率(见图B-3)。很多人都谈到过网络系统的速度，但该术语是混淆不清的。一个比特通过一种媒体的传播速度接近于光速。那么，一秒钟到底可传输多少比特呢?这取决于发送器发送数据的速率。

图B-3 宽带如同管子大小，数据率就是管子中流出的实际信息量

通信系统有一个规定的带宽，它规定了该系统的上限。例如，快速以太网的额定速率为lOO Mbit/s。但受拥塞或其他因素产生的等待时间的影响，系统永远也达不到它的最佳速率。

网络中的数据是由一个个数据包组成，对每个数据包的处理要耗费资源。吞吐量是指在不丢包的情况下单位时间内通过的数据包数量。它是系统的可“度量”性能(这一点与其规定性能恰好相反)，是对整个系统(包括发送器、接收器、电缆等等)以及该系统受环境因素(例如噪音、数据错误、因电缆距离引起的衰减等)的影响的程度的度量。由于这些条件不断变化，因而吞吐量将随时间和每个系统而变化。

铜缆、光缆和无线通信系统全都具有不同的传输特性，因而具有不同的带宽。

本地环路中的电话电缆具有成为高容量链路的可能性。然而，由于这些线路以往仅用于话音，因此电话公司将电缆的工作频率限制在话音范围之内。400Hz以下和3400Hz以上的频率被切断，因此本地环路的最大带宽大约为3000Hz，这便是通频带(如图B-4所示)。调制解调器将数字信息转换为在该范围内传输的模拟信号。由于范围受到限制，因此电话线路上的数据率很低。DSL消除了这个限制。

DSL（Digital Subscriber Line，数字用户线）是指利用电话铜线上未用的频率，传输数据业务且速率可达数Mb/s的技术。这种技术允许话音和数据同时在同一线路上传输。DSL技术在传统的公用电话网络的用户环路上支持对称和非对称传输模式，解决了经常发生在网络服务供应商和最终用户间的“最后一公里”的传输瓶颈问题。DSL技术从80年代发展至今，常见的有SDSL、HDSL、SHDSL、ADSL、VDSL等数种。

图B-4电话线上的声音宽带

编码和压缩技术已经提高了数据率。数据压缩是通过减少计算机中所存储数据或者通信传播中数据的冗余度，达到增大数据密度，最终使数据的存储空间减少的技术。　　

数据压缩就是将字符串的一种表示方式转换为另一种表示方式，新的表示方式包含相同的信息量，但是长度比原来的方式尽可能的短。

数据通道的带宽越高，传输率便越高。例如，以太网1-BaseT( lO Mbit/s)的基本频率是lO MHz，而快速以太网(lOO Mbit/s)为31.25MHz。光缆的频率更高，它使用红外光范围(太赫范围)，其数据率在多Gbit/s的范围内。图B-5阐释了传输频率越高，信号的变化速率就越高。

图B—5低频率和高频率的数据率

增加带宽存在一些问题。大数据文件传输到系统的速度可能快到连接收器都来不及作出反应。接收器在可向发送方发出降低速度的信号之前可能已被数据填满，这会造成数据分组丢失，必须重发。以Gbit/s速率传输比特的网络操作速度如此之快，以致传输路径上单个系统中的瞬间延迟都可能导致在发送方收到该问题警报之前有数百个数据分组已经丢失。

增加带宽可能不会提供支持实时话音和视频传输的数据率。一个传输大文件的用户便可快速消耗所有带宽，并阻碍话音和视频数据分组的传输，从而产生延迟失真。惟一现实的QoS解决方案是事先保留带宽。

协议对带宽的影响

数据分组开销是减少实际发送的数据的因素之一。所有数据分组都包含一些头信息，因此数据分组中只有一部分是用户数据。此外，有些数据分组只用于发送控制消息而不是用户数据。对于以太网网络而言，电缆由多个必须轮流使用它的用户共享。随着访问该网络的用户数量的增加，争用将加剧，从而使某些数据分组需要重新传输。最终，共享通信系统(如以太网)可能仅使用20%～40%的规定容量来传输用户数据。当然，交换以太网可通过减少连接到网段的用户数目来解决争用问题。

TCP有一套专为找到在网络链路上传输数据分组的最有效方法而设计的机制。发送方将以低速率开始传输，然后逐渐增加该速率以避免拥塞网络，拥塞会造成数据分组丢失。如果接收方未能确认收到数据分组，发送方将开始降低发送速度。尽管该机制有效，但它却依靠数据分组的丢失作为信令机制!为此，人们提出并开发了其他方案。

TCP性能的一个有趣度量是“带宽x延迟”，它测量可通过管道传输(填满数据管道)的数据量。TCP使用滑动窗口机制，支持端到端的流量控制。TCP的窗口以字节为单位进行调整，以适应接收方的处理能力。处理过程如下：

TCP连接阶段，双方协商窗口尺寸，同时接收方预留数据缓存区；发送方根据协商的结果，发送符合窗口尺寸的数据字节流，并等待对方的确认；

接收方根据当前的处理能力，调整接收窗口的尺寸，并在确认中告知发送方；

发送方根据确认信息，改变窗口的尺寸，增加或者减少发送未得到确认的字节流中的字节数。调整过程包括：如果出现发送拥塞，发送窗口缩小为原来的一半，同时将超时重传的时间间隔扩大一倍。

TCP的窗口机制和确认保证了数据传输的可靠性和流量控制。在该机制中发送方和接收方的大量缓冲空间将允许发送方最大化链路上的吞吐量(即保持管道填满)。

问题可能会出现在所谓的“粗长管道”(如运行速度为45Mbit/s及更高速度的高容量数据分组卫星信道或跨国光纤通路)上。带宽要求和额定值在美国，联邦通信委员会(FCC)负责电磁频谱和各种通信系统带宽的分配。在电磁频谱中，声波占用低频范围，而微波、可见光、紫外光和X光占用高频范围。“电磁频谱”中介绍了各种通信技术占用的带宽。

表B-1中列出了各种应用的带宽要求。速率单位为bit/s、Kbit/s、Mbit/s和Gbit/s。压缩和其他技术可降低这些要求。

表B-1各种应用的带宽要求