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  • 计算机网络基础之数据传输方式(二)
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    2021-02-26 18:40:43

    温故:

    今天咱们继续之前的内容,还是讲之前没有讲完的传输方式,希望大家在看到这部分的时候,也不要忘了去复习一下之前看到的内容,当然了还是我说过的话,我写的东西不一定准确,所以希望大家在阅读的时候能够积极地给出一些见解,尤其是有不对的地方烦请一定要提出来,我们共同进步。

    关于上一篇文章 的链接如下:

    计算机网络基础之数据传输方式(一)

    知新:

    一、单工、半工和全双工

    前面我们已经说过,按照数据传输的方向可以将传输方式分为三种:单工、半双工和全双工。

    1、单工传输:单工传输只支持数据在一个方向上传输,数据传送只能在一个方向上进行,任何时候都不能改变方向,就像公路上的单行道,例如无线电广播。

    2、半双工传输:半双工传输允许数据在两个方向上传输,但是还是有限制的地方,就是在同一时刻只允许数据在一个方向上传输,从本质上来说,它应该是一种可以切换方向的单工通信,就像一条窄到只容一辆车通过的马路,虽然它不是单行道,两个方向皆可以通行,但是同一时间却只能有一个通过。传统的对讲机使用的就是半双工的通信方式。

    3、全双工传输:全双工传输允许数据同时在两个方向传输,即有两个信道,因此才能允许双向同时传输。全双工通信是两个单工通信的集合,要求收发双方都有独立的收发能力,就行马路上的双向车道,你走你的我走我的,互不干涉计算机之间的通信。

    下面的三幅图分别展现了单工、半双工和全双工

    二、基带传输和频带传输

    基带传输和频带传输是数据的两种基本的传输方式。在计算机网络中,基带传输是指计算机数据的数字信号传输,频带传输是指计算机数据的模拟信号传输。关于这两种传输方式咱们就简单介绍一下就可以了。

    1、基带传输:在数据通信中,表示计算机中的二进制数字序列的最方便的电信号的形式为矩形方波,即1、0分别用高低电平或低高电平来表示,这种由计算机或终端产生的0、1数字脉冲信号称之为基带信号,人们把矩形脉冲信号的固有频带称之为基本频带,即基带。基带传输就是在数字信道上直接传送0、1脉冲信号的方法。数字信号可以直接采用基带传输,因此基带传输的过程就是先在发送端将信源的数据经过编码器转换为可以适于直接传输的数字基带信号,然后通过基带信道传送到接收端,接收端再解码成原来的数据发给信宿,近距离通信的局域网都采用基带传输。在基带传输中整个信道只传一路信号,通道利用率低。

    2、频带传输:为了利用模拟语音通信的电话网实现计算机的数字信号的传输,必须先将数字信号转变为模拟信号,把数据的数字信号调制成电话系统模拟信道频率范围内的模拟信号,在进行传输,这就是所谓频带传输。计算机的远距离传输通常采用的就是频带传输。用户拨号上网就是属于频带传输。

    不行了,困了,写不动了。

    小二,关门上闸板,睡觉!!!

    j

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    温故:

            模拟信号转换为数字信号需要一个设备编码解码器(CODEC),CODEC将表示声音的模拟信号编码转换成用二进制位流表示的数字信号,而线路的另一端的CODEC会将二进制位流解码恢复成原来的模拟数据。

            数字信号可以直接用二进制的数字脉冲信号来表示,但是为了改变其传播特性,还是需要对二进制数据进行编码。数字信号也可以使用模拟信号来表示,这个时候就需要调制解调器(MODEM),它将数字信号调制成模拟信号,使之能够在适合模拟信号上的介质传输,然后在线路的另一端,MODEM会再把模拟信号解调为原来的数字信号。
            如果对这部分有兴趣,可以看《计算机网络基础之信号

    知新:

            各位客官早,小店今日推出特色套餐“计算机网路基础之数据传输方式”,这道菜可以说是最近一段时间以来最硬的一道特色菜,还望各位走过路过的客官能暂缓脚步,尝一尝!当然了还是免费赠送哦!!!

    一、数据传输方式“大盘鸡”

            数据传输方式是数据在信道上传送所采取的方式。若按数据传输的顺序来划分的话,可以分为并行传输和串行传输;在串行传输时,若按通信两端的同步方式来划分的话可以分为同步传输和异步传输;若按数据传输的方向可以分为单工、半双工、全双工传输;若按照传输信号的频率范围可以划分为基带传输和频带传输。

    二、并行传输和串行传输

            1、并行传输:并行传输指的是数据以成组的方式,在多条并行信道上同时进行传输,是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。常用的是将构成一个字符的几位二进制码同时分别在几个并行的信道上传输。并行传输时,一次可以传一个字符,收发双方不存在同步的问题。而且速度快、控制方式简单。但是,并行传输需要多个物理通道。所以并行传输只适合于短距离、要求传输速度快的场合使用。

            2、串行传输:使用一条数据线,将数据一位一位地依次传输,每一位数据占据一个固定的时间长度。只需要一条数据线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、外设之间的远距离通信。在这里我必须要提到的一点是:串行传输时,数据要先由计算机内的发送设备将几位总线的并行数据经过并/串转换硬件转换成串行方式,再逐位经传输线到达接收站的设备中,并在接收端重新将数据从串行方式转换为并行方式。串行的优点是成本低,只需要一个通道就可以,支持长距离传输,缺点是速度慢,需要进行串并转换。

    如果说这两张图看的不够明显的话,那么看下面的这张图应该就足够大家看明白二者之间的不同了

    突然觉得最后这张图片看着好顺眼!!!

    注意:

            在串行通信时,存在一个严重的问题是需要解决的,即同步问题。因为在串行通信的过程中,介质每一次传输数据,发送器和接收器对这些数据都必须有时序控制,才能保证接收方准确无误接收每一位数据,就是说接收方必须准确无误知道他接收的每一位的开始时间和持续时间,所以就有了用来控制时序的同步技术:同步传输和异步传输。

    三、三种同步技术

            1、同步技术:串行中的同步技术根据同步单位的大小不同有分为了以下三类,分别是位同步、字符同步和帧同步。关于位同步,从概念上就可以理解了。数据通信中最小的传输单位就是位(比特),既然是位同步,自然就是要求将发送端发送的每一个比特都正确的接收下来。位同步的基本含义是收发两端的时钟频率必须同频、同相,只有这样接收端才能正确接收和判断每一个发送过来的码元。但是位同步法又分为了外同步法和内同步法。这两种同步方法的区别是外同步法是接收端事先接收发送端的同步时钟信号,以此为校准,校准好之后后面数据的收发都按照这个频率来接收,就像甲乙提前说好了每天6:00-8:00、10:00-12:00、14:00-16:00会给乙发消息,然后乙就按照这个约定每天正确接收消息即可。外同步法大概就是这个意思。至于内同步法就是甲乙两个人不提前通知了,乙需要在甲发过来的数据信号中提取到时钟同步的方法,有点像以前打鬼子发电报一样,需要解码的。因此采用这种技术的话,就要求发送端在发送数据时还需要使用编码器对这一段数据进行特殊的编码。说完了位同步,咱们再聊聊字符同步。

            2、字符同步:字符同步其实是对位同步的一种补充,为什么这么说呢?因为刚刚讲过了位同步可以正确无误的使接收端接收到所有的码元,但是字符是由多个码元组成的,只有完整的识别了每一个字符的所有的码元的边界,才能完整的识别字符,不然单个的码元接收的再准确组不成完整的字符也没有意义。还有一点是要注意的,字符同步属于异步传输。

            3、帧同步:在串行数据通信中,接收端从串行数据流中正确的区分出由位组成的各个数据块(帧)的边界,以便能正确的识别出一个帧的开始和结束所采取的措施成为帧同步,帧同步是采用同步传输。

    四、同步传输和异步传输

            1、异步传输:又称之为起止式传输,实现的是字符同步。它以字符作为传输单位,在每一个字符的前后都各增加一个起始位和停止位,用起始位和停止位来指示被传输的字符的开始和结束,在接收端,去除起始位和停止位后就是剩下的被传输的数据。使用异步串口传送一个字符的信息时,对数据格式有如下约定:规定有空闲位、起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。其中各位的意义如下:

      起始位:先发出一个逻辑”0”信号,表示传输字符的开始。

      数据位:紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等,构成一个字符。通常采用ASCⅡ码。从最低位开始传送,靠时钟定位。

      奇偶校验位:资料位加上这一位后,使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验),以此来校验资料传送的正确性。

      停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

      空闲位:处于逻辑“1”状态,表示当前线路上没有资料传送。

    对下面的图进行一下解释:无数据传输时,传输线处于空闲停止状态,即高电平;当检测到传输线由高电平变成低电平时,即检测到起始位,接收端启动定时机构,按收发双方约定的时钟频率对约定好的比特位(5-8b)进行接收,并按约定的校验算法进行差错控制;等待传输线状态从低电平变为高电平时,即检测到终止位,接收结束。

    异步传输的优点是实现简单,但数据传输的额外开销大(每个字符需要加起始位和停止位)。因此这种方式使用于低速设备,如键盘和某些打印机等。

            2、同步传输:同步传输方式不是对每个字符单独同步,而是对数据块进行同步,实现的是帧同步。为了使接收方能够判断数据块的开始和结束,必须在每个数据块的开始和结束处加特殊的同步标志,组成数据帧后传输。

    面向字符的传输:如果数据块由字符组成(字符组成组连续传送),则以一个或多个同步字符SYN作为同步标志,发送前收发双方先约定同步字符的个数,以便实现接收与发送的同步;接收端一旦检测到同步字符SYN,即按照双方约定的时钟频率接收数据,知道帧结束标志出现。

    面向位的传输:这种当时的传输是把数据块作为位流传输而不是作为字符传输,用特殊的位组合如01111110作为同步标志,至于传输原理与面向字符的传输原理是一样的。该方式中整个数据块作为一个单元传输,不再需要对每一个字符添加表示起始和停止的控制位,因此开销小一些。

    今天就先讲到这里,明天继续。欲知后事如何,请听下回分解《计算机网络基础之数据传输方式(二)》。

    小二儿,关门,上闸板,洗脚去。

    展开全文
  • 数据传输方式(零拷贝)

    千次阅读 2018-09-22 09:06:19
    在介绍零拷贝之前我想说下在计算机系统中数据传输方式。 早期阶段: 分散连接,串行工作,程序查询。 在这个阶段,CPU就像个保姆一样,需要手把手的把数据从I/O接口从读出然后再送给主存。 这个阶段具体...

    目录

    数据传输方式

    早期阶段

    接口模块

    DMA

    具有通道结构的阶段

    具有I/O处理机的阶段

    传统拷贝

    零拷贝


    在介绍零拷贝之前我们先说下在计算机系统中数据传输的方式。

    数据传输方式

    早期阶段

    分散连接,串行工作,程序查询。 在这个阶段,CPU就像个保姆一样,需要手把手的把数据从I/O接口从读出然后再送给主存。 

    这个阶段具体流程是:

    1. CPU主动启动I/O设备
    2. 然后CPU一直问I/O设备老铁你准备好了吗,注意这里是一直询问。
    3. 如果I/O设备告诉了CPU说:我准备好了。CPU就从I/O接口中读数据。
    4. 然后CPU又继续把这个数据传给主存,就像快递员一样。

    这种效率很低,数据传输过程一直占据着CPU,CPU不能做其他更有意义的事。

    接口模块

    在冯诺依曼结构中,每个部件之间均有单独连线,不仅线多,而且导致扩展I/O设备很不容易,我们上面的早期阶段就是这个体系,叫做分散连接。扩展一个I/O设备得连接很多线。所以引入了总线连接方式,将多个设备连接在同一组总线上,构成设备之间的公共传输通道。

    在这种模式下数据交换采用程序中断的方式

    1. CPU主动启动I/O设备。
    2. CPU启动之后不需要再问I/O,开始做其他事,类似异步化。
    3. I/O准备好了之后,通过总线中断告诉CPU我已经准备好了。
    4. CPU进行读取数据,传输给主存中。

    DMA

    虽然上面的方式虽然提高了CPU的利用率,但是在中断的时候CPU一样是被占用的,为了进一步解决CPU占用,又引入了DMA方式,在DMA方式中,主存和I/O设备之间有一条数据通路,这下主存和I/O设备之间交换数据时,就不需要再次中断CPU。

    具有通道结构的阶段

    在小型计算机中采用DMA方式可以实现高速I/O设备与主机之间组成数据的交换,但在大中型计算机中,I/O配置繁多,数据传送平凡,若采用DMA方式会出现一系列问题。

    • 每台I/O设备都配置专用额DMA接口,不仅增加了硬件成本,而且解决DMA和CPU访问冲突问题,会使控制变得十分复杂。
    • CPU需要对众多的DMA接口进行管理,同样会影响工作效率。

    所以引入了通道,通道用来管理I/O设备以及主存与I/O设备之间交换信息的部件,可以视为一种具有特殊功能的处理器。它是从属于CPU的一个专用处理器,CPU不直接参与管理,故提高了CPU的资源利用率

    具有I/O处理机的阶段

    输入输出系统发展到第四阶段,出现了I/O处理机。I/O处理机又称为外围处理机,它独立于主机工作,既可以完成I/O通道要完成的I/O控制,又完成格式处理,纠错等操作。具有I/O处理机的输出系统与CPU工作的并行度更高,这说明IO系统对主机来说具有更大的独立性。

    我们可以看到数据传输进化的目标是一直在减少CPU占有,提高CPU的资源利用率。

    接下来进入拷贝的正题

    传统拷贝

    传统的拷贝方式具体的数据流转图如下

    1. CPU发指令给I/O设备的DMA,由DMA将我们磁盘中的数据传输到内核空间的内核buffer。
    2. 第二阶段触发我们的CPU中断,CPU开始将将数据从kernel buffer拷贝至我们的应用缓存
    3. CPU将数据从应用缓存拷贝到内核中的socket buffer.
    4. DMA将数据从socket buffer中的数据拷贝到网卡缓存。

    总共需要经历四个阶段,2次DMA,2次CPU中断,总共四次拷贝,有四次上下文切换,并且会占用两次CPU。

    优点:开发成本低,适合一些对性能要求不高的,一些管理系统就足够使用了

    缺点:多次上下文切换,占用多次CPU,性能比较低。

    零拷贝

    什么是零拷贝呢?在wiki中的定位:通常是指计算机在网络上发送文件时,不需要将文件内容拷贝到用户空间(User Space)而直接在内核空间(Kernel Space)中传输到网络的方式。

    sendFile实现零拷贝

    sendfile 是 Linux 2.1 内核版本后引入的一个系统调用函数,API 如下:

    ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
    # out_fd:为待写入内容的文件描述符,一个socket描述符。
    # in_fd:为待读出内容的文件描述符,必须是真实的文件,不能是 socket 和管道。
    # offset:指定从读入文件的哪个位置开始读,如果为 NULL,表示文件的默认起始位置。
    # count:指定在 fdout 和 fdin 之间传输的字节数。

    在java NIO中FileChannal.transferTo()实现了操作系统的sendFile

    1. 调用sendfie(),CPU下发指令叫DMA将磁盘数据拷贝到内核buffer中。
    2. DMA拷贝完成发出中断请求,进行CPU拷贝,拷贝到socket buffer中。sendFile调用完成返回。
    3. DMA将socket buffer拷贝至网卡buffer。

    可以看见我们根本没有把数据复制到我们的应用缓存中,所以这种方式就是零拷贝

    以上虽然减少到了只有三次数据拷贝[磁盘->内核缓冲区->socket缓冲区->网卡],但是还是需要CPU中断复制数据。为啥呢?因为DMA需要知道内存地址我才能发送数据啊。所以在Linux2.4内核中做了改进(sendfile+DMA scatter/gather),将Kernel buffer中对应的数据描述信息(内存地址,偏移量)记录到相应的socket缓冲区当中。 最终形成了下面的过程: 

    可以发现,sendfile+DMA scatter/gather 实现的零拷贝,I/O 发生了 2 次用户空间与内核空间的上下文切换,以及 2 次数据拷贝。其中 2 次数据拷贝都是 DMA 拷贝。这就是真正的 零拷贝(Zero-copy) 技术,全程都没有通过CPU来搬运数据,所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。

    在第三方开源框架中Netty,RocketMQ,kafka中都有类似的代码

    mmap映射

    上面我们提到了零拷贝的实现,但是我们只能将数据原封不动的发给用户,并不能自己使用。于是Linux提供的一种访问磁盘文件的特殊方式,可以将内存中某块地址空间和我们要指定的磁盘文件相关联,从而把我们对这块内存的访问转换为对磁盘文件的访问,这种技术称为内存映射(Memory Mapping)。 我们通过这种技术将文件直接映射到用户态的内存地址,这样对文件的操作不再是write/read,而是直接对内存地址的操作。   

    mmap 使用了虚拟内存,可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址,从而减少数据拷贝次数!

    • 用户进程通过 mmap 方法向操作系统内核发起 IO 调用,上下文从用户态切换为内核态。

    • CPU 利用 DMA 控制器,把数据从硬盘中拷贝到内核缓冲区。

    • 上下文从内核态切换回用户态,mmap 方法返回。

    • 用户进程通过 write 方法向操作系统内核发起 IO 调用,上下文从用户态切换为内核态。

    • CPU 将内核缓冲区的数据拷贝到的 socket 缓冲区。

    • CPU 利用 DMA 控制器,把数据从 socket 缓冲区拷贝到网卡,上下文从内核态切换回用户态,write 调用返回。

    可以发现,mmap+write 实现的零拷贝,I/O 发生了 4 次用户空间与内核空间的上下文切换,以及 3 次数据拷贝。其中3次数据拷贝中,包括了 2 次 DMA 拷贝和 1 次 CPU 拷贝。

    mmap 是将读缓冲区的地址和用户缓冲区的地址进行映射,内核缓冲区和应用缓冲区共享,所以节省了一次 CPU 拷贝‘’并且用户进程内存是虚拟的,只是映射到内核的读缓冲区,可以节省一半的内存空间。

    参考链接:

    走进科学之揭开神秘的"零拷贝"!

    展开全文
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    SPI同步传输接口Serial Peripheral Interface,不同于I2C的是可以实现全双工通信。常说的四线SPI包括SCLK(Serial clock)用于产生同步信号、MISO(master in slave out)、MOSI(master out slave in)以及/SS(slave ...
    SPI同步传输接口Serial Peripheral Interface,不同于I2C的是可以实现全双工通信。常说的四线SPI包括SCLK(Serial clock)用于产生同步信号、MISO(master in slave out)、MOSI(master out slave in)以及/SS(slave slecet)片选信号,其功能通过移位寄存器来实现。
    SPI功能结构
    SPI分为master和salve,波特率及相应的clk通过主机master来产生,片选信号为低时生效开始工作。

    数据传输方式
    SPI控制寄存器可以设置不同的phase和polarity来得到四种不同的工作模式,四种时间模式:根据不同的phase和polarity组合来得到。在master和slave可以设置不同,而即使可以变化设置来适合不同的场景。其中polarity用来设置不工作无效时处于高电平HIGH还是低电平LOW,phase用来设置在clock的哪一个边沿采样,理解上clk的另一边沿则为切换发送数据的时刻点。

    当phase设置为0是,数据的传输方式

    当phase设置为1时,数据的传输方式

    设备连接的方式
    维基百科上介绍了几种链接方式,简单明了的链接方式如下

    一个master多个slave和多个ss的连接方式

    一个master和多个slave使用一个片选信号的连接方式,理解上利用了多个寄存器循环移位

    QSPI/SSP与SPI
    QSPI与普通SPI最大的差别在于其最多可以有四个数据线,亦即同时可以传输四个比特,可选择为1个比特、两个比特及四个比特的不模式。SSP亦即synchronous serial port,SSP的好处,实在在资源复用情况下,可以根据需求选择为SPI或I2C的模式进行工作。

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    在互联网的世界里,数据劫持的安全问题尤为突出,如何防止数据传输过程中被劫持?  场景:  一、数据抓包  一旦电脑被注入程序(如:你浏览某些不良网站,就很容易被注入程序),会导致你电脑所...

空空如也

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数据传输方式

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