Передача данных

Передача данных означает перемещение данных из одного места в другое — например, от вашего компьютера на веб-сайт или от телефона к принтеру.

Данные часто передаются по кабелю. Ниже показаны два распространённых типа.

Перед отправкой данные разбиваются на небольшие равные части, называемые пакетами. Каждый пакет передаётся отдельно, а затем они собираются обратно на другом конце.

Использование пакетов имеет преимущества:

• если один пакет потерян или повреждён, повторно отправляется только он, а не весь файл;
• пакеты могут следовать по разным маршрутам, что позволяет избежать загруженных или неисправных путей;
• множество пользователей могут одновременно использовать одно соединение.

Каждый пакет состоит из трёх частей.

Заголовок пакета содержит:

• IP-адрес отправителя (откуда пришёл пакет),
• IP-адрес получателя (куда он идёт),
• номер пакета (чтобы пакеты можно было собрать в правильном порядке).

Коммутация пакетов — это способ передачи пакетов через сеть.

• Специальные устройства, называемые маршрутизаторами, читают заголовок каждого пакета и выбирают для него лучший маршрут.
• Каждый пакет может следовать по собственному пути, поэтому пакеты могут двигаться разными способами.
• Пакеты могут приходить не по порядку.
• Когда последний пакет прибыл, пакеты сортируются по их номерам.

Последовательная и параллельная

Последовательная передача отправляет биты друг за другом по одному проводу. Параллельная передача отправляет несколько бит одновременно по нескольким проводам, поэтому она быстрее на коротких расстояниях.

Простой, полуduplex и полный duplex

Эти термины описывают направление, в котором могут передаваться данные.

Выбор метода

Выбор зависит от расстояния, требуемой скорости, стоимости и необходимости одновременной двусторонней передачи данных.

Универсальная последовательная шина (USB) — это распространенный интерфейс (точка подключения) для соединения устройств с компьютером.

Преимущества:

• один и тот же разъём используется многими устройствами (единый стандарт);
• устройство определяется автоматически, и загружается правильный драйвер;
• передается питание, поэтому устройство может заряжаться или работать.
• разъём подходит только одним способом, поэтому его трудно подключить неправильно.

Недостатки:

• длина кабеля может быть ограничена (несколько метров);
• более старые версии USB медленнее новых;
• скорость передачи может быть ниже, чем у некоторых других типов подключений.

Пока данные передаются, помехи могут их изменить. Возможны три типа ошибок:

• потеря данных — некоторые биты не доходят до получателя;
• появление лишних данных — добавляются лишние биты;
• изменение данных — некоторые биты инвертируются.

Поэтому приёмник проверяет, правильно ли поступили данные.

Проверка чётности

Проверка чётности добавляет один дополнительный бит, бит чётности, к каждому байту. Существует два типа:

• четная проверка — общее количество нулей 1 в байте (включая контрольный бит) должно быть четным;
• нечётная чётность — общее количество 1 должно быть нечётным.

Пример (четная проверка): данные 1011001 содержат четыре единицы 1, что уже является четным числом, поэтому контрольный бит равен 0:

parity bit + data
    0        1011001

Для обнаружения ошибки: приемник подсчитывает количество 1. Если было согласовано четное число единиц, но получен байт с нечетным количеством 1, значит, произошла ошибка при передаче.

Проверка чётности не позволяет обнаружить все ошибки. Если инвертируются два бита, подсчёт может по-прежнему выглядеть верным.

Разобранное решение. Один бит чётности показывает что произошла ошибка, но не где. Блок проверки чётности позволяет найти точный ошибочный бит. Несколько байтов отправляются одновременно, каждый со своим битом чётности строки, а внизу находится дополнительный байт чётности, содержащий бит чётности для каждого столбца. Ниже используется чётная чётность, и во время передачи был инвертирован один бит. Найдите его.

          b1 b2 b3 b4 b5 | parity
 byte 1    1  0  1  1  0 |   1
 byte 2    0  1  1  0  1 |   1
 byte 3    1  1  1  1  0 |   1    <- row: odd number of 1s
 byte 4    0  0  1  1  0 |   0
 ------------------------------
 parity    0  0  1  1  1 |   1
                 ^ column b3: odd number of 1s

Строка байт 3 нарушает чётную чётность, а столбец b3 также нарушает чётную чётность. Инвертированный бит находится в месте их пересечения: байт 3, бит b3. Возвращение его из 1 в 0 восстанавливает данные. Один бит чётности лишь сообщает о факте ошибки; блок чётности указывает точное место, поэтому приёмник может даже исправить ошибку.

Сумма контроля

Сумма контроля — это значение, вычисленное на основе всех данных перед отправкой. Приёмчик снова вычисляет сумму контроля по полученным данным. Если эти значения не совпадают, произошла ошибка, и данные отправляются повторно.

Эхо-проверка

При эхо-проверке приёмщик возвращает данные отправителю. Отправитель сравнивает их с оригиналом. Если они различаются, произошла ошибка. (Это требует повторной отправки данных, поэтому метод медленный.)

Автоматический запрос повтора (ARQ)

Автоматический запрос повтора (ARQ) использует сообщения, называемые подтверждениями.

• Приёмщик отправляет положительное подтверждение, если пакет поступил корректно, или отрицательное подтверждение, если нет.
• Отправитель запускает таймер таймаута. Если положительное подтверждение не приходит вовремя, отправитель пересылает пакет.

Контрольная цифра

Контрольная цифра — это дополнительная цифра, помещаемая в конец числа, которая вычисляется на основе остальных цифр. Она используется для выявления ошибок при вводе числа.

Когда число вводится, контрольная цифра вычисляется заново и сравнивается. Она позволяет выявить:

• неправильную цифру, введенную вручную,
• ошибку транспозиции (две цифры переставлены местами, например, 21 введено как 12),
• пропущенную цифру или лишнюю цифру,
• фонетическую ошибку (цифры, звучащие похоже, например, 13 и 30).

Контрольные цифры используются в штрихкодах и ISBN (номеров книг).

Зачем нужно шифрование

Шифрование маскирует данные так, чтобы их нельзя было понять, если они будут перехвачены (зафиксированы) посторонним лицом. Читаемые данные называются открытым текстом; после шифрования они становятся шифротекстом.

Шифрование не предотвращает перехват данных. Оно лишь мешает их пониманию.

Симметричное шифрование

Симметричное шифрование использует один ключ как для шифрования, так и для расшифровки данных. Отправитель и получатель должны иметь общий секретный ключ. Риск заключается в том, что сам ключ может быть украден во время обмена.

Асимметричное шифрование

Асимметричное шифрование использует два разных ключа:

• публичный ключ, доступный любому, используемый для шифрования;
• приватный ключ, который хранится в секрете и используется для расшифровки.

Данные, зашифрованные публичным ключом, можно расшифровать только соответствующим приватным ключом, поэтому ключ никогда не нужно передавать. Это безопаснее, чем обмен одним секретным ключом.

*Симметричное использует один общий ключ; асимметричное использует открытый ключ для шифрования и закрытый для расшифровки

• Данные передаются пакетами (заголовок с адресами и номером пакета, полезная нагрузка и хвост). Пакеты могут следовать разными маршрутами и прибывать в неправильном порядке, затем они упорядочиваются по номерам пакетов.
• Соотнесите типы передачи: последовательная (по одному биту, эффективна на больших расстояниях) против параллельной (несколько битов одновременно, малые расстояния); простой / полудуплексный / полный дуплекс описывают направление.
• Один бит чётности лишь указывает что произошла ошибка; блок чётности находит точный неверный бит — строку и столбец, которые оба показывают сбой.
• Выучите методы обнаружения ошибок и назначение каждого: проверка чётности, сумма контроля, эхо-проверка, ARQ и контрольная цифра (для чисел, вводимых вручную).
• Симметричное шифрование использует один общий ключ; асимметричное использует публичный ключ для шифрования и приватный для расшифровки, поэтому секретный ключ никогда не передаётся.