デジタル通信システムとデータ伝送プロトコルの基本

Q: デジタル通信システムとは?

デジタル通信システムは、近代的な接続された世界の基礎インフラを形成します。 連続信号を使用するアナログシステムとは異なり、デジタルシステムは、0秒と1秒の配列として情報を送信します。 このバイナリ表現は、重要な利点を提供します。 ノイズ、効率的なエラー補正、簡単なデータ圧縮、および音声、ビデオ、およびデータを単一のネットワークに統合する機能。 すべてのテキストメッセージ、ビデオコール、Webページ負荷、およびIoTセンサー読書は、デジタル通信システムに依存して、数千万ものデータをエンコード、送信、および範囲の情報を変換し、再調整することができます。

デジタル通信システムとは?

デジタル通信システムは、近代的な接続された世界の基礎インフラを形成します。連続信号を使用するアナログシステムとは異なり、デジタルシステムは、0秒と1秒の配列として情報を送信します。このバイナリ表現は、重要な利点を提供します。ノイズ、効率的なエラー補正、簡単なデータ圧縮、および音声、ビデオ、およびデータを単一のネットワークに統合する機能。すべてのテキストメッセージ、ビデオコール、Webページ負荷、およびIoTセンサー読書は、デジタル通信システムに依存して、数千万ものデータをエンコード、送信、および範囲の情報を変換し、再調整することができます。

デジタルコミュニケーションシステムの中心コンポーネント

あらゆるデジタル通信システムは、重要なビルディングブロックの小さなセットに分解することができます。これらのコンポーネントがどのように作用するかを理解することで、より大きなシステムの動きを把握することができます。

送信機

送信機の役割は、選択した媒体上の伝搬に適した信号に、写真や電子メールを表すビットなど、生データを変換することです。このプロセスは通常、次の3つの段階を含みます。

[ ソースのコーディング:[]]] 圧縮アルゴリズムは、情報を表すために必要なビット数を減らし、帯域幅の効率を改善します。一般的な例には、オーディオ用の画像とMP3用のJPEGが含まれています。
[]チャンネルコード:[]] 送信中に導入されたエラーから保護するために、データストリームに冗長性が加えられます。結束コード、ターボコード、および低密度のパーソチェック(LDPC)コードなどの技術が広く使用されています。
[モージュレーション:]]] 暗号化されたデジタルストリームは、振幅、周波数、または相(またはその組み合わせ)によって、キャリア波に感銘を受けています。無線チャネル上の高データレートを達成するために、例えば、オーソゴン周波数分割多重化(OFDM)を使用します。

トランスミッションチャネル

チャネルは、送信機から受信機に信号を運ぶ物理的な媒体です。各チャネルのタイプにシステム設計に影響を与える別の特徴があります:

[有線チャンネル](ねじ付きペア、同軸ケーブル、])]光ファイバー)は、高い信頼性と管理された環境を提供します。特に、光ファイバーは、グローバルなインターネットインフラのバックボーンを形成し、非常に帯域幅と低信号損失を提供します。
ワイヤレスチャンネル](ラジオ、電子レンジ、赤外線)は、干渉、マルチパスのフェード、およびパスの損失に苦しむ。多様性の受信、イコライゼーション、および適応性調節などの技術は、通信品質を維持するために必要である。
光学チャンネル(フリースペースオプティクス、水中光リンク)は、物理的なケーブルが非現実的である特殊なアプリケーションで使用されます。

受取人

受信機は、送信機の操作を逆転させます。それは最初に、インコーミング信号を解読し、エンコードされたデジタルストリームを回復させます。その後、エラー補正アルゴリズムを適用して、ノイズや干渉によって導入されたビットエラーを特定し、修正します。最後に、ソースデコードは、元のフォームにデータを解読します。受信機は同期を処理する必要があります。送信機のクロックを合わせる - チャネルの歪みを補正する等しい。

エンコーダ/デコーダ

エンコーダとデコーダは、あらゆるシステムで物理的なデバイスを分離していません。むしろ、それらは、伝達の完全性のための情報の論理的処理を表しています。 [エラー検出と補正は、最も重要な機能の1つです。単純なチェックサムとサイクリティの冗長チェック(CRC)は、エラーを検出することができますが、ハムミングコードやReed-Solomonコードなどのより洗練されたコードは、自動的に限られた数のエラーを修正することができます。これらのメカニズムがなければ、ビデオのストリーム全体が壊れる可能性があります。

データ伝送プロトコル:道路の規則

合意された - アドオンルールのないデジタル通信システムは、混沌としているでしょう。プロトコルは、データのフォーマット、送信、受信、および承認の正確な手順を定義します。彼らは、異なるメーカーのデバイスが相互運用でき、そのデータは不当に、そして順調に到着できることを確認します。プロトコルは、ケーブルから電子メール添付のセマティクスまで、通信スタックのすべてのレベルに存在します。

OSIモデル:レイヤードアプローチ

Open Systems 相互接続(OSI)モデルは、ネットワーク通信を7つのレイヤーに分割する概念フレームワークです。 ] OSI モデルの理解]]]は、データが転送に失敗したときに、問題が発生した場所をエンジニアが隔離するのに役立ちます。レイヤーは、下から上まで、以下です。

] 物理層 (1):[ 物理媒体上の未加工ビットストリームを送信します。電気信号、コネクターおよびケーブルタイプで取引します。
[データリンクレイヤー(2):[]]]フレームはパケットにビットを分割し、エラー検出(CRC経由で頻繁に)を実行し、共有媒体(例えば、CSMA/CDをイーサネットで)へのアクセスを管理します。
[]ネットワークレイヤー(3):[]]複数のネットワークを横断するルートパケット。 IP(インターネットプロトコル)は、ここで動作します。
[トランスポートレイヤー(4):[]]]は、信頼性の高いエンドツーエンドの通信、フロー制御、エラーの回復を提供します。 TCP(トランスミッションコントロールプロトコル)は、最もよく知られている例です。
[]セッションレイヤー(5:[])は、セッションを管理します。アプリケーション間の接続を確立、維持、および終了します。
[ プレゼンテーションレイヤー(6):[[]] データを翻訳、暗号化、圧縮処理してデータを独立して解釈できるようにします。
[アプリケーションレイヤー(7):[]]]]])は、ネットワークサービスを直接ユーザーアプリケーション(HTTP、FTP、SMTPなど)に提供します。

共通のプロトコルスイートとその役割

OSIモデルは、教育補助であるが、実際の世界は、いくつかのレイヤーを組み合わせたTCP/IPプロトコルスイートによって支配されます。いくつかの重要なプロトコルを見てみましょう。

[TCP/IP[]:[]]]インターネットの基盤。 IPは、アドレスとルーティングを処理します。 TCPは、データがエラーフリーに達し、正しい順序で、必要に応じて失われたパケットを再送信することを保証します。一緒に、彼らは、Web閲覧からファイル転送まですべてを有効にします。
[HTTP / HTTPS:]]] Hypertext Transfer Protocol(およびその安全なバージョン、HTTPS)は、Webブラウザとサーバーがハイパーテキスト文書を交換する方法を定義します。 HTTPSは、TLS暗号化を追加し、eavesdroppingと改ざんからデータを保護します。
[FTP:]]ファイル転送プロトコルは、ネットワーク上のファイルをアップロードおよびダウンロードするための簡単な方法です。別の制御とデータ接続を使用します。
Bluetooth:]]:ヘッドフォン、キーボード、スマートウォッチなどの個人デバイスを接続するための低電力、短距離無線プロトコル。干渉を最小限に抑えるために、周波数のホッピングスプレッドスペクトルを使用します。
Wi-Fi(IEEE 802.11):[ワイヤレスローカルエリアネットワーク用のプロトコルのセット。近代的なバージョンでは、高度な変調とMIMOアンテナ技術を使用して、マルチギガビット速度を提供します。

プロトコルが信頼できる伝達をいかに確認するか

信頼性は複数のレイヤーでプロトコルに組み込まれています。

[エラー検出と補正:[]]] 各パケットのチェックサムまたはCRCは、受信機が完全性を検証することができます。 TCPは、例えば、ヘッダーとデータの上に16ビットチェックサムを使用します。チェックサムが一致しない場合、パケットは破棄され、送信者は再送信しなければなりません。
[]フロー制御:]]]) バッファがいっぱいであれば、送信機を遅くすることができます。 TCP は、混雑からパケット損失を防ぐためのスライドウィンドウとアクセナメントタイマーを使用します。
[輻輳制御:[]]] RenoやCUBICなどのTCPアルゴリズムは、パケットロス(混雑の兆候)を検出し、それに応じて伝送速度を削減し、すべてのユーザーのためにネットワークを安定させるのを助けます。
[データ暗号化:] TLS(HTTPSで使用)やIPsecなどのプロトコルは、攻撃者がデータをキャプチャしても、読み取れません。これは、電子商取引、銀行、およびプライベート通信に不可欠です。

なぜデータ伝送プロトコルが慣行に重要

プロトコルの重要性は、過度にはなりません。それらなしで、私たちはそれが互換性のない信号のチャオティック・ジャンブルになるだろうと知っているインターネット。以下は3つの主な利点です。

[相互運用性:]]]は、スウェーデンに建てられたルータと、ブラジルでホストされているサーバーと通信できるため、同じ標準プロトコルを実装しています。この普遍的な互換性は、グローバル通信が可能なものです。
[セキュリティとプライバシー:[]プロトコルは、暗号化キーが交換される方法、証明書が締約国を認証する方法、およびデータが変更から保護される方法を定義します。例えば、TLSハンドシェイクプロトコルは、安全なセッションを確立する前に、ウェブサイトの証明書が有効であることを確認します。
[] スケールとパフォーマンス:[]] レイヤーされたプロトコルは、ネットワークがシステム全体を再設計することなく数ノードから数十億単位で成長させることができます。インターネットの階層的なアドレス(CIDR)とルーティングプロトコル(BGP)は、作業負荷を効率的に分配します。

リアルワールドアプリケーション

デジタル通信システムとプロトコルは、見えないが不可欠です。Netflixで4Kビデオをストリーミングすることを検討してください。ビデオファイルは、パケットに分割されたH.265(ソースコーディング)を使用してエンコードされ、TLSで暗号化され、IPを使用してルータの数十を経由してルータをルーティングし、エラー修正でテレビで再構築されます。このすべてが、何百万ものデバイスが同じプロトコルに準拠しているため、ミリ秒で行われます。同様に、IoTセンサーは、産業用プロトコルのMQ / tQ / mint / mint / mint / mint / mint / mint / mint / mint / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min / min /

コンテンツ

デジタル通信システムとデータ伝送プロトコルの基本を理解することは、現代のテクノロジーで働く人にとって不可欠です。学生がネットワーク化の基礎を学習しているかどうか、カリキュラムの設計、または専門的な建物ネットワークアプリケーションを設計する教育者であるかどうか。堅牢なハードウェアコンポーネント(トランジター、チャンネル、受信機)とインテリジェントなソフトウェアプロトコル(TCP/IP、HTTP、Bluetooth)の組み合わせは、世界規模の電力をシームレスな接続を作成します。テクノロジーは、5G、IoT、およびコアセキュリティの探索の自動化、および、およびコアの概念の拡大、およびネットワークの概念の概念の拡大、およびネットワークの概念の拡大、およびネットワークの概念の拡大、およびネットワークの拡大に進んでいます。