数据传输

数据传输(data transmission)意味着把数据从一个地方移到另一个——例如从你的计算机到一个网站,或从一部手机到一台打印机。

数据常常沿一根电缆行进。下面显示两种常见的。

在它被发送之前,数据被分解成叫数据包(packets)的小的、相等大小的片。每个数据包分别行进,而它们在另一端被重新组合。

用数据包有好处:

• 若一个数据包丢失或损坏,只有那个数据包被再次发送,而不是整个文件;
• 数据包能走不同的路由,所以一个繁忙或损坏的路由能被避免;
• 许多用户能同时共享同一个连接。

每个数据包有三部分。

包头容纳:

• 发送方的 IP 地址(address,数据包来自哪里),
• 接收方的 IP 地址(它去哪里),
• 数据包号(所以数据包能被以正确的顺序重新组合)。

数据包交换(packet switching)是数据包在一个网络上被发送的方式。

• 叫路由器(routers)的特殊设备读每个数据包的包头并为它选择最好的路由。
• 每个数据包可能走它自己的路径,所以数据包能以不同的方式行进。
• 数据包可能乱序到达。
• 当最后一个数据包到达时,数据包用它们的数据包号被重新排序。

Serial and parallel

串行沿一根单一的导线一个接一个地发送位。并行沿几根导线同时发送几位,所以它在短距离上更快。

Simplex, half-duplex and full-duplex

这些描述数据能行进的方向。

Choosing a method

选择取决于距离、需要的速度、成本,以及数据是否必须同时两个方向行进。

通用串行总线(universal serial bus,USB)是一个把设备连接到一台计算机的常见接口(interface,一个连接点)。

好处:

• 同样的连接器被许多设备使用(一个标准);
• 设备被自动检测,而正确的驱动被加载;
• 它携带电,所以它能充电或运行一个设备;
• 连接器只以一种方式插入,所以难以插错。

缺点:

• 电缆只能是一个有限的长度(几米);
• 较旧的 USB 版本比较新的慢;
• 传输速度能低于一些其他连接类型。

当数据行进时,干扰(interference)能改变它。三件事能出错:

• 数据丢失——一些位没有到达;
• 数据增加——额外的位被加上;
• 数据改变——一些位被翻转。

所以接收方检查数据是否正确地到达。

Parity check

一个奇偶校验(parity check)给每个字节加一个额外的位,奇偶校验位(parity bit)。有两种类型:

• 偶校验——字节中 1 的总数(包括奇偶校验位)必须是偶;
• 奇校验——1 的总数必须是奇。

例子(偶校验):数据 1011001 有四个 1,它已经是偶,所以奇偶校验位是 0:

parity bit + data
    0        1011001

要找到一个错误:接收方数 1。若约定了偶校验但一个字节到达时带奇数目的 1,一个错误在传输期间发生了。

一个奇偶校验不能找到每个错误。若两位翻转,计数可能仍看起来正确。

例题。 一个单一的奇偶校验位告诉你一个错误发生了,但不告诉在哪里。一个奇偶校验块(parity block)能找到确切的位。几个字节一起被发送,每个带一个行奇偶校验位,而底部一个额外的奇偶校验字节(parity byte)为每一列容纳一个奇偶校验位。下面用了偶校验,而一位在传输期间被翻转。找到它。

          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

行 byte 3 打破偶校验,而列 b3 打破偶校验。翻转的位是它们交叉的地方:byte 3, bit b3。把它从 1 改回 0 修复数据。一个单一的奇偶校验位只说一个错误发生了;一个奇偶校验块确切地说在哪里,所以接收方甚至能修复它。

Checksum

一个校验和(checksum)是发送前从所有数据算出的一个值。接收方从它收到的数据再次算出校验和。若两个值不匹配,一个错误发生了,而数据被重新发送。

Echo check

在一个回送校验(echo check)中,接收方把数据发送回发送方。发送方把它与原始比较。若它们不同,一个错误发生了。(这需要数据被发送两次,所以它慢。)

Automatic Repeat reQuest (ARQ)

自动重传请求(Automatic Repeat reQuest,ARQ)用叫确认(acknowledgements)的消息。

• 若一个数据包正确地到达,接收方发送一个肯定确认;若它没有,发送一个否定确认。
• 发送方启动一个超时(timeout)计时器。若没有肯定确认及时回来,发送方再次发送数据包。

Check digit

一个校验码(check digit)是放在一个数末端的一个额外数字,从其他数字算出。它被用来在一个数被键入时找到错误。

当数被输入时,校验码被再次计算并比较。它能捕捉:

• 输入了一个不正确的数字,
• 一个换位错误(transposition error,两个数字被交换,例如 21 被键成 12),
• 一个数字被遗漏或加了一个额外的数字,
• 一个语音错误(一个听起来相似的数字,例如 13 和 30)。

校验码被用于条形码(barcodes)和 ISBN(书号)。

Why we need encryption

加密(encryption)打乱数据,使它在被错误的人拦截(intercepted,捕获)时不能被理解。可读的数据叫明文(plaintext);加密后它变成密文(ciphertext)。

加密不阻止数据被拦截。它只阻止数据被理解。

Symmetric encryption

对称加密(symmetric encryption)用一个单一的密钥(key)来加密和解密数据两者。发送方和接收方必须共享这个同样的秘密密钥。风险是密钥本身可能在被共享时被偷。

Asymmetric encryption

非对称加密(asymmetric encryption)用两个不同的密钥:

• 一个任何人都能有的公钥(public key),用来加密;
• 一个保密的私钥(private key),用来解密。

用公钥加密的数据只能用匹配的私钥解密,所以密钥从不必被共享。这比共享一个秘密密钥更安全。

• 数据以数据包发送(一个带地址和数据包号的包头、一个有效载荷,和一个尾部)。数据包能走不同的路由并乱序到达,然后由它们的数据包号重新排序。
• 匹配传输类型:串行(一次一位,长距离上好)对并行(一次几位,短距离);单工 / 半双工 / 全双工描述方向。
• 一个单一的奇偶校验位只显示一个错误发生了;一个奇偶校验块定位确切的错误位——都失败的那一行和那一列。
• 学习错误检测方法以及每个做什么:奇偶校验、校验和、回送校验、ARQ,和校验码(用于键入的数)。
• 对称加密用一个共享密钥;非对称用一个公钥加密、一个私钥解密,所以没有秘密密钥被共享。