大數(shù)據(jù)時(shí)代與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

摘要：隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能逐步發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來離不開信息的大量采集，本文從電信號(hào)、光信號(hào)和無線信號(hào)的傳輸種類和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析，深入解析網(wǎng)絡(luò)OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的七層協(xié)議用途和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，并對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展和未來的應(yīng)用情景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) ? ?數(shù)據(jù)傳輸 ? 協(xié)議 ?網(wǎng)橋 ?光纜 ?5G ?GPRS ?WiFi

近年來，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能逐步發(fā)展，信息量呈幾何級(jí)數(shù)的增長直接造就了大數(shù)據(jù)概念的出現(xiàn)。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來離不開信息的大量采集，就數(shù)字信息的采集技術(shù)而言，目前的數(shù)字信息采集方法已經(jīng)完善，文字、圖片、音頻、視頻等多維度的數(shù)字信息的采集手段和技術(shù)基本完備，數(shù)據(jù)的采集越來越實(shí)時(shí)化，隨處可見實(shí)時(shí)音頻直播和視頻直播?？梢哉f信息的采集環(huán)節(jié)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化，但在信息傳輸和處理還有較大的開拓和發(fā)展空間。

數(shù)據(jù)傳輸就是按一定規(guī)則把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的信息傳輸與交換。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議被分解成一個(gè)一個(gè)數(shù)據(jù)包（其中包括本地機(jī)和目的機(jī)的地址），通過網(wǎng)線傳輸給目的機(jī)。

以早期電話線上網(wǎng)為例，接到用戶的請求后，數(shù)字信號(hào)從Internet上下載，通過ISP接入用戶所在區(qū)域的交換機(jī)，通過D/A變換變成模擬信號(hào)，傳到調(diào)制解調(diào)器，再經(jīng)A/D變換，還原成計(jì)算機(jī)可接受的數(shù)字信號(hào)。

數(shù)據(jù)通過信號(hào)進(jìn)行傳輸，包括電信號(hào)和光信號(hào)，電信號(hào)又分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)是指隨著時(shí)間連續(xù)變化的電壓或電流等;數(shù)字信號(hào)是指自變量和因變量都離散的信號(hào);光信號(hào)就是電磁波譜中的可見光。

把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，即調(diào)制;把模擬信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，即解調(diào)。負(fù)責(zé)這兩項(xiàng)功能的調(diào)制解調(diào)器（Modem），就是常說的“貓”。

在OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型中，網(wǎng)絡(luò)從上至下分為七層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)晤層、表示層、應(yīng)用層。每一層都有各自需要遵守的規(guī)則，稱為“協(xié)議”。

1、物理層（Phisical Layer）：是OSI的最底層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與通信介質(zhì)的接口功能，為實(shí)現(xiàn)鏈路實(shí)體之間透明地傳輸比特流提供服務(wù)。

2、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）：在相鄰兩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間，建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路連接，實(shí)現(xiàn)透明的可靠的信息傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菐╢rame）

3、網(wǎng)絡(luò)層（Net Work Layer）：網(wǎng)絡(luò)層主要涉及通信子網(wǎng)及與主機(jī)的接口，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端系統(tǒng)中傳輸實(shí)體間的通信，傳輸?shù)幕締挝皇墙M（packet）。

4、傳輸層（Transport layer）：為不同系統(tǒng)內(nèi)的會(huì)晤實(shí)體間建立端-端的透明可靠的數(shù)據(jù)傳輸，執(zhí)行順序和流量控制，管理多路復(fù)用等，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菆?bào)文（message）。

5、會(huì)晤層（Session layer）：為不同系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用進(jìn)程之間建立會(huì)晤連接，提供一個(gè)能滿足多方面要求的會(huì)晤連接服務(wù)。

6、表示層（Presentation Layer）：向應(yīng)用進(jìn)程提供信息表示方式，對不同系統(tǒng)的表示方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換、通信，提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口和通信服務(wù)，如數(shù)據(jù)加密，正文壓縮等。

7、應(yīng)用層（Application Layer）是OSI最高層，為應(yīng)用進(jìn)程訪問OSI環(huán)境提供手段，其他各層都通過應(yīng)用層的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。

OSI參考模型層次劃分及數(shù)據(jù)流動(dòng)原則：

1、網(wǎng)絡(luò)中各主機(jī)都具有相同的層次

2、不同主機(jī)的同等層具有相同的功能

3、同一主機(jī)內(nèi)相鄰層之間通過接口通信

4、每層可以使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)

5、不同主機(jī)的同等層協(xié)議來實(shí)現(xiàn)同等層之間的通信。

TCP/IP協(xié)議就是一組最常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。主要包括五層，將會(huì)晤層、表示層、和應(yīng)用層三層合在一起作為應(yīng)用層，即物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、應(yīng)用層，上下層、同等層之間也通過協(xié)議進(jìn)行通信.

數(shù)據(jù)傳輸物理層主要由網(wǎng)線（雙絞線、光纜）、網(wǎng)卡、路由器、交換機(jī)等硬件構(gòu)成;網(wǎng)關(guān)則在網(wǎng)絡(luò)層以上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連功能。

網(wǎng)卡：網(wǎng)卡和計(jì)算機(jī)之間的通信通過I/O總線以并行傳輸方式進(jìn)行，網(wǎng)卡的ROM由銷售商分配唯一的MAC（48位串行號(hào)）地址，安裝網(wǎng)卡后用戶可以通過電纜或無線連接計(jì)算機(jī)與外界局域網(wǎng)。網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序會(huì)告知網(wǎng)卡應(yīng)該把局域網(wǎng)傳送過來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在什么位置。網(wǎng)卡上傳數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出中斷請求把收到的幀交給協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層，由協(xié)議棧向下交給網(wǎng)卡發(fā)送到局域網(wǎng)。

雙絞線：網(wǎng)線的壓接通過RJ-45接頭完成。它里面有8個(gè)銅片可以和網(wǎng)線中的4對雙絞（8根）線對應(yīng)連接。1、2線是傳送數(shù)據(jù)的，3、6線是接收數(shù)據(jù)的。1、2，3、6之間是一對差分信號(hào)，波形一樣，相位差180度，同一時(shí)刻的電壓幅度互為正負(fù)。這樣可以使信號(hào)可以傳遞的更遠(yuǎn)，提高抗干擾能力。

光纜和光貓：利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來進(jìn)行通信，光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，需要通過光模塊、光貓進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能被電腦CPU讀入。光模塊的作用就是光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送后，接收端再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光貓負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)以太網(wǎng)協(xié)議信號(hào)。

數(shù)據(jù)的有線傳輸發(fā)展的同時(shí)，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)近年來發(fā)展迅猛。

常見無線傳輸方式有兩種：近距離無線通信技術(shù)和遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。近距離無線通信技術(shù)是指通信雙方通過無線電波傳輸數(shù)據(jù)，并且傳輸距離較近。常用的近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)有：Zig-Bee、藍(lán)牙（Bluetooth）、無線寬帶（Wi-Fi）、超寬帶（UWB）和近場通信（NFC）。目前廣泛應(yīng)用的WiFi技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)一樣，屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。

遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)：廣泛應(yīng)用的無線通訊技術(shù)主要有GPRS/CDMA、數(shù)傳電臺(tái)、擴(kuò)頻微波、無線網(wǎng)橋及衛(wèi)星通信、短波通信技術(shù)等，可以在較遠(yuǎn)、有污染或環(huán)境惡劣區(qū)域等。

（1） GPRS/CDMA無線傳輸：

GPRS（General Packet Radio Service）是一種以全球手機(jī)系統(tǒng)（GSM）為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，GRRS的分組交換技術(shù)具有實(shí)時(shí)在線"按量計(jì)費(fèi)"高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。

5G網(wǎng)絡(luò)指的就是在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的第五代網(wǎng)絡(luò)，其峰值理論傳輸速度可達(dá)20Gbps，合2.5GB每秒，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快10倍以上。一部1G的電影可在4秒之內(nèi)下載完成。

CDMA是中國電信運(yùn)行的一種基于碼分技術(shù)和多址技術(shù)的新的無線通信系統(tǒng)，其原理基于擴(kuò)頻技術(shù)。

（2） 數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)：

數(shù)傳電臺(tái)采用數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、具有前向糾錯(cuò)、均衡軟判決等功能的一種無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)。在航空航天、鐵路、電力、石油、氣象、地震遙感、遙測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（3） 無線網(wǎng)橋：

無線網(wǎng)橋是無線射頻技術(shù)和有線網(wǎng)橋技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)。無線網(wǎng)橋是為使用無線（微波）進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)間互聯(lián)而設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)LAN互聯(lián)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。

（4）衛(wèi)星通信：

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在多個(gè)地面站之間通信的。衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由衛(wèi)星端和地面站二部分組成。

目前以GPS全球定位系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到非常精確的程度，海底電纜、移動(dòng)通信和全球定位系統(tǒng)三大信息技術(shù)的發(fā)展，迎來了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代海量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，任何一秒鐘產(chǎn)生的共享數(shù)據(jù)量都是驚人的，每一位終端用戶都是獨(dú)立的個(gè)體，并不斷更新和活躍著。

在大數(shù)據(jù)的時(shí)代，通過信息和數(shù)據(jù)的有效傳輸和處理，將大大提高溝通的效率、促進(jìn)人類科技和文化交流的繁榮，全面提高人類的生活質(zhì)量。

參考書目：

[1]孟憲偉，許桂秋.大數(shù)據(jù)導(dǎo)論[M].北京：人民郵電出版社，2019：3-11.

[2]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017：46-63.

[3]湯小丹等.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014：350-368

作者簡介：

劉增文 ?1969年出生，男，漢族，山東省諸城市人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備與汽車、工程機(jī)械、數(shù)控機(jī)床維修與技術(shù)改造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。