通訊
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規範覆蓋範圍
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計算的關鍵方面之一是通訊。例如，輸入和輸出裝置需要與處理器通訊，硬碟需要與記憶體通訊，依此類推。
從這個意義上講，通訊是透過資料和指令的傳輸來實現的。我們已經研究了許多計算機內部資料傳輸的示例。在本節中，我們更關注計算機與外圍裝置之間的通訊，以及一臺計算機與另一臺計算機在區域網和廣域網之間的通訊。
本節還將包括對構成網際網路的基礎設施的詳細分析。
序列傳輸按順序一次傳送和接收一位資料。序列連線用於將大多數外圍裝置（如滑鼠和鍵盤）連線到計算機，並且它也是將計算機連線在一起形成網路的序列電纜。
傳輸速度將取決於所用電纜的型別，因此序列傳輸不一定是慢的。例如，通用序列匯流排 (USB) 是一種高速序列連線，允許將外圍裝置連線到您的計算機。序列網路電纜能夠實現 1 Gbps（每秒 10 億位）的傳輸速率。
並行傳輸使用多根線同時傳送多位資料。線越多，任何時候都可以傳送的資料就越多。例如，32 位並行連線可以將處理器和記憶體連線在一起。
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雖然並行線可能是有意義的，但在超過非常短的距離時，成本影響和訊號同步的困難通常會使它們變得難以承受。 |
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練習：序列和並行傳輸 與並行資料傳輸相比，序列資料傳輸有哪些優點？
答案 設定更簡單，不需要同步訊號
什麼是資料序列傳輸？
答案 當資料透過像銅線這樣的通訊介質逐位（或一次一位，一個接一個）傳輸時
何時並行傳輸是最合適的傳輸方法？
答案 當資料在短距離內傳輸並且傳輸介質（線）的成本不是問題時。使用並行傳輸，由於需要更多線，因此成本可能成為問題。
即使有並行埠可用，何時並行傳輸也不合適？
答案 當資料在很長的距離內傳輸時。
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| 通訊型別 | 序列 | 並行 |
|---|---|---|
| 速度 | 慢 - 逐位 | 快 - 每次一個位元組 |
| 成本 | 低 - 一根線 | 高 - 需要多根線 |
| 距離 | 長 | 短 |
| 複雜度 | 簡單 | 更復雜 - 需要定時訊號來保持位同步 |
通用序列匯流排 (USB) 旨在標準化計算機外圍裝置（包括鍵盤、指向裝置、數碼相機、印表機、行動式媒體播放器、磁碟驅動器和網路介面卡）與個人計算機的連線
頻寬是指可以在通訊通道上傳輸的資料量。它與承載資料的載波上可用的頻率範圍有關。在這種情況下，範圍是上限頻率和下限頻率之間的差值。隨著頻率範圍的增加，在相同時間範圍內可以傳輸的資料量也會增加。我們已經觸及了資料傳輸的相對速度。速度是通訊中的一個重要因素。頻寬以赫茲 (Hz) 和兆赫茲 (mHz) 為單位測量。
位元率是指特定傳輸正在進行的速度。它與頻寬密切相關，因為位元率將受可用頻寬的限制。
位元率以位元每秒 (bps) 為單位測量。頻寬表示可用頻率，因此表示可用容量，而位元率表示實際傳輸速度。可達到的位元率與頻寬成正比。
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Mbps 或 Gbps 是每秒位元數，而不是位元組數。 |
波特率是另一個用於描述資料傳輸速度的術語。一個波特表示每秒一次電子狀態變化。電子狀態變化可能是載波頻率的變化、電壓的變化、幅度的變化或波形的偏移。
傳統上，每次狀態變化都會發送一位，因此一個波特率大約等於每秒一位。但是，透過使用不同的電壓電平來表示位元，可以每狀態變化傳送多於一位。在這種情況下，您傳送的是“符號”，而不是傳送位元，符號可以包含任意數量的位元。波特率由傳輸介質決定。
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位元率、波特率和頻寬之間的聯絡（和區別）是一個常見問題，由於名稱相似，常常被混淆。 |
| 單位 | 速率 |
|---|---|
| 位元 = 1個數字資料單位 | 位元率 = 每秒傳輸的位元數 |
| 波特 = 訊號速度單位 | 波特率 = 每秒傳輸的符號數 |
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不要將延遲與某事發生所需的時間混淆。延遲通常被稱為延遲，但可能需要更詳細的資訊。 |
延遲是用於解釋計算機系統中任何元件響應指令時發生的時延的通用術語。這是因為指令正在透過電纜、匯流排和邏輯閘傳輸，所有這些都需要時間。因此，延遲可能發生在傳輸過程的任何階段。這些延遲可能非常短，以至於無法察覺。
資料通訊時，延遲通常有三種原因
- 傳播延遲：邏輯閘在電路中傳輸資料所需的時間
- 傳輸延遲：透過特定通訊介質所需的時間；例如，光纖的延遲比銅纜低
- 處理延遲：資料在網路中傳遞所需的時間，具體取決於它必須透過多少伺服器或裝置
要傳送單個位元的資料，資料要傳輸到目的地，始終會因延遲而產生延遲。擁有 25 Mbps 的連線並不能以任何方式使單個位元資料更快地傳輸該距離。大頻寬連線僅允許您並行傳送或接收更多資料。資料仍然需要往返您的計算機。
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問題：位元率、頻寬、波特率、延遲 當資料透過長距離傳輸時，延遲可能會成為問題。解釋什麼是延遲。
答案 延遲是在資料傳輸開始的那一刻到資料傳輸效果開始的那一刻之間的時間延遲；
What is the relationship between the bandwidth of a transmission medium and the bit rate at which the data can be transmitted? 答案 頻寬越大，位元率越高。頻寬和位元率之間存在正比關係。
通訊系統的位元率和波特率之間有什麼關係？
答案 波特率是每秒訊號變化的次數或訊號可以變化的速率。由於可以在 每次訊號變化中編碼多個位元，因此位元率可以高於波特率。如果波特率為 S，並且每個符號變化中編碼 n 個位元，則位元率為 S x n。
一塊 Arduino 板透過序列連線以 9600 位元/秒的速度和 1200 波特/秒的波特率連線到計算機。每秒傳輸的位元數如何可能高於波特率？
答案 因為波特率是每秒訊號變化次數的度量，並且因為在每個訊號（或符號）中可以編碼多個位元，所以位元率高於波特率。在每個訊號中，正在傳輸 8 個位元，因此可以傳輸 1200 x 8 = 9600 位元/秒。
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同步意味著正在通訊的兩個裝置將同步它們的傳輸訊號。使用系統時鐘，傳送資料的計算機將控制傳輸速率，使其與接收訊號的裝置或計算機同步。如果兩個裝置不同步，則資料可能會在傳輸過程中丟失。一旦同步，兩個裝置就可以在無需任何其他資訊的情況下發送和接收資料。
非同步傳輸不需要傳送方和接收方系統時鐘的永久同步。相反，它只在傳輸期間進行同步，方法是傳送稱為起始位和停止位的額外資訊位元。
傳送一個字元可能需要傳輸一個 8 位程式碼。除了這 8 位之外，非同步資料傳輸還需要至少另外兩個位元。在 8 位的開頭有一個起始位，在結尾有一個停止位。字元還可以包含一個奇偶校驗位
過程如下
- 起始位使接收器將其時鐘與傳送器的時鐘同步到相同的速率
- 兩臺裝置必須事先就將跟隨多少位資料（通常為 7 或 8 位）、是否使用奇偶校驗位、奇偶校驗位型別以及將有多少個停止位達成一致
- 停止位（或位）指示資料已到達，因此接收器裝置上的處理器現在可以處理這些位，例如，將其複製到記憶體中
- 如果有更多資料，則會發送另一個起始位，並且迴圈將繼續
- 傳送器裝置在資料可用時立即傳送資料，而不是等待時鐘脈衝或接收器裝置的同步訊號。
| 傳輸 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|
| 非同步傳輸 |
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| 同步傳輸 |
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- 當需要快速傳輸大量資料時，使用這種傳輸方法，因為資料以大塊而不是單個字元的形式傳輸。
- 資料塊以規則的間隔進行分隔和分組，並在前面加上同步字元，遠端裝置可以解碼這些字元並將其用於同步端點之間的連線。
- 例如 VoIP
- 當資料作為資料包而不是以固體流的形式傳送時，將部署非同步傳輸方法
- 非同步有時被稱為“盡力而為”傳輸，因為一方只需傳輸，而另一方則盡力接收，任何丟失的資料都將由更高級別的協議恢復。
- 例如：HTTP
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雖然AS考試只需要你能夠定義協議，但A-level要求你熟悉特定範圍的協議。 |
協議是確保不同計算機之間能夠相互通訊的一種方法。協議是一套規則。在通訊的背景下，已經建立了許多與資料傳輸相關的規則。協議涵蓋了諸如資料應以何種格式傳輸以及如何識別資料項等方面。
透過使用網際網路，你可能已經遇到過四種常見的協議。
| 協議 | 目的 |
|---|---|
| TCP/IP（傳輸控制協議/網際網路協議） | 通常被視為一個協議的兩個協議，它們與控制網際網路上傳輸資料的規則集有關，這些資料被分成資料包。TCP/IP處理這些資料包的路由和重新組裝。 |
| HTTP（超文字傳輸協議） | 你可能在HTTP中看到過它，因為它提供了控制構成可顯示網頁的不同型別的檔案交換的規則。 |
| FTP（檔案傳輸協議） | FTP類似於HTTP，因為它提供了在網際網路上傳輸檔案的規則。FTP通常用於下載程式檔案或建立網頁並上傳到ISP伺服器時。 |
| VoIP（網路語音協議） | 一組用於透過網際網路協議（IP）網路（如網際網路）傳送語音通訊和多媒體會話的技術。 |
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練習：非同步與同步傳輸 什麼是同步資料傳輸？
答案 在資料傳輸過程中，傳送方和接收方始終保持同步。它要求傳送方定期傳送同步訊號。
當使用非同步資料傳輸傳送字元時，一次傳送一個字元。一個起始位標記字元的開始，一個停止位標記字元的結束。舉例說明起始位和停止位的組合。
答案 起始位可以是0，停止位可以是1（反之亦然） - 它們必須不同。
分組交換網路通常使用哪種型別的傳輸？
答案 當資料以資料包的形式而不是以 連續流的形式傳送時，就會採用非同步傳輸方法。
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- 序列傳輸一次傳送一位資料。
- 並行傳輸一次傳送多位資料。
- 頻寬是通訊通道物理容量的衡量標準。
- 位元率和波特率是量化在特定時間範圍內實際可以傳輸多少資料的方法。
- 延遲是資料傳輸時發生的延遲。
- 同步資料傳輸發生在已同步時鐘的裝置之間。
- 非同步傳輸不需要裝置同步，而是傳送額外的資料位（起始位和停止位）。
- 協議是定義傳輸方式的規則。