大數據時代與數據傳輸技術

摘要：隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能逐步發展，大數據時代的到來離不開信息的大量采集，本文從電信號、光信號和無線信號的傳輸種類和技術特點進行總結分析，深入解析網絡OSI開放系統互聯參考模型的七層協議用途和數據傳輸的特點，并對數據傳輸的發展和未來的應用情景進行展望。

關鍵詞：大數據 ? ?數據傳輸 ? 協議 ?網橋 ?光纜 ?5G ?GPRS ?WiFi

近年來，云計算、大數據、物聯網、人工智能逐步發展，信息量呈幾何級數的增長直接造就了大數據概念的出現。大數據時代的到來離不開信息的大量采集，就數字信息的采集技術而言，目前的數字信息采集方法已經完善，文字、圖片、音頻、視頻等多維度的數字信息的采集手段和技術基本完備，數據的采集越來越實時化，隨處可見實時音頻直播和視頻直播?？梢哉f信息的采集環節已經基本實現實時化，但在信息傳輸和處理還有較大的開拓和發展空間。

數據傳輸就是按一定規則把數據從數據源傳輸到數據終端，實現點與點之間的信息傳輸與交換。需要傳輸的數據根據協議被分解成一個一個數據包（其中包括本地機和目的機的地址），通過網線傳輸給目的機。

以早期電話線上網為例，接到用戶的請求后，數字信號從Internet上下載，通過ISP接入用戶所在區域的交換機，通過D/A變換變成模擬信號，傳到調制解調器，再經A/D變換，還原成計算機可接受的數字信號。

數據通過信號進行傳輸，包括電信號和光信號，電信號又分為模擬信號和數字信號，模擬信號是指隨著時間連續變化的電壓或電流等;數字信號是指自變量和因變量都離散的信號;光信號就是電磁波譜中的可見光。

把數字信號轉換成模擬信號，即調制;把模擬信號恢復成數字信號，即解調。負責這兩項功能的調制解調器（Modem），就是常說的“貓”。

在OSI開放系統互聯參考模型中，網絡從上至下分為七層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會晤層、表示層、應用層。每一層都有各自需要遵守的規則，稱為“協議”。

1、物理層（Phisical Layer）：是OSI的最底層，實現系統與通信介質的接口功能，為實現鏈路實體之間透明地傳輸比特流提供服務。

2、數據鏈路層（Data Link Layer）：在相鄰兩系統的網絡實體之間，建立、維持和釋放數據鏈路連接，實現透明的可靠的信息傳輸服務，數據傳輸的基本單位是幀（frame）

3、網絡層（Net Work Layer）：網絡層主要涉及通信子網及與主機的接口，以實現兩個端系統中傳輸實體間的通信，傳輸的基本單位是組（packet）。

4、傳輸層（Transport layer）：為不同系統內的會晤實體間建立端-端的透明可靠的數據傳輸，執行順序和流量控制，管理多路復用等，數據傳輸的基本單位是報文（message）。

5、會晤層（Session layer）：為不同系統內應用進程之間建立會晤連接，提供一個能滿足多方面要求的會晤連接服務。

6、表示層（Presentation Layer）：向應用進程提供信息表示方式，對不同系統的表示方式進行轉換、通信，提供標準的應用接口和通信服務，如數據加密，正文壓縮等。

7、應用層（Application Layer）是OSI最高層，為應用進程訪問OSI環境提供手段，其他各層都通過應用層的應用進程提供服務。

OSI參考模型層次劃分及數據流動原則：

1、網絡中各主機都具有相同的層次

2、不同主機的同等層具有相同的功能

3、同一主機內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，并向其上層提供服務

5、不同主機的同等層協議來實現同等層之間的通信。

TCP/IP協議就是一組最常用的網絡協議。主要包括五層，將會晤層、表示層、和應用層三層合在一起作為應用層，即物理層、鏈路層、網絡層、運輸層、應用層，上下層、同等層之間也通過協議進行通信.

數據傳輸物理層主要由網線（雙絞線、光纜）、網卡、路由器、交換機等硬件構成;網關則在網絡層以上實現復雜的網絡互連功能。

網卡：網卡和計算機之間的通信通過I/O總線以并行傳輸方式進行，網卡的ROM由銷售商分配唯一的MAC（48位串行號）地址，安裝網卡后用戶可以通過電纜或無線連接計算機與外界局域網。網卡驅動程序會告知網卡應該把局域網傳送過來的數據存儲在什么位置。網卡上傳數據時發出中斷請求把收到的幀交給協議棧中的網絡層，由協議棧向下交給網卡發送到局域網。

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

光纜和光貓：利用光導纖維傳遞光脈沖來進行通信，光纖傳輸的是光信號，需要通過光模塊、光貓進行轉換才能被電腦CPU讀入。光模塊的作用就是光電轉換，發送端把電信號轉換成光信號，通過光纖傳送后，接收端再把光信號轉換成電信號。光貓負責將光信號轉換成標準的互聯網以太網協議信號。

數據的有線傳輸發展的同時，無線數據傳輸的技術近年來發展迅猛。

常見無線傳輸方式有兩種：近距離無線通信技術和遠距離無線傳輸技術。近距離無線通信技術是指通信雙方通過無線電波傳輸數據，并且傳輸距離較近。常用的近距離無線通信標準有：Zig-Bee、藍牙（Bluetooth）、無線寬帶（Wi-Fi）、超寬帶（UWB）和近場通信（NFC）。目前廣泛應用的WiFi技術與藍牙技術一樣，屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。

遠距離無線傳輸技術：廣泛應用的無線通訊技術主要有GPRS/CDMA、數傳電臺、擴頻微波、無線網橋及衛星通信、短波通信技術等，可以在較遠、有污染或環境惡劣區域等。

（1） GPRS/CDMA無線傳輸：

GPRS（General Packet Radio Service）是一種以全球手機系統（GSM）為基礎的數據傳輸技術，是GSM的延續。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包（Packet）式來傳輸，GRRS的分組交換技術具有實時在線"按量計費"高速傳輸等優點。

5G網絡指的就是在移動通信網絡發展中的第五代網絡，其峰值理論傳輸速度可達20Gbps，合2.5GB每秒，比4G網絡的傳輸速度快10倍以上。一部1G的電影可在4秒之內下載完成。

CDMA是中國電信運行的一種基于碼分技術和多址技術的新的無線通信系統，其原理基于擴頻技術。

（2） 數據傳輸電臺：

數傳電臺采用數字信號處理、數字調制解調、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的一種無線數據傳輸電臺。在航空航天、鐵路、電力、石油、氣象、地震遙感、遙測領域得到廣泛應用。

（3） 無線網橋：

無線網橋是無線射頻技術和有線網橋技術相結合的技術。無線網橋是為使用無線（微波）進行遠距離數據傳輸的點對點網間互聯而設計，在數據鏈路層實現LAN互聯的存儲轉發設備。

（4）衛星通信：

衛星通信是利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電信號，從而實現在多個地面站之間通信的。衛星通信系統通常由衛星端和地面站二部分組成。

目前以GPS全球定位系統、北斗定位系統已經達到非常精確的程度，海底電纜、移動通信和全球定位系統三大信息技術的發展，迎來了互聯網時代海量的數據產生，任何一秒鐘產生的共享數據量都是驚人的，每一位終端用戶都是獨立的個體，并不斷更新和活躍著。

在大數據的時代，通過信息和數據的有效傳輸和處理，將大大提高溝通的效率、促進人類科技和文化交流的繁榮，全面提高人類的生活質量。

參考書目：

[1]孟憲偉，許桂秋.大數據導論[M].北京：人民郵電出版社，2019：3-11.

[2]謝希仁.計算機網絡[M].北京：電子工業出版社，2017：46-63.

[3]湯小丹等.計算機操作系統[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014：350-368

作者簡介：

劉增文 ?1969年出生，男，漢族，山東省諸城市人，大學本科，高級工程師，研究方向為農業裝備與汽車、工程機械、數控機床維修與技術改造、工業互聯網技術等。