网络原理-串行/并行通信、异步/同步传输

作者：灵剑
链接：https://www.zhihu.com/question/49448290/answer/116025530

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问
所谓的同步异步最大得区别应该在于：同步中传输方和接受方使用同步时钟（即波特率是一样的，时序是一样的），而异步通讯允许双方使用各自不同的时钟。
我有点疑惑：如果一个数据能够被正确接受，那末它自身的波特率必须要和机器的时钟相吻合才可以，数据本身是有波特率的，比方说数据单字节a，一共长8秒钟，那末第一位占用1秒，第2位占用1秒，剩下的各位都是一位占一秒，共8秒；如果机器想要正确接收数据a，那末它的接受时钟就必须符合要求。我可以假设这样的情况：机器时钟也是每1秒判断一次，则正好正确接受数据a，如果机器每2秒判断一次，则接受数据a就会出现错误，如果机器每0。5秒判断一次，那末我们可以通过软件设置，规定0。5秒后再延迟0。5秒才进行下一此判断，这样我们也可以正确接受数据。（也就是说，接受数据的机器时钟不能比数据波特率长才能正确接受数据）。
说道这里，我们再看同步异步的定义：同步需要同步时钟，异步允许使用不同的时钟。同步可以理解，但是异步允许使用不同的时钟，假设，异步通讯中输出端s，接受端j，s输出数据a（a为单字节，共长8秒），而j的时钟为2秒，那样的话接受不就出现错误了马？（如果j的时钟为0。5秒，虽然和a的波特率不一样，但是我们可以通过软件设置保证接受正确）。
这样看来，异步中所说的允许使用各自独立的和不同步的时钟不就错误吗？请指教 谢谢

答 为什么很多地方讲解同步异步时都会说他们的“最大区别“？ 因为两者有很多的相似点。我认为任何通信从广义上讲都是“同步“的。不管同步异步，要 保证通信的正确，就必须等待对方的确认，也就是说，我发送方必须与你接受方“同步“，反之亦然。或者说“协同”更好一点。同步通信要求双方的时钟同相，即同频率同时序。而异步通信可以不理会这点。但是同样要求接受方的时钟误差的积累程度不会造成误码。象楼主的情况，就是偏差太大了。 另外，在异步通讯时，基本单位是字符，传输时字符间异步，字符内各位同步，双方不需要严格同步，即使有百分之几的差异也可以保证数据的可靠传输；同步通讯时，字符与字符间和字符内部的位与位之间都需要严格同步，所以发送双方要使用同一时钟源。 其实，同步和异步的最大区别就是：字符与字符间的传送一个是异步，一个是同步；而在字符内的位与位之间，两者都是同步的。

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简单说

同步传输模式就是，数据没有被对方确认收到则调用传输的函数就不返回。
接收时，如果对方没有发送数据，则你的线程就一直等待，直到有数据了才返回，可以继续执行其他指令。

异步传输模式就是，你调用一个函数发送数据，马上返回，你可以继续处理其他事，接收时，对方的有数据来，你会接收到一个消息，或者你的相关接收函数会被调用。

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查阅了很多资料，终于理清了头绪。首先讲串行通信和并行通信，这个比较简单。接着再讲讲，异步传输和同步传输。（里面涉及了帧同步和群同步问题）

以太网在物理层的同步传输，我查了一下，这边传输，另一边不需要回确认收到的应答信息，以太网在数据链路层也是，发送过来后，校验FCS，帧是否会出错，出错就丢弃。也不会请求重发，会将数据传递到上层。在udp和tcp中都有超时重传功能。

因为以太网采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。（这和当时定义的 同步传输—一定要等对方发回确认信息后，才能传输下一段数据，有点不一样，切记。同样，ppp也没有重传机制。）

一、串行通信和并行通信

串行接口简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串行通信是指 使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

USB是英文 Universal Serial Bus 的缩写，翻译成中文的含义是“通用串行总线”。

上网属于串行通信。
串行信号指的是同一时刻点，两设备之间指存在一个数据脉冲进行收发。而每根电缆里面，同一时刻只有一个数据脉冲，可以传输较远距离。这样，并行线至少要求有一大排线，传输距离非常有限，电话线只有两根，所以是串行信号通信。（从pc的网卡出去到服务器的网卡前，至于计算机内部看了下百科–>数据总线是并行的，所以内部应该是并行传网络数据的，备注：需要去看看《微机原理》）

家用的网线是串行传输数字信号，里面用差分信号技术来传输电压变化信息。

在计算机和终端之间的数据传输通常是靠电缆或信道上的电流或电压变化实现的。如果一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式称为并行通信。比如，老式打印机同电脑之间。

并行接口与CPU的连接
⑴数据总线：是CPU与并行接口进行数据交换的通道。

⑵读出写入信号线：控制数据流向，确定操作是读还是写。

⑶复位线，准备好状态线：并行接口数据准备就绪。

⑷中断请求线：并行接口向CPU进行中断请求。

⑸地址译码电路：进行选择不同的接口电路，选择接口电路内部不同的寄存器。
并行接口
⑴控制寄存器：接收CPU发来的控制命令。
⑵数据输入缓冲器、数据输出缓冲器：进行数据的输入、输出。
⑶状态寄存器：提供接口电路工作状态供CPU查询。

二、同步传输与异步传输

• 它的比特分组要大的多，它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的起始位和停止位，而是组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧，简称为帧。
• 帧的第一部分包含一组同步字符。
• 帧的最后一部分是一个帧结束标记。
• 同步传输通常要比异步传输快速，但其大小有限制。

2、异步传输

• 异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。
• 接收方并不知道数据会在什么时候到达。
• 异步传输的实现比较容易，由于每个信息都加上了‘同步’信息，因此计时的漂移不会产生大的积累，但却产生了较多的开销。

三、同步传输与异步传输的区别

1、异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。
2、异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。
3、异步传输通过字符起止的开始和停止码，抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。
4、异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。
5、异步传输相对于同步传输效率较低。

参考自：https://wenku.baidu.com/view/1985669fdd88d0d233d46a7c.html

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大白话讲：异步传输和同步传输

简单来说：

同步传输就是，数据没有被对方确认收到则调用传输的函数就不返回。接收时，如果对方没有发送数据，则你的线程就一直等待，直到有数据了才返回，可以继续执行其他指令。同步传输，就是发完一帧后，等待对方回应后，才能发下一帧。　　

异步传输就是，你调用一个函数发送数据，马上返回，你可以继续处理其他事，　　接收时，对方的有数据来，你会接收到一个消息，或者你的相关接收函数会被调用。

在网络通信过程中，通信双方要交换数据，需要高度的协同工作。为了正确的解释信号，接收方必须确切地知道信号应当何时接收和处理，因此定时是至关重要的。在计算机网络中，定时的因素称为位同步。同步是要接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则会产生误差。通常可以采用同步或异步的传输方式对位进行同步处理。

参考：https://blog.csdn.net/rs_network/article/details/50689539
首先同步和异步是指的物理层的属性，同时该同步和异步也会MAC层的封装造成影响（实际上MAC层协议也是针对物理层属性进行设计的），比如在HDLC封装的情况下，物理层一定是同步链路。

同步传输

同步传输的基本单元是帧，如果从这个层面上而言，当前网络大部分都是基于同步网络的。相对于异步传输，同步传输的效率会高很多，尤其是数据块的长度越长的时候，其效率越高。比如巨帧就是为了效率而扩展数据块的。从直观上来看，这里所述的同步帧的格式，也是当前主流的一些二层帧格式的框架，比如802.3的帧，或者802.11的帧。一个同步帧由同步字符，数据块，校验字符，与结束字符组成，第一个同步字符，从802.3来看就是Preamble部分，用来找SFD的，也就是帧同步。802.11里面也存在类似的部分，比如802.11b的PLCP preamble，或者802.11 a/g中间的preamble中的STF字段（其中T0~T7），这一块是用来做帧同步的。数据块就是用来放数据的，一般就是对应的MPDU。然后校验字符，一般就是FCS部分。最后一个部分目前理解不深，结束字符。当前接收帧的过程不确定是数个数的方法还是找结尾的方法，因为一般的帧头部都是按照TLV结构，即有了length之后，直接数多少个Bit看数据帧有没有接收完即可，不一定要采用固定结尾的方法。尤其在802.11中，该数据帧的length部分既出现在MAC以及上层中，也在PLCP部分也有。在802.11接收过程中，首先接收物理层头部，即可以获取其中的length，然后再等接收完完整上层数据帧后，在进行解析。以上所述即不确定最后一个EOB部分有没有在当前协议中广泛采用，即使不使用，也是可以接收完整个帧的。

同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧，或简称为帧。

数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。

帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样，它也是一个独特的比特串，类似于前面提到的停止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。

同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。另外，同步传输的开销也比较少。例如，一个典型的帧可能有500字节（即4000比特）的数据，其中可能只包含100比特的开销。这时，增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%，这与异步传输中25 %的增值要小得多。随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。但是，数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。

同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。
异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。

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深入分析同步模式举例

下面是以太网数据链路层的两种帧结构：

前同步码：第一个字段是7个字节的前同步码，1和0交替，作用是用来使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整时钟频率，使它和发送端的频率相同。
帧开始定界符：第二个字段是1个字节的帧开始定界符，前六位1和0交替，最后的两个连续1表示告诉接收端适配器：“帧信息要来了，你准备接收把。
MAC 目的地址：第三个字段是6字节（MAC地址占48位，如：FF,FF,FF,FF,FF），发送方的网卡（MAC）地址，用处是当网卡接收到一个数据帧时，首先会检查该帧的目的地址，是否与当前适配器的物理地址相同，如果相同则会进一步处理，不同则直接丢弃。
源MAC地址：发送端的MAC地址同样占6个字节。
类型：该字段在网络协议栈分解中及其重要，考虑当PDU（协议数据单元）来到某一层时，它需要将PDU交付给上层，而上层协议众多，所以在处理数据的时候，必须要一个字段标识我这个交付给谁。如，该字段为0x0800时，表示将有效载荷交付给IP协议，为0x0806交付给ARP，0X8035交付给RARP。
数据：数据也叫有效载荷，除过当前层协议需要使用的字段外，即需要交付给上层的数据，以太网帧数据长度规定最小为46字节，最大为1500字节，如果有不到46字节时，会用填充字节填充到最小长度。最大值也叫最大传输单元（MTU），我们可以再 Linux输入 ifconfig 可以看到有一项MTU:1500。
帧检验序列FCS（使用CRC校验法）：检测该帧是否出现差错。

异步传输

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深入分析异步模式举例

因为PPP模式支持异步传输和同步传输，所以以PPP异步传输举例最方便了。

PPP帧结构，查阅官方RFC资料

   A summary of the standard PPP frame structure is shown below.  This
   figure does not include start/stop bits (for asynchronous links), nor
   any bits or octets inserted for transparency.  The fields are
   transmitted from left to right.

           +----------+----------+----------+----------+------------
           |   Flag   | Address  | Control  | Protocol | Information
           | 01111110 | 11111111 | 00000011 | 16 bits  |      *
           +----------+----------+----------+----------+------------
                   ---+----------+----------+-----------------
                      |   FCS    |   Flag   | Inter-frame Fill
                      | 16 bits  | 01111110 | or next Address
                   ---+----------+----------+-----------------

   Inter-frame Time Fill

   For asynchronous links, inter-frame time fill SHOULD be accomplished
   in the same manner as inter-octet time fill, by transmitting
   continuous "1" bits (mark-hold state).

   For synchronous links, the Flag Sequence SHOULD be transmitted during
   inter-frame time fill.  There is no provision for inter-octet time
   fill.

   Implementation Note:

      Mark idle (continuous ones) SHOULD NOT be used for idle
      synchronous inter-frame time fill.  However, certain types of
      circuit-switched links require the use of mark idle, particularly
      those that calculate accounting based on bit activity.  When mark
      idle is used on a synchronous link, the implementation MUST ensure
      at least 15 consecutive "1" bits between Flags, and that the Flag
      Sequence is generated at the beginning and end of a frame.

PPP帧结构如下：数据链路层。

1.1 PPP帧的首部

• 首部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的开始。
• 首部中的地址字段A规定为0xFF(即11111111)。
• 首部中的控制字段C规定为0x03(即00000011)。
• 首部中的2字节的协议字段：
  (1)当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。
  (2)当协议字段为0xC021时，PPP帧的信息字段就是PPP链路控制协议LCP的数据。
  (3)当协议字段为0x8021时，PPP帧的信息字段就是网络层的控制数据。

1.2 PPP帧的信息字段部分

• 信息字段的长度是可变的，不超过1500字节。

1.3 PPP帧的尾部

• 尾部中的第一个字段(2个字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。
• 尾部中的标志字段F(Flag)，规定为0x7E(符号0x表示它后面的字符是用十六进制表示的。十六进制的7E的二进制表示是01111110)，标志字段表示一个帧的结束。

注：标志字段就是PPP帧的定界符。连续两帧之间只需要用一个标志字段。如果连续出现两个标志字段，就表示这是一个空帧，应当丢弃。

PPP异步传输时：

1、数据链路层：使用透明传输，预先处理。

• 当PPP使用异步传输时，它把转移符定义为0x7D，并使用字节填充。
• RFC1662规定了如下填充方法：
  (1)把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变为2字节序列(0x7D，0x5E)。
  (2)若信息字段中出现一个0x7D的字节(即出现了和转义字符一样的比特组合)，则把转义字符0x7D转变为2字节序列(0x7D，0x5D)。
  (3)若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。例如，出现0x03(在控制字符中是“传输结束”ETX)就要把它转变为2字节序列的(0x7D，0x31)。
• 由于在发送端进行了字节填充，因此在链路上传送的信息字节数就超过了原来的信息字节数。但接收端在接收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换，就可以正确地恢复出原来的信息。

2、物理层：在数据链路层的首尾两端各添加 一位（1bit），分别代表起始位和停止位。【  资料缺乏，但协议上已经说了，异步传输肯定 会添加  start/stop bits (for asynchronous links)  】

PPP同步传输时

1、数据链路层：使用透明传输，预先处理：

• 当PPP使用同步传输时，使用零比特填充。
• 零比特填充的具体方法：
  (1)在发送端先扫描整个信息字段(通常使用硬件实现，但也可以用软件实现，但是会慢一些)。
  (2)只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0。
  (3)接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定帧的边界，接着再用硬件对其中的比特流进行扫描，每当发现5个连续1时，就把5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流。
• 因此通过这种零比特填充后的数据，就可以保证在信息字段中不会出现连续6个1。

2、物理层：在数据链路层，头部添加：前同步码。至于尾部，暂时不清楚，反正基本上是和以太网 的同步传输 情况是一样的

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四、透明传输

就是在传输的数据里面，避免出现，该层的定界符，以免误判 数据块 提早结束了。

五、帧同步与群同步

帧同步与群同步 两者是等价的，其实就是指异步传输。

群同步实现方法：

连贯插入同步码是一个码组，要使同步可靠，同步码组就要有一定的长度，从而降低了传输效率。而分散插入则是每帧只插入一位作为帧同步码。例如北美和日本采用的24路PCM，每帧有8×24=192信息码元，每逢奇帧其后插入一位帧同步码，1010…交替插入。由于每帧只插入一位，它和信息码元混淆的概率为1/2，这样似乎无法识别帧同步码。不过分散插入方式在捕获同步时，并不是只检测1帧2帧，而是要连续检测10帧以上，每帧都符合“1”、“0”交替的规律才确认同步。误同步概率是很小的。
分散插入法传输效率高，但同步捕获时间长。