データ通信

データ通信とは、ポイントツーポイントまたはポイントツーマルチポイントの通信チャネルを介してデータを転送することです。データ通信は、データ送信とデータ受信から構成され、アナログ伝送とデジタル通信に分類できます。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

アナログデータ通信は、振幅、位相、またはその他の特性が変化する連続信号を用いて、音声、データ、画像、信号、またはビデオ情報を伝送します。ベースバンドアナログ伝送では、メッセージはラインコードによってパルス列で表現されます。一方、パスバンドアナログ伝送では、デジタル変調方式を用いて、連続的に変化する限られた波形によってメッセージが伝送されます。パスバンド変調と復調はモデム機器によって行われます。

デジタル伝送とデジタル受信は、デジタル化されたアナログ信号またはデジタルネイティブのビットストリームのいずれかの転送です。^{[ 1 ]}ベースバンドデジタル伝送はデジタル信号の一部を構成すると考えられ、一方、デジタルデータのパスバンド伝送は、デジタルからアナログへの変換の一形態とみなすこともできます。

データ通信チャネルには、銅線、光ファイバー、無線周波数を用いた無線通信、記憶媒体、コンピュータバスなどがある。データは、電圧、電波、マイクロ波、赤外線信号などの電磁信号として表現される。

デジタル伝送、すなわちデータ伝送は、従来、電気通信工学および電気工学の分野に属していました。データ伝送の基本原理は、コンピュータサイエンスまたはコンピュータ工学のデータ通信の分野でも扱われることがあり、これには、ルーティング、スイッチング、プロセス間通信などのコンピュータネットワークアプリケーションや通信プロトコルも含まれます。伝送制御プロトコル（TCP）は伝送に関わるものですが、TCPやその他のトランスポート層プロトコルはコンピュータネットワークの分野で扱われ、データ伝送に関する教科書や講義では取り上げられません。

ほとんどの教科書では、アナログ伝送という用語は、アナログメッセージ信号（デジタル化なし）をアナログ信号によって伝送することのみを指し、変調されていないベースバンド信号として、またはAMやFMなどのアナログ変調方式を使用したパスバンド信号として伝送することを指します。また、パルス幅変調などのアナログオーバーアナログパルス変調ベースバンド信号も含まれる場合があります。コンピュータネットワークの伝統に属するいくつかの書籍では、アナログ伝送は、 FSK、PSK、ASKなどのデジタル変調方式を使用したビットストリームのパスバンド伝送も指します。^{[ 1 ]}

データ伝送の理論的側面は、情報理論と符号理論によって扱われる。

データ伝送分野の講義や教科書では、通常、以下のOSIモデルプロトコル層とトピックが扱われます。

• 第1層、物理層：
  • チャネルコーディングを含む
    • デジタル変調方式
    • 回線符号化方式
    • 前方誤り訂正（FEC）コード
  • ビット同期
  • 多重化
  • イコライゼーション
  • チャネルモデル
• レイヤー2、データリンク層：
  • チャネルアクセス方式、メディアアクセスコントロール（MAC）
  • パケットモード通信とフレーム同期
  • エラー検出と自動再送要求（ARQ）
  • 流量制御
• 第6層、プレゼンテーション層：
  • ソースコード（デジタル化とデータ圧縮）、および情報理論。
  • 暗号化（どの層でも発生する可能性があります）

これら3つの層のクロスレイヤー設計を扱うことも一般的である。^{[ 7 ]}

データ（主に情報データだが、情報データに限らない）は、通信の黎明期から非電子的な手段（例えば、光、音響、機械）によって送信されてきた。アナログ信号データは、電話の登場以来、電子的に送信されるようになった。しかし、近代における最初の電磁波によるデータ伝送アプリケーションは、電気電信（1809年）とテレタイプライター（1906年）であり、これらはどちらもデジタル信号である。20世紀初頭にハリー・ナイキスト、ラルフ・ハートレー、クロード・シャノンらが行ったデータ伝送と情報理論に関する基礎的な理論的研究は、これらのアプリケーションを念頭に置いて行われた。

1960年代初頭、ポール・バランは、低コストの電子部品であるスイッチを使用して音声メッセージのデジタル通信を行うための分散適応型メッセージブロックスイッチングを発明した。 ^{[ 8 ] [ 9 ]}ドナルド・デイビスは、パケット交換、高速ルータ、通信プロトコル、階層型コンピュータネットワーク、エンドツーエンド原則の本質など、1965年から1967年にかけて現代のデータ通信を発明し、実装した。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}バランの研究には、ソフトウェアスイッチと通信プロトコルを備えたルータや、ネットワーク自体ではなくユーザーが信頼性を提供するという考えは含まれていなかった。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}どちらもコンピュータネットワークの開発に影響を与えた画期的な貢献であった。^{[ 17 ] [ 18 ]}

データ伝送は、コンピュータバス内のコンピュータや、 RS-232 (1969)、FireWire (1995)、USB (1996)などのパラレルポートやシリアルポートを介した周辺機器との通信に利用されています。データ伝送の原理は、1951 年以来、エラー検出と訂正のための記憶媒体にも利用されています。デジタルコードを使用して受信側でデータを正確に受信するという問題を克服する最初の実用的な方法は、 1952 年にRonald Hugh Barkerによって発明され、1953 年に発表されたBarker コードでした。 ^{[ 19 ]}データ伝送は、モデム(1940)、ローカルエリアネットワーク(LAN) アダプタ (1964)、リピーター、リピーターハブ、マイクロ波リンク、無線ネットワークアクセスポイント(1997)などのコンピュータネットワーク機器に利用されています。

電話ネットワークでは、パルス符号変調（PCM）と時分割多重（TDM）（1962年）を組み合わせて、同じ銅線ケーブルまたは光ファイバーケーブルで多数の電話通話を転送するためにデジタル通信が利用されています。電話交換機はデジタル化され、ソフトウェア制御されるようになり、多くの付加価値サービスが実現しました。例えば、最初のAXE電話交換機は1976年に発表されました。統合サービスデジタルネットワーク（ISDN）サービスを使用したエンドユーザーへのデジタル通信は1980年代後半に利用可能になりました。1990年代後半以降、ADSL、ケーブルモデム、FTTB（Fiber-to-the-Building ）、FTTH（ Fiber-to-the-Home ）などのブロードバンドアクセス技術が小規模オフィスや家庭に広く普及しました。現在の傾向は、従来の電気通信サービスをIP電話やIPTVなどのパケットモード通信に置き換えることです。

アナログ信号をデジタルで伝送することで、信号処理能力が大幅に向上します。通信信号を処理できるということは、ランダムなプロセスによって発生するエラーを検出して修正できることを意味します。また、デジタル信号は連続的に監視するのではなく、サンプリングすることも可能です。複数のデジタル信号の多重化は、アナログ信号の多重化に比べてはるかに簡単です。これらの利点に加え、コンピュータデータの伝送に対する膨大な需要と、デジタル通信がそれを実現できる能力、そして近年の広帯域通信チャネルと固体電子工学の進歩によってエンジニアがこれらの利点を最大限に活用できるようになったことから、デジタル通信は急速に発展しました。

デジタル革命は、データ伝送の原理を応用した多くのデジタル通信アプリケーションを生み出した。例としては、第2世代（1991年）以降の携帯電話、ビデオ会議、デジタルテレビ（1998年）、デジタルラジオ（1999年）、テレメトリなどが挙げられる。

データ伝送、デジタル伝送、またはデジタル通信とは、ポイントツーポイントまたはポイントツーマルチポイントの通信チャネルを介してデータを転送することです。このようなチャネルの例としては、銅線、光ファイバー、無線通信チャネル、記憶媒体、コンピュータバスなどがあります。データは、電圧、電波、マイクロ波、赤外線などの電磁信号として表現されます。

アナログ伝送は、アナログチャネルを介して連続的に変化するアナログ信号を伝送するのに対し、デジタル通信は、デジタルチャネルまたはアナログチャネルを介して離散的なメッセージを伝送する。メッセージは、ラインコードによるパルス列（ベースバンド伝送）またはデジタル変調方式を用いた連続的に変化する波形の限定されたセット（パスバンド伝送）によって表現される。パスバンド変調とそれに対応する復調（検出とも呼ばれる）は、モデム機器によって実行される。デジタル信号の最も一般的な定義によれば、ビットストリームを表すベースバンド信号とパスバンド信号の両方がデジタル伝送とみなされるが、別の定義では、ベースバンド信号のみがデジタルとみなされ、デジタルデータのパスバンド伝送はデジタル-アナログ変換の一形態とみなされる。

送信されるデータは、コンピュータやキーボードなどのデータソースから発信されるデジタルメッセージである場合がある。また、電話の通話やビデオ信号などのアナログ信号を、パルス符号変調（PCM）やより高度なソース符号化（アナログ-デジタル変換およびデータ圧縮）方式を用いてビットストリームにデジタル化したものである場合もある。このソース符号化および復号化は、コーデック装置によって行われる。

電気通信において、シリアル伝送とは、文字やその他のデータ要素を表す信号要素群を順次伝送することです。デジタルシリアル伝送では、ビットが単一のワイヤ、周波数、または光経路を介して順次送信されます。並列伝送に比べて信号処理が少なく、エラーの可能性も低いため、各経路の転送速度は速くなる可能性があります。この方式は長距離伝送に適しており、チェックデジットやパリティビットをデータとともに容易に送信できます。

並列伝送とは、関連する信号要素を2つ以上の別々の経路で同時に伝送する方式です。複数の電気配線を使用して複数のビットを同時に伝送できるため、シリアル伝送よりも高速なデータ転送速度を実現できます。この方式は、コンピュータ内部のバスなど、内部的に使用されることが多く、プリンタなどの外部機器にも使用されることがあります。並列データ伝送では、配線の特性が必然的にわずかに異なるため、タイミングのずれが大きな問題となる場合があります。一部のビットが他のビットより先に到着し、メッセージが破損する可能性があるためです。この問題は距離が長くなるにつれて悪化する傾向があり、そのため並列データ伝送は長距離では信頼性が低下します。

通信チャネルの種類には以下のようなものがあります。

• データ伝送回路
• 全二重通信
• ハーフデュプレックス
• シンプレックス
• マルチドロップ：
  • バスネットワーク
  • メッシュネットワーク
  • リングネットワーク
  • スターネットワーク
  • 無線ネットワーク
• ポイントツーポイント

非同期シリアル通信では、開始ビットと停止ビットを使用して送信の開始と終了を示します。^{[ 20 ]}この送信方法は、データが連続したストリームではなく断続的に送信される場合に使用されます。

同期伝送では、クロック信号を用いて送信側と受信側の両方の伝送速度を同期させます。クロック信号は独立した信号として用いられる場合もあれば、データに埋め込まれる場合もあります。その後、2つのノード間で連続的なデータストリームが送信されます。スタートビットとストップビットが存在しないため、データ転送速度がより効率的になる可能性があります。

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• 送信（曖昧さ回避）