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数据通信与交换协议

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分为通信协议、数据交换协议、进程间通信方法

通信协议

物理层

功能 完成信号传输

通信方式与数据传输方式 单工通信、半双工通信、双工通信；串行传输、并行传输

信号类型 基带信号(0,1)、宽带信号(频分复用)

信号编解码/调制解调 数字信号、模拟信号

传输介质 电缆、光缆、电磁波

数据链路层

提供的服务 保证信号可以从一个节点传递到下一个节点。主要功能如下：成帧(数据帧封装)、链路接入(链路建立与释放)、差错控制(数据校验与重传)、流量控制(保证接收与发送同步)、访问控制(共享介质的网络避免数据同时发送)

功能设备 专用的网络适配器(网卡)、交换机、集线器、网桥。

PPP(Point to Point Protocol) 点对点协议链路层协议，主要用于在全双工的串行链路上进行点到点的数据传输，衍生产品应用非常广泛。

HDLC(High-level Data Link Control) 高级数据链路控制协议，支持半双工半双工、全双工传送，支持点到点、多点结构，支持交换型、非交换型信道。主要用于早期的计算机网络与某些特殊领域

以太网(Ethernet) 局域网（Local Area Network, LAN）通信协议。包含物理层和数据链路层标准，设备之间主要是通过网线与中继器等完成连接，也可以完成点对点连接。

WiFi 无线局域网通信协议。包含物理层和数据链路层标准，设备之间通过特定频段电磁波与无线接入点连接。

其它协议 蓝牙、NFC、SLIP、LAPB、Token Ring等

网络层

提供的服务 在不同的网络节点之间进行数据包的路由选择和转发。主要功能如下：数据分组、路由选择、子网掩码区分、NAT(私有IP与公共IP转换)、路由协议适配、拥塞控制、虚电路服务(保证稳定的数据连接)、QoS(数据优先级管理)、隧道技术(通过网络层封装一种协议为另一种协议来穿越防火墙)

主要设备 路由器、3层交换机、防火墙

IP(Internet Protocol) 定义数据包格式与寻址方式，利用路由器完成数据分组、路由选择等基础功能。

ICMP协议 基于IP协议，用于调试网络层异常状态

其它协议 提供的服务都存在对应的实现方法与协议，它们都是基于IP协议与硬件属性完成的数据处理。

传输层

提供的服务 实现端到端的通信，用于处理应用层的消息，按照协议标准下发到网络层，面向数据流的协议不保证数据边界。主要功能如下：端到端连接、数据分段、流量控制、错误纠正、拥塞控制、基于端口的多路服用、QoS(数据优先级管理)、可靠传输或不可靠传输

TCP（Transmission Control Protocol） 以上服务全部支持，可以保持长连接。

UDP（User Datagram Protocol） 相比网络层，仅提供端口复用、错误纠正等基础功能。

TLS/SSL (Transport Layer Security/Secure Sockets Layer) 基于TCP协议，对数据进行加密与端点认证。如电子邮件、文件传输、网页浏览等。

DCCP (Datagram Congestion Control Protocol) 基于UDP协议，提供了拥塞控制。如在线游戏和多媒体流等

SCTP (Stream Control Transmission Protocol) 兼顾TCP、UDP特点，使用多个IP地址来建立连接，比TCP更安全高效，如电信应用、网际电话（VoIP）和即时通讯等。

RTP（Real-time Transport Protocol）一种网络传输协议，专为在互联网上提供具有实时特性的端到端通信服务而设计。它主要应用于音频、视频等多媒体数据的实时传输。RTP通常与RTCP一起使用

应用层

  1. HTTP (Hypertext Transfer Protocol) / HTTPS (HTTP Secure): HTTP 是用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议，主要用于网页浏览。HTTPS 则是HTTP的安全版，通过SSL/TLS协议提供加密通讯和数据安全。按照请求/响应模型实现。
  2. WebSocket：基于TCP协议通信，基于HTTP请求的握手。使用全双工通信，适合频繁的数据发送。
  3. STOMP：一般是基于WebSocket协议通信，支持点对点和发布/订阅两种消息模型。
  4. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): 用于在互联网上传送电子邮件的标准协议。
  5. POP3 (Post Office Protocol version 3) 和 IMAP (Internet Message Access Protocol): 分别是两种用于接收电子邮件的协议，其中POP3下载邮件至本地设备，而IMAP允许用户在服务器上管理邮件。
  6. FTP (File Transfer Protocol): 用于在网络上进行文件传输的协议，支持上传和下载。
  7. DNS (Domain Name System): 将人类可读的域名转换为IP地址的系统，使得用户可以通过域名访问网站。
  8. SSH (Secure Shell): 提供安全的远程登录和其他网络服务的协议，常用于管理远程服务器。
  9. TLS/SSL (Transport Layer Security/Secure Sockets Layer): 虽然工作在传输层，但常常提及于应用层，用于加密网络通信，保护数据的隐私和完整性。
  10. FTP over TLS/SSL (FTPS): FTP协议的加密版本，通过TLS/SSL来保护文件传输过程中的数据安全。
  11. SFTP (Secure File Transfer Protocol): 一种安全的文件传输协议，通常运行在SSH之上，提供加密的数据传输。
  12. Telnet: 远程终端协议，允许用户登录到远程主机并进行操作，但现在已较少使用，多被SSH取代。
  13. SNMP (Simple Network Management Protocol): 用于网络设备管理和监控的协议，可以收集网络信息、修改设备配置等。
  14. NTP (Network Time Protocol): 用于同步网络中各个计算机的时间，确保时间的一致性。
  15. XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol): 灵活、易扩展、成熟、强大、复杂的即时通讯协议。基于XML格式使用TCP连接，实现客户端、网关、服务器之间的通信。
  16. WebRTC协议：WebRTC旨在使浏览器之间的实时音视频通信、数据共享变得简单，无需安装额外插件。

其它

PCI-E协议

PCI-Express(peripheral component interconnect express)，简称PCIE，是一种高速串行计算机扩展总线标准，主要用于扩充计算机系统总线数据吞吐量以及提高设备通信速度。

类似于OSI网络模型，包括应用层、事务层、数据链路层和物理层。这些层次专注于点对点的通信效率、数据包的封装与解封装、错误检测与纠正、以及电气信号的传输等

数据交换协议

数据交换协议是一种规则或标准，用于定义两个或多个系统之间如何格式化、传输和解析数据，以确保数据能够被正确地理解和处理。在软件系统开发和网络通信中，数据交换协议起着至关重要的作用，它确保了不同系统之间的互操作性，无论这些系统是基于什么样的硬件或软件平台。

数据交换协议的关键目标包括：

  1. 标准化：定义数据的结构和格式，使得发送方和接收方能够遵循相同的规则来编码和解码数据。
  2. 可靠传输：确保数据在传输过程中保持完整，可能包括错误检测和纠正机制。
  3. 高效传输：优化数据的打包和传输方式，减少不必要的开销，提高通信速度。
  4. 安全性：在某些协议中，还涉及数据加密和验证措施，以保护数据免受未经授权的访问或篡改。

文本数据协议

  1. **XML (eXtensible Markup Language)**：一种可扩展的标记语言，被广泛用于网络服务和数据存储，因其灵活性和自描述性而成为数据交换的基石。
  2. **JSON (JavaScript Object Notation)**：轻量级的数据交换格式，易于人阅读和编写，也易于机器解析和生成，现已成为Web服务和应用程序间数据交换的首选格式。
  3. **YAML (YAML Ain’t Markup Language)**：一种直观、易读的数据序列化格式，比json语法更多，体积更小，常用于配置文件和数据交换。
  4. **TOML (Tom’s Obvious, Minimal Language)**：另一种轻量级的配置文件格式，设计初衷是为了易于阅读、编辑，并且可以直接映射到哈希表结构，适用于配置文件。
  5. **CSV (Comma-Separated Values)**：逗号分隔值格式，是一种简单的表格数据存储格式，广泛应用于数据导入导出
  6. INI(nitialization File) 初始化文件。这种文件格式被用来存储软件或操作系统的配置设置，包括但不限于启动参数、用户偏好设置、路径信息等。INI文件是一种简单的文本文件，其内容通常由节（Sections）、键（Keys）和值（Values）组成，使用等号（=）分隔键和值，节则用方括号（[]）包围。

二进制数据协议

  1. **Protocol Buffers (Protobuf)**：主要用于高性能、跨平台的通信和数据存储。广泛应用于分布式系统、微服务架构、文件存储格式和配置文件。它的优势在于高效的二进制编码、快速的序列化/反序列化速度以及严格的schema定义，支持多种编程语言。
  2. Apache Avro：适用于大数据处理场景，特别是Hadoop生态系统中。Avro提供了动态的数据模式，支持模式演化，非常适合需要灵活数据结构和强兼容性的场景，如数据管道、数据湖存储和实时数据处理系统。
  3. FlatBuffers：特别适合游戏开发和实时系统，因为它们需要低延迟和高吞吐量的数据访问。FlatBuffers可以在不进行解析的情况下直接访问数据，这对于需要快速响应和频繁数据交换的应用来说非常关键。
  4. Cap’n Proto：适用于需要极致性能和低延迟的实时系统，如金融交易平台、游戏服务器、实时数据分析等。Cap’n Proto通过零拷贝和持久化数据结构来减少内存使用和提升性能。
  5. MessagePack：适用于需要JSON的灵活性但又追求更高性能的应用，如移动应用、游戏、实时消息系统等。它减小了数据体积，提高了数据处理速度，同时保持了与JSON的兼容性。
  6. gRPC：适用于构建高性能、低延迟的微服务和分布式系统。gRPC通过HTTP/2提供双向流、连接复用、流控等特性，支持复杂服务交互和高并发场景，如API服务、实时通信应用和云基础设施。
  7. **MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)**：主要用于物联网(IoT)场景，如传感器网络、智能家居、工业自动化等。MQTT设计用于在资源有限的网络环境下进行高效、可靠的数据传输，支持低功耗设备的长距离通信。
  8. Cbor：一种类似Json的数据格式，但是使用二进制编码，避免了Json不兼容二进制数据的问题

进程通信(IPC)

常用进程通信方法

  1. 管道（Pipes）：分为无名管道和命名管道，允许进程间单向或双向传递数据流。
  2. 消息队列（Message Queues）：提供了一种异步通信的方式，消息发送者将消息放入队列，接收者可以从队列中读取消息，消息可以是先进先出（FIFO）或其他模式。
  3. 信号量（Semaphores）：主要用于同步进程，控制对共享资源的访问，包括二进制信号量和计数信号量。
  4. 共享内存（Shared Memory）：直接在内存中划分一块区域供多个进程访问，是最直接也是最快的IPC方式，但需要额外的同步机制来避免冲突。
  5. 套接字（Sockets）：虽然主要用在网络通信中，但在同一台机器上也可以使用，支持TCP/IP和UDP等多种通信协议。
  6. 信号（Signals）：一种进程间的简单通信方式，用于通知接收进程有某种事件发生，如进程终止、用户中断等。
  7. 内存映射文件（Memory-Mapped Files）：将文件映射到内存中，多个进程可以通过操作内存映射区域来实现数据共享。
  8. **AIDL (Android Interface Definition Language)**：Android提供的一种接口描述语言，用于定义进程间通信的接口。AIDL文件编译后生成Java代码，使得进程间可以通过Binder机制进行通信。
  9. 远程过程调用（RPC）：在一个进程跨系统或网络调用另一个进程的函数