数据通信基础之差错控制技术

1、数据通信基础数据通信基础差错控制技术产生差错的原因及控制产生差错的原因及控制1、出现差错的必然性出现差错的必然性n外部电磁场的干扰n由传输导体内部电子热运动产生的热噪声2、避免出错的方法、避免出错的方法n提高通信系统的通信质量n检测错误并加以纠正 检错常用的方法是在发送数据时加入校验码检错常用的方法是在发送数据时加入校验码网络世界有你有我网络世界有你有我差错控制方法差错控制方法检测与纠正1.时间冗余法时间冗余法2.设备冗余法设备冗余法3.数据冗余法数据冗余法 对数据块进行某种抗干扰编码抗干扰编码 检错码检错码&纠错码纠错码 奇偶校验码奇偶校验码 循环冗余校验码循环冗余校验码(CRC)

2、海明码（海明码（R.Hamming) 网络世界有你有我网络世界有你有我奇偶校验码奇偶校验码奇偶检验码是通过增加冗余位来使得码字中奇偶检验码是通过增加冗余位来使得码字中“1”“1”的个数保持为奇数的个数保持为奇数或偶数或偶数的编码方法。它在通信中使用时又可以分为垂直奇偶检验、的编码方法。它在通信中使用时又可以分为垂直奇偶检验、水平奇偶检验和水平垂直奇偶检验等类型。水平奇偶检验和水平垂直奇偶检验等类型。垂直奇偶检验垂直奇偶检验 编码效率为编码效率为: R=p : R=p （p+1p+1）。 奇偶检验方法能检测出每列中的所有奇数个位的错，但检测不出奇偶检验方法能检测出每列中的所有奇数个位的错，但检测

3、不出偶数个位的错。对于突发错误来说，奇数位错与偶数位错的概率接偶数个位的错。对于突发错误来说，奇数位错与偶数位错的概率接近于相等，因而近于相等，因而对差错的漏检率接近于对差错的漏检率接近于1/21/2。水平奇偶检验水平奇偶检验 编码效率是编码效率是 R=q R=q（q+1q+1） 对各个信息段的相应位横向进行编码，对应每一行对各个信息段的相应位横向进行编码，对应每一行产生一个奇偶检验冗余位产生一个奇偶检验冗余位; ; 不能在发送过程中边产生奇偶检验冗余位，边插入不能在发送过程中边产生奇偶检验冗余位，边插入发送，而必须等要发送的完整信息块到齐后，才能产生发送，而必须等要发送的完整信息块到齐后，才

4、能产生冗余位，一定要使用记忆寄存器。冗余位，一定要使用记忆寄存器。 网络世界有你有我网络世界有你有我奇偶校验码奇偶校验码同时进行水平奇偶检验和垂直奇偶检验就构成了同时进行水平奇偶检验和垂直奇偶检验就构成了水平垂直奇偶检验水平垂直奇偶检验它能检测出所有它能检测出所有3 3位或位或3 3位以下的错误位以下的错误奇数位错、奇数位错、突发长度突发长度p+1p+1的突发错以及很大一部分偶数位的突发错以及很大一部分偶数位错。错。其还可以纠正部分差错，例如仅在某一行和某一其还可以纠正部分差错，例如仅在某一行和某一列中有奇数位错时，就能确定错误的位置就在该列中有奇数位错时，就能确定错误的位置就在该行和该列的交

5、叉处，从而得以纠正。另外，当某行和该列的交叉处，从而得以纠正。另外，当某一行出现偶数个错时，虽然水平检验不能发现，一行出现偶数个错时，虽然水平检验不能发现，但在其垂直检验中还是可能被查出。只有当有错但在其垂直检验中还是可能被查出。只有当有错的各行和各列中出错位数均为偶数时，才不可能的各行和各列中出错位数均为偶数时，才不可能被发现。被发现。网络世界有你有我网络世界有你有我奇偶校验码奇偶校验码在实际的数据通信中，在实际的数据通信中，垂直奇偶检验主要用于异步传输垂直奇偶检验主要用于异步传输，通常情况下一列对应一个字符。当采用通常情况下一列对应一个字符。当采用ASCIIASCII编码时，编码时，P=7

6、P=7，其结果就是在，其结果就是在7 7位表示字符的数据位上再附加第位表示字符的数据位上再附加第8 8位位的奇偶位。例如，字符的奇偶位。例如，字符A A用用ASCIIASCII码表示为码表示为10000011000001，采用，采用偶检验，第偶检验，第8 8位应该是位应该是0 0。水平检验码则是用于同步传输水平检验码则是用于同步传输，通常是把一群字符作为，通常是把一群字符作为一个块传送，字符之间没有时间间隔（同步传输）结果一个块传送，字符之间没有时间间隔（同步传输）结果产生一个附加的字符跟在块的后面。通常人们还把这种产生一个附加的字符跟在块的后面。通常人们还把这种水平检验编码称作块检验码（水平

7、检验编码称作块检验码（BCCBCC），把所附加的字符叫），把所附加的字符叫做做块检验字符块检验字符。 网络世界有你有我网络世界有你有我CRC 循环冗余码（循环冗余码（CRCCRC-Cyclic Redundancy Code-Cyclic Redundancy Code）在计算机网络中用的最广泛，漏检率低，便于实现。在计算机网络中用的最广泛，漏检率低，便于实现。CRCCRC码又称码又称多项式码多项式码。任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含有有0 0和和1 1两个系数的多项式建立一一对应的关系：两个系数的多项式建立一一对应的关系： 一个

8、一个K K位帧可以看成是从位帧可以看成是从X XK-1K-1到到X X0 0的的K K次多项式的系数次多项式的系数序列，这个多项式的阶数为序列，这个多项式的阶数为K-1K-1，高位（最左边）是，高位（最左边）是X XK-1K-1项的系数，下一位是项的系数，下一位是X XK-2K-2的系数，依次类推。的系数，依次类推。 例如，例如，10110111011011有有7 7位，表示成多项式是位，表示成多项式是X X6 6+X+X4 4+X+X3 3+X+1+X+1；而多项式而多项式X X5 5+X+X4 4+X+X2 2+X+X对应的位串是对应的位串是110110110110。 f(x)= Xf(x

9、)= X6 6+X+X4 4+X+X3 3+X+1 +X+1 系数对应系数对应 1011011 1011011 g(x)= X g(x)= X5 5+X+X4 4+X+X2 2+X +X 系数对应系数对应 110110 110110网络世界有你有我网络世界有你有我CRCK K位信息位信息 （k-1k-1）次多项式）次多项式K K（x x）R R位冗余位位冗余位 （r-1r-1）次多项式）次多项式R R（x x）N=K+R N=K+R （n-1n-1）次）次多项式多项式T（x） T（x）=x xr rK(x)+RK(x)+R（x x）信息位信息位 1010001 K 1010001 K（x x）

10、= X= X6 6+X+X4 4+1 +1 冗余位冗余位 11011101 R R（x x）= X= X3 3+X+X2 2+1+1码字码字 1010001 101000111011101 T T（x x）= X= X1010+X+X8 8+X+X4 4+X+X3 3+X+X2 2+1 +1 由信息位产生冗余位的过程，就是已知由信息位产生冗余位的过程，就是已知K K（x x）求）求R R（x x）CRCCRC中，可以通过找到一个特定的中，可以通过找到一个特定的r r次多项式次多项式G G（x x）来实来实现。现。 网络世界有你有我网络世界有你有我CRCn利用利用CRCCRC进行检错的过程可简单

11、描述为：在发送端根据进行检错的过程可简单描述为：在发送端根据要传送的要传送的k k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的验用的r r位监督码位监督码(CRC(CRC码码) )，附在原始信息后边，构成一，附在原始信息后边，构成一个新的二进制码序列数共个新的二进制码序列数共k+rk+r位，然后发送出去。在接位，然后发送出去。在接收端，根据信息码和收端，根据信息码和CRCCRC码之间所遵循的规则进行检验，码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。这个规则，在差错控制理论中以确定传送中是否出错。这个规则，在差错控制理论中称为称为“生成多项式生成多项式

12、”。 n生成多项式的最高幂次项系数是固定的生成多项式的最高幂次项系数是固定的1 1。n除法电路可以完成得到余式的编码操作。除法电路可以完成得到余式的编码操作。网络世界有你有我网络世界有你有我CRCn算法如下：算法如下：1.1.设设G G（x x）为）为r r阶，在帧的末尾附加阶，在帧的末尾附加r r个零，个零，使帧为使帧为k+rk+r位，则其对应的多项式是位，则其对应的多项式是x xr rK(x)K(x); ;2.2.按模按模2 2除法用对应除法用对应G G（x x）的位串去除对应）的位串去除对应x xr rK(x)K(x)的位串的位串; ;3.3.按模按模2 2减法从对应于减法从对应于x x

13、r rK(x)K(x)的位串减去余数的位串减去余数（总是等于或小于（总是等于或小于r r位）。结果就是要传送位）。结果就是要传送的带检验和的帧，叫多项式的带检验和的帧，叫多项式T T（x x）。）。网络世界有你有我网络世界有你有我CRCG（x）xrK(x)网络世界有你有我网络世界有你有我CRCG（X）由协议规定 CRC-12： x12 + x11 + x3 + x2 + x +1 CRC-16： x16 + x15 + x2 +1 CRC-CCITT： x16 + x12 + x5 +1 CRC-32： x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x11 + x10 + x8

14、+ x7 + x5 + x4 + x2 + x +1网络世界有你有我网络世界有你有我CRCr接收方 按模按模2 2除法用对应除法用对应G G（x x）的位串去除接收到）的位串去除接收到 的位串：的位串：若得出的余数若得出的余数 R R = 0 = 0，则判定这个帧没有差错，就，则判定这个帧没有差错，就接受接受(accept)(accept)；若余数若余数 R R 0 0，则判定这个帧有差错，就，则判定这个帧有差错，就丢弃丢弃。n但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。出现了差错。n只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数只要

15、经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P P，那，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。么出现检测不到的差错的概率就很小很小。 网络世界有你有我网络世界有你有我CRC在数据后面添加上的冗余码称为在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序帧检验序列列 FCS (Frame Check Sequence) FCS (Frame Check Sequence)。循环冗余检验循环冗余检验 CRC CRC 和帧检验序列和帧检验序列 FCS FCS并不并不等同。等同。nCRC CRC 是一种常用的是一种常用的检错方法检错方法，而，而 FCS FCS 是添加是添加在数据后面的在数据后面的冗余码冗余码。nFCS

16、 FCS 可以用可以用 CRC CRC 这种方法得出，但这种方法得出，但 CRC CRC 并非并非用来获得用来获得 FCS FCS 的唯一方法。的唯一方法。 网络世界有你有我网络世界有你有我数据通信基础数据通信基础网络传输介质物理传输介质物理传输介质物理媒体使得电子信号从一台计算机到另物理媒体使得电子信号从一台计算机到另一台计算机的传输成为可能；一台计算机的传输成为可能；站点之间传送的所有信号都是由某种形式站点之间传送的所有信号都是由某种形式的电磁波组成；的电磁波组成；根据电磁波的频率，使用不同的媒体来传根据电磁波的频率，使用不同的媒体来传送信号。送信号。网络世界有你有我网络世界有你有我电磁频

17、谱电磁频谱 频段频段划分划分低频低频(LF)(LF)中频中频(MF)(MF)高频高频(HF)(HF)甚高频甚高频(VHF)(VHF)特高频特高频(UHF)(UHF)超高频超高频(SHF)(SHF)极高频极高频(EHF)(EHF)频率范频率范围围30300 30300 kHzkHz300 kHz3 300 kHz3 MHzMHz330 330 MHzMHz30300 30300 MHzMHz300 MHz3 300 MHz3 GHzGHz330 330 GHzGHz30 30 GHzGHz网络世界有你有我网络世界有你有我传输介质特性传输介质特性价格价格安装要求安装要求带宽带宽衰减衰减抗电磁干扰性

18、抗电磁干扰性网络世界有你有我网络世界有你有我同轴电缆同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体网络世界有你有我网络世界有你有我同轴电缆同轴电缆 RG-8/RG-11 50 RG-58 50 RG-59 75 RG-62 93Coaxial Cable 网络世界有你有我网络世界有你有我双绞线双绞线网络世界有你有我网络世界有你有我双绞线双绞线A扭绞距扭绞距线径线径 0.40.41.4 mm1.4 mmB近端串扰近端串扰远端串扰远端串扰为什么绞合在一起？为什么绞合在一起？网络世界有你有我网络世界有你有我双绞线双绞线Twisted Pair Cat.1 audio&20kHzCat2. 1M

19、Hz (4Mbps)Cat3. 16MHz (10Mbps)Cat4. 20MHz (16Mbps)Cat5. 100MHz (100Mbps)cat5E. 100MHz (100Mbps)Cat6. 250MHz (1000Mbps)Cat6E. 250MHz (1000Mbps)Cat7. 600MHz (10Gbps) (STP)ANSI/EIA/TIA-568A(B)ISO Shield&Unshield网络世界有你有我网络世界有你有我光纤光纤折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯 纤芯和周围比纤芯的折射率稍低的材料做成的

20、包纤芯和周围比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信层，将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体号在纤芯中传播前进的媒体网络世界有你有我网络世界有你有我光纤光纤高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射网络世界有你有我网络世界有你有我光纤光纤光纤按模式分：光纤按模式分： 单模单模 8.3-10 8.3-10 m/125 m/125 m m 多模多模 50 50 m/125 m/125 m m、62.5 62.5 m/125 m/125 m m 窗口（波段）窗口（波段）800 - 900nm 1250-13

21、50nm 1500-1600nm 单模：单模：850/1300nm多模：多模：1310-1550nm网络世界有你有我网络世界有你有我输入脉冲输出脉冲单模光纤光纤光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤网络世界有你有我网络世界有你有我单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤多模光纤（multi-mode fiber）n内芯直径稍大,其中有多个光沿不同的方向同时传播。n直径为62.5mn使用普通发光二极管作为光源n波长为0.85umn中继距离2公里单模光纤（single-mode fiber）n内芯直径较小，与光的波长接近，光沿同一方向传播。n直径为810mn使用激光源,波长为1.55umn中继距离100公里激光器光检波器单束光线沿直单束光线沿直线传播线传播多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传