软考数据通信只讲校验码

5.1数据通信基础数据通信系统的一般结构模型5.1数据通信基础DTE是数据终端设备,它是数据的出发点和目的地。数据输入/输出设备、通信处理机和计算机属于DTE的范围。DTE根据协议控制通信的功能。通信控制器负责DTE和通信线路的连接,完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等。如微机内部的异步通信适配器、数字基带网中的网卡。信道是传输信号的通道,可以是有线的传输介质,也可以是无线的传输介质。信号变换器的功能是把通信控制器发出的信号转换成适合于在信道上传输的信号,或者相反,把从信道上接收的信号转换成通信控制器所能接受的信号。如调制解调器、光电转换器。信号变换器和其他的网络通信设备又统称为数据通信设备(DCE),为用户设备提供入网的连接点。5.2数据通信基本概念信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式,它能被识别,也可以被描述。数据的概念包括两个方面数据内容是事物特性的反映或描述数据以某种媒体作为载体信号是数据的具体物理表现,具有确定的物理描述。在数据通信系统中,人们主要关注数据和信号。5.2数据通信基本概念信号可以是模拟的也可以是数字的,信道也分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。数据可以是模拟的也可以是数字的。模拟与连续相对应。模拟数据是取某一区间的连续值,模拟信号是一个连续变化的物理量。利用模拟信道进行数据通信比较方便,但传输过程中会受到干扰而失真。数字与离散相对应。数字数据取某一区间内有限个离散值,数字信号取几个不连续的物理状态来代表数字。由这些离散数字按不同的规则组成的离散数字序列就形成了数字数据,其离散数字的序列便是数字数据的代码。利用数字信号传输的数据,在受到一定限度内的干扰后是可以恢复的。5.2数据通信基本概念模拟信号：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字信号：离散性；跃变性；设备性能先进,

较为便宜；5.2数据通信基本概念模拟数据可以用模拟信号来表示模拟数据是时间的函数,并占有一定的频率范围,即频带。模拟数据可以直接用占有相同频带的电信号,即对应的模拟信号来表示。数字数据可以用模拟信号来表示此时要利用调制解调器Modem(Modulater/Demodulater)将数字数据调制转换为模拟信号,使之能在适合于此种模拟信号的介质上传输。大多数通用的Modem都用语音频带来表示数字数据,因此能使数字数据在普通的音频电话线上传输;在线路的另一端,Modem再把模拟信号解调还原成原来的数字数据。5.2数据通信基本概念模拟数据可以用数字信号来表示。对于声音数据来说,完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器CODEC(Coder/Decoder)。CODEC将直接表示声音数据的模拟信号编码转换成用二进制位流近似表示的数字信号;而线路另一端的CODEC,则将二进制位流解码恢复成原来的模拟数据。数字数据可以用数字信号来表示。数字数据还可以直接用二进制形式的数字脉冲信号来表示,但为了改善其传播特性,一般先要对二进制数据进行编码。5.2数据通信基本概念模拟信号的衰减与增强用放大器来增强信号中的能量问题：会使噪音分量增强,以至引起信号畸变。对于模拟数据来说,即使存在一些畸变,内容仍然可以听懂理解;但对于数字数据来说,畸变将会使数据传输产生错误。数字信号的衰减与增强使用中继器。中继器接收衰减了的数字信号,把数字信号恢复为0、1的标准电平,然后重新传输这种新的信号,这样就有效地克服了衰减。5.2数据通信基本概念对数据通信的期望：传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高,并且既经济又便于使用维护信号传输速率(码元速率、调制速率或波特率baud)一个数字脉冲称为一个码元信号传输速率：单位时间内通过信道传输的码元个数,也就是信号经调制后的传输速率若信号码元的宽度(脉冲的周期)为T秒,则码元速率数据传输速率(比特率)每秒能传输的二进制信息位数,单位为位/秒

(bitspersecond)、记作bps或b/s,它可由下式确定:

5.2数据通信基本概念N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调制电平数,一般取2的整数次的关系一般在二元调制方式中,R和B都取同一值,习惯上二者是通用的。但在多元调制的情况下,必须将它们区别开来。虽然数据传输速率和调制速率都是描述通信速度的指标,但它们是完全不同的两个概念方值一个码元仅可取0和1两种离散值,则该码元只能携带一位二进制信息;若一个码元可取00、01、10和11四种离散值,则该码元就能携带两位二进制信息。以此类推,若一个码元可取N种离散值,则该码元便能携带位二进制信息两种速率间例：采用8种相位的调制方式,当信号速率为1200baud时,数据传输速率是多少？5.2数据通信基本概念误码率衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标定义为二进制数据位传输时出错的概率。设传输的二进制数据总数为N位,其中出错的位数为Ne位,则误码率表示为:计算机网络中,一般要求误码率低于10-6,即平均每传输106位数据仅允许错一位若误码率达不到这个指标,可以通过差错控制方法进行检错和纠错5.2数据通信基本概念谐波的概念电压一般具有很好的正弦特性,但在接近负荷端,电压畸变率较大。对于某些负荷,电流波形只是一个近似的正弦波。多数畸变是周期性的,用“谐波”来描述符合上述规律的波形畸变。根据傅里叶级数进行分解,任何周期性的畸变波形都可用正弦波形的和表示。即当畸变波形的每个周期都相同时,该波形可用一系统频率为基波频率整数倍的理想正弦波形的和来表示。其中频率为基波频率整数倍的分量称为谐波5.2数据通信基本概念带宽的概念信号的带宽是指它的频谱宽度。理论上任意持续期有限的信号的频谱总是无限宽的,但在实际应用中,频谱宽度被认为是信号能量比较集中的那样一个频率范围。如果认为能量主要集中在宽度为τ主频谱内,则它的带宽Bf是1/τ。假定正电平代表1,负电平代表0,则与位串101010相应的脉冲信号波形为5.2数据通信基本概念设数据传输率为Rbps,则脉冲序列的周期T＝2/R,如果认为该信号的能量主要集中在1,3,5次谐波中,则可认为脉冲序列频谱的带宽Bf为5f1,f1是它的基波频率。于是有Bf=5f1=5·1/T=5·R/2＝2.5R可见,数据传输率R越高,则信号带宽越宽。5.2数据通信基本概念***系统对不同频率的正弦波,传输能力不同对不同频率的正弦波测量出它们通过系统后各自的输出幅度与输入幅度之比K(f),可以获得一条曲线K(f)～f,称为该系统的频率响应曲线。一个具有低通特性的系统,其典型的频率响应曲线为5.2数据通信基本概念****当K(f)降低到时,相应的频率fc称为该系统的截止频率。当输入信号的频率大于fc时,它在该系统中传输时将受到较大的衰减。因此,可以把0～fc称为具有低通特性的系统所具有的带宽。若被传信号的带宽Bf大于传输系统的带宽Wf,信号分量中一部分信号将被衰减掉,造成被传信号的失真。通常的电话传输系统,其带宽为3000HZ。如果用它来传输数据,其数据率为：在电话线上用1200bps的速率传送数据时,只有5次以上谐波受到较大衰减,基本能保持原始信号的形状。5.3.1点－点通信方式单工方式信息固定地从一端(发送端)传送到另一端(接收端)。键盘与计算机、计算机和打印机之间的通信多是这种方式半双工方式在这种方式中,信息可以向二个相反方向传送,但不能同时进行。依据信息传送的方向,发送设备和接收设备交替地使用传输信道相连。全双工方式能同时在二个相反方向上传输信息,因此需要二个独立的通道。这二个独立的通道,可以采用二对线路来实现,也可以采用多路复用技术来实现。5.3.2通信线路结构若一条线路上只有二个站,则通信线路是点-点结构的；若一条线路上有多个站,则通信线路是多点结构5.3.2通信线路结构以上可构成较复杂通信方式5.3.3异步与同步通信同步问题是数据通信中一个关键问题通常使用两种同步方式进行传输异步传输同步传输。在信息传输的过程中,往往还要求在不同的等级上实现同步。字符同步：识别每一个字符或一帧数据的开始和结束位同步：识别每一位的开始和结束。在异步传输中,每发送一个字符其开头都带一位起始位,以便在每一个字符开始时接收端和发送端同步一次。在同步传输中,在每块数据的开头设置专门的同步字符,它可以是一个字符或多个字符,然后要求发送端和接收端在该帧数据传输的过程中保持同步。5.3.3异步与同步通信同步传输有面向字符和面向位的二种控制方式。对于面向字符的传输,数据都被看作字符序列,所有的控制信息也都是字符形式。在数据串(字符序列)的前、后分别设有开始标志和结束标志。接收端首先寻找开始同步字符,然后处理控制字符,接收数据字符。一帧的结束可以用结束控制字符标志,也可以在控制字符中设置帧长度加以控制。对于面向位的传输,数据都被看作二进制位序列。一个或多个同步字符控制字符数据字符结束控制字符5.3.4DTE和DCTE计算机通过传输介质相互连接进行通信。计算机或终端这类数据处理设备称为DTE。DTE都通过另一个中间设备把数据变成适合于在介质传输的信号形式再和介质相连,这个中间设备称为DCE,它是一种通信控制设备,例如调制解调器就是一种DCE设备。DCE一方面负责和线路相联系,另一方面又要和与它相连的DTE联系,向DTE传达它从链路上所接收的控制和数据信息。为了生产厂商和用户的方便,DTE和DCE之间必须规定出标准的物理连接方式,这些关于物理连接的规定称为通信过程中的物理层协议。5.4传输信号错误检测技术信号在物理信道中传输时,会由于各类原因而造成信号的失真。在数据通信中,会使接收端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致,从而造成差错。一般来说,传输中的差错都是由噪声引起的。噪声有两大类,一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声;另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。5.4传输信号错误检测技术热噪声引起的差错称为随机错,所引起的某位码元的差错是孤立的,与前后码元没有关系。冲击噪声呈突发状,由其引起的差错称为突发错。幅度可能相当大,且无法避免差错,是传输中产生差错的主要原因。冲击噪声虽然持续时间很短,但在一定的数据速率条件下,仍然会影响到一串码元。从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个码元间所有码元的个数,称为该突发错的突发长度。数据通信中不加任何差错控制措施,直接用信道来传输数据是不可靠的。5.4传输信号错误检测技术最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前,先按照某种关系附加上一定的冗余位,构成一个码字后再发送,这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后,检查信息位和附加的冗余位之间的关系,以检查传输过程中是否有差错发生,这个过程称为校验过程。利用差错控制编码来进行差错控制的方法基本上有两类自动请求重发ARQ：接收端检测出有差错时,就设法通知发送端重发,直到正确的码字收到为止前向纠错FEC：接收端不但能发现差错,而且能确定二进制码元发生错误的位置,从而加以纠正。因此,差错控制编码又可分为检错码和纠错码。检错码是指能自动发现差错的编码,纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。5.4传输信号错误检测技术ARQ方式只使用检错码,但必须有双向信道才可能将差错信息反馈至发送端。发送方要设置数据缓冲区存放已发出去的数据,以便出差错后可以重新发送。FEC方式不需要反向信道来传递请求重发的信息,发送端也不需要存放以备重发的数据缓冲区。但纠错码一般说来要比检错码使用更多的冗余位,即编码效率低,且纠错设备也比检错设备复杂,因而除非在单向传输或实时要求特别高等场合外,还是ARQ差错控制方式。也可以将上述两者混合使用,即当码字中的差错个数在纠正能力以内时,直接进行纠正;当码字中的差错个数超出纠正能力时,则检出差错,使用重发方式来纠正差错。5.4传输信号错误检测技术衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R编码效率是码字中信息位所占的比例。若码字中信息位为k位,编码时外加冗余位为r位,则编码后得到的码字长度为n=k+r位,由此编码效率R可表示为:显然,编码效率越高,即R越大,信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。几种最常用的差错控制编码方法：奇偶校验码循环冗余码海明码5.4.1信号错误检测方法一般对一个字符是否出错常常采用奇偶校验的方法；对一个字符块是否出错常常采用块奇偶校验方法,有时又称为水平垂直奇偶校验。奇偶校验码：通过增加冗余位使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法,是一种检错码。对101101进行奇校验,则冗余位是：1对101101进行偶校验,则冗余位是：0对101100进行奇校验,则冗余位是：0对101100进行偶校验,则冗余位是：1在实际使用时又可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等几种5.4.1信号错误检测方法垂直奇偶校验(纵向奇偶校验)将要发送的整个信息块分为定长P位的Q段,每段后面按“1”的个数为奇数或偶数的规律加上一位奇偶位。rq…….r2r1Ipq…….Ip2Ip1…….…….I2q…….I22I21I1q…….I12I11发送顺序信息位冗余位偶校验：ri=I1i+I2i+…+IpI(i=1,2…,q)奇校验：ri=I1i+I2i+…+IpI+1(i=1,2…,q)模2加5.4.1信号错误检测方法编码及校验过程中,用硬件和软件方法容易实现连续半加运算编码效率：R=p/(p+1),若p取8,则效率为8/9缺点：只能检查出每列中的所有奇数位错,对于突发错误来说,漏检率接近于1/25.4.1信号错误检测方法水平奇偶校验(横向奇偶校验)为了降低对突发错误的漏检率,可采用水平奇偶校验方法。水平奇偶校验是对各个信息段的相应位横向进行编码,产生一个奇偶校验冗余位若每个信息段就是一个字符的话,这里的q就是发送的信息块中的字符数IpqI2qI1qrpr3r2r1…….Ip2Ip1…….…….…….I22I21…….I12I11发送顺序信息位冗余位5.4.1信号错误检测方法编码效率：R=q/(q+1)不但能检出各段同一位上的奇数位错,而且还能检测出突发长度<=p的所有突发错不论采用硬件方法还是软件方法,都不能在发送过程中边产生奇偶校验冗余位边插入发送,而必须等待要发送的全部信息块到齐后,才能计算冗余位,也就是一定要使用数据缓冲器,因此它的编码和检测实现起来都要复杂一些5.4.1信号错误检测方法水平垂直奇偶检验(纵横奇偶校验)同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验就构成水平垂直奇偶校验rpIpq…….Ip2Ip1rp+1,q+1rp+1,q……rp+1,2rp+1,1I2qI1qr3r2r1…….…….…….I22I21…….I12I11冗余位冗余位发送顺序5.4.1信号错误检测方法编码效率：R=pq/[(p+1)(q+1)]能检查出奇数位出错能检查出3位或3位以下的出错能检查出突发长度<=p+1的突发错以及很大一部分的偶数位出错实践表明,此种编码使误码率能降低到百分之一到万分之一还可用于部分纠错5.4.1信号错误检测方法水平垂直奇偶校验举例字符ASCII水平奇校验H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011111垂直奇校验011111005.4.2CRC校验奇偶校验码简单,但漏检率太高。计算机网络和数据通信中用得最广泛的检错码,是一种漏检率低得多也便于实现的循环冗余码CRC,又称为多项式码任何一个由二进制数位串组成的代码,都可惟一地与一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系

代码1010111对应的多项式为多项式对应的代码为101111。

5.4.2CRC校验CRC码在编码校验时,利用事先约定的生成多项式G(X)来得到。k位要发送的信息位可对应于一个(k-1)次多项式K(X)r位冗余位则对应于一个(r-1)次多项式R(X)由k位信息位后面加上r位冗余位组成的n=k+r位码字,则对应于一个(n-1)次多项式数据1011001,冗余位1010信息位是K(X)=X6+X4+X3+1,冗余位是R(X)=X3+X发送数据是T(X)=X4*K(X)+R(X)=X10+X8+X7+X4+X3+X5.4.2CRC校验目标：由信息位产生冗余位的编码过程,即已知K(X)求R(X)的过程。也就是知道了要传输的内容,如何去产生冗余位？通过找到一个特定的r次多项式G(X)(其最高项Xr的系数恒为1),然后用Xr·K(X)去除以G(X),得到的余式就是R(X)。这些多项式中的“+”都是模2加(也即异或运算);除法用的也是模2除法(除法过程中用到的减法是模2减法),不考虑加法进位和减法借位0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=00-0=0 0-1=1 1-0=1 1-1=01101001+

1101001=?5.4.2CRC校验在进行基于模2运算的多项式除法时,只要部分余数首位为1,便可上商1,否则上商0。然后按模2减法求得余数,该余数不计最高位。当被除数逐位除完时,最后得到比除数少一位的余数。此余数即为冗余位。将其添加在信息位后便构成CRC码字例：K(X)=X6+X4+X3+1,G(X)=X4+X3+1(11001)X4*K(X)=X10+X8+X7+X4(10110010000)

进行模2除5.4.2CRC校验模2除的过程R(X)=X3+X即101010110010000110011101010110011111011001111101100111100110011010发送序列为:101100110105.4.2CRC校验由于R(X)是Xr·K(X)除以G(X)的余式,则必然满足

Xr·K(X)=G(X)Q(X)+R(X)(被除数=除数·商+余数)由于R(X)+R(X)=0(模2加),所以可改写为

Xr·K(X)+R(X)=G(X)Q(X)+R(X)+R(X)=G(X)Q(X)即(Xr·K(X)+R(X))/G(X)=Q(X),即T(X)/G(X)=Q(X)因此对信道上发送的码字多项式T(X)来说,若传输过程无错,则接收到的码字多项式能被G(X)整除。因而接收端的校验过程就是将接收到的码字多项式除以G(X)的过程。若余式为零则认为传输无差错;若余式不为零则传输有差错5.4.2CRC校验例：10110011010→10110011100

10110011100110011101010110011111011001111111100111010110010110!=0,传输出错！

5.4.2CRC校验余式不为零,相当于在码字上面半加上了差错模式。差错模式对应的多项式记为E(X),例中E(X)=X2+X。有差错时,接收端收到的不再是T(X),而是T(X)与E(X)之模二加,即[T(X)+E(X)]/G(X)=T(X)/G(X)+E(X)/G(X)若E(X)/G(X)!=0,则这种差错就能检测出来;若E(X)/G(X)==0,错误就检测不出来,也即发生了漏检。5.4.2CRC校验可以证明循环冗余校验码的检错能力有以下特点:(1)可检测出所有奇数位错。(2)可检测出所有双比特的错。(3)可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错。CRC码是由Xr·K(X)除以某个选定的多项式后产生的,所以该多项式称生成多项式。一般来说,生成多项式位数越多校验能力越强。但并不是任何一个r+1位的二进制数都可以做生成多项式。目前广泛使用的生成多项式主要有四种。CRC12=X12+X11+X3+X2+1CRC16=X16+X15+X2+1(IBM)CRC16=X16+X12+X5+1(ITU)CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+15.4.3海明码(1)由R.Hamming在1950年首次提出的,它是一种可以纠正一位差错的编码。(n-1)位信息位加上一位偶校验位,构成一个n位的码字,则在接收端校验时,可按关系式来计算。若求得S=0,则表示无错;若S=1,则有错。上式可称为监督关系式,S称为校正因子奇偶校验情况下,只有一个监督关系式和一个校正因子,其取值只有0或1两种情况,分别代表无错和有错两种结果,且不能指出差错所在的位置考虑,增加冗余位5.4.3海明码(1)如果有两个校正因子S1和S0,则S1S0取值就有00、01、10或11四种可能的组合,也即能区分四种不同的情况。若其中一种取值用于表示无错(如00),则另外三种(01、10及11)便可以用来指出不同情况的差错,从而可以进一步区分出是哪一位错设信息位为k位,冗余位r位,码字n=k+r位。若希望用r个监督关系式产生的r个校正因子来区分无错和在码字中的n个不同位置的一位错,则要求满足以下关系式:

2r>=n+1

或

2r>=k+r+1

5.4.3海明码(1)k=4,则取r=3,此时n=7,编码为得到监督关系式S2=a2+a4+a5+a6；S1=a1+a3+a5+a6；S0=a0+a3+a4+a6a6,a5,a4,a3取决于输入信号,a2,a1,a0计算得出计算原则：使得S2,S1,S0都等于00=a2+a4+a5+a6即：a2=a4+a5+a60=a1+a3+a5+a6即：a1=a3+a5+a60=a0+a3+a4+a6即：a0=a3+a4+a6S2S1S0000001010100011101110111错码位置无错a0a1a2a3a4a5a65.4.3海明码(1)已知信息位后,按上述三式即可算出各冗余位。对于本例来说,各种信息位算出的冗余位如表2.2所示在接收端收到每个码字后,按监督关系式算出S2,S1,S0,若全为“0”则无错;若不全为“0”,在一位错的情况下,可查表来判定是哪一位错,从而纠正。例：码字0010101传输中发生一位错,收到0011101,代入监督关系式可算得S2=0,S1=1,S0=1,由表可查得S2S1S0=011对应于a3错,因而可将0011101纠正为00101010上述海明码的编码效率为4/7(0.57)。若K=7,按2r>=k+r+1可算得r至少为4,此时编码效率为7/11(0.64)。可见,信息位位数越多时编码效率就越高5.4.3海明码(2)将冗余位的位置规定在序号数是2n(n=0,1,2,…)的地方当数据位为7位时,需要使用4位冗余位,分别位于20,21,22,23上,即第1,2,4,8位,形成的纠错ASCII码记为：

P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11

把数据位的下标写成2的幂次方(即1,2,4,8,…)之和,如：3=1+2,5=1+4,6=2+4,7=1+2+4,9=1+8,10=2+8,11=1+2+8。各校验位由下式决定：

P1=D3⊕D5⊕D7⊕D9⊕D11

P2=D3⊕D6⊕D7⊕D10⊕D11

P4=D5⊕D6⊕D7

P8=D9⊕D10⊕D11

5.4.3海明码(2)由数据位可立即生成校验位为检测有无错误以及哪一位出错,设置一个计数器,其初值为0,如果Pi(i=1,2,4,8…)错则计数器增加i。最后计数器之值为0则表示没有错,计数器之值为x则表示第x位出错(x=1,2,3,4,5,6,7,8,9,……)。5.5数据链路控制在通信时,为了对数据传输过程加以控制和管理,必须进行以下几方面的工作：

进行流量控制进行差错控制链路控制规程协议5.5.1流量控制停止-等待方式发送一帧数据后停止下来,等待收端的响应信号,接收端允许发送下一帧则继续发送下一帧,否则继续等待。该方法对传播时间<<帧传输时间的链路是适宜的。帧传输时间一般等于传播时间加发送一帧所需的时间。对于帧发送时间小于传播时间的链路(例如卫星传输),等待响应的时间大大超过发送时间,链路用于传输有效数据的时间太少,利用率低。单纯的停等方式在发送端没有得到接收端响应的情况下,只允许发出一帧数据；若对这种情况加以改善,发送端在没有得到接收端的响应时允许发送N帧数据,相当于有多帧数据同时处于传输之中。5.5.1流量控制介质利用率：介质传送有效数据的时间与该传输过程所经历的总时间之比。设A站向B站发送一帧数据所需要的时间为一个单位时间,数据从A站到B站的传播时间为a个单位时间,则传输完一帧数据所需要的时间为(1+a)个单位时间。对于单纯的停等方式,接收完一帧数据后应紧接发一响应帧,不计响应帧长,响应帧从B站到A站的传输时间也为a个单位。介质的最大利用率为1/(1+2a)；当a<<1时近似为1。

5.5.1流量控制对于允许连续发送N帧的情况当N<1+2a时t=0A站开始发送第一帧；t=a第一帧开始到达B站；A站发完a帧；t=a+1B站接收完第一帧,发回一个响应帧ack1,A站发完a+1帧；t=NA站发完N帧,等待回答；t=2a+1A站接收到响应帧ack1,允许发送下一帧；B站接收完a+1帧。介质利用率为N/(1+2a)5.5.1流量控制当N>2a+1时t=0 A站开始发送；t=a 第一帧开头到B站,A站发完a帧；t=a+1 B站收完第一帧,发出响应帧ack1；t=2a+1 A站收到第一帧的响应帧ack1,N>2a+1,这时A站一直发送下去。可见介质没有任何空闲时间,B站在a以后一直接收有数据,因此介质利用率为1。发送端在没有收到接收端响应信号的情况下,若允许连续发送N帧数据,链路的利用率为：

5.5.1流量控制滑动窗口法发送方存放待确认帧的重发表中,应设置待确认帧数据的最大限度,称为链路的发送窗口。接收方同样也有接收窗口。如果发送窗口设置为1,即发送方缓冲能力仅为一个帧,则传输控制方案就回到了空闲RQ方案,此时传输效率很低。故窗口限度应选为使接收方尽量能处理或接受收到的所有帧。重发表是一个连续序号的列表,对应发送方已发送但尚未确认的那些帧。这些帧的序号有一个最大值,即发送窗口的限度。所谓发送窗口就是指示发送方已发送但尚未确认的帧序号队列的界,其上下界称为发送窗口的上下沿,上下沿的间距称为窗口尺寸。发送方每次发送一帧后,待确认帧的数目增1,每收到一个确认信息后,待确认帧的数目减1,当重发表长度计数值,即待确认帧的数目等于发送窗口尺寸的时候,便停止发送新的帧。5.5.1流量控制帧号一般只取有限位二进制数,到一定时间后就又反复循环。若帧号配3位二进制数,则帧号在0~7间循环。用发送方阴影部分表示打开的发送窗口,接收方阴影部分则表示打开的接收窗口。当传送过程进行时,打开的窗口位置一直在滑动,所以也称为滑动窗口,简称滑窗。本质是在收到确定帧之前,对发送方可发送的帧的数目加以限制。这是由发送方调整保留在重发表中的待确认帧的数目来实现的。如果接收方来不及对收到的帧进行处理,则接收方停发确认信息,此时发送方的重发表就会增长,当达到重发表限度时,发送方就不再发送新帧,直至再次收到确认信息为止。5.5.1流量控制滑动窗口的状态变化过程5.5.2差错控制采用差错控制技术的目的：使一个不可靠的链路变成一个可靠的链路。在采用停-等方式的链路控制中,发送端接收到Nak(非正常响应帧)或者超过一定的时间未接收到响应,则自动重新发送上一帧。5.5.2差错控制在采用滑窗式流量控制的链路中,用连续自动重发技术。连续自动重发在实际上又分为返回全部重发选择自动重发5.5.2差错控制Go-Back-N策略发送方可以连续向接收方发送数据帧,接收方对接收的数据帧进行校验,然后向发送方发回应答帧。当接收方检测出失序的信息帧后,要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧后的所有未被确认的帧5.5.2差错控制选择重发策略当接收方发现某帧出错后,其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层,但接收方仍可收下来存放在一个缓冲区中,同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后,就可与原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层5.5.3链路控制规程为保证通信的双方能有效可靠地进行数据传输,在通信的发送和接收之间有一系列的约定或规定,称为通信控制规程。由于对控制方法影响较大的是传输信息的基本单位,因此链路控制规程主要有“面向字符的控制规程”和“面向比特的控制规程”。面向字符的控制规程把数据和控制信息都看作是字符面向比特的控制规程把数据及控制信息都看作是位的组合5.5.3链路控制规程面向字符的同步控制协议是最早提出的同步协议典型代表是IBM公司的BSC,ANSI和ISO都提出了类似标准任何链路层协议均可由链路建立、数据传输和链路拆除三部分组成。为实现建链拆链等链路管理以及同步等各种功能,除正常传输的数据块和报文外,还需要一些控制字符。BSC协议用ASCII或EBCDIC字符集定义的传输控制字符来实现相应的功能5.5.3链路控制规程规程中规定了大约十个控制字符。使用比较普遍的IBM公司的双同步通信规程BISYNC中规定了下列控制字符：SYN 同步字符(BISYNC采用二个或多个同步字符)；ENQ 查询,用于：①建立数据链路;②主站查询次站有无发送请求SOH 报头开始STX 报文开始ITB 中间块(组)结束ETB 块(组)发送结束ETX 文本结束DLE 转义字符ACK 确认响应NAK 否定回答5.5.3链路控制规程透明与非透明数据数据和控制字符在同一条链路中传送,因此一般要求被传送的数据中不包含控制字符,不包含控制字符的数据称为非透明数据。如果采用特殊的措施允许数据中包含所有的字符,即也包括控制字符在内,这种数据称为透明数据。传输透明数据的方式称为透明传输方式。报头与报文报文指传输的正文。报头往往指发送设备的标志符、接收设备的标志符、数据传输的路径、数据的优先级、数据的密级、数据的控制特征或信息特征等内容。5.5.3链路控制规程传输数据的结构无报头帧格式有报头和一个数据块的帧格式数据分块传送格式SYNSYNSTX非透明数据ETXBCCSYNSYNSOH报头STX非透明数据ETXBCCSYNSYNSOH报头STX非透明数据ITBBCCSTX非透明数据ETBBCC5.5.3链路控制规程发送的报文是二进制数据时的问题二进制数据中形同传输控制字符的比特串将会引起传输混乱。为使二进制数据中允许出现与传输控制字符相同的数据,可在各帧中真正的传输控制字符前加上DLE转义字符,在发送时,若文本中也出现与DLE字符相同的二进制比特串,则可插入一个外加的DLE字符加以标记。用DLESTX表示帧的开始 用DLEETX表示帧的结束 用DLEDLE表示传送数据信息中的DLE

例如：信息DLESTXADLEBDLEETX在网络中传送时表示为：

DLESTX

DLE

DLESTXADLE

DLEBDLEDLEETXDLEETX

因此,如果只有单个DLE的出现,就可断定是作为控制字符出现,而不是数据中的DLE,因为后者总是成对出现的。5.5.3链路控制规程由于BSC协议与特定的字符编码集关系过于密切,故兼容性较差。为满足数据透明性而采用的字符填充法,实现起来也比较麻烦,且也依赖于所采用的字符编码集。由于BSC是一个半双工协议,它的链路传输效率很低。由于BSC协议需要的缓冲存储空间较小,因而在面向终端的网络系统中仍然被广泛使用。5.5.3链路控制规程面向字符的控制规程把数据及控制信息看作字符；面向比特的控制规程(HDLC)是把数据及控制信息看作是位的组合。HDLC是应用普遍、颇有代表性的链路控制规程。它是国际标准化组织(ISO)开发的。在HDLC中,定义了三种类型的工作站,二种类型的链路结构,三种数据操作方式。三种类型的工作站主站：负责控制链路的操作。主站发出的帧称为命令帧。次站：在主站控制下操作。它发出的帧称为响应帧。主站和每个次站都有一个独立的逻辑通路。组合站：它综合了主站和次站的特性,可以发出命令帧和响应帧。5.5.3链路控制规程二种类型的链路结构非平衡式结构：由一个主站,一个或若干个次站组成。支持半双工或双工传输平衡式结构：由两个组合站组成,支持半双工或全双工传输5.5.3链路控制规程三种数据操作方式正常响应方式：是一种非平衡结构中的数据操作方式。它是主站进行对次站的数据传输,次站响应主站的探询,以传输数据。没有主站的允许,次站不能主动发数据。异步平衡方式：是一种平衡结构中的数据操作方式。每一个组合站都可以进行对另一个站的数据传输。异步响应方式：是一种非平衡结构中的数据操作方式。次站可以在没有主站明确允许的情况下着手进行数据传输。主站仍然负责初始化、错误恢复、逻辑上拆除、连续等功能。正常响应方式有用于点-点方式及多分支线的情形。一台计算机连接多个终端,计算机查询每个终端。异步平衡方式用于全双工点-点方式。异步响应方式用于次站需要主动传输数据的情况。5.5.3链路控制规程HDLC的帧结构标志字段(F)标志字段为01111110的比特模式,用以标志帧的起始和前一帧的终止。通常,在不进行帧传送的时刻,信道仍处于激活状态,标志字段也可以作为帧与帧之间的填充字符。一旦发现某个标志字段后面不再是一个标志字段,便可认为一个新的帧传送已经开始。采用“0比特插入法”可以实现数据的透明传输“0”比特插入删除技术：在传送的数据信息中每遇到5个连续的1在其后加0,接收方删除5个连续1后面的第一个“0”。 例：0表示为：00111110001011111105.5.3链路控制规程地址字段(A)内容取决于所采用的操作方式。在操作方式中,有主站从站、组合站之分,每一个从站和组合站都被分配一个惟一的地址。命令帧中的地址字段携带的是对方站的地址,响应帧中的地址字段所携带的地址是本站的地址。某一地址也可分配给不止一个站,这种地址称为组地址,利用一个组地址传输的帧能被组内所有拥有该组地址的站接收,但当一个从站或组合站发送响应时,它仍应当用它惟一的地址。可用全“1”地址来表示包含所有站的地址,称为广播地址,含有广播地址的帧传送给链路上所有的站。规定全“0”地址为无站地址,不分配给任何站,仅用做测试。5.5.3链路控制规程控制字段(C)用于构成各种命令和响应,对链路进行监视和控制。主站/组合站利用控制字段通知被寻址的从站/组合站执行约定操作从站用该字段作为对命令的响应,报告已完成的操作或状态的变化该字段是HDLC的关键信息字段(I)可以是任意的二进制比特串。比特串长度未做严格限定,上限由FCS字段或站点缓冲器容量来确定。用得较多的是1000~2000比特;下限可为0。监控帧(S帧)中规定不可有信息字段帧校验序列字段(FCS)可使用16位CRC,对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验5.5.3链路控制规程帧类型及控制字段的意义标志字段F(8位)地址字段A(8/16位)控制字段C(8位)信息字段I(长度可变)帧校验字段FCS(16/32位)标志字段F(8位)0N(S)P/FN(R)10S1S2P/FN(R)11M1M2P/FM3M4M5信息帧(I)：监控帧(S)：无编号帧(U)：b0b4b7b1b2b3b5b65.5.3链路控制规程有信息帧(I帧)、监控帧(S帧)和无编号帧(U帧)三种控制字段中的第1位或第1、第2位表示传送帧的类型第5位是P/F位(轮询/终止),用于命令帧(由主站发出)时起轮询作用,即该位为1时,被轮询的从站给出响应,此时P/F位称轮询位(P位);用于响应帧(由从站发出)时称为终止位(F位),为“1”时,表示接收方确认的结束。为进行连续传输,需要对帧进行编号,所以控制字段中包括了帧的编号信息帧(I帧)用于传送有效信息或数据,通常简称I帧。I帧以控制字段第1位为“0”来标志。信息帧控制字段中的N(S)用于存放发送帧序号,以使发送方不必等待确认而连续发送多帧。N(R)用于存放接收方下一个预期要接收的帧的序号N(S)和N(R)均为3位二进制编码,可取值0~75.5.3链路控制规程监控帧(S帧)用于差错控制和流量控制,简称S帧,以控制字段第12位为“10”来标志。S帧不带信息字段,帧长只有6个字节即48个比特。S帧的控制字段的第3、4位为S帧类型编码“00”：接收就绪(RR),由主站或从站发送。主站使用RR型S帧来轮询从站,即希望从站传输编号为N(R)的I帧;从站也可用RR型S帧来做响应,表示从站期望接收的下一帧的编号是N(R)。“01”：拒绝(REJ),由主站或从站发送,用以要求发送方对从编号为N(R)开始的帧及其以后所有的帧进行重发,也暗示N(R)以前的I帧已被正确接收。“10”：接收未就绪(RNR),表示编号小于N(R)的I帧已被收到,但目前正处于忙状态,尚未准备好接收编号为N(R)的I帧,可用来对链路流量进行控制。“11”：选择拒绝(SREJ),要求发送方发送编号为N(R)的单个I帧,并暗示其它编号的I帧已全部确认5.5.3链路控制规程接收就绪RR型S帧和接收未就绪RNR型S帧有两个主要功能首先用来表示从站巳准备好或未准备好接收信息其次,确认编号小于N(R)的所有接收到的I帧拒绝REJ和选择拒绝SREJ型S帧,向对方站指出发生了差错REJ对应Go-back-N策略SREJ帧对应选择重发策略无编号帧(U帧)控制字段中不包含编号N(S)和N(R),简称U帧U帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能,这些控制功能用5个M位(也称修正位)来定义,可以定义32种附加的命令或应答功能5.6链路复用在局域网络和远程通信中,为提高介质利用率,研究和发展了链路的多路复用技术,即在同一介质上时传输多路信号,它只需要一条传输线,一个I/O口,就可使多个终端同时与主机通信。链路的多路复用有二种主要的技术：频分多路复用技术和时分多路复用技术。5.6.1频分多路复用介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时,可把多个信号调制在不同的载波频率上,从而在同一介质上同时传送多路信号,称为频分多路复用FDM。多路器将每路信号调制在不同的载波频率上。每路信号以其载波频率为中心,占用一定的带宽,此带宽范围称作一个通道,各通道之间用保护频带隔离开,避免重叠。5.6.1频分多路复用子载波频率5.6.1频分多路复用对每一路mi(t)应在频率fsci上进行调制。fsci称为子载波频率。各路被调子载波Ssci(t)迭加在一起形成子调制组合信号mc(t)。各fsci的选择应使各路子载波信号Ssci(t)的频带Bsci之间互不重迭。组合信号的总带宽组合信号的整个频带还可以通过第二级调制再移动到载波频率为fc的二个边带上,称为FDM的多级调制技术。在接收站,首先通过解调制,恢复出组合信号mc(t),然后利用中心频率分别在fsci的带通滤波器把组合信号再分解成若干分量,每一个分量对应于原来的子调制信号Ssci(t),每一个子调制信号再经过解调以后恢复出m’i(t)采用多级FDM调制技术,可以扩大通道的数目。5.6.2时分多路复用传输介质可达到的数据传输速率通常总是超过一些信号的数据传输速率,可将多路信号按一定的时间间隔相间传送,实现在一条传输线上同时传送多路信号,即时分多路复用。基本的时分多路复用技术是同步时分多路复用技术,简称TDM。如果采用一些较复杂的措施,就产生了统计时分多路复用或称为异步时分多路复用等。同步时分多路复用中,各路时隙的分配是预先确定的时间。每一个通道在时间上按照预先确定的间隔错开一位、一个字节或一块数据的时间,以此来共享传输链路。5.6.2时分多路复用输入的各路数字信号首先被缓冲存贮,典型的缓冲器长度是一位或一个字节。多路转换器MUX顺序地扫描每一个缓冲器,形成mc(t)。对扫描操作的速度要求是希望每个缓冲器在下一个输入到达前被扫描一次,因此mc(t)的数据率至少等于每个输入通道数据率的和。5.6.2时分多路复用mc(t)信号的格式发送一个缓冲器的内容(典型的为发送一位或一个字节)所需的时间长度称为一个时隙或时间片；扫描器扫描完各缓冲器为一个周期,扫描一周期产生的信号称为一帧。一帧由若干个时隙组成,每路输入信号占据一个时隙。各帧中同一个位置的时隙用于传送同一路输入信号,为一条通道。采用字符错开技术的多路器,每个时隙传送一个字符；采用位错开技术的多路器每个时隙传送一位。123…N123…N123…N5.6.2时分多路复用在接收端,时间上错开传送的各路信号,被用一个与发送端同步的扫描器所分开,并被分送到相应的目标缓冲存贮器。该技术中,输入信号源和它所使用的时隙之间的关系是预先排定的,如果某一输入源没有信息发送,则相应的时隙仍然被它占据,造成介质实际传输能力利用不足。5.6.3统计时分多路复用由于不是每个终端在扫描到它的时刻都有数据传送,因此在一帧中的许多时隙实际被浪费掉,可以设计成有N个输入/输出线,但是只有K个(K<N)时隙的时分多路器,使得时隙和输入线之间的关系不再是固定的。多路器在扫描输入缓冲存贮器时,若有数据传送,则给该输入线分配一个时隙；无数据传送的输入线则不分配时隙。由于输入/输出线和时隙之间的关系不固定,在每个时隙中除了要传送数据以外,还必须携带有关输入线地址的信息,以便在接收端能正确地把数据分发到相应的缓冲存贮器中去5.6.4集中器的原理集中器集中各低速链路的信息,使它们共享一条高速传输线路集中器把统计时分多路技术和存贮转发技术结合起来6.1计算机网络协议概述网络协议(Protocol)。计算机系统协同工作需要具有共同的语言,即遵循某种互相都能接受的规则。这些为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合就称为网络协议通信协议代表着标准化,规定了计算机信息交换中消息格式和意义的协定,是通信双方都必须遵循的一系列规则。网络协议的三个要素：语义(Semantics)：涉及用于协调与差错处理的控制信息语法(Syntax)：涉及数据及控制信息的格式、编码及信 号电平等。定时(Timing)：涉及速度匹配和排序等。6.1计算机网络协议概述将复杂系统分解为若干容易处理的子系统后“分而治之”逐个加以解决,这种结构化设计方法是工程设计中常用的手段。分层就是系统分解的最好方法之一。n层是n-1层的用户,又是n+1层的服务提供者。n+1层通过n层还间接地使用了n-1层以及以下所有各层的服务。6.1计算机网络协议概述层次结构的好处每一层实现一种相对独立的功能,能独立设计每一层次的功能相对简单且易于实现和维护若某一层需要做改动或被替代时,只要不去改变它和上、下层的接口服务关系,则其它层次都不会受其影响,灵活性大有利于交流、理解和标准化体系结构(Architecture)计算机网络各层次及其协议的集合是一个抽象概念。它精确定义了网络及其部件所应实现的功能,但这些功能究竟如何实现则是一个具体实施的问题。网络的体系结构相当于网络的类型,而具体的网络结构则相当于网络的一个实例6.1计算机网络协议概述计算机网络都采用层次化的体系结构。由于计算机网络涉及多个实体间的通信,一般用垂直分层模型来表示6.1计算机网络协议概述层次结构的要点:(1)物理介质上进行的是实通信,其余各对等实体间进行的都是虚通信。(2)对等层的虚通信必须遵循该层的协议。(3)n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。

层次结构的划分原则:(1)每层的功能明确,相互独立。当某一层的具体实现方法更新时,只要保持上下层的接口不变,便不会对邻层产生影响。(2)层间接口必须清晰,跨越接口的信息量应尽可能少。(3)层数适中。6.3OSI协议的体系结构OSI/RMOSI包括体系结构、服务定义和协议规范三级抽象体系结构定义了一个七层模型,用以进行进程间的通信,并作为一个框架来协调各层标准的制定服务定义描述了各层所提供的服务,以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语各层的协议规范精确地定义了应当发送何种控制信息及用何种过程来解释该控制信息。OSI参考模型并非具体实现的描述,它只是一个为制定标准而提供的概念性框架。在OSI中,只有各种协议是可以实现的。6.3OSI协议的体系结构整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理介质连接构成。只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能,IMP一般只需要最低三/两层的功能即可6.3OSI协议的体系结构发送进程发送给接收进程的数据实际是经发送各层从上到下传递到物理介质,通过物理介质传输到接收方后再经过从下到上各层的传递最后到达接收进程。H6、…、H1统称为报头,到最底层成为由0,1组成的数据比特流,再转换为电信号在物理介质上传输至接收方。接收过程相反发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的6.3OSI协议的体系结构6.3OSI协议的体系结构数据单元在网络中信息传送的单位,称为数据单元。对等实体在协议的控制下交换信息相邻层实体按服务交换信息服务数据单元包括：协议数据单元PDU接口数据单元IDU服务数据单元SDU6.3OSI协议的体系结构协议数据单元PDU不同系统(N)对等实体为实现该层协议所交换的信息单位,称为(N)协议数据单元(N)PDU。

(N)PDU的具体格式如下：

(N)PCI (N)用户数据(N)PCI为(N)协议控制信息,是为实现(N)协议而在传送的数据的首部或尾部加的控制信息,如：地址、差错控制信息、序号信息等。(N)用户数据为(N)层实体为提供(N)服务而传送的信息。考虑到协议的要求,如时延、效率等因素,(N)PDU的大小一般都有一定的长度要求。6.3OSI协议的体系结构接口数据单元IDU在同一系统的相邻两层实体的一次交互中,经过层间接口的信息单元,称为(N)接口数据单元。(N)IDU的具体格式如下：

(N)ICI (N)接口数据(N)ICI为(N)接口控制信息,协议在通过层间接口时,需要加一些控制信息,如通过多少字节、或要求的服务质量等。(N)ICI只对PDU通过接口时有作用,进入下层后丢弃。(N)接口数据为通过接口传送的信息内容。6.3OSI协议的体系结构服务数据单元SDU(N)服务用户所要求传递的逻辑数据单元称为(N)服务数据单元。(N)SDU与(N)PDU的用户数据部分的关系为：由于(N)PDU的大小一般都有一定的长度要求。因此,(N)PDU的用户数据部分可能是经过分段或合并的(N)SDU。6.3OSI协议的体系结构数据单元间关系6.3.1物理层物理层位于OSI参考模型的最底层,它直接面向实际承担数据传输的物理介质(通信通道)物理层的传输单位为比特物理层是指在物理介质之上为上一层提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层协议规定与建立、维持及断开物理信道有关的特性。这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节点之间正确地收发比特流信息。物理层仅关心比特流信息的传输,而不涉及比特流中各比特之间的关系,对传输差错也不作任何控制。6.3.1物理层ISO对OSI物理层的定义在物理信道实体之间合理地通过中间系统,为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其它通信设备间的一组约定,主要解决网络节点物理信道如何连接的问题,使不同的设备和厂家的产品能相互兼容。6.3.1物理层机械特性DTE,DCE之间使用连接器实现机械互连规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等DTE一般采用插针形式6.3.1物理层电气特性规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性,一般包括:a.接收器和发送器电路特性的说明b.表示信号状态的电压/电流电平的识别c.最大传输速率的说明d.互连电缆相关的规则功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系接口信号线按功能分为：数据信号线、控制信号线、定时信号线、接地线规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤,这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成6.3.1物理层物理层提供的服务物理连接：数据电路是一条通信路径。该路径是由两个物理实体之间的物理介质和用于传输比特流必需的设施以及物理层中的中继设备、互联数据电路构成的。物理连接可以是永久连接(专线),也可以是动态连接(交换网)。物理服务数据单元：物理层提供串行传输方式和并行传输方式两类物理服务数据单元。顺序化：物理层在进行比特传输时能保证接收物理实体所收到的比特顺序与发送物理实体所发送的比特顺序相同。数据电路标识：物理层提供唯一能标识两相邻系统之间数据电路的标识符。6.3.1物理层故障情况报告：当物理层内出现差错时,应向数据链路实体报告物理层中所检测到的故障和差错。服务质量指标：物理连接服务的质量大部分由数据电路本身确定,其质量指标包括误码率、服务可用性、数据传输速率和传输延时。物理层功能：为了实现数据链路实体之间比特流的透明传输,物理层应具有下述功能：物理连接的建立与拆除物理服务数据单元传输物理层管理6.3.2数据链路层数据链路层的作用是对物理层传输的原始比特流的功能的加强,将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路