數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)之差錯控制技術(shù)

1、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)差錯控制技術(shù)產(chǎn)生差錯的原因及控制產(chǎn)生差錯的原因及控制1、出現(xiàn)差錯的必然性出現(xiàn)差錯的必然性n外部電磁場的干擾n由傳輸導(dǎo)體內(nèi)部電子熱運(yùn)動產(chǎn)生的熱噪聲2、避免出錯的方法、避免出錯的方法n提高通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量n檢測錯誤并加以糾正 檢錯常用的方法是在發(fā)送數(shù)據(jù)時加入校驗碼檢錯常用的方法是在發(fā)送數(shù)據(jù)時加入校驗碼網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我差錯控制方法差錯控制方法檢測與糾正1.時間冗余法時間冗余法2.設(shè)備冗余法設(shè)備冗余法3.數(shù)據(jù)冗余法數(shù)據(jù)冗余法 對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行某種抗干擾編碼抗干擾編碼 檢錯碼檢錯碼&糾錯碼糾錯碼 奇偶校驗碼奇偶校驗碼 循環(huán)冗余校驗碼循環(huán)冗余校驗碼(CRC)

2、海明碼（海明碼（R.Hamming) 網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我奇偶校驗碼奇偶校驗碼奇偶檢驗碼是通過增加冗余位來使得碼字中奇偶檢驗碼是通過增加冗余位來使得碼字中“1”“1”的個數(shù)保持為奇數(shù)的個數(shù)保持為奇數(shù)或偶數(shù)或偶數(shù)的編碼方法。它在通信中使用時又可以分為垂直奇偶檢驗、的編碼方法。它在通信中使用時又可以分為垂直奇偶檢驗、水平奇偶檢驗和水平垂直奇偶檢驗等類型。水平奇偶檢驗和水平垂直奇偶檢驗等類型。垂直奇偶檢驗垂直奇偶檢驗 編碼效率為編碼效率為: R=p : R=p （p+1p+1）。 奇偶檢驗方法能檢測出每列中的所有奇數(shù)個位的錯，但檢測不出奇偶檢驗方法能檢測出每列中的所有奇數(shù)個位的錯，但檢測

3、不出偶數(shù)個位的錯。對于突發(fā)錯誤來說，奇數(shù)位錯與偶數(shù)位錯的概率接偶數(shù)個位的錯。對于突發(fā)錯誤來說，奇數(shù)位錯與偶數(shù)位錯的概率接近于相等，因而近于相等，因而對差錯的漏檢率接近于對差錯的漏檢率接近于1/21/2。水平奇偶檢驗水平奇偶檢驗 編碼效率是編碼效率是 R=q R=q（q+1q+1） 對各個信息段的相應(yīng)位橫向進(jìn)行編碼，對應(yīng)每一行對各個信息段的相應(yīng)位橫向進(jìn)行編碼，對應(yīng)每一行產(chǎn)生一個奇偶檢驗冗余位產(chǎn)生一個奇偶檢驗冗余位; ; 不能在發(fā)送過程中邊產(chǎn)生奇偶檢驗冗余位，邊插入不能在發(fā)送過程中邊產(chǎn)生奇偶檢驗冗余位，邊插入發(fā)送，而必須等要發(fā)送的完整信息塊到齊后，才能產(chǎn)生發(fā)送，而必須等要發(fā)送的完整信息塊到齊后，才

4、能產(chǎn)生冗余位，一定要使用記憶寄存器。冗余位，一定要使用記憶寄存器。 網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我奇偶校驗碼奇偶校驗碼同時進(jìn)行水平奇偶檢驗和垂直奇偶檢驗就構(gòu)成了同時進(jìn)行水平奇偶檢驗和垂直奇偶檢驗就構(gòu)成了水平垂直奇偶檢驗水平垂直奇偶檢驗它能檢測出所有它能檢測出所有3 3位或位或3 3位以下的錯誤位以下的錯誤奇數(shù)位錯、奇數(shù)位錯、突發(fā)長度突發(fā)長度p+1p+1的突發(fā)錯以及很大一部分偶數(shù)位的突發(fā)錯以及很大一部分偶數(shù)位錯。錯。其還可以糾正部分差錯，例如僅在某一行和某一其還可以糾正部分差錯，例如僅在某一行和某一列中有奇數(shù)位錯時，就能確定錯誤的位置就在該列中有奇數(shù)位錯時，就能確定錯誤的位置就在該行和該列的交

5、叉處，從而得以糾正。另外，當(dāng)某行和該列的交叉處，從而得以糾正。另外，當(dāng)某一行出現(xiàn)偶數(shù)個錯時，雖然水平檢驗不能發(fā)現(xiàn)，一行出現(xiàn)偶數(shù)個錯時，雖然水平檢驗不能發(fā)現(xiàn)，但在其垂直檢驗中還是可能被查出。只有當(dāng)有錯但在其垂直檢驗中還是可能被查出。只有當(dāng)有錯的各行和各列中出錯位數(shù)均為偶數(shù)時，才不可能的各行和各列中出錯位數(shù)均為偶數(shù)時，才不可能被發(fā)現(xiàn)。被發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我奇偶校驗碼奇偶校驗碼在實際的數(shù)據(jù)通信中，在實際的數(shù)據(jù)通信中，垂直奇偶檢驗主要用于異步傳輸垂直奇偶檢驗主要用于異步傳輸，通常情況下一列對應(yīng)一個字符。當(dāng)采用通常情況下一列對應(yīng)一個字符。當(dāng)采用ASCIIASCII編碼時，編碼時，P=7

6、P=7，其結(jié)果就是在，其結(jié)果就是在7 7位表示字符的數(shù)據(jù)位上再附加第位表示字符的數(shù)據(jù)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碼表示為碼表示為10000011000001，采用，采用偶檢驗，第偶檢驗，第8 8位應(yīng)該是位應(yīng)該是0 0。水平檢驗碼則是用于同步傳輸水平檢驗碼則是用于同步傳輸，通常是把一群字符作為，通常是把一群字符作為一個塊傳送，字符之間沒有時間間隔（同步傳輸）結(jié)果一個塊傳送，字符之間沒有時間間隔（同步傳輸）結(jié)果產(chǎn)生一個附加的字符跟在塊的后面。通常人們還把這種產(chǎn)生一個附加的字符跟在塊的后面。通常人們還把這種水平檢驗編碼稱作塊檢驗碼（水平

7、檢驗編碼稱作塊檢驗碼（BCCBCC），把所附加的字符叫），把所附加的字符叫做做塊檢驗字符塊檢驗字符。 網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRC 循環(huán)冗余碼（循環(huán)冗余碼（CRCCRC-Cyclic Redundancy Code-Cyclic Redundancy Code）在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中用的最廣泛，漏檢率低，便于實現(xiàn)。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中用的最廣泛，漏檢率低，便于實現(xiàn)。CRCCRC碼又稱碼又稱多項式碼多項式碼。任何一個由二進(jìn)制數(shù)位串組成的代碼都可以和一個只含任何一個由二進(jìn)制數(shù)位串組成的代碼都可以和一個只含有有0 0和和1 1兩個系數(shù)的多項式建立一一對應(yīng)的關(guān)系：兩個系數(shù)的多項式建立一一對應(yīng)的關(guān)系： 一個

8、一個K K位幀可以看成是從位幀可以看成是從X XK-1K-1到到X X0 0的的K K次多項式的系數(shù)次多項式的系數(shù)序列，這個多項式的階數(shù)為序列，這個多項式的階數(shù)為K-1K-1，高位（最左邊）是，高位（最左邊）是X XK-1K-1項的系數(shù)，下一位是項的系數(shù)，下一位是X XK-2K-2的系數(shù)，依次類推。的系數(shù)，依次類推。 例如，例如，10110111011011有有7 7位，表示成多項式是位，表示成多項式是X X6 6+X+X4 4+X+X3 3+X+1+X+1；而多項式而多項式X X5 5+X+X4 4+X+X2 2+X+X對應(yīng)的位串是對應(yīng)的位串是110110110110。 f(x)= Xf(x

9、)= X6 6+X+X4 4+X+X3 3+X+1 +X+1 系數(shù)對應(yīng)系數(shù)對應(yīng) 1011011 1011011 g(x)= X g(x)= X5 5+X+X4 4+X+X2 2+X +X 系數(shù)對應(yīng)系數(shù)對應(yīng) 110110 110110網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRCK K位信息位信息 （k-1k-1）次多項式）次多項式K K（x x）R R位冗余位位冗余位 （r-1r-1）次多項式）次多項式R R（x x）N=K+R N=K+R （n-1n-1）次）次多項式多項式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碼字碼字 1010001 101000111011101 T T（x x）= X= X1010+X+X8 8+X+X4 4+X+X3 3+X+X2 2+1 +1 由信息位產(chǎn)生冗余位的過程，就是已知由信息位產(chǎn)生冗余位的過程，就是已知K K（x x）求）求R R（x x）CRCCRC中，可以通過找到一個特定的中，可以通過找到一個特定的r r次多項式次多項式G G（x x）來實來實現(xiàn)?，F(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRCn利用利用CRCCRC進(jìn)行檢錯的過程可簡單

11、描述為：在發(fā)送端根據(jù)進(jìn)行檢錯的過程可簡單描述為：在發(fā)送端根據(jù)要傳送的要傳送的k k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的驗用的r r位監(jiān)督碼位監(jiān)督碼(CRC(CRC碼碼) )，附在原始信息后邊，構(gòu)成一，附在原始信息后邊，構(gòu)成一個新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共個新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共k+rk+r位，然后發(fā)送出去。在接位，然后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和收端，根據(jù)信息碼和CRCCRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗，碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗，以確定傳送中是否出錯。這個規(guī)則，在差錯控制理論中以確定傳送中是否出錯。這個規(guī)則，在差錯控制理論中稱為稱為“生成多項式生成多項式

12、”。 n生成多項式的最高冪次項系數(shù)是固定的生成多項式的最高冪次項系數(shù)是固定的1 1。n除法電路可以完成得到余式的編碼操作。除法電路可以完成得到余式的編碼操作。網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRCn算法如下：算法如下：1.1.設(shè)設(shè)G G（x x）為）為r r階，在幀的末尾附加階，在幀的末尾附加r r個零，個零，使幀為使幀為k+rk+r位，則其對應(yīng)的多項式是位，則其對應(yīng)的多項式是x xr rK(x)K(x); ;2.2.按模按模2 2除法用對應(yīng)除法用對應(yīng)G G（x x）的位串去除對應(yīng)）的位串去除對應(yīng)x xr rK(x)K(x)的位串的位串; ;3.3.按模按模2 2減法從對應(yīng)于減法從對應(yīng)于x x

13、r rK(x)K(x)的位串減去余數(shù)的位串減去余數(shù)（總是等于或小于（總是等于或小于r r位）。結(jié)果就是要傳送位）。結(jié)果就是要傳送的帶檢驗和的幀，叫多項式的帶檢驗和的幀，叫多項式T T（x x）。）。網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRCG（x）xrK(x)網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRCG（X）由協(xié)議規(guī)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網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRCr接收方 按模按模2 2除法用對應(yīng)除法用對應(yīng)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：若得出的余數(shù)若得出的余數(shù) R R = 0 = 0，則判定這個幀沒有差錯，就，則判定這個幀沒有差錯，就接受接受(accept)(accept)；若余數(shù)若余數(shù) R R 0 0，則判定這個幀有差錯，就，則判定這個幀有差錯，就丟棄丟棄。n但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。出現(xiàn)了差錯。n只要經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)只要

15、經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù) P P，那，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就很小很小。么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就很小很小。 網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我CRC在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序幀檢驗序列列 FCS (Frame Check Sequence) FCS (Frame Check Sequence)。循環(huán)冗余檢驗循環(huán)冗余檢驗 CRC CRC 和幀檢驗序列和幀檢驗序列 FCS FCS并不并不等同。等同。nCRC CRC 是一種常用的是一種常用的檢錯方法檢錯方法，而，而 FCS FCS 是添加是添加在數(shù)據(jù)后面的在數(shù)據(jù)后面的冗余碼冗余碼。nFCS

16、 FCS 可以用可以用 CRC CRC 這種方法得出，但這種方法得出，但 CRC CRC 并非并非用來獲得用來獲得 FCS FCS 的唯一方法。的唯一方法。 網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)物理傳輸介質(zhì)物理傳輸介質(zhì)物理媒體使得電子信號從一臺計算機(jī)到另物理媒體使得電子信號從一臺計算機(jī)到另一臺計算機(jī)的傳輸成為可能；一臺計算機(jī)的傳輸成為可能；站點之間傳送的所有信號都是由某種形式站點之間傳送的所有信號都是由某種形式的電磁波組成；的電磁波組成；根據(jù)電磁波的頻率，使用不同的媒體來傳根據(jù)電磁波的頻率，使用不同的媒體來傳送信號。送信號。網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我電磁頻

17、譜電磁頻譜 頻段頻段劃分劃分低頻低頻(LF)(LF)中頻中頻(MF)(MF)高頻高頻(HF)(HF)甚高頻甚高頻(VHF)(VHF)特高頻特高頻(UHF)(UHF)超高頻超高頻(SHF)(SHF)極高頻極高頻(EHF)(EHF)頻率范頻率范圍圍30300 30300 kHzkHz300 kHz3 300 kHz3 MHzMHz330 330 MHzMHz30300 30300 MHzMHz300 MHz3 300 MHz3 GHzGHz330 330 GHzGHz30 30 GHzGHz網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我傳輸介質(zhì)特性傳輸介質(zhì)特性價格價格安裝要求安裝要求帶寬帶寬衰減衰減抗電磁干擾性

18、抗電磁干擾性網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我同軸電纜同軸電纜外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我同軸電纜同軸電纜 RG-8/RG-11 50 RG-58 50 RG-59 75 RG-62 93Coaxial Cable 網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我雙絞線雙絞線網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我雙絞線雙絞線A扭絞距扭絞距線徑線徑 0.40.41.4 mm1.4 mmB近端串?dāng)_近端串?dāng)_遠(yuǎn)端串?dāng)_遠(yuǎn)端串?dāng)_為什么絞合在一起？為什么絞合在一起？網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我雙絞線雙絞線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網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我光纖光纖折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯 纖芯和周圍比纖芯的折射率稍低的材料做成的

20、包纖芯和周圍比纖芯的折射率稍低的材料做成的包層，將射入纖芯的光信號，經(jīng)包層界面反射，使光信層，將射入纖芯的光信號，經(jīng)包層界面反射，使光信號在纖芯中傳播前進(jìn)的媒體號在纖芯中傳播前進(jìn)的媒體網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我光纖光纖高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷渚W(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我光纖光纖光纖按模式分：光纖按模式分： 單模單模 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 單模：單模：850/1300nm多模：多模：1310-1550nm網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我輸入脈沖輸出脈沖單模光纖光纖光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖網(wǎng)絡(luò)世界有你有我網(wǎng)絡(luò)世界有你有我單模光纖和多模光纖單模光纖和多模光纖多模光纖（multi-mode fiber）n內(nèi)芯直徑稍大,其中有多個光沿不同的方向同時傳播。n直徑為62.5mn使用普通發(fā)光二極管作為光源n波長為0.85umn中繼距離2公里單模光纖（single-mode fiber）n內(nèi)芯直徑較小，與光的波長接近，光沿同一方向傳播。n直徑為810mn使用激光源,波長為1.55umn中繼距離100公里激光器光檢波器單束光線沿直單束光線沿直線傳播線傳播多束光線以不同的反射角傳播多束光線以不同的反射角傳