其它数据通信基础知识课件

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1、第2章 数据通信基础知识 其它 数据通信基础知识学习目标n了解数据通信的基本概念n掌握数据通信中信号的传输和编码方法n了解数据交换技术和多路复用技术n掌握差错控制方法和差错控制编码技术其它 数据通信基础知识任务1：了解数据通信系统 n计算机之间的通信是资源共享的基础，计算机通信网络的核心是数据通信设施。网络中的信息交换和共享意味着一个计算机系统中的信号通过网络传输到另一个计算机系统中去进行处理和使用。如何传输不同计算机系统中的信号是数据通信技术要解决的问题。数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各地的数据终端设备以执行数据传输功能的系统。本任务将学习数据通信系统的组成、基本概念和

2、数据通信的主要技术指标。 其它 数据通信基础知识1.1.1 数据通信系统模型n1通信系统的基本组成n通信系统必须具备3个基本要素：信源、传输介质和信宿。 n通信系统的一般模型如图所示，包括信源、发送设备、信道、噪声源、接收设备和信宿6个部分。其它 数据通信基础知识模型中各部分的功能 n（1）信源：n信息的来源，作用是将原始信息转换为相应的信号（通常称为基带信号）。电话机的话筒、摄像机等都属于信源。n（2）发送设备：n对基带信号进行各种变换和处理，如放大、调制等，使其适合在信道中传输。n（3）信道：n发送设备和接收设备之间用于传输信号的介质。n（4）接收设备：n功能与发送设备相反，对接收信号进行

3、必要的处理和变换后，恢复为相应的基带信号。n（5）信宿：n信息的接收者，与信源相对应，将恢复的基带信号转换成相应的原始信息。电话机的听筒、耳机以及显示器等都属于信宿。n（6）噪声源：n信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪声的集中表现。n在图2-1所示的模型中，如果通信距离较远，则必须加上中继器，以对衰减的信号进行放大或再生，然后再传送。其它 数据通信基础知识2通信系统的性能指标n（1）模拟通信系统的性能指标n模拟通信系统的有效性用有效传输频带来度量。信道的传输频带越宽，能够容纳的信息量越大。n模拟通信的可靠性用接收端输出的信噪比来度量。信噪比指输出信号的平均功率和输出噪声的平均功率之比，并

4、用分贝值作为衡量的单位，即10lgS/N （dB）。信噪比越大，通信质量越好。其它 数据通信基础知识2通信系统的性能指标n（2）数字通信系统的质量指标n数字通信系统的有效性用信息传输速率来度量。它是指单位时间内传输的信息量，单位为bit/s。n数字通信系统的可靠性用误码率来度量。它是指接收错误的码元数与传输的总码元数之比，即n在有线信道或卫星传输信道中，误码率可以达到10-7；而在无线短波信道内只能达到10-3。其它 数据通信基础知识2.1.2 数据通信的基本概念n1数据、信息和信号n数据（Data）是记录下来的可以被鉴别的符号，是把事物的某些特征（属性）规范化后的表现形式。n信息（Infor

5、mation）是对数据的认识和解释，是对数据进行加工和处理后产生的数据。n数据和信息是有区别的。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；信息是按照一定要求以一定格式组织起来的数据，凡经过加工处理或换算成人们想要得到的数据，都可称为信息。n信号（Signal）是数据的物理表示形式。在数据通信系统中，传输介质以适当形式传输的数据都是信号。电信号有模拟信号和数字信号两种形式。 其它 数据通信基础知识2.1.2 数据通信的基本概念n2模拟通信和数字通信n根据信道传输信号的差异，通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。n信道中传输模拟基带信号或模拟频带信号的通信系统称为模拟通信系统。n信道中传输数字基

6、带信号或数字频带信号的通信系统称为数字通信系统。n模拟通信系统仅使用模拟传输方式n数字通信系统既可以使用模拟传输方式又可使用数字传输方式。其它 数据通信基础知识数字通信的主要优点 n（1）抗干扰能力强n（2）便于加密处理n（3）易于实现集成化，从而减小通信设备体积和功耗n（4）利于采用时分复用实现多路通信图2-2 模拟通信和数字通信抗干扰性能的比较其它 数据通信基础知识2.1.3 数据通信的主要技术指标n1数据传输速率n（1）比特率S：数据的传输速率，指在有效带宽上，单位时间内传输的二进制代码位（比特）数，单位是“位/秒”，记作bit/s。常用的数据传输速率单位有kbit/s、Mbit/s、G

7、bit/s与Tbit/s。其中1kbit/s= 1103 bit/s；1Mbit/s= 1106bit/s；1Gbit/s= 1109bit/s；1Tbit/s= 11012bit/s。n设T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为脉冲信号所有可能的状态数，则比特率为nS=(1/T)*log2N（bit/s）n式中，log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特数）。如电信号的状态数N=2，即只有“0”和“1”两个状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，此时，S=1/T。其它 数据通信基础知识2.1.3 数据通信的主要技术指标n（2）波特率B：调制速率，又称码元速率，是数字信号经过调制后

8、的传输速率。波特率指在有效带宽上，单位时间内传送的波形单元（码元）数，即模拟信号在传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制改变的次数。波特率等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单位是波特（Baud）。若用T表示调制周期，则波特率为nB= 1/T(Baud)n即1波特表示每秒钟传送一个码元。n波特率与比特率的数量关系：S=Blog2N其它 数据通信基础知识2.1.3 数据通信的主要技术指标n2信道、信道容量、信道带宽n（1）信道：信道是传送信号的通路，由传输介质和相关线路设备组成。一条传输线路上可以有多个信道。n（2）信道容量：表示一个信道的最大数据传输速率，单位为位/秒，记作bit/

9、s。n（3）信道带宽：指信道上能够传送信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹（Hz）。其它 数据通信基础知识2.1.3 数据通信的主要技术指标n3误码率Pen误码率是衡量数据通信系统在正常情况下传输可靠性的指标。误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，又称“出错率”。n4吞吐量n吞吐量是信道或网络性能的另一个参数，数值上等于信道或网络在单位时间内传输的总信息量，单位也是bit/s。n5网络负荷量n网络负荷量是指网络单位面积中的数据分布量，即数据在网络中分布密度。在计算机网络中，网络负荷量不宜过小，也不宜过大。网络负荷量过小，网络的吞吐量也会小，导致网络利用率过低；网络负荷量过大，容易产

10、生阻塞现象，直接导致网络吞吐量降低。 其它 数据通信基础知识任务2：理解数据通信方式 n在计算机网络中，从不同的角度看有多种不同的通信方式。本任务学习、掌握并行通信和串行通信以及单工、半双工和全双工通信的基本概念。其它 数据通信基础知识2.2.1 并行通信和串行通信n1并行通信 n并行通信是指多个数据位同时在设备之间进行传输。并行通信可同时传送多个二进制位，一般适用于短距离、要求传输速度高的场合，常用于计算机内部各部件之间的数据传输。n2串行通信 n串行通信是指一次只有一个数据位在设备之间传输。串行传输信道将一个由若干位二进制数表示的字按位进行有序的传输，串行通信常用于计算机与计算机或与外部设

11、备之间的数据传输。其它 数据通信基础知识2.2.2 单工、半双工和全双工通信n1单工通信n通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。n2全双工通信n数据可以同时沿相反的两个方向双向传输。n3半双工通信n信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送信号，即两个方向的传输只能交替进行，不能同时进行。其它 数据通信基础知识任务3：理解数据传输方式 n常见的信号形式有模拟信号和数字信号，如图所示。其中，模拟信号（Analog Signal）的电平是连续变化的，数字信号（Digital Signal）是用

12、两种不同电平表示0、1比特序列的电压脉冲信号。本任务将学习基带传输、频带传输和宽带传输、信源编码技术和多路复用技术等。 其它 数据通信基础知识2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输n1基带传输n基带（Baseband）是指调制前原始电信号占用的频带，是原始电信号固有的基本频带。n基带信号是未经载波调制的信号。由“0”和“1”组成。这种数字信号又称为“数字基带信号”。在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输。n基带传输的信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，具体类型由信源决定。其它 数据通信基础知识2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输n2频带传输n所谓频带传输，是将数字信号调制成模拟信号

13、后再发送和传输，到达接收端时，再把模拟信号解调为原来的数字信号。n利用模拟信道实现数字信号传输的方法，称为“频带传输”。n采用频带传输方式时，发送端和接收端都需要安装调制解调器，进行模拟信号和数字信号的相互转换。n频带传输与基带传输不同：n基带传输中，基带信号占有信道的全部带宽；n频带传输中，模拟信号通常由某个频率或某几个频率组成，占用一个固有频带，即整个频道的一部分。n频带传输与传统的模拟传输有区别：频带传输的波形比较单一，因为在频带传输中只需要用不同幅度或不同频率表示0、1两个电平。 其它 数据通信基础知识2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输n3宽带传输n宽带是指带宽比声频更宽的频带。

14、利用宽带进行的传输称为宽带传输。n宽带传输可以在传输介质上使用频分多路复用技术。由于数字信号的频带很宽，不便于在宽带网中直接传输，通常将其转化成模拟信号后再在宽带网中传输。n宽带传输的主要特点:n宽带信道能够被划分成多个逻辑信道或频率段进行多路复用传输，信道容量大大增加；n对数据业务、TV或无线电信号用单独的信道传输；n宽带传输能够在同一信道上进行数字信息或模拟信息服务；n宽带传输系统可以容纳全部广播信号，并可进行高速数据传输；n宽带比基带的传输距离更远。 其它 数据通信基础知识2.3.2 信源编码技术n基本的数据编码方式包括：n数字数据的模拟信号编码n数字数据的数字信号编码n模拟数据的数字信

15、号编码其它 数据通信基础知识2.3.2 信源编码技术n1数字数据的模拟信号编码n发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制（Modulation）。接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调（Demodulation）。 n数字数据调制的基本方法有3种：幅移键控、频移键控和相移键控。 其它 数据通信基础知识2.3.2 信源编码技术n1数字数据的模拟信号编码n 幅移键控法（ASK，Amplitude Shift Keying）。幅移键控法又称幅度调制（AM，简称调幅），是调制载波的振幅，用载波信号的幅度值表示数字信号“1”和“0”。通常用有载波表示数字信号“1”，无载波表示数

16、字信号“0”。n 频移键控法（FSK，Frequency Shift Keying）。频移键控法又称频率调制（FM，简称调频），是调制载波的频率，用载波信号的不同频率（幅值相同）表示数字信号“1”和“0”。用1表示数字信号“1”，用2表示数字信号“0”。n 相移键控法（PSK，Phase Shift Keying）。相移键控法又称相位调制（PM，简称调相），是调制载波的相位，用不同的载波相位（幅值相同）表示数字信号“1”和“0”。绝对调相使用相位的绝对值，相位为0表示数字信号“1”，相位为表示数字信号“0”。相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化；数字数据为1时，相位偏移

17、其它 数据通信基础知识2.3.2 信源编码技术其它 数据通信基础知识2数字数据的数字信号编码n数字数据如果利用数字信道直接传输，在数字数据传输前常常进行数字编码。数字信号编码的目的是使二进制数“1”和“0”的特性更有利于传输，如图所示。 其它 数据通信基础知识2数字数据的数字信号编码n（1）不归零编码（NRZ，Non-Return to Zero）。n不归零编码规定，如果用负电平表示逻辑“0”，则正电平表示逻辑“1”，反之亦然。n特点：发送能量大，有利于提高收端信噪比；带宽窄但直流和低频成分大，不能提取同步信息，判决电平不易稳定。不归零编码一般用于设备内部通信和短距离通信。其它 数据通信基础知

18、识2数字数据的数字信号编码n（2）曼彻斯特编码（Manchester）。n目前应用最广泛的编码方法之一，每一位二进制信号的中间都有跳变，从低电平跳变到高电平，表示数字信号“1”；从高电平跳变到低电平，表示数字信号“0”。n特点：不含直流分量，无须另发同步信号，具有编码冗余，极性反转时常会引起译码错误。 其它 数据通信基础知识2数字数据的数字信号编码n（ 3） 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 （ Difference Manchester）。n差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。与曼彻斯特编码不同的是，每位二进制数据的取值根据其开始边界是否发生跳变决定。若一个比特开始处“有跳变”，则表示“0

19、”；若一个比特开始处“无跳变”，则表示“1”。n在局域网通信中，差分曼彻斯特码更常用，其每个码位中间的跳变被专门用作定时信号，用每个码开始时刻有无跳变来表示数字“0”和“1”。其它 数据通信基础知识2数字数据的数字信号编码其它 数据通信基础知识3模拟数据的数字信号编码n模拟数据数字化编码的常用方法是脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）。n发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字信号，接收方再通过PCM解码器将数字信号还原成模拟信号。数字化语音数据传输的速率高、失真小，并可存储在计算机中。脉冲n编码调制包括3部分：采样、量化和编码，如图所示。其它 数据通信基础知识

20、3模拟数据的数字信号编码n（1）采样：每隔一个固定的时间间隔，取出模拟信号的值。以模拟信号的瞬时电平值作为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。采样频率f2B，B为信号的最高有效频率，即相邻两次采样之间的时间间隔应等于或高于两倍的最高有效频率。n（2）量化：分级处理。量化之前，估计模拟信号可能的幅值范围，把这个幅值范围划分为若干宽度相等的小区域，如可分为8级、16级或更多的量化级。每个级别的幅值定义为该范围的上限或下限或均值。然后把每次取样的信号幅值对应到相应的级别里，以级别代号代替本次取样的幅值，使连续的模拟信号变成随时间变化的数字数据。n（3）编码：把相应的量化级别用一定位数的二进制

21、码表示，如果有N个量化级，则需要log2N位二进制码（如8级用3位，16级用4位）。然后把编码以脉冲的形式送到信道上进行传输。还原的过程刚好相反，只要发送端和接收端双方有共同的量化级别和共同的取样周期，就可以将信号还原为模拟信号。其它 数据通信基础知识2.3.3 多路复用技术n为有效利用传输通信线路，可以同时把多个信号送往传输介质，以提高传输效率，即将多路信号复用在一条物理线路上。这种技术称为多路复用技术，如图所示。其它 数据通信基础知识2.3.3 多路复用技术n1频分多路复用（FDM）其它 数据通信基础知识2.3.3 多路复用技术n2时分多路复用（TDM）其它 数据通信基础知识2.3.3 多

22、路复用技术n3波分多路复用（WDM）其它 数据通信基础知识2.3.3 多路复用技术n4码分多路复用（CDMA）n码分多路复用技术根据不同的编码来区分各路原始信号，通过和各种多址技术结合产生了各种接入技术。码分多路复用技术是一种用于移动通信系统的技术。笔记本电脑和掌上电脑等移动终端的连网通信将会大量使用码分多路复用技术。其它 数据通信基础知识2.3.4 知识拓展：同步技术n同步是指在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方交换数据时需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同。 n通常使用的同步技术有异步传输和同步传输两种 其它 数据通信基础知识

23、2.3.4 知识拓展：同步技术n1同步传输n同步传输（Synchronous Transmission）又称同步通信，采用位同步（即按位同步）技术，以固定的时钟频率串行发送数字信号。通信双方必须建立准确的同步系统，并在其控制下发送和接收数据。n同步传输的两种方式如下所示。n（1）外同步：发送端在发送数据前先向接收端发送一串用于同步的时钟脉冲，接收端收到同步信号后，对其进行频率锁定，然后以同步频率为准接收数据。n（2）自同步：发送端在发送数据时，将时钟脉冲作为同步信号包含在数据流中同时传送给接收端，接收端从数据流中辨别同步信号，再据此接收数据。自同步传输中，接收端是从接收到的信号波形中获得同步信

24、号，因而称为自同步。其它 数据通信基础知识2.3.4 知识拓展：同步技术n2异步传输n异步传输（Asynchronous Transmission）又称异步通信，采用“群”同步技术。这种技术根据一定的规则，将数据分成不同的群，每一个群的大小不确定，即每个群包含的数据量也不确定。这种技术是在位同步基础上进行的同步，要求发送端与接收端在一个群内必须保持同步。发送端在数据前面加上起始位，在数据后面加上停止位，接收端通过识别起始位和停止位来接收数据。n异步传输方式中，通信双方各自使用独立的定位时钟。两个字符之间的时间间隔是不固定的，而在一个字符内各位的时间间隔是固定的。每传送1个字符（7位或8位），都

25、要在每个字符码前加1个起始位，表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位判断一个新字符的开始，以保持通信双方的同步。其它 数据通信基础知识2.3.4 知识拓展：同步技术n3同步传输与异步传输的区别n（1）异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。n（2）异步传输的单位是字符，同步传输的单位是帧。n（3）异步传输通过字符起始位和停止位抓住再同步的机会，同步传输从数据中抽取同步信息。n（4）异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。n（5）异步传输相对于同步传输效率较低。 其它 数据通信基础知识任务4：理解

26、数据交换技术 n一个拥有众多用户的通信网不可能采用两两之间连接的全互联方式，而只能把这些用户的线路都引到同一地点，然后利用交换设备进行连接。在大型计算机网络中，计算机之间传输的数据往往要经过多个中间节点才能从源地址到达目的地址。传输信号如何通过中间节点或交换设备进行转发是数据交换技术要解决的问题。数据通信中常用的交换方式有电路交换和存储转发交换等。本任务主要学习电路交换、存储转发交换和高速交换技术。其它 数据通信基础知识2.4.1 电路交换n又称线路交换，是一种直接的交换方式n线路交换必须经过线路建立、数据传输和线路拆除3个阶段。n（1）线路建立：通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接，建立

27、一条由源节点到目的节点传输通道。n（2）数据传输：传输的数据可以是数字数据，也可以模拟数据。n（3）线路拆除：完成数据传输后，源节点发出释放请求信息，请求终止通信；目的节点接受释放请求并发回释放应答信息；各节点拆除该线路的对应连接，释放由该线路占用的节点和信道资源，结束连接。其它 数据通信基础知识2.4.2 存储转发交换n存储转发交换是指网络节点先将途经的数据按传输单元接收并存储下来，然后选择一条适当的线路转发出去。根据转发的数据单元的不同，存储转发交换又可分为以下两类。n1报文交换（Message Switching）n在报文交换中，信息的发送以报文为单位。报文由报头和要传输的数据组成，报头

28、中有源地址和目标地址。发送信息时，通信双方不需要事先建立专用的物理通路，只需把目的地址附在报文上，并发送到网络的临近节点。节点收到报文后，先把它存储起来，等到有合适的输出线路时，再将报文转发到下一个节点，直至到达目的地。 其它 数据通信基础知识2.4.2 存储转发交换n2分组交换（Packet Switching）n分组交换不是以“整个报文”为单位进行交换传输，而是以更短的标准的分组（Packet）为单位进行交换传输。n分组交换将需要传送的整块数据（报文）分割为一定长度的数据段，在每一个数据段前面加上目的地址、发送地址、分组大小等固定格式的控制信息，形成被称为“包”的报文分组。n分组交换中，分

29、组的传输有两种方式：数据报方式和虚电路方式。 其它 数据通信基础知识2.4.2 存储转发交换n（1）数据报方式n交换网把进网的每个分组作为一个称为数据报（Data gram）的基本传输单位进行单独处理，而不管它是属于哪个报文的分组。n数据报分组交换的特点：n每一个分组在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址，同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复或丢失现象；数据报文传输延时较大，不适用于长报文、会话式通信。数据报方式的工作原理如图所示。 其它 数据通信基础知识2.4.2 存储转发交换n（2）虚电路方式n虚电路是为了传送某一报

30、文而设立和存在的。两个节点在开始互相发送和接收数据之前，需要通过通信网络建立一条逻辑上的连接，所有分组都必须沿着事先建立的逻辑连接传输。不需要发送和接收数据时，清除该连接。n虚电路是一种逻辑上的连接，不像线路交换那样有一条专用物理通路，因而称为虚电路，如图所示。 其它 数据通信基础知识2.4.2 存储转发交换n3分组交换与报文交换的比较n（1）分组交换比报文交换减少了时间延时。原因是，当第一个分组发送给第一个节点后，接着可发送第二个分组，随后可发送其他分组；多个分组可同时在网中传播，因此总的延时大大减少，网络信道的利用率大大提高。n（2）分组交换把数据的最大长度限制在较小的范围内，每个节点所需

31、要的存储量减少，有利于提高节点存储资源的利用率。数据出错时，只需要重传错误分组，而不要重发整个报文，有利于迅速进行数据纠错，大大减少每次传输发生错误的概率以及重传信息的数量。n（3）分组交换易于重新开始新的传输。可让紧急报文迅速发送出去，不会遭到传输优先级较低的报文的堵塞。其它 数据通信基础知识2.4.3 知识拓展：高速交换技术n1帧中继n帧中继（Frame Relay）交换技术是在分组交换技术充分发展，数字与光纤传输线路逐渐取代已有模拟线路的条件下发展起来的。帧中继交换技术主要用于传输数据业务，用D信道链路访问规程（LAPD）将数据以帧的形式进行传送。帧的信息长度远比分组长度要长。帧中继的协

32、议以OSI参考模型为基础，其协议模型仅包含两层，即物理层和只有核心功能的数据链路层。不提供纠错、流量控制、应答和监视等机制。帧中继传送数据信息的传输线路是逻辑连接。帧中继交换采用统计复用、动态分配带宽（即按需分配带宽）的方式向用户提供共享的网络资源。n通过帧中继实现局域网的互联是帧中继的主要应用之一。 其它 数据通信基础知识2.4.3 知识拓展：高速交换技术n2异步传输模式ATMn是一种比帧中继传输速率更高的快速分组交换方式。ATM的传输单位为信元（Cell），又称信元交换。它建立在大容量光纤传输介质的基础上，短距离传输速率可达2.2Gbit/s；中长距离也可达到几十或几百Mbit/s。异步传

33、输模式ATM属于时分多路复用传输，在每个时隙中传输的单位称为信元。信元是一种较短的数据分组，其长度固定为53个字节，该特点使得节点只用硬件电路即可进行信元处理，大大缩短了信元处理时间。其它 数据通信基础知识任务5：了解差错控制技术 n通信的目的是进行信息的传输。传输过程中任何信息的丢失或损坏，都将对通信双方产生重要的影响。因此，如何实现无差错的数据传输是一个非常重要的问题。差错控制技术是实现数据可靠传输的主要手段。本任务将学习差错控制技术中的差错控制方法和差错控制编码。其它 数据通信基础知识2.5.1 差错控制方法n1差错控制n所谓差错，是指在数据通信中，接收端接收的数据与发送端发出的数据不一

34、致的现象。n差错控制是指数据通信过程中，发现、检测差错并对差错进行纠正，从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能小的范围内的技术和方法。n差错控制的主要途径：n一是选用高可靠性的设备和传输介质，并辅以相应的保护和屏蔽措施，以提高传输的可靠性；n二是通过通信协议实现差错控制，在通信协议中，通过差错控制编码实现差错的检测和控制。其它 数据通信基础知识2.5.1 差错控制方法n2差错的产生原因 n（1）从差错的物理形成分析n传输中的差错大都是由噪声引起的。噪声有两大类n 热噪声：热噪声由传输介质的电子热运动产生，是一种随机噪声，引起的传输差错为随机差错。n 冲击噪声：冲击噪声由外界电磁干扰引起，与热噪

35、声相比，冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。冲击噪声引起的传输差错表现为突发差错。n（2）从差错发生的位置分析n 通信链路差错n 路由差错n 通信节点差错n（3）从差错发生的层次分析n 物理层和数据链路层差错n 网络层和传输层差错其它 数据通信基础知识2.5.1 差错控制方法n3差错控制方法（1）前向纠错n发送端根据一定的编码规则对信息进行编码，然后通过信道传输；接收端接收到信息后，如果检测到接收信息有错，则通过一定的算法，确定差错的具体位置，并自动加以纠正。比较著名的前向纠错码有海明码和BCH码。n（2）反馈检验法n接收端将收到的信息码原封不动地发回发送端，与原发信息码比较。如果发现

36、错误，则发送端重发。反馈检验的方法、原理和设备都比较简单，但需系统提供双向信道。n（3）自动重发请求n接收端检测到接收信息有错后，通过反馈信道要求发送端重发原信息，直到接收端认可为止，从而实现纠错。其它 数据通信基础知识2.5.2差错控制编码 n差错控制编码的基本思想是在被传输信息中增加一些冗余码，利用附加的冗余码元和信息码元之间的约束关系加以校验，以检测和纠正错误。n目前广泛用于差错检测的奇偶校验码和循环冗余码 其它 数据通信基础知识2.5.2差错控制编码 n差错控制编码的基本思想是在被传输信息中增加一些冗余码，利用附加的冗余码元和信息码元之间的约束关系加以校验，以检测和纠正错误。n目前广泛

37、用于差错检测的奇偶校验码和循环冗余码 其它 数据通信基础知识2.5.2差错控制编码 n1奇偶校验码n奇偶校验是最常用的差错检测方法，也是其他差错检测方法的基础。原理是在7位的ASCII代码的最后一位增加一位校验位，组成的8位中“1”的个数成奇数（奇校验）或成偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位（包括校验位）出错，接收端按同样的规则即可发现错误。n奇偶校验分为水平奇偶校验、垂直奇偶校验和水平垂直奇偶校验3种。 其它 数据通信基础知识2.5.2差错控制编码 n（1）水平奇偶校验：以字符组为单位，对一组字符中的相同位在水平方向进行编码校验。数据传输还是以字符为单位传输，先按字符顺序进行字符的传输

38、，最后进行校验位的传输。奇偶校验位与数据一起发送到接收方，接收方检测奇偶校验位。对于偶校验，若接收方发现1的个数为奇数，则说明发生了错误。n（2）垂直奇偶校验：以字符为单位的一种校验方法。对字符在垂直方向加校验位构成校验单元。假设某一字符的ASCII编码为0011000，根据奇偶校验规则，如果采用奇校验，则校验位应为1，即00110001；如果采用偶校验，校验位应为0，即00110000。垂直奇偶校验检错效果高于水平奇偶校验。n（3）水平垂直奇偶校验：将前面两种校验方式结合而成。在水平方向和垂直方向同时进行校验。 其它 数据通信基础知识2.5.2差错控制编码 字符位字符1字符2字符3字符4字符

39、5字符6 效验位（奇）位11101110位20000100位30111101位41110011位51000011位60101100位71010100效验位（偶）0011111其它 数据通信基础知识2.5.2差错控制编码 2循环冗余码循环冗余码（CRC，Cyclic Redundancy Code）是使用较广泛并且检错能力较强的一种检验码。CRC的工作过程：在发送端按一定的算法产生一个循环冗余码，附加在信息数据帧后面一起发送到接收端；接收端将收到的信息按同样算法进行除法运算，若余数为“0”，表示接收的数据正确；若余数不为“0”，表示数据在传输的过程中出错，请求发送端重传数据。 其它 数据通信基础

40、知识循环冗余校验方法的原理 n 将待编码的n位信息码组Cn-1Cn-2CiC1C0表示为一个n-1阶的多项式M(x)nM(x)=Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+Cixi+C1x1+C0x0n例如，二进制序列0 1 0 0 1 1 0 1对应的多项式为nM(x)0x7+1x6+0x5+0x4+1x3+1x2+ 0x1+1x0x6+x3+x2+1n 将信息码组左移k位，形成M(x)xk，即n+k位的信息码组nCn-1Cn-2CiC1C0000000n 发送方和接收方约定一个生成多项式G(x)，设该生成多项式的最高次幂为r。对M(x)xk作模2运算，获得商Q(x)和余数R(x)，显然，有M(x)

41、xk=Q(x)G(x)+R(x)。n 令T(x)=M(x)+R(x)，得到循环冗余校验码。T(x)是在原数据块的末尾加上余数得到的。n 发送T(x)所对应的数据。n 设接收端接收到的数据对应的多项式为T(x)，将T(x)除以G(x)，若余数为0，即T(x)=T(x)，则传输无错误。nT(x)/G(x)=(Q(x)G(x)+R(x)+R(x)/G(x) =(Q(x)G(x)/G(x)=Q(x)n若余数不为0，即T(x)T(x)，则传输有错误。其它 数据通信基础知识举例说明循环冗余校验码多项式T(x)的具体求法 n假设准备发送的数据信息码是 1101011011，生成多项式为 G(x)=x4+x+

42、1n 计算信息编码多项式T(x)nM(X)=1101011011 G(x)=10011n生成多项式的最高次幂r=4，信息码附加4个0后形成新的多项式。nM(x)：110其它 数据通信基础知识举例说明循环冗余校验码多项式T(x)的具体求法 n 用模2除法求M(x)/G(x)的余数其它 数据通信基础知识举例说明循环冗余校验码多项式T(x)的具体求法 n 得出要传输的循环冗余校验码多项式n将余数1110直接附加在M(x)的后面得T(x)=110n 接收端对接收到的T(x)进行校验n设接收端接收到的数据为多项式T(x)，将T(x)除以G(x)，若余数为0，即T(x)=T(x)，则认为没有错误。nT(x

43、)/G(x)=(Q(x)G(x)+R(x)+R(x)/G(x) =(Q(x)G(x)/G(x)=Q(x)n若余数不为0，即T(x)T(x)，认为有错。其它 数据通信基础知识3海明码 n海明码是一种纠错码，纠错码比检错码功能更强。检错码只能检测到错误，而纠错码不仅能检测出错误，还可以检测出哪位发生了错误并进行纠正。 n1950年，海明（Hamming）发明了从待发送数据位中生成一定数量的特殊码字，并通过该特殊码字检测和纠正差错代码的理论和方法。按照海明的理论，对于m位数据，当增加k位校验位后，组成n=m+k位的码字。 其它 数据通信基础知识3海明码 n海明码由数据位及校验位组合而成，但数据位和校

44、验位 是 交 叉 排 列 的 。 假 设 要 发 送 的 数 据 为m0m1m2m3m4m5m6m7，则海明码为ABm0Cm1m2m3Dm4m5m6m7，其中A、B、C、D为校验位，其编号是1、2、4、8。数据位所对应的编号分别为3、5、6、7、9、10、11、12，例如，m0的编号为3，D的编号为8，为了知道某个编号的数据对哪些校验位有影响，将每个数据位的编号用校验位编号的和来表示，即n 3=2+1 5=4+1 6=4+2 n 7=4+2+1 9=8+1 10=8+2n 11=8+2+1 12=8+4其它 数据通信基础知识3海明码 n上面各式决定了每个数据位由哪个校验位进行校验。将上面的表示

45、填入表 .可以得出如下结论。nA是编号为3、5、7、9、11的数据位（即m0、m1、m3、m4、m6）的校验位。nB是编号为3、6、7、10、11的数据位（即m0、m2、m3、m5、m6）的校验位。nC是编号为5、6、7、12的数据位（即m1、m2、m3、m7）的校验位。nD是编号为9、10、11、12的数据位（即m4、m5、m6、m7）的校验位。 数据位编号 校验位编号35679101112A(1)*B(2)*C(4)*D(8)*其它 数据通信基础知识以一个7位ASCII字符使用海明码形成11位码字为例。例如，字符M的ASCII编码为1101101，海明码为AB1C101D101，按偶校验规

46、则进行校验见表 数据位校验位1（3）1（5）0（6）1（7）1（9）0（10）1（11）A(1)*B(2)*C(4)*D(8)*可得校验码A=1，B=1，C=0，D=0，字符M的海明编码为11101010101。将其发送到接收端。当校验位码字到达时，接收端将出错计数器清0，然后检查校验位码字是否具有正确的奇偶性。如果该校验位码字的奇偶性不对，则在计数器中加入一个数值，数值的大小是校验位码字编号对应的值。所有校验位码字检查完毕后，如果计数器值为0，说明数据传输无差错；如果计数器值不为0，该值就是出错位的编号。根据计数器的值即可确定是哪位出错，将该位数据取反即可纠正错误。其它 数据通信基础知识本章小结 n数据通信技术是必不可少的环节。通过本章的学习，可以增加读者的数据通信知识。本章介绍了数据通信的基本概念和信号的编码方式，并从不同的角度对数据传输方式进行分类，使读者从多方面认识和了解数据通信的相关知识。n数据通信技术是一门复杂的学科，本章只能从几个方面进行简要的介绍，包括数据交换技术、差错控制技术、多路复用技术等。有兴趣的读者可以阅读数据通信的相关书籍，以便更好地学习计算机网络知识。n通过本章的学习，可使读者从宏观上了解数据通信技术，为进一步的学习打下基础。 其它 数据通信基础知识