2.5 一个都不能错——差错控制技术（课件）-《计算机网络应用基础》同步教学（航空工业出版社）

《计算机网络应用基础》（航空工业出版社） 同步教学 揭开通信面纱——数据通信基础 华山亮剑——数据传输技术 万丈高楼平地起——传输介质 神龙见首不见尾——数据交换 第2章 网络的任督二脉 ——数据通信与网络体系结构 一个都不能错——差错控制技术 没有规矩不成方圆——网络体系结构 2.5 一个都不能错——差错控制技术 差错控制是指在数据通信的过程中，发现、检测差错，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。 在计算机通信中，一般都要求有极低的比特差错率，为此广泛采用了编码技术。编码技术有两大类：一类是向前纠错，即收到有差错的数据时能够自动将差错改正过来。这种方法开销大，不太适合计算机通信。另一类是差错检测，即接收方可以检测出收到的帧是否有差错（但并不知道是哪几个比特错了）。当检测出有错的帧时就立即将它丢弃，但接下去有两种选择：一种是不进行任何处理（要处理也是高层进行），另一种是由数据链路层负责重传丢弃的帧。这两种方法都比较常用。 常见的差错控制编码有奇偶校验和CRC循环冗余校验。 2.5 一个都不能错——差错控制技术 2.5.1 奇偶校验 奇偶校验（Parity Checking）是以字符为单位的校验方法，也称垂直冗余校验（VRC）。一个字符由8位组成，低7位是信息字符的ASCII码，最高位（附加位）为奇偶校验码位，接收方用这个附加位来校验传输的正确性。 奇偶校验又分奇校验和偶校验两种。在偶校验时，必须保证传输字符代码中“1”的个数为偶数。例如，如果传输字符的编码中有奇数个“1”，则该最高位的值应为“1”，从而使得整个8位中的“1”的个数为偶数；反之，在奇校验时，这个最高位（附加位）就为“0”，正是通过该附加位的设置，保证了传输数据中“1”的个数为奇数。 表2-3列出了偶校验和奇校验的应用示例。表中字符“Y”的7位ASCII码为“1011001”，其中有4（偶数）个“1”。当采用偶校验时，为了保证整个二进制字符代码中“1”的个数为偶数，附加位应为“0”。这样，整个被发送的8位二进制字符代码为“01011001”。当采用奇校验时，为了保证整个字符代码中“1”的个数为奇数，则附加位为“1”，即整个被发送的8位二进制代码为“11011001”。 表2-3 奇偶校验位的设置 2.5 一个都不能错——差错控制技术 当接收方收到含有附加位的数据之后，它会对收到的数据与发送端的奇校验或偶校验进行校验，并将结果与原来的奇偶校验位核对，如果有错，就要求对方重发。 由表2-4可知，在第2种方式下，传输过程中只有1位出错时，接收方可以正确拒收数据；在第3种方式下，传输过程中有两位出错，由于奇偶校验结果为正确，因此，接收方错误地接收了数据。由此可见，奇偶校验只能检测出奇数个比特位的错误，对偶数个比特位的错误则无能为力。 表2-4 奇偶校验的工作方式 2.5 一个都不能错——差错控制技术 2.5.2 循环冗余检验CRC 目前，最常用和最精确的差错控制技术是CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余检验）。CRC是一种通过多项式除法检测差错的方法。 CRC的检错思想是：收发双方用约定的一个生成多项式G（x）做多项式除法，求出余数多项式CRC校验码；发送方在数据帧的末尾加上CRC校验码；这个带有校验码的帧的多项式一定能被G（x）整除。接收方收到后，用同样的G（x）除多项式，如果有余数，则传输有错。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 网络模型使用分层来简化网络的功能。它采用了层次化结构的方法来描述复杂的网络系统，将复杂的网络问题分解成许多较小的、界限比较清晰而又简单的部分来处理。 层次结构和协议的集合被称为网络体系结构。体系结构定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互连的标准和规范的集合。遵循这组规范可以方便地实现计算机设备之间的通信。 2.6.1 网络协议的概念 在网络中包含多种计算机系统，它们的硬件和软件系统各异，要使得它们之间能够相互通信，就必须有一套通信管理机制使通信双方能正确地接收信息，并能理解对方所传输信息的含义。网页协议就是为实现网络中的数据交换而建立的规则标准或约定。网络协议也可简称为协议。网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 2.6.2 网络的层次结构 为了减少网络设计的复杂性，绝大多数网络采用分层设计方法。所谓分层设计方法，就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。 分层有两个优点。首先，它将建造一个网络的问题分解为多个可处理的部分。不必把希望实现的所有功能都集中在一个软件中，而是分为几层，每一层解决一部分问题。第二，它提供一种更为模块化的设计。如果想要加一些新的服务上去，只需修改一层的功能性，继续使用其他层提供的功能。 总的来说，协议是不同机器同等层之间的通信约定，而接口是同一机器相邻层之间的通信约定。不同的网络，分层数量、各层的名称和功能以及协议都各不相同。在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务。图2-15表示了具有五层协议的网络体系结构。 计算机网络体系结构是对网络中分层模型以及各层功能的精确定义。对网络体系结构的描述必须包括足够的信息，使实现者可以为每一功能层进行硬件设计或编写程序，并使之符合相关协议。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 图2-15 层、协议和接口 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 下面介绍两个概念： 实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成。 分层结构中各相邻层之间要有一个接口，它定义了较低层向较高层提供的原始操作和服务。相邻层通过它们之间的接口交换信息，高层并不需要知道低层是如何实现的，仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务，这样使得两层之间保持了功能的独立性。 （1）实体（Endtry）： （2）接口（Interface）： 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 为了便于理解接口和协议分层的概念，下面以邮政通信系统为例进行说明。 人们平常写信时，都有信件的格式和内容。首先，我们写信时必须采用双方都能懂的语言文字，开头是对方称谓，最后是落款等。这样，对方收到信后才可以看懂信中的内容，知道是谁写的，什么时候写的等。信写好之后，必须将信封装并交由邮局寄发，这样寄信人和邮局之间也要有约定，这就是规定信封的格式并要贴上邮票。 邮局收到信后，首先进行信件的分拣和分类（而不用关心信纸上的具体内容），然后打包交付有关运输部门进行运输，如航空信交民航，平信交铁路或公路运输部门等。这时，邮局和运输部门也有约定，如到站地点、时间、包裹形式等等。同样道理，运输部门也不用关心邮包里的具体信件。邮包运送到目的地后进行相反的过程，最终将信件送到收信人手中，收信人依照约定的格式才能读懂信件，如图2-16所示。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 图2-16 邮政通信系统 世界上第一个网络体系结构是美国IBM公司于1974年提出的，它取名为系统网络体系结构SNA（System Network Architecture）。凡是遵循SNA的设备就称为SNA设备。这些SNA设备之间可以方便地进行互联。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 2.6.3 ISO/OSI参考模型 在20世纪80年代，网络的规模和数量都得到了迅猛的增长。但是许多网络都是基于不同的硬件和软件而实现的，这使得它们之间互不兼容。显然，在使用不同标准的网络之间是很难实现其通信的。 为解决这个问题，国际标准化组织ISO研究了许多网络方案，认识到需要建立一种可以实现不同网络之间的互联和协同工作的网络模型，因此在1984年公布了开放式系统互连参考模型，称为OSI/RM参考模型（简称为OSI参考模型），其标准保证了各种类型网络技术的兼容性和互操作性。 在OSI参考模型中，计算机之间传送信息的问题被分为7个较小且更容易管理和解决的小问题。每一个小问题都由模型中的一层来解决。将这7个易于管理和解决的小问题映射为不同的网络功能称为分层。OSI将这7层从低到高叫做物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。图2-17说明了OSI的7层结构。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 图2-17 OSI参考模型 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 1．物理层 物理层（Physical Layer）处于OSI参考模型的最低层，向下直接与物理传输介质相连接，向上相邻且服务于数据链路层，是建立在通信介质基础上的，实现设备之间连接的物理接口。这一层负责在计算机之间传递数据位，为在物理介质上传输的位流建立规则，同时定义电缆如何连接到网卡上，以及需要用何种传送技术在电缆上发送数据。 2．数据链路层 数据链路层（Data Link Layer）负责接收来自物理层的比特流数据，并提取出帧后传输到上一层。同样，也将来自上层的数据包封装成数据帧转发到物理层，并且负责处理接收端发回的确认帧信息，以提供可靠的数据传输。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 3．网络层 网络层（Network Layer）网络层的主要功能是支持网络连接的实现。为传输层提供整个网络范围内两个终端用户之间的数据传输的通路，包括： （1）为上一层传输层提供服务。 （2）提供路径选择与中继，即在通信子网中，源结点和中间结点为将报文分组传送到目的结点而对其后继结点的选择。 （3）流量控制，对整个通信子网内的流量进行控制，以防因通信量过大造成通信子网性能下降。 （4）网络连接的建立与管理。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 4．传输层 传输层（Transport Layer）的主要功能是完成网络中不同主机上的用户进程之间可靠的数据通信。 5．会话层 会话层（Session Layer）是用户应用程序和网络之间的接口，负责建立和维护两个结点间的会话连接和数据交换。会话层不参与具体数据的传输，只是对数据传输进行管理，并建立、组织和协调两个互相通信的进程之间的交互。 6．表示层 表示层（Presentation Layer）负责对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传输给会话层，其主要功能是处理两个通信系统中数据表示方面的问题，包括数据的编码、格式的转换、数据的压缩和恢复、数据的加密和解密等。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 7．应用层 应用层（Application Layer）是最接近用户的一层，主要功能是为用户的应用程序提供网络服务，是用户使用网络功能的接口。 OSI各层功能归纳 应用层：与用户应用进程的接口，相当于做什么。 表示层：数据格式的转换，相当于对方看起来像什么。 会话层：会话的管理和数据传输的同步，相当于轮到谁发言和从何处谈起。 传输层：从端到端经网络传送报文，相当于对方在何处。 网络层：分组传送、路由选择和流量控制，相当于走哪条路可以到达目的地。 数据链路层：在链路上无差错地传送帧，相当于如何走好每一步。 物理层：将比特流送到物理媒体上传送，当于对上一层的每一步应该如何利用物理媒体。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 2.6.4 TCP/IP参考模型 OSI参考模型的提出在计算机网络发展史上具有里程碑的意义，以至于提到计算机网络就不能不提OSI参考模型。但是，OSI参考模型具有定义过于繁杂、实现困难等缺陷。与此同时，TCP/IP协议的出现和广泛使用，特别是因特网用户爆炸式的增长，使TCP/IP网络的体系结构日益显示出其重要性。 TCP/IP是指传输控制协议（TCP）/网际协议（IP）。它是由多个独立定义的协议组合在一起的协议集合。TCP/IP协议是目前最流行的商业化网络协议，尽管它不是某一标准化组织提出的正式标准，但它已经被公认为目前的工业标准或“事实标准”。因特网之所以能迅速发展，就是因为TCP/IP协议能够适应和满足世界范围内数据通信的需要。 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 TCP/IP体系结构将网络划分为4层，它们分别是应用层、传输层、网际层和网络接口层（主机-网络层），如图2-18所示。 图2-18 TCP/IP体系结构 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 TCP/IP模型的最低层是网络接口层，也被称为网络访问层，它负责接收由网际层送来的数据包，并把这些数据包送到指定网络上。这一层直接面向不同的通信子网。 1．网络接口层 网际层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组形成数据包（IP数据包），并为该数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机。在网际层中，最常用的协议是网际协议IP，其他一些协议用来协助IP的操作。 2．网际层 TCP/IP的传输层也被称为主机至主机层，与OSI的传输层类似，它主要负责主机到主机之间的端对端通信，该层使用了两种协议来支持两种数据的传送方法，它们是TCP协议和UDP协议。 3．传输层 2.6 没有规矩不成方圆——网络体系结构 在TCP/IP模型中，应用程序接口是最高层，它与OSI模型中的高3层的任务相同，都是用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等。 TCP/IP网络协议早于OSI参考模型，在分层结构上不是很严格，但实现上有很大的灵活性。TCP/IP网络协议与OSI参考模型相比较有一定的对应关系，虽然每一层的功能并不完全相对应，但总的概念是相似的。TCP/IP网络协议与OSI参考模型的对应关系如图2-19所示。 4．应用层 图2-19 TCP/IP网络协议与OSI参考模型的对应关系 谢谢观看 $$