第二章 差错控制技术（课件）《计算机网络技术与应用》（电工版第四版）《上好课》

电子工业出版社 第二章 数据通信基础 差错控制技术 计算机网络技术与应用（第4版） 学习目标 了解差错产生的原因和主要差错类型 掌握三种差错控制方式 能够区分检错码和纠错码，知道典型代表 掌握奇偶校验码和循环冗余码两种差错控制技术 目录 差错控制编码 > 差错控制方式 > > 常用检错码 教学导入 发送端 接收端 明天上午 8 点上课，带好课本 明天上午 点上课，带好本 这不是手机坏了，也不是微信出错，而是数据在传输时出了差错！这种现象，在计算机网络里就叫：数据传输差错。 知识讲授 差错的产生 所谓差错，就是在数据通信中，接收端接收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。如：1  0， 0  1。 差错的产生是由噪声引起的。根据产生原因的不同可把噪声分为两类：热噪声和冲击噪声。 知识讲授 差错产生的原因 由线路本身的电气特性所产生的，信道固有，噪声分布较平稳，强度小； 外界某种原因突发产生的热噪声，是产生差错的主要原因。这类噪声随机性强，强度大。如：大气中的闪电、汽车点火、电源开关的打火等 热噪声 随机热噪声 冲击热噪声 知识讲授 差错类型 （1）位错：比特位出错，“1” 变成 “0”，“0” 变成 “1”； 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 一位比特错 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 多位比特错 发送方 接收方 ×× 知识讲授 差错类型 （2）帧错 ①帧丢失：发送方发出的数据接收方没有收到； 110100011010101 011010101110001 001101001011 发送方 接收方 帧1 帧2 帧3 110100011010101 001101001011 × 帧2丢失 帧1 帧3 ×× 知识讲授 差错类型 （2）帧错 ②帧重复：同一个帧收到两次； 110100011010101 011010101110001 001101001011 发送方 接收方 帧1 帧2 帧3 110100011010101 001101001011 帧1 帧3 011010101110001 帧2 011010101110001 帧2 帧2重复 ×× 知识讲授 差错类型 （2）帧错 ③帧失序：收到的帧的顺序与发送时的顺序不一致； 110100011010101 011010101110001 001101001011 发送方 接收方 帧1 帧2 帧3 110100011010101 001101001011 帧1 帧3 011010101110001 帧2 帧2、3顺序不一致 为了保证通信系统的传输质量， 降低误码率， 必须采取差错控制措施——差错控制编码。 （1）检错码。检错码是能够自动发现错误的编码，如奇偶校验码、循环冗余校验码。 （2）纠错码。纠错码是能够发现错误且又能自动纠正错误的编码，如海明码。 知识讲授 差错控制编码 知识讲授 差错控制编码 检错码 纠错码 能否发现错误 能 能 能否纠正错误 不能 能 实现复杂度 简单 复杂 冗余开销 小 大 传输效率 高 低 检错码和纠错码对比 师生互动 ➸知识点背诵 什么是检错码？ 什么是纠错码？ 【答案】检错码：只能检测错误，不能纠正错误的编码。 纠错码：既能检测错误，又能纠正错误的编码。 师生互动 ➸例题分析 检错码发现错误后通常采用（ ） A. 自动纠正错误 B. 请求发送方重传 C. 忽略错误 D. 直接丢弃不处理 【答案】B 【解析】检错码只能发现错误，不能纠正错误。一旦检测到错误，最常用、最标准的处理方式就是：请求发送方重新传输数据。 ➼反馈纠错 知识讲授 差错控制方式 差错控制方式分为：反馈纠错、前向纠错和混合纠错。 反馈纠错是利用编码的方法在数据接收端检测差错。当检测出差错后，设法通知发送数据端重新发送数据，直到无差错为止。 前向纠错方法（Forward Error Correcting， FEC）中，接收数据端不仅对数据进行检测，而且当检测出差错后还能利用编码的方法自动纠正差错，如下图所示。 FEC 方法必须使用纠错码。 知识讲授 差错控制方式 ➼前向纠错 混合纠错是指少量错误在接收端被自动纠正，当错误较严重、超出自行纠正能力范围时，就向发送端发出询问信号，要求重发。因此，混合纠错方式是前向纠错和反馈纠错两种方式的混合。 知识讲授 差错控制方式 ➼混合纠错 师生互动 ➸知识点背诵 差错控制方式一共有哪几种？ 【答案】 反馈纠错、前向纠错和混合纠错。 师生互动 ➸例题分析 发送方发送数据，接收方检测无错就回确认，有错就要求重发，这种方式是（ ） A. 前向纠错 FEC B. 检错重发 ARQ C. 混合纠错 D. 不纠错 【答案】B 【解析】ARQ（检错重发 / 自动请求重传） 的工作方式：检测错误 → 要求重传。 课堂练习 1.在数据传输中，连续多位出错，通常称为（ ） A. 随机差错 B. 突发差错 C. 单比特差错 D. 固定差错 【答案】B 【解析】突发差错：由冲击噪声、雷电、电磁干扰等引起，特点是连续多位比特出错。 课堂练习 2.下列属于检错码的是（ ） A. 海明码 B. CRC 循环冗余校验码 C. 卷积码 D. 重复纠错码 【答案】B 【解析】CRC 循环冗余校验码：只能检查错误，不能纠正错误，属于检错码。 课堂练习 3. 数据通信中，热噪声主要产生的差错类型是（ ） A. 突发差错 B. 随机差错 C. 串扰差错 D. 同步差错 【答案】B 【解析】热噪声是通信系统中始终存在的背景噪声，其统计特性服从高斯分布，对每一位数据的影响是独立随机的，因此主要产生随机差错。 课堂练习 4.FEC（前向纠错）的工作特点是（ ） A. 只能检错，出错要求重传 B. 能自动纠错，不需要重传 C. 既不检错也不纠错 D. 只纠错不检错 【答案】B 【解析】FEC 前向纠错：接收端可以自动检测并纠正错误，不需要发送端重传。 教学导入 检错码，就是专门解决该问题的 “数字安检员”。 知识讲授 常用检错码 奇偶校验 奇偶校验码是一种最简单的检错码。其检验规则是：在原数据位后附加校验位（冗余位） ，根据附加后的整个数据码中的“ 1”的个数为奇数或偶数，而分别叫作奇校验或偶校验。 知识讲授 常用检错码 偶校验 偶校验是在7位二进制代码的最高位上附加一位，用这一位的状态使传送的带附加位的字符编码中的“1”的个数为偶数。 偶校验码 （比特1的数量为偶数） ➼校验位的填写方法： 数值位中的“1”的个数是偶数个，校验位填“0” 数值位中的“1”的个数是奇数个，校验位填“1” 原始数据 校验位 知识讲授 常用检错码 ➼工作原理 数据从发送端传输到接收端口，在接收端如何判断数据在传送的过程中没有发生错误？ 偶校验 知识讲授 常用检错码 思考：如何数据在传输过程中出现2位错误，偶校验是否可以检测出来传输错误？ 偶校验 知识讲授 常用检错码 偶校验都可以检测出哪些错误呢？ 偶校验 知识讲授 常用检错码 奇校验是在7位二进制代码的最高位上附加一位，用这一位的状态使传送的带附加位的字符编码中的“1”的个数为奇数。 原始数据 校验位 奇校验码 （比特1的数量为奇数） ➼校验位的填写方法： 数值位中的“1”的个数是奇数个，校验位填“0” 数值位中的“1”的个数是偶数个，校验位填“1” 奇校验 知识讲授 常用检错码 ➼工作原理 数据从发送端传输到接收端口，在接收端如何判断数据在传送的过程中没有发生错误？ 奇校验 知识讲授 常用检错码 奇校验都可以检测出哪些错误呢？ 奇校验 师生互动 ➸知识点背诵 奇偶校验码的核心功能是什么？ 【答案】检测数据传输中的错误，不能纠正错误。 师生互动 ➸例题分析 如果一个字符A的ASCII编码从低到高依次是1100101，采用奇校验，在下述收到的传输后字符中， （ ）错误无法检测。 A.11000011 B.11001010 C.11001100 D.11010011 【答案】D 【解析】在1100101的前面加一位校验元，题目中要采用奇校验，所以加上奇校验应该是奇数位，接收端接收到数据后，若不是5个1，则判断出错，而D项中仍为5个1，所以无法判断。 知识讲授 常用检错码 CRC循环冗余校验 循环冗余码（Cyclic Redundancy Code，CRC），又称为多项式码，是使用最广泛且检错能力很强的一种检错码。 知识讲授 常用检错码 CRC循环冗余校验 ➼实例：假设准备发送的数据信息码为M(x)=1101，生成多项式采用C(x)=X4+X+1，计算使用CRC后最终发送的信息码。 计算方法： ①确定CRC校验码位数：生成多项式的最高次幂为X4，则CRC校验码的位数为4; ②数据左移4位：1101 0000 （校验码为5位） 知识讲授 常用检错码 CRC循环冗余校验 ③确定多项式的值：多项式为C (X)=X4+X+1，则值为10011； ④M(X)/C(x)，得余数；M'(X)=11010000；C(x)=10011; 得出：11010000/10011； 得到冗余码：0100 多项式 x4 x3 x2 x1 x0 CRC值 1 0 0 1 1 知识讲授 常用检错码 CRC循环冗余校验 ⑤将冗余码0100直接附加在M(X)后面，可得到最终发送的信息码； M(x)=11010100 师生互动 ➸知识点背诵 CRC 由哪两部分组成？ 【答案】信息位 + 校验位（冗余位） 师生互动 ➸例题分析 若生成多项式 G (x)=x⁴+x³+1，信息位为 1010，则 CRC 校验码的位数是（） A. 3 位 B. 4 位 C. 5 位 D. 8 位 【答案】B 【解析】生成多项式最高次是 x⁴，校验位位数 r = 最高次数 = 4 位。 课堂练习 1.采用奇校验时，二进制数据 1100110 的校验位应为（ ） A. 0 B. 1 C. 都可以 D. 无法确定 【答案】B 【解析】奇校验：让整个编码（数据位 + 校验位）中 1 的总个数为奇数。 课堂练习 2.CRC 码（ ） A. 既能检错又能纠错 B. 只能检错，不能纠错 C. 只能纠错，不能检错 D. 既不检错也不纠错 【答案】C 【解析】CRC（循环冗余校验码） 的作用是检错，用来检查数据在传输过程中是否出错。它只能发现错误，不能纠正错误。 课堂练习 3.已知生成多项式 G(x)=x4 +x2+1，则它对应的二进制序列和校验位位数 r 分别为（ ） A. 10101，4 位 B. 10011，4 位 C. 11001，3 位 D. 1011，4 位 【答案】A 【解析】 多项式 x4 x3 x2 x1 x0 CRC值 1 0 1 0 1 课堂练习 4.关于奇偶校验和 CRC，下列说法正确的是（ ） A. 两者都能纠错 B. 奇偶校验比 CRC 复杂 C. CRC 能检测出更多类型的错误 D. 奇偶校验需要生成多项式 【答案】C 【解析】CRC 检错能力远强于奇偶校验，能检测出多位错、突发错。 课堂小结 课后作业 1、总结奇偶校验的工作原理； 2、总结CRC校验的方法； 3、课后练习题； $