计算机网络学习笔记——数据链路层功能和服务帧定位差错海明距离检错码和纠错码

Posted 2022-12-02 Couldhelp

文章目录

• 前言
• 概念
• • 一、链路层功能与服务
  • 二、成帧和帧同步（帧定位）
  • • [1]字节计数法
    • [2]字符填充首尾定界法
    • [3]位填充首尾定界法
    • [4]块传输与物理层违例编码定界法
    • [5]校验和法
  • 三、链路层的差错产生及类型
  • • （一）产错产生的原因
    • （二）误码类型及影响
  • 四、检错码和纠错码
  • • （一）海明距离与误码检测
    • （二）纠错码（前向纠错）
    • • 1、海明码（汉明码）
    • （三）检错码
    • • 1、奇偶校验
      • 2、循环冗余校验（CRC校验）
      • 3、校验和
• 参考资料

前言

笔者系电子科技大学2019级在读本科生，针对本学期学校开设的计算机通信网课程，将学习笔记以博客形式上传到CSDN上以便日后复习整理，其中的瑕疵欢迎大家向我指正，在评论区多多交流讨论。

概念

一、链路层功能与服务

特点

1. 相连-①通过通信信道道进行物理连接，没有“智能”的中介节点②特点：a.不乱序b.可能出错c.不会随机“插值”
2. 可靠-差错：①评价信道-误码率（物理层）②评价链路-误帧率（链路层）③一定帧长下，误码率越高，误帧率越高
3. 有效-①开销少②延时短

链路层效率定义

η = 有效/理想 = r/R（η≤1）
R（b/s）——信道容量，理想吞吐量

有效数据率

r = ∑ni/T
ni：第i个有效帧的bit数；T：测量总时间

链路层的功能和服务

服务：

1. 无确认的无连接服务
2. 有确认的无连接服务
3. 有确认的面向连接服务
   

链路层功能

1. 成帧：定位，标明起始与终止
2. 差错检测与控制
3. 流量控制
4. 链路管理：建链、通信、拆链

二、成帧和帧同步（帧定位）

帧：一个完整的数据块
帧定位：从原始的bit流中提取出离散的帧

不同传输方式下的帧同步：

• 同步传输（Sync，连续bit流）bit流的起始和终止,没有帧传输时也存在bit流；一次传一个数据块（连续一串字符）；收发双方同步；信道良好，高速传输
• 异步传输（Async，异步字节序列）一次只传输一个字符（8位），字符之间有不确定延时；收发双方不要求同步；使用信道质量较差
• 数据块传输方式（Block）若干字节构成一个连续的数据块，数据块前有若干先导bits

帧同步常用方法：

1. 字节计数法
2. 字符填充首尾定界法（面向字符）
3. 位填充首位定界法（面向位）
4. 物理层编码违例法
5. 校验和法

[1]字节计数法

发方在每个帧头部中的第一个字段，标识该帧的长度，总共有多少字符数。
特点

• 优点：简单
• 缺点：一旦出错，无法再同步；一旦帧首标记符出错，无法正确检测后续所有帧；很少被使用

[2]字符填充首尾定界法

定界字符F=01111110；转义符（Esc）
发送-在所有通信控制字符（特殊字符）前增加转义符【包含转义符】
接收-（1）前面没有转移符的控制字符以控制符解释（2）前面有转义符的控制字符作为数据字符解释

[3]位填充首尾定界法

定界标志F（Flag）= ‘01111110’
位填充：实际传输数据中出现连续5个1直接插入0，然后接收方去掉0（便于用硬件移位实现）

[4]块传输与物理层违例编码定界法

块传输（数据块传输）：（1）块长度可变（2）块间间隔可变
——看作是增强型的异步传输，速率高，应用有计算机网络电缆连接，以太网信号。
块传输每个块即为一个帧：前同步码（Preamble）+后同步码(Postmable)
违例编码法：利用信息bit流特性，用非正常码型进行位置界定（有NRZ、曼彻斯特、HDB3、以太网、SDH）

[5]校验和法

（PS：此处笔者仍然没有搞清楚校验和具体细节，故暂且将其归纳为两种不同的校验和方法，如有错误，欢迎指正）
块传输的校验和法：应用于帧长度固定、帧与帧首尾相接的传输中
ATM（帧长53字节-信元）两种校验和帧定位方法
①

整个帧进行校验和Checksum：B[4] = B[0] +…+B[52] 帧同步技术（1）粗同步-校验一个信元（2）精同步-连续校验N个块

②

头部进行校验和，使用 循环冗余校验：B[4] ? B[0]+…+B[3]

优点：（1）无定界符开销（2）可靠性高
缺点：（1）有附加条件-固定信元（2）环境要求高-足够的寄存器、计算速度高

三、链路层的差错产生及类型

（一）产错产生的原因

1、衰减-信号随传播距离的增长，能量的消耗信号强度减弱到一定成都导致对方误判

2、失真-畸变，信号在传输过程中与原有信号相比发生的偏差
（1） 衰减失真-不同频率分量衰减不同在合成之后改变波形
（2） 时延失真-信号传播速度因频率不同，某个码元频率成分溢出到下一个码元，码元之间串扰而失真
3、噪声
（1） 白/热噪声
（2） 互/交调噪声——共享信道
（3） 串扰——相邻线路耦合
（4） 冲激噪声——开关电流冲激

（二）误码类型及影响

1、误码类型

误码率 = 传输的误码/总码数

（1）随机错-1位
（2）突发错-多位“连续”错（连续指错误位置距离较近）
PS：随机错更容易被发现
2、误码的影响
（1） 帧体错-内容错
（2） 帧界定错-帧数据不可信，可能连锁反应，信道失序——收发无法同步
（3）不会出现“插值”、复制、乱序错误

四、检错码和纠错码

（一）海明距离与误码检测

海明距离-两个码字中不同的位的个数
🔺通过增加冗余位（增加开销）来拉开海明距离
（1） 检验d比特错，需要距离为d+1的编码
（2） 纠正d比特错，需要距离为2d+1的编码
给定码长m，纠正1位错需要增加r位纠错码
🔺满足

（m+r+1）≤2 ^r

（二）纠错码（前向纠错）

1、海明码（汉明码）

海明纠错码的位置：1，2，4，8……
（1） 计算纠错码，每一位的位置换算成2的幂次的和：x=2ⁱ+2^j+……
凡是和里面包含2^k的位共同参与2^k的偶检验计算，然后决定海明纠错码的数值
（2） 接收方反过来计算校验位，错误的检测码的位置之和就是错误位
发送方纠错码的计算

接收方对纠错码进行校验

（三）检错码

1、奇偶校验

偶校验（even-parity）：
①除校验位以外的其余位=1的个数为偶数——校验位=0
②除校验位以外的其余位=1的个数为奇数——校验位=1
奇校验（odd-parity）：
①除校验位以外的其余位=1的个数为偶数——校验位=1
②除校验位以外的其余位=1的个数为奇数——校验位=0
PS:只能检测出奇数个误码，漏检率高
🔺纵横式冗余校验-海明距离为3
（黄色为原始数据，红色为校验位）

2、循环冗余校验（CRC校验）

步骤：假定有r位的数据位，CRC生成多项式位数为d
（1）在数据位后面添加d-1个0，构成r+d-1位作为被除数
（2）利用模2除法，除以d位生成多项式
（3）除到余数剩下d-1位为冗余校验码，以此校验码跟随在r位数据后面作为CRC校验码
（4）接收方将完整数据除以同一个CRC生成多项式：若余数为0，则数据位没有出错；反之，数据位出错

生成多项式的表示

常用生成式：CRC-12、CRC-16、CRC-CCITT——均含有x+1的因子
🔺校验能力
a. 所有的单位错
b. 所有的两位错
c. 所有奇数个位错
d. 所有突发长度小于等于r（r是校验和长度）
e. 突发错长大于r，有漏检率

①突发长度=r+1 漏检率=1/2 ^r-1 ②突发长度>r+1 漏检率=1/2^r

特定：适合用硬件实现——得益于移位寄存器，方便进行模2除法

3、校验和

PS：区别帧定位中的校验和，此处校验和用于检错

步骤：
（1）以16位（2个字节）作为一个单元，依次累加
（2）将得到的累加值和进位值再相加得到一个16位的累加和
（3）将累加和取反作为校验码跟随在发送码串的末尾
（4）接收方校验时将所有位累加：若结果=0，则数据未出错；反之，则数据出错
🔺若码串长度为奇数，则在末尾添加一个全0字节进行累加，最后得到的结果需要交换两个字节，作为最终的校验和

检错能力：CRC16相当，但适合用于软件实现

参考资料

中国大学MOOC电子科技大学计算机通信网络
计算机网络（第五版） 清华大学出版社 严伟、潘爱民 译