第二講數(shù)據(jù)通信基礎

1、數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎2第第2 2講講 數(shù)據(jù)通信基礎數(shù)據(jù)通信基礎2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型2.3 數(shù)據(jù)通信的基本方式2.4 數(shù)據(jù)編碼技術2.5 多路復用技術2.6 數(shù)據(jù)交換技術2.7 差錯檢驗和控制2.8 流量控制與ARQ（ Automatic repeat request） 2.9 高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（HDLC）數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎32.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念 2.1.1 數(shù)據(jù)、信息 信息是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認識;數(shù)據(jù)是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式;信號是數(shù)據(jù)的具體的物理表現(xiàn)。數(shù)據(jù)通

2、信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎42.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念雪六角形涼白色信息數(shù)據(jù)信號例子 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎52.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念 信息：人對雪花和馬的認識 數(shù)據(jù)：文字，二進制數(shù)，十進制數(shù) 信號：電壓，光，磁場強度數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎62.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念兩種不同類型的量：A.時間、溫度、電波、聲音B.字符，二進制數(shù)，電脈沖信號中沒有斷開或不連續(xù)的的地方；信號僅取一些有限數(shù)目的值；2.1.2 信號與信號傳輸 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎72.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念模擬： 波動性； 持續(xù)變化； 反映事物的本質； 在電信業(yè)已經被廣泛 使用超過100年；數(shù)字：

3、離散性； 躍變性； 設備性能先進， 較為便宜； 模擬與數(shù)字的特點數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎82.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念（a）模擬信號 （b）數(shù)字信號 1011100數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎92.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念電話模擬數(shù)據(jù)模擬信號（a）模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸調制/解調器數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號（b）數(shù)字數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸編碼解碼器（c）模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎102.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.3 基本概念和術語 數(shù)據(jù)傳輸速率 bps(bit per second) 用C表示。每秒傳輸二進制信息的位數(shù)，單位為位/秒，記

4、作bps或b/s。計算公式: C =1/Tlog2N (bps). T為一個數(shù)字信號持續(xù)的時間，單位為秒； N為一個碼元所取的離散值個數(shù)。 信號傳輸速率波特（Baud）用B表示。 計算公式: B=1/T (Baud) . 也稱為碼元速率兩者關系C=Blog2N N是調制電平數(shù)數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎11例1 例例1采用四相調制方式， 即N=4，且T=83310-6秒，則 C =1/Tlog2N= 1/(83310-6) log24=2400 (bps)B=1/T=1/(83310-6)=1200 (Baud) 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎122.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念信道帶寬（Ba

5、ndwidth ）(HZ)數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎13信道容量1)信道容量表示一個信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位：位/秒(bps)信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別是，前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限，而后者是實際的數(shù)據(jù)傳輸速率。像公路上的最大限速與汽車實際速度的關系一樣。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎14碼元速率極限值B與信道帶寬H的關系奈奎斯特(Nyquist)公式-無噪信道傳輸能力公式： 最大碼元速率 B=2H (Baud) 最大數(shù)據(jù)傳輸速率 C=2Hlog2N(bps) 式中，H為信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為Hz；N為一個碼元所取的離散值

6、個數(shù)。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎15例2例例2普通電話線路帶寬約3kHz，則 碼元速率極限值 B=2*H=2*3k=6kBaud ； 若碼元的離散值個數(shù)N=16，則 最大數(shù)據(jù)傳輸速率 C=2*3k*log216=24kbps。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎16香農公式香農公式-帶噪信道容量公式： 最大數(shù)據(jù)傳輸速率 C=Hlog2（1S/N）(bps)式中 S為信號功率N為噪聲功率S/N為信噪比通常把信噪比信噪比表示成10lg(S/N)分貝分貝(dB)。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎17例3 例例3已知信噪比為30dB，帶寬為3kHz，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。 10lg(S/N)

7、=30 S/N=1030/10=1000 C=3klog2(1+1000)30k bps 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎18 誤碼率-二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率。它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。在計算機網絡中，一般要求誤碼率低于10-6，若誤碼率達不到這個指標，可通過差錯控制方法檢錯和糾錯。誤碼率公式誤碼率公式：Pe=Ne/N 式中， Ne為其中出錯的位數(shù)； N 為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎19圖圖2-1 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎202.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構成噪聲 數(shù)據(jù)通信

8、系統(tǒng)模型 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎21圖圖2-2 通信系統(tǒng)實例通信系統(tǒng)實例數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎222.3.1 并行通信和串行通信1.并行通信方式 并行通信傳輸中有多個數(shù)據(jù)位，同時在兩個設備之間傳輸。發(fā)送設備將這些數(shù)據(jù)位通過對應的數(shù)據(jù)線傳送給接收設備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗位。接收設備可同時接收到這些數(shù)據(jù)，不需要做任何變換就可直接使用。并行方式主要用于近距離通信。計算機內的總線結構就是并行通信的例子。這種方法的優(yōu)點是傳輸速度快，處理簡單。 2.3 數(shù)據(jù)通信的基本方式 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎23圖圖2.3 并行數(shù)據(jù)傳輸并行數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎242

9、.3.1 并行通信和串行通信2.串行通信方式 串行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?，先由具有幾位總線的計算機內的發(fā)送設備，將幾位并行數(shù)據(jù)經并-串轉換硬件轉換成串行方式，再逐位經傳輸線到達接收站的設備中，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉換成并行方式，以供接收方使用。串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫炔⑿袀鬏斅枚?，但對于覆蓋面極其廣闊的公用電話系統(tǒng)來說具有更大的現(xiàn)實意義。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎25圖圖2.4 串行數(shù)據(jù)傳輸串行數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎262.3.2 數(shù)據(jù)通信的操作方式 串行數(shù)據(jù)通信的方向性結構有三種，即單工、半雙工和全雙工。 可以有以下三種基本方式：（

10、1）單向通信。又稱單工通信，即只能有一個方向的通信，而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。（2）雙向交替通信。又稱半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送（或同時接收），這種通信方式往往是一方發(fā)送另一方接收。（3）雙向同時通信。又稱全雙工通信，即通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息。2.3 數(shù)據(jù)通信的基本方式 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎272.3 數(shù)據(jù)通信的基本方式 2.3.2 數(shù)據(jù)通信的操作方式 發(fā)送機發(fā)送機發(fā)送機接收機發(fā)送機接收機接收機接收機接收機發(fā)送機數(shù)據(jù)應答數(shù)據(jù)應答數(shù)據(jù)應答數(shù)據(jù)應答（a）單工通信（b）半雙工通信（c）全雙工通信數(shù)據(jù)通信與

11、計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎282.3.3 2.3.3 串行串行通信中的同步控制通信中的同步控制 為了讓計算機的各部件間協(xié)調工作，必須靠時鐘對它們分別定時和定序。 在計算機網絡中，接收方和發(fā)送方的時序協(xié)調也要依靠時鐘定時，即發(fā)送方依靠時鐘來決定每一位的起始和終止，接收方也要依靠定時時鐘來確定對信號每一位的采樣取值位置和時間間隔。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎29（1 1）幀級同步（同步傳輸）幀級同步（同步傳輸）幀（Frame）是在鏈路連接的兩端每次所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，通常由多個字節(jié)組成，具體長度由鏈路上所使用協(xié)議規(guī)定。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎30 把數(shù)據(jù)分割成幀后，在傳輸過程中，就要能讓接收

12、端知道哪是一個幀的開始，哪是一個幀的結束，否則就會出現(xiàn)接收錯誤。這就是幀的同步問題。 通常的方法是在數(shù)據(jù)塊的兩端加上前文（Preamble）和后文（Postamble），表示幀的起始和結束。前文和后文的特性取決于所用的協(xié)議，并可以分為面向字符和面向位兩大類。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎31 （a）面向字符的同步傳輸 幀頭包含一個或多個同步字符SYN。SYN是一個控制字符，后面是控制和數(shù)據(jù)字節(jié)。接收端發(fā)現(xiàn)幀頭，便開始接收后面的數(shù)據(jù)塊，直至遇到另一個同步字符。 IBM的二進制同步規(guī)程（BSC或Bisync）是具有代表性的面向字符的同步傳輸規(guī)程。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎32（b）面向位的

13、同步傳輸目前應用最普遍的面向位的同步傳輸規(guī)程是ISO制定的高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議High-Level Data Link Control，HDLC）。它把數(shù)據(jù)塊看作數(shù)據(jù)流，并用序列“0111110”作為開始和結束的標志。圖圖2.5所示為同步傳輸?shù)膬煞N幀格式。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎33圖圖2. 5 同步傳輸?shù)膬煞N幀格式同步傳輸?shù)膬煞N幀格式問題：幀同步不能獨立使用，為什么？數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎34例3 比特填充技術例3：原數(shù)據(jù)模式如下： 111111111111011111101111110比特填充之后：1111101111101101111101011111010數(shù)據(jù)通信與計

14、算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎35（2 2）字符級同步）字符級同步( (異步傳輸異步傳輸) )字符級同步就是兩端每次以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，并在字符的兩端加上特殊記號，表示字符的開始和結束，以實現(xiàn)收發(fā)兩端同步。通常采用如圖圖2.6所示的方法：l不傳送時，信道一直處于高電平，表示停止(狀態(tài)“1”)；l用1位低電平（狀態(tài)“0”）表示起始位；l接著傳送1個字符；l最后用1位或1.5位或2位的高電平表示停止位。圖圖2. 6異步傳輸過程異步傳輸過程0/10/10/10/10/10/10/10/1起始位停止位空閑位第58個數(shù)據(jù)位第n個字符第n+1個字符數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎36數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基

15、礎37 簡單 便宜 2 or 3 bits 開銷每字符(20%)數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎38（3 3）位級同步）位級同步（a a）外同步法外同步法 外同步法在發(fā)送方和接收方之間提供單獨的時鐘線路，發(fā)送方在每個比特周期都向接收方發(fā)送一個同步脈沖。接收端根據(jù)這一串同步脈沖來調整自己的接收時序，把接收時鐘的重復頻率鎖定在同步頻率上，以便在接收數(shù)據(jù)的過程中始終與發(fā)送端同步。 這種方法在短距離傳輸中比較有效；長距離傳輸中，會因同步信號失真而失效。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎39（b b）自同步法自同步法 自同步法利用特殊編碼（如曼徹斯特編碼或微分曼徹斯特編碼）讓數(shù)據(jù)信號攜帶時鐘信號。數(shù)據(jù)通信

16、與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎402.4 數(shù)據(jù)編碼技術 不歸零編碼NRZ(Non-Return-Zero) 曼徹斯特編碼(Manchester Encoding) 差（微）分曼徹斯特編碼（Differential Manchester Encoding） 2.4.1 數(shù)字數(shù)據(jù)用數(shù)字信號表示 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎412.4 數(shù)據(jù)編碼技術 0 0 1 1 0 1 0 0（b）曼徹斯特編碼（c）微分曼徹斯特編碼（a）不歸零（NRZ）編碼高低高低高低數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎42數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎43數(shù)字信號編碼方式的評價 脈寬 頻帶 直流分量 自同步能力 檢錯能力 編碼效率

17、數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎442.4 數(shù)據(jù)編碼技術 2.4.2 數(shù)字數(shù)據(jù)用模擬信號表示 載波信號：Asin(2nft+)AM:幅移鍵控（Amplitude Shift Keying-ASK）即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于無載波輸出，而1對應于有載波輸出。FM:頻移鍵控（Frequency Shift Keying-FSK）即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于頻率f1，而1對應于頻率f2。PM:相移鍵控（Phase Shift Keying-PSK ）即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于相位0度，而1對應于180度。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信

18、基礎452.4 數(shù)據(jù)編碼技術 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎46數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎472.4 數(shù)據(jù)編碼技術 2.4.3模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號表示 0.20.40.60.81.01.21.41.6D7=0.130.1D6=0.920.9D5=1.521.5D4=1.081.1D3=0.560.6D2=0.280.3D1=0.270.312Bt(a) 取樣并取整脈沖編碼調制（PCM ）數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎48有關參數(shù)及解釋 抽樣頻率 抽樣定理 量化等級 量化噪聲 編碼長度 數(shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎492.5 多路復用技術 復用數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎

19、502.5 多路復用技術 多路復用技術:用一條高速線路傳送多條低速線路的數(shù)據(jù)分類： 頻分多路復用（FDM-Frequency Division Multiplexing） 時分多路復用（TDM-Time Division Multiplexing） 波分多路復用（WDM-Wavelength Division Multiplexing） 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎512.5 多路復用技術 頻分多路復用（FDM-Frequency Division Multiplexing）應用:無線電廣播,電視特點:信號被劃分成若干通道(頻道,波段),每個通道獨立進行數(shù)據(jù)傳遞數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信

20、基礎52FDM數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎53數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎54數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎552.5 多路復用技術 時分多路復用（TDM-Time Division Multiplexing） 特點：多條低速線路輪流使用同一條高速線路進行數(shù)據(jù)傳遞應用：電話主干線路數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎56TDM數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎57數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎582.5 多路復用技術 波分多路復用（WDM-Wavelength Division Multiplexing） 應用：光纜線路數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎59思考題 對同步時分復用的靜態(tài)時隙

21、分配提出一個改進的方案，以提高信道效率。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎602.6 交換技術 2.6.1 電路交換電路交換ABCD發(fā)送呼叫信號發(fā)送呼叫信號傳輸傳輸1.交換交換2.發(fā)送發(fā)送 呼叫信呼叫信號號傳輸傳輸1.交換交換2.發(fā)送發(fā)送 呼叫信呼叫信號號傳輸傳輸1.作出反應作出反應 2.發(fā)送回應發(fā)送回應 信號信號數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎61通過公用電路交換網的連接數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎62數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎632.6 交換技術 2.6.1 電路交換電路交換特點特點:1.有通話的建立過程有通話的建立過程2.通話建立以后源與目的通話建立以后源與目的間有一條專用的通

22、路存在間有一條專用的通路存在數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎642.6 交換技術 2.6.2 報文交換報文交換ADCB發(fā)送報文發(fā)送報文傳輸傳輸?shù)却却?發(fā)送發(fā)送傳輸傳輸?shù)却却?發(fā)送發(fā)送傳輸傳輸數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎652.6 交換技術 傳輸延遲傳輸延遲2.6.2 報文交換報文交換A B C D特點特點:1.無呼叫建立無呼叫建立 和專用通路和專用通路 2.存儲存儲-轉發(fā)轉發(fā) 式的發(fā)送技術式的發(fā)送技術數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎662.6 交換技術 2.6.3 分組交換分組交換數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎672.6 交換技術 2.6.3 分組交換分組交換特點特點:1.無呼叫建立

23、和專用通路無呼叫建立和專用通路 2.存儲存儲-轉發(fā)轉發(fā)式的發(fā)送技術式的發(fā)送技術 3.將數(shù)據(jù)分成有大小限制將數(shù)據(jù)分成有大小限制 的的分組分組后發(fā)送后發(fā)送數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎68分組大小對傳輸時間的影響數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎69電路交換及分組交換數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎702.6 交換技術 三種交換技術對比三種交換技術對比:A.存在呼叫建立；專有線路上不傳送數(shù)據(jù)時浪費資源B.沒有呼叫建立；只有發(fā)送數(shù)據(jù)時才占用線路C.除了B的特點外，在接收分組時可以發(fā)送下一個分組對線路的利用率數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎712.6 交換技術 三種交換技術對比三種交換技術對比:A:固

24、定的傳輸速率、會有呼叫阻塞B,C:能進行速率轉換、雖會降速但不會阻塞 可以使用優(yōu)先級A:實時性強B,C:存在時延和額外開銷數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎72思考題 請思考如何才能將電路交換與分組交換的優(yōu)點結合起來形成新的交換技術？ 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎732.7 差錯檢驗和控制差錯檢驗和控制2.7.1 差錯類型單比特差錯； 一個比特改變 不影響鄰近比特 白噪聲突發(fā)差錯長度為B的突發(fā)性差錯指連續(xù)的B比特序列中第一個和最后一個比特，以及任意多個中間比特接收都不正確。 沖激噪聲 數(shù)據(jù)率越高影響越大數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎74例 2.7 - 1 設發(fā)生了1s的沖激噪聲事件。當數(shù)據(jù)

25、率為10Mbps時，導致的突發(fā)差錯為10bit。當數(shù)據(jù)率為100Mbps時，就會出現(xiàn)100比特的突發(fā)差錯。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎752.7.2差錯檢測 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎762.7 差錯檢驗和控制差錯檢驗和控制2.7.2奇偶校驗字符ASCII水平奇校驗H1 0 0 1 0 0 01a1 1 0 0 0 0 10m1 1 0 1 1 0 10g1 1 0 0 1 1 10n1 1 0 1 1 1 00c1 1 0 0 0 1 11o1 1 0 1 1 1 10垂直奇校驗 0 1 1 1 1 1 01數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎772.7 差錯檢驗和控制差錯檢驗和控制2

26、.7.3 循環(huán)冗余校驗碼循環(huán)冗余校驗碼(Cyclic Redundancy Check，CRC )前提:發(fā)送方和接受方必須事先商定一個二進制數(shù)G(x) (生成多項式) 發(fā)送端:計算校驗和,將校驗和加在數(shù)據(jù)末尾,使這個帶校驗和的數(shù)據(jù)能被G(x)除盡.接收端:收到帶校驗和的數(shù)據(jù)后,用G(x)去除它,如果有余數(shù),則傳輸出錯實現(xiàn):用簡單的硬件(移位寄存器電路)即可數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎78模二運算示例：模二加減法 模2運算是指以按位模2加減為基礎的四則運算，運算時不考慮進位和借位。模2加減的規(guī)則為：兩數(shù)相同為0，兩數(shù)相異為1。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎79模二運算示例：模二除法數(shù)據(jù)通信

27、與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎80循環(huán)冗余碼校驗（循環(huán)冗余碼校驗（CRCCRC）編碼過程）編碼過程 循環(huán)碼通過某種數(shù)學運算實現(xiàn)有效信息與校驗位之間的循環(huán)校驗。編碼步驟如下： Cn-1+kCn-2+kCi+kC2+kC1+kCk0000 將待編碼的將待編碼的n位信息碼組位信息碼組Cn-1Cn-2CiC2C1C0表表達為一個達為一個n-1階的多項式階的多項式M(x)M(x)=Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+Cixi+C1x1+C0 x0 將信息碼組左移將信息碼組左移k位，形成位，形成M(x)xk，即，即n+k位的位的信息碼組信息碼組數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎81 生成多項式生成多項式G(x)是

28、預先選定的。是預先選定的。 用用k+1位的信息碼組生成多項式位的信息碼組生成多項式G(x)對對M(x)xk作模作模2除運算，得到一個商除運算，得到一個商Q(x)和一個余數(shù)和一個余數(shù)R(x)。顯然有：。顯然有：M(x)xk=Q(x)G(x)+R(x) 將左移將左移k位的待編碼有效信息與余數(shù)位的待編碼有效信息與余數(shù)R(x)作模作模2加，即形成循環(huán)冗余校驗碼。加，即形成循環(huán)冗余校驗碼。 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎82例例2.7 - 2 對對4位有效信息位有效信息1100作循環(huán)冗余校驗碼，選擇生成多項式作循環(huán)冗余校驗碼，選擇生成多項式G(x)為為1011(k=3)。 M(x)=x M(x)=x3

29、 3+x+x2 2=1100=1100 M(x)x M(x)x3 3=x=x6 6+x+x5 5=1100000 (k=3=1100000 (k=3，即加了，即加了3 3個個0)0) 模模2 2除，除，M(x)xM(x)xk k/G(x)=1100000/1011=1110+010/1011/G(x)=1100000/1011=1110+010/1011，即，即R(x)=010R(x)=010 模模2 2加，得到循環(huán)冗余校驗碼加，得到循環(huán)冗余校驗碼M(x)xM(x)x3 3=Q(x)G(x)+R(x)=1100000+010=1100010=Q(x)G(x)+R(x)=1100000+010=

30、1100010數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎83由于M(x)xk=Q(x)G(x)+R(x)，根據(jù)模2加的規(guī)則M(x)xk+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)=Q(x)G(x)所以使用了循環(huán)冗余校驗碼的合法的幀應當能被生成多項式整除，如果幀不能被生成多項式整除，就說明出現(xiàn)了信息差錯。CRC的檢錯原理數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎84CRC的性能分析對長度等于k+1的的突發(fā)差錯，無法檢測到的概率是1/2k-1檢測所有的雙比特錯，只要G(x)至少具有一個三項因式檢測所有的奇數(shù)個比特錯，只要G(x)含有因式（X+1）檢測所有的長度小與等于k的突發(fā)錯誤檢測所有的單比特錯，只要G(x)含

31、有一個以上的非零項對長度大于k+1的的突發(fā)差錯，無法檢測到的概率是1/2k數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎85有4種多項式已經成為標準，具有極高的檢錯率，即:CRC-12=xCRC-12=x12 12 + x+ x11 11 + x+ x3 3 + x+ x2 2 + x + 1+ x + 1CRC-16=xCRC-16=x16 16 + x+ x15 15 + x+ x2 2 + 1+ 1CRC-ITU-T=xCRC-ITU-T=x16 16 + x+ x12 12 + x+ x5 5 + 1+ 1 CRC-32=xCRC-32=x3232 + x + x2626 + x + x2323 +

32、 + x2222 + x x1616 + x + x1212 + x + x1111 + x + x1010 + x + x8 8 + x + x7 7 + x + x5 5 + x + x4 4 + x + x2 2 + x + 1 + x + 1數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎862.7 差錯檢驗和控制差錯檢驗和控制數(shù)據(jù)=1101011011G(x) (生成多項式)=10011循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼(CRC)例子：例子：傳輸碼元=數(shù)據(jù)（移位后）+余數(shù) 11010110111110數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎87練習：（a）在CRC差錯檢測機制中，選擇G（X）= X4 + X + 1。請為

33、比特序列10010011011編碼。 （b）若因信道帶來的差錯模式為100010000000000（即分別在位置1和5出錯）。那么接收的到的比特序列是什么？這個差錯能被檢測出來嗎？ （c）若差錯模式為100110000000000，重復前一個問題。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎88功能：確保發(fā)送實體以不超過接收實體緩沖及處理的能力來發(fā)送數(shù)據(jù) 防止接收方緩沖溢出 傳輸時間 發(fā)送器發(fā)送出所有比特到介質上所用的時間 傳播時間（時延） 一個比特在鏈路上從發(fā)送端傳播至接收端所用的時間2.8 流量控制與流量控制與ARQ（ Automatic repeat request）2.8.1 流量控制 數(shù)據(jù)通信與

34、計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎892.8.1 例題例題1 設光纖鏈路數(shù)據(jù)率為1Gbps，幀長為8000bit，鏈路長度為200m。則傳輸時間為8s，傳播延時為1s。 設兩個基站間有一條1Mbps的鏈路通過衛(wèi)星中繼進行通信。人造地球同步衛(wèi)星的高度約為36000km ，幀長為8000bit，則傳輸時間為8ms，傳播延時為（2 36000 000）/（3 106）= 240ms。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎902.8.1 幀傳輸模型數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎912.8.1 停止等待流量控制 源發(fā)送幀 目接收幀并返回應答 源在發(fā)送下一幀前等待確認（ACK ） 目可以通過不發(fā)送ACK中止數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)通信

35、與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎92 鏈路的比特長度B = R d/V B = 以比特為單位的鏈路長度。指的是當比特流完全占滿整個鏈路時，鏈路上的比特數(shù)量。 R = 鏈路的數(shù)據(jù)率，以bps為單位。 d = 鏈路的長度或者距離，以米為單位。 V = 傳播速率，以m/s為單位。 傳輸時間取歸一化值1，傳播時延用變量表示，可將表示為： = B/L L是一個幀中的比特數(shù)量2.8.1 停止等待鏈路狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎932.8.1 停止等待鏈路狀態(tài)及性能數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎942.8.1 例題例題2 條件同例題1。光纖鏈路的比特長度B = （109 200）/（2 108） =

36、 1000。 = 1000/8000 = 0.125 衛(wèi)星鏈路的比特長度 B = （106 2 36000 000）/（3 108） = 240 000。 = 240 000/8000 = 30數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎952.8.1 滑動窗口流量控制原理 允許連續(xù)發(fā)送多個幀 接收方維持W個緩沖區(qū) 未接收應答情況下發(fā)送器可以連續(xù)發(fā)送W個幀 每個幀有一個序號 ACK包括期望接收的下一幀的序號 序號大小受到編號字段長度k的限制 幀以模2k編號數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎962.8.1 滑動窗口視圖數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎972.8.1 滑動窗口示例數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎

37、982.8.1 滑窗機制補充說明 接收方可以通過特殊的應答幀（RNR， Receive Not Ready）禁止發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送 。 接收方通過發(fā)送一個正常的應答幀來恢復數(shù)據(jù)發(fā)送。 如果是雙工通信，可以使用“捎帶”確認技術以提高效率 如果無數(shù)據(jù)發(fā)送，則使用應答幀； 若反向傳輸數(shù)據(jù)但無應答發(fā)送，則再次發(fā)送最后一次發(fā)送的應答序號?；蛘叽嬖?ACK有效標志 (TCP)數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎992.8.2 ARQ（ Automatic repeat request ） 自動重傳請求（所有差錯控制技術的基礎） 差錯檢測 肯定應答(ACK) 超時重傳 否定應答及重傳(NAK) 常用的ARQ協(xié)議 停

38、止等待 后退N幀 選擇性拒絕（選擇性重傳）數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1002.8.2 停等協(xié)議 源傳輸單個幀 等待確認幀ACK 若接收方收到受損傷的幀，丟棄 發(fā)送方超時 發(fā)送方若超時前未收到ACK，重傳 若ACK受損傷 發(fā)送方重傳 接收方收到兩個相同的幀副本 使用ACK0 和ACK1數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎101停等協(xié)議示意圖數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎102 簡單 低效數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1032.8.2 后退N幀協(xié)議 (1) 基于滑窗機制 若無差錯發(fā)生，確認幀ACK通常攜帶期望接收的下一幀的序列號 使用窗口控制所能發(fā)送及接收的幀序列號 若發(fā)生錯誤，發(fā)送拒絕幀。

39、 丟棄出錯幀及其后續(xù)幀，直到正確接收到出錯幀。 發(fā)送方后退重傳出錯幀及其所有后續(xù)幀。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1042.8.2 后退N幀-受損幀 接收方檢測到序列號為i的幀出錯 接收方發(fā)送拒絕幀拒絕i號幀（ rejection-i） 發(fā)送方收到拒絕幀（ rejection-i） 發(fā)送方重傳i號幀及所有后續(xù)幀數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1052.8.2 后退N幀-丟失幀(1) 幀 i 丟失 發(fā)送方發(fā)送幀i+1 接收方收到失序的幀 i+1 接收方發(fā)送拒絕幀（ rejection-i） 發(fā)送方后退至幀 i 重傳數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1062.8.2 后退N幀-丟失幀(2) 幀 i

40、 丟失且無后續(xù)幀被發(fā)送 接收方未收到幀 ，既不返回確認也不返回拒絕幀 發(fā)送方超時并發(fā)送P比特位置1的確認幀 接收方解釋此命令，發(fā)送一個攜帶期望的下一幀 編號i的確認幀 。 發(fā)送方重傳 i 號幀數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1072.8.2 后退N幀-受損傷的確認幀 接收方收到幀 i 并發(fā)送確認幀(i+1) ，確認幀丟失。 由于確認累積，下一個確認幀 (i+n) 也許在發(fā)送方的第i幀定時器超時前到達 若發(fā)送方超時，則發(fā)送P比特位置1的確認幀 若此過程重復多次則重新進行鏈路初始化數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1082.8.2 后退N幀-受損傷的拒絕幀 如丟失幀(2)數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信

41、基礎1092.8.2 后退N幀- 圖示數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1102.8.2 選擇性拒絕 也稱為選擇性重傳 只有拒絕幀被重傳 被拒絕幀的后續(xù)幀由接收方緩沖 最少的重傳幀 接收方必須維持足夠大的緩沖區(qū) 需要更復雜的邏輯以發(fā)送及重排失序幀數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1112.8.2 選擇性拒絕- 圖示數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎112思考題 將很長的數(shù)據(jù)分解成多個幀的原因是什么？ 信道的數(shù)據(jù)率為4kbps，且傳播時延為20ms。要使停等機制達到至少50%的有效性，那么幀長度的范圍是多少？ 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1132.9 高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（H

42、DLC） 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議標準，可分為兩類，面向字符的與面向比特的鏈路控制協(xié)議。典型的面向比特的鏈路控制協(xié)議為HDLC協(xié)議。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1142.9.1 HDLC站類型站類型 主站：負責控制鏈路操作。發(fā)的幀稱為命令幀;從站：在主站控制下操作,由從站發(fā)出的幀稱為響應幀。組合站：既是主站又是從站。數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1152.9.2 HDLC鏈路配置鏈路配置 HDLC可適用于鏈路的兩種基本配置，即非平衡配置與平衡配置。 非平衡配置有兩種數(shù)據(jù)傳送方式： 一個主站及一個或多個從站 支持全雙工以及半雙工 平衡配置 兩個組合站 支持全雙工以及半雙工數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信

43、基礎116HDLC中常有的操作方式有以下三種： 正常響應方式NRM(Normal Responses Model) 非平衡配置 主站初始化傳輸操作 從站只有收到主站某個命令幀后，才能作出響應向 主站傳輸信息 響應信息可以由一個或多個幀組成，若信息由多個 幀組成，則應指出哪一個是最后一幀 。 適用于面向終端的點點或一點與多點的鏈路。 主站負責整個鏈路控制。2.9.3 HDLC傳輸模式（傳輸模式（1）數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎117異步平衡方式ABM(Asynchronous Balanced Mode)。平衡配置任何站點都能啟動傳輸操作應用最廣泛2.9.3 HDLC傳輸模式（傳輸模式（2）

44、數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎118 異步響應方式ARM (Asynchronous Responses Mode)非平衡配置未經主站允許時，從站可以啟動傳輸過程極少使用 2.9.3 HDLC傳輸模式（傳輸模式（3）數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1192.9.4 HDLC的幀結構的幀結構 同步傳輸；在HDLC中，數(shù)據(jù)和控制報文均以幀的標準格式傳送。HDLC中命令和響應以統(tǒng)一的格式按幀傳輸。完整的HDLC幀由標志字段(F)、地址字段(A)、控制字段(C)、信息字段(I)、幀校驗序列字段(FCS)等組成，其格式如下：數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎1202.9.4 HDLC的幀結構的幀結構 數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎121標志字段 在幀兩端用以定界幀。 01111110 可以兼做一幀的結束以及下一幀的開始 接收方搜索標志序列以同步 比特填充技術數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎122比特填充 可能的出錯數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎123地址字段 標識從站 一般長度為8bit（根據(jù)約定可擴展） 全1 (11111111)為廣播地址 點到點鏈路中不需要數(shù)據(jù)通信與計算機網絡數(shù)據(jù)通信基礎124控