2019年计算机网络知识.doc

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1、计算机网络知识计算机网络知识2010年07月17日星期六23：292.5差错控制方法2.5.1差错的产生原因及其控制方法差错控制在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。信号在物理信道中传输时，线路本身电器特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电器信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素(如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等)都会造成信号的失真。在数据通信中，将会使接受端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由0变成1或由1变成0的差错。1.热噪声和冲击噪声传输中的

2、差错都是由噪声引起的。噪声有两大类，一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。热噪声引起的差错称为随机差错所引起的某位码元的差错是孤立的，与前后码元没有关系。它导致的随机错通常较少。冲击噪声呈突发状，由其引起的差错称为突发错。冲击噪声幅度可能相当大，无法靠提高幅度来避免冲击噪声造成的差错，它是传输中产生差错的主要原因。冲击噪声虽然持续时间较短，但在一定的数据速率条件下，仍然会影响到一串码元。2.差错的控制方法最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码

3、过程。接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为检验过程。差错控制编码可分为检错码和纠错码。检错码-能自动发现差错的编码；纠错码-不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。差错控制方法分两类，一类是自动请求重发ARQ，另一类是前向纠错FEC。在ARQ方式中，当接收端发现差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确的码字为止。ARQ方式只使用检错码。在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。FEC方式必须使用纠错码。3.编码效率衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R，它是码字中信息位所占的比例

4、。编码效率越高，即R越大，信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。编码效率计算公式为：R=k/n=k/(k+r)式中k为码字中的信息位位数r为编码时外加冗余位位数n为编码后的码字长度2.5.2奇偶校验码奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中1的个数为奇数或偶数的编码方法，它是一种检错码。1.垂直奇偶校验的特点及编码规则发送顺序I11 I12.I1q信息位I21 I22.I2q Ip1 Ip2.Ipq r1r2.rq冗余位1)编码规则：偶校验：ri=I1i+I2i+.+Ipi(i=1,2,.,q)奇校验：ri=I1i+I2i+.+Ipi+1(i=1,2,.,q)式中p为码字的定长位数q为码字

5、的个数垂直奇偶校验的编码效率为R=p/(p+1)。2)特点：垂直奇偶校验又称纵向奇偶校验，它能检测出每列中所有奇数个错，但检测不出偶数个的错。因而对差错的漏检率接近1/2。位数字0 12 34 56 78 9C10 10 10 10 10 1C20 01 10 01 10 0C30 00 01 11 10 0C40 00 00 00 01 1C51 11 11 11 11 1C61 11 11 11 11 1C70 00 00 00 00 0C00 11 01 00 11 01 00 10 11 00 12.水平奇偶校验的特点及编码规则1)编码规则：发送顺序I11 I12.I1qr1 r2.r

6、p I21 I22.I2q Ip1 Ip2.Ipq信息位冗余位偶校验：ri=Ii1+Ii2+.+Iiq(i=1,2,.,p)奇校验：ri=Ii1+Ii2+.+Iiq+1(i=1,2,.,p)式中p为码字的定长位数q为码字的个数水平奇偶校验的编码效率为R=q/(q+1)。2)特点：水平奇偶校验又称横向奇偶校验，它不但能检测出各段同一位上的奇数个错，而且还能检测出突发长度=p的所有突发错误。其漏检率要比垂直奇偶校验方法低，但实现水平奇偶校验时，一定要使用数据缓冲器。位数字0 12 34 56 78 9偶校验C10 10 10 10 10 11 C20 01 10 01 10 00 C30 00 0

7、1 11 10 00 C40 00 00 00 01 10 C51 11 11 11 11 11 C61 11 11 11 11 11 C70 00 00 00 00 00 3.水平垂直奇偶校验的特点及编码规则1)编码规则：发送顺序I11I12I1qr1,q+1 I21I22I2qr2,q+1 Ip1Ip2Ipqrp,q+1 rp+1,1rp+1,2rp+1,qrp+1,q+1若水平垂直都用偶校验，则ri,q+1=Ii1+Ii2+.+Iiq(i=1,2,.,p)rp+1,j=I1j+I2j+.+Ipj(j=1,2,.,q)rp+1,q+1=rp+1,1+rp+1,2+.+rp+1,q=r1,q

8、+1+r2,q+1+.+rp,q+1水平垂直奇偶校验的编码效率为R=pq/(p+1)(q+1)。2)特点：水平垂直奇偶校验又称纵横奇偶校验。它能检测出所有3位或3位以下的错误、奇数个错、大部分偶数个错以及突发长度=p+1的突发错。可使误码率降至原误码率的百分之一到万分之一。还可以用来纠正部分差错。有部分偶数个错不能测出。适用于中、低速传输系统和反馈重传系统。位数字0 12 34 56 78 9校验码字C10 10 10 10 10 11 C20 01 10 01 10 00 C30 00 01 11 10 00 C40 00 00 00 01 10 C51 11 11 11 11 11 C61

9、 11 11 11 11 11 C70 00 00 00 00 00 C80 11 01 00 11 01 2.5.3循环冗余码(CRC)1.CRC的工作方法在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，需重发。2.循环冗余码的产生与码字正确性检验例子。例1.已知：信息码：110011信息多项式：K(X)=X5+X4+X+1生成码：11001生成多项式：G(X)=X4+X3+1(r=4)求：循环冗余码和码字。解：1)(X5+X4+X+1)*X4的积是X9+X8+X5+X4对应的码是1100110000。2)积/G

10、(X)(按模二算法)。由计算结果知冗余码是1001，码字就是1100111001。1 00 00 1Q(X)G(x)1 10 01)1 10 01 10 00 0F(X)*Xr 11 00 1，1 00 00 11 00 11 00 1R(X)(冗余码)例2.已知：接收码字：1100111001多项式：T(X)=X9+X8+X5+X4+X3+1生成码：11001生成多项式：G(X)=X4+X3+1(r=4)求：码字的正确性。若正确，则指出冗余码和信息码。解：1)用字码除以生成码，余数为0，所以码字正确。1 00 00 1Q(X)G(x)1 10 01)1 10 01 11 00 1F(X)*X

11、r+R(x)1 10 01，1 10 01 11 00 10S(X)(余数)2)因r=4，所以冗余码是：11001，信息码是：110011 3.循环冗余码的工作原理循环冗余码CRC在发送端编码和接收端校验时，都可以利用事先约定的生成多项式G(X)来得到，K位要发送的信息位可对应于一个(k-1)次多项式K(X),r位冗余位则对应于一个(r-1)次多项式R(X)，由r位冗余位组成的n=k+r位码字则对应于一个(n-1)次多项式T(X)=Xr*K(X)+R(X)。4.循环冗余校验码的特点1)可检测出所有奇数位错；2)可检测出所有双比特的错；3)可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错。5.4种生成码

12、(P44)2.5.4海明码1.海明码的概念海明码是一种可以纠正一位差错的编码。它是利用在信息位为k位，增加r位冗余位，构成一个n=k+r位的码字，然后用r个监督关系式产生的r个校正因子来区分无错和在码字中的n个不同位置的一位错。它必需满足以下关系式：2r=n+1或2r=k+r+1海明码的编码效率为：R=k/(k+r)式中k为信息位位数r为增加冗余位位数2.海明码的生成与接收方法一：(按教科书)1)海明码的生成。例1.已知：信息码为：0010。海明码的监督关系式为：S2=a2+a4+a5+a6 S1=a1+a3+a5+a6 S0=a0+a3+a4+a6求：海明码码字。解：1)由监督关系式知冗余码

13、为a2a1a0。2)冗余码与信息码合成的海明码是：0010a2a1a0。设S2=S1=S0=0,由监督关系式得：a2=a4+a5+a6=1 a1=a3+a5+a6=0 a0=a3+a4+a6=1因此，海明码码字为：00101012)海明码的接收。例2.已知：海明码的监督关系式为：S2=a2+a4+a5+a6 S1=a1+a3+a5+a6 S0=a0+a3+a4+a6接收码字为：0011101(n=7)求：发送端的信息码。解：1)由海明码的监督关系式计算得S2S1S0=011。2)由监督关系式可构造出下面错码位置关系表：S2S1S 0000001010100011101110111错码位置无错a

14、0a1a2a3a4a5a6 3)由S2S1S0=011查表得知错码位置是a3。4)纠错-对码字的a3位取反得正确码字：0 01 01 015)把冗余码a2a1a0删除得发送端的信息码：0010方法二：(不用查表，方便编程)1)海明码的生成(顺序生成法)。例3.已知：信息码为：1 10 01 10 0(k=8)求：海明码码字。解：1)把冗余码A、B、C、，顺序插入信息码中，得海明码码字：A B1 C1 00 D11 00码位：1 23 45 67 89 10 11 12其中A,B,C,D分别插于2k位(k=0,1,2,3)。码位分别为1,2,4,8。2)冗余码A,B,C,D的线性码位是：(相当于

15、监督关系式)A-1,3,5,7,9,11；B-2,3,6,7,10,11；C-4,5,6,7,12；(注5=4+1；6=4+2；7=4+2+1；12=8+4)D-8,9,10,11,12。3)把线性码位的值的偶校验作为冗余码的值(设冗余码初值为0)：A=(0,1,1,0,1,0)=1 B=(0,1,0,0,1,0)=0 C=(0,1,0,0,0)=1 D=(0,1,1,0,0)=0 4)海明码为：1 01 11 00 01 10 02)海明码的接收。例4.已知：接收的码字为：1 00 11 00 01 10 0(k=8)求：发送端的信息码。解：1)设错误累加器(err)初值=0 2)求出冗余码

16、的偶校验和，并按码位累加到err中：A=(1,0,1,0,1,0)=1 err=err+20=1 B=(0,0,0,0,1,0)=1 err=err+21=3 C=(1,1,0,0,0)=0 err=err+0=3 D=(0,1,1,0,0)=0 err=err+0=3由err0可知接收码字有错，3)码字的错误位置就是错误累加器(err)的值3。4)纠错-对码字的第3位值取反得正确码字：1 01 11 00 01 10 05)把位于2k位的冗余码删除得信息码：1 10 01 10 0.1网络体系结构及OSI基本参考模型3.1.1协议及体系结构通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的计算机

17、系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。1.网络协议(Protocol)为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。网络协议的三个要素：1)语义(Semantics)。涉及用于协调与差错处理的控制信息。2)语法(Syntax)。涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。3)定时(Timing)。涉及速度匹配和排序等。2.网络的体系结构及其划分所遵循的原则计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个

18、复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后分而治之，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。分层就是系统分解的最好方法之一。在(图3.1)所示的一般分层结构中，n层是n-1层的用户，又是n+1层的服务提供者。n+1层虽然只直接使用了n层提供的服务，实际上它通过n层还间接地使用了n-1层以及以下所有各层的服务。图3.1层次模型层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。分层结构还有利于交流、理解和标准化。所谓网络的体系结构(Architecture)就是计算机网络各层次及其协议的集合。层次结构一般以垂直分层模型来表示(图3.2)。图3.2计算机网络的层次模型层次结构的要点：1)除了在物理

19、媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。2)对等层的虚通信必须遵循该层的协议。3)n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。层次结构划分的原则：1)每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。2)层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。3)层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。网络的体系结构的特点是：1)以功能作为划分层次的基础。2)第n层的实体在实现自身定义的

20、功能时，只能使用第n-1层提供的服务。3)第n层在向第n+1层提供的服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。4)仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。3.1.2 OSI基本参考模型1.开放系统互连(Open System Interconnection)基本参考模型是由国际标准化组织(ISO)制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型，又称ISOs OSI参考模型。开放这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。OSI包括了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。OSI的体系结构定义了一个七层模型，用以进行进程间的通信，并作为一

21、个框架来协调各层标准的制定；OSI的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语；OSI各层的协议规范，精确地定义了应当发送何种控制信息及何种过程来解释该控制信息。需要强调的是，OSI参考模型并非具体实现的描述，它只是一个为制定标准机而提供的概念性框架。在OSI中，只有各种协议是可以实现的，网络中的设备只有与OSI和有关协议相一致时才能互连。如图形3.3所示,OSI七层模型从下到上分别为物理层(Physical Layer,PH)、数据链路层(Data Link Layer,DL)、网络层(Network Layer,N)、运输层(Transport Layer,

22、T)、会话层(Session Layer,S)、表示层(Presentation Layer,P)和应用层(Application Layer,A)。图3.3 ISOs OSI参考模型从图中可见，整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理媒体连接构成。这里的端开放系统和中继开放系统，都是国际标准OSI7498中使用的术语。通俗地说，它们变相当于资源子网中的主机和通信子网中的节点机(IMP)。只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能，而在通信子网中的IMP一般只需要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以了。2.层次结构模型中数据的实际传送过程如图3.4所示。图中发送进程

23、送给接收进程和数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。在发送方从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，即图中和H7、H6、.、H1，统称为报头。到最底层成为由0或1组成和数据比特流，然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息。因接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息，而高层的控制信息对于它来说又只是透明的数据，所以它只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作。发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息通过

24、虚通信直接给了对方一样。图3.4数据的实际传递过程各层功能简要介绍：(1)物理层-定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、0、1信号的电平表示、收发双方的协调等内容。(2)数据链路层-比特流被组织成数据链路协议数据单元(通常称为帧)，并以其为单位进行传输，帧中包含地址、控制、数据及校验码等信息。数据链路层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高

25、速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。(3)网络层-数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。网络层关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。(4)运输层-是第一个端-端，也即主机-主机的层次。运输层提供的端到端的透明数据运输服务，使高层用户不必关心通信子网的存在，由此用统一的运输原语书写的高层软件便可运行于任何通信子网上。运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。(

26、5)会话层-是进程-进程的层次，其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信(也称为对话)。会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。在半双工情况下，会话层提供一种数据权标来控制某一方何时有权发送数据。会话层还提供在数据流中插入同步点的机制，使得数据传输因网络故障而中断后，可以不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。(6)表示层-为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换。为了让采用不同编码方法的计算机在通信中能相互理解数据的内容，可以采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式。表示层管理这些抽象的数据结构，并将计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能。(7)应用层是开放系统互连环境的最高层。不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。网络环境下不同主机间的文件传送访问和管理(FTAM)、传送标准电子邮件的文电处理系统(MHS)、使不同类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟终端(VT)协议等都属于应用层的范畴。特别声明：1：资料来源于互联网，版权归属原作者2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即删除。105103105822