计算机网络基础：数据通信技术之差错控制技术(一)

引言

大家好，我们知道由于用来传送信号的实际通信信道本身会存在着传输特性等方面的局限，再加上客观上有可能存在着外在环境干扰，数据通信系统中有可能存在传输差错，所以如何有效的检测收到的数据中是否存在的传输差错？万一出现了差错，又如何能够从中恢复出正确的数据？接下来三个本章节我要给大家介绍的差错控制技术。

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差错控制的基本原理

差错控制的基本原理

在这一章节中我首先会介绍差错控制的基本原理，包括什么是传输差错，差错控制的目的是什么，差错的分类以及差错产生的原因，差错控制的基本思想和方法。

那到底什么是传输差错？如果出现了通信接收端接收到的数据与发送方发出的数据不一致，我们就可以认定为传输差错。比如从物理层的角度来看，发送端发了0110，4个比特。接收端根据收到的信号电平值判断出收到的是0100，那么就是出现了一个比特的差错；对应的对于数据链路层来说会出现收到的帧和发送的帧不一致，也就是出现了错帧；同样对于网络层来说可能会出现分组差错。

在通信过程中出现差错的原因很多，单纯从传输的层面来看，可能是由于信道本身的传输特性不理想或者外部的干扰所导致。比如不同的传输媒介对应的频谱特性，如果信号的带宽超出了信道的频带宽度，或者对于数字信号的速率超出了信道的传输能力，那我们从图上就可以看到，明明发送的是矩形的信号，但接收到的信号却出现了变形失真，有可能造成码元的错误判决，从而引起传输差错。

特别对于无线信道的传输更加复杂，不仅容易受到外界电磁信号的干扰，还会由于电磁波信号在传播过程中可能会遇到散射、反射等现象会出现信号波形失真，从而引起传输差错。

虽然经过几十年的发展，传输质量已经大大提高，特别是我们前面讲过的光纤的大范围铺设，但是传输差错仍然是不可避免的，那我们在设计通讯系统的时候，仍然要考虑到对传输差错来进行控制，寻求有效的方法来发现，并且纠正差错，从而提高传输的质量。

所以差错控制主要涉及两个方面的问题：一如何检测出错误，二发现错误以后如何来进行纠正。

一般来说传输差错可以分为两类，一类是随机差错，另一类是突发差错。随机差错呈现形式是发生错误的位置是随机并且是独立的，随机差错一般是由传输信道内在的热噪声所引起的；而突发差错是指一串串甚至是成片出现的差错，引起突发差错的主要是脉冲噪声、常见的雷电或者开关等引起瞬态的电信号的变化。

那么我们如何来控制差错？我们先通过一个简单的例子来引出所采用的差错控制的思想。

假设在一个公司内部领导下发一个会议通知，内容是14点到16点开会，这里我们将从会议通知被发出后到员工收到通知前，这个过程看作是经过了一个传输信道，信道噪声导致通知传达到员工内，彼时变成了10点到16点开会，那显然会议的时间出现了错误，但对于所有的员工而言无法检测出差错，即使他们觉得这个会议的持续时间让人难以忍受。这种传输方式没有包含任何的差错控制措施，即使发生差错也检测不到，更不要提纠正差错了。那如果说领导下发通知的时候多写两个字，加一些在我们看来多余的信息变为下午14点到16点开会，情况会有什么改变？同样经过噪声信道出现了差错，变为下午10点到16点开会，那员工收到通知以后一眼就能识别出通知有问题，明显的有矛盾，可以肯定通知是有差错的。那至于说正确的通知到底是什么，确切的开会时间是下午哪个时间段，从这个出错的通知上显然无法辨别，也无法进行纠正。当然员工们可以通过向领导进一步核实来纠正差错，所以通过多加了看似冗余的下午两个字就可以达到差错检测的目的，但是并没有纠错的能力，那怎么才能既能检错又能够纠正错误，我们还需要多加一些冗余信息进去，比如将通知改为下午14点到16点开会两小时，明确指明会议时长，这样即使经过有噪声信道的传输，会议时间出错为10点到16点，那这时员工们不仅能够发现错误，还能根据会议时间两小时这样的一个冗余信息，将出错的通知纠正为14点到16点。

显然通过加入更多的冗余信息，不仅能够检测出错误，还能纠正错误。通过例子是要告诉大家，在通信系统中要想达到差错控制的目的，仅仅传送原始数据本身是远远不够的，因为我们要传输的数据码元之间是独立随机的，没有任何关联，单纯从接收到的数据序列中无法判断是否存在差错，就跟我们刚刚原始的会议通知14点到16点开会一样，起始时间、结束时间和开会这事情三者之间没有任何的联系，任何一个信息出错都无法从其他的信息中发现。

所以为了能够进行差错控制，还必须加入一些冗余信息，那在发送的数据码元序列中加入监督，并且进行某种变换，使它们和原来的相互独立的数据码元之间具有某种约束关系，这种约束关系是能够检测甚至纠正差错的，根本是所在。我们前面例子里面的加入“下午”这个冗余信息就能够检测到差错，那在加入“两小时后”就能够进行纠错。

其实“下午”和“两小时”就是所谓的监督，为它们和原始的通知之间构成了一定的约束关系，设计合理有效的约束关系正是操作控制技术的关键，当然大家也要注意，由于通过引入冗余信息来实现差错控制，这在一定程度上会降低信道的传输效率。

引入监督以后，接收端只需要检测接收到的数据码元和监督码元的约束关系，如果发现这种约束关系被破坏了，就说明接收端接收到的是出错的数据。如果冗余信息足够多的情况下，接收端还可以利用约束关系来进行差错的纠正，如果约束关系依旧存在，没有被破坏，就可以认为是没有差错。但是也请大家注意，任何一种差错控制方法，它的检错或纠错的能力都是有限的，往往会存在着差错未被检测出来的可能性。