计算机网络 - 错误检测与纠正

简述

有很多原因，例如噪声、串扰等，这可能有助于数据在传输过程中被破坏。上层工作在网络架构的一些广义视图上，不知道实际的硬件数据处理。因此，上层期望系统之间的无差错传输。如果大多数应用程序接收到错误数据，它们将无法正常运行。语音和视频等应用程序可能不会受到太大影响，即使出现一些错误，它们仍可能运行良好。

数据链路层使用一些错误控制机制来确保帧（数据比特流）以一定的精度传输。但要了解如何控制错误，必须了解可能发生的错误类型。

可能存在三种类型的错误：

错误控制机制可能涉及两种可能的方式：

通过奇偶校验和循环冗余校验 (CRC) 检测接收帧中的错误。在这两种情况下，都会与实际数据一起发送一些额外的位，以确认在另一端接收到的位与发送的位相同。如果接收器端的反检查失败，则认为这些位已损坏。

一个额外的位与原始位一起发送，以使 1 在偶校验的情况下为偶数，或在奇校验的情况下为奇数。

发送者在创建帧时计算其中 1 的数量。例如，如果使用偶校验且 1 的数量为偶数，则添加值为 0 的一位。这样 1 的数量保持偶数。如果 1 的数量是奇数，则添加一个值为 1 的偶数位。

接收器只是简单地计算一帧中 1 的数量。如果 1 的计数是偶数并且使用了偶校验，则认为该帧没有损坏并被接受。如果 1 的计数是奇数并且使用奇校验，则该帧仍然没有损坏。

如果单个位在传输过程中翻转，接收器可以通过计算 1 的数量来检测它。但是当多于一位错误时，接收器很难检测到错误。

CRC 是一种检测接收到的帧是否包含有效数据的不同方法。该技术涉及对正在发送的数据位的二进制划分。除数是使用多项式生成的。发送方对正在发送的位执行除法运算并计算余数。在发送实际位之前，发送方将余数添加到实际位的末尾。实际数据位加上余数称为码字。发送方以码字的形式发送数据位。

在另一端，接收器使用相同的 CRC 除数对码字执行除法运算。如果余数包含全零，则接受数据位，否则认为在传输过程中发生了一些数据损坏。

在数字世界中，纠错可以通过两种方式完成：

第一个，后向纠错，很简单，只能在重传成本不高的情况下有效使用。例如，光纤。但是在无线传输的情况下，重传可能会花费太多。在后一种情况下，使用前向纠错。

为了纠正数据帧中的错误，接收器必须准确地知道帧中的哪个位被破坏。为了定位错误的位，冗余位被用作奇偶校验位进行错误检测。例如，我们取ASCII字（7位数据），那么我们需要8种信息：前7位告诉我们哪个位是错误，再多一点说明没有错误。

对于 m 个数据位，使用了 r 个冗余位。r 位可以提供 2r 种信息组合。在 m+r 位码字中，r 位本身可能被损坏。因此，使用的 r 位的数量必须告知 m+r 位位置加上无错误信息，即 m+r+1。