计算机网络 - 错误检测与纠正

有很多原因，例如噪音、串扰等，都可能导致数据在传输过程中损坏。上层基于某种通用的网络架构视图工作，并不了解实际的硬件数据处理。因此，上层期望系统之间实现无错误传输。如果收到错误数据，大多数应用程序将无法正常运行。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，它们仍可能正常运行。

数据链路层使用某种错误控制机制来确保帧(数据比特流)以一定的准确度传输。但要了解如何控制错误，必须知道可能发生哪些类型的错误。

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，以确认另一端收到的位与发送的位相同。如果接收端的计数器检查失败，则认为这些位已损坏。

将与原始位一起发送一个额外的位，以使 1 的数量在偶校验的情况下为偶数，在奇校验的情况下为奇数。

发送方在创建帧时会计算其中 1 的数量。例如，如果使用偶校验并且 1 的数量为偶数，则添加一个值为 0 的位。这样 1 的数量就保持为偶数。如果 1 的数量为奇数，则添加一个值为 1 的位以使其为偶数。

接收方只需计算帧中的 1 的数量。如果 1 的数量为偶数，并且使用偶校验，则认为该帧未损坏并被接受。如果 1 的数量为奇数，并且使用奇校验，则该帧仍然未损坏。

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。但是当多个位错误时，接收器很难检测到错误。

CRC 是一种不同的方法来检测接收的帧是否包含有效数据。该技术涉及对正在发送的数据位进行二进制除法。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。发送方将数据位作为码字传输。

在另一端，接收器使用相同的 CRC 除数对码字执行除法运算。如果余数全为零，则数据位被接受，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，错误校正可以通过两种方式完成:

第一个，向后错误校正，很简单，只能在重传成本不高的地方有效使用。例如，光纤。但在无线传输的情况下，重传可能成本太高。在后一种情况下，使用前向纠错。

要纠正数据帧中的错误，接收器必须确切知道帧中的哪个位已损坏。要找到错误位，冗余位用作错误检测的奇偶校验位。例如，我们采用 ASCII 字(7 位数据)，那么我们可能需要 8 种信息:前七位告诉我们哪个位是错误的，还有一位告诉我们没有错误。

对于 m 个数据位，使用 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 位本身可能会损坏。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。