-通信传输的有效性和可靠性课件

第六章 通信通信传输的有效性和可靠性的有效性和可靠性1.世界上没有100%可靠的信息传递通信通信传输的有效性和可靠性的有效性和可靠性 差差差差错错错错控制控制控制控制基本理基本理基本理基本理论论1流量控制基本理流量控制基本理流量控制基本理流量控制基本理论论2信道共享技信道共享技信道共享技信道共享技术术基本理基本理基本理基本理论论3蓝蓝牙通信牙通信牙通信牙通信传输传输的有效性和可靠性的有效性和可靠性的有效性和可靠性的有效性和可靠性4世界上没有100%可靠的信息传递为什么要进行差错控制l信道传输特性不理想，加性噪声加性噪声的影响；l在已知信噪比情况下需要达到一定的比特误码率率指标；l合理设计基带信号，选择调制解调方式，采用时域、频域均衡，使比特误码率尽可率尽可能降低能降低。但实际上，在许多通信系统中的比特误码率并不能满足实际的需求。世界上没有100%可靠的信息传递三种常用差错控制方式l检错重发(ARQ，Automatic Resend Query)l前向纠错(FEC，Forward Error Correction)l混合纠错(HEC，Hybrid Error Correction)世界上没有100%可靠的信息传递检错重发l检错重发是指在发送端经编码后发送能够发现错误的码，接收端收到后，检验若有错误，则通过反向信道反向信道把这一结结果反果反馈给馈给发发送端送端。然后，发送端把前面的信息重发一次，直到直到接收端认为已正确地收到信息为止。l检错检错重重发发系系统统有三种有三种，即停止停止-等待等待重发、返回返回重发和选择选择重发 世界上没有100%可靠的信息传递前向纠错和混合纠错l在前向纠错中，发送端经编码后发送能够纠正错误的码，接收端接收端收到这些码组经译码能自自动发现并并纠正正传输中的错误。前向纠错方式不需要反不需要反馈信道信道，特别适合于只能提供单向信道向信道的场合。由于它能自动纠错，因而延延时小，小，实时性好性好l混合纠错是前向纠错和检错重发方式的结合。在这种系统中发送端不但有纠错能力能力，而且对超出纠错能力的错误有检测能力能力 世界上没有100%可靠的信息传递差错控制编码l按照差错控制编码的不同功能功能，可分为检错码、纠错码和纠删码。l按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系关系，可分为线性性码和非非线码l按照信息码元和附加监督码元之间约束方束方式式不同，可分为分分组码和卷卷积码 世界上没有100%可靠的信息传递纠错和检错的基本原理 l信道编码的基本思想是在被传送的信息中附加一附加一些些监督督码元元，在两者之间建立某种校校验关系关系。l当这种校验关系因传输错误而受到破坏时，可以被发现并予以纠正。l这种检错和纠错能力是用信息量的冗余度信息量的冗余度来换取世界上没有100%可靠的信息传递纠错和检错的基本原理l若用00,10,01,11表示四种信息，由于每一种码组都有可能出现，没有多余的信息量。因此，若在传输中发生一个误码，则接收端无法检测到1.需要有第三位监监督督码码元元，保证码组中“1”码的个数为偶数，即形成000,011,101,1102.另外四种码组001,010,100,111是禁用禁用码组码组3.接收时一旦发现这些禁用码组，则表明传输中发生了误码世界上没有100%可靠的信息传递码重和码距l在信道编码中，定义码组中非零非零码元的数元的数目目为码组的重量，简称为码重重l把两个码组中对应码位位上具有不同二不同二进制制码元的位数元的位数定义为两码组的距离，将其称为汉明距离明距离，简称为码距距 世界上没有100%可靠的信息传递码距与纠错能力l一种编码的最小最小码码距距直接关系到这种码的检错和纠错能力。对于分组码有以下结论：l在一个码组内检测e个误码，要求最小码距l在一个码组内纠正t个误码，要求最小码距l在一个码组内纠正t个误码，同时检测e(et)个误码，要求最小码距世界上没有100%可靠的信息传递奇偶校验码l最常用的是奇偶校验码，因为其简单简单易行易行。l在我国的7单位字符编码标准中采用7bits码组表示128种字符，为了检查字符传输是否有错，常在7bits码组后加1bit作为奇偶校验位，使得8位码组中”1”或”0”的个数个数为为偶数或奇数偶数或奇数。世界上没有100%可靠的信息传递汉明码l汉明码是纠正单单个个错误的线线性分性分组码组码。这类码有以下特点：l码长：n=2m-1最小最小码码距距：d=3l信息码位：k=2m-m-1纠错纠错能力能力：t=1l监督码位：r=n-k=m式中，m为不小于2的正整数。给定m后，即可构造出具体的汉明码(n,k)世界上没有100%可靠的信息传递循环码l循环码是一种分组的系统码，通常前k位为信息码元，后r位为监督码元。l它除了具有线线性分性分组组码的封封闭闭性性之外，还有一个独特的特点：循环性。l所谓循循环环性性是指：循环码中任一许用码组经过循环移位后所得到的码组仍为一许用码组。世界上没有100%可靠的信息传递蓝牙系统差错控制在蓝牙技术中使用了三种纠错方案:l1/3FEC前向纠错码。l2/3FEC前向纠错码。l用于数据的ARQ方案。世界上没有100%可靠的信息传递蓝牙系统差错控制l对包进行FEC纠错的目的是减少重减少重传传次数次数，但在可以允许一些错误的情况下，使用FEC会导致效率不必要的减小，因此对于不同的包，是否使用FEC是灵活的l因为包包头头包含了重要的链路信息，所以总是用1/3FEC进行保护。1/3FEC就是将待就是将待编码编码的数据的数据重复三次重复三次。例如，若原数据是b0b1b2，经过编码后成为b0b0b0b1b1b1b2b2b2 世界上没有100%可靠的信息传递蓝牙系统差错控制l2/3FEC码是缩短的(15,10)汉明码，其生成多项式是 世界上没有100%可靠的信息传递蓝牙系统差错控制lARQ是针对包内的有效载荷进行保护的差错控制方法。l发送端发出一个包，接受端收到包后将检查包的包头的HEC以及有效载荷的CRC是否发生错误。如果检查无误则接受端返回一个AcK(ARQN=1)，若是发生错误则返回NK(ARQN0)要求发送端重发。这个过程可一直操作下去直到接收端收到正确的包或者出现超时为止世界上没有100%可靠的信息传递蓝牙系统的安全性 l数据在存储和传输过程中，都有可能被盗用、暴露或被盗用、暴露或篡改改，因此大量在通信网络中存储和传输的数据就需要保护。l对通信网络的威胁可被分为被动攻击和主动攻击。截获信息的攻击称为被被动攻攻击，而拒绝用户使用资源的攻击称为主主动攻攻击。l对付被动攻击可采用各种数据加密数据加密技术，而对付主动攻击，则需要将加密技术与适当的鉴别技技术相结合。流量控制基本理流量控制基本理论22.世界上没有100%可靠的信息传递流量控制 l数据传输中流量控制总是必需的l发方数据的速率必须使收方来得及接收。l当收方来不及接收时，就必须及时控制发方发送数据的速率。世界上没有100%可靠的信息传递理想化的数据传输过程l假假设设1：链路无差错，所发送的任何数据都不会丢失或出错。l假假设设2：不管发端以多快的速率发送，收端总是来得及收下，并及时交给主机。世界上没有100%可靠的信息传递理想化的数据传输过程假设2相当于认为：l接收缓冲区的容量无限大而永远不会溢出；l接收速率与发送速率绝对精确相等。世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQ l首先去掉第2个假定，认为信道还是无差错的理想信道。l为了接收端的缓冲区不会溢出，最简单的方法，就是每发送一帧就停下来。接收处理完成后发一个响应。这时，才发送下一个数据帧。世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQ 世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQ l将第1个假设也去掉，实际中传输信道是不可靠。l通常数据帧后面会加上循循环环冗余校冗余校验验，收端返回的响应就必须区分收到帧校验是正确还是错误的；l如果校验无误，返回确确认帧认帧ACK；如果校验错误，就向发端发出否否认帧认帧NAK，要求重发。世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQ l发送端必须暂时保存已发送过的数据帧副本副本。l当线路质量太差的情况下，发送方在重发一定次数后，就不应再重发。l为避免出现死死锁现象象，需要启动一个超超时定定时器器，超时定时器设置的重发时间需要依据网络延时仔细选定。l为避免这种重复帧的情况，必须给每一个数据帧加上不同的发送序号送序号。l编号所占用的比特数是有限的，发送序号会重复。世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQ 世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQltf是发送一个数据帧的时间，tf=lf/C(s)，lf是数据帧长，C(s)是数据发送速率。ltp是电信号在物理链路上传播造成的延时；ltpr是接收方主机处理的时间；lta是发送一个确认帧的时间。世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQl重发时间为l设接收端处理时间tpr和确认帧发送时间ta都远小于传播延时tp。即tout=2tp。世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQl设数据帧出错的概率为p，正确传输一个数据帧平均所需时间为l当传输差错概率增大，tAV也随之增大，l当无差错时，p=0，tAV=tT。l每秒成功发送的最大帧数即链路的最大吞吐量max=1/tAV世界上没有100%可靠的信息传递停止等待协议ARQl停止等待协议ARQ的优点是简单简单，缺点是通信信道的利用率不高利用率不高。l为克服这一缺点产生了连续连续ARQ技术。世界上没有100%可靠的信息传递连续ARQ l在送完一个数据帧后，不是停下来等待应答帧，而是可以连续发送若干个帧。l如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。l由于减少等待时间，整个通信的吞吐量提高了。世界上没有100%可靠的信息传递连续ARQl由于连续发送了许多帧，所以应答帧不仅要说明是对那一帧进行确认或否认，而且应应答答帧帧本身也必本身也必须编须编号号。l发送方每发完一个数据帧时都要设置超超时时定定时时器器，只要在所设置的超时时间内没收到确认帧，就重发相应的帧，包括在这个超时时间内已经连续发出的数据帧，也就是向回走N个帧。世界上没有100%可靠的信息传递连续ARQ时序图世界上没有100%可靠的信息传递连续ARQl一方面因连续发送数据帧而提高了效率，l另一方面，必须把原来正确传过的数据帧进行重传(仅因为有一个帧出错)，又使传送效率降低。l若传输信道的传输质传输质量很差量很差时时，连续ARQ并不优于停止等待协议。世界上没有100%可靠的信息传递连续ARQl成功发送一个数据帧需要的时间是tf；当发生错误时，重发一个数据帧的时间为tT，l正确传输一个数据帧所需要的平均时间为世界上没有100%可靠的信息传递连续ARQl最大吞吐量max=l当传播延时、重发时间、处理时间都远小于一个数据帧的发送时间时（即tT近似于tf）采用停止等待与连续ARQ没多少区别。l为了减少开销，连续ARQ协议还规定接收端可以在连续收到好几个正确的数据帧以后，才对一个数据帧发确认信息。世界上没有100%可靠的信息传递信道利用率和最佳帧长信道利用率和最佳帧长的关系如下：l如果数据帧取得很短，控制信息占的比例增大，导致信道利用率下降；l如果帧长取得太长，数据帧在传输过程中出错的概率就增大，重传次数增大，也会使信道利用率下降。世界上没有100%可靠的信息传递最佳帧长l设误比特率为p，数据帧长为lf，每帧中数据为ld比特，控制信息为lh比特，信道共享技信道共享技术基本理基本理论43.世界上没有100%可靠的信息传递信道共享技术 l以动态分配信道资源的多点接入方式提高了网络利用率。多点接入技术主要有以下两类。1)受控接入：轮叫轮询，传递轮询。2)随机接入：ALOHA，CSMA和CSMA/CD。世界上没有100%可靠的信息传递轮询l轮询是一种非竞争的动态分配共享资源的系统l主站主站：某个集中控制点，向各分散用户发出询问信息包，探询用户是否有信息要发送。l分散用分散用户：只有待收到探询后方能使用信道。世界上没有100%可靠的信息传递两种探询方式l轮叫叫轮询：由主站按某种顺序原则主从轮询；l传递轮询：既探询信令按某种顺序原则在各用户站间传递。l传递轮询的帧时延小于同样条件下的轮叫轮询的时延；站间的距离越大，传递轮询的效果就越好。世界上没有100%可靠的信息传递吞吐量l吞吐量S，等于在发送时间内成功发送的平均帧数。l0S1，S=1是极限情况，这种情况下表明帧一个接一个地发出去，帧之间没有空隙。世界上没有100%可靠的信息传递网络负载l网络负载为G，等于发送时间内总共发送的平均帧数，包括发送成功的成功的帧帧和因冲突冲突未发送成功的帧。世界上没有100%可靠的信息传递纯ALOHA系统l一个帧发送成功的概率为：l吞吐量公式为：l上式中，当G=0.5时，吞吐量S可能达到最大值S=0.184。世界上没有100%可靠的信息传递时隙ALOHAl用同步的代价换取了吞吐量的提高，成功发送的概率：l吞吐量公式为l此公式说明，当G=1时，S有最大值0.368，是纯ALOHA的2倍。世界上没有100%可靠的信息传递CSMAlCSMA属于ALOHA方式的改进。由于采用了附加的硬件装置，每个站都能在发送数据前监听信道上其它站是否在发送数据。l这种方式是公共信道上的分散用户采用载波检查方法来检测信道上是否有发送信号以判断信道的忙闲状态，各用户只能在信道空闲时发出自己的信息包。世界上没有100%可靠的信息传递载波检测类型l一为坚持检测，即分散用户保持连续检测信道，一旦发现信道空闲且需要发送便可向信道发送信息包；l另一为非坚持检测方式，即分散用户检测到信道忙后，便等待一段随机时间后再检测，直到信道被检测为空闲才发送信息包。世界上没有100%可靠的信息传递CSMA/CDl由于信号在信道上以有限速度传播，所以载波监听并不能完全消除冲突。l一种称为CSMA/CD的改进方式，即载波检测-碰撞检测，它能够边发送边监听，只要监听到发生冲突，则冲突的双方就必须停止发送。l由于电磁波在网络上传播需要时间，因此冲突仍有可能发生。这段可能发生冲突的时间间隔称为争用期。世界上没有100%可靠的信息传递当网络负载G很小时lALOHAl时隙ALOHAl非坚持CSMAl坚持CSMAlCSMA/CDl轮询 世界上没有100%可靠的信息传递比较l在延时传输系统中，当延时系数a较小时，坚持CSMA和CSMA/CD性能较好；当延时较大时，时隙ALOHA性能较好，它与延时无关。l对于中央控制的轮询系统，则有最大的通过量，系统稳定。实际上，这种稳定是采用了拒绝排队规则的。通信传输的有效性和可靠性实验58.世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验通信传输的有效性与可靠性分析实验软件简介l使学生理解点对点通信中速率测试的方法，流量控制方法，以及与速率相关的因素。l在有误码率的情况下使用差错控制，在通信的有效性和可靠性之间的折衷。l理解多台主机共享信道时采取的多点接入技术的工作原理和性能仿真。轮询，ALOHA，CSMA。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验2 数据传输速率分析实验 在主界面中，点击“测试”按钮，打开“数据传输速率分析”实验界面。2.1 链路管理 链路管理部分主要包括进行相关链路操作的按钮。1选择测试模式及端口，然后点击“初始化设备”按钮。此时将会弹出提示信息框告诉用户是否启动成功。若成功，状态栏将会显示本机地址。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验2.1 链路管理2如果选择“与蓝牙模块连接”方式，初始化成功后，点击“查询周围设备”按钮。此时按钮下方表格将会显示查询到设备的地址。查询结束时将会显示查询到设备总数。3选择一台设备地址，并点击“建立ACL连接”按钮。此时将会弹出提示信息框告诉用户是否建链成功。4建链成功后即可进行速率测试与文件传输。速率测试及文件传输完成后，若用户不想继续实验，此时可点击“断开ACL连接”按钮。程序将弹出信息框提示是否成功断开链接。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验2.1 链路管理5若断开链接成功，可点击“关闭HCI传输层”按钮，此时传输层关闭，用户若想继续实验，须重新启动传输层并建链。每次关闭窗口前必须关闭传输层。6如果选择“直接电缆连接”方式，初始化成功后即可进行速率测试与文件传输，步骤25省略。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验2 数据传输速率分析实验 2.2 速率测试l设置包长，包的数目及测试次数，点击“发送”按钮。此时将显示测出速率的直方图。l图的下方将显示每次发送数据量及花费时间。l发送过程中发送方状态栏将会显示“正在发送数据包”字样，接收方显示“正在接收数据包”字样。发送结束时会弹出信息框提示。程序运行界面如下：世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验2 数据传输速率分析实验 2.3 文件传输l设置误码率等相关参数，然后点击“要传输的文件”按钮，将会弹出“打开文件”对话框l选择要传输的文件，并点击“开始传输”按钮。l此时接收方计算机将会弹出“另存为”对话框，l选择保存的路径并单击“保存”，文件传输开始。传输过程中收发双方状态栏均会显示传送进度。传输结束时会弹出提示信息框。l传输结束后可进行文件比较。单击“文件比较”按钮，选择要比较的两个文件(浏览按钮可用来浏览本机内文件资源)，并点击“文件比较”按钮，将会显示比较结果。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验仿真实验：仿真1在下面的参数输入栏里输入相应的参数，例如：我们如下设定参数：l链路1容量(kb):4.8;l链路2容量(kb):48;l传播时延(ms):50;l 误比特率:0.000001;l卫星链路延时(ms):350;l控制信息长度(bit):48;世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验仿真实验：仿真11.点击“开始”按钮，我们可以看到相关图形，各个线路之间的关系可以从图中看出。图下面的表格中，可以看到和线路有关的数据，这里是信道利用率最大时的帧长。2.如果有问题的话，可以点击“相关资料”按钮，会弹出一个帮助窗口。从中用户可以找到自己想要的东西。3.点击“关闭”按钮，关闭子窗口，仿真一实验结束。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验信道利用率和帧长的关系l由于每个数据都必须包括一定的控制信息，所以即使是连续不断地发送数据帧，信道的利用率也不会达到100%。当出现差错时，数据帧的不断重传将使信道利用率进一步降低。l很明显，信道利用率和最佳帧长的关系如下：数据帧取得很短，控制信息占的比例增大，导致信道利用率下降，如果帧长取得太长，数据帧在传输过程中出错的概率就增大，于是重传的次数就增大，这也会使信道利用率下降。所以，存在一个最佳帧长，在此帧长下信道利用率最高。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验信道利用率和帧长的关系信道利用率U：其中p是数据帧的误比特率；每帧中数据为ld比特，控制信息lh为比特；参数l这个式子清楚的表明了帧长对信道利用率的影响。l注：一般而言，发送帧的差错率是误比特率与帧长的乘积，所以，如果误比特率取的很大，比如0.01。那么，在帧长为100（数据帧长加控制帧长）是，发送的差错率已经是100%，利用率为0。所以，在本仿真中，误比特率不能大于0.01。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验通信传输的有效性和可靠性实验报告要求1.在速率测试中，设置包的个数为10，测试次数为10次。取不同的包长，记录通过串口连接蓝牙模块和通过USB口连接蓝牙模块的测试结果（包括包长、数据量、花费时间和平均速率）。分析各次测试结果，从中得出结论。2.在文件传输测试中，传输一个大小为100Kb的文件，误码率分别设为0.001、0.01和0.05，帧长设为300字节，最大重传次数为50。分别采用CRC与线形纠错码方式纠错，记录通过串口连接蓝牙模块和通过USB口连接蓝牙模块的测试结果（包括误码率、传输字节、花费时间、重传次数和不同比特数）分析各次测试结果，从中得出结论。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验常见问题1如果在数据传输速率测试界面下，选择“与蓝牙模块连接”方式，单击“初始化设备”后程序无响应，请检查所选端口是否连接蓝牙模块。如果没有连接，请关闭整个程序，接好蓝牙设备后，重新启动程序，再进行初始化。2如果在数据传输速率测试界面下，选择“与蓝牙模块连接”方式，单击“初始化设备”后弹出信息框：“初始化设备失败”，请拔出蓝牙模块后重新插好，再次点击“初始化设备”按钮即可。如果仍然失败，请关闭程序，拔出蓝牙设备重新插好，然后启动程序重试。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验常见问题3如果在文件传输实验中，接收方未对“另存为”对话框做任何操作而直接点击“开始传输”或“发送”按钮，此时会出现接收双方按钮全部灰化，程序没有任何动作的情况。请接收方点击“另存为”对话框的“保存”或“取消”按钮，即可继续进行实验。4如果在文件传输实验中，接收双方有一方或两方均无法显示传输进度，这可能是由于从底层返回上层的消息无法及时到达，并不影响传输的进行。建议等待一段时间，程序将会显示传输结束。如果一段时间后，无任何提示消息显示，界面按钮全部灰化，这可能是由于底层出现故障引起堵塞，传输无法进行。建议关闭程序，然后重新启动。世界上没有100%可靠的信息传递通信传输的有效性和可靠性实验常见问题5如果在文件传输过程中，采用CRC差错控制方法，最大重传次数已经设置为最大值250，文件传输过程中仍然跳出提示信息：“最大重传次数设置过小，传输中断。”这是因为误码率设置过大，建议减小误码率重试。CRC是采取重传机制来保证传输的可靠性。本实验中最大重传次数限定为小于250次，因此当误码率过大时，在底层发送方重传250次后，接收方仍然收到错误的数据要求重传，于是传输中断。建议实验中误码率取0.001,0.01，0.03几个样值进行测试。误码率设置一般不要超过0.05。