这是我在Coursera上的学习笔记。课程名称为《Computer Networks》，出自University of Washington。
因为计算机网络才诞生不久。眼下正在以快速在发展。所以有些旧的教材可能都已经跟不上时代了。这门课程在2013年左右录制。知识相对还是比較新的。覆盖了计算机网络中的各个协议层。从物理层到应用层都讲得很细致。学完这门课程之后对计算机网络会有比較深刻的了解。
本章具体解说了物理层，解说了比特流怎样通过各种介质进行传播。
- 基本概述
- 物理层的功能
- 专注比特信号是怎样传输的，包含模拟信号和数字信号
- 话题
- 媒体属性：有线、光纤、无线
- 影响因素：带宽、衰减、噪音
- modulation schemes：比特的表示、噪音
- 基本极限：Nyquist极限、香农极限
- 简单连接模型
- 速度
- 延迟
- 是否广播、错误率
- 消息延迟
- 传输延迟：将消息写进媒介的时间
- 传播延迟：消息从媒介的一端到还有一端所用的时间
- 数据的长度单位
- KB MB GB
- 延迟举例
- 拨号上网。延迟D=5ms，传播速率R=56kbps，消息长度M=1250bytes。
最后计算出延迟L=5ms+1250*8/(56*10^3)=184ms。
主要是信道延迟
- 国家之间传输。延迟D=50ms，传输速率R=10Mbps，消息长度M=1250bytes。最后计算出延迟为51ms。主要是传输延迟。
- 长的连接或的小的带宽都会造成延迟，普通情况下仅仅有一种原因占主要部分
- 拨号上网。延迟D=5ms，传播速率R=56kbps，消息长度M=1250bytes。
- 带宽延迟积
- 消息是有长度的
- 带宽延时积=带宽*延时
- 带宽延时积举例
- 家庭光纤。跨国。R=40Mbps。D=50ms。
最后计算出带宽延时积=250KB，也就是说一条电线上保存着250KB的数据！
- 家庭光纤。跨国。R=40Mbps。D=50ms。
- 物理层的功能
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媒介
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类型
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有线、光纤、无线
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有线
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5类UTP双绞线：常见的以太网电线。绞线是为了降低噪音
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同轴电缆：这样的哦线有更好的保护措施和更好的性能
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光纤
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光线是又长、又细、又纯净的玻璃
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有很巨大的带宽
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分为多膜和单膜。
单膜的性能更好
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无线
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全部的无线信号都是广播的
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邻近的设备同一时候通信时会相互干扰
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无线举例：3G ISM（802.11b/g/n） Wifi（802.11a/g/n
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信号
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话题
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信号传输的时候发生了什么
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频率的表示方法
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用三角函数
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低带宽带来的影响
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让脉冲变得更加圆滑，添加了推断0或1的难度，导致传输速度变慢
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在电线中传输
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信号会延迟。
传输速度大约为2/3光速
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信号会衰减
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高频信号会被吸收
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噪音会增多
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带宽能够理解为两种，一种是电子project中的带宽，一种是网络project中的带宽。两种这两种带宽的单位不同。电子project中的带宽用Hz作为单位，而网络project中的带宽用Mbps为单位
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在光纤中传输
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比特流通过三原色进行传输
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信号衰减程度很低
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在无线中传输
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将信号调幅后发送
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传播速度是光速
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信号衰减速度非常快，大于1/dist^2
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同样频率的无线传输之间会相互干扰
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从信号干扰衍生出了空间重用率的概念。仅仅要不相互干扰。无线的频率是能够重用的
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无线传输还受到其它因素的影响。无线在空间中的传播是很复杂的，和物理环境有关
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某些效果仅仅出如今特定的频率中。比方微波的衍射性能强，能够绕过障碍物进行传播。
比方802.11、3G
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无线的多路传播
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微波具有衍射特性和反射特性
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有些波是直接到达设备的，有些波经过反射到达了设备。两个波会叠加，有时候能增强信号。有时候削弱信号
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这样的现象叫做OFDM
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调制
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话题
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信号的表示方法
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简单的信号调制
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高压+V表示1。负压-V表示0
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其它的表示方法
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使用很多其它的电压表示很多其它的数据。比方一个电压表示2bit数据
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时钟同步
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假设一次发送许多的0，那么接收方无法精确知道有多少个0
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所以有了Manchester coder孟彻斯特编码和scrambling编码
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孟彻斯特就是将0替换成01，1替换成10。
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4B/5B
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固定的编码
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0000 -> 11110
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0001 -> 01001
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。。。
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1110 -> 11100
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1111 -> 11101
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最多3个连续的0
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NRZI编码：遇到1就改变电压，遇到0就保持原来的电压
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Passband调制
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baseband调制在电线中非常合适。可是在光纤/无线中无法非常好地工作
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将每一个比特进行调制。能够调频，调幅，调相
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基本极限
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话题
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Nyquist限制
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Shannon容量
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为了达到极限而产生的发明
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信道的关键属性
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带宽B，强度S，信噪比N
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Nyquist极限
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信号发送的最大速度是2B，也就是两倍带宽（电子project中的带宽）
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如果有V种电平，信号发送速率R = 2B log_2(V) bits/sec
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香农极限
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信息论创始人
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信道能够提供多少种电平和信噪比有关
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信噪比用db来表示，信造比SNR=10log_10(S/N)
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香农容量 C = B log_2(1+S/N) bits/sec，表示一条信道的最大传输速率
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有线/无线对照
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有线/光纤：能够有固定的传输数据速率
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无线：没有固定的传输数据速率
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DSL
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使用电话线的高频部分进行传输
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DSL使用passband调制
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上传和下载是用的是两段不同的带宽
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高信噪比时可能1个信号表示15个比特。低信噪比的时候可能1个信号表示1个比特
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数据链路层
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链路层概述
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链路层结构
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关注怎样传输消息。一则消息就是一帧
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链路层数据包结构为：Header-Packet-Tailer
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链路层的典型实现方法
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网卡上有链路层的模块和物理层的模块，操作系统中有链路层的驱动。链路层是同一时候分布在软件和硬件中的一个协议层。
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话题
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帧。区分帧的头和尾的方法
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错误检測，错误矫正，错误处理
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帧
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话题
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怎样通过物理层表示一系列帧呢？
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区分帧的方法
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字节数
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字节
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实际应用中物理层有时候也会帮助链路层来区分帧
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第一次尝试：字节数方法
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每一帧的头部是字节数
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这样的方法非常easy，看起来也非常实用。可是出错后非常难再次同步
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第二次尝试：用字节标志
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用特殊的标志字节来标志帧的头和尾
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缺点是数据的内容也要进行编码。比如数据内容：A FLAG B，编码后变成 A ESC FLAG B
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长处是出错后easy同步
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第三次尝试：用数据位来做标志
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6个1为头尾标志
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数据的内容进行编码。每5个1之后插入一个0。
解码的时候，每5个1之后删除一个0
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举例：0110 1111 1111 1111 1111 0010，编码后0110 1111 1011 1111 0111 1101 0010
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链路举例：SONET上的PPP
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PPP：点对点链路协议
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SONET：光纤物理层协议
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分帧时使用字节标志，0x7E表示FLAG，0x7D表示ESC
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0x7E编码后变成0x7D5E。也就是添加了7D，并将第5位进行取反
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0x7D编码后编程0x7D5D
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这样编码之后数据中就彻底没有FLAG或ESC符号了
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错误概述
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话题
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怎样处理错误
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怎样检測错误
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怎样矫正错误
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怎样又一次发送数据
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链路层的可靠性
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问题
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噪音有时候会造成比特上的误差
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方法
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添加冗余
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错误检測：添加校验位
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错误矫正：添加很多其它的校验位
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关键问题是，怎样通过最少的校验位来检測到最多的错误
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最简单的方法
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将数据发送两次。能检測到错误，可是不能矫正
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使用校验位
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发送方数据的末尾添加检測位，D为数据。检測位R=fn(D)
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接收方。接收到数据D和检測位R，计算R==fn(D)。依据计算结果推断是否出错
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将数据进行随机修改。普通情况下都能推断出数据中存在错误
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Hamming距离
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距离=两个数据有多少个位是不一样的
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最少发生d+1次反转后检測位依旧正确的校验方法，最多能稳定检測到d个错误
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最少发生2d+1次反转后检測位依旧正确的校验方法。最多能稳定矫正到d个错误
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举例。一段数据添加了检測位。传输之后有2个位发生了反转。并且检測位依旧正确，那么它的距离d就是2
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错误检測
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话题
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数据在接收的时候可能会有误差。我们怎样检測到它呢？
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方法：奇偶校验、校验和、CRC
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检測错误是为了兴许的矫正错误，比方重发
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简单的错误检測方法：奇偶校验
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1001100 => 1
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性能怎样？
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hamming距离d=2，最多能稳定检測到1个错误，无法矫正错误
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大的误差非常难检測
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校验和
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TCP中1500bytes数据有16bit校验和
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比奇偶校验更强
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互联网校验和
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Checksum：the checksum field is 16bit 1's complement of the 1'complement sum of all 16bit words
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伪代码：x=sum([e for bit16 in data]); return x + x%0x10000;
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发送方步骤
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将数据排列成16位一组
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将0放在校验位。并把每组数据增加到校验位
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将溢出的进位加到校验位
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将结果取反
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接收方把接接收到的（数据+checksum）计算checksum。假设得到0，那么说明没有错误
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性能怎样
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距离是2，能稳定检測1个错误，不能矫正错误
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连续出现16个位错误时就无法工作了
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CRC
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更强的保护
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举例。数据为302。校验位数为1位，生成器为3，那么CRC=3020 % 3 = 2
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发送方步骤
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在数据后方添加k个0
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将数据除以C，取余数。除的时候注意：要将减法换成XOR运算，事实上CRC中的除法并非真正的除法
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调整k，使其能够被整除
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标准的CRC32生成器是10000010 01100000 10001110 110110111
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属性
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HD=4 Hamming距离，能稳定检測3个连续的错误
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能检測奇数个错误
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连续出现k个错误时就无法正常工作了
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实际应用中的错误检測方法
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CRC被广泛使用：以太网。802.11 ADSL 线缆
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互联网中也有使用：IP TCP UDP
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奇偶校验非常少使用
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错误矫正
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话题
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有时候接收到的数据中有错误，怎样矫正呢
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我们可以矫正错误，为什么还要使用检測错误呢
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为什么错误矫正非常难
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缺少好的校验方法
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校验代码也可能出错
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错误矫正代码
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构建一种Hamming距离为3的错误编码，须要改变3个字节才干让编码成为第二种正确的编码
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如果错误仅仅有1位。那么我们能够将错误矫正到近期的编码上
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Hamming距离
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举例：4位数据0101，3个检验位。
检验1 检验2 数据1 检验3 数据2 数据3 数据4
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检验1覆盖了检验1 数据1 数据2 数据4
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检验2覆盖了检验2 数据1 数据3 数据4
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检验3覆盖了检验3 数据2 数据3 数据4
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每一个检验位用奇偶检验法生成。结果是010。和原来的数据合成，得到0100101
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解码的时候计算检验位，得到检验1,2,3。依照（检验3，检验2，检验1）进行排列，得到二进制数。
这个2进制数就表示出错的位置。0表示没有错误
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详细计算方法见下文中的表格
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其它矫正错误的方法
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实际应用中的矫正方法比Hamming距离复杂得多
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LDPC
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错误检測和错误矫正的对照
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如果每10000个位就会发生一个错误
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检測错误大约须要10位额外的比特位
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矫正错误大约须要1000个额外的比特位。大约占用了1/10的传输时间
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有时候检測错误的开销更小。有时候矫正错误的开销更小，主要看数据的传输情况
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应用
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在物理层中大量使用的是LDPC
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错误矫正在CD DVD中也有使用
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Hamming代码计算方法
p1 p2 p4等表示校验位，d1 d2 d3等表示数据位。
| Bit position | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | ... | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Encoded data bits | p1 | p2 | d1 | p4 | d2 | d3 | d4 | p8 | d5 | d6 | d7 | d8 | d9 | d10 | d11 | p16 | d12 | d13 | d14 | d15 | ||
| Parity bit coverage | p1 | X | X | X | X | X | X | X | X | X | X | |||||||||||
| p2 | X | X | X | X | X | X | X | X | X | X | ||||||||||||
| p4 | X | X | X | X | X | X | X | X | X | |||||||||||||
| p8 | X | X | X | X | X | X | X | X | ||||||||||||||
| p16 | X | X | X | X | X | |||||||||||||||||