Phương pháp phát hiện lỗi sử dụng parity bit

Bài viết này sẽ giải thích chi tiết Parity bit là gì, sử dụng Parity bit như thế nào.

Đề tài 17: Các kỹ thuật phát hiện lỗi và sửa sai Thành viên của nhóm 8: 1. 2. 3. 4. Nguyễn Văn Dũng Nguyễn Thúy Hà Nguyễn Đức Tâm Đỗ Thị Kim Thanh Phát hiện lỗi và sửa sai Mạng cần có khả năng truyền dữ liệu một cách chính xác. Một hệ thống không đảm bảo được tính năng này thì không sử dụng được. Trong quá trình truyền dữ liệu luôn bị tác động bởi nhiều yếu tố như nhiễu, vì vậy hệ thống cần có độ tin cậy tốt với cơ chế phát hiện và sửa lỗi. Việc phát hiện và sửa lỗi được thiết lập ở lớp kết nối dữ liệu hoặc lớp vận chuyển trong mô hình OSI. 1. Tổng quan: Khi dữ liệu được truyền đi giữa 2 DTE [Data Terminal Equipment – thiết bị đầu cuối xử lý số liệu] đây là thiết bị lưu trữ và xử lý thông tin. Trong hệ thống truyền số liệu hiện đại thì DTE thường là máy tính hoặc máy fax hoặc là trạm cuối [terminal]. Như vậy tất cả các ứng dụng của người sử dụng [chương trình, dữ liệu] đều nằm trong DTE. Chức năng của DTE thường lưu trữ các phần mềm ứng dụng, đóng gói dữ liệu rồi gửi ra DCE [thiết bị đầu cuối kênh dữ liệu – Data circuit terminal equipment] hoặc nhận gói dữ liệu từ DCE theo một giao thức xác định DTE trao đổi với DCE thông qua một chuẩn giao tiếp nào đó. Như vậy mạng truyền số liệu chính là để nối các DTE lại cho phép chúng ta phân chia tài nguyên, trao đổi dữ liệu và lưu trữ thông tin dung chung đặc biệt nếu các đường dây truyền dẫn ở trong môi truyền xuyên nhiễu như mạng điện thoại công cộng, thì những tín hiệu điện đại diện luồng bit rất dễ bị thay đổi do ảnh hưởng của các thiết bị điện gần đó. Điều đó có nghĩa là tín hiệu đại diện cho bit 1 bị máy thu dịch ra như bit nhị phân 0 và ngược lại. Có hai phương pháp cho vấn đề này, đó là:  Kiểm soát lỗi hướng tới [FEC-Forward Error Control]: trong mỗi ký tự hay mỗi frame dữ liệu được truyền đi có chứa thông tin bổ sung cần thiết để bên thu phát hiện lỗi và có thể dò tìm vị trí của các bit lỗi. Sau đó chỉ cần đảo ngược các bit lỗi để nhận được dữ liệu đúng.  Kiểm soát lỗi quay lui [Backward Error Control]: Trong mỗi ký tự hay mỗi frame dữ liệu được truyền đi chỉ chứa thông tin cần thiết để bên thu chỉ có thể phát hiện ra lỗi. Một bộ điều khiển sẽ yêu cầu bên phát phát lại bản dữ liệu đúng. Trong thực tế, số lượng bit thêm vào để đạt được độ tin cần thiết trong điều khiển hướng tới sẽ gia tăng nhanh chóng khi số lượng bit thông tin tăng lên. Do đó, phương pháp điều khiển lỗi quay lui được sử dụng nhiều hơn trong các dạng truyền số liệu và các hệ thống mạng. 2. Các khái niệm về lỗi: Về bản chất, lỗi truyền số liệu là lỗi bit. Nếu tín hiệu mang dữ liệu nhị phân được mã hóa, những thay đổi như thế có thể làm thay đổi ý nghĩa của dữ liệu. Nguyên nhân gây ra lỗi:  Các quá trình vật lý sinh ra: đó là các lỗi xảy ra trong quá trình truyền số liệu trên đường truyền vật lý. Bất cứ khi nào một tín hiệu điện từ di chuyển từ một điểm này tới điểm khác, nó dễ bị nhiễu không đoán trước từ sức nóng, từ tính và các dạng của điện. Sự nhiễu này có thể làm thay đổi hình dạng và thời gian của tín hiệu.  Các thiết bị truyền thông gây ra: là các lỗi xẩy ra do chính các thiết bị tham gia truyền số liệu gây ra. Để xác định xác suất lỗi bit sử dụng Pb Xác định tỉ suất lỗi bit – BER [Bit Error Rate] BER £ 10-9 – đường truyền được xem là tốt BER £ 10-4 – đường truyền chấp nhận được Ngoài ra còn một số đơn vị đo khác, ít được sử dụng hơn: FER [Frame Error Rate] PER [Packet Error Rate] Để xác định xác suất lỗi gói số liệu sử dụng công thức: Pf = 1 – [1 – Pb] N với N – độ dài gói số liệu, đo bằng bit

Pf ≈ N.Pb, nếu N.Pb Phương pháp này chỉ kiểm tra được số bit trên cùng 1 hàng bị lỗi là lẻ, nếu số bit trên cùng 1 hàng bị lỗi là chẵn thì không kiểm tra được + Phương pháp kiểm tra dọc: [1] C 1 0 0 0 0 1 1 1 D 1 0 0 0 1 0 0 0 S 1 0 1 0 0 1 1 0 P 1 0 1 0 0 0 0 0 H 1 0 0 1 0 0 0 0 D 1 0 0 0 1 0 0 0 [2] C D S 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 P 1 0 1 0 0 0 0 0 H 1 0 0 1 0 0 0 0 D 1 0 0 0 1 0 0 0 [3] C D S P H D 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 Lỗi do mạng truyền thông sinh ra 1 0 0 0 0 0 + Kết hợp 2 phương pháp: [1] C 1 0 0 0 0 1 1 S 1 0 1 0 0 1 0 P 1 0 1 0 0 0 0 H 1 0 0 1 0 0 0 D 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 [2] C D S 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 P 1 0 1 0 0 0 0 H 1 0 0 1 0 0 0 D 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 [3] C D S P 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 H 1 0 0 1 0 0 0 D 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 [4] C D S P 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 H 1 0 0 D 1 0 0 0 0 0 1 1 D 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 => Phát hiện các lỗi đơn và lỗi ghép, không phát hiện tất cả các lỗi đặc biệt lỗi tạo ra hình chữ nhật như trường hợp [4] 2. Kiểm tra tổng khối BSC [ Block Sum Check ]: Block Sum Check [BSC]: kết hợp parity hàng và cột • Phát hiện được lỗi sai một số lẻ bit. • Dò được các lỗi sai một số chẵn bit, ngoại trừ những lỗi xảy ra đồng thời trên cả hàng và cột. • Chỉ sửa được sai một bit đơn. - Khi các khối ký tự đang được truyền, xác suất một ký tự chứa lỗi bit gia tăng. - Xác suất một khối ký tự bị lỗi bit được gọi là tỉ lệ lỗi bit BER. - Phương pháp này sử dụng một tập parity bit được tính từ toàn bộ khối ký tự trong khung. - Mỗi ký tự trong khung được phân phối một parity bit [parity hàng]. Ngoài ra một bit mở rộng được tính cho mỗi vị trí bit [parity cột] trong toàn bộ khung. Tập các parity bit cho mỗi cột được gọi là ký tự kiểm tra khối BCC [Block Check Character] Ví dụ: Data H E L L O BCC[odd] Start 1 1 1 1 1 1 Data B1 0 1 0 0 1 1 B2 0 0 1 1 1 0 B3 0 0 0 0 0 1 B4 0 0 0 0 0 1 B5 0 0 0 0 0 1 B6 0 0 0 0 0 1 B7 1 1 1 1 1 0 Parity [even] 1 0 0 0 1 1 stop 0 0 0 0 0 0 3. Kiểm tra CRC [cyclic redundancy check] CRC [cyclic redundancy check] là một loại hàm băm, được dùng để sinh ra giá trị kiểm thử, của một chuỗi bit có chiều dài ngắn và cố định, của các gói tin vận chuyển qua mạng hay một khối nhỏ của tệp dữ liệu. Giá trị kiểm thử được dùng để dò lỗi khi dữ liệu được truyền hay lưu vào thiết bị lưu trữ. Giá trị của CRC sẽ được tính toán và đính kèm vào dữ liệu trước khi dữ liệu được truyền đi hay lưu trữ. Khi dữ liệu được sử dụng, nó sẽ được kiểm thử bằng cách sinh ra mã CRC và so khớp với mã CRC trong dữ liệu. CRC là một loại mã phát hiện lỗi. Cách tính toán của nó giống như phép toán chia số dài trong đó thương số được loại bỏ và số dư là kết quả, điểm khác biệt ở đây là sử dụng cách tính không nhớ [carry-less arithmetic] của một trường hữu hạn. Độ dài của số dư luôn nhỏ hơn hoặc bằng độ dài của số chia, do đó số chia sẽ quyết định độ dài có thể của kết quả trả về. Định nghĩa đối với từng loại CRC đặc thù quyết định số chia nào được sử dụng, cũng như nhiều ràng buộc khác. CRC dựa chủ yếu vào phần bit bổ sung, kỹ thuật CRC dựa trên phép chia nhị phân. Trong CRC, thay vì thêm các bit để cùng đạt được một tính chẵn lẻ theo mong đợi, một chuỗi các bit dư thừa được gọi là CRC hay số dư CRC, được ghép vào cuối đơn vị dữ liệu do đó đơn vị dữ liệu kết quả có thể chia hết cho số nhị phân thứ hai được xác định trước. Tại đích của nó, đơn vị dữ liệu đến được chia bởi cùng số đó. Nếu tại bước này, phép chia có số dư bằng 0, đơn vị dữ liệu được coi là còn nguyên vẹn và do đó được chấp nhận. Nếu số dư khác không có nghĩa là đơn vị dữ liệu đó đã bị hư hại trong quá trình truyền và do đó bị loại bỏ. Các bit dư thừa được sử dụng bởi CRC lấy được từ phép chia đơn vị dữ liệu theo số chia đã xác định trước; phần dư của phép chia sẽ là CRC. Để có thể phân loại quá trình này, bắt đầu một cách tổng quan và sau đó đi sâu vào chi tiết hơn. Bước thứ nhất, một chuỗi n bit được ghép vào đơn vị dữ liệu. Số n là một số nhỏ hơn số các bit trong số chia xác định tước có chiều dài n+1 bit Bước thứ hai, đơn vị dữ liệu mới kéo dài chia cho số chia sử dụng một quá trình gọi là chia nhị phân. Phần dư của phép chia là CRC. Bước thứ 3, CRC của n bit dẫn ra từ bước 2 thay thế các bit 0 được ghép vào cuối đơn vị dữ liệu. Chú ý là CRC có thể bao gồm tất cả các bit 0. Đầu tiên, dữ liệu được nhận, theo đó là CRC. Bên nhận coi toàn bộ chuỗi dữ liệu đó là một đơn vị và chia nó cho cùng số chia mà đã được sử dụng trước đó để tìm ra số dư CRC. Nếu chuỗi đến mà không có lỗi, bộ kiểm tra CRC sẽ cho kết quả đầu ra là số dư bằng 0 và đơn vị dữ liệu được qua. Nếu chuỗi đó bị thay đổi trong quá trình truyền, kết quả phép chia là một số khác 0, do đó đơn vị dữ liệu không được qua. Bộ sinh CRC- CRC generator Một bộ sinh CRC sử dụng phép chia modulor 2. Trong bước đầu tiên, số chia 4 bit được trừ đi từ 4 bit đầu tiên của số bị chia. Mỗi bit của số chia được trừ đi tương ứng với bit của số bị chia mà không cần nhớ sang bit tiếp theo cao hơn. Trong ví dụ của , số chia 1101 được trừ từ 4 bit của số bị chia, 1001 cho kết quả là 100 [số 0 ở đầu của số dư được bỏ đi]. Các bít chưa được sử dụng tiếp theo từ số bị chia sau đó được chuyển xuống dưới để tạo ra số các bit trong số dư bằng với số các bit ở số chia. Do đó, theo bước tiếp theo là 1000-1101=101… Trong quá trình này, số chia luôn bắt đầu với bit 1; số chia được trừ từ một phần của số bị chia/số dư trước bằng nhau về độ dài; số chia chỉ có thể được trừ đi từ số bị chia/số dư mà bit trái nhất của nó bằng 1. Tại bất kỳ thời điểm nào bit trái nhất này của bị chia/số dư là 0, một chuỗi các số 0, có cùng chiều dài như số chia, thay thế số chia trong bước đó của toàn bộ quá trình. Ví dụ, nếu số chia có độ dài 4 bit, nó được thay thế bằng 4 số 0. [Chú ý rằng đang xử lý với các mẫu bit, chứ không phải với các giá trị định lượng; 0000 không giống 0.]. Hạn chế này có nghĩa rằng tại bất kỳ bước nào bên trái nhất của phép trừ sẽ là 0-0 hoặc 1-1, cả hai đều bằng 0. Vì vậy, sau phép trừ, bit bên trái nhất của số dư sẽ luôn dẫn tới 0, do đó bit này được loại bỏ và bit tiếp theo chưa được sử dụng của số bị chia được đẩy xuống để đưa ra số dư. Cần chú ý là chỉ có bit đầu tiên của số dư được loại bỏ- nếu bit tiếp theo cũng là 0, nó vẫn được giữ lại, và số bị chia/số dư cho bước tiếp theo sẽ bắt đầu với 0. Quá trình này lắp lại cho đến khi toàn bộ số bị chia được sử dụng. Bộ kiểm tra CRC- CRC Checker Bộ kiểm tra CRC thực hiện chức năng một cách chính xác như bộ sinh CRC. Sau khi nhận được dữ liệu được ghép với CRC, nó tương tự thực hiện phép chia modulor-2. Nếu số dư tất cả bằng 0, các bit CRC được bỏ đi và dữ liệu được chấp nhận, nếu không dòng các bit nhận được bị bỏ đi và dữ liệu được gửi lại. giải sử rằng không có lỗi xảy ra. Số chia do đó tất cả bằng 0 và dữ liệu được chấp nhận. Các đa thức CRC Bộ sinh CRC [số chia] thường được biểu diễn không chỉ ở dưới dạng chuỗi các bit 0 và 1 mà còn là một đa thức đại số. Khuôn dạng của đa thức là hữu dụng vì hai lý do: Nó ngắn, và có thể được sử dụng để chứng minh khái niệm toán học Mối quan hệ của một đa thức đối với biểu diễn nhị phân Một đa thức sẽ được lựa chọn sao cho thỏa mãn: -Nó sẽ không được chia hết bởi x - Nó có thể được chia hết bởi [x+1] Điều kiện đầu tiên đảm bảo rằng tất cả các lỗi bit chùm bit có độ dài bằng với độ dài của đa thức được dò thấy. Điều kiện thứ 2 đảm bảo rằng mọi lỗi bit hàng loạt ảnh hưởng một số lẻ các bit được dò thấy. Các đa thức sinh chuẩn: CRC12: x12+x11+x3+x+1 CRC16: x16+x15+x2+1 CRC-ITU-T: x16+x12+x5+1 CRC32: x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 Hiệu quả của kỹ thuật của CRC CRC là phương pháp dò tìm lỗi rất hiệu quả. Nếu số chia được chọn theo nguyên tắc đã nếu trước đó thì: - CRC có thể dò tất cả các lỗi bit chùm bit mà ảnh hưởng một số lẻ các bit - CRC có thể dò tất cả các lỗi bit chùm có chiều dài nhỏ hơn hoặc bằng bậc của đa thức. 1. - CRC có thể dò tìm với khả năng tìm thấy lỗi bit chùm bit có chiều dài lớn hơn bậc của đa thức.