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1 2.5 多路复用传输 多路复用器多路复用器 一条传输线路 传输多路信号 计算机 计算机 传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样 的,为了节省开销,应当充分利用传输介质的带宽。在一条介 质上同时传送多于一路以上信号的传输方式,叫做该介质的多 路复用。多路复用传输技术的基本原理如图所示。 多路复用基本原理示意图 2 复用类型 vv多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道 上进行传输,使多个计算机或终端设备共享信道上进行传输,使多个计算机或终端设备共享信道 资源,提高信道的利用率。特别是在远距离传输资源,提高信道的利用率。特别是在远距离传输 时,可大大节省电缆的成本、安装与维护费用。时,可大大节省电缆的成本、安装与维护费用。 v频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing) v波分复用WDM (Wave Division Multiplexing) v时分复用TDM (Time Division Multiplexing) 同步时分复用 异步时分复用统计时分复用 3 2.5.1 频分多路复用 1 1、频分多路复用的概念、频分多路复用的概念 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况 下,整个传输频带被划分为若干个频率通道,每路信号占用 一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相 互干扰。 CH2 CH1 CH3 原带宽 CH1 CH2 CH3 移频后带宽 MUX CH1 CH2 CH3 带宽复用信号 f 复用器 4 A2 A1 A3 原始信号 D2 D1 D3 数字化信号 MUX 复用后的数据流 时隙号1231 D3D2D1 时间片1 2 时间片2 D1 时隙 D2 复用器 原理:将一条物理信道的传输时间分成若干将一条物理信道的传输时间分成若干 个时间片轮流地给多个信号源使用,每个时个时间片轮流地给多个信号源使用,每个时 间片被复用的一路信号占用间片被复用的一路信号占用。 区别 2.5.2 时分多路复用 5 2.5.2 时分多路复用 (1) 同步时分:指发送端的多台计算机通过一条线路向接 收端发送数据时进行分时处理,它们以固定的时隙进行分配。 要接收的数据 AAAA BB C DDD BCDABDADAA AAAA BB C DDD 复用器解复器 要发送的数据 时间片浪费,信道资 源利用率底 一个周期的数据块(帧) 在不同时刻,开关切换 到不同的输入设备 同步:复用器在所有时间为每个设备都分配完全一样的时间片,不管该设 备有没有数据要传输; 帧:时间片组成帧,若所有输入的数据速率相同,帧的时间片数等于输入 线路数; 交织:开关以恒定速率和固定顺序在设备间轮转比特、字节或任何其他数 据单元 6 典型应用实例-数字传输系统 v为了有效地利用传输线路,可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧,然后发送 到线路上。 v中国采用欧洲体制,以 E1 为一次群。 v美国和日本等国采用北美体制,以 T1 为一次群 。 v采用PCM调制技术,则每个话音信道的比特率是 64kb/s。 为每一个这样的低速信道敷设一条通信 线路是太不划算了, 所以在实用中要利用多路复 用技术建立更高效的通信线路。 7 贝尔系统的T1载波 v24路音频信道复用在一条通信线路上; v每路音频模拟信号在送到多路复用器之前,要通 过一个PCM编码器; v编码器每秒取样8000次; v24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧 中; v每个字节的长度为8位,其中7位是数据位,1位 用于信道控制; v每帧由248=192位组成,附加一位作为帧开始 标志位,所以每帧共有193位; v发送一帧需要125毫秒; vT1载波的数据传输速率为1.544Mb/s。 8 图 贝尔系统的T1载波 9 T-1 Frame 10 图 多路复用到更高级的载波 11 32路电话复用一条2.048主干线路称为E1标准 E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s 传输线路 CH0 CH16 CH17 CH15CH15 CH16 CH17 CH31 CH31 CH0 CH1CH1 时分复用帧 T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH0 8 bit t 时分复用帧时分复用帧 T = 125 ms 15 个话路15 个话路 12 存在问题 A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 个时分复用帧 #1 a c b cd 时分复用 #2#3#4 用户 不能保证使用链路的全部容量 如果有n条输入线路,帧内至少有n个固定的时间片 ,线路的速率必须是输入线路速率的n倍 13 2.5.2 时分多路复用 (2) 异步时分:又被称为统计时分复用技术,它能动态地 按需分配时间片,以避免每个帧中出现空闲时间片。 如果有n条输入线路,帧内至多需要有m个固定的时 间片,其中m小于n。 使用较低容量的链路支持与同步时分复用一样多的 输入线路。 异步:分配时间片是不固定的 所有输入线路的速率之和可能比通信容量大 14 寻址和额外开销 v 每个时间片必须携带一个地址(复用器添加)通知多路分解器如何为其中 数据定向。地址通常只是由少数比特组成 v 异步复用只有在时间片相对较大才有效。 15 2.5.3 密集波分多路复用 1 1、波分多路复用(、波分多路复用(WDMWDM) 采用的是波长分隔多路复用技术,在同一传输信道内传输多 路不同波长的光信号。WDM和FDM基本上都基于相同原理,所 不同的是WDM应用于光纤信道上的光波传输过程,而FDM应 用于电模拟传输。 图 波分多路复用原理 16 2.5.3 密集波分多路复用 2 2、密集波分多路复用、密集波分多路复用 密集波分多路复用(DWDM)是在WDM上发展起来的。最 初,在一根光纤上只能传送两路光波信号,CIENA首先推出了 16路信道系统,现在已能做到在一根光纤上复用80路甚至更多 路数的光载波信号。 图 密集波分多路复用原理示意图 复 用 器 0 1 2 3 4 5 6 7 1550nm 1551mn 1552nm 1553nm 1554nm 1555nm 1556nm 1557nm 1550nm 1551mn 1552nm 1553nm 1554nm 1555nm 1556nm 1557nm 0 1 2 3 4 5 6 7 20Gbps EDFA 120km 分 用 器 17 各种数据经过编码后在通信线路上进行传输,实现数据 通信。数据通信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直 接相连,但每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式 是不可能的,通常通过一个由多个结点组成的中间网络,把 数据从源结点转发到目的结点,实现相互通信。因此,数据 交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间的数据交 换问题。 电路交换电路交换 报文交换报文交换 分组交换分组交换 快速交换快速交换 H H H H 主机 通信子网 转发 结点 2.6 交换技术 18 2.6.1 电路交换 在传输任何数据之前,要先经过呼叫过程 建立一条端到端的电路。 在整个数据传输过程中,所建立的电路必 须始终保持连接状态。 数据传输结束后,由某一方发出拆除请求 然后逐节拆除到对方节点。 (1)电路建立 (2)数据传输 (3)电路拆除 1 1、电路交换概念、电路交换概念 电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换 方式。电路交换是面向连接的服务。 19 2.6.1 电路交换 源节点A交换节点1交换节点6 呼叫请求 呼叫应答 数据 数据 释放请求 释放应答 目的节点B 电 路 建 立 数 据 传 输 电 路 拆 除 源节点 A 目的节点 B 公用电话交换网 1 2 3 4 5 6 20 2.6.1 电路交换 2 2、电路交换的优点、电路交换的优点 (1) 连接建立后, 数据以固定的传输率传输, 传输延迟小。 (2) 由于物理线路被单独占用,故不可能发生冲突; (3) 适用于实时大批量连续的数据传输。 3 3、电路交换的缺点、电路交换的缺点 (1)对突发性通信不适应,系统效率低,系统不具有存储 数据的能力,不能平滑交通量。 (2) 连接建立后,由于线路是专用的,即使空闲,也不能 被其它设备使用造成一定的浪费。 (3) 对通信双方而言,必须做到双方的收发速度、编码方 法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。 21 2.6.2 报文交换 1 1、报文交换的工作原理报文交换的工作原理( (存储转发存储转发) ) 报文交换类似于发送信件,是以报文为单位发送信息,不 管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元,每个报文 由报头、正文和报尾3部分组成,报头中包含发送计算机的地址 和接收信息的计算机地址。通信子网根据报头目的地址选择路径 在两个结点之间的一段链路上逐段传输。 主机A主机B CCCD CG CA 通信子网 CF CB CE 图 报文交换过程 22 2.6.2 报文交换 2 2、报文交换的优点、报文交换的优点 电路利用率高。报文可以分时共享交换设备间的线路。 在电路交换网络上,当通信量变得很大时,就不能接受 新的呼叫。而在报文交换网络上,通信量大时仍然可以接收报 文,不过传送延迟会增加。 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地,而电 路交换网络很难做到这一点。 3 3、报文交换的缺点、报文交换的缺点 数据的传输延迟比较长,且延迟时间长短不一,因此不 适用于实时或交互式的通信系统。 当报文传输错误时,必须重传整个报文。 23 2.6.3 分组交换 分组交换是报文交换的改进,因而又称为报文分组交换。 它将报文分成若干个分组,每个分组的长度有一个上限,有限长 度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了,以提高交换速 度。分组交换适用于交互式通信,如终端与主机通信。 1010010101 0110011010 首部 数据首部 数据首部 数据 报文 分组 图 报文分组的组成 报文分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来 的,因而结合了两者的优点,并且有数据报方式和虚电路方式。 24 报文 分组交换的主要特点 v在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固 定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长 不便于传输 25 数 据数 据数 据 报文 添加首部构成分组 v每一个数据段前面添加上首部构成分组。 首部 首部 首部 分组 1 分组 2 分组 3 请注意:现在左边是“前面” 26 分组交换的传输单元 v分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 v依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左 边)。 数 据首部 分组 1 数 据首部 分组 2 数 据首部 分组 3 27 报文与分组 v数据通过通信子网传输时可以有报文(message )与分组(packet)两种方式; v报文传输:不管发送数据的长度是多少,都把 它当作一个逻辑单元发送; 缺点: 1)报文大小不一,造成缓冲区管理复杂。 2)大报文造成存储转发的延时过长; 3)出错后整个报文全部重发。 28 报文和报文分组结构 v 差错控制:由于分组长度较短,在传输出错时,检错容 易并且重发花费的时间较少; v 按照这种交换方式, 数据包有固定的长度。 因而交换结 点只要在内存中开辟一个小的缓冲区就可以了。 进行分 组交换时, 发送结点先要对传送的信息分组,对各个分组 编号, 加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。 这个过 程也叫信息的打包。 29 分组交换网的示意图 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组 注意分组路径的变化! 路由器 主机 流量控制 30 注意分组的存储转发过程 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组 路由器 主机 在路由器 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口 最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 31 三种交换的比较 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 报 文 报 文 报 文 A B C D A B C DA B C D 报文交换电路交换分组交换 t 连接建立 数据传送 报文 P2 P1 连接释放 数据传送 的特点 比特流直达终点 报文报文报文分组 分组 分组 存储 转发 存储 转发 存储 转发 存储 转发 3232 时延(delay 或 latency) v时延:一个报文或分组从一个网络(或一条链路) 的一端传送到另一端所需的时间。 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 B 结点 A 在发送器产生发送时延 (即传输时延) 在队列中产生 处理时延 数据 从结点 A 向结点 B 发送数据 链路 三种时延所产生的地方 33 2.6.3 分组交换 1 1、数据报方式(无连接)、数据报方式(无连接) 在数据报方式中子网接收主机A发送的报文经编址、拆卸 后分成若干分组, 设有3个分组P1、P2、P3。CA将根据子网当 前的通路情况及通信量情况,将分组P1、P2、P3沿不同的子网 路径发送出去,接收端将接收的分组重新组装成报文。这类服 务没有建立链路和拆除链路的过程。 图 数据报方式交换过程 主机A CCCD CG CA 通信子网 CF CB CE P1P2P3P3P2P1 P2 P1 P1 P2 P3 P3 P1 P3主机B 34 数据报方式datagram packet switching v数据报是分组存储转发的一种形式; v在数据报方式中,分组传送之间不需要预先在 源主机与目的主机之间建立“线路连接”; v源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择 一条传输路径; v每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输 路径到达目的主机。 35 Figure: Datagram packet switching 36 vThe header may also indicate a sequence number that the destination uses to verify that all the packets were received or to reorder them. v因此每一个带有相同目的地址的数据报,并非全 部沿着相同的路径,它们可以在网络目的节点不 按顺序到达,目的结点或网络出口点负责对数据 报进行重新排序。也有这种可能,数据报在网络 上被破坏,那么由目的结点或网络出口点来检测 数据报丢失,并决定如何恢复它。 3737 Datagram packet switching :Multiple Channels v Line efficiency:线路效率 Single node to node link can be shared by many packets over time Packets queued and transmitted as fast as possible 38 disadvantage vMay cause indefinite delay time 不确定的 时延 v一个给定的源和目的节点之间的各数据报可以沿 不同的路径,也可以在沿途的节点中经历不同的 时延,所以数据报的总时延可能变化很大。这种 被称为“抖动”(jitter)的现象对于一些应用 来说是不希望的。(例如在包括电话、语音和实 时图象的应用中) 39 数据报工作方式的特点 v同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通 过通信子网; v同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现 乱序、重复与丢失现象; v每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址 与源地址; v数据报方式报文传输延迟较大,适用于突发性 通信,不适用于长报文、会话式通信。 40 2.6.3 分组交换 2 2、虚电路方式(面向连接)、虚电路方式(面向连接) 虚电路方式是试图将数据报方式与电路交换方式结合起 来,发挥两种方法的优点,达到最佳的数据交换效果。与电路 交换方式类似,虚电路方式在数据传输前也要建立一条传输 通路,但这条通络是逻辑的而非物理的。 虚电路方式两个用户的终端设备在开始互相发送和接收 数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接,用户不需要 在发送和接收时清除连接。虚电路可以通过呼叫请求建立, 并要赋予虚电路号。子网中的结点之间就是通过虚电路号将 分组沿子网中的结点逐站传递。 4141 Switch Virtual Circuit v 在每次分组发送之前,必须在发送方与接收方之间建立一 条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路, 连接发送方与接收方的物理链路已经存在; 4242 42 Switched Virtual Circuit v 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送,因此报文分 组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时 不会出现丢失、重复与乱序的现象; v 分组通过虚电路上的每个结点时,结点只需要做差错检测,而 不需要做路径选择; 4343 Switched Virtual Circuit v通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚 电路连接。 44 2.6.3 分组交换 对对比的内容虚电电路数据报报 连连接的建立必须须有不要 目的站地址 仅仅在连连接建立阶阶段使用,每个分组组 使用短的虚电电路信号 每个分组组都有目的站 的全地址 路由选择选择 在虚电电路建立时进时进 行,所有分组组均 按同一路由 每个分组组都有独立选择选择 的路由 路由器出现现故障 所有通过过出故障的路由器的虚电电路 均不能工作 出故障的路由器可能对丢对丢 失 分组组,一些路由会发发生变变 化 分组组的顺顺序总总是按发发送顺顺序到达目的站 到达目的站时时可能不按 发发送顺顺序 端到端的差错错控制由通信子网负责负责由主机负责负责 端到端的流量控制由通信子网负责负责由主机负责负责 由于虚电路方式具有电路交换与分组交换技术的优点,因此 在计算机网络中得到了广泛的应用。虚电路服务与数据报服务的 主要区别如下表: 45 2.7 Interface:RS-232C vEIA是美国电子工业协会(Electronic Industries Association)英文名的缩写。EIA-RS-232C 接口是 由 EIA 制定的一种串行物理接口标准,其作用是 定义 DTE 设备和 DCE 设备间的接口。 DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备, 是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的 设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据 电路端接设备,它在 DTE 和传输线路之间提供信号 变换和编码的功能,并且负责建立、保持和释放数据 链路的连接。 4646 两个 DTE 通过 DCE 进行通信的例子 v DTE产生数据,并连同必要的控制字符一起传送给DCE。DCE 将信号转化成适合于传输介质的形式并将它发送到网络中 。当信号到达另一端时,将发生相反的过程。 EIA-232/ V.24 接口 调制解调器 DTE-ADTE-B DCE-ADCE-B EIA-232/ V.
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