信道复用技术图解.docx

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信道复用技术图解

信道复用技术[图解]

Ø提出信道（多路）复用技术的基本原因

Ø通信线路的架设费用较高，需要尽可能地充分使用每个信道的容量，尽可能不重复建设通信线路；

Ø一个物理信道（传输介质）所具有的通信容量往往大于单个通信过程所需要的容量要求，如果一个物理信道仅仅为一个通信过程服务，必然会造成信道容量资源的浪费。

Ø信道（多路）复用技术实现的基本原理

把一个物理信道按一定的机制划分为多个互不干扰互不影响的逻辑信道，每个逻辑信道各自为一个通信过程服务，每个逻辑信道均占用物理信道的一部分通信容量。

 Ø实现信道多路复用技术的关键

Ø发送端如何把多个不同通信过程的数据（信号）合成在一起送到信道上一并传输

Ø接收端如何把从信道上收到的复合信号中分离出属于不同通信过程的信号（数据）

Ø实现多路复用技术的核心设备

Ø多路复用器（Multiplexer）：

在发送端根据某种约定的规则把多个低速（低带宽）的信号合成一个高速（高带宽）的信号；

Ø多路分配器（Demultiplexer）：

在接收端根据同一规划把高速信号分解成多个低速信号。

多路复用器和多路分配器统称为多路器（MUX）：

在半双工和全双工通信系统中，参与多路复用的通信设备通过一定的接口连接到多路器上，利用多路器中的复用器和分配器实现数据的发送和接收。

信道复用技术的类型：

FDM技术：

 Ø频分多路复用（FDM：

FrequencyDivisionMultiplexing）技术的适用领域

Ø采用频带传输技术的模拟通信系统，如：

广播电视系统、有线电视系统、载波电话通信系统等；

ØFDM技术的基本原理

Ø把物理信道的整个带宽按一定的原则划分为多个子频带，每个子频带用作一个逻辑信道传输一路数据信号，为避免相邻子频带之间的相互串扰影响，一般在两个相邻的子频带之间流出一部分空白频带（保护频带）；每个子频带的中心频率用作载波频率，使用一定的调制技术把需要传输的信号调制到指定的子频带载波中，再把所有调制过的信号合成在一起进行传输。

接收端各路信号的区分：

依赖于载波中心频率。

TDM技术：

 Ø时分多路复用（TDM：

TimeDivisionMultiplexing）技术的适用领域

Ø采用基带传输的数字通信系统，如计算机网络系统、现代移动通信系统等；

ØTDM技术的基本原理

Ø由于基带传输系统采用串行传输的方法传输数字信号，不能在带宽上划分。

ØTDM技术在信道使用时间上进行划分，按一定原则把信道连续使用时间划分为一个个很小的时间片，把各个时间片分配给不同的通信过程使用；

由于时间片的划分一般较短暂，可以想象成把整个物理信道划分成了多个逻辑信道交给各个不同的通信过程来使用，相互之间没有任何影响，相邻时间片之间没有重叠，一般也无须隔离，信道利用率更高。

STDM

ATDM

WDM技术：

 Ø波分多路复用（WDM：

WaveDivisionMultiplexing）技术的适用领域

Ø使用光纤传输介质的光信号通信系统；

ØWDM技术的基本原理

Ø类似于FDM，采用波长分割技术实现多路复用，实现时采用光学系统的衍射光栅原理进行不同波长的光波信号的合成与分解，这是光通讯网络的基本核心技术。

接收端各路信号的区分：

依赖于光信号的波长（频率）。

看透电路交换技术

Ø电路交换（CircuitExchange）又称线路交换，是最古老而原始的数据交换技术，主要运用于传统的电话通信系统。

Ø电路交换技术的基本原理

Ø通信双方在数据传输与交换之前必须在通信子网中建立一条实际的物理电路，该电路是由通信双方节点与通信子网中连接这两个节点的一系列中间交换节点之间的一系列连接序列共同组成的。

Ø通信双方之间的电路一旦建立成功便交给这两个节点独占使用以实施数据的传输与交换工作，直到一次通信过程结束才能结束这种独占状态。

这是一种典型的“面向连接”的通信模式。

ØⅠ、电路建立阶段

Ø为数据传输建立一条“独占”的物理连接通路。

呼叫方发出请求，交换系统根据地址和一定的路由算法确立连接经过的中间节点，被叫方应答；

ØⅡ、数据传输阶段

Ø独占使用的连接成为数据传输的信道，通信双方可采用一定的通信模式实施数据的传输。

Ø数据在经过中间交换节点时不作任何处理而是直接送达目的节点，即中间交换节点不参与数据传输阶段的任何工作，这个阶段它唯一的工作就是维持连接的有效性，保证数据传输信道的畅通。

ØⅢ、电路释放阶段

Ø数据传输结束后，发送方向接收方发出释放连接的请求，在收到所有数据后，接收方收到释放请求即向对方发出应答信号，电路连接随即释放。

Ø释放电路的目的：

为其他通信过程提供建立电路连接的可能性，提高整个通信系统的效率。

Ø连接一旦释放就代表一次通信过程的结束，如通信双方需要再一次通信，则必须重新建立连接重复三个阶段工作，由于网络的复杂性等因素可能导致两次建立的连接所经过的路线不完全一样，这并不会影响通信过程的进行，而且通信双方也无须知道这个情况。

电路交换的技术特点：

 ØⅠ、物理电路连接的建立通过网络中的中间交换节点完成，这些交换节点设备往往由机械或电子式的开关矩阵构成，接通某个开关就形成一个链路，打开就释放某个链路，链路开关的控制可以用手工方式也可用软件方式实现；

ØⅡ、物理电路连接一旦建立成功就被独占使用直到被释放，即使通信过程中没有数据传输或交换数据量很小，整个系统的利用率较低；

ØⅢ、各个中间交换节点仅参与连接的建立、释放与维持工作，对通信过程中传输的任何数据不做任何处理，不存储数据，不改变数据，也不做差错检测；

ØⅣ、由于独占信道实施通信，可大幅度提高数据传输性能，通信可靠性较高，不会产生冲突，无须差错控制，适用于实时数据通信或交互性较强的通信系统中，又由于每次通信需要“漫长的”建立和释放连接，不适用于突发性较高的通信系统；

ØⅤ、电路连接的建立和释放需要一定的时间，因而会产生延迟，有时可能有数秒的延迟，但连接一旦建立成功在数据传输的过程中，由于中间节点不做数据处理，因此不会产生额外的延迟，系统实时响应能力较强；

ØⅥ、电路交换是面向（物理）连接的数据交换技术，线路利用率较低，通信系统总体效率不高，适用于低带宽模拟通信系统。

从电路交换技术到存储转发交换技术

存储转发交换技术在传统电路交换技术的基础上提出了新的理念：

Ø在存储转发交换网络中，数据在传输过程中要通过中间交换节点进行动态的路由选择，为此须在所传输的数据中加入必要的控制信息作为路由选择依据，这些控制信息中一般包含通信双方的网络地址，路由选择根据信宿的网络地址实现，而差错控制等需要信源的网络地址；

Ø在电路交换技术中，通信控制信息仅在电路连接的建立与释放阶段使用，在数据传输阶段是不需要任何控制信息。

电路交换技术的通信过程主要由通信双方节点实施，中间节点仅负责建立、维护与释放通信使用的信道连接，而存储转发交换技术中，不仅通信双方的节点要积极参与通信的整个过程，而且中间交换节点（组成通信路径的节点）也要参与整个通信过程。

 Ø由于通信子网中的通信控制处理机可以存储数据，因此多个通信过程传输的数据可以共享通信信道，线路利用率高。

Ø通信控制处理机具有路由选择功能，可动态选择数据通过通信子网的最佳路径，同时可平滑通信量，提高系统效率。

Ø数据在通过通信子网的通信控制处理机时可以进行差错控制和纠错处理，由此可以减少传输错误，提高系统可靠性。

通过通信控制处理机的存储与转发，可以实现对不同通信速率的通信线路进行速率转换，也可以实现对不同数据代码格式的转换。

 Ø电路交换系统中，当通信量较大时很易导致某个通信所需的连接不能建立从而产生堵塞现象，使某个通信过程不能进行，而存储转发交换系统的通信过程似乎总能实施，当通信量大时产生的通信延迟会越大，延迟时间达到一定的值也会造成网络堵塞，可以在网络中实施流量控制机制确保不会发生堵塞；

在存储转发交换网络中可以使用优先级控制机制，优先级主要通过通信处理机的有关数据处理策略来实现，当然在所传输的数据包中必须包含有关的优先级控制信息。

Ø一次通信过程所需传输和交换的数据（用户载荷数据）加上必要的通信控制信息共同组成一次通信过程实际传输和交换的数据包，在技术上这个数据包称之为报文（Message）。

Ø当一个报文包含的数据量太多不适合在某网络系统中传输时，可把报文按一定原则切割成多个较小的组成单元，每个单元各自加上必要的通信控制信息，这样组成一个称为分组（Packet）的传输单元在网络系统传输。

一个报文的所有分组均被接收方正确收到后，在信宿处完成报文的组装工作，中间交换节点只处理单个分组，不进行分组的组装工作，这样做的目的是提高数据传输的效率和数据的安全性。

存储转发交换技术的种类：

报文交换与分组交换

 报文交换技术：

Ø通信双方能够实施通信进行报文传输与交换的前提与电路交换网络是一致的，即双方之间至少存在一条数据传输的通路，这些通路可能需要跨越多个中间节点；

Ø信源节点在通信之前必须准备好要传输和交换的数据包——报文Message

Ø一次通信所需交换的所有用户数据，加上必要的通信控制数据，如通信双方的网络地址、数据报的编号、校验数据等。

Ø报文的具体构成格式必须得到通信双方和网络中所有的通信控制处理机的认可与理解，即采用相同的通信协议。

 Ø如果信宿与信源是相邻节点（在同一个物理网络中），则信源在准备好报文后即可启动通信过程把报文直接投递给信宿——简单交换。

Ø如果信宿与信源需要通过中间节点连接，则信源启动通信过程后，首先通过一定的路由机制把报文投递给与之相邻的合适的中间节点，该节点接收数据报文并存储，在此基础上对该报文做必要的处理，根据报文中的相关数据和路由机制为该报文选择下一个合适的投递节点后把报文转发给该节点。

依此类推，直至把报文最终投递到信宿——复杂交换。

报文交换技术的局限性：

ØⅠ、由于一次通信所需交换的数据量往往比较大，对网络中的通信控制处理机的存储与处理能力提出了较高的要求，使通信成本提高，通信延迟增加，很容易造成网络堵塞，系统灵活性与可靠性下降；

ØⅡ、由于一次通信的数据量较大，导致在传输过程中发生差错的可能性增大，用于差错检测的时间也比较长，一旦发生差错需要重新传输整个报文，大幅降低系统效率；

ØⅢ、这种交换技术不适合交互性要求较高、突发性数据较多的通信领域，如现代计算机网络系统。

 分组交换技术：

Ø分组交换网络中对每次传输与交换的数据包的大小有明确的限制，目的是提高通信系统的灵活性与可靠性，也是为了降低通信控制处理机的性能要求，提高通信系统的通信效率，降低网络堵塞的可能性。

Ø当一次通信过程所需传输与交换的报文Message超过最大分组的要求，就按一定的分组长度对该报文进行分割，把一个大的报文分割成多个较小的分组Packet。

Ø每个分组中必须各自包含类似于报文中的有关通信控制数据。

另外为了能使接收方收到所有属于同一个报文的分组后能正确地组装出报文，在每个分组中还必须包含该分组所在报文的编号以及该分组的序号。

如果报文长度较小则直接组装成一个分组进行传输与交换。

Ø当信源节点把一次通信所需的分组准备好后，即可启动通信过程实施分组的投递与数据的交换，具体实现方式又有两种不同的技术，即数据报方式和虚电路方式；

Ø不管是数据报方式还是虚电路方式，目的都是把一次通信过程的所有分组正确地送达信宿；

Ø分组交换技术必须完成分组组装成报文的工作，该工作仅在信宿进行，任何中间节点不进行该项工作，中间节点仅负责正确地转发每一个分组而不管该分组到底属于哪一个报文。

分组交换技术的特点：

 ØⅠ、在一个通信繁忙的分组交换网络中，由于需要交换的分组数量很大，极易造成堵塞现象，应采用流量控制机制来解决；

ØⅡ、报文的分组与重组都需要耗费一定的时间，会降低整个通信过程的效率，但好在报文的分组仅发生在信源处，报文的重组仅发生在信宿处，对整个通信子网的运行没有影响，相反由于分组一般较小，更大地提高了通信子网的处理效率；

ØⅢ、属于同一个报文的每个分组都必须加上一定的通信控制数据，造成重复的额外开销；

ØⅣ、分组在传输过程可能会造成丢失、破坏、乱序等问题，必须采用一定的措施解决。

关于奇偶校验

Ø奇偶校验原理：

通过计算数据中“1”的个数是奇数还是偶数来判断数据的正确性。

在被校验的数据后加一位校验位或校验字符用作校验码实现校验。

Ø校验位的生成方法

Ø奇校验：

确保整个被传输的数据中“1”的个数是奇数个，即载荷数据中“1”的个数是奇数个时校验位填“0”，否则填“1”；

偶校验：

确保整个被传输的数据中“1”的个数是偶数个，即载荷数据中“1”的个数是奇数个时校验位填“1”，否则填“0”。

Ø使用奇偶校验码校验的特点：

Ø校验处理过程简单，但如果数据中发生多位数据错误就可能检测不出来，更检测不到错误发生在哪一位；主要应用于低速数字通信系统中，一般异步传输模式选用偶校验，同步传输模式选用奇校验。

Ø按校验的数据量和生成校验码的方式分三类

Ø垂直奇偶校验码：

以一个字符作为校验单位纵向生成校验码位；

Ø水平奇偶校验码：

以多个字符作为校验单位横向生成校验码位；

Ø水平垂直冗余校验码（方阵校验码）：

以多个字符作为校验单位水平垂直两个方向共同生成校验字符。

Ø垂直奇偶校验码是以单个字符为校验单位生成的一种校验码。

——如何理解垂直？

Ø例如使用ASCII编码的一个字符由8bit组成，其中低7bit为信息位，最高1bit作为校验位。

Ø假设某一字符的标准ASCII编码为0011000，根据奇偶校验规则，如果采用奇校验，则校验位应为1（这样字符中1的个数才能为奇数），即00110001；如果采用偶校验，校验位应为0，即00110000。

垂直奇偶校验码的特点：

校验处理过程简单，但如果字符中发生偶数位的错误就检测不出来，也检测不到错误发生在哪一位。

水平奇偶校验码是以字符组为校验单位而生成，对一组字符中的相同位进行校验。

数据传输还是以字符为单位传输，传输按字符顺序一个个的进行，最后进行校验。

——如何理解水平？

Ø水平垂直奇偶校验码又叫方阵码。

Ø生成方法：

以若干个字符作为一个校验单位。

每个字符各自生成一个垂直奇偶校验码，再为每个字符的相同位及其垂直奇偶校验码生成水平奇偶校验码，这些校验码形成一个校验字符，附加在被校验字符的后面一并传输到接收方，该校验字符即称为方阵校验码。

Ø校验特点：

一次能校验更多的数据，效率较高，系统实现也比较简单，检测可靠性有所提高，但仍然不能检测出所有的错误。

关于CRC校验

ØCRC校验是以多位数据比特流作为一个校验单位，校验码通过一个特殊的除法运算生成；信源将校验码附加在数据之后一并传输到信宿，由信宿进行校验。

ØCRC校验码的基本生成方法：

Ø把被校验的数据比特流看作是一个多项式，记为F（x）；通信双方约定一个校验码的生成多项式，记为G（x），该多项式的最高位为第k位；

ØF（x）*xk/G（x）所得的余数记为R（x）即为校验码；

Ø实际传输的数据为：

F（x）*xk+R（x）；

Ø接收方收到的数据多项式记为F′（x），然后根据计算F′（x）/G（x）的余数判断接收的数据是否有误。

Ø除数即生成多项式的基本要求是最高位和最低位是1，由通信双方所用通信协议约定；

Ø目前常用的国际标准有以下几种：

ØCRC-12：

G（x）=x12+x11+x3+x2+1（k=12）

ØCRC-16：

G（x）=x16+x15+x2+1（k=16）

ØCRC-32：

G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1（k=32）

ØCRC-CCITT：

G（x）=x16+x12+x5+1（k=16）

Ø局域网中一般采用CRC-32。

Ø被除数由所需校验的比特流形成的多项式f（x）乘以xk得到，即把被校验的数据左移k位而得到被除数：

F（x）*xk

ØCRC校验码就是F（x）*xk/G（x）得到的余数，注意：

在做除法的过程中，加减法没有进位借位，实际作的是异或运算（XOR），也即所谓的模二除法；

Ø模二除法运算可通过软件的方式实现，但效率较低，当前通信系统中一般使用专门的硬件电路实现。

 示例：

Ø设要校验的数据流为：

110011（6bits）

Ø约定的生成多项式为：

11001（k=4，5bits）

ØF（x）=110011,F（x）*xk=1100110000,G（x）=11001

Ø1100110000/11001根据模二除法所得的余数R（x）为：

1001

Ø实际发送的数据为：

1100111001

Ø假设收到的数据F’（x）为：

1100111001

ØF’（x）/G（x）的模二除法余数为0

Ø结论：

接收到的数据没有错误！

单个集线器组建网络[图解]

多个集线器组建网络[图解]

路由器的功能与工作原理

Ø路由器Router和交换机一样是多端口网络设备，撇开具体工作原理来看，路由器和交换机实现的功能有些类似，即把来自一个端口的数据交换转发到另一个端口，但具体实现方式有重大的差别：

Ø交换机工作在OSI/RM的第二层数据链路层，依赖物理地址（如MAC地址）实现数据转发策略，每个交换端口物理网络特性一致。

Ø路由器工作在OSI/RM的第三层网络层，依赖逻辑地址（如IP地址）实现数据转发策略，可见路由器的转发速率低于交换机，每个路由端口可不一致。

Ø路由器把从一个路由端口接收到的数据包通过指定的另一个路由端口转发到其他合适的网络或接收者，这个过程对于互连网而言实际上是一个选择数据包投递路径的过程，用“路由Route”这个术语描述这个过程。

Ø交换机数据转发的依据是物理地址（MAC地址）-交换端口映射表，该表中的数据纪录由交换机动态学习获得或由网络管理员手工静态输入。

Ø路由器实施路由和数据包转发的依据是路由表，该表中的每个记录描述了到达一个指定网络或接收者的路由/转发信息，这些记录数据由支持路由器工作的路由协议动态学习获得或由网络管理员手工静态输入。

Ø路由器的基本任务是实现网络之间数据路由转发，但当前路由器的这种咽喉作用已经更进一步了，即这种咽喉装置是可以进一步人为控制的，由此为路由器增加了一系列的控制机制，用以实现大量的路由器增值功能，诸如安全控制、网络计费等。

Ø控制机制的实现是路由器的第二项基本任务，它的实现需要付出一定的代价，这进一步降低了路由器的性能。

Ø为了确保网络性能，各个路由器都在努力提高路由器处理数据的能力和速度。

路由器实际上就是一台具有多个网络端口的专门实现路由功能的计算机系统，为了确保性能，好的路由器都是采用专门的处理芯片（ASIC）和相应的专门软件来实现各种功能的。

Ø事实上也可以用一般的计算机来充当路由器，方法是在计算机中根据需要安装多个网络接口（称为多宿主计算机），再通过一定的路由软件来实现路由器功能，这种模拟路由器没有专业路由器设备性能好，但是成本相对来说低很多，能满足一般网络需求。

Ø支持路由器工作的基本网络协议分为两块：

Ø<1>、支持每个路由端口工作的各层协议：

Ø物理层协议、数据链路层协议：

构成每个路由端口的物理网络特性，与该端口相连的物理网络一致。

路由器提供的多个路由端口的物理网络特性可能不同，一般简单分为LAN端口和WAN端口两种。

Ø网络层协议：

这是实现路由器基本的网络间数据路由转发功能的根本，这些协议必须是可被路由的协议。

常见的路由器仅支持一种网络层协议，即IP协议，但也有支持其他协议的路由器，而高档的路由器能同时支持多种网络层协议，称为多协议路由器。

连接在每个路由端口上的网络在网络层必须使用和路由器一致的协议。

Ø<2>、路由协议：

Ø路由协议的基本作用是生成和管理路由表，这是支持路由器工作的核心协议，是决定路由器性能和应用领域的决定性因素之一，也是选择路由器的重要参考指标之一。

Ø不同的路由协议各自采用不同的策略和算法获取路由信息，相应的路由能力和性能也不同。

Ø常见的路由协议分为两类：

Ø内部网关协议IGP（InternalGatewayProtocol）：

RIP、OSPF等

Ø外部网关协议EGP（ExternalGatewayProtocol）：

EGP、BGP等

Ø路由协议RoutingProtocol和路由端口网络层的被路由协议RoutedProtocol之间需相互合作才能完成路由器的工作。