2-3物理层(信道复用技术与交换技术)

课题：信道复用技术与交换技术目的要求：掌握信道复用技术和交换技术教学重点：信道复用技术、交换技术教学难点：交换技术教学课时：2教学方法：讲授、演示本次课涉及的学术前沿：宽带接入与无线通信教学内容与步骤：共享信道信道复用技术频分复用、时分复用和统计时分复用复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术案例：IP电话频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5频分多路复用（FDM）频分多路复用FDM波分多路复用波分多路复用是利用光域上的频分复用技术，实现在一根光纤上同时传输多路光信号的光通信技术，是FDM在光纤通道上的一个变种。两根光纤连接到一个棱柱(或衍射光栅)，每根的能量处于不同的波段。两束光通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤上，传送到另一端再将他们进行分解。一根光束信号上的能量常常仅仅有几GHz宽，因为现在不可能在光电介质之间作更快的转换。而一根光纤的带宽大约是25000GHz，因此可以将很多信道复用到长距离光纤上，如图2-18所示。波分多路以其系统容量大、光纤利用率高、传输距离长、线路传输设备简单、扩容升级方便等优点，已成为提供超高速、大容量光纤通信的最佳方案。图2-18波分多路复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧同步时分多路复用和异步时分多路复用同步时分多路复用是指分配给每个终端数据源的时隙是固定的，不管该终端是否有数据发送，属于该终端的时隙都不能被其他终端占用，从而造成信道容量的浪费。因为终端和时隙是“对号入座”的，所以它们是“同步”的。异步时分多路复用又称统计时分多路复用，简称STDM，允许动态地分配时隙，如果某个终端不发送信息，则其他的终端可以占用该时隙，实行“按需分配”，即只对那些需要传送信息或正在工作的终端才分配给时隙，这样就使所有的时隙都能饱满地得到使用，可以使服务的终端数大于时隙的个数，提高了介质的利用率，从而起到了“复用”的作用。时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。统计时分复用的仲裁机制排队竞争统计时分复用STDM(StatisticTDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用数据交换技术概述对于广域网一般都采用点到点信道，而点到点信道使用存储转发的方式来传送数据，也就是说从源结点到目的结点的数据通信需要经过若干个中间结点的转接。传统的数据交换技术主要有三种类型：电路交换、报文交换和分组交换。而随着人们对可视电话、可视图文、图象通信和多媒体等宽带业务的需求，也将大大地推动异步传输技术(ATM)、同步数字系列技术(SDH)以及宽带用户接入网技术的不断进步和广泛应用。交换技术是采用交换机或节点机等交换系统，通过路由选择技术在欲进行通信的双往方间建立物理的逻辑的连接，形成一条通信电路，实现通信双方的住处传输和交换的一种技术。交换网络的拓扑结构路线交换技术路线交换就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路，在两个站之间有一个实际的物理连接。线路交换方式包括三种状态：线路建立、数据传送、线路拆除。线路交换效率可能很低,延时就比较小报文交换（messageswitching）在报文交换中，不需要在两个站之间建立一条专用通路。相反，如果一个站想要发送一个报文（信息的一个逻辑单位），它把一个目的地址附加在报文上，然后把报文从结点到结点地通过网络。在每个结点中，接收整个报文，暂存这个报文，然后发送到下一个结点。存储转发原理并非完全新的概念在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。分组交换（packetswitching）分组交换在形式上非常像报文交换，只是在分组交换网络中要限制所传输的数据单元的长度。数据报（DATAGRAM）;虚电路（VIRTUALCLRCUIT）分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。三种交换的比较报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文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数据报分组交换在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的，每一个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个结点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和结点所储存的路由信息进行比较，从中找出一条合适的数据报转发路径，从而将数据报原样地发送到下一个结点。每个结点选择数据报通路中的下一个结点，接收相邻结点的描述信息以及处理连接失败等，所以有相同目的地址的数据报可能会沿不同的路径发送，而且它们也有可能被发送到网络出口结点。丢失由目的结点或出口结点来检测并恢复。每个数据报都会得到独立处理。有时，人们将数据报称为包。在整个过程中，没有虚电路的建立，但是要为每个数据报做路由选择。数据报分组交换特点（DATAGRAM）在发送端将分组按顺序发送，各个分组按自己的路由被传送到接收端，接收端再重新按顺序将各个数据报排列。虚电路分组交换在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源结点和目的结点之间要先建立一条逻辑通路，每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上，每个结点都知道把这些分组传送到哪里去，不再需要路由选择判定。最后，由某一个站用清除请求分组的方法来结束这次连接，它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。虚电路分组交换的主要特点是在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路，但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个结点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。因此虚电路技术不必为每个包进行路线裁决，对所有的包而言，裁决只进行一次。在数据传送之前建立一条站与站之间的路径。数据报避免了呼叫建立状态，特别可靠。虚电路则适合一段连续时间内有数据交换的情形。虚电路（VIRTUALCLRCUIT）数据报服务和虚电路服务数据报服务的特点:网络随时都可以接收主机发送的分组(数据报);网络为每个分组独立的选择路由;网络只是尽最大努力地将分组交付给目的主机,但对源主机没有任何承诺;网络不保证所传送的分组不丢失,也不保证按原主机发送分组的先后顺序以及在多长的时限内必须将分组交付给目的主机.当网络发生拥塞时,网络中的某个节点可以将一些分组丢弃.数据报提供的服务是不可靠的,不能保证服务质量.虚电路服务的特点:源主机先向目的主机发出一个特定格式的控制信息分组,要求进行通信,同时也寻找一条合适的路由;目的主机同意通信就发回响应,然回双方就建立了虚电路并可传送数据.由于采用了存储转发技术,这种虚电路和电路交换的连接有很大的不同.网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道.所有发送的分组都按发送的前后顺序进入管道,然后按照先进先出的原则沿此管道传送到目的主机.到达目的站的分组不会因网络出现拥塞而丢失,也不会乱序.虚电路服务对通信的服务质量有较好的保证.几种交换方式的比较电路交换在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除(释放)之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。报文交换中的报文从源点传送到目的地采用“存储—转发”的方式，报文需要排队。因此报文交换不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了分组的最大长度。分组交换技术中的虚电路分组交换和数据报方式是目前在数据网中最广泛使用的两种交换技术，适用于交换中等或大量数据的情况。数据报方式的一大优势在于不需要呼叫阶段，更加基本和灵活，传输更为可靠。虚电路适合于两个工作站之间在很长一段时间内需要交换数据的情况，另外由于不需要在每个结点对每个包进行路线裁决，因此数据包可以更迅速地传输。其它交换技术1.异步传输模式异步传输模式ATM是用于宽带综合业务数字网的一种交换技术，是在分组交换基础上发展起来的，它使用固定长度分组，每个信元由53个字节组成，其中前5个字节包含信元头信息，其余的48个字节为有效负载，并使用空闲信元来填充信道，从而使信道被分为等长的时间小段。由于光纤通信提供了低误码率的传输通道，因而流量控制和差错控制便可移到用户终端，网络只负责信息的交换和传送，从而使传输时延减小，所以ATM适用于高速数据交换业务。ATM是异步的，采用端结点间点到点的连接和交换技术，ATM技术组建的综合业务数字网是集语音、数据、图文传真、可视电话等各种业务为一体的网络，适用于不同的带宽要求和多样的业务要求。2.帧中继帧中继(FrameRelay)是一种从X.25分组技术派生出来的，利用帧对数据进行封装，使之在网络中传输，并可使多个用户同时使用一条线路的数据业务。它的网络时延与数据传送速率可与高质量的专线线路相比，而且在一条物理连接上能够提供众多的逻辑连接(永久虚电路PVC和交换虚电路SVC)，从而大大提高线路及带宽的利用率。帧中继在原理上包含了错误检查机制，但是没有纠错功能。检查数据是否丢失是通信主机的职责，很可能是通过TCP或是其他传输协议来控制的。帧中继采用统计复用方式，系统并不事先给PVC分配带宽，带宽实际上是以帧为基本单位进行动态分配，并且允许用户突发占用带宽，提高了带宽的利用率。作业P150第25、26题教学总结：本讲讲解信道复用技术与交换技术基础。下一讲讲解传输介质。