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網絡中的交換、復用和編碼技術應用

2019-11-05 01:29:44
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來源：轉載
供稿：網友
交換、復用和編碼是計算機網絡技術中幾個非常重要的技術。本期，我們就關注一下這些技術的內容和應用情況。
　　
　　提升傳輸質量和效率的交換技術
　　
　　首先要明確為什么需要交換技術。在長距離通信連接中用并行傳輸是不可能的，一是并行傳輸需要多條并行的傳輸線路，所需成本比較高；二是并行傳輸的控制十分復雜，不易實現。所以在計算機網絡中的傳輸采用的是串行傳輸。
　　
　　計算機網路的連接在拓撲上是四通八達的，不可能也不需要在每一對發送方和接收方之間都鋪設專用的傳輸線路，這就需要在多個站點相同方向上傳輸到一定的距離后，根據目的地址實現分支（轉接）選擇，再通向不同的站點。還有信號在傳輸介質上傳輸有衰減，在傳輸過程中也輕易受到干擾，這也需有一個中繼節點，在中繼節點上修復整形和補充能量，使得信號能夠以正確的外形和足夠的能量繼續在線路上傳輸。完成以上對信號的轉接，以及對信號修復整形和補充能量就需要交換操作。
　　
　　根據所傳輸信號內容的不同要求，需要相應的交換技術，交換技術的發展與通信和計算機網絡技術的應用緊密聯系。按照交換技術發展的順序講述，目前使用的交換技術有：電路交換、報文交換、分組交換、信元交換。計算機網絡中主要采用分組交換和信元交換。
　　
　　根據通信雙方在通信之前是否需要先建立連接考慮，交換技術提供的服務分為面向連接的和無連接的。電路交換、信元交換、虛電路分組交換是面向連接的，報文交換、數據報分組交換是無連接的。
　　
　　電路交換
　　
　　電路交換是最早使用的交換技術，主要用在電話業務，雙方在通話之前建立通話連接，在通話過程中一直獨占該連接線路，通話結束時釋放該連接。電話交換適合實時、較長時間連續有信息傳輸的應用。
　　
　　報文交換
　　
　　報文交換主要用在早期的電報業務，雙方在通信之前不需要建立連接，報文交換采用了存儲、轉發的概念，通信網絡中經過的中間節點完整的接收下整個報文，然后根據目的地址轉發該報文。若報文在傳輸過程中出錯，則需要重新傳輸整個報文。隨著通信和計算機網絡技術應用的發展，電報業務已經退出了應用。
　　
　　分組交換
　　
　　計算機網絡中傳輸的數據信息是不確定和突發性的，若采用電路交換，獨占一條連接，則信道的利用率是很低的。而采用報文交換，在出錯時重新傳輸整個報文所需的時延是很長的，并且在節點之間傳輸整個報文的過程可以看作是串行的，在傳輸路徑上報文沒有到達的節點是處在空閑狀態的。
　　
　　分組交換適應計算機網絡中數據的傳輸，也采用存儲、轉發的概念，把所要傳輸的數據（報文）分成長度固定的分組（單元），在節點之間交換分組有以下優點：一是可以減小交換的時延；二是出錯時，只重傳出錯的分組，重新傳輸的數據量??；三是在傳輸路徑上經過的節點可以經過一段時間后實現同時（并行）交換分組，提高了交換效率。
　　
　　分組交換根據提供的服務又分為虛電路分組交換和數據報分組交換。虛電路分組交換提供面向連接的服務，之所以為“虛”是與電路交換區分，該交換并不是一直獨占連接，采用的是存儲轉發技術，分組在建立好的“虛”連接上有序的、經過規定好的節點傳輸。數據報分組交換是無連接的，每個分組攜帶完整的目的地址，傳輸過程中所經過的交換節點可能會不同，分組到達目的節點順序可能會不一致，這就需要在目的節點重新排序，排好序后交給目的主機。根據計算機網絡體系結構的層次劃分，分組交換的層次是在網絡層。
　　
　　因特網中采用TCP/ip協議，IP協議數據單元使用數據報分組服務，是無連接的，提供“盡力交付”的傳輸服務。這是與因特網的發展和應用特點相關的。
　　
　　信元交換
　　
　　信元交換用在ATM網絡中，信元也稱為快速分組，信元的長度為53字節，信元頭5字節，信息域48字節。信元是一個協議數據單元PDU，信元頭對應控制部分，信息域對應數據部分。信元交換也與存儲轉發相聯系。由于信元的長度更小，交換所需的時延更少。信元交換的路由信息由信元頭部中的虛通路VP、虛電路VC標識。在ATM網絡中信元交換的層次是在物理層。
　　
　　提高傳輸能力的復用技術
　　
　　計算機網絡中在信道技術和層次技術中采用復用技術。
　　
　　若單個信道的傳輸能力大于一路信號所需要的能力時，可以把一個信道劃分為多個子信道，信道復用常采用的技術有：頻分復用FDM、時分復用TDM、波分WDM、碼分多址復用CDMA。
　　
　　在TCP/IP計算機網絡層次技術使用套接字Socket（IP地址＋端口號），標識不同的應用進程，復用到IP協議上。目前在因特網上的應用有200多個，通過使用不同的端口號區分，實現復用和分解，端口號分為三類：熟知的0 255，由IETF（互聯網工程任務組）規定，對應目前因特網的大部分應用，例如端口號80標識超文本傳輸協議HTTP、端口號25標識簡單電子郵件傳輸協議SMTP等；指定的256 1023，為進一步擴展因特網應用留用；用戶定義的1024 65535，用戶在進行網絡應用編程時可以指定和使用。這些應用層的協議通過對應端口號復用到一個IP協議上。
　　
　　頻分復用
　　
　　信道是信號的通路，由傳輸介質構成的傳輸信道對所通過信號的頻率具有敏感性，即對信號的最低頻率和最高頻率有限制，信道所可以傳輸信號的最高頻率與最低頻率之間的差值就是該信道的帶寬。根據奈奎斯特定理，信道的帶寬與信道的容量成正比，信道容量與信道的最大數據傳輸率相聯系，有時把信道的帶寬與信道的容量等同起來考慮。
　　
　　若一個信道的帶寬比較寬，而傳輸一路信號所需的帶寬比較窄，可以通過頻分復用技術（FDM，Frequency Division Multiplexing），把信道劃分為多個子信道，把每一路信號搬到對應的子信道頻帶傳輸，各個子信道之間由小的隔離頻帶間隔。人們日常生活中的有線電視電纜系統就是采用頻分復用的例子，可以在同軸電纜一根線上同時傳輸幾十路電視信號。

　　
　　在頻帶傳輸中使用頻分復用，頻帶傳輸中傳輸的是模擬信號。在頻分復用中，多路信號在對應的子信道上的傳輸在時間上是同時的，但在頻率上是不同的。FDM會限制一路信號使用的帶寬。
　　
　　時分復用
　　
　　若一個信道的數據傳輸率很高，而一路信號的數據傳輸率很低，可以通過時分復用技術（TDM，Time Division Multiplexing），把對該信道的使用時間劃分為多個時間幀，進一步把時間幀劃分為N個時間隙（時間間隔）。這些時間間隔寬度是相等的，把每一個時間隙分配給不同的每一路信號，構成多個子信道，把多個信號順序插入所劃分的信道時間間隔傳輸，從而實現在一個信道上同時傳輸多路信號。時分復用循環使用時間幀，各路信號循環順序插入時間幀中的時間隙傳輸。時分復用在傳輸時，每一路信號與其它路信號的時間間隔是固定的，這一傳輸特性也稱為同步傳輸模式STM，，TDM是同步時分復用。與異步傳輸模式ATM相區別。而ATM技術采用的是統計時分復用，采用信元交換，適合多媒體信息的傳輸。
　　
　　時分復用技術常用在電話話音的傳輸，例如T1、E1傳輸標準，中國使用E1標準，在一個信道上同時傳輸30路話音信號。
　　
　　在時分復用中，多路信號在對應的子信道上的傳輸在時間上是不同時的，但在頻率上是相同的。時分復用中適宜數字信號傳輸。
　　
　　TDM作為一種信道劃分協議的應用，具有無沖突、每路信號在每個幀時間內獲得專用的時間隙、獲得專用的數據傳輸率bps等特點。和任何技術一樣，其特點同時也會帶來一些不足，每路信號被限制在bps的平均速率，各路信號總是要等待其在傳輸序列中的輪次，即使在時間幀內只有一路信號發送，也需要輪次的到來。
　　
　　波分復用
　　
　　隨著光通信技術的發展和應用，用光纖作為傳輸介質越來越普及，用光纖傳輸具有數據傳輸率高、誤碼率低。抗干擾行強等特點。根據光的特性，通過復用器（合波器）和分用器（分波器）改變光線的波長，實現波分復用（WDM，Wave Division Multiplexing）。實現波分復用的光學裝置可以采用棱柱和衍射裝置。
　　
　　波分復用也稱為光的頻分復用，光纖的帶寬可以達到2.5Gbps，可以使用一根光纖同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。由于光載波的頻率很高，習慣上不是用頻率而是用波長來表示所使用的光載波。早期只能在一根光纖上復用兩路載波信號，這種復用方式稱為波分復用。隨著光傳輸技術的發展，不斷提高在一根光纖上復用光載波信號的路數，現在可以在一根光纖上復用80路以上的載波信號，這又稱為密集波分復用。
　　
　　對傳輸過程中光信號的衰減，現在可以使用摻耳光纖放大器EDFA，該裝置直接對光信號進行放大，不需要進行光電轉換。兩個光纖放大器之間的光纜長度為120km。在光復用器和光合用器之間可以放入4個光纖放大器，使得無光電轉換的傳輸距離可以達到600km。
　　
　　碼分多址復用
　　
　　碼分多址復用（CDMA，Code Division Multiplexing）為每一路信號分配不同的編碼，每路信號用它惟一的編碼對要發送數據進行編碼，CDMA答應多路信號同時傳輸，在各路信號的接收方能夠正確接收對應的信號編碼。
　　
　　在CDMA技術中，每一個比特時間再劃分為M個短的間隔，稱為碼片（chip），M的值通常為64或128。每一路信號用一個惟一的M位碼片序列。各路信號分配M位碼片序列要不同，還必須互相正交。CDMA多用在無線多路訪問信道中。
　　
　　CDMA技術可以類比在一個公共場所答應參與者同時使用多種語言談話，人們可以專注于自己所使用的語言，從而過濾了其它的談話，不會受到其它談話的干擾。于FDM、TDM劃分編碼空間和時間不同，CDMA劃分編碼空間，給每一路信號分配一段專用的代碼空間。
　　
　　安全增效的編碼技術
　　
　　信號是數據的電磁或電子編碼。信號在網絡的信道上傳輸，從另一方面，信道對傳輸的信號有一定要求。傳輸信號的信道也分為模擬信道和數字信道。
　　
　　數據有兩種：模擬數據和數字數據；信號也有兩種：模擬信號和數字信號。這樣就有兩兩組合，四種編碼分類：
　　
　　模擬數據 模擬信號
　　模擬數據 數字信號
　　數字數據 模擬信號
　　數字數據 數字信號
　　
　　在實際使用時，采用對載波的調制技術把數字數據編碼成模擬信號。采用脈沖編碼調制PCM技術，把模擬數據編碼成數字信號。在以太網基帶傳輸中，采用曼切斯特編碼技術實現把數字數據編碼成數字信號。把模擬數據編碼成模擬信號也有很多方法。
　　
　　計算機中的數據是以離散的二進制比特序列表示的，在信道中傳輸需要這些數據進行編碼，以適應信道的傳輸要求，以及應用的要求。采用編碼技術，可以提高數據傳輸率，實現安全加密，提高抗干擾性。
　　
　　隨著多媒體信息在網絡中傳輸的需求越來越多，數字傳輸、數字交換技術發展很快，目前的趨勢是在計算機網絡中采用數字信號傳輸。

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