Какие виды мультиплексирования не используются в компьютерных сетях

Обновлено: 05.07.2024

Со времён появления первых сетей, остро стоял вопрос об одновременной работе нескольких устройств. И вот уже десятки лет идёт борьба с этой проблемой и основная задача — успеть за потребностями общества.
В статье предлагаю быстро пробежаться по основным используемым технологиям мультиплексирования. Если где соврал, поправьте.

Собственно, какие есть возможности для организации комфортной одновременной работы нескольких пользователей? Их всего две для проводных сетей: разнесение данных от разных устройств в пространстве и во времени.

Всё начиналось с проводных сетей стандарта 10Base2, где в качестве среды передачи данных использовалась общая медная шина — коаксиальный кабель. Вкратце затронем эту тему.
В тот момент, когда вещает одно из устройств, другое не может начать, потому что получится просто шум вместо данных, поскольку электрический сигнал распространяется вдоль всей длины проводника. В таких условиях пространственно особо не разнесёшь данные. Приходится по времени: сетевая карта ждёт тишины в сети. Если канал занят, то она пробует повторить через случайный промежуток времени. Как только тишина появляется, устройство начинает вещать. Это первый механизм мультиплексирования — CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.
Такая ситуация сохранилась и с появлением хабов, поскольку они по сути были теми же шинами. А вот, когда пришли на сетевой рынок свитчи, всё изменилось. Они делили сеть на несколько доменов коллизий — по сути каждое устройство находится в отдельном, что означало пространственное разнесение данных от разных устройств.

Иначе обстоят дела с беспроводными технологиями. Они гораздо более сложные и в плане разработки стандартов и в плане реализации. Здесь добавляется и межсекторная и междуканальная интерференция, и затухание сигнала, и более сложное обеспечение QoS и самое главное — одновременная работа десятков абонентов.
Каким же образом её можно обеспечить для беспроводных устройств? Здесь есть два подхода: разнесение по времени и разнесение по частотам.

Технология FDMA — Frequency Division Multiple Access — в чистом виде практически не используется (был реализован в стандартах 1G, например, AMPS) Для каждой абонентской станции выделяется определённая полоса из используемого диапазона частот и высвобождается лишь после окончания сессии.
Равно как, и в TDMA, такое использование радиоканала не является оптимальным и требует соблюдения баланса между числом онлайн пользователей и их скоростью.

DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum. Технология имеет много общего с CDMA (для модуляции используется псевдослучайная последовательность), является достаточно помехоустойчивой, благодаря одиннадцатикратной избыточности, но при этом имеет низкую эффективность. Используется в Wi-Fi при скоростях до 2 Мб/с.

Теперь же перейдём к одной из самых, на мой взгляд, интересных технологий мультиплексирования, которая имеет огромное множество применений, в том числе Wi-Fi, WiMAX и LTE — OFDMA (Orthogonal frequency-division multiple access).
Сам OFDM, на котором основан OFDMA, также используется в ряде стандартов и не только беспроводных: DVB-T, ADSL, VDSL.
Чем же он так интересен? Всё дело в высокой эффективности использования радиоканала. Секрет раскрывается уже в названии: Orthogonal Frequency. Для передачи используется не одна несущая со всей выделенной шириной канала, а несколько поднесущих, с пересекающимися подканалами.
OFDMA подразумевает выделение каждому пользователю таймслотов, размер которых nxm, где n — количество подканалов, m — количество OFDMA-символов. Таким образом этот вид мультиплексирования можно назвать симбиозом TDMA и FDMA, каждый из которых в отдельности неоптимален.

Когда сеть оповещена о маршрутах, она может начать выполнять свои функции по соединению или коммутации абонентов . Для каждой пары абонентов эта операция может быть представлена совокупностью нескольких (по числу транзитных узлов ) локальных операций коммутации. Отправитель должен выставить данные на тот свой порт, из которого выходит найденный маршрут, а все транзитные узлы должны соответствующим образом выполнить "переброску" данных с одного своего порта на другой, другими словами — выполнить коммутацию.

Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков , направляя их в соответствующие выходные порты (рис. 5.2).

Однако, прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать поток . Для этого поступившие данные проверяются на предмет наличия признаков какого-либо из потоков , заданных в таблице коммутации . Если произошло совпадение, то эти данные направляются на тот интерфейс , который был определен для них в маршруте.

Термины коммутация, таблица коммутации и коммутатор в телекоммуникационных сетях могут трактоваться неоднозначно. Мы уже определили термин коммутация как процесс соединения абонентов сети через транзитные узлы . Этим же термином мы обозначаем и соединение интерфейсов в пределах отдельного транзитного узла . Коммутатором в широком смысле слова называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. Операция коммутации может быть выполнена в соответствии с различными правилами и алгоритмами. Некоторые способы коммутации и соответствующие им таблицы и устройства получили специальные названия (например, маршрутизация , таблица маршрутизации , маршрутизатор ). В то же время за другими специальными типами коммутации и соответствующими устройствами закрепились те же самые названия – коммутация, таблица коммутации и коммутатор – которые здесь используются в узком смысле, например коммутация и коммутатор локальной сети. В телефонных сетях , которые появились намного раньше компьютерных, также используется аналогичная терминология, коммутатор является здесь синонимом телефонной станции. Из-за солидного возраста и гораздо большей (пока) распространенности телефонных сетей, чаще всего в телекоммуникациях под термином "коммутатор" понимают именно телефонный коммутатор.

Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным . Компьютер может совмещать функции коммутации данных, направляемых на другие узлы, с выполнением своих обычных функций конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для выполнения коммутации. Эти узлы образуют коммутационную сеть , к которой подключаются все остальные. На рис. 5.3 показана коммутационная сеть , образованная из узлов 1, 5, 6 и 8, к которой подключаются конечные узлы 2, 3, 4, 7, 9 и 10.

Мультиплексирование и демультиплексирование

Как уже было сказано, прежде чем выполнить переброску данных на определенные для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает ли на вход коммутатора только один поток в "чистом" виде, или "смешанный" поток , который объединяет в себе несколько потоков . В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования .

Задача демультиплексирования ( demultiplexing ) — разделение суммарного агрегированного потока , поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков .

Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция — мультиплексирование .

Задача мультиплексирования ( multiplexing ) — образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока , который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Операции мультиплексирования /демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети.

На рис. 5.4 показан фрагмент сети, состоящий из трех коммутаторов. Коммутатор 1 имеет пять сетевых интерфейсов . Рассмотрим, что происходит на интерфейсе 1. Сюда поступают данные с трех интерфейсов — int 3, int.4 и int.5. Все их надо передать в общий физический канал , то есть выполнить операцию мультиплексирования . Мультиплексирование представляет собой способ обеспечения доступности имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

Рис. 5.4. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации.

Существует множество способов мультиплексирования потоков в одном физическом канале, и важнейшим из них является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает в свое распоряжение физический канал и передает по нему данные. Очень распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне.

Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного потока выполнять обратную операцию — разделение (демультиплексирование) данных на составляющие потоки . На интерфейсе int.3 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих подпотока . Один из них он передает на интерфейс int. 1, другой на int.2, а третий на int.5. А вот на интерфейсе int.2 нет необходимости выполнять мультиплексирование или демультиплексирование — этот интерфейс выделен одному потоку в монопольное пользование. В общем случае на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе задачи — мультиплексирование и демультиплексирование.

Частный случай коммутатора (рис. 5.5а), у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где мультиплексируются в один агрегированный поток и направляются в один физический канал, называется мультиплексором ( multiplexer , mux ). Коммутатор (рис.5.5б), который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором .

Мультиплексирование было разработано в начале 1870-х годов, но в конце 20-го века оно стало гораздо более применимо к цифровой связи. Сегодня мультиплексирование с частотным разделением (FDM, frequency division multiplexing), мультиплексирование с временным разделением (TDM, time division multiplexing) и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, wavelength division multiplexing) стало чрезвычайно важным активом для телекоммуникационных процессов и значительно улучшило способ передачи и приема независимых сигналов по AM и FM радиоканалам, по телефонным линиям и по оптоволокну.

Понятие мультиплексирования

Системы телекоммуникаций, такие как радиосвязь, телефон и телевидение, для передачи и приема информации все используют метод, называемый мультиплексированием. Мультиплексирование было разработано для передачи множества аналоговых сигналов или цифровых потоков через одну общую линию передачи. Мультиплексоры, или сокращенно MUX, объединяют сигналы от нескольких устройств, которые затем передаются по этой линии передачи.

Мультиплексор (MUX) считывает и анализирует каждый подаваемый на него отдельный сигнал или поток цифровых данных, а затем назначает каждому из них временной интервал фиксированной длины. После этого назначения MUX теперь имеет так называемый единый составной сигнал и передает часть данных из каждого слота в течение его временного интервала фиксированной длины по высокоскоростной линии передачи. На другом конце высокоскоростной линии передачи этот составной сигнал повторно анализируется и разделяется демультиплексором, или DEMUX. На рисунке ниже показан поток, в котором цифровые данные в системах FDM, TDM и WDM передаются и принимаются от одного устройства к другому с использованием одного мультиплексора и одного демультиплексора.

Рисунок 1 – Система передачи данных, использующая мультиплексирование и демультиплексирование

Мультиплексирование с частотным разделением (FDM)

Мультиплексирование в радиовещании, будь то амплитудная модуляция или частотная модуляция (AM и FM), формирует сигнал радиостанции, на который вы можете настроиться. Мы можем выбрать прослушивание только одной станции, потому что каждый передаваемый поток данных принадлежит отдельной радиостанции. Если бы это было не так, сигналы радиостанций накладывались бы друг на друга, что вызывало бы нежелательный постоянный шум. В отличие от TDM, если необходимо передать цифровой сигнал, то его необходимо сначала преобразовать в аналоговую форму, прежде чем его можно будет передать по линии передачи.

Мультиплексирование в кабельном телевидении аналогично радиовещанию, все каналы передаются одновременно, в то время как телевизор, принимающий их, «настраивается» на определенный канал потока данных. Между каналами нет взаимного влияния, потому что сигналы расположены достаточно далеко друг от друга по частоте, чтобы отдельные каналы не перекрывались. Эта структура данных обычно передается через коаксиальный кабель, оптоволокно или с помощью радиопередатчика.

Что такое мультиплексирование с временным разделением (TDM)?

Метод объединения нескольких независимых потоков данных в один сигнал данных и передачи этого единого сигнала данных через мультиплексор на демультиплексор известен как мультиплексирование с временным разделением. TDM отличается от FDM и WDM своим чередованием передачи через единственный сигнал данных. Каждый отдельный сигнал, который передается через мультиплексор, периодически выдается на выход в течение короткого промежутка времени.

Когда мультиплексирование с временным разделением впервые было реализовано в конце 1800-х годов, оно использовалось в телеграфии. TDM в первую очередь использовалось для создания более простого способа передачи множества телеграмм, отправляемых телеграфными машинами Hughes одновременно. Концепция, лежащая в основе использования мультиплексирования с временным разделением, заключалась в том, чтобы принимать несколько телеграфных передач и синхронно передавать их в одно и то же время, используя линию передачи, общую с другими телеграфными машинами Hughes. Это было началом передачи информации на большие расстояния по одной линии связи.

В то время как TDM манипулирует цифровыми данными, телефонные цепи выдают аналоговые сигналы данных. Для правильной работы мультиплексирования необходимы устройства кодера и декодера для обработки аналоговых данных. Кодер преобразует аналоговый формат в квантованный, дискретный по времени формат. После того как кодер преобразовал аналоговые данные в цифровые, эти данные затем мультиплексируются вместе с другими, используя TDM. После того, как данные проходят через единую линию передачи, их принимает демультиплексор, демультиплексирует этот единый сигнал данных и отправляет выделенные сигналы другим устройствам.

TDM, работающее с пропускной способностью сети

Та же концепция мультиплексирования, которая была разработана для связи на большом расстоянии между многочисленными телеграфами Huges, теперь широко используется в сетях с закрытой коммутацией, таких как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN, public switched telephone network). Мультиплексирование с временным разделением получило дальнейшее развитие с момента его создания, и теперь оно может разделить пропускную способность сети на более мелкие части. Основное внимание в этой новой операции уделяется минимизации полосы пропускания, используемой рядом устройств в сети системы. Хотя это тот же термин, что используется и в телеграфах, правила отправки данных были пересмотрены и изменены, поэтому с устройства на устройство могут передаваться данные более высокого качества. Этот метод связи был разработан, чтобы предоставить компаниям упрощенный и экономичный способ построения быстрых сетей, которые связывают устройства друг с другом на обширных географических территориях.

Стандартные системы TDM передают сегменты другим устройствам, предоставляя им уникальный фиксированный временной интервал в сети. Если X, Y и Z представляют устройства для передачи данных, данные из X отправляются в MUX, затем данные из Y отправляются в MUX, и, наконец, данные из Z отправляются в MUX. Эта последовательность повторяется до тех пор, пока не перестанут отправляться данные с каждого устройства. Хотя данные просто пересылаются из «точки A в точку B», всё же существует несколько различных способов планирования систем TDM для более эффективной работы в зависимости от задачи.

Основные системы TDM используют одну из двух традиционных схем мультиплексирования: с чередованием битов или с чередованием байтов. Фиксированному временному интервалу структуры присваивается бит (1 для true или 0 для false) или байт длиной до 8 бит для представления целого числа или символа.

Рисунок 2 – Мультиплексирование с временным разделением (TDM)

Передача посредством мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)

Этот метод мультиплексирования оказался более полезным для телекоммуникационных компаний в конце 20-го века из-за емкости потоков данных, которые можно передавать по оптоволоконным линиям. Передача с помощью WDM стала возможна, потому что этот метод объединяет в одной линии передачи многочисленные сигналы данных на лазерных лучах с разными длинами волн инфракрасного излучения. Для передачи большого количества потоков данных WDM использует оптоволоконные кабели, что предпочтительнее обычного использования систем FDM и TDM. Эта система похожа на FDM, но этот метод работает на инфракрасном (IR) конце электромагнитного спектра. На приведенном ниже рисунке показан каждый канал потока данных, объединенный в белый свет, который передается по одному оптоволоконному кабелю.

Рисунок 3 – Мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)

В начале системы каждый сигнал данных управляет своим лазером, далее свет от этих лазеров смешивается призмой в оптическом мультиплексоре и передается по общему оптоволокну. А на приемной стороне полученный световой сигнал подается на оптический демультиплексор, где он разделяется другой призмой по длинам волн, и откуда выделенные сигналы подаются чувствительные к инфракрасному излучению фотоприемники.

Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточно информации для понимания основных применений, концепций и схем использования мультиплексирования в телекоммуникационных процессах. Если у вас есть вопросы или отзывы, обязательно оставляйте комментарии!

В связи с тем, что вычислительные сети используются для передачи данных на большие расстояния, то стремятся минимизировать количество проводов в кабеле, в целях экономии. Поэтому разрабатывались технологии, которые позволяют передавать, по одному и тому же каналу связи, сразу несколько потоков данных.

Мультиплексирование (англ. multiplexing, muxing)— это процесс уплотнение канала связи, другими словами, передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу связи, с использованием специального устройства, называемого мультиплексором.

Мультиплексор (MUX) — комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации, поступающей по нескольким входам на один выход. Может быть реализован как аппаратно так и программно.

Демультиплексор (DMX) выполняет обратную функцию мультиплексора.

В настоящее время, для уплотнения канала связи, в основном используют:

Временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM)
Частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM)
Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM)
Множественный доступ с кодовым разделением (CodeDivisionMultipleAccess, CDMA) - каждый канал имеет свой код наложение которого на групповой сигнал позволяет выделить информацию конкретного канала.

Временное мультиплексирование

Первой стали применять технологию TDM, которая широко используется в обычных системах электросвязи. Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал.

Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 Кбит/с -1 байт каждые 125 мкс.

В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:

прием от каждого канала очередного байта данных;
составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;
передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной N*64 Кбит/с.

Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор, работавший по технологии TDM, поддерживает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с.

Демультиплексор выполняет обратную задачу - он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

В рамках TDM различают:

синхронное мультиплексирование (каждому приложению соответствует тайм-слот (возможно несколько тайм-слотов) с определенным порядковым номером в периодической последовательности слотов;
асинхронное или статистическое мультиплексирование, когда приписывание тайм-слотов приложениям происходит более свободным образом, например, по требованию.

Частотное мультиплексирование

Техника частотного мультиплексирования разрабатывалась для телефонных сетей. Основная идея состоит в выделении каждому соединению собственного диапазона частот в общей полосе пропускания линии связи. Мультиплексирование выполняется с помощь смесителя частот, а демультиплексирование – с помощью узкополосного фильтра, ширина которого равна ширине диапазона канала.

Волновое или спектральное мультиплексирование

В методе волнового мультиплексирования используется тот же принцип частотного разделения канала, но только в другой области электромагнитного спектра. Информационным сигналом является не электрический ток, а свет. Для организации WDM-каналов в волоконно-оптическом кабеле задействуют волны инфракрасного диапазона длиной от 850 до 1565 нм, что соответствует частотам от 196 до 350 ТГц.

Для повышения пропускной способности, вместо увеличения скорости передачи в едином составном канале, как это реализовано в технологии TDM, в технологии WDM увеличивают число каналов (длин волн) - лямбд.

Сети WDM работают по принципу коммутации каналов, при этом каждая световая волна представляет собой отдельный спектральный канал и несет собственную информацию.

Современные WDM системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G.692) можно подразделить на три группы:

Читайте также: