数据通信技术实用技巧

1.多路复用技术

多路复用就是使两个或多个数据资源共享一个公共的传输介质，使得每一数据资源都有其自己的通道。

多路复用技术实际上是要解决如何在单一的物理通信线路上建立多条并行通信信道的问题。多路复用系统就是将一个区域的多个用户的信息通过多路复用器进行汇集，然后将汇集的信息群通过一条物理线路传递到接收设备；接收设备通过多路复用器将信息群分离回原来的各个单独的信息，然后分发到多个接收用户。这样就可以用一对多路复用器、一条通信线路来代替多套发送、接收设备与多条通信线路。常用的多路复用技术有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用、统计复用。

（1）频分复用

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输一路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（条件之一）。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的FDM外，还有一种是正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）。

1）传统的频分复用。传统的频分复用典型的应用莫过于广电HFC网络电视信号的传输了，不管是模拟电视信号还是数字电视信号都是如此。因为对于数字电视信号而言，尽管在每一个频道（8 MHz）以内是时分复用传输的，但各个频道之间仍然是以频分复用的方式传输的。贝尔系统的T1载波采用24路复用，如图2-8所示。

图2-8 T1载波帧结构图

●24路音频信道复用在一条通信线路上。

●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。

●编码器取样8000次每秒。

●24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中。

●每字节的长度为8 bit，其 中7位是数据位，1位用于信道控制。

●每帧由24×8 bit=192 bit组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有193 bit。

●发送一帧需要125 ms。

●T1载波的数据传输速率为193×8000 bit/s=1.544 Mbit/s。

2）正交频分复用。OFDM实际是一种多载波数字调制技术。OFDM全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，正交指各个载波的信号频谱是正交的。

OFDM系统比FDM系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道中的数据上。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。目前，OFDM技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环线（ADSL）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）和第4代移动通信系统（4G）等。

（2）时分复用

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适用于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。时分复用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用，电话就是其中最经典的例子。此外时分复用技术在广电也同样取得了广泛的应用，如SDH，ATM，IP和HFC网络中CM与CMTS的通信都是利用了时分复用的技术。

（3）波分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此，所谓的波分复用其本质上也是频分复用。WDM是在1根光纤上承载多个波长（信道）系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”纤。当然每条虚拟光纤独立工作在不同波长上，这样极大地提高了光纤的传输容量。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。波分复用技术作为一种系统概念，通常有3种复用方式，即1310 nm和1550 nm波长的波分复用、粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）和密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）。

（4）码分复用

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，是无线多址接入方式，属于多址接入技术。联通CDMA（Code Division Multiple Access）就是码分复用的一种方式，称为码分多址。此外还有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和同步码分多址（SCDMA）。

（5）统计复用

统计复用（Statistical Division Multiplexing，SDM）有时也称为标记复用、统计时分多路复用或智能时分多路复用，实际上就是所谓的带宽动态分配。统计复用从本质上讲是异步时分复用，它能动态地将时隙按需分配，而不采用时分复用使用的固定时隙分配的形式，根据信号源是否需要发送数据信号和信号本身对带宽的需求情况来分配时隙。主要应用场合有数字电视节目复用器和分组交换网等。

2.数据交换技术

在计算机网络中，传输系统的设备费用很大，所以当通信用户较多而传输的距离较远时，通常采用交换技术，使通信传输线路为各个用户所共用，以提高传输设备的利用率，降低系统费用。通常使用四种交换技术：电路交换、报文交换、分组交换和信元交换。

（1）电路交换

在电路交换（Circuit Exchanging）方式中，通过网络结点（交换设备）在工作站之间建立专用的通信通道，即在两个工作站之间建立实际的物理连接。电路交换也称线路交换，它采用电话工作方式，包括建立链路、数据传输和释放链路3个阶段。电路交换是面向连接的，因此，在通信过程中，通话的两个用户终端自始至终占用该条线路，不允许其他用户共享其信道容量。

电路交换具有如下特点。

1）电路交换中的每个结点都是电子式或电子机械式的交换设备，它不对传输的信息进行任何处理。

2）数据传输开始前必须建立两个工作站之间实际的物理连接，然后才能通信。

3）通道在连接期间是专用的，线路利用率较低。(www.xing528.com)

4）除链路上的传输延时外，不再有其他的延时，在每个结点上的延时是很小的。

5）整个链路上有一致的数据传输速率，连接两端的计算机必须同时工作。

电路交换的主要优点是实时性好，信道专用，通信速率较高；缺点是线路利用率低，不能连接不同类型的线路组成链路，通信的双方必须同时工作。采用计算机交换机（CBX）为核心组成的计算机网络就是采用电路交换方式的。

（2）报文交换

报文交换（Message Exchanging）与电路交换不同，报文交换是不面向连接的，它采取的是“存储-转发”（Store-and-Forward）方式，不需要在通信的两个结点之间建立专用的物理线路。数据以报文（Message）的方式发出，报文中除包括用户要传送的信息外，还有源地址和目的地址等信息。报文从源结点发出后，要经过一系列的中间结点才能达到目的结点。各中间结点收到报文后，先暂时存储起来，然后分析目的地址、选择路由并排队等候，待需要的线路空闲时才将它转发到下一个结点，并最终达到目的结点。

报文交换方式与电路交换相比具有如下优点。

1）线路利用率较高，因为一个“结点—结点”的信道可被多个报文共享。

2）接收方和发送方无需同时工作，在接收方“忙”时，网络结点可暂存报文。

3）可同时向多个目的站发送同一报文，这在电路交换方式中是难以实现的。

4）能够在网络上实现报文的差错控制和纠错处理。

5）报文交换网络能进行速度和代码转换。由于每个工作站以自己适当的数据率接到结点上，所以两个数据速率不同的工作站也可以相互通信。报文交换网络还可以实现代码格式的转换。这些特性都是电路交换所不具备的。

报文交换的主要缺点是网络的延时较长且变化比较大，因而不宜用于实时通信或交互式的应用场合。

（3）分组交换

分组交换（Packet Exchanging）也属于“存储——转发”交换方式，但它不是以报文为单位，而是以长度受到限制的报文分组（Packet）为单位进行传输交换的。分组的最大长度一般规定为一千到数千比特。进行分组交换时，发送结点先要对传送的信息分组，每个分组中的数据长度不一定相同，但都必须小于规定的最大长度。还要对各个分组编号，加上源地址和目的地址以及约定的头和尾等其他控制信息。这个分组的过程称为信息打包。分组也称为信息包，分组交换有时也称为包交换。

分组在网络中传输，还可以分为数据报和虚电路两种不同的方式。

1）数据报（Data Gram）。这种方式有点像报文交换。报文被分组后，在网络中的传播路径是完全根据当时的交通状况来决定的。由于报文被分成许多组，而每一组的传输路径又依赖于当时的交通状况，所以每一组报文的传输路径可能会不同。但由于每组报文都含有相同的目的地址，所以它们最终都会到达相同的地方。有些比较早发出的分组可能会由于在路上遇到“交通堵塞”而受到延误，反而比后面发出的分组晚到达目的地。因此，目的主机必须对所接收到的报文分组进行排序后才能够拼接出原来的信息。

数据报传输分组交换方式的优点是对于短报文数据，通信传输率比较高，对网络故障的适应能力强。而它的缺点是传输时延较大，时延离散度大。

2）虚电路（Virtual Circuit）。虚电路就是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。

一旦这种连接建立后，就在通信网保持已建立的数据通路，用户发送的数据（分组）将按顺序通过新建立的数据通路到达终点。而当用户不需要发送和接收数据时可清除这种连接。这种方式有点像电路交换，它要求在发送端和接收端之间建立一条逻辑连接。与电路交换不同的是，它选定了特定路径进行传输，但是不意味着别人不能再使用这条逻辑通路了。虚电路的标识号只是一条逻辑信道的编号，而不是指一条物理线路本身。一条同样的物理线路可能被定为许多逻辑信道编号。

虚电路传输分组交换的优点是对于数据量较大的通信传输率高，分组传输延时短，且不容易产生数据分组丢失。而它的缺点是对网络的依赖性较大。

由上述可知，分组交换有传输质量高、误码率低、能选择最佳路径、结点电路利用率高、传输信息有一定时延、适宜于传输短报文等特点。

（4）高速交换技术（信元交换）

由于传统的交换技术不能完全满足多媒体业务的应用，目前，提高交换速率的方案有帧中继FR和ATM等。异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM），它是一种面向连接的交换技术，它采用小的固定长度的信息交换单元（信元），话音、视频和数据都可由信元的信息域传输。ATM是电路交换与分组交换技术的结合，它吸取了分组交换高效率和电路交换高速率的优点，针对分组交换速率低的弱点，利用电路交换完全与协议处理无关的特点，通过高性能的硬件设备来提高处理速度，以实现高速化。因此也可以说ATM技术是在克服了分组交换和电路交换方式局限性的基础上产生的。ATM技术十分复杂，但对有更高带宽要求和高级服务质量（QoS）需求的用户，ATM是一种广域网主干网干线的较好选择。

ATM模型分为三个功能层：ATM物理层、ATM层和ATM适配层。ATM物理层控制数据位在物理介质上的发送和接收。另外，它还负责跟踪ATM信号边界，将ATM信元封装成类型和大小都合适的数据帧。物理层之上是ATM层，主要负责建立虚连接并通过ATM网络传送ATM信元。ATM层之上是ATM适配层，主要任务是在上层协议处理所产生的数据单元和ATM信元之间建立一种转换关系。同时适配层还要完成数据包的分段和组装。

ATM是面向连接的交换技术。通信两端在传递数据之间首先要建立连接，连接建立之后，数据就从应用层向下传递到ATM适配层，适配层将高层的应用数据分成48 B的定长段，并适配到底层的ATM服务上。ATM标准化组织ATM Forum已经定义了若干不同的ATM适配层类型，用于提供不同的ATM服务。数据以48B的定长段的形式传递到ATM层后，ATM层添加5B的信元头，构成一个53B的信元，随后信元通过物理层传递到目的端，物理层接口可以采用多种不同的链路技术。数据到达目的端后，目的端的适配层将48B的定长段再进行组装，向高层上传递。在交换通路的每一个中间结点上，单个信元都是根据信元头的内容进行交换的，交换过程采用了标记交换的机制。

对4种交换技术的比较：

1）对于交互式通信来说，报文交换是不合适的。

2）对于较轻的间歇式负载来说，电路交换是最合适的，因为可以通过电话拨号线路来使用公用电话系统。

3）对于两个站之间很重的和持续的负载来说，使用租用的电路交换线是最合适的。

4）当有一批中等数量数据必须交换到大量的数据设备时，宁可用分组交换方式，这种技术的线路利用率是最高的。

5）数据报分组交换适用于短报文和具有灵活性的报文。

6）虚电路分组交换适用于大批量数据交换和减轻各站的处理负担。

7）信元交换适用于对带宽要求高和对服务质量要求高的应用。