Виды и принципы мультиплексирования. Мультиплексирование в сетях передачи данных Назвать виды мультиплексирования и охарактеризовать их

Мультиплексирование

Компьютерные сети Лекция №2 6 сем.

Сравнение коммутации каналов и коммутации пакетов

Сравнение способов коммутации

В информационных технологиях и связи, мультиплекси́рование - это уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.

В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью - медный или оптический кабель, радиоканал.

В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один.

Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором .

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

Задача демультиплексирования - разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.

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.

Как известно, человеческая речь может быть адекватно передана частотами в диапазоне от 300 до 3400 Гц, т. е. необходимый частотный интервал составляет 3100 Гц. Однако при мультиплексировании нескольких голосовых каналов каждому из них выделяется диапазон в 4000 Гц, чтобы они не перекрывались. Частота каждого канала увеличивается каждая на свою величину, кратную 4 кГц, затем каналы комбинируются. В результате каналы разносятся по всему спектру частот данной линии. Каналы отделены друг от друга так называемыми защитными интервалами (см. Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1.
При частотном мультиплексировании весь частотный диапазон разбивается на несколько каналов. Чтобы каналы не перекрывались, они отделены друг от друга защитными интервалами.

Схемы мультиплексирования FDM в достаточной мере стандартизованы. Наибольшее распространение получил стандарт, согласно которому двенадцать голосовых каналов шириной 4000 Гц мультиплексируются в диапазоне частот от 60 до 108 кГц. Такой блок называется группой. Диапазон с 12 до 60 кГц используется иногда для другой группы.

Разновидностью технологии частотного мультиплексирования, используемой в случае оптических линий связи, является мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Физически мультиплексирование осуществляется следующим образом: несколько волокон подводится к призме (или чаще дифракционной решетке), световые пучки пропускаются через призму и попадают в общее волокно. На противоположном конце пучки разделяются с помощью другой призмы. Если каждый подводимый пучок ограничен своим частотным диапазоном, то они не будут перекрываться. Оптические системы полностью пассивны и, как результат, более надежны.

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).

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.

Рис. 5.3.

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.

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

Мультиплексирование с разделением времени

Принцип действия мультиплексора прост: поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне или интервале времени по высокоскоростной исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются.

В соответствии со способом уплотнения технологии мультиплексирования можно разделить на две основные категории: мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время разговора. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на краткий период времени.

ВРЕМЕННОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ

При мультиплексировании с разделением по времени каждое устройство или входящий канал получают в свое распоряжение всю пропускную способность линии, но только на строго определенный промежуток времени каждые 125 мкс (см. Рисунок 2). Последнее значение соответствует циклу дискретизации, так как при ИКМ каждую 1/8000 долю секунды необходимо производить измерение амплитуды аналогового сигнала. Время передачи восьмиразрядного значения мгновенной амплитуды называется квантом времени (time slot) и равно длительности передачи восьми импульсов (один для каждого бита). Последовательность квантов времени, следующих с вышеуказанным интервалом, образует временной канал. Совокупность каналов за один цикл дискретизации составляет кадр.

При временном мультиплексировании вся пропускная способность исходящей линии предоставляется на фиксированный промежуток времени входящей линии меньшей емкости.

В Европе, как и в остальном мире, за исключением США и Японии, стандартной системой является ИКМ-32/30 (или E-1) с 32 временными каналами по 64 кбит/с, в которой 30 каналов используются в качестве информационных для передачи голоса, данных и т. д., а два - в качестве служебных, причем один из служебных каналов предназначен для сигнализации (служебных сигналов установления связи), другой - для синхронизации. Как нетрудно подсчитать, общая емкость системы составляет 2,048 Мбит/с.

Система E-1 образует так называемую первичную группу. Вторичную группу E-2 образуют 4 канала E-1 общей емкостью 8,448 Мбит/с, третичную систему E-3 - четыре канала E-2 (или шестнадцать каналов E-1) общей емкостью 34,368 Мбит/с, а четверичную группу - четыре канала E-3 общей емкостью 139,264 Мбит/с. Эти системы образуют европейскую плезиохронную цифровую иерархию.

Принцип последовательного мультиплексирования каналов проиллюстрирован на Рисунке 3. Четыре канала E-1 мультиплексируются в один канал E-2, причем на этом и последующих уровнях мультиплексирование осуществляется побитно, а не побайтно, как это имело место в случае мультиплексирования 30 голосовых каналов в один канал E-1. Суммарная емкость четырех каналов E-1 составляет 8,192 Мбит/с, в то время как полная емкость E-2 равна в действительности 8,448 Мбит/с. Избыточные биты используются для обрамления и восстановления синхронизации. Затем четыре канала E-2 мультиплексируются в один канал E-3 и т. д.

рис.3

Как малые притоки сливаются в одну большую реку, так и низкоскоростные линии объединяются в высокоскоростные с помощью иеархии мультиплексоров.

Принятый в Северной Америке и Японии, стандарт определяет канал T-1 (формат кадра DS1). Канал T-1 состоит из 24 мультиплексированных голосовых каналов, причем изначально предполагалось, что амплитуда аналогового сигнала будет выражаться 7-разрядным двоичным числом, а один бит использоваться для целей управления (сигнализации). Кроме того, помимо 192 бит каждый кадр имеет еще один бит для синхронизации. Таким образом, общая емкость канала T-1 составляет 1,544 Мбит/с. Однако в конце концов все 8 бит были отведены под данные, а сигнализация стала осуществляться одним из следующих двух способов. При сигнализации по общему каналу 193-й бит в каждом нечетном кадре служит для целей синхронизации, а в каждом четном - для сигнализации. Суть другого метода заключается в том, что каждый канал имеет свой собственный подканал для передачи сигнальной информации (один бит в каждом шестом кадре).

В локальных и особенно в протяженных сетях емкости магистральных линий связи обычно значительно превышают емкости передач отдельных приложений. Это делается с целью одновременной передачи множества таких приложений. Дополнительно, сами приложения могут иметь разную природу, например, это может быть передача постоянного битового потока или передача файлов данных, С целью повышения эффективности передающей среды (носителя) и ее адаптации под множество разнородных приложений применяется передача одновременно сразу нескольких информационных сигналов в одном носителе - мультиплексирование.

Различают два основных вида мультиплексирования:

− Частотное мультиплексирование FDM: каждому сигналу отводится определенная доля всей частотной полосы носителя, так что на одном носителе существуют одновременно сразу несколько сигналов.

− Временное мультиплексирование TDM: сигналу каждого приложения выделяется вся полоса носителя, но на короткий промежуток времени - таймслот, так что мультиплексный сигнал представляется в виде последовательности сменяющих друг друга тайм-слотов, ответственных за разные приложения. В рамках TDM различают синхронное мультиплексирование (каждому приложению соответствует тайм-слот (возможно несколько тайм-слотов) с определенным порядковым номером в периодической последовательности слотов, и асинхронное или статистическое мультиплексирование, когда приписывание тайм-слотов приложениям происходит более свободным образом, например, по требованию.

На рис. 5.1 показаны схемы размещения каналов при FDM и TDM.

Устройство, принимающее несколько каналов от разных приложений (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мультиплексного сигнала на одном носителе, называется мультиплексором MUX, а устройство, выполняющее обратную функцию на другом конце - демультиплексором DEMUX. Обычно в системах двунаправленной связи функции мультиплексирования и демультиплексирования совмещаются в одном устройстве, которое также называется мультиплексором.

Частотное мультиплексирование FDM

Частотное мультиплексирование (рис. 5.1 а) распространено в системах беспроводной радиосвязи, в мобильных телефонных системах, в абонентских телевизионных системах, включая кабельное телевидение и телефонию. Каналы, представленные в мультиплексном сигнале, могут быть как аналоговыми, так и цифровыми.

В сетях широковещательного телевидения сначала исходные низкочастотные телевизионные сигналы от передающих устройств смещаются посредством модуляции в определенные, отведенные специально для них области спектра - каждой области отводится полоса 6,5 МГц. Затем такой мультиплексный широкополосный сигнал (до 860 МГц) распространяется по эфиру или в коаксиальной кабельной системе от локальных студий кабельного телевидения к абонентам.

Разновидностью FDM является волновое мультиплексирование WDM, применяемое в волоконно-оптических системах передач. Преимущественно используется область спектра от 1,3 нм (230 ТГц) до 1,6 им (188 ТГц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спектра 15301560 нм.

Синхронное временное мультиплексирование

Синхронное мультиплексирование объединяет n низкоскоростных цифровых каналов (или n периодически повторяющихся равных по длительности тайм-слотов) внутри одного носителя, С целью лучшей синхронизации непрерывного битового потока, в мультиплексорах используются таймеры с высоким стандартом частоты. На рис. 5.1 б показана схема следования таймслотов при12-канальном TDM. Тайм-слоты с номером 1 соответствуют первому приложению, с номером 2 - второму и т.д. Емкость отдельного приложения - емкость тайм-слота - равна W/n, где W - полная полоса носителя. Емкие приложения могут занимать полосу в несколько тайм-слотов.

Рис. 5.1. Основные виды мультиплексирования

Если от одного из приложений не поступают данные, мультиплексор не сбрасывает тайм-слоты этого приложения в скоростном канале и оставляет для него прежнюю полосу W/n. Никакому другому приложению эта полоса не доступна. Более того, ни одно из приложений не может получить большую полосу пропускания, чем ту, которая отводится. Это особенность синхронного мультиплексирования.

Мультиплексирование может происходить на октетном, битовом или кадровом уровне.

При мультиплексировании на октетном уровне последовательности в 8

битов от каждого из n приложений - октеты - циклически сменяют друг друга. Задержка на время буферизации одного октета возникает между входным низкоскоростным и выходным мультиплексным потоками.

При мультиплексировании на битовом уровне происходит побитовое смешивание входных потоков. Более критичными, в этом случае, становятся требования к временным характеристикам, но и уменьшается задержка, вносимая мультиплексором. В городских коммутируемых телефонных сетях мультиплексирование на битовом уровне используется при построении скоростных мультиплексных каналов.

При мультиплексировании на кадровом уровне кадры (специальные битовые последовательности с заголовком, сигнальными полями и полями данных) из входных низкоскоростных каналов смешиваются в выходном мультиплексном канале. Этот вид мультиплексирования характерен при построении асинхронных мультиплексоров,

Логическая топология определяет характер движения данных в мультиплексном канале. Три основных типа логической топологии могут иметь синхронные мультиплексные системы: соединение "точка-точка", цепное соединение и кольцевое соединение, рис. 5.2. Допускаются более сложные смешанные логические топологии.

Рис. 5.2. Основные типы логической топологии мультиплексных систем

Рис. 5.3. физическая топология "двойное ТОМ кольцо" повышает надежность сети в случае повреждения одного из сегментов сети или выхода из

строя одного из мультиплексоров

Физическая топология определяет структуру кабельной системы. Для повышения надежности сложные мультиплексные сети, использующие логическую топологию "кольцо", делают с использованием физической топологии "двойное кольцо", рис. 5.3. В нормальном состоянии активно первичное кольцо - по вторичному кольцу данные не идут. При повреждениях канала связи или одного из мультиплексоров происходит свертывание логического кольца с восстановлением его целостности, при котором активизируется вторичное кольцо - общая целостность сети также сохраняется. Физическая топология "двойное кольцо" используется и в сетях SDH, а также в некоторых локальных сетях Token Ring, DQDB, FDDI.

По каждому из каналов мультиплексор может поддерживать одну из шести функций выделения, добавления или пропускания каналов (drop-add-pass), рис. 5.4:

1. "Drop & Add" (выделение и добавление канала). Эту функцию могут поддерживать мультиплексоры как при цепной (на промежуточных узлах), так и при кольцевой логических топологиях. При цепной топологии один выходной канал может быть заменен на другой, например, при использовании специальных мультиплексоров для межстудийного обмена в сетях цифрового кабельного телевидения. При кольцевой топологии этой функцией могут обладать два или более мультиплексоров, которые сообща используют данный TDM канал, например, при организации удаленной связи сетей Ethernet или Token Ring. Фактически происходит подмена информации в соответствующих тайм-слотах.

2. "Drop & Pass" (выделение и пропускание). Эта функция наиболее характерна для физической топологии "цепная линия". Основная задача - размножить информационный поток. Структура ретранслируемых в мультиплексный канал тайм-слотов остается без изменения.

3. "Pass Only" (только пропускание). Эта функция обычно автоматически отрабатывается мультиплексором, если в физический слот мультиплексора, соответствующий данному каналу (номеру

4. "Terminate & Add" (прервать и добавить). Эта функция подменяет информацию в тайм-слотах соответствующего канала на новую, взятую из входного низкоскоростного канала. Прежняя информация не выводится наружу и становится недоступной как для текущего, так и для последующих мультиплексоров. Эта функция фактически предназначена для начального (мастер) мультиплексора при физической топологии "цепная линия".

5. "Drop Only" (только выделение). Эта функция характерна для конечного мультиплексора при физической топологии "цепная линия".

6. "Terminate" (прерывание). Эта функция характерна для конечного мультиплексора при физической топологии "цепная линия". Функция автоматически отрабатывается конечным мультиплексором, если в физический слот мультиплексора, соответствующий данному каналу (номеру тайм-слота), не установлен ни один модуль.

Рис. 5.4. функции выделения, добавления и пропускания канала

В практических реализациях скоростной мультиплексный канал строится преимущественно на основе волоконно-оптического интерфейса. Существует огромное разнообразие мультиплексоров, использующих волоконно-оптическую TDM-магистраль.

Оптический модем-мультиплексор Optimux производства PAD. Внешний вид и схема включения модема показаны на рис. 5.5, а в табл. 5.1 приведены технические характеристики.

Рис. 5.5. Внешний вид и схема подключения оптического модема-

мультиплексора Optimux производства RAD Data Communications

Аналогичные оптические модемы-мультиплексоры, также широко используемые на российском рынке, выпускаются фирмамиADC Telecommunications - продукт Quad Fiber Loop Converter, 4xE1 ; и Pan Dacom - продукт FME-H, 6xE1 )

Таблица 5.1. Основные технические характеристики оптического модема-

мультиплексора Optimux производства PAD Data Communications

Модульный ТОМ мультиплексор MagnumPlus фирмы ADC Kentrox. Это -

более универсальное и более мощное решение, допускающее передачу множества различных протоколов. Его основные характеристики приведены в табл. 5.2.

Отметим, что логическая топология взаимодействия мультиплексоров MagnumPlus по TDM магистрали базируется на кольце, в то время как физическое соединение может быть как точка-точка, кольцо, или цепная линия. Кольцевая логическая топология необходима для дистанционного мониторинга и управления мультиплексорами на основе TDM магистрали.

При инициализации TDM магистрали одно из устройств автоматически выбирается мастером - по нему синхронизируются все остальные устройства. При подключении мультиплексоров через сеть SDH, синхронизация происходит от SDH магистрали.

Таблица 5.2. Основные технические характеристики мультиплексора

Модули MagnumPlus, рис. 5.6:

− Интерфейсные модули (IN/OUT). Чтобы удовлетворить тем или иным специфическим требованиям, имеется большое разнообразие модулей, среди которых - модули Ethernet Switch (разъем AUI, BNC, F/0), Token Ring 4 или 16 Мбит/с (разъем DB9), Е1 (G.703);

− Модули питания. Питание может осуществляться от 48V DC, 110V AC, 220V AC. Для обеспечения защиты на случай выхода из строя блока питания допускается установка до двух блоков питания с распределяемой нагрузкой;

− Модуль контрольной логики. Необязательный модуль, позволяющий осуществлять дистанционное SNMP управление и мониторинг;

− Модули общей логики. Обеспечивают все необходимые возможности мультиплексирования и демультиплексирования на основе волоконнооптического интерфейса (155 Мбит/с) или интерфейса на коаксиальном кабеле

(DS3, 45 Мбит/с).

Рис. 5.6. Вид шасси мультиплексора MagnumPlus производства ADC Kentrox

Различное число мастергрупп и супергрупп может быть использовано в процессе группирования, образуя мультимастергруппы (или четверичные группы). Этот метод мультиплексирования использовался только для аналоговых систем.

Временнoе мультиплексирование
При использовании ИКМ наиболее удобной является схема мультиплексирования с временным разделением каналов, или, кратко, схема временного мультиплексирования с использованием коммутатора (на передающей стороне), который последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал (называемый тайм-слот, или интервал коммутации, или “цикл”), необходимый для посылки выборки (или какой-то фиксированной части) сигнала в данном канале. Сформированный таким образом поток выборок от разных входных каналов направляется в канал связи. На его приемной стороне демультиплексор с помощью аналогичного коммутатора и фильтров нижних частот выделяет отдельные выборки и распределяет их по соответствующим каналам. Важно то, что коммутаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно, т.е. должны быть синхронизированы.
Для ИКМ в телефонных сетях коммутатор должен обращаться с периодом, равным периоду дискретизации Т д, тогда интервал коммутации канала D t к = Т д /n, где n – число входных каналов мультиплексора, или D t к = 125 / n [мкс]. Если мультиплексируются 32 канала (CEPT), то D t к = 3.90625 мкс. Однако введенное понятие интервала коммутации как фиксированной величины верно в идеальном случае. На практике в ряде случаев оно условно, а сам процесс коммутации может быть неравномерным, так как для синхронизации коммутаторов должен использоваться синхроимпульс (его цифровой аналог, например последовательность вида “11...11” определенной длины). Если он передается по какому-то внешнему каналу управления, то рассмотренная схема идеального мультиплексирования абсолютно верна, если же используется внутриканальная синхронизация, то процесс синхронизации сводится к вставке или дополнительного (синхронизирующего или выравнивающего) бита, или группы бит, после m выборок, либо организации более сложной повторяющейся структуры в потоке выборок, включающей m выборок и k полей определенной длины или выравнивающих бит.
Эта структура может быть разной, но она фиксирована для конкретной схемы кодирования ИКМ и носит название кадр, или фрейм (frame), или “цикл”. Несколько фреймов могут объединяться в еще более общую структуру называемую мультифрейм (multiframe), или “сверхцикл”. Период повторения фрейма – это время, требуемое на один полный цикл коммутации с учетом времени вставки выравнивающей группы бит.

Временное мультиплексирование двоичных потоков данных