网络中的交换、复用和编码技术应用

　　交换、复用和编码是计算机网络技术中几个非常重要的技术。本期，我们就关注一下这些技术的内容和应用情况。
　　
　　提升传输质量和效率的交换技术
　　
　　首先要明确为什么需要交换技术。在长距离通信连接中用并行传输是不可能的，一是并行传输需要多条并行的传输线路，所需成本比较高；二是并行传输的控制十分复杂，不易实现。所以在计算机网络中的传输采用的是串行传输。
　　
　　计算机网路的连接在拓扑上是四通八达的，不可能也不需要在每一对发送方和接收方之间都铺设专用的传输线路，这就需要在多个站点相同方向上传输到一定的距离后，根据目的地址实现分支（转接）选择，再通向不同的站点。还有信号在传输介质上传输有衰减，在传输过程中也容易受到干扰，这也需有一个中继节点，在中继节点上修复整形和补充能量，使得信号能够以正确的形状和足够的能量继续在线路上传输。完成以上对信号的转接，以及对信号修复整形和补充能量就需要交换操作。
　　
　　根据所传输信号内容的不同要求，需要相应的交换技术，交换技术的发展与通信和计算机网络技术的应用紧密联系。按照交换技术发展的顺序讲述，目前使用的交换技术有：电路交换、报文交换、分组交换、信元交换。计算机网络中主要采用分组交换和信元交换。
　　
　　根据通信双方在通信之前是否需要先建立连接考虑，交换技术提供的服务分为面向连接的和无连接的。电路交换、信元交换、虚电路分组交换是面向连接的，报文交换、数据报分组交换是无连接的。
　　
　　电路交换
　　
　　电路交换是最早使用的交换技术，主要用在电话业务，双方在通话之前建立通话连接，在通话过程中一直独占该连接线路，通话结束时释放该连接。电话交换适合实时、较长时间连续有信息传输的应用。
　　
　　报文交换
　　
　　报文交换主要用在早期的电报业务，双方在通信之前不需要建立连接，报文交换采用了存储、转发的概念，通信网络中经过的中间节点完整的接收下整个报文，然后根据目的地址转发该报文。若报文在传输过程中出错，则需要重新传输整个报文。随着通信和计算机网络技术应用的发展，电报业务已经退出了应用。
　　
　　分组交换
　　
　　计算机网络中传输的数据信息是不确定和突发性的，若采用电路交换，独占一条连接，则信道的利用率是很低的。而采用报文交换，在出错时重新传输整个报文所需的时延是很长的，并且在节点之间传输整个报文的过程可以看作是串行的，在传输路径上报文没有到达的节点是处在空闲状态的。
　　
　　分组交换适应计算机网络中数据的传输，也采用存储、转发的概念，把所要传输的数据（报文）分成长度固定的分组（单元），在节点之间交换分组有以下优点：一是可以减小交换的时延；二是出错时，只重传出错的分组，重新传输的数据量小；三是在传输路径上经过的节点可以经过一段时间后实现同时（并行）交换分组，提高了交换效率。
　　
　　分组交换根据提供的服务又分为虚电路分组交换和数据报分组交换。虚电路分组交换提供面向连接的服务，之所以为“虚”是与电路交换区分，该交换并不是一直独占连接，采用的是存储转发技术，分组在建立好的“虚”连接上有序的、经过规定好的节点传输。数据报分组交换是无连接的，每个分组携带完整的目的地址，传输过程中所经过的交换节点可能会不同，分组到达目的节点顺序可能会不一致，这就需要在目的节点重新排序，排好序后交给目的主机。根据计算机网络体系结构的层次划分，分组交换的层次是在网络层。
　　
　　因特网中采用TCP/IP协议，IP协议数据单元使用数据报分组服务，是无连接的，提供“尽力交付”的传输服务。这是与因特网的发展和应用特点相关的。
　　
　　信元交换
　　
　　信元交换用在ATM网络中，信元也称为快速分组，信元的长度为53字节，信元头5字节，信息域48字节。信元是一个协议数据单元PDU，信元头对应控制部分，信息域对应数据部分。信元交换也与存储转发相联系。由于信元的长度更小，交换所需的时延更少。信元交换的路由信息由信元头部中的虚通路VP、虚电路VC标识。在ATM网络中信元交换的层次是在物理层。
　　
　　提高传输能力的复用技术
　　
　　计算机网络中在信道技术和层次技术中采用复用技术。
　　
　　若单个信道的传输能力大于一路信号所需要的能力时，可以把一个信道划分为多个子信道，信道复用常采用的技术有：频分复用FDM、时分复用TDM、波分WDM、码分多址复用CDMA。
　　
　　在TCP/IP计算机网络层次技术使用套接字Socket（IP地址＋端口号），标识不同的应用进程，复用到IP协议上。目前在因特网上的应用有200多个，通过使用不同的端口号区分，实现复用和分解，端口号分为三类：熟知的0 255，由IETF（互联网工程任务组）规定，对应目前因特网的大部分应用，例如端口号80标识超文本传输协议HTTP、端口号25标识简单电子邮件传输协议SMTP等；指定的256 1023，为进一步扩展因特网应用留用；用户定义的1024 65535，用户在进行网络应用编程时可以指定和使用。这些应用层的协议通过对应端口号复用到一个IP协议上。
　　
　　频分复用
　　
　　信道是信号的通路，由传输介质构成的传输信道对所通过信号的频率具有敏感性，即对信号的最低频率和最高频率有限制，信道所可以传输信号的最高频率与最低频率之间的差值就是该信道的带宽。根据奈奎斯特定理，信道的带宽与信道的容量成正比，信道容量与信道的最大数据传输率相联系，有时把信道的带宽与信道的容量等同起来考虑。
　　
　　若一个信道的带宽比较宽，而传输一路信号所需的带宽比较窄，可以通过频分复用技术（FDM，Frequency Division Multiplexing），把信道划分为多个子信道，把每一路信号搬到对应的子信道频带传输，各个子信道之间由小的隔离频带间隔。人们日常生活中的有线电视电缆系统就是采用频分复用的例子，可以在同轴电缆一根线上同时传输几十路电视信号。
　　
　　在频带传输中使用频分复用，频带传输中传输的是模拟信号。在频分复用中，多路信号在对应的子信道上的传输在时间上是同时的，但在频率上是不同的。FDM会限制一路信号使用的带宽。
　　
　　时分复用
　　
　　若一个信道的数据传输率很高，而一路信号的数据传输率很低，可以通过时分复用技术（TDM，Time Division Multiplexing），把对该信道的使用时间划分为多个时间帧，进一步把时间帧划分为N个时间隙（时间间隔）。这些时间间隔宽度是相等的，把每一个时间隙分配给不同的每一路信号，构成多个子信道，把多个信号顺序插入所划分的信道时间间隔传输，从而实现在一个信道上同时传输多路信号。时分复用循环使用时间帧，各路信号循环顺序插入时间帧中的时间隙传输。时分复用在传输时，每一路信号与其它路信号的时间间隔是固定的，这一传输特性也称为同步传输模式STM，，TDM是同步时分复用。与异步传输模式ATM相区别。而ATM技术采用的是统计时分复用，采用信元交换，适合多媒体信息的传输。
　　
　　时分复用技术常用在电话话音的传输，例如T1、E1传输标准，中国使用E1标准，在一个信道上同时传输30路话音信号。
　　
　　在时分复用中，多路信号在对应的子信道上的传输在时间上是不同时的，但在频率上是相同的。时分复用中适宜数字信号传输。
　　
　　TDM作为一种信道划分协议的应用，具有无冲突、每路信号在每个帧时间内获得专用的时间隙、获得专用的数据传输率bps等特点。和任何技术一样，其特点同时也会带来一些不足，每路信号被限制在bps的平均速率，各路信号总是要等待其在传输序列中的轮次，即使在时间帧内只有一路信号发送，也需要轮次的到来。
　　
　　波分复用
　　
　　随着光通信技术的发展和应用，用光纤作为传输介质越来越普及，用光纤传输具有数据传输率高、误码率低。抗干扰行强等特点。根据光的特性，通过复用器（合波器）和分用器（分波器）改变光线的波长，实现波分复用（WDM，Wave Division Multiplexing）。实现波分复用的光学装置可以采用棱柱和衍射装置。
　　
　　波分复用也称为光的频分复用，光纤的带宽可以达到2.5Gbps，可以使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号。由于光载波的频率很高，习惯上不是用频率而是用波长来表示所使用的光载波。早期只能在一根光纤上复用两路载波信号，这种复用方式称为波分复用。随着光传输技术的发展，不断提高在一根光纤上复用光载波信号的路数，现在可以在一根光纤上复用80路以上的载波信号，这又称为密集波分复用。
　　
　　对传输过程中光信号的衰减，现在可以使用掺耳光纤放大器EDFA，该装置直接对光信号进行放大，不需要进行光电转换。两个光纤放大器之间的光缆长度为120km。在光复用器和光合用器之间可以放入4个光纤放大器，使得无光电转换的传输距离可以达到600km。
　　
　　码分多址复用
　　
　　码分多址复用（CDMA，Code Division Multiplexing）为每一路信号分配不同的编码，每路信号用它惟一的编码对要发送数据进行编码，CDMA允许多路信号同时传输，在各路信号的接收方能够正确接收对应的信号编码。
　　
　　在CDMA技术中，每一个比特时间再划分为M个短的间隔，称为码片（chip），M的值通常为64或128。每一路信号用一个惟一的M位码片序列。各路信号分配M位码片序列要不同，还必须互相正交。CDMA多用在无线多路访问信道中。
　　
　　CDMA技术可以类比在一个公共场所允许参与者同时使用多种语言谈话，人们可以专注于自己所使用的语言，从而过滤了其它的谈话，不会受到其它谈话的干扰。于FDM、TDM划分编码空间和时间不同，CDMA划分编码空间，给每一路信号分配一段专用的代码空间。