第 5 章 广域网及相关技术 ..5.1信道复用 5.1.1概述 广域网在互联网中承担着远距离扩展通信范围的重要作用,是互联网覆盖全 球的基石。由于距离很远,所以其技术考虑有着明显的不同,经济性要求高。广 域网不能在信道上只走一路信号,一方面是因为目前的广域网带宽大,只走一路 信号太浪费;另一方面不利于共享。信道复用 4.1.-1 3节中提到,可把多路频带传输通过信道复用技术形成宽带传输,如图5 所示。信道复用技术通过信号的变换,可以将若干彼此独立的信号合并为可在一 个信道上同时传输的复合信号,而接收方需要能够采用相反的过程分离出独立 的、正确的信号。 图5- 1 单独信道和共享信道示意图 信道复用技术的硬件建设成本低,可有效地降低总体成本、提高信道利用率。 距离越远,建设成本越节省。 复用技术在事先需要安排、调度好相关资源(如频带、时间、空间、代码序列等), 可以分为:频分复用、波分复用、时分复用、统计时分复用、空分复用、码分复用等。 信道复用技术和多址技术是从不同角度描述的相同技术,如果强调复用,就 是xxDivisionMultiplexing(如CodeDM,CDM),如果强调多址就是xxDivision MultipleAces(如CodeDMA,CDMA )。本章先介绍一些容易理解的复用技术, 60计算机网络(微课版) 随后对码分复用技术进行介绍。关于多址技术的描述见6.1.1节。 5.1.2信道复用技术 1.频分复用 频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)把总的信道分为若干子信道,每个 子信道的频率范围是信道频率范围的子集,且互无交集(还有一定的间隔), 每一对用户使用 其中一个子信道,这样也可以以不同的频带实现对通信用户的区分(复用) 。典型的技术如 不同频道的广播电台在大气中进行广播。 频分复用的原理如图5-2所示。这种方式使用调制技术很容易实现,不同用户对之间 使用的载波频率不同即可。 图5-2频分复用 2. 波分复用 波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)就是光的频分复用。光纤技术的 应用使得数据传输速率大幅度提高,受到越来越高的重视。由于光载波的频率很高,因此习 惯上用波长(而不用频率)来表示,进而产生了波分复用这一名词。 最初只能在一根光纤上复用两路光信号,并将这种复用方式称为波分复用。但随着技 术的发展,在一根光纤上复用的光信号的路数越来越多,于是就产生了密集波分复用 (DenseWDM,DWDM)这一名词。 3. 时分复用 时分复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)的主要思想是,不同用户轮流使用信道, 如图5-3所示。 图5- 3 时分复用 时分复用把时间分成周期,称为TDM 帧(和数据链路层的帧毫不相干), 在TDM 帧内 把时间划分成若干时隙(slot), 每一对用户使用一个时隙,且该时隙在TDM 帧中的位置固 第5章广域网及相关技术61 定不变。 通信过程中,信道的全部频率资源全部给某一对用户使用,但是用户对只能在属于自己 的时隙内使用,时隙结束后必须让给后续用户使用。当所有用户都发送完毕,开始下一个 TDM 帧,再轮流使用。 如果知道了时隙在TDM 帧中的位置,也就知道了这是哪一对用户在通信了。 4.统计时分复用 时分复用有一个缺点,如果有些用户发送数据少,会给系统造成很大的浪费,如图5-4 所示,B、C、D的数据少,它们的时隙被白白浪费了,而A产生的数据较多,却被强行划分在 4个TDM 帧中,有数据,信道空着也不能用。为此产生了统计时分复用(StatisticalTDM, STDM ) 。 统计时分复用的STDM 帧长不再固定,根据数据发送的情况动态调整。在每一个 STDM 帧,对所有发送者进行轮询,如果发送者有数据就发送,如果没有数据就轮空,所属 时隙让给后方有数据的发送者使用。如图5-5所示,第一个STDM 帧中就只发送了A的数 据,其他发送者被轮空,该帧就结束了,进入第二个STDM 帧,该STDM 帧只发送了B和D 的数据就结束了,以此类推。 图5- 4 时分复用的缺点图5- 5 统计时分复用的思想 可见,发送者在STDM 帧中的位置不再固定(因此统计时分复用又称为异步时分复用, 相对应地,时分复用又称为同步时分复用), 为此,应该给每一个数据增加地址信息,方便对 端设备根据地址来判断最终的接收者。 在发送方不都是批量发送数据的情况下,统计时分复用可显著地增加信道的利用率。 5. 空分复用 空分复用(SpaceDivisionMultiplexing,SDM)是以不同空间的信号实现对共享信道的 共用。该机制下用户占用不同空间(如位置、角度等)的传输介质,形成自己独享的信道。 如图5-6所示,基站A可以向两个方向发出相同频率的射频信号,同时与B和C进行 通信。 图5- 6 空分复用 62计算机网络(微课版) 5.1.3码分复用 1.码分复用的基础———码片序列 码分复用(CodeDivisionMultiplexing,CDM)利用一组相互正交的码字来实现对共享 信道的共用。美国的GPS 和我国的北斗导航系统都使用了CDM 体制,使很多通信用户能 在共享的信道中同时通信而不相互干扰。 首先给每个用户安排一个设计良好的伪随机码字,又称为码片序列(实际上构成了向 量) 。通信过程中,发送方使用码字对数据进行转换。 .用自己的码字代表比特1。 .用码字的反码代表比特0。 如图5-7所示,设结点S的8b(实际可能更长)码字为00011011 。S发送1时就发送码 字00011011,即(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1), 发送0时就发送其反码11100100, 即(+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,-1) 。 图5- 7 CDM 发送数据示例 2. 码片序列的特性 CDM 中码字的选取有着严格的规定: .分配给结点的码字必须互不相同,以便对结点进行区分,如同身份证。 .不同结点的码字必须相互正交。 令向量Sv 表示结点S的码字,Tv 表示结点T的码字。所谓正交,就是Sv 和Tv 的规 格化内积等于0,即满足下列公式: Sv ·Tv ≡1Σ(m) SiTi=0 (5-1) m i=1 其中, m 为Sv 和Tv 的维数。 ·Tv =[(举例来说,设T的码字为00101110,则S-1×-1)+(-1×-1)+(-1× 1)+(1×-1)+(1×1)+(-1×1)+(1×1)+(1(v) ×-1)]/8=0。即Tv 和Sv 满足正交 关系。如 果两个码字正交,则其中一个码字与另一个码字的反码也正交。即 Sv ·(-Tv )≡1 Si(-Ti)=-1 SiTi=0 (5-2) == 任何一个码字和自己的规格化内(m) 积Σ是(1) (i) (m) 1。 miΣ1(m) S·S1 SiSi= 1 S21 (5-3) v v= Σ(m) Σ(m) i= m i=1 m i=1 一个码字和自己的反码的规格化内积是-1。 S·(-S)Si(-Si)-S21 (5-4) v v= 1Σ(m) = 1Σ(m) i = m i=1 m i=1 第5章广域网及相关技术633.如何区分用户以实现复用 任意两个结点S和T可以同时在共享信道上发送数据,即便两者的信号在空间进行了 叠加,也不影响接收方对自己想要的数据的接收。 如图5-8所示,为了发送1,S发送的是Sx=Sv,T发送的是Tx=Tv,两者叠加的信号 Sx+Tx=(-2,-2,0,0,+2,0,+2,0), 实际信号的处理很复杂,这里简单理解即可。 图5-8CDM发送举例 接收者必须持有发送者的码字(如S的码字Sv), 在得到信号(Sx+Tx)后,将其与Sv 规格化内积,即Sv·(Sx+Tx) 。读者可以自己证明,这个计算过程满足分配律,即 ··5 ·()( Sv Sx+Tx=Sv Sx+STx-5) ·()·· 此时Sv Sx +Tx =Sv Sv +Sv Tv =1+0=1,则接(v) 收者恢复出的数据为1。 为了发送0,S发送-Sv ,T发送-Tv ,接收方进行同样的处理,最后得出的结果为-1, 代表接收方恢复出的数据为0。 其他两种情况(S发送1而T发送0,S发送0而T发送1)同样。 4. 结论 码片序列其实相当于硬件加密的密码,只有截获了用户的码片序列,才能截获用户的数 据。因此,CDM 技术具有良好的安全性,在军事和其他需要保密的业务中,具有良好的 应用。 ..5.2 SDH 5.1 概述 2. 1. 背景和特点 20 世纪70~80 年代出现了众多的网络技术,但这些技术扩展复杂,带宽不高,且相互 不兼容,同时计算机也需要传输多种业务的数据。SDH(SynchronousDigitalHierarchy)改 变了这个现状。目前,SDH 是一种成熟、标准的技术,在骨干网中被广泛采用,且价格越来 越低,甚至在接入网中也采用了SDH 技术。 SDH 的概念来自于美国的同步光网络(SONET),ITU-T(国际电信联盟电信标准分 局)对其加以修改并命名为SDH 。SDH 可用双绞线、同轴电缆、微波和卫星等传输,但SDH 用于传输高数据率则需用光纤。 64计算机网络(微课版) SDH 具有灵活的网络拓扑,在网络性能监视、故障恢复(自愈功能强大)及可靠性方面 有着相当的优势,可以提供各种数字业务,且满足电信级别的高性能通信要求(适合语音业 务) 。SDH 第一次在骨干网上真正实现了数字传输体制上的世界性标准,为网络的自动化、 智能化以及降低网络的运维费用方面起到了积极作用。 由于以上特性,SDH 在广域网领域和专用网领域得到了巨大的发展和广泛的应用。中国 移动、中国电信、中国联通等电信运营商都已大规模建设了基于SDH 的骨干光传输网络。 2.SDH拓扑 当前SDH 用得最多的网络拓扑是链形和环状。其中,环状拓扑是现代大容量光纤通 信网络的主要基本结构。通过链形和环状的灵活组合,可构成更加复杂的网络,例如,环带 链、支路跨接网络、相切环、相交环等,如图5-9所示。可以说,SDH 所组成的网络非常灵 活,使网络运营灵活。 图5- 9 一些典型的SDH 拓扑 5.2 通信技术 2. 从ISO/OSI 模型的观点来看,SDH 的主要工作属于物理层,未对高层有严格的限制, 方便在SDH 上采用各种上层网络技术。 如图5-10 所示,上层数据作为载荷,通过打包成为合适的信息包,在SDH 网络中传输。 到另一端再解包,取出载荷,复原成原信号。 图5-10 SDH 传输过程 第5章广域网及相关技术65 1. 复用模型 为了支持各种业务的传输,SDH 确定了由低速速率经过复用获得高速速率,再由高速 速率经过复用获得更高速速率的方式来获得各种通信速率。 SDH 可以实现自身数据的复用,也可以将其他(支路)网络的数据进行复用,由此可以 将复用分为两类。 .低阶的SDH 信号复用成高阶的SDH 信号。 .低速支路信号复用成SDH 信号。 SDH 采用的信息结构等级称为同步传送模块STM-n(等于1,16,64,…)。 n 为级数, 4, 最基本的模块为STM-1(52Mb/s),4个STM-1同步复用构成STM-4个STM-4同 155.4, 步复用构成STM-16,4个STM-16 同步复用构成STM-64…… 依照这样的规定,可以画出 SDH 的复用模型,如图5-11 所示。 图5-11 SDH 的复用模型 2. 复用技术 为了方便组织传输信息和复用信道,SDH 也提出了帧的概念(一般认为帧是数据链路 层中的概念)。SDH 采用块状的帧结构来承载用户的信息,STM-1帧中,净载荷由9行组 成,每行由270B 组成。 STM-4是对4个STM-1进行复用,即STM-4的帧包含4个STM-1的帧,每帧还是由 9行组成,但是通过字节交错间插复用方式,使得每行包含270×4(1080)B。同样,STM-16 的帧中,每行包含270×16B,以此类推,从而实现从低阶SDH 到高阶SDH 的复用。 例如,从STM-1到STM-4的复用过程中,采用字节交错间插复用方式,如图5-12 所 示。其实这个过程符合时分复用的模式。 图5-12 字节交错间插复用方式 4个STM-1帧按照图5-11 的规律被整合到1个STM-4帧中,STM-4的数据传输速率 为STM-1的4倍,向高阶的再复用与此类似,这就是STM 复用的本质。 66 计算机网络(微课版) SDH不同级别的码流在帧结构净负荷区内的排列非常有规律,并且网络是同步的,中 间结点或接收方可以将高速信号根据在帧中的位置直接分拆出低阶/低速支路信号,实现解 复用。 SDH每秒传输8000帧,对STM1而言, =52Mb/ -传输速率为9×270×8×8000155.s; STM-52Mbs62./STM16的传输速率为248./ 4的传输速率为4×15./=08Mbs,-32Mbs,…, STM-256的传输速率可达39Gb/s。 ..5.3 PPP SDH 的主要工作属于物理层,还需规定上层的相关协议后才能使用。而PPP(Pointto PointProtocol)是一个较好的选择。 1.概述 PPP最初的设计目标是为两个对等结点之间的数据传输提供一种数据链路层的封装 协议,目前已成为互联网上应用最广泛的协议之一。 PPP具有以下特点。 (1)支持多种网络协议,目前主要是IP 。 (2)具有错误检测能力,但不具备纠错能力,也不需要重传来保证正确性,所以PPP是 一种不可靠的协议,网络开销小,速度快。 (3)可用于多种类型的介质上,包括串口线、电话线、移动电话和光纤(如SDH)等。 (4)实现全双工传输模式。 2.成帧 & 透明传输 PPP支持两种模式,一种是异步的面向字节的模式,另一种是同步的面向比特的模式。 1)面向字节的协议 PPP采用0即二进制的01111110)作为帧的开始符和结束符。以07D作为转 义符。 x7E( x则PPP将其转变成为两个字符(x0x .如果在帧数据中出现了07E, 07D,x5E )。 .如果在帧数据中出现了0x7D,则PPP将其转变成为两个字符(0x7D,0x5D )。 .如果帧数据中出现小于0x20的字符(控制字符),则PPP将在其前加上0x7D后,将 原有的字符值加上0x20形成新的字符,例如,将0x03转换为(0x7D,0x23 )。 2)面向比特的协议 PPP用在SDH链路时,使用同步传输(一连串的比特连续传送)方式,把数据内容按照 比特的形式进行成帧,此时依然使用二进制串01111110作为帧的定界标识。为了实现透明 传输,PPP采用4.2节中的零比特填充法。 2. 3.PPP的连接建立 最初PPP的另一个作用是支持用户通过拨号或专线方式接入互联网:用户连接ISP (如中国电信、中国移动等),由ISP对用户认证后,分配IP地址给用户,用户只有获得IP地 址后,才能进入互联网遨游。因此PPP还必须具有以下功能。 (1)PPP具有动态分配IP地址的能力 。 (2)PPP具有身份验证功能 。 第5章广域网及相关技术67 出于以上考虑,PPP 建立了一整套连接建立和网络控制的流程。 PPP 的连接建立过程如图5-13 所示。首先,当用户由静止状态开始申请接入互联网 时,接入服务器对请求做出确认,并建立起一条物理连接。 图5-13PPP的连接建立过程 在建立状态下,PPP 使用LCP(链路控制协议)来协商所需的链路配置,主要是发送一 些配置报文来配置数据链路,之后的鉴别阶段使用哪种鉴别方式也是在这个协商过程中确 定下来的。鉴别成功后,就进入了网络的状态。 网络状态下,使用NCP(网络控制协议)来协商相关的网络配置,NCP 给新接入的结点 分配一个临时的IP 地址,使结点成为互联网上的一个合法设备。 经过网络阶段后,PPP 进入打开状态,PPP 链路上即可正常通信了。 NCP 释放网络层连接,收回原来分配出去的IP 地址。接着,LCP 释放数据 通信完毕, 链路层连接。一次上网过程就结束了。 .. 习题 1. 在下列多路复用技术中,( ) 具有动态分配时隙的功能。 A. 同步时分多路复用B. 码分多路复用 C. 统计时分多路复用D. 频分多路复用 2.[2014 研]站点A、B、C通过CDM 共享链路,A、B、C的码片序列分别是(1,1,1,1)、 (1,-1,1,-1)和(1,1,-1,-1), 若C从链路上收到的序列是(2,0,2,0,0,-2,0,-2,0, 2,0,2), 则C收到A发送的数据是( )。 3. 四个站使用CDM 共享链路,码片序列分别为 A.(-1-1-1+1+1-1+1+1)B.(-1-1+1-1+1+1+1-1) C.(-1+1-1+1+1+1-1-1) D.(-1+1-1-1-1-1+1-1) 现收到这样的码片序列(-1+1-3+1-1-3+1+1 )。问哪个站没有发送数据? 哪个站的码片是错误的? 为什么? 写出详细过程。 4. 比特串00011111001111111001 用PPP 传输,经过零比特填充后的比特串是什么? 此时使用的是PPP 的同步传输方式还是异步传输方式? 5.[2013 研]HDLC 协议对0111110001111110 组帧后对应的比特串是什么?