Мультиплексоры
Мультиплексоры (multiplexer, MUX) – это сетевые устройства, которые могут принимать сигнал от множества входов и передавать их в общую сетевую среду.
Мультиплексоры по сути представляют собой коммутаторы и используются в старых и новых технологиях, в том числе:
• в телефонии для коммутации физических линий;
• при коммутации телекоммуникационных виртуальных цепей для создания множества каналов в одной линии (например, в Т-линиях);
• в последовательных каналах для подключения нескольких терминалов к одной линии (в локальных или глобальных сетях), для чего эта линия делится на несколько каналов;
• в технологиях Fast Ethernet, X.25, ISDN, ретрансляции кадров, АТМ других (для создания множества коммуникационных каналов в одной кабельной передающей среде).
Мультиплексоры работают на Физическом уровне OSI, переключаясь между каналами. При этом используется один из трех методов электрической коммутации или единственный метод при передаче по оптической среде.
Методы электрической коммутации: множественный доступ с уплотнением каналов (TDMА), множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) и статистический множественный доступ.
При передаче по оптической среде применяется спектральное разделение (уплотнение) каналов (wavelength division multiplexing, WDM). Световую волну можно представить как спектр, состоящий из волн различной длины, изменяемой в ангстремах. Ангстрем равен 10-10 м, а световая волна состоит из отдельных волн длиной от 4000 до 7000 ангстрем. При использовании спектрального разделения несколько входящих соединений преобразуются в набор волн различной длины в пределах спектра света, передаваемого по оптоволоконному кабелю.
Группы каналов
При своем появлении группы каналов (channel bank), или канальные группы, представляли собой устройства, позволяющие пропускать несколько входящих речевых сигналов по одной линии, а мультиплексоры преобразовывали несколько сигналов данных для передачи по одной линии.
Необходимость передачи голоса, данных и видео привела к быстрому развитию телекоммуникационных групп каналов, и в настоящее время с их помощью можно как передавать речевые сигналы, так и выполнять мультиплексирование данных, речи и видео.
Таким образом, группа каналов – это крупный мультиплексор, объединяющий телекоммуникационные каналы в одном месте, называемом точкой присутствия (point of presence, POP). Эти каналы могут представлять собой частные линии Т-1, полные линии Т-1 и Т-3, каналы ISDN или каналы с ретрансляцией кадров. Первые группы каналов типа D-1 состояли из мультиплексоров Т-1.
Усовершенствования групп каналов привели к появлению D-4 и менее дорогих систем цифрового доступа и коммутации (DACS). Там, где интенсивно используются выделенные линии, существуют также группы каналов Т-3, ISDN и с ретрансляцией кадров.
В пределах точки присутствия (POP) несколько групп каналов связываются Между собой для того, чтобы входящий трафик из одной группы каналов можно было переключать на другую группу каналов и отправлять к точке Назначения. Все каналы во входящей линии (например, линии Т-1) объединяются и могут быть перенаправлены в другую группу каналов. Можно так же перенаправить в другую группу только один из входящих каналов. ДВ соединения групп каналов существуют два метода маршрутизации, которые, по сути, напоминают динамическую и статическую маршрутизацию в сетях. Таким образом, современные группы каналов располагают таблицами маршрутизации, которые либо поддерживаются автоматически, либо настраиваются администраторами.
В зависимости от сетевой архитектуры точки присутствия, информация о маршрутизации может храниться либо централизованно в одной из групп каналов, либо распределяться между установленными группами.
Мультиплексирование
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.
- 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.
- 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:
- грубые WDM (Coarse WDM— CWDM)—системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов. (Используемые в настоящее время CWDM работают в полосе от 1270нм до 1610нм, промежуток между каналами 20нм(200ГГц), можно мультиплексировать 16 спектральных каналов.);
- плотные WDM (Dense WDM—DWDM)—системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 40 каналов;
- высокоплотные WDM (High Dense WDM—HDWDM)—системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.
Мультиплексоры
Мультиплексоры являются одним из видов связной аппаратуры, предназначенной для образования высокоскоростных цифровых каналов при построении глобальных компьютерных сетей.
Появление и эволюция мультиплексоров
Цифровая аппаратура мультиплексирования и коммутации была разработана в конце 60-х годов компанией AT&Tдля решения проблемы связи крупных коммутаторов телефонных сетей между собой. Каналы с частотным уплотнением, применяемые до этого на участках АТС-АТС, исчерпали свои возможности по организации высокоскоростной многоканальной связи по одному кабелю. На замену данной технологии появилась новая – работающая на принципе разделения канала по времени -TDM. Физический уровень международного варианта технологии определяется стандартомG.703, названием которого обозначается тип интерфейса подключаемого к каналу Е1. Американский вариант интерфейса носит название Т1.
С одной стороны мультиплексор имеет модемный интерфейс (канал Е1, один и более) предназначенный для передачи данных на значительные расстояния, от 1.5 до 2.0 км, а с другой — в нем имеются пользовательские интерфейсы для подключения терминального оборудования. Терминальное оборудование делит между собой полосу пропускания линейного интерфейса. Такой канал называется дробным (fractional) каналом Е1 (Т1). Пользователю каждого терминального оборудования может отводится определенное число тайм-слотов линейного канала мультиплексора. Аппаратура канала, образуемая мультиплексорами абсолютна прозрачна для пользователя.
В первое время мультиплексоры образовывали составные каналы на долговременной основе, и пользователь мог арендовать несколько каналов 64Кбит\с (56кбит\с) в канале Е1(Т1). При этом абонент не мог влиять на процесс коммутации этого канала.
Гибкие мультиплексоры
В дальнейшем были разработаны мультиплексоры, которые обеспечивали гибкую схему мультиплексирования потоков с разными скоростями, позволяющие вставлять (insert) и извлекать (drop) пользовательскую информацию для любого уровня скорости, не демультиплексируя весь поток. С этого момента в терминологии утвердилось само понятие « гибкий мультиплексор». Современные мультиплексоры способны принимать данные от нескольких терминальных устройств, каждое из которых может передавать данные на разных скоростях. При этом потоки могут быть как синхронными, так и асинхронными.
Если в мультиплексор добавить второй канал Е1, то такая аппаратура способна принимать и передавать транзитом поток Е1, вставляя и удаляя «на ходу», без полного демультиплексирования , пользовательские данные, принимаемые с терминальных устройств. Обычно эти два линейных порта имеют определенную иерархию. Один из них в коммуникционной терминологии называется “Line”, а второй “User” . При транзите обеспечивается расчленение потока основного “Line” линейного интерфейса с образованием потоков для терминального оборудования. Часть потока данныхLineможет пропускается в передатчик линейного порта «User”.
В качестве терминального оборудования к мультиплексору могут быть подключены : персональный компьютер, маршрутизатор, телефонный FXSилиFXOканал, а также мост для локальной сетиEthernet. Подключение терминального оборудования производится через цифровые интерфейсы мультиплексора.