计算机网络中的多路复用（信道共享）

多路复用意味着多个源设备通过一条连接线进行通信。另一种方法是采用点对点连接方式，但这种方式存在几个问题：需要为每个设备配备一个I/O端口，还需要为每台设备提供单独的线路，此外，如果设备位于不同的楼层之间，那么还需要大量的布线工作。因此，如果我们使用多路复用器的方法，那么所有设备都可以被连接在一起。MUX而向主机发送的一条信息中，该链接可以承载多个信息通道。因此，发送的线路数量就等于需要传输的信息通道的数量。

为什么选择多路复用呢？

多路复用就是共享某种媒介或资源的意思。带宽这是一种将来自多个源的多个信号进行合并，并通过一条通信或物理线路进行传输的过程。计算机网络中的多路复用技术这一过程是通过一种名为MUX的多路复用器来实现的。该设备可以接收“n”条输入线路，并从中产生一条输出线路。另一方面，还有一种名为DEMUX的多路分解器，它只能接收一条输入线路，然后生成“n”条输出线路。

上面所展示的“n”个输入信号是通过多路复用器来传输的。多路复用器会将这些信号合并在一起，从而形成一种复合信号。现在，这些复合信号会被进一步处理。去复用器然后，这些信号会被传输到各自的目的地。

计算机网络中多种复用方式

多路复用可以分为以下几种类型：

• 频分复用（FDM）
• 时分多路复用（Time-Division Multiplexing，TDM）
• 波分复用（WDM）

频分复用（FDM）

频谱被分配给各个逻辑通道，每个用户只能使用属于自己的通道来传输信号。信号在多个不同的频率范围内传输，同时，同一根电缆上可以承载多个视频通道。每个信号都通过不同的载波频率进行传输，而这些载波频率之间则被保护带所分隔开来。传输介质的带宽远远超过了所有信号所需的带宽。通常情况下，对于频分复用来说……模拟信号它被用来传输信号，因此容易受到噪声的干扰。每个用户或信号在介质上被分配不同的频率范围。这样一来，所有信号都可以同时被传输，而且每个信号都使用不同的频率进行传输。

该多路复用器被连接到高速通信线路上。频谱被分配到各个逻辑通道中，每个用户则使用特定的频率来接收信号。无线电频谱就是这种媒介的一个例子，也是从这种媒介中提取信息的机制。

FDM的优点

• 这个过程非常简单，而且易于调节。
• 在高速线路的末端，还有一个相应的多路复用器或解复用器，它负责将多个信号分离开来。
• 在频分复用中，使用模拟信号来传输数据。

FDM的缺点

• FDM存在一个问题，那就是它无法充分利用电缆的整个传输能力。
• 重要的是，各个频段之间不要发生重叠。
• 为了确保一个频段中的信号不会影响到另一个频段的信号，这两个频段之间必须存在足够的频率间隔。

2. 时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）

每个用户都会定期获得一段短暂的时间内的全部带宽使用权。也就是说，整个信道会被分配给某个用户，但仅在这段短时间内有效。这种技术被广泛应用于计算机通信领域。电信/通信频道共享是通过在介质上分配可用的传输时间来实现用户之间的资源共享。它只使用这种分配方式。数字信号与其将电缆分割开来，不如……频段TDM将电缆的使用时间划分为多个时间段。传输介质的数据传输速率高于信号的数据传输速率。每个时间段对应一个帧，无论源设备是否有数据需要传输，这些时间段内的数据传输都会继续进行。

TDM有两种类型，具体如下：

1. 同步时分复用
2. 统计时分复用
3. 异步的时分复用
4. 交织时分多路复用

同步时分复用：之所以是同步的，是因为多路复用器和解复用器必须就时间槽的分配达成一致。 原始的时分多路复用方式。 该多路复用器以循环方式接收来自各连接设备的输入数据，并以持续不断的方式将这些数据传输出去。 这方面的常见例子包括T-1和ISDN电话线路。 如果某个设备生成数据的速度比其他设备快，那么多路复用器就必须更频繁地采样该设备的输入数据流，或者将这种更快的数据流暂存起来。 如果某个设备没有任何要传输的数据，那么多路复用器仍然需要将该设备的部分数据插入到多路复用流中。

统计时分复用：It这是一种按需求进行的时间分配方式，而不是固定的时间安排。每个数据包的传输时间都是可调整的，来自不同来源的数据包可以在这条链路上交错传输。 它允许将更多的节点连接到电路中，而这一数量超过了电路所能承受的范围。 该模型的前提是，并非所有节点都会始终以最大容量进行传输。 它必须传输一个终端识别码，也就是目的地编号。 并且可能需要进行存储处理。 统计多路复用器只传输来自活跃工作站的数据。 如果某个工作站处于闲置状态，那么多路传输流就不会占用任何资源。 它接收来自外部的数据流，并生成一个只包含需要传输数据的帧。

异步时分复用这是一种多路复用方式，其采样率各不相同，而且不需要使用统一的时钟信号。这种多路复用方式被称为异步时分复用。异步时分复用的带宽通常较低。当没有数据需要传输时，这种多路复用方式会将时间槽分配给其他设备使用。

交织时分多路复用所谓Interleaving TDM，实际上可以看作是两个高速旋转的开关。其中一个开关负责多路复用功能，另一个则负责解复用功能。这些开关也可以反向旋转。当信号从多路复用阶段离开后，再回到解复用阶段时，这个过程就被称为Interleaving。

3. 波分复用（WDM）

它与FDM类似，但应用的对象不同。纤维唯一的区别在于，这里的操作频率要高得多，实际上，这些频率已经达到了光学范围。光纤具有巨大的带宽潜力，因此具有很高的应用价值。不同能量波长的光纤可以通过衍射光栅进行分离。在长距离传输过程中，这些光纤会被重新组合在一起，而在目的地则会被分开。这种技术具有极高的可靠性和巨大的传输能力。

它将多个数据流通过一根光纤线路进行传输。不同的波长激光器（称为“lambda”激光器）分别负责传输多个信号。光纤上传输的每个信号都可以以不同的速率进行传输。

• 密集波分复用：它将许多通道（30、40、50个或更多）整合到一根光纤上。DWDM通道具有极高的传输能力，而且其性能还在不断改善中。
• 粗波分复用：它只包含了少量的lambda函数。在这种情况下，各个通道之间的间隔更大，属于DWDM技术的廉价版本。

其他几种多路复用方式

这里还提到了一些其他类型的多路复用技术。

码分多路复用

这是一种多路复用技术，其中每个编码信号都被分配到不同的频谱上，这样每个信号就可以同时工作。这种技术也被称为……码分多址技术（CDMA）CDMA利用了频谱技术。模拟信号到数字信号的转换因此，ADC被各种无线电通信技术所使用。主要应用于移动通信领域。

码分多路编法的优点

• 它提供了更强大的数据通信能力。
• 它不会压缩其他频率的带宽。

2. 正交频分复用

正交频分复用（OFDM）OFDM是一种数字通信技术，最初是为了在有线电视系统中使用而开发的。它与一种名为“频分复用”的广播技术类似。频分复用技术利用多个发射器和接收器，通过同一根电线（如电力电缆）来传输不同频率的信息。

OFDM的应用场景

• OFDM技术被广泛应用于数字广播、全球数字广播以及数字音频领域。广播此外，还有卫星广播服务。
• OFDM被用于……中。有线数据传输。

3. 空间分割多路复用

空间分复用技术（SDM）实际上是频率分复用技术与时分复用技术的结合。简单来说，就是某个特定频道会被分配给某个特定的频段，并持续使用一段时间。

空间分割多路复用的优点

• 它具备较高的数据传输速率。
• 一些无源光网络（Passive Optical Network, POV）的实现方式采用了SDM技术。

多路复用的优势

• 多路复用技术能够高效地利用计算机资源。
• 多路复用具有成本效益。
• 频率分割多路复用技术允许同时传输多个信号。
• 时分复用技术被用于公平资源分配，即每个设备都被分配了一个特定的传输时间区间。
• 码分多路复用技术被用来提高安全性，只有经过授权的用户才能访问数据。
• 多路复用还提供了可扩展性。

多路复用的缺点

• 这增加了系统的复杂性。
• 存在一种“单点故障”问题，也就是说，如果某个节点发生故障，那么整个系统就会陷入瘫痪状态。
• 这并不具备容错能力。

往年GATE考试题目

Q.1：假设我们采用统计时分复用方式来传输数据包。共有10个数据源。在每个时间单位内，每个数据源会传输一个包含1000比特的数据包。在前20个时间单位里，分别有6、9、3、7、2、2、2、3、4、6、1、10、7、5、8、3、6、2、9、5个数据源在传输数据。此时，复用器的输出能力为每时间单位5000比特。那么，在给定的时间段内，每个时间单位内积压的数据包数量的平均值为多少呢？[GATE IT 2007]

(A) 5

(B)4.45

(C)3.45

(D) 0

解决方案：正确答案是(B).

如需详细解释，请参考相关说明。GATE | Gate IT 2007 | 问题60.