Мультиплексирование с разделением по времени

Мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM) или временное мультиплексирование заключается в поочередном предоставлении взаимодействующим системам всей полосы пропускания канала на небольшой промежуток времени. Другими словами: все отправители используют один и тот же диапазон частот общего канала в разные промежутки времени. Технология TDM используется в цифровых каналах связи.

Каждому входному каналу для передачи блока данных выделяется временной промежуток, называемый тайм-слотом или временным слотом. В качестве тайм-слота может служить интервал времени, необходимый для передачи одного бита, байта, кадра или пакета.

Существуют два типа временного мультиплексирования — синхронный и асинхронный.

В синхронном (Synchronous Time Division Multiplexing) режиме время работы канала делится на повторяющиеся циклы, состоящие из кадров TDM. Каждый кадр TDM начинается с синхронизирующей последовательности и включает n тайм-слотов одинаковой длительности, по одному на каждый логический канал. Тайм-слоты назначаются всем, подключенным к мультиплексору входным каналам, нумеруются и располагаются в кадре TDM в строго определенном порядке.

Входные каналы по очереди передают блоки данных одинакового размера в течение выделенных им тайм-слотов в каждом цикле. На рисунке 3.15 иллюстрируется синхронное временное мультиплексирование, обеспечивающее параллельную передачу данных между четырьмя парами устройств. Блок данных, полученный портом 1 мультиплексора, будет передаваться в течение тайм-слота 1 для соединения А1-А2. Блок данных, полученный портом 2, будет передаваться в течение тайм-слота 2 для соединения В1-В2. Блок данных, полученный портом 3, будет передаваться в течение тайм-слота 3 для соединения С1-С2. Блок данных, полученный портом 4, будет передаваться в течение тайм-слота 4 для соединения D1-D2.

Рис. 3.15 Синхронное мультиплексирование с разделением по времени

При использовании этого метода может оказаться так, что в одном и том же цикле у одной системы не будет данных для передачи, а другой системе не будет хватать выделенного времени. При отсутствии данных для передачи у какого-либо устройства, выделенный ему тайм-слот останется пустым и не сможет быть занят другим устройством.

Для того чтобы демультиплексор на другом конце канала связи мог корректно считывать блоки данных и распределять их по соответствующим выходным каналам, порядок следования тайм-слотов в кадре TDM должен четко соблюдаться. Каждый входной канал в синхронном TDM идентифицируется своей временной позицией внутри уплотненного кадра, т.е. номером тайм-слота. Эта позиция используется как адресная информация.

Чтобы приемник мог определить начало очередного тайм-слота в кадре TDM, требуется синхронизация. Синхронизация может выполняться разными способами. Например, одним из способов является передача синхронизирующей последовательности в начале кадра TDM, которая позволяет отличить один кадр из другого. Нарушение синхронности приводит к тому, что приемная сторона не может корректно распределять поступающий поток данных, так как при этом изменяется относительное положение тайм-слотов, а значит, теряется адресная информация.

Синхронный TDM используется в сетях с коммутацией каналов. Двумя базовыми архитектурами, основанными на синхронном TDM, являются системы плезиохронной цифровой иерархии (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy), используемые для цифровой передачи нескольких телефонных разговоров по каналам Т1 (1,544Мбит/с), Е1 (2 Мбит/с), а также цифровые системы передачи SDH/SONET, обеспечивающие передачу цифровых потоков данных как через медные, так и через оптические линии связи. Интерфейсы BRI (Basic Rate Interface) и PRI (Primary Rate Interface) сетей ISDN (Integrated Services Digital Network) также служат для транспортировки данных на основе синхронного TDM.

Пропускная способность общего канала при синхронном TDM определяется как сумма пропускной способности всех входных каналов плюс некоторые административные издержки. Одним из основных недостатков синхронного режима является привязка между входными каналами и тайм-слотами. Если у устройства нет данных для передачи, другое устройство не может передать данные в этот тайм-слот. Это приводит к неэффективному использованию полосы пропускания и соответственно к уменьшению пропускной способности канала связи.

В качестве достоинства синхронного TDM можно назвать прозрачность для протоколов верхних уровней, т.к. он реализуется на физическом уровне модели OSI. В течение тайм-слотов можно передавать разный тип трафика: данные, голос, видео. Т.к. взаимодействующие системы получают в каждом цикле тайм-слот с одним и тем же номером, передаваемые блоки данных появляются на приемной стороне через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. В связи с этим не требуется использование буферов, т.к. поток данных передается и принимается с одной скоростью.

Буфер – это область памяти, в которой сетевое устройство временно хранит передаваемые данные.

Альтернативой синхронному временному мультиплексированию служит асинхронное (Asynchronous TDM, ATDM) или статистическое (Statistical TDM).

Статистическое мультиплексирование отличается тем, что отправитель получает тайм-слот только в том случае, если у него имеются данные для передачи. Тайм-слоты не имеют фиксированной длительности (размер передаваемого блока данных может быть переменным), не привязываются к конкретному входному каналу, а выделяются динамически, согласно статистики их запросов. Если отправитель не имеет данных для передачи, тайм-слот не остается пустым, а передается тому устройству, которое готово к передаче. Более того, отправитель, в зависимости от того сколько у него данных, может получить не один, а несколько тайм-слотов подряд.

Пропускная способность общего канала связи будет определяться средней пропускной способностью, подключенных входных каналов.

В отличие от синхронного TDM, где в качестве адресной информации использовалась позиция тайм-слота в кадре TDM, в статистическом TDM передаваемый блок данных должен содержать точную адресную информацию, чтобы данные были переданы нужному получателю.

Рис. 3.16 Асинхронное мультиплексирование с разделением по времени

Обычно сетевые устройства взаимодействуют статистическим (произвольным) образом, т.к. не все из них имеют данные для передачи в одно и то же время. Если данные поступили одновременно на несколько входных портов, то использовать общий канал для передачи сможет только одна пара взаимодействующих устройств. Остальные данные, поступившие на другие порты мультиплексора, будут помещены в буфер, и находиться там до освобождения общего канала. В противном случае они могут быть потеряны. Для решения проблемы, когда несколько отправителей хотят одновременно использовать общий канал применяются методы множественного доступа (multiple access), реализуемые на канальном уровне модели OSI.

Одна пара взаимодействующих устройств не может монопольно захватить общий канал для передачи, иначе возникло бы переполнение буфера мультиплексора (перегрузка сети). Для предотвращения переполнения буферов мультиплексоров используются специальные методы управления потоком (flow control).

Обычно буферизированные блоки данных передаются через выходной порт мультиплексора в том порядке, в котором они поступили, т.е. «первым пришел, первым ушел» (FIFO, First Input, First Output). Однако можно организовать дифференцированную или гарантированную передачу блоков данных, обеспечивая качество обслуживания (Quality of Service, QoS).

Термин «качество обслуживания» обозначает не «как быстро» пакеты передаются от отправителя к получателю, а каким образом. Пакеты от отправителя к получателю могут передаваться по разным маршрутам, могут помещаться в буфер устройства связи и долго ожидать своей очереди на передачу или наоборот передаваться раньше других, могут отбрасываться. Трафик разных приложений предъявляет разные требования к пропускной способности. Функции QoS в современных сетях заключаются в обеспечении гарантированного или дифференцированного уровня обслуживания сетевого трафика. Подробнее про функции качества обслуживания можно прочитать в книге «Технологии коммутации и маршрутизации в локальных компьютерных сетях» Е.В. Смирнова и др.

Статистический TDM используется в сетях с коммутацией пакетов и в сетях с коммутацией ячеек. В отличие от синхронного TDM, он не является прозрачным для протоколов, т.к. он реализуется на канальном и более высоких уровнях модели OSI. Конечные узлы и сетевые устройства должны поддерживать одни и те же протоколы. Примерами использования синхронного TDM могут служить протоколы семейства Ethernet, протокол IP, протоколы TCP и UDP, протокол ATM (Asynchronous Transfer Mode).