多路复用
频分多路复用
时分多路复用
波分多路复用
码分多路复用


多路复用技术应用于很多方面，本文主要讲述数据交换中电路交换的多路复用

多路复用（multiplexing），简称复用，是通信技术中的基本概念。

共享信道

把链路/网络资源（如带宽）划分为资源片

将资源片分配给各路“呼叫”，资源片可能“闲置”（idle） 无共享

下面介绍典型多路复用方法

频分多路复用
频分多路复用 (frequency division multiplexing - FDM)
将信道按频率进行划分，各用胡占用不同的带宽资源（这里的带宽是频率带宽（单位是Hz）而不是数据发送频率）比如有线电视网络
时分多路复用
时分多路复用(time division multiplexing - TDM )
将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM），每个用户在每个 TDM 帧中占 用固定序号的时隙
每用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是 TDM  帧的长度）
每个TDM帧内每个用户都占用一个时隙
时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度
波分多路复用
波分多路复用 (wavelength division multiplexing - WDM)
光的频分复用，按波长划分。光通信系统，

判断题：WDM实质是FDM。 正确，因为WDM是按照光的波长进行划分，按波长就是按频率进行划分

码分多路复用
码分多路复用 (code division multiplexing - CDM)，对比CDMA

广泛应用于无线链路共享（如蜂窝网，卫星通信等）

	

如何避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题呢？这就是IO多路复用模型。
在IO多路复用模型中，引入了一种新的系统调用，查询IO的就绪状态。在Linux系统中，对应的系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪(一般是内核缓冲区可读/可写)，内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用。
目前支持IO多路复用的系统调用，有select、epoll等等。select系统调用，几乎在所有的操作系统上都有支持，具有良好的跨平台特性。epoll是在Linux 2.6内核中提出的，是select系统调用的Linux增强版本。
在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的线程，可以不断地轮询成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有IO就绪的状态，就返回对应的可以执行的读写操作。
举例来说明IO多路复用模型的流程。发起一个多路复用IO的read读操作的系统调用，流程如下：
(1)选择器注册。在这种模式中，首先，将需要read操作的目标socket网络连接，提前注册到select/epoll选择器中，Java中对应的选择器类是Selector类。然后，才可以开启整个IO多路复用模型的轮询流程。
(2)就绪状态的轮询。通过选择器的查询方法，查询注册过的所有socket连接的就绪状态。通过查询的系统调用，内核会返回一个就绪的socket列表。当任何一个注册过的socket中的数据准备好了，内核缓冲区有数据(就绪)了，内核就将该socket加入到就绪的列表中。
当用户进程调用了select查询方法，那么整个线程会被阻塞掉。
(3)用户线程获得了就绪状态的列表后，根据其中的socket连接，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。
(4)复制完成后，内核返回结果，用户线程才会解除阻塞的状态，用户线程读取到了数据，继续执行。
IO多路复用模型的流程，如下图所示
IO多路复用模型的特点：IO多路复用模型的IO涉及两种系统调用(System Call)，另一种是select/epoll(就绪查询)，一种是IO操作。IO多路复用模型建立在操作系统的基础设施之上，即操作系统的内核必须能够提供多路分离的系统调用select/epoll。
和NIO模型相似，多路复用IO也需要轮询。负责select/epoll状态查询调用的线程，需要不断地进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。
IO多路复用模型与同步非阻塞IO模型是有密切关系的。对于注册在选择器上的每一个可以查询的socket连接，一般都设置成为同步非阻塞模型。仅是这一点，对于用户程序而言是无感知的。
IO多路复用模型的优点：与一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大优势在于，一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接(Connection)。系统不必创建大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。
Java语言的NIO(New IO)技术，使用的就是IO多路复用模型。在Linux系统上，使用的是epoll系统调用。
IO多路复用模型的缺点：本质上，select/epoll系统调用是阻塞式的，属于同步IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
如何彻底地解除线程的阻塞，就必须使用异步IO模型。
相关文章1. 简述 BIO, NIO, AIO 的区别
2. 携程基于Quasar协程的NIO实践
3. Java NIO浅析
4. NIO与传统IO的区别
	

基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
  
宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。
  
多路复用技术的基本原理是：各路信号在进入同一个有线的或无线的传输媒质之前，先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的已调制信号，然后进入传输媒质传送到对方，在对方再用解调（反调制）技术对这些信号加以区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的目的。
  
常用的多路复用技术有频分多路复用技术和时分多路复用技术。
  
频分多路复用是将各路信号分别调制到不同的频段进行传输，多用于模拟通信。频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子 信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰(条件之一)。频分复用技术的特 点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。频分多路复用的原理图如下所示：
  
  
时分多路复用技术是利用时间上离散的脉冲组成相互不重叠的多路信号，广泛应用于数字通信。时分多路复用适用于数字信号的传输。由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率,因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。每一时间片由 复用的一个信号单独占用,在规定的时间内,多个数字信号都可按要求传输到达,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。假设每个输入的数据比特率是 9. 6kbit / s ,线路的最大比特率为76. 8 kbit / s ,则可传输8 路信号。
  
除了频分和时分多路复用技术外，还有一种波分复用技术。这是在光波频率范围内，把不同波长的光波，按一定间隔排列在一根光纤中传送。这种用于光纤通信的“波分复用”技术，现在正在迅速发展之中。波分复用(WND)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收 机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用
  
频分多路复用与时分多路复用的区别如下：     
  (1)微观上，频分多路复用的各路信号是并行的，而时分多路复用是串行的。
  
  (2)频分多路复用较适合于模拟信号，而时分多路复用较适用于数字信号。
  
频分多路复用是将传输介质的可用带宽分割成一个个“频段”，以便每个输入装置都分配到一个“频段”。传输介质容许传输的最大带宽构成一个信道，因此每个“频段”就是一个子信道。
  
频分多路复用的特点是：每个用户终端的数据通过专门分配给它的信道传输，在用户没有数据传输时，别的用户也不能使用。频分多路复用适合于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电缆电视(CATV)系统，在数据通信系统中应和调制解调技术结合使用。
  

5. 多路复用技术
5.1 为什么需要 IO 多路复用技术？
在多线程 web server 模型下由于线程的调度切换完全是由操作系统控制的，如果 socket 在某一时刻不可读或不可写导致调用阻塞引起线程被挂起，而 socket 何时可读何时可写都只能随机等待线程重新获取被调用的机会只会才能知道，还有一种做法就是设手动不断的检查来查看 socket 是否可读可写，然后再调用相应的工作线程进行处理，无论是哪种方式都将引入额外的开销，而且代码将变得非常复杂而且难以维护。
5.2 什么是 IO 多路复用技术？
在非 IO 多路复用技术的模型中，我们怎么得知有新的 socket 连接或者 socket 已经准备好读或写，只能是一直苦苦等待或者不断做轮询检查，而在 IO 多路复用技术可以做到主动通知。
在 IO 多路复用技术中，通过告知内核需要监听的 socket 以及对应的事件，由内核通知我们 socket 是否已经准备就绪，而不是不断的检查或做无用功。也就是说 IO 多路复用技术是内核提供的一种功能，由于是被动通知，IO 多路复用技术又称事件驱动。
IO multiplex 多用在是网络编程中，常常用来解决一下问题：
A Client 同时处理多个文件描述符
A Client 同时处理多个 sockets
A TCP Server 同时处理监听 socket 以及已经连接的 socket
A Server 同时处理 UDP 和 TCP
A Server 同时处理多种服务和多种协议
5.3 IO 多路复用技术用到的基础概念
阻塞是指调用需要等待结果的完成，调用会影响后续指令的进行，可以认为计算机的任何调用都是阻塞的，因为不管什么调用都有 CPU 的执行等待，所以阻塞是一个相对概念，只有在限定场景之下讨论阻塞才更有意义，比如一个请求涉及 5 个函数调用，请求的平均响应时间是 20 ms，分布到每个函数是 4 ms，如果某个函数调用时需要等待的时间导致请求的平均响应时间变长了，我们说这个函数是一个阻塞操作。
非阻塞是指调用方式不影响后续的指令执行，即函数执行之后立即返回，不等待结果的响应。
同步是指调用方需要等待结果的返回，然后才执行后续指令，不管等待时间的长短，同步必然阻塞。
异步是指调用方不需要等待结果的返回，结果以通知的形式获得，真正的异步是需要在程序执行的每一步执行都需异步操作，比如 nodejs 中的 callback 通知。
5.4 IO 模型
IO 多路复用技术会涉及到以下几种 IO 模型的讨论，他们分别是：
blocking I/O
nonblocking I/O
I/O multiplexing (select and poll)
signal driven I/O (SIGIO)
asynchronous I/O (the POSIX aIO_ functIOns)
所有的 IO 模型都会涉及以下两个基本的执行流程：
等待数据可用，这通常是指等待网络中的数据包到达，到达之后内核把会把数据包 copy 到内核 buffer。
从内核 copy 数据到处理进程，这是指把数据从内核拷贝到用户进程。
5.4.1 阻塞 IO
指程序在遇到 IO 调用时一直等待 IO 就绪才会执行相应的指令，我们在前几章讨论的单进程模型，多线程模型都属于 recv 数据都属于阻塞 IO，同步阻塞是最最简单的模型，socket 默认是阻塞的。
5.4.2 非阻塞 IO
遇到 IO 调用时不管 IO 有没有准备就绪(内核把数据拷贝到进程)都直接返回。
5.4.3 IO multiplex
借助 select 和 poll 等内核提供的机制只在 IO 准备就绪内核通知我们以后才进行 IO 操作。
5.4.4 信号驱动 IO
同 IO 多路复用技术，内核通过信号通知我们的 IO 何时就绪。
5.4.5 Asynchronous IO
同信号驱动 IO，内核通过信号通知我们的 IO 何时就绪，区别在于信号驱动 IO 通知发生在数据开始拷贝时，而异步 IO 通知在数据已经完成从内核到用户进程的拷贝。
在接下来的几个小节会对 linux 提供的几种 IO 多路复用技术一一进行介绍，他们分别是 select、poll、epoll。
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2019-05-23 11:02:59