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  • 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。... 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,

    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:

    clip_image002

    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clip_image004

    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。

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  • 在实际通信系统中,通常传输信道能够提供比单路或单用户所...通过载波频率来区分子信道是一种常用的多路复用技术,即频分多路复用FDM技术。 所谓传统的频分复用FDM与解复用,是相对OFDM正交频分复用与解复用而言的。

    在实际通信系统中,通常传输信道能够提供比单路或单用户所需要的带宽大得多的频谱带宽。因此,多用户复用同一个物理无线信道就尤为重要。

    通过载波频率来区分子信道是一种常用的多路复用的技术,即频分多路复用FDM技术。

    所谓传统的频分复用FDM与解复用,是相对OFDM正交频分复用与解复用而言的。

     

    1. 传统的频分多路复用FDM的调制+复用

    (1)物理模型

     

    • 先调制:每一路信号分别用不同频率的载波进行独立的单载波调制。
    • 后复用:然后线性叠加在一起进行传输,这就是频分复用,它利用原理是:频谱不重叠的、不同频率信号的线性叠加原理。

     

    (2)复用信号后的频域频谱图

    不同频率的信号,线性叠加起来,相关不干扰,只要他们的频谱不重叠就可以通过带通滤波器把他们分离出来,这就是解复用的过程!

     

    (3)复用后信号的时域波形图

    单载波调制后的信号:是幅度相位受控的而频率与载波频率相同的周期性余弦波。

    复用后信号的时域波形:是不同已调信号的幅度叠加,如下图所示:

    由于不同的已调信号,其频率、相位、幅度都可能是不相同,因此这些信号叠加起来,时域上的表现形式就不再是周期的正弦或余弦信号了,而是一个非周期、连续时间的信号。

     

    • 两个不同周期/频率的余弦波的线性叠加

    • 三个幅度调制的已调信号的线性叠加

    • N路信号的叠加

     


    2 滤波的种类或方法

    (1)滤波的原理

    滤波(Wave filtering)是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波在射频信号接收和多路复用的解复用中得到广泛的应用。

    滤波是根据傅立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论,任何一个满足一定条件的信号,都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

    换句话说,就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的,组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。

    滤波分为经典硬件滤波和现代数字滤波。

     

    (2)经典硬件滤波器

    滤波器只允许一定频率范围内的信号成分正常通过,而阻止另一部分频率成分通过的电路,叫做经典滤波器或滤波电路

    实际上,任何一个电子系统都具有自己的频带宽度(对信号最高频率的限制),频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器,则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。

    • 当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做高通滤波器。
    • 当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做低通滤波器。
    • 设低频段的截止频率为fp1,高频段的截止频率为fp2:

    频率在fp1与fp2之间的信号能通过其它频率的信号被衰减的滤波器叫做带通滤波器。

    反之,频率在fp1到fp2的范围之间的被衰减,之外能通过的滤波器叫做带阻滤波器。

     

    (3)现代数字滤波器

    数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理,以达到改变信号频谱的目的

    数字滤波器对信号滤波的方法是:用数字计算机对数字信号进行处理,处理就是按照预先编制的程序进行计算。数字滤波器的原理如图所示,它的核心是数字信号处理器。

    数字滤波器利用信号的随机性的本质,将信号及其噪声看成随机信号,通过利用其统计特征,估计出信号本身。一旦信号被估计出,得到的信号本身比原来的信噪比高出许多。典型的数字滤波器有Kalman滤波,Wenner滤波,自适应滤波小波变换(wavelet)等手段 [2]  。从本质上讲,数字滤波实际上是一种算法,这种算法在数字设备上得以实现。这里的数字设备不仅包含计算机,还有嵌入式设备如:DSP,FPGA,ARM等。


    3 频分多路复用FDM的解复用:滤波

    先通过带通滤波器进行解复用,这是频分复用的关键!

    经过带通滤波器,每一路信号只包含用对应频率的已调信号,过滤掉了用其他载波调制的已调信号。

    从频域的角度来看,通过带通滤波器,滤除掉了不需要的谐波分量,剩下的时域信号只保护所需要的谐波分量的已调信号。

    这时候,就可以进行单载波解调了。


    4 传统频分复用的特点

    (1)FDM中,把整个频谱带宽,切分成无数个相同带宽的子载频,每个载频f1, f2, f3.....是独立数字调制的,比如采用正交幅度调制QAM(复指数调制或非复指数调制)或PSK调制(复指数调制或非复指数调制)

    (2)每个载频f1, f2, f3.....频谱之间,必须留有空隙,以防止不同载频之间的相互串扰,导致频谱的利用率不高,浪费了大量的稀缺的无线资源。

    (3)每一路用户最多只能占用有限的几个载波,导致单用户的数据速率无法得到大幅度提升。

    (4)线性叠加复用:每一路单独调制后,进行线性叠加,由于每个路的频谱之间留有一定的保护带宽,因此叠加后的频谱相互不干扰,在解复用时,先通过带通滤波器过滤多余的频谱,然后为每一路载波单独解调。

    (5)通过滤波器解复用:由于每个载波之间是留有间隙的,因此很容易通过滤波器把每一路复用在一起的信号分离开来。

     

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  • 详解常用I/O模型及I/O多路复用 概述 当我们要编写一个echo服务器程序时候,需要对用户从标准输入键入交互命令做出响应。...针对这种困境一个解决办法就是I/O多路复用技术。基本思路就是使用select函数

    概述

    当我们要编写一个echo服务器程序的时候,需要对用户从标准输入键入的交互命令做出响应。在这种情况下,服务器必须响应两个相互独立的I/O事件:1)网络客户端发起网络连接请求,2)用户在键盘上键入命令行。我们先等待哪个事件呢?没有哪个选择是理想的。如果在acceptor中等待一个连接请求,我们就不能响应输入的命令。类似地,如果在read中等待一个输入命令,我们就不能响应任何连接请求。针对这种困境的一个解决办法就是I/O多路复用技术。基本思路就是使用select函数,要求内核挂起进程,只有在一个或多个I/O事件发生后,才将控制返回给应用程序。 --《UNIX网络编程》

    常见的IO模型有:阻塞、非阻塞、多路复用、同步、异步、BIO、NIO、AIO

    一、I/O多路复用概述

    I/O多路复用,I/O就是指的我们网络I/O,多路指多个TCP连接(或多个Channel),复用指复用一个或少量线程。串起来理解就是很多个网络I/O复用一个或少量的线程来处理这些连接。

    超详细的I/O多路复用概念、常用I/O模型、系统调用等介绍

     

    多路复用的本质是同步非阻塞I/O,多路复用的优势并不是单个连接处理的更快,而是在于能处理更多的连接。

    I/O编程过程中,需要同时处理多个客户端接入请求时,可以利用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。

    I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select阻塞上,一个进程监视多个描述符,一旦某个描述符就位, 能够通知程序进行读写操作。因为多路复用本质上是同步I/O,都需要应用程序在读写事件就绪后自己负责读写。

    最大的优势是系统开销小,不需要创建和维护额外线程或进程。

    • 应用场景
    • 服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字
    • 需要同时处理多种网络协议的套接字
    • 一个服务器处理多个服务或协议

    目前支持多路复用的系统调用有select, poll, epoll。


    二、常用I/O模型

    BIO:阻塞IO

    阻塞同步I/O模型,服务器需要监听端口号,客户端通过IP和端口与服务器简历TCP连接,以同步阻塞的方式传输数据。服务端设计一般都是 客户端-线程模型,新来一个客户端连接请求,就新建一个线程处理连接和数据传输

    当客户端连接较多时就会大大消耗服务器的资源,线程数量可能超过最大承受量

    伪异步I/O

    与BIO类似,只是将客户端-线程的模式换成了线程池,可以灵活设置线程池的大小。但这只是对BIO的一种优化手段,并没有解决线程连接的阻塞问题。

    NIO:非阻塞IO

    同步非阻塞I/O模型,利用selector多路复用器轮询为每一个用户创建连接,这样就不用阻塞用户线程,也不用每个线程忙等待。只使用一个线程轮询I/O事件,比较适合高并发,高负载的网络应用,充分利用系统资源快速处理请求返回响应消息,是和连接较多连接时间I/O任务较短

    AIO:异步IO

    异步非阻塞,需要操作系统内核线程支持,一个用户线程发起一个请求后就可以继续执行,内核线程执行完系统调用后会根据回调函数完成处理工作。比较适合较多I/O任务较长的场景。


    三、select

    监视多个文件句柄的状态变化,程序会阻塞在select处等待,直到有文件描述符就绪或超时。

    int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout)
    

    可以监听三类文件描述符,writefds(写状态), readfds(读状态), exceptfds(异常状态)。

    我们在select函数中告诉内核需要监听的不同状态的文件描述符以及能接受的超时时间,函数会返回所有状态下就绪的描述符的个数,并且可以通过遍历fdset,来找到就绪的描述符。

    缺陷

    • 每次调用select,都需要把待监控的fd集合从用户态拷贝到内核态,当fd很大时,开销很大。
    • 每次调用select,都需要轮询一遍所有的fd,查看就绪状态。
    • select支持的最大文件描述符数量有限,默认是1024

    四、poll

    与select轮询所有待监听的描述符机制类似,但poll使用pollfd结构表示要监听的描述符。

    int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)
     
    struct pollfd
    {
     short events;
     short revents;
    };
    

    pollfd结构包括了events(要监听的事件)和revents(实际发生的事件)。而且也需要在函数返回后遍历pollfd来获取就绪的描述符。

    相对于select,poll已不存在最大文件描述符限制。


    五、epoll

    epoll针对以上select和poll的主要缺点做出了改进,

    主要包括三个主要函数,epoll_create, epoll_ctl, epoll_wait。

    • epoll_create:创建epoll句柄,会占用一个fd值,使用完成以后,要关闭。

    int epoll_create(int size)

    • epoll_ctl:提前注册好要监听的事件类型,监听事件(文件可写,可读,挂断,错误)。不用每次都去轮询一遍注册的fd,而只是通过epoll_ctl把所有fd拷贝进内核一次,并为每一个fd指定一个回调函数。
    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
    

    当就绪,会调用回调函数,把就绪的文件描述符和事件加入一个就绪链表,并拷贝到用户空间内存,应用程序不用亲自从内核拷贝。类似于在信号中注册所有的发送者和接收者,或者Task中注册所有任务的handler。

    • epoll_wait:监听epoll_ctl中注册的文件描述符和事件,在就绪链表中查看有没有就绪的fd,不用去遍历所有fd。
    • 相当于直接去遍历结果集合,而且百分百命中,不用每次都去重新查找所有的fd,用户索引文件的事件复杂度为O(1)
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout)
    

    六、select & poll & epoll比较

    1. 每次调用select都需要把所有要监听的文件描述符拷贝到内核空间一次,fd很大时开销会很大。epoll会在epoll_ctl()中注册,只需要将所有的fd拷贝到内核事件表一次,不用再每次epoll_wait()时重复拷贝
    2. 每次select需要在内核中遍历所有监听的fd,直到设备就绪;epoll通过epoll_ctl注册回调函数,也需要不断调用epoll_wait轮询就绪链表,当fd或者事件就绪时,会调用回调函数,将就绪结果加入到就绪链表。
    3. select能监听的文件描述符数量有限,默认是1024;epoll能支持的fd数量是最大可以打开文件的数目,具体数目可以在/proc/sys/fs/file-max查看
    4. select, poll在函数返回后需要查看所有监听的fd,看哪些就绪,而epoll只返回就绪的描述符,所以应用程序只需要就绪fd的命中率是百分百。

    表面上看epoll的性能最好,但是在连接数少并且链接都十分活跃的情况下,select和poll的性能可能比epoll好,毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。

    select效率低是一位每次都需要轮询,但效率低也是相对的,也可通过良好的设计改善


    七、阻塞、非阻塞

    超详细的I/O多路复用概念、常用I/O模型、系统调用等介绍

     

    这张图可以看出阻塞式I/O、非阻塞式I/O、I/O复用、信号驱动式I/O他们的第二阶段都相同,也就是都会阻塞到recvfrom调用上面就是图中“发起”的动作。异步式I/O两个阶段都要处理。这里我们重点对比阻塞式I/O(也就是我们常说的传统的BIO)和I/O复用之间的区别。

    阻塞式I/O和I/O复用,两个阶段都阻塞,那区别在哪里呢?

    虽然第一阶段都是阻塞,但是阻塞式I/O如果要接收更多的连接,就必须创建更多的线程。I/O复用模式下在第一个阶段大量的连接统统都可以过来直接注册到Selector复用器上面,同时只要单个或者少量的线程来循环处理这些连接事件就可以了,一旦达到“就绪”的条件,就可以立即执行真正的I/O操作。这就是I/O复用与传统的阻塞式I/O最大的不同。也正是I/O复用的精髓所在。

    从应用进程的角度去理解始终是阻塞的,等待数据和将数据复制到用户进程这两个阶段都是阻塞的。这一点我们从应用程序是可以清楚的得知,比如我们调用一个以I/O复用为基础的NIO应用服务。调用端是一直阻塞等待返回结果的。

    从内核的角度等待Selector上面的网络事件就绪,是阻塞的,如果没有任何一个网络事件就绪则一直等待直到有一个或者多个网络事件就绪。但是从内核的角度考虑,有一点是不阻塞的,就是复制数据,因为内核不用等待,当有就绪条件满足的时候,它直接复制,其余时间在处理别的就绪的条件。这也是大家一直说的非阻塞I/O。实际上是就是指的这个地方的非阻塞。


    总结

    我们通常说的NIO大多数场景下都是基于I/O复用技术的NIO,比如jdk中的NIO,当然Tomcat8以后的NIO也是指的基于I/O复用的NIO。注意,使用NIO != 高性能,当连接数<1000,并发程度不高或者局域网环境下NIO并没有显著的性能优势。如果放到线上环境,网络情况在有时候并不稳定的情况下,这种基于I/O复用技术的NIO的优势就是传统BIO不可同比的了。那么使用select的优势在于我们可以等到网络事件就绪,那么用少量的线程去轮询Selector上面注册的事件,不就绪的不处理,就绪的拿出来立即执行真正的I/O操作。这样我们就能够用极少量的线程去HOLD住大量的连接。

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  • 本文内容有借鉴《Netty权威指南》的部分内容 Linux网络IO模型 首先说一下一个文件描述符(file descriptor)fd的概念,在Linux中,一切都可以视作文件,对一个文件...最常用的IO模型,也是默认情况下的,详细说...

    本文内容有借鉴《Netty权威指南》的部分内容

    Linux网络IO模型

    首先说一下一个文件描述符(file descriptor)fd的概念,在Linux中,一切都可以视作文件,对一个文件的读写操作就会调用内核提供的系统命令,返回一个fd,使用socket也会有fd,描述符就是一个数字,指向核内的一个结构体(文件路径,数据区等一些属性)

    阻塞IO模型

    最常用的IO模型,也是默认情况下的,详细说就是我们说的一个连接一个线程的模型,每一个系统调用的执行都必须在内核等待数据准备号,然后才进行下面的操作。

    非阻塞IO模型

    在一个操作的执行中,发起一个系统调用到内核,如果数据没有准备号,直接返回,不等待。这个模型中,我们通常需要使用一个轮询检查内核的数据状态,看是否准备好。

    IO复用模型

    Linux提供select/poll进程通过将一个fd或多个fd传递给select/poll系统调用,将会阻塞在select上,这样就可以侦测多个fd是否在就绪状态,select/poll是顺序检查,而且支持的fd有上限。为此还有一个epoll系统调用,它是基于事件驱动的,具体下面说.

    信号驱动IO模型

    是这样的一个过程,首先开启套接字信号驱动功能,并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数,但这个过程并不阻塞,执行完就返回了,当内核中数据准备好了,通过信号回调通知程序来取数据.

    异步IO

    告诉内核某个操作,并让内核在整个操作完成后通知我们.与信号调用是不同的,信号调用只是通知数据准备好了,具体的操作还得自己做,但是异步IO直接是完成任务后通知.

    IO多路复用技术

    有select,pselect,poll,epoll系统调用,主要的过程就是上面的IO复用模型,说下几个区别

    • fd上限
      • select : 32位1024,64位2048个epoll并没有这个限制,虽然不是绝对的无上限,但是大到不用考虑这个问题
    • 效率: select/poll是一个轮询检查的过程,当有一个很大的fd集合,但是活跃的又没多少个,这时,select的效率就很低了,但是在同样的情况下,使用epoll就很好,上面也说到了,epoll是事件驱动的,也就是说有一个回调的过程,epoll有三个函数,epoll_create,epoll_ctl,epoll_wait,create是一个创建epoll的过程,当调用ctl的时候,将用户态的fd发送到内核态,这些fd会有一个回调函数,当准备好的时候,将其fd加入到一个就绪队列中,当使用wait时,我们只检查这些就绪队列中的fd,很显然,效率不是一个层面的
    • 内存复制的不同,epoll会使用mmap实现公用内存,mmap是零拷贝技术的一种
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空空如也

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