第四章-DWDM.ppt

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1、第四章第四章-DWDM-DWDM2v跳线3光耦合器光耦合器45光隔离器光隔离器6空分复用SDM（Space Division Multiplexer）时分复用TDM（Time Division Multiplexer）波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）TDM和WDM技术合用 711、波分复用技术概述波分复用技术概述 4.1 DWDM技术产生背景技术产生背景 v通信需求剧增通信需求剧增vSDH和和PDH采用采用“一纤一波一纤一波”方式，由于受器件自身特性方式，由于受器件自身特性的限制，其传输容量及扩容方式均无法满足需求。的限制，其传输容量及扩容方式

2、均无法满足需求。v光纤的巨大带宽资源尚未充分利用。光纤的巨大带宽资源尚未充分利用。v提高传输速率和扩容的方式有下面几种81.2 1.2 波分复用的基本概念波分复用的基本概念v波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用（OFDM）DWDMCWDMOFDM94.3 DWDM原理概述原理概述 vDWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。v由于目前一些光器件（如

3、带宽很窄的滤光器、相干光源等）还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用（ODFM）是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（WDM），再把在同一窗口中信道间隔较小的DWDM称为密集波分复用（DWDM）。10vITU-T G.692建议，DWDM系统的绝对参考频率为193.1THz（对应的波长为1552.52nm），不同波长的频率间隔应为100GHz的整数倍（对应波长间隔约为0.8nm的整数倍）。11DWDM系统的构成及光谱示意图系统的构成及光谱示意图 121.4 WDM设备的传输方式设备的传

4、输方式（1）单向WDM 实用的WDM系统大都采用双纤单向传输方式 13（2）双向WDM14v混频（FWM）是指多个两个或三个不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生混频成分，或在边带上产生新的光波效应。当这些混频产物落在信道内，将会引起信道间串扰，导致信噪比降低，一般对中间信道的影响最大。当混频产物落在信道外时，也会给系统带来噪声。15（3）光信号分出与插入161.5 开放式与集成式系统开放式与集成式系统 DWDM通常有两种应用形式：v开放式DWDMv集成式DWDM17v开放式DWDM系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要求这些接口符合ITU-T 建议的光接口标准。DWDM系统采

5、用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成指定的波长，不同终端设备的光信号转换成不同的符合ITU-T建议的波长，然后进行合波 18v集成式DWDM系统没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合DWDM系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合ITU-T建议的波长，这样他们在接入合波器时就能占据不同的通道，从而完成合波。v根据工程的需要可以选用不同的应用形式。在实际应用中，开放式DWDM和集成式DWDM可以混合使用。191.6 WDM的优势（1）超大容量。商用1.6Tbit/s，3.2Tbit/s也在研发（2）对数据的“透明”传输（3）系统升级时能最大限度地保护已有投资（4）高度的组

6、网灵活性、经济性和可靠性（5）可兼容全光交换201.7 DWDM发展迅速的主要原因v1、光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在1550nm窗口区域采用DWDM技术成为可能；v2、TDM10Gb/s以上系统面临着电子元器件的挑战，利用TDM方式已日益接近技术的极限；v3、已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb/s以上系统的传输，光纤色度色散和极化模色散的影响日益加重。v4、从技术和经济的角度，DWDM技术是目前最经济可行的的扩容技术手段 211.8 CWDM（稀疏波分复用）（稀疏波分复用）简介CWDM与DWDM的区别有两点：（1）CWDM载波通道间距较宽

7、，因此一根光纤上只能复用2到16个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；（2）CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光，它需要冷却技术来稳定波长，实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。22v目前的稀疏波分复用系统一般工作在从1260nm到1620nm波段，间隔为20nm，可复用16个波长通道，其中1400nm波段由于损耗较大，一般不用。vCWDM用很低的成本提供了很高的接入带宽，适用于点对点、以太网、SONET环等各种流行的网络结构，特别适

8、合短距离、高带宽、接入点密集的通信场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。23vCWDM目前主要存在以下三点不足：（1）CWDM在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高；（2）复用器、复用调制器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是DWDM相应设备的简单改型；（3）CWDM还未形成标准。24思考题思考题 v什么是WDM、DWDM以及CWDM？v简述WDM设备的两种传输方式？v什么是开放式与集成式系统？v简述WDM系统的组成？2522、WDM传输媒质传输媒质 2.1 光纤2633、DWDM的关键技术的关键技术v波分复用的关键技术大致有三部分：v光源技术v合/分波器v光放大器27

9、一、光源一、光源vDWDM系统的工作波长较为密集，一般波长间隔为几个纳米到零点几个纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上，并且具有很好的稳定性；另一方面，DWDM系统的无电再生中继长度从单个SDH系统传输5060km增加到500600km，在延长传输系统的色散受限距离的同时，为了克服光纤的非线性效应，要求DWDM系统的光源使用技术更为先进、性能更为优越的激光器。28（一）激光器的调制方式（一）激光器的调制方式v激光器的调制方式vDWDM系统中，发射部分的激光器均为间接调制方式的激光器 间接调制：这种调制方式又称做外调制。即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制

10、器实际上起到一个开关的作用。29v恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，光谱的谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁止”通过的方式进行处理，而在调制的过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量 v可以应用于传输速率2.5Gbit/s，传输距离超过300公里以上的系统。30v常用的外调制器光电调制器v其基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。光电调制器声光调制器波导调制器31声光调制器v利

11、用介质的声光效应制成。所谓声光效应，是声波在介质中传播时，介质受声波压强的作用而产生变化，这种变化使得介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性。波导调制器v将钛（Ti）扩散到铌酸锂（LInBO2）基底材料上，用光刻法制出波导的具体尺寸。它具有体积小、重量轻、有利于光集成等优点。32集成外调制技术日益成熟，是DWDM光源的发展方向。常见的是更加紧凑小巧，与光源集成在一起，性能上也满足绝大多数应用要求的电吸收调制器。33（二）激光器波长的稳定v在DWDM系统中，激光器波长的稳定是一个十分关键的问题，根据ITU-T G.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光信道间隔的正负五分之一，即当光信道间隔

12、为0.8nm的系统，中心波长的偏差不能大于20GHz。v在DWDM系统中，由于各个光通路的间隔很小（可低达0.8nm），因而对光源的波长稳定性有严格的要求，例如0.5nm的波长变化就足以使一个光通路移到另一个光通路上。在实际系统中通常必须控制在0.2nm以内，其具体要求随波长间隔而定，波长间隔越小要求越高，所以激光器需要采用严格的波长稳定技术。34（三）、光源的技术要求（三）、光源的技术要求v1、系统工作波长区v石英光纤有三个低损耗窗口：600nm900nm，1000nm1350nm，14501800 nm，即所谓的860nm窗口，1310nm窗口和1550nm窗口。860nm窗口主要用于多模

13、光纤，SDH业务传递多用1310nm窗口和1550nm窗口。但由于目前尚无工作于1310 nm窗口的实用化光放大器，所以波分复用系统的工作波长区为1510 nm。35vWDM系统的工作波长范围分为两部分，C波段和L波段。C波段波长范围为：1528.771560.61 nm，对应的工作频率为：196.05192.1THZ（1THZ=1000 GHZ）。L波段波长范围为1577.861603.57nm，对应的工作频率为：190.00186.95THZ。与一般单波长系统不同的是，WDM系统通常用频率来表示其工作范围 36vSDH系统在一个低损耗窗口只有一个光波，而波分复用系统要在一个低损耗窗口复用多

14、个波长，波长间隔仅为零点几个纳米，这就需要激光器工作在一个标准波长上，且具有非常好的稳定性。另一个方面，DWDM系统的无电中继长度从单个SDH系统的5060公里增加到了500600公里，这就要求DWDM系统光源的色散受限距离大大的延长，同时还有很好的克服光纤的非线性效应 372、系统转换器功能、系统转换器功能v波长转换器的主要功能就是进行波长转换。它可以把光通路信号的非标称波长转换成符合ITU-T建议G.692规定的标称光波长，然后接入WDM系统，从而使WDM系统具有开放性。v在现已商用的产品中，采用的依然是光/电/光（O/E/O）方法，即先用PIN或APD光二极管把接收到的光信号转换成电信号

15、，然后再用该电信号对具有标称光波长的激光器进行调制，从而得到合乎要求的光波长信号。383、波长转换器的性能指标、波长转换器的性能指标vA、系统工作波长区 v如前面所述，DWDM的工作波长区位于1550 nm低耗窗口，当80波以内复用时，占用C波段，对应的工作频率为：196.05192.1THZ。当160波复用时，占用C波段和L波段。196.05192.1THZ 和190.00186.95THZ 39B、通路间隔、通路间隔v所谓通路间隔，是指两个相邻复用通路之间的标称频率差。通路间隔可以是均匀的，也可以是非均匀的。但目前大部分还是采用均匀通路间隔。v目前DWDM系统最小通路间隔是50GHZ的整数

16、倍。当复用通路为8时，其通路间隔为200GHZ。当复用通路为1640时，其通路间隔为100GHZ。当复用通路为80波以上时，其通路间隔为50GHZ。当然采用的通路间隔越小，要求分波器的分辨率越高，同时复用的通路数也越多 40C、标称中心频率、标称中心频率v标称中心频率是指WDM系统中每个复用通路对应的中心波长（频率）。v当8波复用时，第一波的中心频率为192.1THZ，通路间隔为200GHZ。v当16波，32波，40波复用时，第一波的中心频率为192.1THZ，通路间隔为100GHZ。v当80波复用时，第一波为196.05THZ向下递减50GHZ。第80波为192.1THZ。v当160波复用时

17、，前面80波位于C波段，第一波为196.05THZ向下递减50GHZ。第80波为192.1THZ。后面80波位于L波段，第81波为190.90THZ，向下递减50GHZ，第160波为186.95THZ。41D、中心频率偏移、中心频率偏移v中心频率偏移又称频偏，是指复用光通路的实际中心工作频率与标称中心频率之间的偏差。v最大中心频率偏移为：+/-20GHZ(约+/-0.16nm)。该值为寿命终了值，即在系统设计寿命终了时，考虑到温度、湿度等各种因素仍能满足的数值。42E、色散容限、色散容限 对于WDM系统来讲，不管系统的传输速率有多高、传输容量有多大，它对光纤色度色散系数的要求，基本上就是单个复

18、用通路速率信号对光纤色度色散系数的要求。DWDM系统的无电中继长度远远大于单个SDH系统，所以要求DWDM系统光源的色散受限距离必须延长，同时还有很好的克服光纤的非线性效应 43（四）四）DWDM系统对光源的两个基本要求系统对光源的两个基本要求v1、比较大的色散容纳值；v2、标准稳定的波长。44vWDM系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求，要求器件必须具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。45v影响光通讯传输距离的两大因素为：损耗和色散，在高码速率传输的情况下，色散的影响占主要地位。v光放大器只解决了传输损耗的问题。v色散受限则需选择谱宽极窄的半导体激光器来解决。46v实践证明，

19、采用传统的直接调制方式使半导体激光器在高码速率条件下工作时会产生所谓啁啾声，极大地限制了系统的传输距离。要想实现超长距离传输，必须减小或避免啁啾声现象，为此WDM系统使用的光源器件改用外调制方法，即所谓外调制型光源。47vITU-T对WDM系统的工作波长及其偏差（频偏）作了严格规定，v系统工作光波长的偏差在0.08nm范围，这就要求光源器件的发光波长应该非常稳定，否则某复用光通路的信号可能会串到相邻的光通路之中，在解复用时会产生混乱。因此WDM系统的光源器件必须具有波长稳定措施。48二、光合波分波技术二、光合波分波技术 v波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即光复用器和光解复用器（有时也称合

20、波器和分波器），实际上均为光学滤波器，其性能好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。v合波器与分波器，又称光复用器与解复用器。491、光波复用器、光波复用器/解复用器解复用器光波复用器的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输；光解复用器的主要作用是将在一根光纤中传输的多个波长信号分离。WDM系统性能好坏的关键是WDM器件，其要求是复用信道数量足够、插入损耗小、串音衰耗大和通带范围宽等。从原理上讲，合波器与分波器是相同的，只需要改变输入、输出的方向。50光波分复用器基本要求是：v插入损耗低、v隔离度高、v具有良好的带通特性、v温度稳定性好、v复用通路数多v具有较高的分辨率等 512、光合波器和

21、分波器的种类、光合波器和分波器的种类 光波分复用器的种类有很多，大致可以分为四类：v干涉滤光器型、v光纤耦合器型、v光栅型、v阵列波导光栅（AWG）型。52A光栅型波分复用器光栅型波分复用器v光栅型波分复用器属于角色散型器件。它利用不同波长的光信号在这种元器件的反射角度不一样的特性，来分离和合并不同波长的光信号。目前最流行的衍射光栅是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后再在环氧树脂上制造光栅线，构成所谓反射型闪烁光栅。53B、介质薄膜型波分复用器、介质薄膜型波分复用器v介质薄膜型波分复用器是由介质薄膜（DTF）构成。DTF干涉滤波器是由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜组合而成。一层为高折

22、射率，一层为低折射率。当膜层的光学厚度n1d1为1/2波长时，该波长的光将透射过去。空气空气高高衬底衬底高高低低高高低低衬底衬底54C、阵列波导波分复用器、阵列波导波分复用器 v阵列波导波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件。典型制造过程是在硅片上沉积一层薄薄的二氧化硅玻璃，并利用光刻技术形成所需要的图案并腐蚀输入的DWDM信号，由第一个星形耦合器分配到各条阵列波导中，阵列波导的长度依次递增L，对通过的光信号产生等光程差，其功能相当于一个光栅，在阵列波导的输出位置发生衍射，不同波长衍射到不同角度，经过第二个星形耦合器，聚焦到不同的输出波导中。55D、熔锥型复用器、熔锥型复用器v熔锥型波

23、分复用器是将两根或者多根光纤靠贴在一起适度熔融而成的一种表面交互式器件，一般用于合波器。优点：制造成本低，插入损耗低。缺点：通道间隔离度差，复用波数少56波分复用器件性能比较器件类型器件类型机理机理批量批量生产生产通道间隔通道间隔（nm）通道数通道数串音（串音（dB）插入损插入损耗耗（dB）主要缺点主要缺点衍射光栅型衍射光栅型角色角色散散一般一般0.510131-3036温度敏感温度敏感介质薄膜型介质薄膜型干涉干涉/吸收吸收一般一般1100232-2526通路数较通路数较少少熔锥型熔锥型波长波长依赖依赖型型较容较容易易1010026-（1045）0.21.5通路数少通路数少集成光波导集成光波导

24、型型平面平面波导波导容易容易15432-25611插入损耗插入损耗大大573、合波分波器的主要指标、合波分波器的主要指标v复用通路数复用通路数v插入损耗插入损耗v隔离度隔离度v反射系数反射系数v偏振相关损耗（偏振相关损耗（PDL）v温度系数温度系数v带宽带宽58A、复用通路数、复用通路数v它代表波分复用器件能进行复用与解复用的光通路数量，它与器件的分辨率、隔离度等参数密切相关。v通常波分复用设备提供8路，16路，32路，40路复用解复用器件。59B、插入损耗v指波分复用器件本身对光信号的衰减作用。v波分复用器件的插损对WDM系统的传输距离起着十分重要的影响。v不同类型的波分复用器件有不同的插损

25、值，但总是希望波分复用器件的插损越小越好。60C、隔离度、隔离度v该类参数仅对波长敏感型器件有意义。v一般合波器采用耦合型器件，没有隔离度的参数，但是分波器采用介质薄膜型器件，为波长敏感型器件，故隔离度对于分波器来讲，是一个非常重要的参数。它表征分波器本身对其各复用光通路信号的彼此隔离程度。通路的隔离度越高，波分复用器件的选频特性就越好；它的串扰抑制比也越大，各复用光通路之间的相互干扰影响也就越小。61D、反射系数v在波分复用器件的输入端，反射光功率与入射光功率之比为反射系数。其值越小越好，v一般反射系数小于 30dB。62E、偏振相关损耗（PDL）v因光波的偏振态变化而造成的插入损耗的最大变

26、化值，叫作偏振相关损耗。v光是频率极高的电磁波，所以存在着波的振动方向问题（偏振）。输入到波分复用器件中的各复用通路光信号，其偏振态不可能完全一致，而同一波分复用器件对不同偏振态的光波，其衰减作用也略有不同。其值越小越好，63F、温度系数v是指因环境温度变化而引起的复用通路中心工作频率之偏移。波分复用器件的温度系数越小越好，越小说明各复用通路的中心工作频率越稳定。如小于0.0005 nm/C(0.5pm/C)。64项目单位16通路指标32通路指标插入损耗dB104040工作波长范围nm1548-15611530-1561偏振相关损耗dB0.52222非相邻通路隔离度dB2525各通路差损的最大

27、差异dB23合波器参数要求 65项目单位16通路指标32通路指标通路间隔GHz100100插入损耗dB82525非相邻通路隔离度dB2525偏振相关损耗dB0.50.5各通路差损的最大差异dB23温度特性nm/C*分波器参数要求66三、光放大技术三、光放大技术1、概述对于长距离的光传输系统来说，随着传输距离的增长，光功率逐渐减弱。v激光器的光源输出通常不超过3dBm，否则激光器的寿命可能达不到要求。v为了保证一定（较小）的误码率，接收端的接收功率必须维持在一定的值上，例如28 dBm。v在长距离的光传输系统中，光功率受限往往成为决定传输的主要因素。67v传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是

28、，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。于是，人们希望有一种不使用再生器也可以增强光信号的方法，即光放大技术。68v光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大，以解决WDM系统的超长距离传输问题。v由于合/分波器的插入损耗较大，大大减小了WDM系统的传输距离，使之仅为三、四十公里左右，满足不了实际需求。使用光放大器后，不仅使WDM系统的传输距离满足常规要求，而且还可以实现超长距离传输，好的系统可以达到640公里无中继传输。69光放大器的工作不需要转换光信号到电信号，然

29、后再转回光信号。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。光放大器支持任何比特率和信号格式，因为光放大器简单地放大所收到的信号。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的；光放大器不仅支持单个信号波长放大像再生器，而且支持一定波长范围的光信号放大。而且，只有光放大器能够支持多种比特率、各种调制格式和不同波长的时分复用和波分复用网络。70v光放大器（OA）的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍光功率受限，这是光通信史上的重要里程碑。71对光放大器的要求是:应具有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。v目前在1550nm波长范围，一般采用掺铒光纤放大器EDFA。722、光纤

30、放大器的类型、光纤放大器的类型 73光放大器的技术指标光放大器的技术指标v单路或合路光纤最大光功率电平为+17dBm或+20dBm。v当光纤断开时，光放大器应具有泵浦源自动关闭功能或将EDFA 输出功率降低到安全功率以内。v光放大器光器件（泵浦源）寿命应不小于30万h。74四、光分插复用技术四、光分插复用技术 v光分插复用设备（OADM）的功能类似于SDH网络中的数字分插复用设备（ADM），它可以直接以光波信号作为操作对象，利用光波分复用技术在光域上是实现波长信道的上下。OADM节点可以分为静态OADM节点合动态OADM节点。在静态节点中，使用上下固定波长的光路信号。在动态节点中，可以根据需要

31、选择上下不同波长的光路信号。75五、光监控通道技术（五、光监控通道技术（OSC）v与常规的SDH系统不同，带光放大器的WDM系统增加了对EDFA光放大器的监测与管理功能。由于EDFA光放大器只有光放大而无电信号接入，尤其是作为光放大器再生器使用时，因没有业务信号的上下而无任何电接口接入，为对其进行监控增加了难度；此外在SDH开销中也没有对EDFA进行监控的专用字节，所以必须增加一个电信号来对EDFA的状态进行监控。76vOSC的作用：在一个新波长上传送有关WDM系统的网元管理和监控信息，包括对EDFA的监控信息，从而使网络运营者能够有效地对WDM系统进行管理。77思考题思考题 v1DWDM的概

32、念是什么？v2波分系统为什么要用波长转换设备？v3波分系统的工作波长范围是什么，为什么？v4请列出波分系统主要的光源器件 v5.DWDM系统对光源的基本要求是什么v6.再生放大器和光放大器有何区别785 5 DWDM组网设计组网设计一、DWDM的几种网络单元类型 DWDM设备一般按用途可分为光终端复用设备、光线路放大设备、光分插复用设备、电中继设备几种类型。下面是一个32波的波分复用设备的实例 791、光终端复用设备（、光终端复用设备（OTM)在发送方向，光终端复用设备（OTM）把波长为1-32的STM-16信号经合波器复用成一个80Gb DWDM主信道信号，然后对其进行光放大，并 附加上波长

33、为人s的光监控信道信号。在接收方向，OTM先把光监控信道信号取出，然后对DWDM主信道信号进行光放大，经分波器解复用成32个波长的STM-16信号。80TWC,RWC为波长转换板：M32和D32为合波、分波板：WPA,WBA为光放板SC1为监控信号处理板：SCA为监控信道接入板：OTM的信号流向如图所示812、光线路放大设备（、光线路放大设备（OLA)系统的光线路放大设备在每个传输方向配有一个光线路放大器。每个传输方向的OLA先取出光监控信道(OSC)信号并处理，再将主 信道信号进行放大，然后将主信道信号与光监控信道信号合路并送入光纤线路。823、光分插复用设备（、光分插复用设备（OADM）SDH设备输出的光信号1、2、3、4分别利用TWC把非特定波长的光信号转换成特定波长的光信号，然后再把各个特定光波长信号复用成多波长的光信号，送入东向或西向的光纤传输。其逆过程正好相反。利用OADM设备可以在系统中间站方便地将光支路信号从主信号码流中提取出来，也可以将光支路信号插入到主信号码流中。83二、二、DWDM网络的一般组成网络的一般组成1、点到点组网2、链形组网843、环形组网结束结束