Chapter 6 广域网技术

本章教学提要 教学目标： 理解广域网的特点 了解广域网服务的实现模型与常见的广域网设备； 了解OSI模型描述的广域网； 了解典型的广域网协议和技术，包括PPP、ISDN、ATM、帧中继和SDH技术等。

Chapter 6.1 广域网概述

本节驱动问题 与局域网技术相比，广域网有什么不同？ 广域网技术与OSI模型的哪些层次对应？ 广域网服务是如何实现的？

广域网的特点 广域网在网络特性与局域网存在明显的差异： 地理覆盖范围：远远超过局域网，在几百到成千上万公里；地区、国家、洲际、全球 设计目标：主要用于互连广泛地理范围内的局域网，实现广大范围内的远距离数据通信 与局域网主要是为了实现小范围内的资源共享而设计共享资源形成对照

广域网的特点 应用环境复杂：线路、技术、协议、设备 传输方式上，为了实现远距离通信，通常采用载波形式的频带传输或光传输 介质：双绞线、电缆、光缆、微波、卫星 传输速率：主干网高，但接入速率低 误码率高：复杂的差错控制技术 传输方式上，为了实现远距离通信，通常采用载波形式的频带传输或光传输 局域网则采用数字化的基带传输。

广域网的特点 网络拓扑结构上，广域网更多的采用点到点连接的网状拓扑，提高广域网链路的容错性，减少因中间节点设备的处理速度、线路的质量以及传输环境的噪声影响广域网传输的可靠性 在归属上，通常由公共通信部门来建设和管理电信、联通、网通、吉通 公共通信部门利用所拥有的广域网资源向用户提供收费的广域网数据传输服务，又被称为网络服务提供商(service provider,简称SP)。 （优缺点）

广域网的网状拓扑结构

广域网服务的实现模型 Central office switch：由广域网服务提供商提供的，离用户最近的局端交换机 Toll network：广域网服务提供商用来实现长途传输的通信网络，通常由成组的交换机和中继设备组成 物理上放置在用户一侧的设备，包括属于用户的设备或服务提供商放置在用户侧的设备 在CPE的前端，本地环路开始的地方，通常CPE也就是用户接入所在地 从分界到服务提供商中心局的线路

常见广域网设备 路由器属于网络层的互连设备，用于实现不同网络之间的互连和路由功能； 广域网交换机属于数据链路层的多端口存储转发设备，在广域网中实现数据链路层协议帧的转发。如帧中继交换机、X.25交换机、光交换机等

常见广域网设备 调制解调器用于实现数字和模拟信号转换，如ISDN网络中用到的TA/NT1设备等。 通信服务器主要用来对广域网用户进行身份合法性的验证并提供服务策略。 广域网接入服务器

常见广域网服务类型一：专线 服务 可以为用户提供永久的专用连接； 不管用户是否有数据在线路上传送都要为专线付租用费，故又被称为租用线。 连接的可靠性高，但租用费也相对较高； 一般用于WAN的核心连接，或者LAN和LAN之间的长期固定连接。 DDN（数字数据网） E1和E3（数字电路业务） POS

常见广域网服务类型一：线路交换服务 每次通信时都要首先在网络中建立一条物理线路或连接，并在用户数据传输完毕后要撤除或结束所建立的连接 又被称为电路交换。 典型例子： 　　　电话网络、在传统电话网络上实现的数字传输服务ISDN。

广域网服务类型三：包交换服务 将待传输的数据分成若干个等长或不等长的数据传输单元来进行独立传输的一种服务方式。 网络线路为不同的数据包或帧所共享，交换设备为这些包或帧选择一条合适的路径将其传送到目的地。 若信道没有空闲，交换设备将待转发的包或帧暂时缓存起来 信道的利用率较高 典型例子： 帧中继和ATM 。

常见的广域网传输带宽

广域网与OSI模型 广域网主要工作于OSI模型的下三层，即物理层、数据链路层和网络层； 由于目前网络层普遍采用了IP协议，所以广域网技术或标准主要关注物理层和数据链路层的功能及其实现； 不同广域网技术的差异就在于它们在物理层和数据链路层实现方式的不同。 广域网的物理层协议主要描述如何面向广域网服务提供电气、机械、规程和功能特性，包括定义DTE和DCE设备的接口； 广域网的数据链路层定义数据帧的封装以及如何通过广域网链路传输到远程节点。

广域网交换技术 WAN 电路交换 电话服务 ISDN 包交换 X.25 Frame DDN …… 专线 交换式 广域网在接入和传输过程中，常用技术有多种，如电路交换、包交换、虚电路交换和光交换等。 WAN 电路交换 电话服务 ISDN 包交换 X.25 Frame DDN …… 专线 交换式

电路交换 在电话网中按需拔号技术，使用专用物理线路。 用于规模小连接，短时间访问，临时把远程用户连接到网中。 使用异步串行连接; 连接方式有：拔号上网，ISDN，ADSL 传输数据之前，先建立连接，数据独享连接带宽，不论有无数据传输，连接都被独占。传输结束后，要释放连接。 异步串口 电路交换 Telephone Company

电路交换

PSTN PSTN即人们熟悉公用电话交换网(Public Switched Telephone Network)，P S T N开始由模拟线路组成，现在大多数P S T N通过光纤、铜缆和卫星等各种介质来传输数字信号。PSTN网络是公用通信网中基础网，通信区域覆盖全国，是进行远程通信投资少、见效快、实现大范围数字通信最便捷方法。

ISDN 综合业务数字网I S D N（Integrated Services Digital Network）是国际电信联盟（I T U）为了在数字线路上传输数据而开发的。与P S T N一样，I S D N使用电话载波线路进行拨号连接，但和P S T N截然不同的是，I S D N技术独特的数字链路，可以同时传输两路话音和一路数据信号，因而通讯的速度和通讯的质量都大大提高。

包交换（分组交换） 多个网络设备共享一条从源点到目的点到点链路，进行数据传输，节省传输成本。 传输的数据分组，标有目的地址发往网络，不需建立专门的连接，根据分组地址，一级级地转发到目的地。 常用的连接方式有：x.25和FR 共享物理线路，性价比较高；可用于长时间连接；跨地域连接。 Service Provider 同步串口 分组交换连接

虚电路 所谓虚电路，就是两个用户端设备在发送和接收数据之前，通过网络建立的逻辑链路。虚电路中使用的所谓逻辑链接，是在两个节点对等层通信协议之间建立的一种连接，如图所示。 一旦连接建立之后，就在网络中保持已建立的数据通路，用户发送的以分组数据将按顺序通过网络到达终点。当用户不需要发送和接收数据时，清除连接。

专线连接 独享，预先订制。象私家车，只为特定对象服务。 适用大数据传输，数据流量恒定的环境。 点对点的同步串行链路; 一般建议在如下场合使用： 长连接的时间,全天候服务; 较短的距离 同步串口 点到点专线

光交换 光交换是指对通过光纤传送的光信号进行信息交换方式，光交换技术在安装的过程中不需要经过任何光／电转换设备，在光域中直接将输入光信号，通过光纤交换到不同输出端。与数字程控交换技术相比，光交换无须在光纤传输线路和交换机之间，进行光/电和电/光交换，而且在交换过程中，还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点。 光纤传输技术与光交换技术融合在一起，可以使光交换技术成为通信网交换技术的一个发展方向。光交换技术的交换方式可分为空分光交换（SDDS）、时分光交换（TDPS）、波分光交换（WDPS）、复全型光交换和自由空间交换（FSPS）等五种方式。

Chapter 6.2 PPP

PPP概述 点对点协议(Point-to-Point Protocol)的简称，由IETF (Internet Engineering Task Force)开发，被广泛使用并成为国际标准； 一个工作于数据链路层的广域网协议。为路由器到路由器、主机到网络之间使用串行接口进行点到点的连接提供了OSI第二层的服务； 在物理上可使用各种不同的传输介质，包括双绞线、光纤及无线传输介质； 在数据链路层提供了一套解决链路建立、维护、拆除和上层协议协商、认证等问题的方案； 在帧的封装格式上，PPP采用的是一种HDLC的变化形式； 对网络层协议的支持包括了多种不同的主流协议，如IP 和IPX等。

PPP的体系结构

PPP的连接 PPP的连接一般要经历四个阶段： 链路建立阶段--通过发送LCP的帧来对链路进行相关的配置，包括数据最大传输单元、是否采用PPP的压缩、PPP的认证方式等； 链路质量协商阶段(可选)--用于对链路质量进行测试，以确定其能否为上层所选定的网络协议提供足够的支持，另外若连接的双方已经要求采用安全认证，在该阶段还要按所选定的认证方式进行相应的身份认证； 网络层协议选择阶段--通过发送NCP包来选择网络层协议并进行相应的配置，不同的网络层协议要分别进行配置；该阶段完成 一条完整的PPP链路就建立起来了并可在上面进行数据传输。 任何时候只要用户请求断开连接或者由于链路故障，PPP的连接都会被终止即进入链路拆除阶段。

PPP的身份验证方式之一：PAP 英文全称：Password Authentication Protocol PAP采用一种两次握手方式：、 　　　远程节点提供用户名与密码，由本地节点提供身份验证的确认或拒绝。 　　　用户名与密码对由远程网络节点不断地在链路上发送，直到验证被确认或被终结。 密码在传输过程中采用明文方式，且发送登录请求的时间和频率完全由远程节点控制 实现简单但易受到攻击。

PPP的身份验证方式之一：CHAP 英文全称，Challenge Handshake Authentication Protocol 使用三次握手的验证方式： 　　　本地节点提供一个用于身份验证的挑战值，由远程节点根据所收到的挑战值计算出一个回应值发送回本地节点，若该值与本地节点的计算结果一致，则远程节点被验证通过； 一个没有获得挑战值的远程节点是不可能尝试登录并建立连接的，也就是说CHAP是由本地来控制登录的时间与频率； 由于每次所发送的挑战值都是一个不可预测的随机变量，所以CHAP较之PAP更加安全有效； 在通常情况下，更多采用的是CHAP验证方式。

Chapter 6.3 公共电话交换网

公共电话交换网概述 用于电话传输的网络 Public Switched Telephone Network，简称PSTN 采用电路交换形式，由电话交换设备构成网络中的通信控制设 正在由模拟电话网向数字电话网络发展 在数字传输线路中传输端到端的模拟语音信号

公共电话交换网的组成 终端设备： 模拟制式的脉冲或者双频电话机，或数字电话机、传真机等数字终端设备 交换设备： 各种电话交换机，目前主流的是采用程序控制方式的计算机系统构成的程控数字交换机 传输线路： 连接用户终端设备和交换设备的用户线路；各个交换机之间的中继线路。 信令系统： 电话通信过程所遵守的(物理层)协议标准，目前主要使用NO.7信令系统

PSTN在计算机网络中的应用 提供了现成的、可供长距离传输的网络连接资源 在传统语音外，可传输数据和可视图文 基于PSTN引入了数字用户线路（DSL）、综合业务数字网（ISDN）技术 数字用户线路DSL(Digital Subscriber Line) 是以铜缆电话线为传输介质的点对点传输技术。

Chapter 6.4 ISDN

ISDN概述 综合业务数字网，Integrated Service Digital Network CCITT（现更名为国际电信联合会ITU)的定义： 　　　由电话综合数字网IDN演变而来的，它向用户提供端到端的连接，并支持话音、数字、图像、图形、传真等综合业务。用户可以通过一组有限的、标准的、多用途用户网络接口来访问这个网络获得相应的业务。 以综合数字电话网（IDN）为基础发展而成的通信网； 支持端到端的数字连接，是一个全数字化的网络； 支持各种通信业务； 提供标准的用户-网络接口，用户对ISDN的访问通过该接口完成。

ISDN的组成 S/T 接口 U 接口 R 接口 ISDN 2 wires To CO 4 wires TE1 NT1 NT2 TE1 TA R 接口

ISDN的组成（续） ISDN终端 标准ISDN终端（TE1）: TE1是符合ISDN接口标准的用户设备，如数字电话机和四类传真机等 ； 非标准ISDN终端（TE2）:TE2是不符合ISDN接口标准的用户设备，TE2需要经过终端适配器TA的转换，才能接入ISDN标准接口。 网络终端设备 网络终端1（NT1）：NT1是放置在用户处的线路端接装置，它属于网络服务提供商的设备，是网络的边界。 网络终端2（NT2）：NT2又称为智能网络终端，如数字PBX、集中器等。可完成交换和集中的功能。 终端适配器TA：完成适配功能，包括速率适配和协议转换等，使TE2能够接入ISDN。

ISDN 的速率服务 两种服务：基本速率接口BRI和基群速率接口PRI BRI( basic rate interface)： 　　　包括两条全双工的B信道和一条全双工的D信道，简称为2B+D。 　　　B信道的速率为64KB/S，用来传送用户信息；D信道的速率为16KB/S，用来传送用户网络信令或低速的分组数据。3个分离信道所提供的总带宽为144KB/S。 PRI （primary rate interface ) 又叫做一次群接口，根据各国数字传输系统的体系不同，又分为两种速率。 欧洲和中国采用30B+D的信道结构，其中B信道用来传送用户信息，D信道用来传送用户网络指令，两类信道的速率均为64KB/S，总速率为2.048M 在美国和日本采用23B+D的信道结构，提供1.544MB/S的传输速率。

} } ISDN 的速率服务图示 } } { BRI PRI E1 T1 2B D 56/64 kbps 16 kbps 144 kbps 23B (T1) or 30B (E1) D } T1 1.544 Mbps or E1 2.048 Mbps (includes sync) 64 kbps each 64 kbps PRI Purpose: This figure compares the physical characteristics of ISDN BRI and PRI. Emphasize: Compare the number of channels in BRI and PRI. Transition: The next figure shows the sequence of a BRI call. } 31 64 kbps channels 2.048 Mbps (includes sync) E1 } 1.544 Mbps (includes sync) 24 T1 DS0s

ISDN的应用 为用户提供的系列综合业务分为承载业务、用户终端业务和补充业务三大类。 　　　个人用户使用因特网接入这项业务主要是利用ISDN的远程接入功能，接入时采用拨号方式；企业用户则通常使用ISDN作为备份线路。 用户补充业务是对承载业务和用户终端业务的补充和扩展，它为用户提供更加完善和灵活的服务，如主叫用户线识别、被叫用户线识别、呼叫等待等。

Chapter 6. 5 ATM

ATM的产生背景 N-ISDN的问题： 不能真正提供电视信号、视频业务等许多高速率业务。 作为在数字电话网基础上演变而来的技术，其主要业务仍是64kbps的电路业务，对技术发展的适应性很差。 尽管用户通过标准用户－网络接口进入网络实现了多种业务的综合接入，但在网络内部，针对不同的业务，实际还是采用不同的交换方法，并未实现真正统一的综合交换。 B-ISDN(Broadband ISDN) 被提了出来： 　　　以光纤为传输介质，提供远远高于一次群速率的传输信道，并针对不同的业务采用相同的交换方法，即致力于真正做到用统一的方式来支持不同的业务。 ATM作为其中的关键技术却被保留了下来并成为高速广域网传输技术的重要基础。

ATM的实现 综合了电路交换的可靠性与分组交换的高效性，借鉴了两种交换方式的优点，采用了基于信元的统计时分复用技术。 电路交换： 　　　采用时分复用方式，通信双方周期性地占用重复出现的时隙，信道以其在一帧中的时隙来区分，而且在通信过程中无论是否有信息发送，所分配的信道（时隙）均为相应的两端独占。 　　　该模式的实时性好，适合于发送对延迟敏感的数据，但信道带宽的浪费较大； 分组交换： 　　　不分配任何时隙，采用存储转发方式，属于统计复用。 　　　该交换方式的灵活性好，适合突发性业务，且信道带宽的利用率高，但分组间不同的延时会导致传输抖动，因此不适合实时通信。

ATM的实现（续） 综合信元(cell) 是ATM用于传送信息的基本单元： 固定长度的短信元可以充分利用信道的空闲带宽。 　　　采用53字节的固定长度。其中，前５个字节为信头，载有信元的地址信息和其他一些控制信息，后48个字节为信息段，装载来自各种不同业务的用户信息。 固定长度的短信元可以充分利用信道的空闲带宽。 信元在统计时分复用的时隙中出现，即不采用固定时隙，而是按需分配，只要时隙空闲，任何允许发送的单元都能占用。 信元在底层采用面向连接方式传送，并对信元交换采用硬件以并行处理方式去实现，减少了结点的时延，其交换速度远远超过总线结构的交换机。

ATM的组成 ATM网络系统由ATM业务终端、交换、传输等部分组成 。 ATM交换机是ATM网络的核心，它采用面向连接的方式实现信元的交换

ATM的特点 以面向连接的方式工作，大大降低了信元丢失率，保证了传输的可靠性； 物理线路使用光纤，误码率很低； 采用短信元作为数据传输单位可以充分利用信道空闲，提高了带宽利用率。 ATM论坛定义的物理层接口有SDH STM-1、4、16，其数据传输速率分别可达成55.52M、662.08M、2488.32M。 对应于不同信息类型的传输特性，如可靠性、延迟特性和损耗特性等，ATM可以提供不同的服务质量来适应这些差别。

ATM的应用 ATM的高可靠性和高带宽使得其能用于能够适应从低速到高速的各种传输业务，如数字化的声音、数据、图像等。 可应用于高速骨干网中实现视频点播(VOD)、宽带信息查询、远程教育、远程医疗、远程协同办公、家庭购物等。

Chapter 6.6 帧中继

帧中继的产生背景 对X.25分组交换技术的回顾： X.25分组交换是借助于虚电路在网络层提供面向连接服务的一种技术。 　　　上世纪80年代末、90年代初在广域网中被大量采用，丰富的检、纠错机制特别适合于当时广泛使用铜缆的网络环境。 　　　随着容量大、质量高(误码率低于10-9)的光纤被大量使用，通信网的纠错能力就不再成为评价网络性能的主要指标。 X.25分组交换的某些优点在光纤传输系统中已经得不到体现，呼唤技术改进或简化 　　　　　　　　　　　　　帧中继

帧中继的实现 继承了X.25提供统计复用功能和采用虚电路交换的优点： 简化了可靠传输和差错控制机制： 　　　将那些用于保证数据可靠性传输的任务如流量控制和差错控制等委托给用户终端或本地节点机来完成，在减少网络时延的同时降低了通信成本。 在网络层次或体系结构上，只有物理层和数据链路层两层，并对数据链路层功能进行了较大的调整： 　　　取消了X.25中的网络层，将统计复用、数据交换、路径选择等功能定义在数据链路层执行，取消了流量控制、纠错及确认等处理功能； 　　　数据交换相应地从X.25包改成了以帧为单位，故称帧交换或帧中继。

帧中继中的虚电路 帧中继网络中，虚电路为两个相互通信的DTE节点之间提供了面向连接的第二层服务。 不同的虚电路由数据链路连接标识符DLCI (Data-Link Connection Identifier)进行标识。 按照虚电路实现方式的不同，帧中继链路可进一步分为： 交换虚电路(Switched Virtual Circuits ，SVCs)： 一种“临时”的电路连接，它只有在双方需要通信时才建立。 永久虚电路(Permanent Virtual Circuits，PVCs)： 虚电路连接与双方是否需要进行通信无关，或者说这种连接是“永久”存在的。 　　　 PVCs较SVCs常见。

帧中继的组成 一个典型的帧中继网络由用户设备与网络交换设备组成； FR交换机是帧中继网络核心设备，在数据链路层完成对帧的传送； 用户设备负责把数据帧送到帧中继网络，用户设备分为帧中继终端和非帧中继终端两种，非帧中继终端必须通过帧中继装拆设备FRAD接入帧中继网络。

帧中继的特点 采用统计复用技术为用户提供共享的网络资源，提高了网络资源的利用率。 既可提供用户事先约定的带宽，也可在网络资源富裕时，允许用户以预定带宽的费用使用超过预定值的带宽。 仅实现物理层和链路层的核心功能，大大简化了网络中各个节点机之间的处理过程，有效的降低了网络时延。 较高的传输质量。 高质量的线路和智能化的终端是实现帧中继技术的基础，前者保证了传输中的误码率很低，即使出现了少量的错误也可以由智能终端进行端到端的恢复。 采取了PVC管理和拥塞管理，客户智能化终端和交换机可以清楚了解网络的运行情况，不向发生拥塞和已删除的PVC上发送数据，以避免造成信息的丢失，进一步保证了网络的可靠性。

帧中继的应用 帧中继的用户接入速率一般为64Kbps—2Mbps，局间中继传输速率一般为2Mbps、34Mbps，现已可达155Mbps 帧中继具有动态分配带宽的功能，可以有效的处理突发性数据 当数据业务量为突发性时可选用。 帧中继可支持多个低速率复用 用以组建虚拟专用网VPN或者用来互联局域网。

Chapter 6.7 SDH

SDH概述 1988年，国际电报电话咨询委员会（CCITT）在美国贝尔通信研究所的光同步SONET的基础上提出了同步数字系列-SDH。 一种基于光纤的传输网络，具有传输速率高、传输带宽大等特点； 具有统一的比特率，统一的接口标准，这为不同厂家设备间的互操作提供了可能； 网络管理能力大大增强； 提出了自愈网的新概念，用SDH设备组成的带有自愈保护功能的环网，可以在传输媒体主信号被切断时，自动通过自愈功能恢复正常通信，提高了可靠性； 采用字节复接技术，使网络中上下支路信号变得十分简单。

SDH的帧 SDH帧以字节为基础，由纵向9行和横向270×N列字节组成，称为STM-Ｎ同步传输模块。 净负荷（Payload）用于传送业务信息，其中还含有少量用于通道性能监测、管理和控制的通道开销字节（POH）； 段开销（Section Over Heads，SOH）是STM帧结构中供网络运行、管理和维护使用的字节； 管理单元指针（AU PTR）用于指示净负荷的第一个字节在STM-N帧中的位置，以便接收端正确接收。

SDH的帧(续) 数据传输时由左到右、由上到下顺序排成串行码流依次传输，传输一帧的时间为125µs，每秒共传送8000帧； 对于基本速率STM-1而言，传输速率为8×9×270×8000=155.52Mbit/s 对于更高等级的STM-N信号的速率，可以从基本速率的整数倍得出 。

SDH的特点及应用 基于光纤的网络，具有光纤传输所带来的许多优点 高度标准化的光接口和线路码型 丰富的网络管理功能 统一的地区性速率标准 灵活的组网方式：环网、网状网 　　　　SDH的高带宽及其WDM、ATM、IP等他技术的结合，作用越来越重要，成为信息高速公路不可缺少的主要物理传送平台。 如公用市话网/长话网的通信干线、有线电视网和因特网等。