广域网技术 广东轻工职业技术学院

本章纲目 5.1广域网概述 5.2广域网协议 5.1.1 广域网定义 5.1.2广域网的层次结构 5.1.3 广域网的类型 5.2.1 HDLC协议 5.2.2 PPP协议 5.2.3 SMDS协议

本章纲目 5.3电路交换广域网 5.4分组交换广域网 5.3.1 公共电话交换网（PSTN） 5.3.2 综合业务数字网(ISDN) 5.4.1 X.25网络 5.4.2 帧中继 5.4.3 ATM 5.4.4 MPLS

任务和知识点 任务描述 知识点 阅读本单元和查阅资料，了解和掌握广域网的基本知识。 广域网的层次结构、广域网的类型 通过阅读本单元和查阅资料，了解和掌握广域网的几种协议。 HDLC协议、PPP协议、SMDS协议 通过阅读掌握传统的广域网交换技术的特点及应用。 公共电话交换网、综合业务数字网 通过学习本单元掌握现代广域网交换技术及特点。 X.25技术、帧中继网络、ATM网络、MPLS技术

广域网是将地理位置上相距较远的多个计算机系统，通过通信线路按照网络协议连接起来，实现计算机之间相互通信的计算机系统的集合。 5.1 广域网概述 5.1.1 广域网定义 广域网是将地理位置上相距较远的多个计算机系统，通过通信线路按照网络协议连接起来，实现计算机之间相互通信的计算机系统的集合。 同局域网与城域网相比，广域网所覆盖的范围比局域网与城域网(MAN)更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。

当主机之间的距离较远时，局域网无法完成主机之间的通信任务。这时就需要另一种结构的网络，即广域网。 注 意： 即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中，不同网络的“互连”才是其最主要的特征。 广域网是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而不是用路由器连接各网络。 结点交换机在单个网络中转发分组，而路由器在多个网络构成的互联网中转发分组。

由局域网和广域网组成互联网

广域网的构成 广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。 结点交换机执行将分组存储转发的功能。结点之间都是点到点连接，一个结点交换机通常和若干个结点交换机相连。 广域网中的最高层是网络层。 网络层服务的具体实现是数据报和虚电路的服务。 数据报服务的特点：不可靠的服务。 虚电路服务的特点：可靠的服务，服务质量有较好的保证。

提供数据报服务的特点 网络随时接受主机发送的分组（即数据报），网络为每个分组独立地选择路由。 网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。 网络不保证所传送的分组不丢失，也不保证按源主机发送分组的先后顺序，以及在时限内必须将分组交付给目的主机。 当网络发生拥塞时，网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃。 数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。

提供数据报服务的特点

提供虚电路服务的特点

提供虚电路服务的特点 在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。 到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。

在传送数据之前，首先通过虚呼叫建立一条虚电路 所有分组沿同一条路径传送，并且按发出顺序到达 类似电路交换 虚电路和数据报的比较 虚电路服务 在传送数据之前，首先通过虚呼叫建立一条虚电路 所有分组沿同一条路径传送，并且按发出顺序到达 类似电路交换 建立连接之后，分组中只需要携带连接标识 数据报 每个分组单独传送 网络为每个分组单独选路，路径可能不同 分组达到顺序可能与发出顺序不同 分组中需要携带完整的目的地址

虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。 两种服务的思路来源不同 虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。 数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。这种网络要求使用较复杂且有相当智能的主机作为用户终端。

让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。 数据报服务与虚电路服务之争 让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。 技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。 因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。

结点交换机 结点交换机用于广域网（广域网是一种特殊网络：分组交换网，简单地说就是Internet的基础部分），具有分组转发功能，一般具有路由选择；以太网交换机，顾名思义用于以太网（局域网），仅仅是独占信道进行交换（与共享对立）。

5.1 广域网概述 5.1.2广域网的层次结构 SO/OSI开放系统互连参考模型七层协议同样适用于广域网，但广域网只涉及低三层：物理层、数据链路层和网络层，它将地理上相隔很远的局域网互连起来。 1.物理层 广域网的物理层协议描述了如何提供电气、机械、 操作和功能的连接到通信服务提供商所提供的服务。 2.数据链路 在每个WAN连接上，数据在通过WAN链路前都 被封装到帧中。 3.网络层 著名的广域网网络层协议，有CCITT的X.25协议 和TCP/IP协议中的IP协议等。 广域网技术与OSI模型对照

5.1 广域网概述 5.1.3 广域网的类型 1.电路交换网 2.分组交换网 3.专用线路网 广域网能够连接距离较远的节点。建立广域网的方法有很多种，如果以此对广域网来进行分类，广域网可以被划分为： 1.电路交换网 电路交换网是面向连接的网络，在数据需要发送的时候，发送设备和接收设备之间必须建立并保持一个连接，等到用户发送完数据后中断连接。 2.分组交换网 分组交换网使用无连接的服务，系统中任意两个节点之间被建立起来的是虚电路。信息以分组的形式沿着虚电路从发送设备传输到接收设备。 3.专用线路网 专用线路网是指两个节点之间建立一个安全永久的信道。专用线路网不需要经过任何建立或拨号进行连接，它是点到点连接的网络。

专用链接预先建立从客户驻地到远程目的位置的 WAN 通信路径.租用线路通常比共享服务的费用要昂贵. 专用链路连接方案 专用链接预先建立从客户驻地到远程目的位置的 WAN 通信路径.租用线路通常比共享服务的费用要昂贵. 21

电路交换连接方案 调制解调器和模拟拨号电话线路提供低带宽的专用交换连接。 调制解调器在源位置将二进制数据调制为模拟信号，在目的位置将模拟信号解调为二进制数据。 PSTN 连接的物理特性将信号的传输速度限制为低于 56 kb/s。 优势是简单、可用性高，以及实施成本低。缺点是数据传输速度慢，需要较长的连接时间。 22

电路交换连接方案 综合业务数字网络 (ISDN) 是一种电路交换技术，能够让 PSTN 本地环路传输数字信号，从而实现更高容量的交换连接。 23

分组交换连接方案 24

Internet 连接方案 DSL 技术是永久在线的连接技术，它使用现有的双绞电话线传输高带宽的数据并为用户提供 IP 服务。 DSL 调制解调器将用户设备发送的以太网信号转为 DSL 信号，然后再传输到中心局 DSLAM 聚合到一个介质 (medium) 中，通常是 T3 (DS3) 连接。利用 TDM 技术将多个用户线路 25

Internet 连接方案 Cable Modem提供永久在线的连接，而且安装非常简单 所有本地用户共享同一根电缆的带宽. 26

Internet 连接方案 VPN 是公共网络（例如 Internet）之上多个私有网络之间的加密连接。 有两种类型的 VPN 接入：: Site-to-site VPN and Remote-access VPN. Site-to-site VPN Remote-access VPN 27

Internet 连接方案 28

ADSL

5.2 广域网协议 5.2.1 HDLC协议 1.HDLC协议简介 HDLC协议的全称是高级数据链路控制规程。他是一种典型面向比特的数据链路控制协议。 2.HDLC协议通信站类型和链路结构 （1）通信站类型：HDLC规定允许有三种类型的通信站：主站、从站和组合站。 （2）链路结构：HDLC规定了两种链路结构：不平衡链路结构和平衡链路结构。 3.HDLC的操作方式 HDLC中常有的操作方式有以下三种 （1）正常响应方式NRM(Norma Responses Model)：这是一非平衡数据链路方式，有时也称非平衡正常响应方式。 （2）异步响应方式ARM（Asynchronous Responses Mode：这也是一种非平衡数据链路操作方式，与NRM不同的是，ARM下的传输过程由从站启动。 （3）异步平衡方式ABM(Asynchronous Balanced Mode)：这是一种允许任何节点来启动传输的操作方式。

HDLC数据帧的格式 4.HDLC的帧格式 （1）标志字段(F)：标志字段01111110的比特模式， 用以标志帧的起始和前一帧的终止。 （2）地址字段(A)：地址字段的内容取决于所采用的操作方式。 （3）控制字段(C)：控制字段用于构成各种命令和响应，以便对链路 进行监视和控制。 （4）信息字段(I)：信息字段可以是任意的二进制比特串。 （5）帧校验序列字段(FCS)：帧校验序列字段可以使用16位CRC，对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验。 5.HDLC的帧类型 （1）信息帧（Ｉ帧）：信息帧用于传送有效信息或数据，通常简称Ｉ帧。 （2）临控帧(S帧)：监控帧用于差错控制和流量控制，通常简称S帧。 （3）无编号帧（U帧）：无编号帧因其控制字段中不包含编号N（S）和N（R）而得名，简称U帧。

HDLC数据帧的格式

5.2 广域网协议 5.2.2 PPP协议 1.PPP协议简介 PPP协议是一个点到点的数据链路层协议，目前是TCP/IP网络中最重要的点到点数据链路层协议。PPP协议作为一种提供在点到点链路上传输、封装网络层数据包的数据链路层协议，处在TCP/IP协议栈的第二层，主要被设计用来在支持全双工的同异步链路上进行点到点之间的数据传输。 PPP的协议栈

2.PPP协议的组成 （1）链路控制协议族（LCP） 主要用于数据链路连接的建立、拆除和监控； （2）网络层控制协议族（NCP） 主要用于协商在该链路上所传输的数据包的格式与 类型，建立和配置不同网络层协议。 LCP与NCP的关系如下图所示，目前，NCP有IPCP和IPXCP两种。IPCP用于在LCP上运行IP协议；IPXCP用于在LCP上运行IPX协议。

LCP与NCP

3.PPP协议的帧格式 5.2 广域网协议 PPP封装提供了不同网络层协议同时在同一链路传输的多路复用技术。 PPP的帧格式 ： （1）地址字段（A） 总是设成二进制值11111111，表明主从端的状态都为接收状态。 （2）控制字段（C） 其缺省值为00000011，此值表明是一个无序号帧。 （3）协议字段（P） 是告知在信息字段中使用的是哪类分组，针对LCP、NCP、IP、IPX、AppleTalk及其它协议，定义了相应的代码。 （4）信息字段（I） 是变长的，最多可达到所商定的最大值。

4.PPP协议的工作过程 （1）链路不可用阶段（Dead) （2）链路建立阶段（Establish） （3）验证阶段（Authenticate) （4）网络层协议阶段（Network-Layer Protocol) （5）链路终止阶段（Link Terminate)

5.2 广域网协议 5.2.3 SMDS协议 1、起源 SMDS是由Bell通信开发的，其全称为交换多兆位数据服务(Switched Multimegabit Data Service)。SMDS在1990年作为连接FDDI网络到MAN(城域网)的一种基于电信的系统进行了发布，这是它第一次发布。 2、目的 为地区性网络提供高速的链路、传输大的图像文件（例如医学上的X射线照片）、传输建筑图纸和其他的CAD图形、对图书馆和电子资料库进行快速的访问等。

3、SMDS和OSI模型对比 SMDS的层次和OSI模型的物理层、数据链路层和网络层是对应的。在物理层使用IEEE802.6标准进行MAN通信，在数据链路层LLC子层进行通信。网络层由用于传输数据的通信路径组成。 SMDS和OSI模型的对应关系如图所示。 4、其他作用 除了可以提供高速网络通信并且可以和ISDN、T载波、ATM技术兼容之外，SMDS还为用户提供了很高的安全性。

5.3.1 公共电话交换网（PSTN） 5.3 电路交换广域网 1.公用电话交换网简介 所谓公用电话交换网（PSTN——Public Switch Telephone Network），即我们日常生活中常用的电话网。PSTN也可以称作普通老式电话服务（POTS）。它最开始由模拟线路组成，可以处理话音通信。 2.PSTN采用的技术 PSTN提供的是一个模拟的专有通道，通道之间经由若干个电话交换机连接而成。当两个主机或路由器设备需要通过PSTN连接时，在两端的网络接入侧（即用户回路侧）必须使用调制解调器（Modem）实现信号的模/数、数/模转换。

3.用户使用PSTN的方式 （1）通过普通拨号电话线入网 （2）通过租用电话专线入网 只要在通信双方原有的电话线上并接Modem，再将Modem与相应的上网设备相连即可。 （2）通过租用电话专线入网 与普通拨号电话线方式相比，租用电话专线可以提供更高的通信速率和数据传输质量，但相应的费用也较前一种方式高。 （3）经普通拨号或租用专用电话线方式由PSTN转接入公共数据交换网（X.25或Frame-Relay等）的入网。 利用该方式实现与远地的连接是一种较好的远程方式，因为公共数据交换网为用户提供可靠的面向连接的虚电路服务，其可靠性与传输速率都比PSTN强得多。

4.PSTN的缺点 PSTN的缺点在于它不能满足许多广域网应用所要求的质量和吞吐量。 PSTN更大的限制在于它的通信能力即吞吐量。

5.3 电路交换广域网 5.3.2 综合业务数字网(ISDN) 综合业务数字网(ISDN)是在20世纪80年代由CCITT（国际电话与电报顾问委员会）引入的，用以提供语音、数据、图形和视频数字服务，在1984和1988年由ITU-T进行了标准化。 2.ISDN的特点 多种业务的兼容性：利用一对用户线可以提供电话、传真、可视图文用数据通信等多种业务。 数字传输：ISDN能够提供端到端的数字连接 标准化的接口：该接口有基本速率接口和一次群速率接口。 使用方便：用户可以根据需要，在一对用户线上任意组合不同类型的终端 终端移动性：ISDN的终端可以在通信过程中暂停正在进行的通信，然后在需要时再恢复通信。 费用低廉：ISDN节省了用户线的投资，可以在经济上获得较大的利益。

3.ISDN的信道与常用类型 ISDN定义了一些标准化的通路，分别是以下类型： A通路：4kHz带宽的标准模拟话路； B通路：64kbps的数字PCM话音或数据通路； C通路：8kbps或16kbps的数字通路； D通路：16kbps或64kbps用作带外信令的数字通路； E通路：64kbps，为内部ISDN信令使用的数字通路；H通路--384kbps、1538kbps或1920kbps的数字通路。

5.4 分组交换广域网 5.4.1 X.25网络 X.25网络是第一个面向连接的网络，也是第一个公共数据网络。其数据分组包含3字节头部和128字节数据部分，它运行10年后，20世纪80年代被无错误控制，无流控制，面向连接的新的叫做帧中继的网络所取代。20世纪90年代以后，出现了面向连接的ATM网络。 2.X.25的协议层次 它和OSI协议栈的底下三层是紧密相关的。X.25的层次关系如图所示。 （1）物理层：它称为X.21接口，定义从计算机/终端（数据终端设备，DTE） 到X.25分组交换网络中的附件结点的物理/电气接口。 （2）链路访问层：定义帧序列那样的数据传输。 （3）分组层：第3层类似于OSI的网络层。该层处理信息顺序的交换，并确保虚拟连接的可靠性。

X.25的层次关系

3.X.25的传输模式 X.25网络可以通过下列三种模式之一来传输数据： (1)交换型虚拟电路(Switched Virtual Circuit，SVC) 交换型虚拟电路是通过X.25交换机来从结点到结点建立的一种双向的信道。 (2)永久型虚拟电路(Permanent Virtual Circuit，PVC) 永久型虚拟电路是一种一直都保持的逻辑通信信道。 (3)数据报 数据报是未建立通信信道而发送的打包数据。

5.4.2 帧中继 5.4 分组交换广域网 1.帧中继简介 2.帧中继的协议层次 帧中继(Frame Relay)技术是由X.25分组交换技术演变、进化而来。X.25分组交换技术具有很多的优点 。帧中继技术主要在简化差错控制处理、加快分组交换速率和提供更多的逻辑信道等两个方面比X.25有了本质上的飞跃。 2.帧中继的协议层次 帧中继将X.25网络的下三层协议进一步简化，差错控制、流量控制推到网络的边界，从而实现轻载协议网络

帧中继数据链路层规程采用LAPD（D信道链路访问规程，是综合业务数字网ISDN的第二层协议）的核心部分，称LAPF（帧方式链路访问规程），和X.25数据链路层采用LAPB（平衡链路访问规程）一样，也是HDLC的子集。 用户设备与帧中继网之间的物理层接口，通常提供下列之一的接口规程： X系列接口：例如X.21接口等； V系列接口：例如V.35，V.36，V.10，V.11，V.24接口等； G系列接口：例如G.703，速率可为2Mbit/s、8Mbit/s、34Mbit/s或155Mbit/s等； I系列接口：例如支持ISDN基本速率接入的I.430接口和支持ISDN一次群速率接入的I.431接口等。

3.帧中继服务 帧中继业务是在用户--网络接口(UNI)之间提供用户信息流的双向传送，并保持原顺序 不变的一种承载业务。 帧中继网络提供的业务有两种： 1、永久虚电路是指在帧中继终端用户之间建立固定的虚电路连接，并在其上提供数据传送业务。 2、交换虚电路是指在数据传送前，两个帧中继终端用户之间通过呼叫建立虚电路连接，网络在建好的虚电路上提供数据信息的传送服务，终端用户通过呼叫清除操作终止虚电路。

LAPF中进行交换的帧有I帧、S帧和U帧。当采用非确认信息传送方式时，LAPF的工作方程十分简单，用到的帧只有一种，即无编号信号帧UI。 5.4 分组交换广域网 4.帧交换过程 LAPF(Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services)是帧方式承载业务的数据链路层协议和规程，包含在ITU-T建议Q.922中。 LAPF中进行交换的帧有I帧、S帧和U帧。当采用非确认信息传送方式时，LAPF的工作方程十分简单，用到的帧只有一种，即无编号信号帧UI。 当采用确认信息传送方式时，LAPF的帧交换分为3个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。

（1）连接建立： 任何一端都可以通过发送一个SABME帧来申请一条逻辑连接，这通常是对来自一个第3层实体的申请的响应。 （2）数据传递： 当连接请求已被接受和证实，就建立起该连接，双方就可以在I帧中发送用户数据。 （3）连接释放： 任何一方LAPF实体均可启动一次切断(操作)，可以是出于它本身的原(例如出了某种故障)，或者根据它的第3层用户的请求。

5.帧中继的应用 帧中继技术首先在美国和欧洲得到应用。1991年末，美国第一个帧中继网Wilpac网投入运行，它覆盖全美91个城市。在北欧，芬兰、丹麦、瑞典、挪威等在90年代初联合建立了北欧帧中继网WORDFRAME，以后英国等许多欧洲国家也开始了帧中继网的建设和运行。在我国，中国国家帧中继骨干网于1997年初初步建成，目前能覆盖大部分省会城市。至1998年各省帧中继网也相继建成。

5.4.3 ATM 5.4 分组交换广域网 1.ATM简介 2.ATM的特点 ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。 2.ATM的特点 ATM交换具有以下特点： （1）采用统计时分复用 （2）以固定长度（53字节）的信元为传输单位，响应时间短 （3）采用面向连接并预约传输资源的方式工作 （4）在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制，而将这些工作推到了网络的边缘 ATM层次模型

3.ATM层次模型 4.ATM信元（Cell） 5.ATM应用 多个服务能够对同一个网络起作用。 （1）ATM物理层 （2）ATM层 （3）AAL层（ATM适配层） （4）ATM服务和应用层 4.ATM信元（Cell） TM信元是ATM传送信息的基本载体。ATM信元采用了固定长度的信元格式，只有53字节， 其中5个字节为信头，其余的48个字节为信元净荷。信元的主要功能为确定虚通道，并完成相应的路由控制。 5.ATM应用 最常见的LAN实现是在校园网络中，在电信网和在大型企业网中再一次得到重视。

5.4 分组交换广域网 5.4.4 MPLS MPLS是多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching）的简称。多协议标签交换是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。 MPLS使用的术语包括以下内容。 （1）标记分发协议LDP（Label Distribution Protocol）:是根据数据流的要求，负责在标记交换路由器之间分发标记的协议。 （2）标记交换路径LSP（Label Switched Path）:通过标记分发协议，在数据流将要通过的路径沿途，每一个标记交换路由器将标记和特定的转发等价类绑定完成后，就建成了标记交换路径。 （3）转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）:将若干等同的数据流合并起来 （4）标记交换路由器LSR（Label Switching Router）:支持标记交换协议的路由器/交换机就称作标记交换路由器。 （5）边缘标记路由器LER（Label Edge Router）:在MPLS域与其他网络边缘的标记交换路由器 。

3.MPLS工作流程 （1）网络的边缘行为：当IP数据包到达一个LER时，MPLS第一次应用标记。 （2）网络的核心行为：当一个带有标记的包到达LSR的时候，LSR提取入局标记，同时以它作为索引在标记信息库中查找。 （3）建立标记交换路径： ①“Hop by Hop”路由：一个Hop-by-Hop的LSP是所有从源站点到一个特定目的站点的IP树的一部分。 ②显式路由：MPLS最主要的一个优点就是它可以利用流量设计“引导”数据包 。 4.MPLS的应用 （1）流量工程TE （2）服务等级QoS （3）虚拟专网VPN

习题 1.计算机网络中使用最广泛的交换技术是（ ）。 A.线路交换 B.分组交换 C.报文交换 D.信源交换 1.计算机网络中使用最广泛的交换技术是（ ）。 A.线路交换 B.分组交换 C.报文交换 D.信源交换 2.ISDN的B信道提供的带宽以（ ）为单位。 A.16Kbps　　B.64Kbps　　C.56Kbps　　D.128Kbps 3.ATM采用的线路复用方式为（ ）。 A.频分多路复用　　 B.同步时分多路复用 C.异步时分多路复用　　D.独占信道 4.T1载波的数据传输率为（ ）。 A.1Mbps　　B.10Mbps　　C.2.048Mbps　　D.1.544Mbps 5.帧中继网络使用的是( )： A.报文交换技术 B.电路交换技术 C.快速分组交换技术 D.帧交换技术 6.简述HDLC中常用的操作方式。 7.简述PPP协议的工作过程。 8.简述ATM的特点有哪些。