第5章 广域网基础 广域网的主要作用是在更大的地理覆盖范围上为用户提供电话、数据和视频业务的承载服务。因此，广域网中分组的交换机制是广域网技术的关键。 广域网的技术标准主要涉及对物理层、数据链路层和网络层的描述。其中物理层对广域网的接口规范进行定义，数据链路层描述数据帧在系统中的传输方式，而网络层则讨论交换机制。 广域网的通信链路可以分为专线和分组交换方式两种： 1、专线 提供永久的服务，常用于数据、语音或图像的传输。专线方式通常作为点到点的链路，为核心设备及骨干网络提供专门的传输连接，为大容量的环境提供稳定速率的传输方式，如数字数据网络DDN等。

2、分组交换网 它结合了电路交换和报文交换的优点，将信息划分成一定大小的分组，通过交换机动态地利用线路带宽，以存储转发方式进行传输。分组交换技术又可分为虚电路和数据报两种方式。现有的公共数据交换网都采用分组交换技术。 WAN的通信链路及所采取的技术主要包括： 一、大型用户骨干网的连接技术： 1.利用公用电话线路的电路交换网络技术。如公用电话交换网PSTN、综合业务数字网ISDN、同步光纤网SONET等。 2.利用公用数据网的分组交换网络技术。如公用分组交换网X.25、帧中继网、异步转移模式ATM、以太网等。 3.采用专线交换技术。如数字数据网DDN等。 4.无线网络。如微波、卫星等。

二、小型用户（包括家庭用户）接入Internet的连接技术： 1.利用电话线作为传输媒体。如 Modem、ISDN、非对称用户数字环路ADSL等。 2.利用CATV作为传输介质。如电缆调制解调器Cable Modem技术。 3.利用光纤作为传输介质。如无源光纤环PPL（Passive Photonic Loop）技术。 4.利用微波、卫星作为传输媒体。如“蓝牙”技术、机顶盒技术等。

5.1 公用数据网络PDN 公用数据网络PDN（Public Data Network)是由国家统一建设、管理和运行的、向用户提供数据通信服务的基础设施。 5.1.1 PDN的结构 PDN由交换机、网管中心、用户接入设备及通信线路等设施组成，全国统一编址，负责数据从信源到信宿的无差错透明传输，是一个提供公共传输服务的通信子网。用户之间的高层协议和应用业务由用户协商选择。 PDN往往通过已有的公用电话交换网PSTN的交换线路，通过Modem将交换设备、网管中心以及用户接入设备互连起来实现数据通信。我国于89年建成了中国公用数据网络并投入运行，取名CHINAPAC(the CHINA Public PACket switching data network)，简记为CNPAC。

PDN采用分组交换方式，所以PDN又称共用分组交换网PSN（Packet-Switched Netware）。 PDN通常采用两级结构：第一级由中转分组交换机互连构成，称为骨干网；第二级由本地交换机与骨干网连接而成，分组终端PT与二级交换中心相连。如图5-1所示。 PT PAD NTP NMC 网管中心 分组终端 非分组终端 中转分组交换机 本地交换机 图5-1 PDN的二级结构

 中转分组交换机具有通信容量大，每秒能处理的分组数多，所有的线路端口都是用于交换机之间互连的中继端口；支持路由选择，线路速率高的特点。  本地交换机的容量较小、无路由选择能力或很小，主要用于本地终端的汇集、交换以及与中转分组交换机的连接。  网络管理中心负责全网的管理，主要功能有：网络的配置与用户的管理、日常运行数据的收集与管理、路由选择管理、对交换机软件进行维护、网络监测、故障报警与状态显示以及收费管理等。网管中心主要有集中式管理和分布式管理两种配置。  分组交换网有两种终端类型：分组终端PT和非分组终端NPT，前者通过分组交换网接口与网络相连，后者则采用不同的通信规程，NPT只能通过PAD实现与分组交换网接口的连接。  分组拆装设备PAD实现用户通信规程与标准接口规程的转换，将不符合分组交换网接口标准的用户终端连接入网。

X.25只对数据终端设备DTE通过中间设备——数据通信设备DCE与PDN连接的接口规范进行定义，它不涉及网络内部的通信细节。见图5-2所示。 5.1.2 PDN接口标准——X.25 PDN的接口规范由CCITT于76年提出的X.25建议书定义，所以PDN也称为X.25网，它是一种以面向连接的虚电路为基础的、速率在64Kb以内的中速网。 X.25只对数据终端设备DTE通过中间设备——数据通信设备DCE与PDN连接的接口规范进行定义，它不涉及网络内部的通信细节。见图5-2所示。 PDN DCE DTE X.25接口 图5-2 X.25作用范围

5.1.3 X.25的体系结构 X.25的体系结构与ISO/OSI低三层对应，分别称为物理层、数据链路层和分组层。 1. 物理层 采用全双工/半双工点——点同步数字线路访问PDN。常见的接口标准有： 欧洲网络使用X.21接口，其物理特性（包括机械、电气、功能和规程特性）类似于EIA-422，DTE——DCE间的电缆最大长度可达1000英尺，速率为10Mb； 美国标准使用X.21bis，其特性类似于EIA-232-D，早期也使用RS-232C作为物理层接口，56K速率； 此外还有适用于欧洲和美国的V.35标准等。

2. 数据链路层 负责在DTE与DCE间进行可靠的点—点全双工同步传输，采用平衡型链路访问规程LAPB（Link Access Protocol-Balanced），LAPB是HDLC（高级数据链路控制）的一个子集。所谓平衡是指DTE和DCE之间的控制是平衡的，可由任一端发出链路的建立/断开命令。分组以存储转发方式进行传输。 3.分组层 通过多路复用技术，在DTE和DCE间建立多条（最多可达4096条）逻辑子通道，对每条虚电路均提供建立、拆除、传输、流控、差控、错误恢复、紧急数据、参数请求或获取等多种服务。

5.1.4 X.25提供的连接服务 1. 交换虚电路服务 这是一种面向连接的服务，DTE之间通过呼叫/应答建立一条全双工虚电路；传送结束可由任一方发起拆除请求。一个DTE可同时与多个DTE建立虚电路，支持点—多点的传输服务。 2. 永久虚电路服务PVC PVC在各DTE之间建立一条固定的逻辑通路（不是物理通路），在网络初始化时建立，直至用户申请拆除期间始终有效。PVC使用时不需建立连接，在没有数据传输时，链路可以为其他用户所使用。 3. 数据报服务 这是一种无连接服务，为实现这种服务请求，X.25专门在DTE与DCE之间分配部分逻辑信道，这些信道提供永久虚电路服务，不再分配给其他连接请求。这种服务仅在早期版本中提供。 X.25对流量及分组顺序的控制采用窗口滑动协议。

5.2 帧中继网 在X.25发展初期，网络传输设施基本上借用了模拟电话线路，这种线路噪声干扰较大。为了确保传输的可靠性，X.25采用存储—转发方式进行数据交换，每个中间节点的数据链路层都要进行大量处理，正确无误后才交给网络层协议，实现向下一节点的传送。当帧进行多个节点的穿越传输时，这种方法将导致传输延迟的增加。 到了八十年代后期，随着数字数据网DDN（Digital Data Network——一种提供永久性连接的专用电路网络）的出现，产生了一种支持高速交换的网络体系结构——帧中继FR（Frame Relay），它是在X.25的基础上演进而来。

5.2.1 帧中继原理 FR提供面向连接的服务，在认为帧的传送基本不会出错的基础上（即信道误码率极低），用户通过租用虚拟专线方式建立永久虚电路，实现数据的即用即传。 FR的主要特点有：  具有从中速到高速的数据接口，传输速度可达2 Mbps；  可用于专用和公用网；  仅用于传输数据分组；  协议简单，有利于发展高速交换机；  使用可变长分组，最大帧长为1600B。 FR采用边接收边转发的快速分组交换方式，一旦知道帧的目的地址，便可立即按路由转发该帧的其余部分，从而减少了帧在节点的延迟。与X.25相比，FR的帧处理时间减少一个数量级，即FR网络的吞吐量比X.25提高一个数量级以上。

FR帧的这种快速分组交换方式，使帧在传输过程中动态地分布在若干中间节点及传输线路上，造成对帧的检错处理较困难。FR解决的方法是：检测到错误的节点立即中止本次传输，同时向上、下游节点发出出错信息帧，收到信息帧的节点放弃传输，直至该帧从网络中消失，然后由源节点重发该帧。这种方法较传统的分组交换法费时，所以FR仅适用于传输误码率非常低的情况。 用户通过帧中继用户接入电路连接到帧中继网络。常用的用户接入电路速率为64 Kbps和2.048 Mbps。用户接入电路又称用户网络接口UNI（User-to-Network Interface）。一个UNI有一条或多条虚电路（可以是永久的或交换的），每一条虚电路都是双向的，其两个端点由数据链路标识符DLCI（Data Link Connection Identifier）唯一标注。

5.2.2 帧中继网络与一般分组交换网的区别 FR是X.25在新的传输条件下的发展，帧格式及规程支持在数据链路层实现链路的复用和交换，所以FR可以在数据链路层而不是在网络层实现复用传送，故名帧中继。 帧中继与传统分组交换网的主要区别有： 1、传统的分组交换网采用逐帧检测确认的方式进行传输，目标节点在收到帧后再经逐站确认实现端到端的确认，如图5-3(a)所示。 FR网中每个节点只转发不确认，只有目的站收到帧后才向源节点发回端到端的确认，所以中间节点不需保留状态表，且FR也不需要网络层。如图5-3(b)所示。由此带来FR的一个缺点是：链路层没有流量控制能力，而只能由高层来完成，即点到点的流控和差控需由高层通过端到端的流控及差控来实现。

图5-3 FR与传统分组交换网的帧检测转发方式比较 源站点 目的站点 中间节点 （a）传统分组交换网的帧检测过程 （b）FR网的帧检测过程 图5-3 FR与传统分组交换网的帧检测转发方式比较

图5-4(a)需要6条长途专线和12条本地专线，每个路由器需要3个端口 2、当多个LAN通过WAN进行互连时，为使任一LAN通过WAN与其他LAN进行时延足够小的有效通信，一般需采用多个多端口路由器，通过专线互连。见图5-4(a)。而FR技术采用帧中继交换机可简化连接方式，如图5-4(b) 图5-4(a)需要6条长途专线和12条本地专线，每个路由器需要3个端口 LAN1 LAN3 LAN2 LAN4 R1 R3 R2 R4 WAN 长途专线 本地专线 图5-4(a) 图5-4(b)需要4条长途专线和4条本地专线，每2个帧中继交换机之间建立永久虚电路 LAN1 LAN3 LAN2 LAN4 R1 R3 R2 R4 FR网 长途专线 本地专线 FR 帧中继交换机 图5-4(b)

5.2.3 帧中继的主要优点 1、帧中继支持远地LAN的永久虚电路连接，减少了网络互连的代价。当使用帧中继网络时，将不同的源站点产生的通信量复用到专用的主干网上，减少在广域网中使用的电路数，从而降低接入代价。 2、网络的复杂性减少但性能却提高了。由于网络结点的处理量减少，且更加有效地利用了高速数据传输线路，所以帧中继明显地改善了网络的性能和响应时间。 3、简化的帧中继链路协议，较容易移植到现有的其他主干网上，并可支持多种网络协议的兼容，如 IP、IPX、SNA等，所以可以采用帧中继网络作为公共的主干网。 4、帧中继适用于大文件（如高分辨率图像）的传输、多个低速率线路的复用以及局域网的互连。

5.3 异步转移模式ATM 传统的电路交换和分组交换技术在实现宽带高速的数据交换任务时，各有利弊。电路交换的实时性较好而分组交换则更为灵活。另一方面，对于电路交换，当数据流量发生突发性变化时，交换控制就变得十分复杂；对于分组交换，在数据传输速率很高时，分组在协议各层的处理需要很大的开销，无法满足对实时性要求较高的业务的时延要求。 异步转移模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术，它采用定长分组，能够较好地对宽带信息进行交换。为此就要求在低层需要有高速通道来支持数字化的声音、视频及各种多媒体信息的传输。

5.3.1 ATM的基本概念 ATM网络是一种面向连接的分组交换网。它将数字信息分成长度固定的分组，并在每个分组前装配传输虚连接信息，以及地址、流量、差错等控制信息，构成长度为53个字节的分组，成为信元（Cell），传输以信元为基本单位，采用异步式时分制多路复用（ATD)技术，每个信元占用一个时隙，通过ATM交换机实现虚电路的物理连接。ATM又称信元交换。 ATM适用于LAN和WAN，它支持在基带和宽带上发送数据，其理论速率可达1.2G bps,是综合业务数字网ISDN(Integrated Services Digital Network)的基础。

与电路交换和分组交换比较，ATM具有以下特点： 1. ATM采用异步式多路复用ATD技术，按需分配时隙，提高了信道利用率，有利于突发业务的处理。 2. ATM允许使用空信元来填充信道，满足电路交换的要求，实现信元交换条件下的时分制多路复用。 3. ATM允许不同类型的服务复用在一起，交换设备按统一速率进行信元转发，高速率信元终端占用较多的时隙，能支持不同速率要求的多种业务。 4. ATM的定长信元便于采用硬件对信元头(5B)进行识别和处理，降低设备和协议的复杂度，减少处理时间，提高交换速率。 5. ATM依靠连接标识来识别通路，因而支持广播传输，而电路交换只支持点—点的专线连接。 6. 可在不改变通信协议和网络结构的情况下开展新的业务。 7. ATM使用低误码率的光纤传输，因此ATM网不必在数据链路层进行差控和流控（放在高层处理）。

ATM参考模型包含4个层次结构，如图5-5所示。 物理层 ATM层 ATM适配层 高层 图5-5ATM体系结构 传输汇聚子层 物理媒介子层 汇聚子层 拆装子层 1、物理层 由物理媒体子层和传输汇聚子层组成：前者支持与媒体接入相关的位功能，如光电转换、位定时及线路编码等；后者实现信元流与比特流的转换、速率匹配、信元定界与同步等。 2、ATM层 ATM层的基本功能是信元的组织与控制，包括：多路复用、信元虚通道号VPI（Virtual Path Indentifier）和虚通路号VCI（Virtual Channel Identifier）的转换、信元首部的产生与提取以及流量控制等。

3、ATM适配层（AAL） AAL（ATM Adaptation Layer）的作用是增强ATM层提供的服务，包括实现信元与应用数据单元的转换、比特流的监控与差控、处理丢失和错误交付的信元、流量控制和定时控制等。ALL由两个子层组成：拆装子层和汇聚子层。前者把上一层送来的信息单位分装成ATM信元，或者把ATM信元重组成高一层的信息单位。后者与服务有关，可以对不同的应用提供不同的服务，完成信报标识和时钟恢复等。 4、ATM高层 高层泛指与业务相关的功能。CCITT将ATM网络提供的服务分为五类：

A类服务：是面向连接的恒定比特率服务CBR（Constant Bit Rate），主要用以模拟电路交换，以恒定的速率实现端到端的传输。不提供差控及流控，专为语音、图像等业务的传输请求提供服务。 B类服务：可变的比特率服务VBR（Variable Bit Rate），又可分为实时可变比特率服务RT-VBR和非实时可变比特率服务NRT-VBR两种：RT-VBR主要用来提供具有严格实时要求的服务，如实时视频会议等；NRT-VBR针对需要及时传送重要数据，但允许一定量抖动的服务请求。 C类服务：可用比特率服务ABR（Variable Bit Rate），这类服务主要是为带宽并不确定的突发业务设计的。 D类服务：不定比特率服务UBR（Unspecified Bit Rate），定义为不可靠的无连接的数据传输服务，这类服务适用于IP包的传输。 X类服务：允许用户或厂家定义自己的服务类型。

表5-1给出了上述五类服务的比较： CBR （A类） RT-VBR （B类） NRT-VBR ABR （C类） UBR （D类） 带宽保证 提供 不提供 实时数据流 支持 不支持 突发数据流 是否需要同步 需要 不需要 连接方式 面向连接 无连接 比特率 恒定 可变 在上述ATM体系结构中，假定ATM网络拓扑是由点到点链路构成的，当ATM网络包括共享媒体的拓扑时（如与已有的以太网连接），在ATM层与物理层之间还应加上一个局域网的MAC层。

5.3.3 ATM网络结构 ATM网络由ATM终端和ATM交换机构成。一般，一个ATM网络拥有多个ATM交换机。终端与交换机的接口称为用户-网络接口UNI（User to Network Interface），交换机间的接口称为网络-网络接口NNI（Network to Network Interface），图5-6为ATM网络组成逻辑示意图。 图5-6 ATM网络组成示意图 W S 622M光纤 100～155M光纤 25～51M UTP NNI UNI ATM交换机 25～51M UTP可作为用户链路； 100～155M光纤可用于服务器与交换机的连接链路； 622M以上的SM光纤用于交换机。 不同速率的链路匹配正是ATM交换机的功能之一，不需另外的网桥进行速度转换。

ATM是一种基于交换机的连网技术，交换机把带宽分配给各需传送的站点。ATM交换机由 n 个I/O端口、交换机构和控制处理机组成，如图5-7所示。 管理控制机MCP 交换机构  n-1 输入口控制器 输出口控制器 图5-7 ATM交换机结构抽象模型 其中：输入口控制器提供缓存、广播信元复制、虚拟通路标识符VCI的转换、低速设备的多路复用、实施路径连接请求和预约等；输出口控制器提供缓存、 VCI转换、多路分配、N/R选择（从N个缓存信元中选择R个进行传送）等功能；交换机构实现输入口到输出口的路径连接，提供端口服务规则，解决信元对资源的竞争，支持多个I/O连接；管理控制机MCP实现数据交换的操作和管理。

5.3.3 ATM网络的连接和信元传输 在进行数据交换之前先建立虚连接，即在连接时，只对连接进行资源分配，仅当发送信元时才真正占用资源。网络资源是由各连接统计复用的（按需分配的时分制多路复用）。ATM交换机的每个端口可构成若干个虚电路，每个虚电路由虚通路标识号VCI（Virtual Channel Identifier）标注。 VCI为网络管理的基本单位，若干个VCI组成一个虚通道，并以虚通道号VPI（Virtual Path Indentifier）标注（见图5-8）。虚连接由 VPI/VCI 表示。 传输净负荷 虚通道VPx 虚通路VCx VCy VCz VCx VPy VPz 图5-8 ATM连接的标识符VPI和VCI

ATM信头带有VPI/VCI路由信息，交换机依据这一信息在转发表中查找转发端口，并将下一段链路的VPI/VCI值置入信头，信元的交换过程如图5-9所示。 4/1 5/1 2/2 3/3 1/1 1/2 4/3 2/1 5/3 3/1 信元 路由表 信元交换机 图5-9 ATM信元交换机制示意图 ATM的体系结构与ISO/OSI模型或TCP/IP协议完全不同，它所定义的一套全新的协议与现有的协议在某些层次上是重复或冲突的，至今还在不断完善之中。此外，现有的ATM网络存在与其他网络的兼容性、接入困难和复杂的技术等难题。

5.4 分布式队列双总线DQDB DQDB(Distributed Queue Dual Bus)是IEEE802.6定义的一个采用预约资源控制城域网标准，它提供更大范围的高速数据、话音和视频服务。DQDB采用两条分离的双总线结构，用于同时传输数据，两条总线都是单向的，传输方向相反,分别称为总线A和总线B，所有站点都连接在这两条总线上。由于总线是单向的，所以DQDB上的任意节点间的传输不受冲突域限制，也不采用CSMA/CD方式竞争总线，网络规模理论上无限制。 DQDB支持多种传输介质，传输速率为34 Mb～155 Mb或更高，802.6定义的标准速率为44.736M bps。同时支持电路交换和分组交换。DQDB能作为主干网实现多个DQDB子网或其他专用网的互连。 图5-10为DQDB连接示意图。

图5-10 多个DQDB子网形成WAN示例 DQDB 子网 电路 交换网 分组 ISDN IEEE802.3 LAN IEEE802.4 LAN IEEE802.5 LAN FDDI MAN 主机 话音数据终端 LAN 多协议桥接器 主干网 5.4.1 DQDB协议体系结构 DQDB标准对应于OSI模型的最低两层，见图5-11。其中：物理层对应于OSI的物理层。DQDB层对应于OSI数据链路层的低子层，等效于IEEE802.3～802.5LAN的MAC子层。 高层协议 数据链路层 物理层 LLC层 DQDB层 OSI DQDB 图5-11

 提供对IEEE802.2 LLC子层的无连接MAC服务；  通过虚电路提供两系统间的分组数据传输； DQDB支持以下高层服务：  提供对IEEE802.2 LLC子层的无连接MAC服务；  通过虚电路提供两系统间的分组数据传输；  等时服务，支持电路交换或其他实时应用。 图5-12为DQDB网络体系结构图。 LLC层 DQDB层 物理层 汇 合 功 能 排队仲裁访问QA 预仲裁访问PA 公 共 功 能 层管理实体 LME 物理层汇合功能PLCP 层管理实体LME 传输系统 无连接服务 虚电路服务 等时服务 图5-12 DQDB体系结构

DQDB的物理层由三个模块组成：  传输系统：对传输介质的速率、最大长度、最大站点数等进行定义，为汇合功能模块提供传输接口；  物理层汇合功能PLCP：提供适配器传输及旁路功能，与介质无关；  物理层管理实体LME：完成对本地物理层的管理，并为远程管理提供接口。 DQDB子层包括：  汇合功能支持无连接服务、面向连接的数据传输服务以及面向连接的等时服务，使DQDB更具灵活性；  访问控制功能由排队仲裁访问QA和预仲裁访问PA两个模块组成，QA方式支持那些对时间不敏感的服务，如异步或分组交换传输方式；PA方式则适用于对时间敏感的服务，如电路交换方式；  DQDB层管理实体提供对DQDB层的网络管理功能。

5.4.2 DQDB网络组成 DQDB网络采用双总线结构，分别支持两个方向上的数据通信，且彼此独立，可实现网上任一对节点间的全双工通信。所以，DQDB的容量是单总线结构的两倍。DQDB网络结构如图5-13所示。 节点 总线A 总线B 总线A首端 总线B尾端 总线B首端 总线A尾端 图5-13 DQDB双总线拓朴结构 在DQDB网络总线上传输的信息可分为两类：8位位组和具有固定长度的时隙（Slot）,它们均由每条总线的头端格式化后产生并在尾端终止。一个总线上的时隙不向另一个总线转发，因而DQDB在逻辑上不会构成回路。

DQDB通过时隙实现对节点的介质争用控制。DQDB层对双总线提供了两种访问控制方法：排队仲裁访问QA和预仲裁访问PA。 1.排队仲裁访问QA （Queued Arbitrated access) QA采用分布式排队算法，提供非等时服务。当一个访问单元AU（即节点）需发送信息时，依据目标节点的上、下游关系确定传输总线（前/后向），然后通过反向总线向所有的上游节点发出发送请求REQ，待获准发送后沿前向总线发送信息分组。图5-14为不同总线的作用示意图。 请求发送的站点 AU 前向总线 后向总线 B R B：忙标志 R：请求位 时隙 图5-14

在DQDB网络中，一个AU只有在获得空时隙后，才有权发送数据。为了防止靠近总线首端的AU获得所有的空时隙， DQDB规定：离头端越远的站点预约的优先级越高，即只有某站点下游的所有AU均无发送请求时，才响应本站点的传输请求。为此，每个AU设有RC和CD两个计数器,其中RC用于保留下游AU的访问请求数，CD记录本站点在资源预约队列中的位置。其工作原理如下： a.反向总线上REQ请求分组每经过一个AU，该AU的RC加1，表示该AU下游又多了一个请求发送节点； b.对于一个无数据发送的AU，每当一个空时隙在前向总线上经过，该AU的RC减1，表示该空时隙将被下游某节点利用； c.对于需要发送数据的AU，首先通过反向总线发出REQ请求，并将自己RC的值复制到CD中，同时将RC清0。之后，在反向总线上每经过一个REQ，该AU的RC加1，表示迟于本站点的传输请求增加一个。而正向总线上每经过一个空时隙，则CD减1，说明先于本站点的传输请求正被发送。当CD为0且下一个空时隙到来时，该AU才能将数据附在时隙后发送出去。

图5-15说明了DQDB传输控制协议的数据传输过程 头端 总线A 总线B RC=0 CD=0 A B C D E 图5-15 （a）初始时，所有站点的RC、CD计数器为0 RC=1 CD=0 RC=0 A B C D E pkt REQ 图5-15 （b）站点D经总线B发预约请求，其所有上游站点A、B、C的RC计数器分别加1

图5-15（c）站点B发出预约请求，上游站点A的RC计数器加1，B的RC计数器值传入CD，并将RC清0 E pkt REQ 图5-15（c）站点B发出预约请求，上游站点A的RC计数器加1，B的RC计数器值传入CD，并将RC清0 RC=1 CD=0 RC=0 A B C D E DATA 图5-15 （d）当总线A上的空时隙经过站点B时，由于B的CD计数器不为0，所以CD减1；空时隙到达D时，由于CD为0，站点D发送数据 RC=0 CD=0 A B C D E DATA 图5-15 （e）当下一个空时隙到达B时，B的CD计数器为0，B发送数据

2.预先仲裁访问PA（Pre-Arbitrated access) PA访问支持等时服务的字节传送，适用于对实时要求较高的应用。PA与QA差别较大，其主要差异和原理是： a.QA时隙每次只属于一个节点，而PA时隙可能属于多个节点； b.PA访问以8位位组为基本传输单位，支持同步传输； c.正向总线头部在收到AU请求后，在PA时隙中写入一个特殊字段—VCI字段，通过VCI值体现该PA请求的时效要求，同时，总线头部节点周期性地为每一种VCI值提供时隙，以保证该PA数据的及时传输； d.AU对PA时隙的访问通过对VCI值的检查实现，只允许那些与VCI值相同的AU访问该类时隙。即PA访问不需要排队等候，同一时间内允许多个具有不同CVI值的PA时隙在总线上传送，以保证传输数据的时效性。

DQDB协议的特点是简单有效，所提供的两种仲裁机制均采用分布式处理，不需要中心管理单元；既支持平等的排队传输请求，又支持时效要求高的预约传输请求，因而传送的速率和可靠性都较高。此外，DQDB主干网支持多种介质、多种网络拓扑的连接，在城域网中被较广泛地采用。

5.5 光纤分布式数据接口FDDI FDDI(Fiber Distributed Data Interface)是一种高性能的光纤令牌环局域网技术，也常被划分在城域网MAN的范围。 5.5.1 FDDI的主要特性 ① 使用基于IEEE 802.5令牌环标准的MAC协议。 FDDI融合了令牌环的多项技术，如令牌环帧格式、环形结构等，另外，采用定时令牌协议，并增加了环的管理、控制和可靠性等功能； ② 使用MM或SM光纤进行传输。在采用MM光纤时，全网光纤总长为200 km，最多可连接1000个站点；若采用SM光纤，光纤总长可达数千km，最大站间距离为2 km； ③ 数据率为100 Mbps；

④ 支持具有容错能力的双环结构，具有错误自动恢复措施，误码率低于2.510-10； ⑤ 具有动态分配带宽的能力，故能同时提供同步和异步数据服务； ⑥ FDDI采用分布式时钟方案，即在每个站设立独立的时钟和弹性缓冲区，有效地克服了一个主时钟带来的时钟信号偏移和积累现象，扩大了环网规模（最多允许使用4个中继器）。 ⑦ 分组长度最大为4500字节； ⑧ 与符合IEEE 802标准的局域网兼容。 目前，FDDI技术也有以双绞线作为介质的传输系统在实际运行中。其中采用两对五类UTP连接的技术称为铜质分布式数据接口CDDI，而使用STP的技术称为屏蔽分布式数据接口SDDI。

5.5.2 FDDI的拓扑结构 为避免由于链路或站点故障造成的网络瘫痪，提高系统可靠性，FDDI采用了具有容错能力的双环结构，数据在两个环上的传输方向相反。当链路或站点出现故障时，FDDI通过邻接故障点的旁路开关连接两个环，维护整个网络继续工作，如图5-16所示。当出现多处故障时，FDDI将分离为多个独立的小环网继续工作。 图5-16 FDDI环形结构的容错示意图 （a）正常情况 （b）链路故障 （c）站点故障

FDDI利用集中器构造的星型拓扑结构，具有较高的可靠性。集中器是一种多端口的、具有隔离故障站点能力的FDDI网络的物理连接设备，可直接连到FDDI双环上，如图5-17所示。 FDDI定义了两种类型的节点：双连接站DAS和单连接站SAS。其中DAS（Dual Attachment Station）站点可以直接与两个环相连或经集中器与环相连，而SAS（Single Attachment Station）站点则只能通过集中器连到环上。这两类站点又分别称为A类站和B类站。一个FDDI网络可以有多个集中器，每个集中器可带多个站点或集中器。其设备连接如图5-18所示。 集中器 SAS 次环 主环 故障站点 图5-17 FDDI星型连接示意图 DAS SAS 集中器 图5-18 FDDI设备配置

（2）连接工作站及其他设备组建高速局域网。 （3）作为机房设备和高速外设间的高速连接通路。 FDDI有以下三种功能： G IEEE 802.4 FDDI IEEE 802.3 IEEE 802.5 网关 图5-19 FDDI骨干网构架 （1）作为连接中速本地网的高速主干网。FDDI支持与802局域网的交互操作，以FDDI做为集成多个802局域网的高速骨架网，是集成系统性能提升的主要技术途径之一。如图5-19所示。 （2）连接工作站及其他设备组建高速局域网。 （3）作为机房设备和高速外设间的高速连接通路。

(1) 物理介质相关部分PMD对用于光纤的收发器特性作了规定，并对站与环的连接装置的物理特性作了规定； 5.5.3 FDDI的体系结构 逻辑链路控制子层LLC （802.2） 物理介质相关部分PMD 物理介质无关部分PHY 站管理 SMT 介质访问控制子层MAC IEEE802.3 CSMA/CD IEEE802.4 令牌总线 IEEE802.5 令牌环 数据 链路层 物理层 FDDI标准主要由四部分组成： (1) 物理介质相关部分PMD对用于光纤的收发器特性作了规定，并对站与环的连接装置的物理特性作了规定； (2) 物理介质无关部分PHY对数据传输的编/译码（采用4B/5B编码）以及时钟的接收、分离和恢复、符号集的维护和预防破坏进行规定； (3) 介质访问控制MAC子层定义了帧结构、令牌控制、环操作、环维护、差错检测等；

(4) 站管理SMT提供对FDDI节点的监视和控制功能，主要有站点连接管理、故障部件的识别和隔离、环管理（包括在环被破坏时发出阻塞信标、故障恢复、环可用性检测、重复地址检测等）、SMT 帧服务等。 FDDI与 IEEE 802.5 标准十分接近，但为了有效利用光纤的大带宽、提高传输速率、增加网络互连功能，FDDI在802.5的基础上作了一些改进，二者的主要差别如表5-2所示。

图5-20说明了FDDI协议多个令牌的发送过程。图中假定A站要发送数据帧F1给C站，B站要发送数据帧F2给D站。 表5-2 FDDI与 IEEE 802.5 的主要差异 特 性 FDDI IEEE 802.5 介质类型 光纤 双绞线 速 率 100 M bps 4 M / 16 M bps 编 码 4B / 5B 微分曼彻斯特编码 时 钟 分布式时钟 集中式时钟 信道分配 定时（同步服务）、非定时（异步服务） 优先级 令牌发送 帧发完后发出 帧返回后发出 编码效率 80 % 50 % 环上帧数 可多个 一个 图5-20说明了FDDI协议多个令牌的发送过程。图中假定A站要发送数据帧F1给C站，B站要发送数据帧F2给D站。

图5-20 FDDI令牌协议发送过程 (1) A站待发数据帧并获令牌 (2) A站发送数据帧F1给C T A B C D (1) A站待发数据帧并获令牌 F1 A B C D (2) A站发送数据帧F1给C F1 A B C D T (3) 在发送完F1后，A站发令牌，C站接收帧F1 A B C D (4) B站获得令牌并发帧F2给D站 F2 F1 F1 A B C D (5) B站发令牌，D站拷贝F2,A站回收数据帧F1 T F2 F2 A B C D T (6) B站回收数据帧F2 图5-20 FDDI令牌协议发送过程

5.6 综合业务数字网ISDN ISDN(Integrated Service Digital Network)是计算机网络技术与通信技术结合产生的一种全数字化网络技术，旨在以先进的数字通信系统取代模拟通信系统。 目前的通信网络以专用目的为其特征，如电话网、闭路电视网、电路交换网等，这种网络的专门化使网络在不同业务的兼容性、灵活性、可扩充性以及资源的有效利用率等方面存在严重的缺陷。ISDN通过提供经济的、有效的、端到端的数字连接，来支持声音、数据、图像、图文可视电话、传真、电子邮件、电视会议等多种电信业务服务，即在同一数字传输链路上，通过数字交换机来同时传输数字化的多媒体信号和各种数据业务，这就是“综合业务数字网”的含义。

综合业务数字网分为两种：一种是宽带综合业务数字网B-ISDN（Broadband-ISDN），提供各种高速通信业务的网络技术，目前支持B-ISDN的主要技术包括异步传输模式ATM、数据数字网络DDN、帧中继、以太网技术以及Cable Modem、ADSL等。另一种是窄带综合业务数字网N-ISDN（Narrow-ISDN，简记为ISDN)，以64 Kbps信道为基本交换单位，面向电路交换。本节主要介绍N-ISDN。 ISDN具有以下特征：  提供多种服务 包括电话、数据、传真、电子信箱、可视电话、电视会议等多种通信业务；  提供端到端的数字连接 支持不同载体信道的信令，传输速率比Modem快得多；  提供标准的用户和网络接口；  使用的经济性 一线多用，通信能力比公用电话交换网PSTN提高3~5倍，费用较DDN更低，支持按需服务方式。

5.6.1 ISDN的组成 ISDN设备包括：  用户终端设备TE（Terminal Equipment)：又可分为 TE1——ISDN终端，如数字电话、数字终端、数字警报设备等； TE2——非ISDN终端，如模拟电话等；  终端适配器TA(Terminating Adapter)：TA具有R、S接口，用于将TE2连接至ISDN网（NT1或NT2），即进行接口的转换；  网络终端设备NT(Network Terminating device)：又分为 NT1——物理层接口设备，用于处理数字信号的接收和传送，将2线转换成4线,并对物理层的维护、监视、多任务处理、电压标准以及接口规范进行定义； NT2——是一种专用用户分支交换机PBX（Private Branch Exchange)类的设备，实现单位内部通信的数字交换，主要用于大型企事业单位内部网络的交换以及通过NT2与NT1的连接；  ISDN交换机。 其组成如图5-21所示。

图5-21（a）家用数字设备与ISDN系统连接示意图 终端 电话 报警 TE1 NT1 交换机 传导局 内部网 用户设备 T U 4线 2线 NT1 ISDN 交换机 传导局 内部网 U TE1 LAN连接器 企业内部网 R S T TE2 NT2 PBX 图5-21（a）大型企事业单位ISDN系统连接示意图 4线 2线 TA 多线

图中各用户终端设备通过参考点实现与网络终端设备的连接。参考点是对接口的功能定义，ISDN定义了四类参考点： R——非ISDN用户终端TE2与适配器TA的连接参考点，用于连接不符合ISDN规范的设备，此接口上的信号为模拟信号； S ——专用交换机NT2与用户终端TE1的接口规范，4线式，主要功能是配合终端适配器TA作为数字与模拟转换的接口； T ——网络终端设备NT1与用户设备或企业LAN连接的参考点，4线式 ，以多任务方式将多个数字信号转换成高速传输的数字信号； U ——ISDN交换机与网络终端设备NT1连接的接口标准，2线式。 ISDN内部网可以是电路交换网或分组交换网。

5.6.2 ISDN提供的服务 CCITT（国际电报电话咨询委员会）对ISDN定义了交换设备与用户设备之间的两种接口标准：基本速率数字接口BRI(Basic Rate Interface)和基群速率数字接口PRI(Primary Rate Interface),两种接口都能同时提供声音和数据服务；能在同一个传输管道上进行线路交换和分组交换；接口也能以不同的数据传输速率与专用通道相连。BRI主要用于家庭及小容量系统，如声音/数据工作站；PRI则用于大容量系统与ISDN的连接，如图5-22所示。 NT1 ISDN 交 换 机 线路交换网 分组交换网 NT2 PBX BRI PRI 用户设备 企业局域网 图5-22 ISDN数字接口连接示意图 LAN

5.6.3 ISDN通道 无论是BRI还是PRI服务，ISDN的传输链路均可由以下三种类型的通道构成： 1.B通道 带宽为64Kb的基本用户数字通道，能够传输数字信息、数字化语音信息和各种低速混合信息流。用户可同时使用不同的B信道完成不同的数据通信应用。B信道支持四种连接类型： （1）电路交换：用户通过专用传输链路，经B通道传输用户数据，而控制信令则通过D通道传输； （2）分组交换：通过分组交换网实现与其他用户的数据交换； （3）帧模式：通过帧中继网实现与其他用户的数据交换； （4）半永久方式：利用事先建立起来的连接，不经呼叫，即用即传，直至拆除链路。

基本速率数据接口BRI服务提供两个B信道和一个D信道，即2B+D，总带宽为144Kb。 又称公共通道或信令通道，是一种专用于传输对各条B通道的控制信令信息的通道。通道带宽16Kb或64Kb，当信道上没有信令传输时，也可用于传输分组信息。 基本速率数据接口BRI服务提供两个B信道和一个D信道，即2B+D，总带宽为144Kb。 基群（或称一次群）速率接口PRI标准各国略有差异，如北美和日本采用23B+D(D信道速率为64Kb），总带宽为1.5Mb；欧洲、澳洲及其他国家采用30B+D，总带宽为1.9Mb。如图5-19所示。 B1到B23 D(64Kb) D(16Kb) B1到B2 （a) 基本速率数字管道 （b）一次群速率数字管道 图5-19 ISDN的数字管道速率

3. H通道 为用户提供高速率传输信道。用户可以用H通道作为高速主干，也可以多个用户通过时分复用方式在H信道上同时传输多路信号。H通道主要用于宽带综合业务数字网B-ISDN，其核心技术是异步转移模式ATM。所谓宽带是指其传输速率超过基群速率的业务，可以利用H21(32.768 Mb)、H22(43—45Mb)、H4(132 — 138.2Mb)等固定速率传输信息，此外，B-ISDN还具有处理可变速率的能力。 5.6.4 ISDN体系结构 ISDN使用公共通道信令技术，即信令在D通道上传输，控制多个线路的交换连接，称为共路信令或带外信令。一旦端到端的连接建立起来，则任何模拟的、数字的信号均可通过B信道进行传输。ISDN仅对D通道的信包格式进行定义，而不对B信道传输的内容作出定义，即B通道支持任何协议的端到端通信。

1. 物理层：对基本速率接口BRI和基群速率接口PRI的物理规范进行定义； 用户部分 送信号连接控制部分 通用传输功能 链接控制功能 数据连接位流帧格式 网络层 数据链路层 物理层 1. 物理层：对基本速率接口BRI和基群速率接口PRI的物理规范进行定义； 2. 数据链路层：对链路访问规范进行定义，涉及对帧的定界、分配序号、验证校验、检错纠错、链路建立及拆除等。 3. 网络层：对数据从信源到信宿的传输，以及电路交换和分组交换的连接能力进行描述。网络层又分为上、下两个子层，其中下层采用14 bit地址表示对路由选择算法进行描述，当下层地址太短时，上层提供更大的地址空间，实现跨网际的路由选择。

5.7 ADSL 非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是一种通过一条电话线，以比普通Modem快100倍的速度实现与因特网连接，享受高速数据服务的小型用户（包括家庭用户）接入Internet的连接技术。 5.7.1 xDSL与ADSL xDSL是数字用户环路（Digital Subscriber Line）的统称，它是以铜质电话线为传输媒体的点到点传输技术。所谓用户环路（subscriber loop）是指从用户电话机到交换机的这段线路，也称为用户线。 xDSL中的“x”表示A/H/S/C/I/V/RA等不同的数据调制技术，它只是利用现有的公用电话网中的用户环路部分，通过不同的调制方式达到使用电话系统中没有被使用的高频信道用于数据或多媒体信息的高速传输，避免由于数据量过大而对中央交换机和公用电话网络造成拥挤的目的。

由于xDSL技术是在原有话音线路上叠加传输，所以需要在电信局和用户端配置相应的局端设备，对信号进行合成和分解。 xDSL包括HDSL、SDSL、VDSL、ADSL、IDSL和RADSL等，它们的主要区别表现在传输速度和距离的不同，以及对称和非对称这两个方面。DSL技术按上行（用户到网络）和下行（网络到用户）速率是否相同分为速率对称型和速率非对称型两种类型。HDSL、SDSL、IDSL采用对称型，ADSL、RADSL、VDSL等采用非对称技术。 ADSL是非对称用户数字环路，其特点是：利用一对双绞线为网络用户提供速率为32Kb～8.192Mb的下行流量和32Kb～1.088Mb的上行流量，有效传输距离为3～5km，可同时传输数字信号和模拟信号。

5.7.2 ADSL的关键技术 ADSL通过非对称传输，利用频分复用或回音抵消技术，使上行、下行信道分离，以减少串音的影响，充分利用带宽，实现信息的高速传输。衰减和串音是决定ADSL性能的重要因素，传输速率越高，它们对信号的影响越大，传输距离就越小。ADSL的主要关键技术有复用技术和调制技术。 1. 复用技术 ADSL的复用技术有两种：频分复用技术和回音抵消技术。这两种方式都是将电话线 0～4K Hz的频带用于电话信号传输，对剩余带宽的处理两种方法各不相同：频分复用技术将剩余带宽划分为上行、下行两个信道，它们互不相交，带宽依据线路特性、调制方法和传输速率而不同；回音抵消技术将剩余带宽划分为两个有部分相互重叠的区域，分别对应于上行和下行信道，信号重叠的部分通过本地回音消除器（滤波器）进行分离，由于存在信道重叠，使信道带宽更大，同时系统复杂性也更大。

2. 调制技术 ADSL的调制技术主要有：离散多音频调制技术DMT(Discrete Multi-Tone Modulation)和无载波调幅调相技术CAP(Carriers less Amplitude-Phase mudulation)两种。其中： CAP调制技术与目前调制解调器的处理方法类似，可以提供下行信道、上行信道和 POTS（电话用信道），彼此互不干扰，是目前使用比较广泛的一种传输方式。 DMT调制技术是一种多载波调制方法，它将整个带宽（0～1104 kHz）中除话音频带（0～4 kHz)的其余带宽划分为255个互不相交的子频带，对应于不同频率的载波（又称声道），各子信道频率为4.3125 kHz。在不同信道的载波上分别进行正交调制 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）——一种多元制的振幅、相位混合调制方法，不同信道的容量由当前信道的传输性能决定。由于DMT具有更强的性能，支持不同厂家的ADSL设备的互连，所以DMT将成为ADSL调制解调器主要采用的技术。

简化版的G.Lite标准——支持下行1.5Mb、上行512kb的数据传输，不需语音分离器，安装简单，又称无分解ADSL,适用于普通家庭用户。 DMT目前有两个标准子集： 全频段的G.DMT标准——支持下行8Mb、上行1.5Mb的高速数据传输，但要求用户端安装语音分离器，适用于小型或家庭办公室，也提供10/100Base-T接口，支持因特网与企业内部网的宽带接入。如中兴ZXDSL 831。 简化版的G.Lite标准——支持下行1.5Mb、上行512kb的数据传输，不需语音分离器，安装简单，又称无分解ADSL,适用于普通家庭用户。 ADSL 存取模块 滤波器 Internet 骨干网 交互式多媒体 公用电话网 ADSL Modem DSLAM 接入平台 用户环路 用户端 局端 图5-20 ADSL系统组成示意图 5.7.3 ADSL的组成及实现原理 ADSL系统主要由局端和用户端的设备组成，其构成及其原理如图5-20所示。

局端由DSL接入平台DSLAM 、DSL局端卡、语音分离器、数据汇集设备IPC等组成，其中IPC为可选设备。语音分离器将线路上的音频信号和高频数字信号分离，并将音频信号送入电话交换机，高频信号送入DSL接入系统，DSLAM接入平台可以同时插入不同的DSL接入卡和网管卡等；局端卡将线路上的信号调制为数字信号，变成信元或数据包后交给骨干网。IPC为DSL接入系统提供不同的广域网接口。 5.7.4 ADSL技术的主要特点 1. 节省投资。可以利用现有的电话线网络，在线路两端加装ADSL设备即可为用户提供高宽带服务，而无需重新构建基础设施。 2. 增加服务项目。ADSL支持多信道、多类型用户数据的同时传输，下行速率达到10Mb，远高于ISDN，传输距离达3～5Km。 3. 范围有限。信号随传输距离和速率的增加而衰减，在速率保持不变的情况下，传输距离有限。

5.8 Cable Modem 电缆调制解调器Cable Modem是一种通过同轴有线电视网络进行发送和接收数据的调制解调器。它是用户计算机与有线电视同轴电缆之间的中间设备，一般有两个接口，一个作为有线电视端口，另一个用于与计算机相连。Cable Modem集调制解调器、调谐器、加密/解密设备、桥接器、网络接口卡、SNMP（简单网络管理协议）代理和以太网集线器的功能与一身。通过Cable Modem可以在收看电视的同时，无需拨号实现计算机与网络供应商ISP的永久高速连接。 5.8.1 Cable Modem技术原理 目前有线电视传输带宽范围一般在42M～550M Hz，而CATV网多采用光纤同轴混合电缆HFC(Hybrid Fiber Coax),其带宽可达750M Hz或更高。Cable网络将其中的200M Hz用于数据传输，带宽划分如图5-21所示。

Cable Modem的连接方式一般有两种，如图5-22。 0 5 42 550 650 750 频率（M Hz) Cable Modem下传数据 视频点播VOD Cable Modem上传数据 有线电视节目 图5-21 Cable Modem利用CATV电缆频带划分 Cable Modem把上、下行数字信号用不同的调制方法调制在某个频段上，上行速率约为2M～10Mb，下行速率约为10M～40Mb，传输距离达到100 km或更远。 一般而言，上行的信息流量远小于下行的数据流量。CATV电缆频带的这种非对称划分，提高了下行速率，并极大地满足了用户的应用申请。相应的，非对称式传输所需要的前端设备也较复杂，除了对称式应用中所需的数字交换设备外，还需要一个电缆路由器（Cable Router）才能满足网络交换的要求，并能最大限度地利用可分离频谱，按用户需要提供带宽。 Cable Modem的连接方式一般有两种，如图5-22。

Cable Modem 分配器 用户端 HFC 有线电视网 第一种方式在维持现有的电视使用情况下，同时支持计算机通过Cable Modem上网；另一种方式支持电视和计算机都可以同时上网，此时电视机还需要增加一个机顶盒(Set-Top-Box)。 5-22 Cable Modem的两种连接方式 分配器 Cable Modem 机顶盒 HFC 有线电视网 用户端

5.8.2 Cable Modem的体系结构 正交调制256QAM 下行数据流 TDM(时分制） CSMA/CD 或 ATM IP TCP or UDP 四相相位调制QPSK或 同步码分多址复用S-CDMA 上行数据流 TDMA（统计时分制） 有线电视前端 物理层 数据链路层 （1）物理层：Cable Modem下行协议采用256QAM正交调制技术，下传速率可达40Mb；上行协议采用四相移相键控技术QPSK（Quaternary Phase Shift Keying），抗干扰性能好，速率可达10Mb。另一个上行协议是同步码分多址复用协议S-CDMA。 （2）数据链路层：可进一步分为MAC子层和LLC子层，对不同信号和用户怎样共享公共带宽进行了规定，目前尚无统一的行业标准，最常见的主要有CSMA/CD和ATM协议。 （3）有线电视前端：主要负责信号的复用/分离、数/模或模/数转换。协议功能对应于OSI模型的网络层和传输层。

5.8.3 Cable Modem的分类 从不同的角度，可以将Cable Modem划分为不同的类型。 1.按传输方向划分，可有双向对称式传输和非对称式传输两类。非对称式上行传输速率为500kb～2Mb，最高可达10Mb；下行速率为2Mb～40Mb；而对称式传输速率为2Mb～10Mb 。 2.按网络通信角度划分，可有同步（共享）和异步（交换）两种方式。同步（共享）类似于以太网，网络用户共享带宽，当用户增加到一定数量时，其性能急剧下降，碰撞增加，登录入网困难。而异步（交换）的ATM技术与非对称传输正在成为Cable Modem技术的发展趋势。 3.按接口角度划分，可有外置式、内置式和交互式机顶盒三类。其中外置式需通过网卡与计算机相连，它可以支持LAN上的多台计算机同时上网，并支持大多数操作系统和硬件平台；内置式Cable Modem是一块PCI插卡，只适用于台式机；机顶盒可以在频率数量不变的情况下提供更多的电视频道，通过数字电视编码，用户可以直接在电视屏幕上访问网络，浏览网页及收发E-mail。