计算机网络及应用 第四章 通信网与广域网

第4章 通信网与广域网 4.1 通信网概述 4.2 广域网概述 4.3 广域网技术

4.1 通信网概述 定义：通信网是一种使用交换设备和传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。 4.1 通信网概述 定义：通信网是一种使用交换设备和传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。 通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按照一定拓扑结构组合在一起才能成为通信网。 通信网的结构包括：用户终端设备、交换设备、传输设备 通信网络包括计算机网络、电话网络、广播电视网络等。

4.1.1 通信网的产生与发展 　　通信网理论体系在20世纪70年代初步形成。 　　20世纪末，以微电子、光电子为基础的光纤通信、数字通信和计算机技术的蓬勃发展，尤其是因特网的飞速发展，大大推动了通信网的发展。电路交换电话网向分组交换数据通信网的巨大转变，图像业务的增多，极大地改变了人们的生活和工作。

随着国民经济的迅速发展，通信网正向着数字化，综合化，智能化和个人化方向发展。 　　(1) 数字化：在通信网中全面使用数字技术，包括数字传输、数字交换和数字终端等。 　　(2) 综合化：把来自各种信息源的业务综合在数字通信网中传送，为用户提供综合性业务。 　　(3) 智能化：它使网络结构更加具有灵活性，使用户对网络具有更强的控制能力，以有限的功能组件实现多种业务。 　　(4) 个人化：即在任何时间能与任何地方的另一个人进行通信，通信业务仅受接入网与用户终端能力的限制，而最终能够提供任何信息形式的业务。

4.1.2 通信网的基本结构与分类 　　通信网的基本构成要素是终端设备、传输链路、转接交换设备及接入部分。 　　◆终端设备是通信网中的源点和终点，它除对应于信源和信宿之外，还包括一部分变换和反变换装置。不同终端设备可以承载不同的通信业务。如电话机是承载电话业务的终端设备；数据终端是承载数据业务的终端设备。 ◆传输链路是网络节点的连接媒介，是信息和信号的传输通路。它除对应于信道部分外，还包括一部分变换和反变换装置，如明线传输系统、载波传输系统、数字微波传输系统、光纤传输系统及卫星传输系统等，都可作为通信网传输链路的实现方式。

◆转接交换设备是现代通信网的核心，其基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接、接续和分配。常用交换方式包括电路交换方式、报文交换方式以及分组交换方式。 　　◆接入部分是业务节点接口和用户网络接口之间的传送实体，通过标准接口，将用户接入到业务节点。

除了这些硬件设备之外，为了保证网络能正确合理地运行，用户间快速接续，并有效地相互交换信息，达到通信质量一致，运转可靠性和信息透明性等要求，还必须有管理网络运行的软件(如标准、信令、协议等)。在现代通信网中，协议(Protocol)已成为必不可少的支撑条件，它直接决定了网的性能。

　　通信网的分类 　　(1) 按照所能实现的业务种类不同，通信网可以划分为电话通信网、计算机通信网、数据通信网、广播电视网以及综合业务数字网； 　　(2) 按照网络所服务的范围不同，通信网可以划分为本地网、长途网及国际网； 　　(3) 按照传输介质不同，通信网可以划分为微波通信网、光纤通信网及无线通信网等； 　　(4) 按照拓扑结构形式不同，通信网可以划分为总线型、环型、星型、网型和复合型五种基本结构形式。

4.2 广域网概述 4.2.1 广域网的产生与发展 　　广域网的发展是从ARPANET(阿帕网)的诞生开始的，ARPANET是由美国国防高级研究计划局(ARPA)所率先组建成的计算机网络。ARPANET的出现，标志着以资源共享为目的的现代计算机网络的诞生。

在网络发展初期，网络一般是用来为某一机构组建的专用网。专用网的优点是针对性强、保密性好；缺点是资源重复配置，造成资源的浪费，系统过于封闭，使系统之外的用户很难进入。 随着计算机应用的不断深入和发展，一些小规模的机构甚至个人也有了连网的需求。这就促使许多国家开始组建公用数据网。早期的公用数据网采用的是模拟通信电话网，进而发展成为许多新型的数字通信公用数据网。

目前的网络应用越来越多，流量成几何级数增加，据统计每过100天，互联网的容量就翻一倍。 　　目前的网络应用越来越多，流量成几何级数增加，据统计每过100天，互联网的容量就翻一倍。 摩尔定律：摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而价格 下降一半；或者说，每一美元所能买 到的电脑性能，将每隔18个月翻两番。 这一定律揭示了信息技术进步的速度。 视频：5G时代 将会带来哪些改变

4.2.2 广域网的构成 　　广域网是一种跨越大、地域性的计算机网络的集合。通常跨越省、市，甚至一个国家。广域网包括大大小小不同的子网，子网可以是局域网，也可以是小型的广域网。

构建局域网和广域网的方法不同 构建局域网时，必须由构建局域网的单位完成网络的建设，网络的传输速率可以很高，如千兆位以太网。 构建广域网时，因为各种条件的限制，必须借助于公共传输网络。广域网一般由主机(Host)和通信子网(Communication Subnet)构成。通信子网用于在主机间传递信息

目前，许多广域网中都使用公共通信网络作为其通信子网。用户并不关心公用传输网络的内部结构和工作机制，所关心的仅仅是公用传输网络提供的接口，以及实现和公用传输网之间的连接，并通过公用传输网实现远程站点之间报文交换的方法。

　　公共通信网络作为通信子网，主要包括两个部分：传输线路和交换节点。 传输线路也称线路(Circuit)、信道(Channal)或干线(Trunk), 用来在计算机之间传送比特流； 交换节点即路由器(Router)，用于连接两个或多个传输线路。数据沿线路到达交换节点后，由交换节点为其选择输出线路并将其输出。 通信子网工作在OSI模型的下三层—物理层、数据链路层和网络层。

从层次上考虑，广域网和局域网的区别很大，局域网使用的协议主要在数据链路层(还有少量物理层的内容)，而广域网使用的协议在网络层； 但从互联网的角度来看，广域网和局域网却又是平等的，因为它们有一个共同点—连接在一个广域网或一个局域网上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络的物理地址即可。

相距较远的局域网通过路由器与广域网相连接，组成了一个覆盖范围很大的互联网。从图中可以看出，广域网和局域网都是互联网的重要组成构件，广域网通过路由器将相距较远的局域网连接起来，形成了互联网。

存储转发(Store-and-Forward)或分组交换(Packet-Switched)技术 在大多数WAN中，网络中包含了大量的电缆或电话线，相关的电缆或电话线都连接一对路由器。 如果两个路由器间没有电缆直连而又希望进行通信，则必须使用间接的方法，即通过其他路由器实现通信。 当通过中间路由器把分组从一个路由器发往另一个路由器时，分组会完整地被每个中间路由器接收并存放起来。当需要的输出线路空闲时，该分组就被转发出去。采用这种机制的子网称做点到点(Point-to-Point)、存储转发(Store-and-Forward)或分组交换(Packet-Switched)子网。几乎所有的广域网(除了使用卫星的以外)都使用存储转发子网。

4.2.3 广域网所提供的服务 　　广域网向上所提供的服务可以分为两大类： 　　 无连接的网络服务，即数据报服务； 　　 面向连接的网络服务，即虚电路服务。

数据报服务 1、主机只要想发送数据就随时可发送。 2、每个分组独立地选择路由。 3、先发送出去的分组不一定先到达目的站主机。这就是说，数据报不能保证按发送顺序交付给目的站。当需要把数据按发送顺序交付给目的主机时，在目的站还必须把收到的分组缓存一下，等到能够按顺序交付主机时再进行交付。 4、当网络发生拥塞时，网络中的某个节点可以将一些分组丢弃。所以，数据报提供的服务是不可靠的，不能保证服务质量，而是一种“尽最大努力交付”的服务。 主机H1向H5发送分组，有的可以经过节点A→B→E，而另一些可能经过节点A→C→E。在一个网络中，还可以有多个主机同时发送数据报，例如，主机H2经过节点B→E与主机H6通信。

虚电路服务 首先建立连接。主机H1要和主机H5通信，主机H1要先发出一个虚呼叫(Virtual Call)，即发送一个特定格式的呼叫分组到主机H5，要求进行通信，同时寻找一条合适的路由。若主机H5同意通信，就发回响应，然后双方就可以传送数据了。 在图中，设寻找到的路由是A→B→E，这样，就建立了一条虚电路(Virtual Circuit)—H1→A→B→E→H5，并记为VC1。以后主机H1向主机H5传送的所有分组都必须沿着这条虚电路传送。在数据传送完毕后，还要将这条虚电路释放掉。

注意：由于采用了存储-转发技术，所以这种虚电路就和电路交换的连接有很大的不同。 在电路交换的电话网上打电话时，两个用户在通话期间自始至终地占用一条端到端的物理信道。 当用户占用一条虚电路进行计算机通信时，由于采用的是存储转发的分组交换，所以只是断续地占用一段又一段的链路，但是用户感觉到好像(并没有真正地)占用一条端到端的物理电路。 建立虚电路的好处是可以在有关的交换节点预先保留一定数量的缓冲区，作为对分组的存储转发之用。

对网络用户来说，在虚电路建立后，就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道(收发各用一条)。所有发送的分组都按发送的前后顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着管道传送到目的站主机。因为是全双工通信，所以每一条管道只沿着一个方向传送分组。这样，到达目的站的分组不会因网络出现拥塞而丢失(因为在节点交换机中预留了缓冲区)，而且这些分组到达目的站的顺序与发送时的顺序一致，因此虚电路对通信的服务质量有比较好的保证。

数据报服务和虚电路服务各有优缺点 (1) 根据统计，计算机网络上传送的报文长度，在很多的情况下是很短的。若采用128 个字节为分组长度，则往往一次传送一个分组就够了。在这种情况下，用数据报既迅速又经济。若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。 　　(2) 为了在交换节点进行存储转发，在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。但在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个虚电路号码的标志，这样就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。

(3) 对待差错处理，这两种服务也是有差别的。在数据链路层虽然使用了通信协议，但由一段段可靠的链路组成一条从网络的一端到另一端的通路时，还有可能出现差错。这样的差错主要发生在某个节点的处理机出故障时。由于数据报不保证按顺序交付，也不保证不丢失和不重复，因此在使用数据报的情况下，主机要承担端到端的差错控制。在使用虚电路的情况下，网络应保证分组按顺序交付，而且不丢失、不重复。

(4) 当采用数据报服务时，端到端的流量控制由主机来负责；当采用虚电路服务时，端到端的流量控制由网络负责。只要为每一条虚电路事先保留好足够的缓冲区，那么在使用虚电路时对网络的流量控制就比较容易。 　　(5) 数据报服务对军事通信有其特殊的意义，这是因为每个分组可独立地选择路由。当某个节点发生故障时，后续的分组就可另选路由，因而提高了可靠性。但在使用虚电路时，节点发生故障就必须重新建立另一条虚电路。数据报服务还很适合于将一个分组发送到多个地址(即广播或多播)。

表4-1 虚电路与数据报的对比

争论：从20世纪70年代起，关于网络层究竟应当采用数据报服务还是虚电路服务，在网络界一直进行着争论。问题的焦点就是网络是否要提供端到端的可靠通信。 OSI一开始就按照电信网的思路来对待计算机网络，坚持“网络提供的服务必须是非常可靠的”这样一种观点，因此OSI在网络层(以及其他的各个层次)采用了虚电路服务。 然而美国ARPANET的一些专家则认为，计算机网络有其本身的特点，不能完全按照电信网的思路来建设。他们根据多年的实践证明，不管用什么方法设计网络，网络(这可能由多个子网互联而成)提供的服务并不可能做得非常可靠,所以，若网络为保证可靠通信而增加了许多措施，用户仍然要负责端到端的可靠性，这种重复的可靠性措施是多余的。

扩展内容：E-SIM卡 近日，全球移动通信系统协会(GSMA)发布嵌入式SIM卡（E-SIM卡）的远程配置规范，这一规范暂时只针对智能手表，健身追踪器和平板电脑，而适用于智能手机的E-SIM卡配置规范也可能于今年六月发布。 E-SIM卡配置远程规范的明确，将预示着后期ESIM卡的大量使用，陪伴我们20余年的手机SIM卡也可能被替代，那它将给我们的生活带来哪些变化？对于通信产业带来什么影响？它的最佳使用场景又是哪些？

一、SIM卡的发展历史及卡型分类 “SIM”是“SubscriberIdentity Module”的全称，即“用户身份模块”。它的主要作用是存储数据（包括用户识别数据、网络侧的位置数据、PIN、PUK等业务代码、电话簿信息）、身份识别以及信息保密等。 20世纪80年代末，90年代初，基于第一代无线网络技术模拟移动电话（俗称“大哥大”）出现，但当时手机都是与用户号码绑定的，用户号码写死在终端里，如果换手机就要换号码。 后来，基于第二代数字移动通信标准的GSM手机问世，同时公用电话预付IC卡技术的成熟，催生了SIM卡出现，最终实现了手机和用户身份模块的机卡分离，用户的号码信息存放在SIM卡里，换手机就不必再换号码，而把卡插到新手机里就能用了。

20年来，SIM卡的“身材”因一家创新性、颠覆性的公司出现，变得越来越“苗条”——没错，就是苹果公司。在2010年，苹果相继发布 iPhone 4 和 iPad，除了手机和平板产品上的技术创新以外，苹果还重新定义了SIM卡槽尺寸——Micro-SIM卡。MicroSIM卡（也叫做3FF SIM卡即第三类规格SIM），尺寸为15x12mm，比第二类SIM卡的体积（Mini SIM卡）小了52%。如下图：

有人一定会问：“SIM卡尺寸变小，是因为技术革命带来的革新还是其它原因？”

二、E-sim卡的诞生与优缺点 E-SIM是一种试图取代实体SIM卡方案的虚拟SIM卡技术，即将传统SIM卡直接嵌入到设备芯片上，而不再作为独立体单独配备。这一做法不但可以让用户更加灵活的选择运营商套餐、随时更换运营商不在受到网络制式的限制。该技术可以让用户在不同运营商网络间切换更加容易，而且网络漫游也将变得更便捷。

E-SIM卡这一技术概念最早在2010年被提出，而在2014年10月，又是苹果公司，在发布平板电脑iPad air2和iPad mini3时，已预装了“Apple SIM”。用户在美国购买两款运营商版的iPad平板时，可得到一张称为Apple SIM的通用SIM卡，用户无需另外插入运营商的SIM卡，可直接通过iPad设备选择与苹果合作的运营商的网络及数据资费套餐。而且“Apple SIM”是可以重复多次写入的，对于那些经常旅行或者变更归属地的客户来说，可以把自己快速设置为某运营商的用户。

实体SIM卡 E-SIM卡 优势 1、不同品牌下的终端，切换时实物SIM卡比较方便，即插即用； 2、SIM芯片坏了，可以随时更换实体卡。 1、同一终端下，用户无需进行复杂的销号再入网就可以进行运营商网络的更换；   2、手机终端不仅可以做得更薄，还有可能做成一体机，防水级别及功能更强； 3、可能在出国后不用面临高额的漫游使用费，只需选择当地运行商网络即可。 劣势 1、换个运营商或者换个号码就需要换卡； 2、当前手机对应的卡槽尺寸不同，因此换个手机就可能要换卡； 3、单纯的补换卡就需要把信息、联系人转移。 1、如E-SIM卡芯片损坏，更换起来可能成本较高！ 2、如果具备E-SIM卡手机换给其他人使用，新老号码切换难度增加。 3、如果手机出现故障或丢失，补卡、补号相关业务或者更换手机可能造成困扰。

三、E-sim卡，会带来哪些改变？ E-SIM卡对于用户来说是福音，它带来的核心痛点是能更方便的切换运营商，自有选择套餐资费。而这些改变对于通信行业会带来多少风生水起的变化呢？ 观点1：从技术上来说，E-SIM卡改变的是个人号码对应的物理载体方式，并未改变用户自己的身份标识——即个人手机号码及信息，因此，可能只打破了现有运营商新增市场或不稳定用户市场的竞争格局，对于现有个人消费类市场中的稳定存量市场，冲击幅度不会太大！

观点2：从终端品类而言，检测设备上、可穿戴设备上、物联网设备上的使用场景市场，远远大于当前个人手机端市场的应用，即那些对用户ID并不敏感的领域，冲击更加的大。 观点3：从产业链的角度，运营商可能进一步沦为管道，终端厂家的话语权增加：号卡属性变弱，终端品牌的属性变强。