第 4章广域网基础

4.1 广域网的简介

4.1.1 广域网的概念 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。通常一个结点交换机往往与多个结点交换机相连。

4.1.2 典型的广域网链路连接方式1 ．点对点链路

点对点链路提供的是一条预先建立的从客户端经过运营商网络到达远端目标网络的广域网通信路径。一条点对点链路就是一条租用的专线，可以在数据收发双方之间建立起永久性的固定连接。

2 ．电路交换

DCE DCE

DCE

WAN

传输网络

电话交换包括三个阶段：

建立电路。在传送数据之前，由发送方发出建立电路请求，交换机根据该请求，设法选择一条空闲的信道连接到接收方。接收方收到该呼叫后，返回一应答信号确认本次电路连成，则本次连接成功。

传送数据。建立电路连接后，发送方通过已建立的电路向接收方发送数据。

拆除电路。数据传输完毕，发送方或接收方任一方发出拆线信号，终止电路连接，释放所占用的信道资源。

3 ．分组交换分组交换是将用户发来的整份报文分割成若于个定长的数据块（称为分组或数据包），将这些分组以存储——转发的方式在网内传输。第一个分组信息都有接收地址和发送地址的标识。在分组交换网中，不同用户的分组数据均采用动态复用的技术进行传送，即网络具有路由选择，同一条路由可以有不同用户的分组在传送，所以分组交换的线路利用率较高。

分组交换技术示意图

客户端

DCEDCEWAN

传输网络

复用器

分路器

分组交换又有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。

4.1.3 广域网接入设备（ 1 ）广域网交换机

（ 2 ）接入服务器

（ 3 ）调制解调器

（ 4 ） CSU/DSU

CSU/DSUSwitch

（ 5 ） ISDN 终端适配器

Switch终端适配器

4.2 PSTN 公用电话网 公用电话网 (PSTN) 是为广大用户服务的固话通信网络，最早的电话通信形式只是两部电话机中间用导线连接起来便可通话，但当某一地区电话用户增多时要想使众多用户相互都能两两通话，便需在中间设置一部电话交换机，由交换机完成任意两个用户的连接，这时便形成了一个以交换机为中心的单局制电话网。在某一地区（或城市）随着用户数量继续增多，便需建立多个电话局，然后由局间中继线路将各局连接起来，形成多局制电话网。 电话网从设备上讲是由交换机、传输电路（用户线和局间中继电路）和用户终端设备（即电话机）三部分组成的。

PSTN 公用电话网的结构 本地程控交换机 本地程控交换机远程程控交换机 远程程控交换机

PSTN

调制解调器 调制解调器Internet

4.3 ISDN 综合业务数字网 ISDN(Integrated Service Digital Network) 即综合业务数字网，它利用公众电话网向用户提供了端对端的数字信道连接，用来承载包括话音和非话音在内的各种电信业务。 综合业务数字网 ISDN 有窄带与宽带之分，分别称为 N.ISDN （ Narrowband.ISDN ）和 B.ISDN （ Broadband.ISDN ），无特殊说明， ISDN指 N—ISDN 。

4.3.1 ISDN 简介

4.3.2 ISDN 信道类型1 ． B 信道B 信道也称作承载信道 (Bearer Channel) ，是一种用于语音、视频、数据或者多媒体传输的信道。它是基本的用户信道，传输速率为 64Kbps 。可以用全双工方式传送任何数字信息。多个 B 信道能够聚合在一起提供更高的带宽使用。2 ． D 信道D 信道也称作信令信道（ Delta Channel ），根据用户的需求不同，传输速度为每秒 16KB 或者64KB ，主要用于传输交换设备之间的信令。

4.3.3 数字用户接口类型1.基本速率接口（ BRI ）基本速率接口 (BRI)规范了一个包含两个 64Kbps 的 B 信道和一个 16Kbps 的 D 信道 ( 即 2B＋ D) 的数字信道。总共的传输速率是 144Kbps 。另外， BRI 服务本身需要 48Kbps 的开销，因此， BRI 需要一个 192Kbps 的数字信道。由于传输速率较低， BRI主要用来满足居家和小办室用户使用。 2.主速率接口（ PRI ）主速率接口 (PRI)规范了由 23 个 B 信道和一个 64Kbps 的 D信道组成的数字信道。 23 个 B 信道每个的传输速率都是 64Kbps ，加上一个 64Kbpsr 的 D 信道，总共的带宽是 1.536Mbps 。另外， PRI 服务本身使用了 8Kbps 的开销。于是， PRI需要一个有 1.544Mbps 传输速率的数字信道。23 个 B 信道和一个 D 信道指出了一个 PRI 所能包含的最大信道数。也就是说，一个 PRI 可以支持多达 23 个源和目的站点之间的全双工传输。每个传输都从它们的源收集而来，复用到单个通道中，发送到 ISDN 局中。

ISDN 的数字用户接口类

4.3.4 ISDN 功能组

4.3.5 ISDN参考点交换网

ISDN

交换机

ISDN

交换机分组网

私有线路

NT2 NT1

NT1NT2TA

S T U

S T UR

TE2设备普通电话

TE1设备ISDN电话

计算机

4.3.6 ISDN帧结构1.BRI帧

2.PRI帧

4.4 DDN 数字数据网 DDN 是 Digital Data Network 的缩写，即数字数据网。它是利用数字传输通道（光纤、数字微波、卫星）和数字交叉复用节点组成的数字数据传输网，可以为用户提供各种速率的高质量数字专用电路和其他新业务，以满足用户多媒体通信和组建中高速计算机通信网络的需要。 DDN 区别于传统模拟电话专线，其显著特点是采用数字电路，传输质量高，延时小，通信速率可根据需要选择；电路也可自动迂回，可靠性高；一线可多用，既可以通话、传真、传送数据，还可以组建会议电视系统，开放帧中继业务，做多媒体服务，或组建自己的虚拟专网，设网管中心，由用户管理自己的选择。

4.5 X.25 分组交换网 X.25 网就是 X.25 分组交换网，它是在二十多年前根据 CCITT （即现在的 ITU.T ）的X.25 建议书实现的计算机网络。 X.25 网在推动分组交换网的发展中曾做出了很大的贡献。但是，现在已经有了性能更好的网络来代替它，如帧中继或 ATM 网等。

X.25 的层次关系

X.25 的分组结构

LAPB帧

用户数据

用户数据

LAPB首部 LAPB尾部

X.25分组

分组层（网络层）

数据链路层

X.25首部

4.6 帧中继 帧中继 (FrameRelay) 是一种网络与数据终端设备 DTE 的接口标准，其主要的通信网络为光纤网。由于光纤网比早期的电话网误码率低得多，因此，可以减少 X.25 的某些差错控制过程，从而可以减少结点的处理时间，提高网络的吞吐量。帧中继就是在这种环境下产生的。帧中继提供的是数据链路层和物理层的协议规范，任何高层协议都独立于帧中继协议，因此，大大地简化了帧中继的实现。目前帧中继的主要应用之一是局域网互联，特别是在局域网通过广域网进行互联时，使用帧中继更能体现它的低网络时延、低设备费用、高带宽利用率等优点。

4.6.1 帧中继简介

4.6.2 帧中继特点帧中继主要具有以下特点： 具有统计时分复用和虚电路的优点； 简化网络功能，减少了网络开销，因此提高了数据传输速

率，降低了网络延迟，增大了网络吞吐量。 ( 向用户提供64Kbps～ 2.048Mbps ，甚至 10Mbps 的接入速率，最多可达 45Mbps) 。

帧中继的帧长度可变 (1.6～ 2KB) ，比 X.25 长，非常适合 LAN 业务。

提供动态的带宽管理和差控机制，适于传输突发性数据。 采用面向连接的虚电路方式，可提供交换式虚电路和永久

性虚电路业务。

4.6.3 帧中继的工作过程

4.6.4 帧中继的帧格式

4.7 ATM异步通信模式网4.7.1 ATM 简介 ATM 技术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。信元（ cell ）是 ATM 用于传输信息的基本单元，其采用 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。

4.7.2 信元结构

4 8 16 3 1 8

16 3 1 812

CLP

在UNI

在NNI

比特

比特

HEC

HEC

PT

PT

VCI

VCI

VPI

VPI

GFC

ATM信元

首部 有效载荷

字节 5 48

4.8 链路封装协议

ISO/OSI开放系统互连参考模型 7层协议同样适用于广域网，但广域网只涉及低 3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。广域网能提供路由器、交换机以及它们所支持的局域网之间的数据分组／帧交换。

广域网层次结构示意

4.8.2 常见广域网帧封装（ 1 ）点对点协议（ PPP ）（ 2 ）串行线路互连协议（ SLIP ， Serial Line Internet Protocol ）（ 3 ） HDLC

（ 4 ） X.25／平衡式链路访问程序（ LAPB ）（ 5 ）帧中继（ 6 ） ATM

广域网第二层典型的封装协议

4.8.3 广域网连接的选择

4.8.4 PPP协议1 ． PPP协议简介PPP （ Point.to.Point.Protocol ）是提供在点到点链路上承载网络层数据包的一种链路层协议。在广域网中，其他厂商的路由器如果不支持 Cisco HDLC封装，则当非 Cisco 路由器之间和 Cisco 与非 Cisco 路由器连接时 ,在专线连接或拨号连接时， PPP协议成为必选的协议。

PPP帧结构

2 ． PPP 连接建立

阶段 1 ：创建 PPP 链路。阶段 2 ：用户验证。阶段 3 ：调用网络层协议。

3 ． PPP 的验证方式(1 ）口令验证协议（ PAP ）

(2 ）挑战 .握手验证协议（ CHAP ）

被验证方

主机名＋加密后报文

通过/ 拒绝

主机名＋随机报文

被验证方

主机名＋加密后报文

通过/ 拒绝

主机名＋随机报文

4 ． PPP协议的应用 家庭拨号上网就是通过 PPP 在用户端和运营商的接入服务器之间建立通信链路。 目前，宽带接入正在成为取代拨号上网的趋势，在宽带接入技术日新月异的今天，PPP也衍生出新的应用。典型的应用是在 ADSL （非对称数据用户环线， Asymmetrical Digital Subscriber Loop ）接入方式当中， PPP 与其他的协议共同派生出了符合宽带接入要求的新的协议，如 PPPoE （ PPP over Ethernet ）， PPPoA （ PPP over ATM ）。 利用以太网（ Ethernet ）资源，在以太网上运行 PPP 来进行用户认证接入的方式称为 PPPoE 。 PPPoE 即保护了用户方的以太网资源，又完成了 ADSL 的接入要求，是目前 ADSL 接入方式中应用最广泛的技术标准。

4.8.5 HDLC协议1 ． HDLC协议概述高级数据链路控制（ High Level Data Link Control 或简称 HDLC ），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织 (ISO) 根据 IBM 公司的 SDLC(Synchronous Data Link Control)协议扩展开发而成的。

2 ． HDLC站点类型（ 1 ）主站在链路上用于控制目的站称为主站，其它的受主站控制的站称为从站。主站负责对数据流进行组织，并且对链路上的差错实施恢复。由主站发往从站的帧称为命令帧。连有多个站点的链路通常使用轮询技术，轮询其它站的站称为主站，而在点到点的链路中每个站均可为主站。主站需要比从站有更多的逻辑功能，所以当终端与主机相连时，主机一般总是主站。（ 2 ）从站在主站控制下进行操作，从站发出的帧叫响应帧。在一个站连接多条链中的情况下，该站对于一些链路而言可能是主站，而对另外一些链路而言则可能是从站。（ 3 ）复合站有些可兼备主站和从站的功能，这站称为复合站。复合站既可发送命令帧也可发出响应帧。

3 ． HDLC 链路配置

主站不平衡型

平衡型

从站

复合站 复合站

命令、数据

响 应数 据

数 据

4 ． HDLC 通信方式

（ 1 ）正常响应方式 NRM

（ 2 ）异步响应方式 ARM

（ 3 ）异步平衡方式 ABM

5 ． HDLC帧格式

控制域格式

6.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。I帧以控制字第一位为“ 0” 来标志。（ 2 ）监控帧（ S帧） 监控帧用于差错控制和流量控制，通常简称 S帧。S帧以控制字段第一、二位为“ 10” 来标志。 （ 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。 U帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能，但是当要求提供不可靠的无连接服务时，它有时也可以承载数据。