网络工程师学习笔记<3>

第 4 章广域网技术

 

主要内容： 1 、公共交换电话网 PSTN

          2 、综合业务数字网 ISDN

          3 、分组交换网      X.25

          4 、帧中继网        FR

          5 、异步转移模式网 ATM

          6 、数字数据网      DDN

          7 、移动通信及卫星通信网 GSM

          8 、线缆调制解调器 Cable Modem

          9 、数字用户线 XDSL

        

一、电话网

公用交换电话网PSTN是向公众提供电话通信服务的一种通信网。电话通信网主要提供电话通信服务，同时还可提供非话音的数据通信服务。

1 、计算机交换分机CBX

采用数字电话：可以建立综合声音/数据工作站

分布式结构：具有分布智能的多级或网关结构的多路形状的可靠性提高。

非阻塞结构：所有电话和设备都有专门的指定端口。

CBX 的结构： 核心是某种数字开关网络。开关负责对数字信号流进行操作和交换，数字开关网络由某些空分和时分交换级组成。接到形状的是一级接口单元，通过接口单元访问外界或外界可访问接口单元。通常接口单元完成同步时分多路复用功能，以适应多个输入线。另一方面，为了达到全双工操作，单元要用两条线与开关相连 。

 

二、点到点通信

1 、点到点的通信主要适用于两种情况：（1）是成千上万组织有各种局域网，每个局域网含有多众多主机和一些联网设备以及连接至外部的路由器，通过点到点的租线和远地路由器相连；（2）是成千上万用户在家里使用调制解调器和拨号电话线连接到internet，这是点到点连接的最主要应用。

2 、串行IP协议（SLIP）

SLIP 是1984年制定的，协议文本描述为RFC1055。

工作过程： 当工作站发送 IP 分组时，在帧的末尾带一个专门的标志字节（ OXCO ） ，如果在 IP 分组中含有同样的标志字节，则加两个填充字节（ OXDB 、 OXDC ） 于后，如果 IP 分组中含有 OXDB ，则加同样的填充字节 。

存在的问题：（1）这种协议无任何检错和纠错功能；（2）只支持IP分组；（3）每一方需要知道另一方面的IP地址，且在设置是不能动态赋给IP地址；（4）不提供任何的身份验证；（5）未被接受为internet标准。

3 、点对点协议（PPP）

PPP 由internet IETF成立了一个组来制定的数据链路，描述于RFC1661。

主要功能： 成帧的方法可清楚地区分帧的结束和下一帧起始，帧格式还处理差错检测；链路控制协议LCP用于启动线路、测试、任选功能的协商以及关闭连接；网络层任选功能的协商方法独立于使用的网络层协议，因此可适用于不同的网络控制协议NCP 。

工作过程：

（1）PC通过调制解调器呼叫ISP路由器，然后路由器一边的调制解调器响应电话呼叫，建立一个物理连接。

（2）接着PC对路由器发送一系列的LCP分组，用这些分组以及其响应来选择所用的PPP参数。

（3）当双方协商一致后，PC发送一系列的NCP分组以配置网络层（NCP的功能就是动态分配IP地址）PC就成为一个internet主机，可以发送和接收IP分组。

（4）当PC用户完成发送、接收功能后不需要再联网时NCP用来断开网络层连接，并且释放IP地址，然后LCP断开链路层连接。

（5）最后PC通知调制解调器断开电话，释放物理层连接。

 

三、综合业务数字网ISDN

综合业务数字网ISDN 是由国际电报电话咨询委员会CCITT和各国标准化组织开发的一组标准，这些标准将决定用户设备到全局网络的联接，使之能方便地用数字形式处理声音、数据和图像通信。ISDN提供了各种服务访问，提供开放的标准接口，提供端到端的数字连接，用户通过公共通道、端到端的信令实现灵活的智能控制。

1 、ISDN的系统结构

NT1 ：网络终端设备，不仅起到了接插板的作用，它还包括网络管理、测试、维护和性能监视等。是一个物理层设备。

NT2 ：是计算机的交换分机CBX，NT1和NT2连接，并对各种得以和、终端以及其他设备提供真正的接口。

CCITT 为ISDN定义了四个参考点：R、S、T、U。U参考点连接ISDN交换系统和NT1，目前采用两线的铜的双绞线；T参考点是NT1上提供给用户的连接器；S参考点是ISDN和CBX和ISDN终端的接口；R参考点是连接终端适配器和非ISDN终端；R参考点使用很多不同的接口。

2 、ISDN的功能：线路交换、分组交换、公共通道信令、网络操作和管理数据库以及信息处理和存储功能。

（1）线路交换支持实时通信和大量信息传输，速率为64Kbps，ISDN环境中，线路交换连接由公共通道信令技术控制。

（2）分组交换支持像交互数据应用那样的猝发通信特性，速率为64Kbps。

（3）公共通信令用于建立、管理和释放线路交换连接，CCITT公共通信令系统CCSSNO.7用来交换信令。

3 、ISDN定义交换设备和用户设备之间的两种数字位通道接口

基本速率接口BRI： 2B+D ，两个传输声音和数据的 64 Kbps 的 B 通道和一个传输控制信号和数据 16 Kbps 分组交换数据通道 D 通道。 144Kbps

一次群速率接口PRI： 23B+D 或者 30B+D ，在北美日本，欧洲国家使用

ISDN 公用了公共通信信令技术，以实现用户网络访问和信息交换。允许使用公共通道信令通路来控制多个线路交换连接。

4 、ISDN协议参考模型

ISDN 参考模型与ISO/OSI参考区别在于多通道访问接口结构以及公共通道信令，它包括了多种通信模式和能力：在公共通道信令控制下的线路交换连接，在B通道和D通道上的分组交换通信，用户和网络设备之间的信令、用户之间的端到端的信令，在公共信令控制下同时实现多种模式的通信。

用于线路交换的ISDN网络结构笔协议，它包括B通道和D通道。B通道透明地传送用户信息，用户可用任何协议实现端到端通信；D通道在用户和网络间交换控制信息，用于呼叫建立、拆除和访问网络设备。D通道上用户与ISDN间的接口由三层组成：物理层、数据链路层LAP-D、CCSSNO.7。

用于低速分组交换的ISDN网络结构和及协议。它使用D通道，本地用户接口只需要执行物理层功能，作用如同x.25的DCE。

 

四、分组交换网

1 、分组交换网工作原理

公共分组交换网PSDN已经成为广域网中的重要传输系统。分组交换是一种在距离相隔较远的工作站点之间进行大容量数据传输的有效方法，它结合线路交换和报文交换的优点，将信息分成较小的分组进行存储、转发，动态分配线路的带宽。

优点：出错少、线路利用率高。工作方式：数据报，虚电路。

主要特性： 由于建立和拆除虚电路的呼叫控制分组和数据分组在同一通道和同一虚电路上传输，其结果是占用了通道频带；虚电路的复用发生在第三层；第二层和第三层都需要流控和差错控制机制 。

2 、公共数据网（CCITT X.25网）

X.25 实际上包括相关的一组协议：X.3、X.28、X.29、X.75协议等。

X.25 描述了将一个分组终端连接到一个分组网络上所需要做的工作。通过虚电路它能负责维护一个通过单一物理连接的多用户会话，每个用户会话被分配一个逻辑信道。提供了高优先级类型和正常优先级类型。

X.25 网络与计算机之间的接口一般是通过专用设备或网关、路由器来解决的。

X.3 描述了一个X.25 PAD的功能和控制参数；X.28定义了一台终端与X.25 PAD之间的交互作用，为每个用户提供了一个常规的X.25网络连接；X.29定义了一台主机和其相连的PAD之间的交互作用。

X.25 互连方案：(1)采用路由器和网关同时联接x.25和本地局域网，这种方案适合规模较大、多种协议共存的网络；(2)采用一台微机作为路由器，安装相应的x.25网卡和路由软件，使用于中小规模且协议比较小的网络；(3)使用PAD机，这种方案只适合x.25协议的环境，与远程其他协议的网络互连受到限制。

3 、X.25分层协议

X.25 分层：物理层、数据链路层、分组层，这三层对应于OSI模型的最底下三层。

（1）物理层：涉及站点与把这个站边到分组交换网的链路之间的新产品。其标准X.21。

（2）链路层：所用的标准LAP-B，是HDLC的一个子集。

（3）分组层：提供外部虚电路服务。

三层之间的关系：用户数据被送到X.25第三层，在第三层加上含有控制信息的报头，从而组成了一个分组。控制信息用于协议的操作。整个X.25分组然后送到LAP-B实体，LAP-B在此分组的前后各加上控制信息组成一个LAP-B帧，在帧中加入控制信息也是为了协议的操作。

4 、虚电路服务

X.25 的分组层提供虚电路服务，数据以分组形式通过外部虚电路传输。虚电路有两类型：呼叫虚电路，是通过呼叫建立和呼叫清除等过程动态地建立起来的虚电路；永久虚电路则是固定的虚电路。

虚电路实现的过程：

5 、X.25的分组格式

用户数据被分成多个块，每个块加上24位或32位的报头形成数据分组。

报头含有12位的虚电路号，其中4位号为组号，8位为通道号。

P （S）、P（R）用于流控和差错控制。M位和D位可用于流控和差错控制也可用于X.25完全分组序列。

五、帧中继网

帧中继网是由X.25分组交换技术演进而来的，由于光纤通信的误码率低，为了提高网络速率，活动了很多在X.25分组交换中的纠错功能，使帧中继的性能优于X.25分组交换的性能。

1 、帧中继的主要特点： 中速到高速的数据接口；标准速率为DS1，即T1速率1.544Mbps；可用于专用和公共网；仅传输数据；使用可变长度分组 。

2 、帧中继网与X.25网比较

载送呼叫控制信令的逻辑连接和用户数据是分开的。因此中间节点毋需为每个连接的呼叫控制保持状态表；逻辑连接的复用和交换发生在第二层，而不是在第三层，从而减少了处理的层次；结点到结点之间毋需流控和差错控制，由高层负责端到端的流控和差错控制。

3 、帧中继的优点：精简了通信处理。协议对用户-网络接口以及网络内部处理的功能降低了，从而得到了低延迟和高吞吐率的性能。

4 、帧中继在H信道上的应用：大信息量的交互数据应用；大的文件传送；低数据率的多路复用；字符交互通信。

5 、帧中继的协议结构

协议有两个分开的操作平台：

（1）控制平台（C） ，它涉及逻辑连接的建立和终止。

（2）平台是用户平台（U） ，负责用户之间的数据传输。

用户与网络之间的是控制平台，而端到端之间则是用户平台协议 。

控制平台：帧模式传输服务的控制平台类似于分组交换服务中用于公共通道信号的控制平台。其中，控制信号使用一个单独的逻辑通道。链路层用LAP-D（Q.921）提供可靠的数据链路控制服务，在D通道的用户（TE）和网络（NT）之间进行流控和差错控制。数据链路服务用于交换Q.933控制信号报文。

用户平台：用户之间传输信息的用户平台协议是LAP-F由Q.922（是LAP-D Q.921的增强版本）定义。 

6 、LAP-D的核心功能

（1）帧的定界，组合和透明性；（2）帧的多路复用/多路分解；（3）对帆进行检查以保证在零位手稿前以及零位剔除后，帧的长度是字节的整数倍；（4）对帧进行检查以保证其长度符合要求；（5）检测传输差错；（6）冲突控制功能（LAP-F新增功能）。

7 、帧中继的呼叫控制

呼叫控制方案选择：

（1）交换访问（Switched Access） 在用户连接到交换网络，而本地交换不提供帧处理功能，在这种情况下，必须提供从用户的终端设备到网络帧处理器的交换访问。

（2）集成访问（Intergraded Access） 用户接到帧中继网络或者交换网络，其中的本地交换提供帧处理功能，因为用户能对帧处理器进行直接逻辑访问。

帧中继和X.25一样支持在一个链路上利用多个连接，称为数据链路连接，每个连接都有一个惟一的数据链路连接标识DLCI。其数据传输涉及的步骤如下：（1）在两个端点之间建立逻辑连接，并指定惟一的数据链路标识DLCI的值；（2）交换数据帧；（3）释放逻辑连接。

呼叫控制逻辑连接的DLCI=0，其帧的信息域中包含有呼叫控制报文，至少需要四种报文类型：建立（setup）、连接（connect）、释放（release）、和释放完成（release complete）。

8 、用户数据传输

LAP-F 帧格式类似于LAP-D和LAP-B，但有一个明显的差别，即没有控制域。即意味着：（1）只有一种帧的类型，即用户数据帧，没有控制帧。（2）不可能用inband信号。逻辑连接只能用于传输用户数据。（3）不可能进行流控和差错控制，因为没有顺序号。

 

六、ATM网

    1 、ATM协议参考模型

     用户面：提供用户信息的传输。控制面：负责呼叫控制和连接控制功能。管理面：负责网络维护和完成运行功能。面管理：执行与整个系统有关的管理功能。层管理：处理的运行和维护功能。

物理层：主要是传输信息；ATM层：主要完成交换、路由及多路复用；ATM适配层AAL：主要负责与较高层信息的匹配。

（1）、物理层：由两个子层组成，物理介质子层和传输汇聚子层。

物理介质子层支持纯粹与介质有关的位功能。传输汇聚子层把ATM信元流转换成在物理介质上传输的位，如把帧匹配成在传输系统中所用的格式（SDH、PDH、基于信元的格式）、信元定界等功能。

（2）、ATM层：基本功能是负责生成信元，它不管载体的内容，且与服务无关。主要功能有多路复用、多路复用分解、信元VPI、VCI的转换，信元头的产生和去除，流控。

（3）、ATM适配层：由两个子层组成，分段和重组子层（SAR），把高一层的信息单位分段成ATM信元，或者把ATM信元重组成高一层的信息单位；汇聚子层（CS）与服务有关，可以完成的功能有信报标识和时钟恢复等。

信元类型

（1）空信元（物理层）：为了使信元流的速率与传输系统可用 的有效负载容量相匹配而在物理层插入或除去的信元。

（2）有效信元：没有头差错的信元或已经由头差错控制进程修正过的信元。

（3）无效信元（物理层）：有头差错且尚未由头差错控制进程修正的信元。

（4）指定的信元（ATM层）：使用ATM层服务为应用提供服务的信元。

（5）非指定的信元（ATM层）：尚未指定的信元

    2 、ATM层

信元结构：字节是按递增顺序发送，从第一个字节开始，字节中的位是按递减顺序发送，从第8位开始。

GFC 总流控；PT有效载荷类型,；CLP信元丢失优先权；HEC信元头差错控制。

ATM 层原语

ATM-DATA-REQUEST ： AAL 请求把与此原主相关的ATM-SDU传送给它的对等实体。

ATM-DATA-INDICATION ： 指示AAL与原语相关的ATM-SDU可用。

3 、ATM物理层

传输汇聚子层（1）信元头保护机制，所生成的多项式X8+X2+X+1（2）信元定界机制，有搜索、预同步和同步三个状态。（3）混杂，这是一种附加机制，用来对付恶意用户和假冒，采用X43+1的自同步混杂器随机处理，信元头并没有被混杂。（4）信元去耦，信元的数据率应低于可用的传输容量。（5）与传输系统的匹配。

物理介质子层：提供位传输能力，传输功能与所用的介质有关，这些功能包括线路编码、再生、均衡、电光转换。

物理层原语

PH-DATA-REQUEST ：ATM层请求把与原主有关的SDU传送给它的对等实体。

PH-DATA-INDICATION ：指示与原主有关的SDU可用。

4 、ATM适配层

AAL 服务分类：A类线路仿真AAL1类型，B类VBR视频AAL2类型，C类文件传送AAL5类型，D类无连接信报ALL3/4类型。

AAL 的子层包括：汇聚子层CS和分段和重组子层SAR。

CS 负责来自用户面的信息单元作分段准备，以使这些分组再重组成原始状态。主要功能是在AAL－SAP提供AAL服务。

SAR 将来自汇聚子层的信元分段成48字节的载体，或把来自ATM层的信元信息域内容组装成高层信息单位。

 

七、数据数据网DDN

　　1、数字数据网DDN是一种利用数字信道提供半永久连接专用电路，传输以数据信号为主的数字传输网络。

2 、我国DDN提供2.4Kbps－2.408Mbps的中高速率的点到点和点到多点的专用电路，用户到用户传输差错率优于10^－6

3 、DDN组成：由本地传输系统、复用及交叉连接系统、局间传输及同步系统、网络管理系统等四部分组成。

4 、按组建、运营、管理维护的责任和地理区域来划分网络地域等级，可分为三级：本地网、一级干线网、二级干线网。按层次功能也可分三级：核心层、接入层、用户接入层。

 

八、移动通信

1 、移动通信网组成：移动通信交换MTX、基地站BS、移动台MS和局间和局站的中继线组成。移动台和基地站、移动台和转动台之间采用无线传输方式。基地站与移动通信交换局，移动通信交换局与有线网PSTN之间一般采用有线方式进行信息传输。

2 、全球移动通信系统GSM是一个完整的数字移动通信标准体系。它是1982年欧洲邮电管理委员会CEPT开发的第二代数字蜂窝移动系统。

3 、GSM组成：网络子系统NSS、基站子系统BSS和移动台MS三部分组成。移动台主要功能除了通过无线接入进入通信网络，完成各种控制和处理以提供主叫或被叫通信，还提供与使用者之间的人机接口或与其他终端设备向连接适配装置等。通过用户身份模块SIM卡向通信网络提供了用户注册和管理所需要的信息。

基站子系统包含了GSM无线通信部分的所有地面基础设施。分为三个部分：基站控制器BSC、基站收发信机BTS以及操作维护中心OMC－R

网络子系统由移动交换机MSC、归属位置寄存器HLR、访问搁置寄存器VLR、鉴权中心AUC、设备识别寄存器EIR、操作维护中心OMC－S和德厚流光息业务中心SC组成。

MSC 是对位于它覆盖区域中的MSC进行控制和交换话务的功能实体，也是GSM网络与其他通信网之间的接口实体，负责整个MSC区内的呼叫控制、移动性管理和无线资源管理。

4 、无线软件应用协议WAP

WAP 是以国际互联网上所采用的HTTP/HTML协议为基础， 针对无线移动通讯的特性建立的通信协议，是对小型显示界面、低功率、小内存、CPU运算能力低的通讯工具，以及低带宽、延迟大、和较不可靠的无线移动通讯网络进行修改而成的协议。

WAP 采用客户机服务器结构，提供了一个灵活而强大的编程模型。WAP网关起着协议翻译的作用，是联系移动网与internet的桥梁。

WAP 的分层：无线应用环境WAE应用层协议、无线会话协议WSP会话层协议、无线事务处理协议WTP事务处理层协议、无线传输安全协议WTLS安全层协议、无线数据报WDP传输层协议、无线载体、其他应用和服务

5 、个人通信业务/个人通信网

个人通信特征：

 

九、卫星通信系统

　　1、按空间轨道位置可分为：静止轨道GEO系统、非对地静止轨道MEO；按照业务提供的范围可分为：全球卫星移动通信和区域卫星移动通信系统。LEO高度一般为 500Km － 1500Km 左右，MEO高度通常指 5000Km － 15000Km 左右，GEO为 35768Km 高度赤道上空的轨道。

　　2、卫星通信系统组成：空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统。

3 、卫星通信网络的结构主要有两种：星形和网格形。

4 、国际电信联盟ITU有关空间通信的世界无线电行政会议WARC规定了空间使用的频率分配原则。甚高频波段UHF400/200MHz；L波段1.6/1.5GHz主要用于移动卫星通信、海事卫星业务；C波段6.0/4.0GHz，主要用于固定卫星业务和专用卫星业务、VSAT网络等；X波段8.0/7.0GHz，主要用于固定卫星业务；Ku波段14.0/11.0GHz，主要用于VSAT网络、卫星电视广播、移动卫星通信等；Ka波段30.0/20.0GHz，主要用于VSAT网络、卫星电视广播。

 

十、 Cable Modem 线缆调制解调器

Cable Modem 通过使用与传送有线电视一样的同轴电缆实现了双向和高速的数据传输。

1 、工作方式：

与电话调制解调器类似，Cable Modem对于数据信号进行调制和解调。但是，Cable Modem包括了许多当今高速互联网业务而设计的功能。数据从网络到用户的传输称为“下流”，数据从用户到网络的传输称为“上流”。从用户的角度看，Cable Modem是一个64/256正交调幅QAM射频RF接收器，它能够在一个6MHz电缆信道中以30到40Mbit/s的速率传送数据。在一个局域网内一个Cable Modem可以被16个用户共享。

2 、Cable Modem和OSI模型

（1）物理层：分为下传流和上传流

下传数据流的信道是基于北美数字视频规范的包括以下特性：

64 和256正交调幅QAM；在电缆路线中与其他信号共同占用6MHz的频宽；可变长度的交叉支持，同时包括延时敏感和延时非敏感的数据业务；连续的串行比特流，没有默认的帧，提供物理层和介质访问控制层MAC的完全分离

上传数据流俯首是一个共享的信道，包括以下特性：

QPSK 和16QAM格式；数据速率从320Kbit/s到10Mbit/s；在CMTS控制下的灵活且可编程的Cable Modem；时分多种复用访问；支持固定长度的帧和可变长度的协议数据单元PDU。

数据链路层：MCNS MAC（MPEG帧）、IEEE802.2

 

十、数字用户线

数字用户线DSL是一项调制解调器技术，它利用现有的双绞电话线传输高带宽数据来为用户提供服务。

术语XDSL涵盖了许多类似但相互竞争的DSL形式，包括非对称的DSL（ADSL），单线DSL（SDSL）和高数据速率DSL（HDSL）、自适应速率DSL（RADSL）以及甚高速DSL（VDSL）。

1、  非对称数字用户线ADSL

它提供了下行带宽（从NSP的交换局到客户地点）比上行带宽（从客户地点到交换局）更宽。ADSL能以高于6Mbps/s的速率向用户传输数据，并且能够以高于640Kbit/s的速率在两个方面上同时传输数据。

2 、ADSL业务结构

组成：由用户终端设备CPE和位于ADSL接入点POP的支持设备组成。网络接入提供商NAP负责管理第二层的网络核心部分，而网络服务提供商NSP负责管理第三层的网络核心部分。

对向subtending： 可以把若干DSL接入复用器DSLAMs连接到一起以提高ATM管道的利用率。DSL接入复用器DSLAMs在本地相互连接或通]过交换局CO连接到本地接入集中点LAC，LAC能提供ATM业务疏导、PPP隧道以及访问本地内容或缓存内容的第三层终结。

3 、ADSL技术

ADSL 依靠先进的数字信号处理技术和创造性的算法，把大量的信息压缩到双绞电话线进行传输。