第四章广域网基本原理

1. 广域网与OSI参考模型
   

   

广域网技术主要对应于OSI参考模型的物理层和数据链路层，即TCP/IP模型的网络接入层。

广域网物理层规定了向广域网提供服务的设备、线路和接口的物理电气特性、机械特性、连接标准等。

常见的标准有：

支持同步/异步两种方式的V.24规程接口和支持同步方式的V.35规程接口；

支持E1/T1线路的G.703接口，E1用于欧亚，而T1多用于北美；

用于提供同步数字线路上的串行通信的X.21，主要用于日本和欧洲

数据在广域网上传输，必须封装成广域网能够识别和支持的数据链路层协议。广域网常见的数据链路层协议

HDLC

PPP

LAPB

帧中继

广域网连接方式

常用的广域网连接方式包括专线方式、电路交换方式、分组交换方式等。

专线方式：用户独占一条永久性、点对点、速率固定的专用线路，并独享带宽。

电路交换方式：用户设备之间的连接是按需建立的。当用户需要发送数据时，运营商交换机就在主叫端和被叫端之间接通一条物理的数据传输通路；当用户不在发送数据时，运营商交换机即切断传输通路。

分组交换方式：这是一种基于运营商分组交换机网络的交换方式。用户设备将需要传输的信息划分为一定长度的分组（packet）提交给运营商分组交换机，每个分组都载有接收方和发送方的地址标识，运营商分组交换机依据这些地址标识将分组转发到目的端用户发送。

专线方式和电路交换方式都属于点对点方式，分组交换可以实现点到多点通信。

点到点广域网技术介绍

专线连接模型

在专线（Leased Line）方式的连接模型中，运营商通过其通信网络中的传输设备和传输线路，为用户配置一条专用的通信线路。两端的用户路由器串行接口通过几米至十几米长的本地线缆练级到CSU/DSU，而CSU/DSU通过几百米至上千米的接入线路接入运营商传输网络。本地线缆通常我v.24、v.35等串行线缆，而接入线路通常为传统的双绞线。专线可以是数字的，例如直接利用运营商电话网的数字传输通道；也可以是模拟的，例如直接利用一对电话铜线经运营商跳接连接两端。

  路由器的串行线路信号必须经过CSU/DSU设备的调制转换才能在专线上传输。CSU时把终端用户和蹦迪数字电话环路相连的数字接口设备，而DSU把DTE设备上的物理层接口适配到通信网络上。DSU    也负责信号时钟等功能，它通常与CSU一起提及，称作CSU/DSU.

通信设备的物理接口可分为DCE和DTE两类：

DCE（Data Circuit-terminating Equipment 数据电路终止设备）：DCE设备对用户端提供接受网络通信服务的接口，并且提供用于同步DCE设备和DTE设备之间数据传输的时钟信号。

DTE（Data Terminal Equipment 数据终端设备）：指接受线路时钟，获得网络通信服务的设备。DTE设备通常通过CSU/DSU连接到传输线路上，并且使用其提供的时钟信号。

在专线模型中，线路的速率由运营商确定，因而CSU/DSU的DCE设备，负责向DTE设备发送时钟信号，控制传输速率等；而用户路由器通常为DTE设备，接受DCE设备提供的服务。

在专线方式中，用户独占一条永久性、点对点、速率固定的专用线路，并独享其带宽。这种方式部署简单，通信可靠，可以提供的带宽范围比较广，传输延迟小；但其资源利用率低，费用昂贵，且点对点的结构不够灵活。

电路交换连接模型

用户路由器通过串口线缆连接到CSU/DSU,而CSU/DSU通过接入线路连接到运营商的广域网交换机上，从而接入电路交换网络。最典型的电路交换网络有PSTN(Public Switched Telephone Network 公共交换电话网络)和ISDN（Integrated Service Digital Network 综合业务数字网络）

PSTN:我们日常使用的电话网，这种系统使用电路交换技术，个每一个通话分配一个专用的语音通道，语音以模拟的形式在PSTN用户回路上传输，并最终形成数字信号在运营商中继线路上远程传输。路由器通过MODEM（Modulator-Demodulator，调制解调器）连接到PSTN接入线路---普通电话线上。PSTN在办公场所几乎无处不在，它的优点是安装费用低，分布广泛易于部署，缺点是最高带宽仅有56Kbps，且信号容易受到干扰。

ISDN：一种以拨号方式接入的数字通信网络。ISDN通过独立的D信道传送信令，通过专用的B信道传送用户数据。ISDN BRI提供2B+D信道，每个B信道速率为64Kbps，其速率最高可达到128Kbps；ISDN T1 Pri提供23B+D,而ISDN E1 PRI提供30B+D信道。路由器通过独立或内置的TA(Terminal Adaptor 终端适配器)接入ISDN网络。ISDN具有连接迅速、传输可靠、带宽较高等优点。ISDN话费叫普通电话略高，但其双B信道使其能同时支持两路独立的应用，是一项对个人或小型办公室较适合的网络接入方式。

电路交换方式中，用户设备之间的连接是按需建立的。当用户需要发送数据时，运营商的广域网交换机就在主叫端和被叫端之间接通一条物理的数据传输通路；当用户不在发送数据时，广域网交换机即切断传输通路。

电路交换方式适用于临时性、低带宽的通信，可以降低其费用；缺点是连接延迟大，带宽通常较小。

常用接口和线缆

在典型的点到点连接方式下，从终端用户的角度来抗，可见的部分通常包括路由器串口（serial interface）、串口线缆、CSU/DSU、接入线缆和接头等。

路由器支持的WAN接口类型种类很多，包括异步串口、AUX接口、AM接口、FCM接口、同异步串口、ISDN BRI接口、CE1/PRI接口、CT1/PRI接口、CE3接口、CT3接口、ATM接口等等。串口是最基本而最常用的一种。路由器通常通过串口连接到广域网，接受广域网服务。

 串口的工作方式分为异步（asynchronous）和同步（synchronous）两种。某些串口既可以支持异步方式，也可以支持同步方式。同步串口可以工作于DTE和DCE两种方式下，通常情况下同步串口为DTE方式。异步串口可以工作于协议模式和流模式。异步串口外接Moderm或ISDN TA时可以作为拨号接口使用。在协议模式下，链路层协议可以为PPP。

路由器串口与CSU/DSU通过串口线缆连接起来。串口线缆的一端与路由器串口匹配；另一端与CSU/DSU的接口匹配。常见的串口线缆标准有V.24、V.35、X.21、RS-232、RS-449、RS-530等。根据其物理接口的不同，线缆也分为DTE和DCE两种。路由器使用DTE线缆连接CSU/DSU。设备可以自动检测同步串口外接电缆类型，并完成电气特性的选择，一般情况下无需手工配置。

CSU/DSU通过一条接入线缆接入到运营商网络。这条线缆的末端通常为屏蔽或非屏蔽双绞线，插入CSU/DSU的通常为RJ-11或RJ-45接头。

常见的路由器串口线缆有：

V.24

V.35线缆

ISDN BRI

X.21

RS-449

RS-530

链路层协议

在点到点连接中，链路层协议通常运行于端系统之间

常用链路层协议包括HDLC、PPP、SLIP、SDLC等

分组交换广域网技术介绍

在分组交换方式中，用户路由器通过接入线路连接到运营商分组交换机上。运营商分组交换网络负责将用户按需或永久性地建立点到点虚电路（Virtual Circuit VC）。每个用户路由器可以利用一个物理接口通过多条虚电路连接到多个对端路由器。用户设备将需要传输的信息划分为一定的长度的分组（packet）提交给运营商分组交换机，每个分组都载有接收方和发送方的地址标识，运营商分组交换机依据这些地址标识通过虚电路将分组转发到目的端用户设备。

用户接入线路使用与同步专线完全相同的连接方式，其工作方式与点到点同步专线完全相同。用户所见的物理层与点到点同步方式也无区别。可以认为用户路由器是通过同步专线连接到分组交换机的。

这种方式的结构灵活、迁移方便，费用比专线低；缺点是配置复杂，传输延迟较大。常见的分组交换有帧中继（Frame Relay）和ATM（Asynchronous Transfer Mode 异步传输模式）。

分组交换方式使用的典型技术包括X.25、帧中继和ATM

• X.25 一种出现较早的分组交换技术。内置的差错纠正、流量控制和丢包重传机制使之具有高度的可靠性，适于长途高噪声线路，但由此带来的副效应是速度慢、吞吐率很低、延迟大。早期X.25的最大速率仅为有限的64Kbps，使之可提供的业务非常有限；1992年ITU-T更新了X.25标准，使其传输速度可高达2Mbps。随着线路传输质量的日趋稳定，X.25可高可靠性已不再具有必要。

• 帧中继（Frame Relay）是在X.25基础上发展起来的较新技术。帧中继在数据链路层用简化的方法转发和交换数据单元，相对于X.25协议，帧中继只完成链路层的核心功能，简单而高效。帧中继取消了纠错功能，简化了信令，中间节点的延迟比X.25小得多。帧中继的帧长度可变，可以方便地适应网络中的任何包或帧，提供了对用户的透明性。帧中继速率较快，可从64Kbps到2Mbps。但是，帧中继容易受到网络拥塞的影响，对于时间敏感的实时通信没有特殊的保障措施，当线路受到干扰时将引起包的丢弃。

• ATM(Asynchronous Transfer Mode异步传输模式)是一种基于信元（Cell）的交换技术，其最大特点是速率高、延迟小、传输质量有保障。ATM大多采用光纤作为传输介质，速率可高达上千兆，但成本也很高。ATM同时支持多种数据类型，可以用于承载IP数据包。

在分组交换方式中，用户路由器同样运行相应的分组交换协议，并且与负责接入的分组交换机建立和维护数据链路；IP包被封装在分组交换网络的PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）内，穿越分组交换网络到达目的用户路由器。