第6章广域网 第6章广域网 基本要求：了解广域网的特点、服务类型及实现方式：了解常见的广域网设备：了解 若干典型的广域网协议和技术，包括PPP、ISDN、ATM、帧中继和SDH技术等。 本章难点：无 教学时数与实验：3一4学时，无实验。 上一章我们学习了关于局域网的知识，本章将介绍有关广域网技术的知识。广域网是 一个地理覆盖范围超过局域网的数据通信网络。如果说局域网技术主要是为实现共享资源 这个目标而服务，那么广域网则主要是为了实现广大范围内的远距离数据通信，因此广域 网在网络特性和技术实现上与局域网存在明显的差异。 6.1广域网概述 6.1.1广域网的特点 与局域网相比，广域网的特点非常明显。首先是广域网的地理覆盖范围至少在上百公 里以上，远远超出局域网通常为几公里到几十公里的小覆盖范围：其次，如前所述，局域 网主要是为了实现小范围内的资源共享而设计的，而广域网则主要用于互连广泛地理范围 内的局域网：第三，局域网通常采用基带传输方式，而广域网为了实现远距离通信通常要 采用载波形式的频带传输或光传输。第四，与局域网的私有性不同，广域网通常是由公共 通信部门来建设和管理的，他们利用各自的广域网资源向用户提供收费的广域网数据传输 服务，所以其又被称为网络服务提供商，用户如需要此类服务需要向广域网的服务提供商 提出申请：第五，在网络拓扑结构上，广域网更多的采用网状拓扑，其原因在于广域网由 于其地理覆盖范围广，因此网络中两个节点在进行通信时，数据一般要经过较长的通信线 路和较多的中间节点，这样以来中间节点设备的处理速度、线路的质量以及传输环境的噪 声都会影响广域网的可靠性，采用基于网状拓扑的网络结构，可以大大提高广域网链路的 容错性。 6.1.2广域网服务的实现模型 当用户向服务提供商申请广域网服务时，需要购买一些连接广域网所需的基本设备
第 6 章 广域网 1 第 6 章 广域网 基本要求：了解广域网的特点、服务类型及实现方式；了解常见的广域网设备；了解 若干典型的广域网协议和技术，包括 PPP、ISDN、ATM、帧中继和 SDH 技术等。 本章难点：无 教学时数与实验：３－４学时，无实验。 上一章我们学习了关于局域网的知识，本章将介绍有关广域网技术的知识。广域网是 一个地理覆盖范围超过局域网的数据通信网络。如果说局域网技术主要是为实现共享资源 这个目标而服务，那么广域网则主要是为了实现广大范围内的远距离数据通信，因此广域 网在网络特性和技术实现上与局域网存在明显的差异。 6.１ 广域网概述 6.1.1 广域网的特点 与局域网相比，广域网的特点非常明显。首先是广域网的地理覆盖范围至少在上百公 里以上，远远超出局域网通常为几公里到几十公里的小覆盖范围；其次，如前所述，局域 网主要是为了实现小范围内的资源共享而设计的，而广域网则主要用于互连广泛地理范围 内的局域网；第三，局域网通常采用基带传输方式，而广域网为了实现远距离通信通常要 采用载波形式的频带传输或光传输。第四，与局域网的私有性不同，广域网通常是由公共 通信部门来建设和管理的，他们利用各自的广域网资源向用户提供收费的广域网数据传输 服务，所以其又被称为网络服务提供商，用户如需要此类服务需要向广域网的服务提供商 提出申请；第五，在网络拓扑结构上，广域网更多的采用网状拓扑，其原因在于广域网由 于其地理覆盖范围广，因此网络中两个节点在进行通信时，数据一般要经过较长的通信线 路和较多的中间节点，这样以来中间节点设备的处理速度、线路的质量以及传输环境的噪 声都会影响广域网的可靠性，采用基于网状拓扑的网络结构，可以大大提高广域网链路的 容错性。 6.1.2 广域网服务的实现模型 当用户向服务提供商申请广域网服务时，需要购买一些连接广域网所需的基本设备
计算机网络技术 图6.1给出了实现广域网服务的一般模型，图中相关设备和术语的说明如下： ·用户端设备CPE(customer premises equipment):物理上放置在用户一侧的设备， 包括属于用户的设备或服务提供商放置在用户侧的设备。 ● 分界(demarcation):在CPE的前端，本地环路开始的地方，通常CPE也就是用户 接入所在地。 本地环路(1 ocal loop):从分界到服务提供商中心局的线路。 中心局交换机(Central office switch):是由广域网服务提供商提供的，离用户 最析的局瑞交换机 长途网络(Tol11 network):广域网服务提供商用来实现长途传输的通信网络，通 常由成组的交换机和中继设备组成。 中心交换机 用户端设备 广楼供 ⑤⑤斥地 点斐资隆接路 图6.1广域网服务的实现模型 6.1.3常见广域网设备 常贝的广域网设备包括路由器、广域网交换机、调制解调翠和通信服务婴等，如图6.2 所示。路由器是属于网络层的互连设备，其可以实现不同网络之间的互连，关于路由器的 工作原理我们将在下一章中详细的介绍。在广域网中路由器主要是用来实现LAN与WAN的 互连或AN和WAN的互连。广域网交换机与局域网中所用的以太网交换机一样，都属于数 据链路层的多端口存储转发设备，只不过广域网交换机实现的是广域网数据链路层协议帧 的转发。在实际应用中，广域网交换机有不同的种类，如帧中继交换机、X25交换机等。 作为广域网DCE设备的调制解调器是一种实现数字和模拟信号转换的设备，当数据通过电 话网络进行传输时，发送与接收双方就需要安装相应的调制解调器，如I$D网络中用到的 TANT1设备等。通信服务器主要用来对广域网用户进行身份合法性的验证并提供服务策略。 Gron 何 路由器 宽霜姿损机 调制解调署 通信服务器 图62常见广域网设备
2 计算机网络技术 图 6.1 给出了实现广域网服务的一般模型，图中相关设备和术语的说明如下： z 用户端设备 CPE(customer premises equipment)：物理上放置在用户一侧的设备， 包括属于用户的设备或服务提供商放置在用户侧的设备。 z 分界(demarcation)：在 CPE 的前端，本地环路开始的地方，通常 CPE 也就是用户 接入所在地。 z 本地环路(local loop)：从分界到服务提供商中心局的线路。 z 中心局交换机(Central office switch)：是由广域网服务提供商提供的，离用户 最近的局端交换机。 z 长途网络(Toll network)：广域网服务提供商用来实现长途传输的通信网络，通 常由成组的交换机和中继设备组成。 S S S S S S 点到点或电路 交换连接 本地环路 用户端设备 中心交换机 广域网服务提供商 分界 的长途网络 图 6.1 广域网服务的实现模型 6.1.3 常见广域网设备 常见的广域网设备包括路由器、广域网交换机、调制解调器和通信服务器等，如图 6.2 所示。路由器是属于网络层的互连设备，其可以实现不同网络之间的互连，关于路由器的 工作原理我们将在下一章中详细的介绍。在广域网中路由器主要是用来实现 LAN 与 WAN 的 互连或 WAN 和 WAN 的互连。广域网交换机与局域网中所用的以太网交换机一样，都属于数 据链路层的多端口存储转发设备，只不过广域网交换机实现的是广域网数据链路层协议帧 的转发。在实际应用中，广域网交换机有不同的种类，如帧中继交换机、X.25 交换机等。 作为广域网 DCE 设备的调制解调器是一种实现数字和模拟信号转换的设备，当数据通过电 话网络进行传输时，发送与接收双方就需要安装相应的调制解调器，如 ISDN 网络中用到的 TA/NT1 设备等。通信服务器主要用来对广域网用户进行身份合法性的验证并提供服务策略。 路由器 广域网 调制解调器 宽带交换机 通信服务器 图 6.2 常见广域网设备
第6章广域网 6.1.4常见广域网服务类型和带宽 广域网服务按其实现方式的不同可分为专线服务、线路交换服务和包交换服务。专线 服务方式可以为用户提供永久的专用连接，这种服务不管用户是否有数据在线路上传送都 要为专线付租用费，故又被称为和用线。靠的连接性能和相对较高的和用费伸得去线一 般用于WAN的核心连接中或LAN和LAW之间的长期固定连接。线路交换又称为电路交换， 这种服务方式在每次桶信时都要首先在网络中建立一条物理线路或车接，并在用户数据传 输完毕后要撒除或结束所建立的连接。传统的电话网络就属于典型的线路交换网络，而在 传统电话网络上实现的数字传输服务「SDN也是采用了线路交换那务。与线路交换服务不同， 包交换服务是将待传输的数据分成若干个等长或不等长的数据传输单元来进行独立传输的 一种服务方式。在包交换网络中，网络线路为不同的数据包或帧所共享，交换设备为这些 包或帧选择一条合适的路径将其传送到目的地。若信道没有空闲，则交换设备可以将待转 发的数据包或数据帧暂时缓存起来。我们下面要介绍的帧中继和ATM都属于包交换服务的 范畴。图6.3给出了包交换服务的简单示意，图中利用了三台广域网交换机同时为节点1 和节点2、节点2和节点3之间提供了数据包传输服务。 广域网 节点1 88 D CE 广网交换机 节点2 图6.3关于包交换服务的示意 广域网根据实现技术的不同，可以提供从K到G数量级的不同传输带宽。表6.1给出 了常见的广域网传输带宽，其中传输速率最低的为传统电话线上实现的广域网服务，只有 56K,而在基于光纤实现的广域网中，0C-192的传输速率可达到近10G。 表6.1典型的广域网传输带宽
第 6 章 广域网 3 6.1.4 常见广域网服务类型和带宽 广域网服务按其实现方式的不同可分为专线服务、线路交换服务和包交换服务。专线 服务方式可以为用户提供永久的专用连接，这种服务不管用户是否有数据在线路上传送都 要为专线付租用费，故又被称为租用线。可靠的连接性能和相对较高的租用费使得专线一 般用于 WAN 的核心连接中或 LAN 和 LAN 之间的长期固定连接。线路交换又称为电路交换， 这种服务方式在每次通信时都要首先在网络中建立一条物理线路或连接，并在用户数据传 输完毕后要撤除或结束所建立的连接。传统的电话网络就属于典型的线路交换网络，而在 传统电话网络上实现的数字传输服务 ISDN 也是采用了线路交换服务。与线路交换服务不同， 包交换服务是将待传输的数据分成若干个等长或不等长的数据传输单元来进行独立传输的 一种服务方式。在包交换网络中，网络线路为不同的数据包或帧所共享，交换设备为这些 包或帧选择一条合适的路径将其传送到目的地。若信道没有空闲，则交换设备可以将待转 发的数据包或数据帧暂时缓存起来。我们下面要介绍的帧中继和 ATM 都属于包交换服务的 范畴。图 6.3 给出了包交换服务的简单示意，图中利用了三台广域网交换机同时为节点 1 和节点 2、节点 2 和节点 3 之间提供了数据包传输服务。 节点1 节点2 节点3 D C E 广域网 D C E 广域网交换机 图 6.3 关于包交换服务的示意 广域网根据实现技术的不同，可以提供从 K 到 G 数量级的不同传输带宽。表 6.1 给出 了常见的广域网传输带宽，其中传输速率最低的为传统电话线上实现的广域网服务，只有 56K，而在基于光纤实现的广域网中，OC-192 的传输速率可达到近 10G。 表 6.1 典型的广域网传输带宽
计算机网络技术 线路类型 信号标准 传输速率 56 DSO 56kbps 64 DSO 64kbps T1 DS1 1.544Mbps E1 ZM 2.048Mbps E3 M3 34.064Mbps 1 Y1 2 048Mbns T3 DS3 44.736Mbps 0C.1 SoNET 51.84Mbps 0C-3 SONET 155.54Mbps 0C-9 SONET 466.56Mbps 0C-12 SONET 622.08Mbps 0C-18 SONET 933.12Mbps 0C-24 SONET 1244.16Mbps 0C-36 SONET 1866.24Mbps 0C-48 SONET 2488.32Mbps 6.1.5广域网与0Sl模型 广域网主要工作于0SI模型的下三层，即物理层、数据链路层和网络层，图6.4给出 了广域网和0SI参考模型之间的关系。但是，由于目前网络层普遍采用了P协议，所以广 域网技术或标准主要关注物理层和数据链路层的功能及其实现，并且不同广域网技术的差 异就在于它们在物理层和数据链路层实现方式的不同。 第三层 第三层 二层 第二 第一目 第一层 MDEM 第一层第一层 路由器 DCE设备 DCE设备 DTE设备 图6.4广域网和OS参考模型之问的关系 广域网的物理层协议主要描述如何面向广域网的服务提供电气、机械、规程和功能特 性，包括定义DTE和DCE设备的接口（关于DTE和DCE设备我们在第3章中曾经给予了介 绍)。在广域网中，用户端用于连入广域网的路由器设备即属于DTE设备，而调制解调器则 属于DCE设备。 广域网的数据链路层则是定义了数据如何进行帧的封装以通过广域网链路传输到远程 节点。我们在数据链路层一章所介绍的HDLC协议就是一个IS0标准的数据链路层协议。 上面我们已经对广域网技术作了简单的概述，下面我们将介绍一种在广域网中常用的 协议以及一些典型的广域网技术
4 计算机网络技术 线路类型 信号标准 传输速率 56 DS0 56kbps 64 DS0 64kbps T1 DS1 1.544Mbps E1 ZM 2.048Mbps E3 M3 34.064Mbps J1 Y1 2.048Mbps T3 DS3 44.736Mbps OC-1 SONET 51.84Mbps OC-3 SONET 155.54Mbps OC-9 SONET 466.56Mbps OC-12 SONET 622.08Mbps OC-18 SONET 933.12Mbps OC-24 SONET 1244.16Mbps OC-36 SONET 1866.24Mbps OC-48 SONET 2488.32Mbps 6.1.5 广域网与 OSI 模型 广域网主要工作于 OSI 模型的下三层，即物理层、数据链路层和网络层，图 6.4 给出 了广域网和 OSI 参考模型之间的关系。但是，由于目前网络层普遍采用了 IP 协议，所以广 域网技术或标准主要关注物理层和数据链路层的功能及其实现，并且不同广域网技术的差 异就在于它们在物理层和数据链路层实现方式的不同。 广域网 第三层 第二层 第二层 第一层 第一层 第三层 第二层 第二层 第一层 第一层 路由器 路由器 DTE设备 DCE设备 DCE设备 DTE设备 MODEM MODEM 图 6.4 广域网和 OSI 参考模型之间的关系 广域网的物理层协议主要描述如何面向广域网的服务提供电气、机械、规程和功能特 性，包括定义 DTE 和 DCE 设备的接口（关于 DTE 和 DCE 设备我们在第 3 章中曾经给予了介 绍）。在广域网中，用户端用于连入广域网的路由器设备即属于 DTE 设备，而调制解调器则 属于 DCE 设备。 广域网的数据链路层则是定义了数据如何进行帧的封装以通过广域网链路传输到远程 节点。我们在数据链路层一章所介绍的 HDLC 协议就是一个 ISO 标准的数据链路层协议。 上面我们已经对广域网技术作了简单的概述，下面我们将介绍一种在广域网中常用的 协议以及一些典型的广域网技术
第6章广域网 6.2 PPP PPpP是点对点协议(Point--to-Point Protocol)的简称，它是一个工作于数据链路层的 广域网协议。PpP由IETF(Internet Engineering Task Force)开发，目前己被广泛使用 并成为国际标准。PPP为路由器到路由器、主机到网络之间使用串行接口进行点到点的连接 提供了0SI第二层的服务。例如同学们所熟悉的利用MODEM进行拨号上网(163、169、165 等)就是使用PPP实现主机到网络连接的典型例子。 PPP作为第二层的协议，在物理上可使用各种不同的传输介质，包括双纹线、光纤及无 线传输介质，在数据链路层提供了一套解决链路建立、维护、拆除和上层协议协商、认证 等问题的方案：在顿的封装格式上，PPP采用的是一种DLC的变化形式：其对网络层协议 的支持则包括了多种不同的主流协议，如IP和IPX等。图6.5给出了PPP的体系结构，其 中，链路控制协议LCP(Link Control Protocol)用于数据链路连接的建立、配置与测试， NCP(Network Control Protocols)则是一组用来建立和配置不同的网络层协议。 IP 第三层协议 其它 网络层 网络控制协议 认证、其他功能 数据链路层 链路控制协议 同步/异步 传输介质 物理层 图6.5PPP的体系结构 PPP的连接一般要经历链路建立、链路质量协商、网络层协议选择和链路拆除四个阶段， 在链路建立阶段主要是通过发送LCP的帧来对链路进行相关的配置，包括数据的最大传输 单元、是否采用PPP的压缩、PPP的认证方式等；链路质量协商阶段作为一个可选的阶段主 要用于对链路质量进行测试，以确定其能否为上层所选定的网络协议提供足够的支持，另 外若连接的双方己经要求采用安全认证，则在该阶段还要按所选定的认证方式进行相应的 身份认证：在网络层协议洗择阶段，桶过发送NC卫包来洗择网络层协议并讲行相应的配置， 不同的网络层协议要分别进行配置：在第三个阶段完成后，一条完整的PPP链路就建立起 来了，从而可在所建立的PPP链路上进行数据传输。任何时候只要用户请求断开连接或者 由于链路故障，PPP的连接都会被终止即进入链路拆除阶段。 需要说明的是，尽管PP的验证是一个可选项，但一旦选择了采用身份验证，则其必 在网络协层协议阶段之前进行。有两种类型的PPP验证，即PAP(Password Authentication Protocol)与CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)方式。PAP采用的是 一种两次握手方式，远程节点提供用户名与密码，由本地节点提供身份验证的确认或拒绝
第 6 章 广域网 5 6.2 PPP PPP 是点对点协议(Point-to-Point Protocol)的简称，它是一个工作于数据链路层的 广域网协议。PPP 由 IETF (Internet Engineering Task Force)开发，目前已被广泛使用 并成为国际标准。PPP 为路由器到路由器、主机到网络之间使用串行接口进行点到点的连接 提供了 OSI 第二层的服务。例如同学们所熟悉的利用 MODEM 进行拨号上网(163、169、165 等)就是使用 PPP 实现主机到网络连接的典型例子。 PPP 作为第二层的协议，在物理上可使用各种不同的传输介质，包括双绞线、光纤及无 线传输介质，在数据链路层提供了一套解决链路建立、维护、拆除和上层协议协商、认证 等问题的方案；在帧的封装格式上，PPP 采用的是一种 HDLC 的变化形式；其对网络层协议 的支持则包括了多种不同的主流协议，如 IP 和 IPX 等。图 6.5 给出了 PPP 的体系结构，其 中，链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)用于数据链路连接的建立、配置与测试， NCP(Network Control Protocols)则是一组用来建立和配置不同的网络层协议。 数据链路层 PPP I P I P X 第三层 协议 IPCP IPXCP 其 它 网络控制协议 认证、其他功能 链路控制协议 同步/异步 传输介质 物理层 网络层 图 6.5 PPP 的体系结构 PPP 的连接一般要经历链路建立、链路质量协商、网络层协议选择和链路拆除四个阶段。 在链路建立阶段主要是通过发送 LCP 的帧来对链路进行相关的配置，包括数据的最大传输 单元、是否采用 PPP 的压缩、PPP 的认证方式等；链路质量协商阶段作为一个可选的阶段主 要用于对链路质量进行测试，以确定其能否为上层所选定的网络协议提供足够的支持，另 外若连接的双方已经要求采用安全认证，则在该阶段还要按所选定的认证方式进行相应的 身份认证；在网络层协议选择阶段，通过发送 NCP 包来选择网络层协议并进行相应的配置， 不同的网络层协议要分别进行配置；在第三个阶段完成后，一条完整的 PPP 链路就建立起 来了，从而可在所建立的 PPP 链路上进行数据传输。任何时候只要用户请求断开连接或者 由于链路故障，PPP 的连接都会被终止即进入链路拆除阶段。 需要说明的是，尽管 PPP 的验证是一个可选项，但一旦选择了采用身份验证，则其必 在网络协层协议阶段之前进行。有两种类型的 PPP 验证，即 PAP(Password Authentication Protocol)与 CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)方式。PAP 采用的是 一种两次握手方式，远程节点提供用户名与密码，由本地节点提供身份验证的确认或拒绝