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第5章 广域网没有外部连接的局域网就像一个信息孤岛。不论是企业需要将自己分布在各地的分支机构的局域网连接起来，还是将一个LAN连接到Internet上，我们都需要将LAN连接到WAN上。5.1 计算机网络的一般组成从通信网络组成的观点来分析，构成计算机网络的基本要素有终端设备、传输链路和交换设备。1终端设备它是网中的源点和终点，它将信息变成易于在网络信道中传输的信号，并参与通信。2. 传输链路它是网络中各节点之间的连接媒介，也是信息的传输通路。它由传输媒介和各种通信装置组成，如MODEM、路由、网桥、交换机等。3. 交换设备它的基本功能应有交换、控制与管理以及执行三大方面。交换功能就是根据数据终端的要求与传输链路的转接能力，完成信源与信宿之间的接续转换；控制与管理就是进行通信流量的控制，选择中继路由和差错恢复等；执行就是指进行各种信息的通信与交换。5.2 广域网的主要协议计算机广域网的体系结构，一般遵循的是OSI的参考模型，因此，广域网遵循的也是OSI的主要协议。ISO组织将网络按其功能将OSI划分为7个功能层，每层都完成一特定功能。我们重点研究低3层协议。5.2.1 物理层物理层定义了在物理传输介质上传输原始的数据比特流，以及这些物理连接所应提供的关于机械的、电气的、功能的和规程的特性和手段。1. 物理层的功能 在DTE和DCE接口之间提供数据连接。 在设备之间提供控制信号和时钟信号，用以同步数据流和协调传输速率。 提供规范的机械连接器以完成匹配。2. 物理层接口分类物理层的接口一般分为两大类： 模拟线路中的接口，如RS-232和RS-449。 数字线路中的接口，如X.21等。3. RS-232接口DTE/DCE接口有很多不同的标准，其中重要的是美国电子工业协会（EIA）的RS-232（现称EIA/TIA232）标准。RS-232定义了计算机与调制解调器之间的接口。 机械特性机械特性符合ISO2110建议，25针插头/座，插头对应DTE，插座对应DCE。 电气特性电气特性符合V.28建议，信号电平与通常的TTL电平也不兼容，用3V电压表示二进制“1”，高于4V电压表示“0”，允许数据传输的最大速率为19.2Kbps，最长传输距离小于15米。 功能特性接口的功能一般分为四类：数据、控制、定时和接地。RS232的功能特性符合V.24建议，各脚的含义见P98。 规程特性RS232的规程特性符合V.24建议，它描述了接口电路之间的相互关系和操作要求。5.2.2 数据链路层协议“链路”是指一条无源的点到点物理线路，中间没有交换节点。“数据链路”则是指除了具备一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。链路只是硬件，而数据链路则包含了硬件和软件。这个软件就是数据链路层的协议。它就是用来规定如何实现数据在链路中可靠传输的规程。1. 数据链路层功能 链路管理主要解决链路的建立、拆除，以及控制数据传输方向等。其中包括字符的同步、地址的确认、收发关系的确立、最后一次传输的表示方法。 信息的传输在数据链路中，信息以帧为单位传送，为了正确地收发和识别帧，该层应解决帧格式、帧大小、帧同步、帧顺序编号以及区分是数据信息还是控制信息等。 流量与差错控制该层的控制功能应能调节信息的流量，以决定暂停、停止或继续发送，同时，还要配备一套检错纠错的规程。 异常情况处理对异常情况的处理主要用于发现和恢复永久性故障。2. 数据链路控制规程分类数据链路控制规程（DLCP：Data Link Control Procedure）应解决的主要技术有：数据编码格式，传输控制字符，报文格式，呼叫及应答方式，传输步骤，差错控制方式，通信方式，同步方式以及信息传输速率等。按照传输信息的基本单位，DLCP分两大类，一类叫面向字符型，另一类叫面向比特型。面向字符型传输控制规程是以字符作为传输基本单位。面向比特型控制规程则是以比特作为传输基本单位。3. HDLC传输控制规程面向比特型控制规程中，高级数据链路控制（HDLC）传输控制规程是ISO推出的国际标准，具有广泛的应用。 规程特性 传输单位是比特。 适用于任何链路结构。 采用同步方式传送数据，速率在2400bps以上。 采用连续发送方式，可连续发送几帧后才要求对方给予确认。 可靠性高。数据采用循环冗余校验。 传输透明性好。除了帧标志外，无其它专用控制字符，透明性好。 数据和控制信息均采用统一的“帧”格式。 帧结构数据链路上传送的完整信息组称为帧。如下图5.1。 标志字段（F）：是一个8bit序列，一字节，即01111110，表示帧的开始和结束。 地址字段（A）：完成寻址功能，8位，一字节。 信息字段（I）：所要传输的数据，通常为1000个bit。 帧检验（FCS）：占16bit ，二字节，作用是差错控制，采用CRC校验方式。 透明传输区间 校验区间标志 F地址A控制 C 信 息 INFO帧校验序列 FCS标志 F 图 5.1 统一的HDLC帧格式 控制字段：8bit。本段内容最丰富。控制字段可以将HDLC划分为三种不同类型的帧。当第一位为“0”时，该帧为信息帧，功能是执行信息传输；当第1,2位为“10”时，该帧为监控帧，用于传送监控命令及响应；当第1,2位为“11”时，该帧为无编号帧，功能有：不带信息编号的信息传输。5.2.3 网络层在OSI参考模型的七层体系结构中，下面三层被看做是通信子网，网络层以上部分称为资源子网。网络层就是高、低层协议之间的界面层。数据链路层完成的是点到点的协议，它只完成相邻节点的可靠通信。网络层则要完成多条链路的数据通过整个网络系统的交换。它把高层传送下来的数据打包，再进行必要的路由选择、差错控制、流量控制以及顺序检测等，使传输层的数据准确无误地照地址传送到目的地，并交给目的站传输层，完成端对端的数据传输。1. 网络层功能 将若干逻辑信道复用到一个单一数据链路上。 提供路由选择。 提供交换虚电路的连接。 提供有效的分组传输，包括顺序编号、分组的确认。 对通过DTE-DCE间的接口的分组进行差错及流量控制； 检测和恢复分组层的差错。2. 网络层提供的服务网络层提供两种服务： 面向连接服务在数据传输过程中，首先要建立连接，然后再数据传输，完毕链路拆除。它的特点是可靠性高，但传输效率不高。 面向无连接服务它的特点就是通信前无须建链，传输后也无须拆链。特点优点是传输效率高，但可靠性差一些。随着通信线路质量的不断提高，面向无连接的服务将会有越来越广阔的前景。3. 虚电路与数据报虚电路与数据报是分组交换方式提供的两类不同性质的服务。虚电路（VC：Virtual Circuit），是一种面向连接的服务，当建立连接时，先由发方发送一个呼叫请求分组，该分组中包含了主叫与被叫的全称网络地址，可以在收发双方的逻辑通道上建立一个连接，这个端对端的逻辑信道的组合就是虚电路。P103，图5.7就是一个虚电路传输的例子。虚电路有两类，一类是交换虚电路，它是通过呼叫临时建立的。另一类是永久虚电路，它是在两个特定用户间固定分配一条虚电路。该电路一旦建立，数据分组就沿着同一条电路顺序发送和接收。数据报提供的是面向无连接的服务，传输时不需要建立虚电路，每个分组都带有源地址和目的地址，沿不同通路并发到达接收端，在中间节点上每个分组都要进行路由选择。由于分组到达的顺序不同，接收端需要进行重新排序。P103，图5.8就是数据报传输的例子。采用数据报方式，网络的利用率高，传输延时小，但网络管理要复杂得多。 表 5.1 虚电路服务和数据报服务的比较 虚电路 数据报端对端连接要不要目的端地址仅连接时需要每个分组都需要分组顺序按序不保证端端差错控制和流控均由通信子网负责均由主机负责4. 路由选择（RS: Routing Select）在通信子网中，如果本地端和目的端不在同一个网络中，分组的整个发送过程就要经过多次转发，所以存在路径选择问题。路径选择过程就像是邮政系统对信件的分拣过程，被传送的报文分组就像是信件，上面标有报文号、分组号以及目标地址，网络节点就像是分拣机。所以，网络中每个节点都存放有一张事先确定好的路由表，该表给出从本节点到其它各节点的最短路由。分组报文从该节点发送时，可从表中选择最佳路径发送，这就是路由的原理。在实际运用中，网络节点上的路径选择不是固定不变的，路由的选择都有多种算法，有非自适应算法也有自适应算法，总而言之就是要让路由的选择处于最合理的状态。5. 流量控制（FC: Flow Control）所谓流量，是指网络中的通信量。网络中的流量控制类似于交通控制一样，如果不加限制，就会导致拥塞，造成网络死锁。流量控制就是要采用某种技术，有效地动态地分配网络资源，以对网络中的通信量进行均衡。它的目的在于提高网络中信息的传输速度，增大网络容量，以提高网络的可靠性。6网络层的协议目前应用最广的协议是国际电信联盟ITU-T的X.25。5.2.4 传输层传输层是衔接由物理层、数据链路层及网络层构成的通信子网和由会话层、表示层及应用层构成的资源子网之间的桥梁，起到了承上启下的作用。它使得高层不受下几层数据通信的影响，它也为两个端系统的会话层提供了一个可靠的报文传输服务。传输层的主要功能是建立、拆除和管理传输站，这种连接是会话实体之间的一种逻辑信道，同时，负责进行数据传输。5.2.5 高层高层是指会话层、表示层、应用层。由于高层协议在应用中的差别比较大，留待互联网中一并介绍。5.3 典型广域网5.3.1 公用分组交换网公用分组交换数据网是采用国际电信联盟电信标准ITU-T的x.25协议构建的网络，可作为不同类型计算机之间进行远距离数据传输的通信平台，可实现广域连接。1. x.25协议x.25协议是工作在公用数据网上，以分组方式工作的数据终端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）之间的接口。它包括了数据传输通路的建立、保持和释放，数据传输差错的控制和流量控制，确保用户数据安全地通过网络。x.25的层次结构有三层，对应于OSI七层模式的低三层，依次为物理层、数据链路层和分组层。物理层的协议是X.21；数据链路层的协议是LAPB；分组层采用了动态复用技术，可以将一条物理信道复用为多条逻辑信道，因此，可以向用户提供交换虚电路和永久虚电路的连接。2. X.25网络的基本原理它的原理是，先将要传输的信息分组，再以分组为单位存储转发。因为每个分组中都含有不同起点、终点的编号，所以可以采用多路复用技术，同时传输多对用户终端的数据，使传输效率明显提高。它还采用了CRC校验方式对分组进行检验；还采用了反馈重发方式以保证分组传输的可靠性；还采用滑动窗口控制流量等等。3. X.25网络特点公用分组交换网是为适应计算机远程通信而发展起来的先进通信手段。它可以满足不同速率、不同型号主机系统以及局域网之间的通信，实现资源共享，是数据通信的基础网，通信速率最高为64Kbps。5.3.2 数字数据网（DDN：Digital Data Network）数字数据网是利用数字信道传输数据信号的数字传输网络，其传输媒介有光缆、微波、卫星等。DDN可向用户提供端到端的全数字化传输信道，既可用于计算机远程通信，也可满足语音、图像等多媒体通信业务的服务。目前，DDN已被广泛应用于银行、证券、气象、文教等行业，适用于局域网和广域网的互连。DDN是较常见的租用专线。1. DDN网的工作原理DDN中传输的信息是全数字化的，它采用光纤、微波、和卫星等传输通道组成数字传输网，无须使用调制解调器，用户终端采用特殊的数字接口电路和数字交叉复用设备，可提供64Kbps、2048Kbps的半永久性连接的接口特性。DDN的网络结构由核心层（传输层）、接入层、用户接入层和用户层组成。 核心层它由节点设备和传输链路组成，这里节点设备指的是大型数字交叉连接设备，主要功能是对数据电路进行交叉连接，对数据电路进行调度和保护。 接入层它是指用户级的接入连接交叉设备，它实现本地数据电路的交叉连接，具有复用功能和接入功能。 用户接入层它是由接入节点设备和传输系统组成。 用户层它包括了不同的用户终端和各种不同的接入系统。2. DDN的特点 与模拟网络相比较，DDN采用全数字电路，可提供端到端的高速率、低时延和高质量的数据宽带传输服务。 与交换型网络相比较，DDN具有传输速率高、时延小、高度透明性、提供灵活的连接方式、网管简便等特点。DDN不具备交换功能，不受任何协议限制，是一个高度透明的中继系统。5.3.3 帧中继（FR: Fram relay）帧中继是从X.25分组通信技术演变而来的。它吸取了X.25 的优点，又改进了它的传输速率不足的问题。目前，在DS-3链路上的速率高达45Mbps，已被广泛应用于局域网的互连。很多大企业、银行在各地的分支机构进行局域网互连时都采用了帧中继连接。1. 帧中继的原理FR采用了可靠性很高的光纤线路，数据传输的误码率大大降低，可以认为帧在传输中基本不会出错，因而帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，这样，只需知道帧的目的地址就可进行中转发送，加快了中转速率，增加了网络的吞吐能力。2. 帧中继的特点 它将数据信息封装为帧形式进行发送。 采用丢弃出错帧的技术，使网络只侧重于传输，而将纠错留给终端，提高了传输效率。 采用虚电路技术，在一个物理连接上复用多个逻辑连接，减小了时延又提高了信道利用率。 帧中继的帧信息长度比分组长，最大可达1600字节，因此对突发性数据传输的适应能力强，如压缩的视频业务、WWW业务等。 采用灵活的接入方式，可以采用交换型虚拟连接也可以采用永久型虚拟连接。这样就能提供多种业务。 它以广域网为基础，并设计成能使LAN通过WAN互连。5.3.4 ATM技术异步转移模式（ATM）是一种主要的广域网技术，它吸取了分组交换的高效率和电路交换高可靠的特点，是一种快速分组交换。它以信元（cell）为基本交换单位，使用异步时分