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第6章 广 域 网
本章基本要求: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.
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的,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
广域网(WA N)是一个运行地域超过局域网的数据通信网络.广域网通常使用电信
运营商提供的数据链路在广域范围上访问网络带宽.广域网将位于各地的多个部分连接
起来,并与其他组织连接,与外部服务(比如数据库)连接以及与远程用户连接.广域
网通常可以传输各种各样的通信类型,比如语音,数据和视频.
广域网的主要特性包括:
广域网运行在超出局域网地理范围的区域内.
使用各种类型的串行连接来接入广泛地理领域内的带宽.
连接分布在广泛地理领域内的设备.
使用电信运营商的服务.
6.1.1 广域网设备
根据定义,广域网连接相隔较远的设备,这些设备包括如下几部分.
路由器(Router):提供诸如局域网互连,广域网接口等多种服务,包括LAN和
WA N的设备连接端口.
WA N交换机(Switch):连接到广域网带宽上,进行语音,数据资料及视频通信.
WA N交换机是多端口的网络设备,通常进行帧中继,X.25及交换百万位数据服
务(SMDS)等流量的交换.WA N交换机通常在OSI参考模型的数据链路层之下
运行.
调制解调器(Modem):包括针对各种语音级(Voice Grade)服务的不同接口,信
道服务单元/数字服务单元(CSU/DSU)是T1/E1服务的接口,终端适配器/网
络终结器(TA/NT1)是综合业务数字网(ISDN)的接口.
通信服务器(Communication Server):汇集拨入和拨出的用户通信.
6.1.2 广域网标准
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.
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1.物理层协议
物理层协议描述了如何为广域网服务提供电气,机械,操作和功能的连接到通信服
务提供商.广域网物理层描述了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(TCE)之间的接
口.连接到广域网的设备通常是一台路由器,它被认为是一台DTE.而连接到另一端的
设备为服务提供商提供接口,这就是一台DCE.
WA N的物理层描述了连接方式,WA N的连接基本上属于专用或专线连接,电路交
换连接,包交换连接等3种类型.它们之间的连接无论是包交换或专线还是电路交换,
都使用同步或异步串行连接.
许多物理层标准定义了DTE和DCE之间接口的控制规则,表6.1中列举了图6.1所
示的常用物理层标准和它们的连接器.
表6.1 广域网物理层标准
标 准 描 述
EIA/TIA-232
在近距离范围内,允许25针D连接器上的信号速度最高可达64 kbps,以前称RS-232,Cisco
设备支持此标准.在ITU-Tv.24规范中也是一样(在欧洲使用)
EIA/TIA-449
EIA-530
是EIA/TIA-232的高速版本(最高可达2 Mbps),它使用36针D连接器,传输距离更远,
也被称为RS-422或RS-423,Cisco设备支持此标准
EIA/TIA-612/613
高速串行接口(HSSI),使用50针D连接器,可以提供T3(45 Mbps),E3(34 Mbps)和同
步光纤网(SONET)STS-1(51.84 Mbps)速率的接入服务
V.35
用来在网络接入设备和分组网络之间进行通信的一个同步,物理层协议的ITU-T标准.V. 3 5
普遍用在美国和欧洲,其建议速率为48 kbps,Cisco设备支持此标准
X.21 用于同步数字线路上的串行通信ITU-T标准,它使用15针D连接器,主要用在欧洲和日本
2.数据链路层协议
在每个WA N连接上,数据在通过WA N链路前都被封装到帧中.为了确保验证协议
被使用,必须配置恰当的第2层封装类型.协议的选择主要取决于WA N的拓扑和通信设
备.WA N数据链路层定义了传输到远程站点的数据的封装形式,详见6.1.3小节.广域
网数据链路层协议描述了在单一数据路径上各系统间的帧传输方式.
3.网络层协议
著名的广域网网络层协议,有CCITT的X.25和TCP/IP协议中的IP等.
6.1.3 广域网帧封装格式
为了确保使用恰当的协议,必须在路由器配置适当的第2层封装.协议的选择需要
根据所采用的广域网技术和通信设备确定.
路由器把数据报以二层帧格式进行封装,然后传输到广域网链路.尽管存在几种不
同的广域网封装,但是大多数有相同的原理.这是因为大多数的广域网封装都是从高层
数据链路控制(HDLC)和同步数据链路控制(SDLC)演变而来的.尽管他们有相似的
结构,但是每一种数据链路协议都指定了自己特殊的帧类型,不同类型是不相容的.
默认情况下,Cisco路由器的串口封装使用HDLC协议.要使用其他封装,必须要手
动配置.封装协议的选择依赖于所使用的广域网技术和通信设备.通常的广域网协议有
以下几种:
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① 点对点协议(PPP):PPP是一种标准协议,规定了同步或异步电路上的路由器对
路由器,主机对网络的连接.
② 串行线路互连协议(SLIP,Serial Line Internet Protocol):SLIP是PPP的前身,
用于使用TCP/IP的点对点串行连接.SLIP已经基本上被PPP取代.
③ HDLC:HDLC标准是私有的,它是点对点,专用链路和电路交换连接上默认的
封装类型.HDLC是按位访问的同步数据链路层协议,它定义了同步串行链路上使用帧
标识和校验和的数据封装方法.当连接不同设备商的路由器时,要使用PPP封装(基于
标准).HDLC同时支持点对点与点对多点连接.
④ X.25/平衡式链路访问程序(LAPB):X.25是帧中继的原型,它指定LAPB为一
个数据链路层协议.LAPB是定义DTE与DCE之间如何连接的ITU-T标准,是在公用
数据网络上维护远程终端访问与计算机通信的.LAPB用于包交换网络,用来封装位于
X.25中第2层的数据报.X.25提供了扩展错误检测和滑动窗口的功能,原因是:X.25是
在错误率很高的模拟铜线电路上实现的.
⑤ 帧中继:帧中继是一种高性能的包交换式广域网协议,可以被应用于各种类型的
网络接口中.帧中继适用于更高可靠性的数字传输设备上.
⑥ AT M:AT M是信元交换的国际标准,在定长(53字节)的信元中能传输各种各
样的服务类型(如话音,音频,数据).AT M适于利用高速传输介质(如SONET).
⑦ Cisco/IETF:用来封装帧中继流量.Cisco定义的专属选项,只能在Cisco路由器
之间使用.
⑧ 综合业务数字网(ISDN):一组数字服务,可经由现有的电话线路传输语音和数
据资料.
最常用的两个广域网协议是HDLC和PPP,所有串行线路的封装共享一个公共的帧
格式,帧格式在第4章已经介绍过.
每种广域网连接类型使用一个第2层的协议来封装广域网链路的数据.为确保使用
正确的封装协议,必须为路由器的每个串行接口配置使用第2层封装类型.
6.1.4 广域网连接的选择
一般如图6.1所示,有两种类型的广域网连接可供选择:专线和交换连接.交换连接
可以是电路交换或者是分组交换. 图6.1 广域网连接
广域网
专线型 交换型
电路交换 分组/信元交换
基本电话服务
ISDN
X.25
帧中继
AT M交换式
多兆位数据服务
租用线路:
T1/E1线路
T3/E3线路
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1.专线连接与DDN接入
专线连接是一种租用线路的方式,提供全天候服务.专线通常用于传输数据资料,
语音,同时也可以传输视频图像.在数据网络设计中,专线通常提供主要网站或园区间
的核心连接或主干网络连接,以及LAN对LAN的连接.
一条专线线路是两个结点间的连续可用的点对点的链路.专用的全天候连接是由点
对点串行链路提供的.专线一般使用同步串行链路.进行专线连接时,每个连接都需要
路由器的一个同步串行连接端口,以及来自服务提供商的CSU/DSU(通道服务单元/数
字服务单元)和实际电路.通过CSU/DSU时可用的典型带宽可达2 Mbps(E1),最高能
提供高达45 Mbps(T3)和34 Mbps(E3)的带宽.而其数据链路层的各种封装方法提供
了使用者数据流量的弹性及可靠性.
CSU/DSU是一个数字接口装置(或两个分离的数字装置),用以适配和连接数据终
端设备(DTE)上的物理接口和电信运营商交换网络中的数据电路端接设备(DCE)(如
一个电信交换机)上相应的接口.CSU/DSU也为上述设备间的通信提供信号时钟.图6.2
显示了CSU/DSU在网络中的位置.
图6.2 专用串行连接中CSU/DSU的位置
线路一般都承载着高速的传输.考虑到建设和维护传输设备的费用,专线线路大多
数都是从电话公司或其他承载网租用的.因此专线线路一般指leased line(租用线路).
一条点对点专线利用承载网依据客户的需求预先建立了一条简单的广域网路径.专
线实际上并不是一条线路,而是通过承载网预先建立的一条交换式电路.因此,专线是
运营商依据客户自己的需求保留的一条电路.专线的私有性允许租用公司最大程度地利
用自己的广域网链接.目前,几乎所有的专线都是数字的.
如果网络需要提供实时的数据流,例如电子商务事务处理,高速专线是最能满足需
求的.
专线网络常用的典型连接技术如下:
56 kbps.
64 kbps.
T1(1.544 Mbps)美国标准.
E1(2.048 Mbps)欧洲标准.
E3(34.064 Mbps)欧洲标准.
CSU/DSU CSU/DSU
CSU/DSU CSU/DSU
EIA/TIA-232,EIA/TIA-449,
V. 3 5,X.21,EIA-530
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T3(44.736 Mbps)美国标准.
xDSL:一种新兴的正在不断发展的针对家庭使用的广域网技术.xDSL代表整个
DSL技术家族,包括:高数据速率(HDSL,high-bit-rate DSL);单线DSL(SDSL,
single-line DSL);非对称的DSL(ADSL,Asymmetric DSL);甚高速DSL(VDSL,
very-high-data-rate).带宽随着与电信公司设备之间距离的增加而减少,在离电信
公司设备近的地方,可达到最高速率51.84 Mbps.大多数情况下带宽低得多(从
几百kbps到几Mbps).xDSL费用中等而且正在下降.
SONET:一系列高速的物理层技术.设计是针对光纤的,但也可以运行在铜质电
缆上;可以实现在不同等级的光纤载波(OC)上,从51.84 Mbps(OC-1)到9952
Mbps(OC-192)的传输;通过波分复用可以实现高数据速率.SONET在互联网
骨干网上的使用非常广泛,但费用昂贵,不是连接家庭网络的技术.
路由器的同步串行连接使用如下标准连接到DCE(如CSU/DSU):
EIA/TIA-232(RS-232);
EIA/TIA-449;
V.35;
X.21;
EIA-530.
2.分组交换连接
又称包交换,它不依赖于承载网提供的专用的点对点线路,是让WA N中的多个网络
设备共享一条虚拟电路(Virtual Circuit)进行数据传输.实际上,数据报利用包含在包中
或帧头的地址进行路由而通过运营商网络从源传输到目的地.这意味着包交换式广域网
设备是可以被共享的,允许服务提供商通过一条物理线路,一个交换机来为多个用户提
供服务.一般来讲,用户通过一条专线,如T1或分时隙的T1,连接到包交换网络.
在包交换式网络中,提供商通过配置自己的交换设备产生虚拟电路(VC,Virtual
Circuit)来提供端到端连接.
帧中继,SMDS和X.25都属于包交换式的广域网技术.
包交换网络可以传输大小不一的帧(数据报)或大小固定的单元.一般最常见的包
交换网络类型为帧中继.
包交换式网络与点对点线路相比,提供给管理员的管理控制权限要少,而且网络带
宽也是共享的,但包交换提供了类似于专线的网络服务,并且其服务费用的开销一般比
专线要低.包交换网络类似于专线网络,通常工作在同步串行线路上,并且速率可以从
56 kbps到45 Mbps(T3级).当WA N连接速率与专线的速率接近时,使用包交换网络连
接对于两个较大的网络站点之间要求有较高的的链路使用率的环境是比较适宜的.
3.电路交换连接
在电路交换式网络中,专用物理电路只是为每一个通信对话临时建立的.交换式电
路由一个初始建立信号触发所建立.这个呼叫建立过程决定了呼叫ID,目的ID和连接
类型.当传输结束时,中断信号负责中断电路.
POST(异步串口连接)是最普通的电路交换技术.在使用电话服务的过程中,只有
呼叫时,电路才建立,但是一旦临时电路建立了,它是专门属于指定的呼叫的.尽管电
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路交换不如其他的广域网服务效益高,但是它比较常用,而且相对比较可靠.
交换式电路给移动办公和在家里办公的用户提供了接入到中枢结点或ISP的手段.
公司网络使用交换式电路作为备份连接,或给分公司作为主用链路来交换小的周期性的
流量.在这种方式中,路由器必须通过交换式电路来进行路由.
无论任何人,付长途电话费账单时,都知道如果交换式电路一直保持建立着,费用
是很高的.基于这个原因,连接交换式电路的路由器都配置成按需呼叫路由(DDR).配
置成DDR的路由器只有当检测到网络管理员预先定义的"感兴趣"的流量通过时才建立
呼叫.
典型的电路交换式链路有如下几种:
异步串口连接(POTS);
ISDN基本速率接口(BRI);
ISDN基群速率接口(PRI).
(1)异步串口线路
异步串口线路通过现有的电话网络提供了相对比较低价格的广域网服务.为了让数
字设备(如计算机和路由器)能使用模拟电话线,在线路的两端都需要调制解调器.调
制解调器能够把数字信号转换成通过电话公司本地中继异步传输的模拟信号.尽管这种
方法非常方便,但是调制解调器有一个很大的缺点:不提供高容量传输.目前的调制解
调器只能提供56 kbps甚至更低的传输速率.
因为调制解调器能把任何电话线,移动和家庭用户通过异步串行线路连接到公司网
络或ISP,所以利用调制解调器终端用户可以随意地建立和结束呼叫.
路由器可以使用异步串行线路利用DDR来对流量进行路由.路由器可以在传输端点
的工作站进行电路交换时启动和结束该动作.当路由器接收到远程网络的流量传输要求
时,便会建立电路,并正常传输流量.路由器会维护闲置计时器,而只有在接收到触发
性数据流量(触发性数据流量意味着路由器必须路由的流量)时才会重新设定此计时器.
如果路由器在闲置计时超过之前并未收到触发性数据流量,便会中断电路.同样,如果
接收到非触发性的数据流量且并未启动电路,路由器便会丢弃该流量.当路由器接收到
触发性数据流量时,则再启动新的电路.
DDR让用户可以在需要传输网络数据流时才进行标准的电话线路连接或ISDN连接.
DDR可能会比专线连接或多点连接等解决方案更便宜.
一些路由器接了大量的异步线路以接入大量的拨号用户.担当了呼入和呼出集中点
的路由器被称为接入服务器.
为了处理或接受异步串行呼叫,路由器至少要有一个异步串行接口,例如连接调制
解调器的辅助端口(AUX).
(2)ISDN线路
综合业务数字网络(ISDN)线路是典型的同步拨号线路,当有需要时才提供广域网
接入,而不是提供永久电路.与异步拨号线路相比,ISDN提供相对多的带宽;同时利用
一根数字电话线来传输数据,话音及其他的负载流量.ISDN通常与DDR(按需拨号)
一起应用来给那些SOHO应用,备份链路和负载分担等提供远程接入.
ISDN提供两种类型的服务:BRI和PRI.BRI有两个B信道来传输数据.另外一个
D信道用来发送呼叫建立和中断信号.当两个B信道一起都用于传输数据时,ISDN BRI
125
可以达到128 kbps的速率(比POTS最高速率的两倍还多).
对于PRI,用于北美和日本的T1有23个B信道.用于欧洲和其他地方的E1有30
个B信道.PRI也只使用一个D信道.
4.信元交换
信元交换服务(Cell-Switch Service)提供了一种专用连接交换技术,将数字化的数
据组织成信元单元,然后用数字信号技术将其在物理介质中传输.
信元交换服务最常用的有两种:异步传输模式(AT M,Asychronous Transfer Mode)
和交换式多兆比特数据服务(SMDS,Switched Multimegabit Data Service).各自的特征
如表6.2中的描述.
表6.2 信元交换服务
信元交换服务 描 述
AT M
与宽带ISDN密切相关;
正在成为一项日益重要的广域网技术,应用广泛并在不断增长;
使用长度很短的定长信元(53字节)来传输数据;
最大带宽是622 Mbps,支持更高速率的技术正在开发当中;
典型的传输介质包括双绞线对称电缆和光纤,费用高
SMDS
与AT M密切相关,通常用在城域网(MAN)中;
最大带宽为44.736 Mbps;
典型的传输介质包括双绞线对称电缆和光纤;
应用不很广,费用相对较高
5.拨号,电缆和无线服务
表6.3描述了包括拨号调制解调器(Dialup Modems),电缆调制解调器(Cable
Modems)以及地面和人造卫星的无线服务(Terrestrial and Satellite Wireless).
表6.3 拨号,电缆和无线服务
广域网服务 描 述
拨号调制解调器
(交换式模拟技术)
速度有限但是很通用;工作在现有的电话线上;最大带宽约为56 kbps;费用
低,应用仍然很广泛;典型介质为双绞电话线
电缆调制解调器
(共享式模拟技术)
将数据信号和有线电视信号放在同一条电缆上;在已经布有大量有线电视同轴
电缆的地区越来越流行;最大带宽能达到10 Mbps,但是带宽会随网段上用户的
增加而减少;与共享式局域网类似;费用较低;介质为同轴电缆
无线
不需要使用介质,存在多种无限的广域网链路,包括:
地面无线的带宽通常在11 Mbps,费用较低,通常要求视距,使用程度适中;
人造卫星可以为处于蜂窝电话网络中的用户和位置偏远,距离任何线缆都很
远的用户提供服务.
使用广泛,费用高
6.1.5 如何选择适当的广域网技术
每一种广域网线路类型都既有优点又有缺点,本节将讨论选择广域网服务时需要考
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虑的因素.
当选择广域网线路时,有许多因素需要考虑.主要是实用性,带宽和费用.在表6.4
中比较了多种类型广域网线路的应用情况.
表6.4 广域网线路汇总
连接类型 最大带宽 特 点
ISDN 128 kbps
ISDN BRI在两个B信道集成在一起时,提供128 kbps速率,适用于终端结
点和小的分支机构,也用于作为其他广域网连接的备份,数据和语音在一起
X.25 2 Mbps
一种老式的包交换技术,具有高可靠性特点.一般只适用于帧中继服务不
可用的地方
帧中继
最高可达44.736
Mbps
一般提供T1(1.544 Mbps)或更低的速率,利用共享的广域网设备.永久
虚电路(PVC)使得帧中继适用于远程办公结点
ATM 622 Mbps
高成本的信元交换技术,提供高吞吐量.作为广域网技术,适用于服务提
供商和对带宽要求敏感的应用
SMDS
1.544 Mbps和
44.736 Mbps
与AT M密切相关,通常用在城域网(MAN)中
T1,T3
1.544 Mbps和
44.736 Mbps
在电信中广泛应用
XDSL
(用户数字线)
384 kbps
DSL提供全天候的连接.一旦用户打开它们连接到DSL的电脑,就被连接
了.DSL技术有ADSL(非对称)和SDSL(对称)两种类型
SONET
(同步光纤网)
9952 Mbps 快速的光纤传输
Cable Modem
(电缆调制解调器)
10 Mbps
电缆调制解调器可以使用传输有线电视的同轴电缆进行双向的,高速的数
据传输
异步拨号 56 kbps
通过普通电话线来提供有限的带宽,但是具有高可用性.适用于家庭用户
和移动用户
地面无线 11 Mbps 微波和激光链路
人造卫星无线 2 Mbps 微波和激光链路
当选择一种广域网服务时,必须还要考虑其他比较重要的因素,包括可管理性,QoS,
可靠性等.
6.1.6 数据报和虚电路
从层次上看,广域网中的最高层就是网络层.网络层为接在网络上的主机提供的服
务可以有两大类,即无连接的网络服务和面向连接的网络服务.这两种服务的具体实现
就是通过所谓的数据报服务和虚电路服务.
虚电路常用于其服务方式为面向连接的子网中,因此,我们将在此范围内介绍虚电
路.虚电路的想法是避免对发送的每一个分组都必须进行路由选择.取而代之的方法是,
当建立连接时,从源端机器到目的端机器的路由就作为连接建立的一部分加以保存,此
路由用于传输连接上的所有数据,这与电话系统的工作原理完全一样.当释放连接时,
虚电路也随之撤销.
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与之相反,对于数据报通信子网,即使其服务方式是面向连接的,也不预先选择路
由.发出的每一个分组所选择的路由独立于其前面发出的分组,后续的分组可以走不同
的路由.虽然数据报通信子网必须做更多的工作,但它比虚电路式通信子网更健壮,更
容易处理传输失败和拥塞的数据.
虚电路和数据报都有其支持者与反对者.现在从两个角度来总结有关的争议.表6.5
总结了通信子网内部采用数据报和采用虚电路的不同之处.图6.3所示的为通信子网内部
的两种工作模式.
表6.5 数据报与虚电路子网的比较
项目类型 数据报子网 虚电路子网
电路设置 不需要 需要
地址 每个分组都有源端和目的端的完整地址 每个分组都含有一个短的虚电路号
状态信息 子网不存储状态信息 建立好的每条虚电路都有要求占用子网表空间
路由选择 对每个分组独立选择
当虚电路建好时,路由器就已确定,所有分组都经
过此路由器
路由器失
败的影响
除了在崩溃时全丢失分组外,无其他影响 所有经过失效路由器的虚电路都要被终止
拥塞控制 难
如果有足够的缓冲区分配给已经建立的每条虚电
路,则容易控制
图6.3 数据报和虚电路
在通信子网内部,虚电路和数据报之间有好几个需要权衡的因素.一个是路由器内
内存空间与带宽的权衡.虚电路允许分组含有虚电路号,而不是目标地址的完整地址.
如果分组很短,那么各分组中的完整地址会成为一个不小的负担,并浪费带宽.内部使
用虚电路的代价是在路由器中占用空间.考虑到通信电路与路由器存储空间的相对开销,
其中某一种通信方式可能会更合算些.
另一个因素是创建时间与地址分析时间开销的比较.使用虚电路方式有一个创建阶
段,并消耗资源.但是,要弄清数据分组在虚电路通信子网中如何运行却很简单,路由
器仅仅是利用虚电路号,就可在表索引中找出分组应发向何方.在数据报子网中,决定
分组去向的过程却很复杂.
在通信子网内部,虚电路有一些避免拥塞的优势,因为连接已建立起来的资源可以
提示保留下来.一旦分组开始到达,所需的带宽和路由器容量便已具有了.对于数据报
子网来说,避免拥塞则更困难.
对于事务处理系统,例如打电话验证信用卡购物的商店,需要建立和清除一条虚电
S
S
R
虚电路方式
发送站 接收站
R S
数据报方式
报文
R
128
路的额外开销可能会轻易地妨碍虚电路的使用.如果大多数通信量都是这样,子网内部
采用虚电路就毫无意义了.
值得明确指出的是,子网所提供的服务(面向连接的或无连接的)是与通信子网结
构(虚电路与数据报)相互独立的.
6.2 电话网
6.2.1 公用电话交换网
公用电话交换网(PSTN)是向公众提供电话通信服务的一种通信网.它是国家公用
通信基础设施之一,由国家电信部门统一建设,管理和运营.
根据地理范围,电话通信网可分为:国际长途电话网,国内长途电话网,本地电话
网以及用户延伸或补充设备.
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,例如电
报,传真,数据交换,可视图文等.
交换机是电话通信网的核心设备,有存储程序控制的交换机称为程控交换机,它将
各种控制功能,步骤,方法等编成程序,放入存储器,以此来控制交换机工作.如果传
输和交换的是模拟话音信号,则称为程控模拟交换机;如果传输和交换的是数字话音信
号,则称为程控数字交换机.
6.2.2 计算机交换分机
计算机交换分机(CBX,Computer Branch Exchange)是数字交换和电话交换系统两
种技术的结合,早先的CBX是一种专用交换机(PBX,Private Branch Exchange).PBX
是一种由某个组织所有或租用的办公室设备,它把设施内的电话线互连,并可访问公用
电话系统,通常是市内的电话用户拨三四个数码就能呼叫设施内的另一个电话.若拨一
个号码(通常是0或9)就听到接外线的拨号音,意味着允许呼叫者拨外线号码.
CBX中采用了几种新的方法:CBX能支持声音/数据工作站;电话用一对双绞线,
终端用两对双绞线,通常用电话而不是用终端或键盘来选择目的端口.
6.2.3 点到点通信
电话网络是分布最广的通信网络,经过调制解调器,能够传输9600 bps或更高速率
的数据.它使用起来相对简单,而且对用户来说可以有很大的流动性和灵活性.通过电
话网连接远程计算机特别适合家庭用户和出差人员与总部联络的情况.通过电话网传输
的主要问题在于电话话路质量,在话路质量较高的情况下可以有比较高的传输速率和可
靠的传输性能,而话路质量低会严重影响通信性能.
Internet是由众多的主机和路由器以及将它们连接在一起的通信基础设施构成.在一
个大楼里,人们广泛使用各种局域网,但大部分广域基础设施是借助于点到点的租用线路.
通常点到点的通信主要适用于两种情况:第一种情况是成千上万个组织有各种局域
网,每个局域网含有众多主机和一些连网设备以及连接至外部的路由器,通过点到点的
租用线路和远地路由器相连;第二种情况是成千上万个用户在家里使用调制解调器和拨
号电话线连到Internet,这是点到点连接的最主要应用.
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不论是路由器对路由器的租线连接,还是拨号的主机到路由器的连接,都需要制订
点到点的数据链路协议,用以组成帧,进行差错控制以及其他数据链路层功能.有两种
协议广泛用于Internet,即串行IP协议(SLIP,Serial Line IP)和点对点协议(PPP,Point
to Point Protocol).
1.SLIP协议
SLIP协议是1984年制定的,协议文本描述于RFC1055以及改进后的文本RFC1144,
协议十分简单.SLIP只是一个包组帧协议,仅仅定义了在串行线路上将数据包封装成帧
的一系列字符.它没有提供寻址,包类型标识,错误检查/修正或者压缩机制.
SLIP定义了两个特殊字符:END和ESC.END是OxCO(十进制数192),ESC是
OxDB(十进制数219).发送分组时,SLIP主机只是简单地发送分组数据.如果数据中
有一个字节与END字符的编码相同,就连续传输两个字节ESC和八进制数334(十进制
数220).如果与ESC字符相同,就连续传输两个字节ESC和OxDC(十进制数221).
当分组的最后一个字节发出后,再传送一个END字符.
虽然SLIP仍广泛被使用,但这种协议存在如下一系列问题:
① 这种协议无任何检错和纠错功能,对各种丢失分组或出错分组需要高层协议进行
处理. ② SLIP只支持IP分组,当Internet不断发展和扩大且包含很多非IP协议的网络时,
SLIP不适用.
③ 每一方都需要知道另一方的IP地址,且在设置时不能动态赋予IP地址.由于IP
地址的短缺,不可能给每个家庭用户一个固定IP地址,SLIP这个缺点就显得格外明显.
④ SLIP不提供任何身份验证,因此无法知道真正对话者的身份,这对拨号用户是一
个问题.
⑤ SLIP未被接受为Internet标准,因此有很多不同的版本存在,不易操作.
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.无论是同步电路还是异步电路,PPP协议都能够建立路由器之间或者主
机到网络之间的连接.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.
6.3 数字数据网(DDN)
6.3.1 DDN概述
数字数据网(DDN,Digital Data Network)是利用数字信道提供半永久性连接电路,
以传输数据信号为主的数据传输网络.通过该网络可为最终用户提供全程端到端数字数
据业务(是指为公用电信网内部用户提供点到点或点到多点数字专用电路).
DDN的传输媒介有光缆,数字微波,卫星信道以及用户端可用的普通电缆和双绞线.
利用数字信道传输数据信号与传统的模拟信道相比,具有传输质量高,速度快,带宽利
130
用率高等一系列优点.DDN向用户提供的是半永久性的数字连接,沿途不进行复杂的软
件处理,因此延迟较短,避免了分组网中传输时延大且不固定的缺点;DDN采用交叉连
接装置,可根据用户需要,在约定的时间内接通所需带宽的线路,信道容量的分配和接
续在计算机控制下进行,具有极大的灵活性.
DDN为用户提供专用电路,帧中继和压缩话音/G3传真和虚拟专用网等业务.具
有传输质量高,距离远,传输速率高,网络延迟小,无拥塞,透明性好,用户接入方便,
传输安全可靠,网络管理方便,适合高流量用户接入等优点.
6.3.2 DDN的组成
DDN主要以硬件为主,对应OSI模型的低3层.主要由四大部分组成:本地传输系
统,DDN结点,局间传输及网同步系统,网络管理系统.
1.本地传输系统
本地传输系统由用户设备和用户环路(包括用户线和网络接入单元)组成.用户设
备通常是数据终端设备(DTE),电话机,传真机,计算机等.用户线是一般市话用户电
缆.网络接入单元可为基带型或频带型,单路或多路复用传输设备等.
2.DDN结点
DDN结点的功能主要由两大部分组成:复用和交叉连接.DDN利用电信网的数字通
道工作,通常采用时分复用技术.
3.局间传输及网同步系统
局间传输及网同步系统由两部分组成:局间传输和同步时钟供给.局间传输是指结
点间的数字通道以及各结点通过与数字通道的各种连接方式组成的各种网络拓扑.在我
国,目前主要采用T1(2048 kbps)数字通道,少部分采用E1数字通道.同步时钟供给
则是由于DDN是一个同步数字传输网,为了保证全网所有设备同步工作,必须有一个全
国统一的同步方法来确保全网设备的同步.
4.网络管理系统.
对于一个公用的DDN来讲,网络管理至少包括:用户接入管理,网络资源的调度和
路由管理,网络状态的监控,网络故障的诊断,报警与处理,网络运行数据的收集与统
计,计费信息的收集与报告等.
6.3.3 DDN的网络结构
DDN的网络结构按网络的组建,运营,管理和维护的责任地理区域,可分为一级干
线网,二级干线网和本地网三级.各级网络应根据其网络规模,网络和业务组织的需要,
参照前面介绍的DDN结点类型,选用适当类型的结点,组建多功能层次的网络.可由2
Mbps结点组成核心层,主要完成转接功能;由接入结点组成接入层,主要完成各类业务
接入;由用户结点组成用户层,完成用户入网接口.
131
6.3.4 网络业务
DDN网络业务分为专用电路,帧中继和压缩话音/G3传真,虚拟专用网等业务.
DDN的主要业务是向用户提供中,高速率,高质量的点到点和点到多点数字专用电路(简
称专用电路);在专用电路的基础上,通过引入帧中继服务模块(FRM),提供永久性虚
电路(PVC)连接方式的帧中继业务;通过在用户入网处引入话音服务模块(VSM)提
供压缩话音/G3传真业务.在DDN上,帧中继业务和压缩话音/G3传真业务均可看做
在专用电路业务基础上的增值业务.压缩话音/G3传真业务可由网络增值,也可由用户
增值.
6.4 ISDN
综合业务数字网(Integrated Service Digital Network,简称ISDN)是基于现有的电话
网络来实现数字传输服务的标准,与后来提出的宽带ISDN相对应.传统的ISDN又被称
为窄带(Narrowed)ISDN即N-ISDN,简称ISDN.CCITT(现更名为国际电信联合会ITU)
将ISDN定义为:ISDN是由电话综合数字网(IDN)演变而来的,它向用户提供端到端
的连接,并支持一切话音,数字,图像,图形,传真等广泛业务.用户可以通过一组有
限的,标准的,多用途用户网络接口来访问这个网络获得相应的业务.根据上述定义,
可以归纳出ISDN的以下特性:以综合数字电话网(IDN)为基础发展而成的通信网;支
持端到端的数字连接,是一个全数字化的网络;支持各种通信业务;提供标准的用户/
网络接口,用户对ISDN的访问通过该接口完成.
ISDN又称"一线通",即可以在一条线路上同时传输语音和数据,用户打电话和上
网可同时进行.ISDN的出现,使Internet的接入方面产生了很大的效果,极大地加快了
Internet在我国的普及和推广速度.
6.4.1 ISDN的组成
ISDN的组成包括了许多终端,终端适配器(TA),网络终端设备(NT),线路终端
设备和交换终端设备.如图6.4所示,ISDN终端分为标准ISDN终端(TE1)和非标准
ISDN终端(TE2).TE1通过4根,2对数字线路连接到ISDN网络.TE2连接ISDN网
络要通过TA.网络终端也被分为网络终端1(NT1)和网络终端2(NT2)两种类型.图
6.4中,R,S,T,U等是ISDN组件之间的连接点,称为ISDN参考点.
图6.4 ISDN的基本组成
标准ISDN终端(TE1):TE1是符合ISDN接口标准的用户设备,如数字电话机,
G4传真机和可视电话终端等,接入S/T参考点.
非标准ISDN终端(TE2):TE2是不符合ISDN接口标准的用户设备,TE2需要
TE1 NT2
(PBX) NT1
ISDN交 换 机
ISDN
交 换 机
公用网络
或专用网络
TA TE2
UTS
R
132
经过终端适配器(TA)的转换,才能接入R参考点.
终端适配器(TA):完成适配功能,包括速率适配和协议转换等,使TE2能够接
入ISDN.
网络终端1(NT1):NT1是放置在用户处的物理和电器终端装置,它属于网络服
务提供商的设备,是网络的边界.通过U参考点接入网络,采用双绞线,距离可
达1000 m.
网络终端2(NT2):NT2又称为智能网络终端,如数字PBX,集中器等,它可以
完成交换和集中的功能.通过T参考点接入NT1.T参考点采用4线电缆.如果
没有NT2就是一个住宅系统,此时S和T可以合在一起,称S/T参考点.
6.4.2 ISDN和OSI模型
ISDN是由ITUT制定的一组跨越OSI模型的物理层,数据链路层,网络层的标准.
物理层:在ITUT的I.430中定义了对ISDN基本速率接口(BRI)的物理层规范.
在ITUT的I.431中定义了对ISDN基群速率接口(PRI)的物理层规范.
数据链路层:ISDN的数据链路层规范是以LAPD为基础的,在ITUT的Q.920和
ITUT Q.921中作了正式的描述.
网络层:ISDN网络层是在ITUT Q.930和Q.931中定义的.这两个标准结合在一
起,描述了用户到用户,电路交换和数据报交换连接的规范.
6.4.3 通路类型和接口结构
ISDN用户-网络接口中有两个重要因素,即通路类型和接口结构.通路是表示接口
信息传输的能力.通路根据速率,信息性质以及容量又可以分成几种类型,称为通路类
型.通路类型的组合称为接口结构,它规定了在这个结构上最大的数字信息传输能力.
1.通路类型
通路是提供业务用的具有标准传输速率的传输信道.在对承载业务进行标准化的同
时,需要相应地对用户-网络接口上的通路加以标准化.通路有两种主要类型,一种类型
是信息通路,为用户传输各种信息流;另一种是信令通路,它为了进行呼叫控制而传输
信令信息.根据CCITT建议,在用户/网络接口处向用户提供的通路有以下类型:
A通路:4 kbps,模拟电话使用.
B通路:64 kbps,供传递用户信息用.
C通路:8 kbps或16 kbps,用于数字通信.
E28通路:用于ISDN内部信令传输的64 kbps数字信道.
D通路:16 kbps或64 kbps,供传输信令和分组数据使用.
H0通路:384 kbps,供传递用户信息用(如立体声节目,图像和数据等).
H11通路:1536 kbps,供传递用户信息用(如高速数据传输,会议电视等).
H12通路:1920 kbps,供传递用户信息用(如高速数据传输,图像和会议电视等).
通常使用的是B信道和D信道.B信道只传输用户信息,可用于电路交换,分组交
换和半永久交换.D信道主要用于传输电路交换的信令信息,还可以用于传输分组交换
数据.
133
2.接口结构
已经标准化的ISDN用户-网络接口有两类,一类是基本速率接口,另一类是一次群
速率接口.
(1)基本接口(BRI)
基本接口是把现有电话网的普通用户线作为ISDN用户线的接口,它是ISDN最常用,
最基本的用户-网络接口.它由两个B通路和一个D通路(2B+D)构成.B通路的速率
为64 kbps,D通路的速率为16 kbps.所以用户可以利用的最高信息传输速率是
64×2+16=144 kbps.
这种接口是为最广大的用户使用ISDN而设计的.它与用户线二线双向传输系统相配
合,可以满足千家万户对ISDN业务的需求.使用这种接口,用户可以获得各种ISDN的
基本业务和补充业务.BRI用于小容量系统,如声音,数据工作站等.
(2)一次群速率接口(PRI)
一次群速率用户-网络接口的结构根据用户对通信的不同要求可以有多种安排.一种
典型的结构是nB+D.n的数值对应于2.048 Mbps和1.544 Mbps的基群,分别为30或23.
在此,B通路和D通路的速率都是64 kbps.这种接口结构,对于以NT2为综合业务用
户交换机的用户而言,是一种常用的选择.当用户需求的通信容量较大时(例如,大企
业或大公司的专用通信网络),一个一次群速率的接口可能不够使用.这时可以多装几个
一次群速率的用户-网络接口,以增加通路数量.在存在多个一次群速率接口时,不必在
每个一次群接口上分别设置D通路,可以让n个接口合用一个D通路.
那些需要使用高速率通路的用户可以采用不同于nB+D的接口结构.例如,可以采
用mH0+D,H11+D或H12+D等结构;还可以采用既有B通路又有H0通路的结构:
nB+mH0+D,这里m×6+n≤30或23.在可以合用其他接口上的D通路时,(m×6+n)可
以是31或24.
6.4.4 ISDN的应用
ISDN的作用是为用户提供一系列综合的业务,这些业务分为承载业务,用户终端业
务和补充业务三大类.所谓承载业务是指由ISDN网络提供的单纯的信息传输业务,其任
务是将信息从一个地方传输到另一个地方,在传输过程中对数据不进行任何处理.用户
终端业务指那些由网络和用户终端设备共同完成的业务,除了电话,可视图文,用户电报,
可视电话等业务外,ISDN主要用于接入Internet.个人用户使用Internet接入这项业务主要
是利用ISDN的远程接入功能,接入时采用拨号方式.企业用户则可以使用ISDN作为备
份线路,如远程办公室和中心办公室之间的备份线路,这样不但可以防止断线,同时还可
以分担主干线路的数据流量.用户补充业务是对承载业务和用户终端业务的补充和扩展,
它为用户提供更加完善和灵活的服务,如主叫用户线识别,被叫用户线识别,呼叫等待等.
6.5 分组交换网
6.5.1 什么是分组交换网
在传统的网络概念中,解决远程计算机连网的主要手段是通过租用电话线路,通过
134
调制解调器将数据信息转变成模拟信号,在公共交换电话网(PSTN,Public Switched
Telephone Network)上进行传输.
分组交换采用存储/转发交换技术,分组是交换处理和传输的对象.先将发信端发
送的数据分成固定长度的分组,然后在网络中经各分组交换机逐级"存储/转发",最终
到达收信终端.
分组交换是一种在距离相隔较远的工作站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.它的优点是出错少,线路利用率高.
分组交换数据网提供数据报和虚电路两种服务.
虚电路建立在X.25的第3层,在虚电路方式中,一次通信要经历建立虚电路,数据
传输和拆除虚电路3个阶段.一旦建立虚电路,则该虚电路不管有无数据传输都要保持
到虚电路拆除或因故障而中断.如果因故障而中断,则需重新建立虚电路,以继续未完
成的数据传输.
X.25提供以下两种虚电路服务.
(1)交换虚电路
交换虚电路类似于电话交换,即双方通信前要建立一条虚电路供数据传输,通信完
毕后要拆除这条虚电路,供其他用户使用.
(2)永久虚电路
永久虚电路可在两个用户之间建立永久的虚电路,用户间需要通信时无须建立连接,
可直接进行数据传输,如使用专线一样.
6.5.2 X.25标准
X.25是CCITT(现为ITU-U)制定的分组交换数据网标准,于1976年正式颁布作为
推荐标准.1977,1978,1980和1984年又进行过多次修正.
(1)X.25层次结构
X.25由3层组成,对应于ISO/OSI互连参考模型的低3层,如图6.5所示.
图6.5 X.25与OSI模型
① 物理层定义数据终端设备(DTE)(如计算机,智能终端,前端通信处理机等)
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
OSI模型
分组层
链路访问层
物理层
X.25
135
与数据电路终端设备(DCE)(如网络结点,分组交换机等)之间建立物理连接和维持物
理连接所必需的机械,电气,功能和规程.
② 链路访问层定义数据链路控制过程,即控制链路的操作过程和纠正通信线路的差
错.采用HDLC的子集LAP-B作为该层的标准.
③ 分组层定义DTE与DCE之间数据交换的分组格式和控制过程,包括多条逻辑信
道到一条物理连接的复用,分组流量控制和差错控制等.
(2)建立连接和拆除连接
建立和拆除虚电路连接时,发送方DTE先向本地DCE发出呼叫连接请求分组,DCE
选择合适的路径将该分组通过网络传输到接收方的DCE,并送给接收方DTE,接收方
DTE回送一个呼叫接收分组给发送方DTE,因此建立起虚电路后就可以传输数据了.数
据传输完毕后,一方DTE发出连接拆除分组给本地DCE,另一方DCE接收到该分组后,
发送一拆除指示分组给DTE,则双方DTE的连接就拆除了.
6.5.3 分组交换网的组成
X.25分组交换网由分组交换机,通信传输线路和用户接入设备组成.
1.分组交换机
分组交换机是分组交换网中最关键的设备,分为中间结点交换机和本地交换机.通
常,分组交换机具有以下主要功能:
① 提供各种业务支持.
② 进行路由选择和流量控制.
③ 提供多种协议互连,例如X.25,X.75等.
④ 提供网络管理,计费和统计等功能.
2.通信传输线路
通信传输线路分为分组交换机间的中继传输线路和用户传输线路.中继传输线路通
常使用n×64 kbps的数字信道.用户传输线路有模拟和数字两种形式,典型的模拟形式是
使用电话线加调制解调器,目前普通调制解调器的最大通信速率可达56 kbps.
3.用户接入设备
用户终端是X.25分组交换网的主要用户接入设备.用户终端设备分为分组型终端
(PT)和非分组型终端(NPT).其中,非分组型终端需要使用分组组装/拆装设备(PAD)
才能接入到分组交换网中.
6.6 帧中继
帧中继(Frame Relay,简称FR)是以X.25分组交换技术为基础,摒弃其中复杂的
检,纠错过程,改造了原有的帧结构,从而获得了良好的性能.帧中继的用户接入速率
一般为64 kbps～2 Mbps,局间中继传输速率一般为2 Mbps,34 Mbps,现已可达155 Mbps.
136
6.6.1 帧中继概述
帧中继技术继承了X.25提供的统计复用功能和采用虚电路交换的优点,但是简化了
可靠传输和差错控制机制,将那些用于保证数据可靠性传输的任务(如流量控制和差错
控制等)委托给用户终端或本地结点机来完成,从而在减少网络时延的同时降低了通信
成本.帧中继中的虚电路是帧中继包交换网络为实现不同DTE之间的数据传输所建立的
逻辑链路,这种虚电路可以在帧中继交换网络内跨越任意多个DCE设备或帧中继交换机.
虚电路为两个相互通信的DTE结点之间提供了面向连接的第2层服务.在帧中继网络中,
不同的虚电路由数据链路连接标识符(DLCI,Data-Link Connection Identifier)进行标识.
帧中继技术比较容易实现,主要用软件实现,不需过多的硬件投资.可以在X.25网
的基础上提供帧中继功能,也可以通过在DDN网上增加适当的模块提供帧中继的端口.
帧中继向高层提供虚电路服务方式,包括交换虚电路(SVC,Switched Virtual Circuits)
与永久虚电路(PVC,Permanent Virtual Circuits),所谓交换式虚电路是一种"临时"的
电路连接,它只有在双方需要通信时才建立,而永久性虚电路中的连接与双方是否需要
进行通信无关,或者说这种连接是"永久"存在的.在帧中继中,PVC是一种更为普遍
使用的方式.
从网络层次上看,相对于具有3层体系的X.25而言,帧中继网络只有物理层和链路
层两层,并对链路层功能进行了较大的调整.它将统计复用,数据交换,路由选择等功
能定义在数据链路层执行,取消了流量控制,纠错及确认等处理功能,并且数据交换以
帧为单位(故称为帧交换).通过这些简化措施,提高了网络性能,减少了网络时延.
一个典型的帧中继网络是由用户设备与网络交换设备组成,如图6.6所示.作为帧中
继网络核心设备的FR交换机其作用类似于我们前面讲到的以太网交换机,都是在数据链
路层完成对帧的传输,只不过FR交换机处理的是FR帧而不是以太帧.帧中继网络中的
用户设备负责把数据帧送到帧中继网络,用户设备分为帧中继终端和非帧中继终端两种,
其中非帧中继终端必须通过帧中继装拆设备(FRAD)接入帧中继网络.
图6.6 帧中继网络
6.6.2 帧中继的特点
帧中继具有许多的特点,首先,帧中继采用统计复用技术为用户提供共享的网络资
源,提高了网络资源的利用率.帧中继不仅可以提供用户事先约定的带宽,而且在网络
资源富裕时,允许用户使用超过预定值的带宽,而只用付预定带宽的费用.其次,帧中
继在OSI模型中仅实现物理层和链路层的核心功能,这样,大大简化了网络中各个结点
机之间的处理过程,有效地降低了网络时延.第三,帧中继提供了较高的传输质量.高
FR交换机
FR终端
LAN
FRAD
路由器
帧中继网络
FR交换机
FR交换机
FR交换机
137
质量的线路和智能化的终端是实现帧中继技术的基础,前者保证了传输中的误码率很低,
即使出现了少量的错误也可以由智能终端进行端到端的恢复.另外,在网络中还采取了
PVC管理和拥塞管理,客户智能化终端和交换机可以清楚了解网络的运行情况,不向发
生拥塞和已删除的PVC上发送数据,以避免造成信息的丢失,进一步保证了网络的可靠
性.第四,从网络实现角度看,帧中继只需对现有数据网上的硬件设备稍加修改,同时
进行软件升级就可以实现,操作简单,实现方便.
6.6.3 帧中继的应用
帧中继技术首先在美国和欧洲得到应用.帧中继的应用领域十分广泛,目前主要用
于LAN互连,图像传输和组建虚拟专用网等.我国的公用分组交换网和数字数据网
(DDN)都引入了帧中继技术.一般来说帧中继技术适用于以下情况:
当用户需要数据通信,其带宽要求为64 kbps～2 Mbps,而参与通信的各方多于两
个时,使用帧中继是一种较好的方案.
当数据业务量为突发性时,由于帧中继具有动态分配带宽的功能,选用帧中继可
以有效地处理突发性数据.
6.7 ATM
针对N-ISDN的不足,提出了一种高速传输网络,这就是宽带ISDN(Broadband
ISDN),即B-ISDN.B-ISDN的设计目标是以光纤为传输介质,以提供远远高于一次群
速率的传输信道,并针对不同的业务采用相同的交换方法,即致力于真正做到用统一的
方式来支持不同的业务.为此,一种新的数据交换方式即异步转移模式(Asynchronous
Transfer Mode,简称ATM)被提了出来.现在ATM作为关键技术被保留了下来并成为
高速广域网传输技术的重要基础.
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.固定长度的短信元可以充分利用信道的空闲带宽.
信元在统计时分复用的时隙中出现,即不采用固定时隙,而是按需分配,只要时隙空闲,
任何允许发送的单元都能占用.所有信元在底层采用面向连接方式传输,并对信元交换
采用硬件以并行处理方式去实现,减少了结点的时延,其交换速度远远超过总线结构的
交换机.
ATM网络系统由ATM业务终端,复用,交换,传输等部分组成,其结构如图6.7
所示.
图6.7 ATM的网络组成
其中,ATM交换机是ATM网络的核心,它采用面向连接的方式实现信元的交换.
AT M
终端
光纤
AT M
复用
AT M
交换机
AT M
交换机
AT M
复用
AT M
终端
光纤光纤
138
ATM主要具有下列优点:
ATM是以面向连接的方式工作的,大大降低了信元丢失率,保证了传输的可靠性.
由于ATM的物理线路使用光纤,误码率很低.
短小的信元结构使得ATM信头的功能被简化,并使信头的处理能基于硬件实现,
从而大大减少了处理时延.
采用短信元作为数据传输单位可以充分利用信道空闲,提高了带宽利用率.总之,
ATM的高可靠性和高带宽使得其能有效地传输不同类型的信息,如数字化的声
音,数据,图像等.
目前,ATM论坛定义的物理层接口有SDH STM-1,4,16,其数据传输速率分别可
达55.52 Mbps,662.08 Mbps,2488.32 Mbps.对应于不同信息类型的传输特性,如可靠
性,延迟特性和损耗特性等,ATM可以提供不同的服务质量来适应这些差别.
ATM是一种应用极为广泛的技术,在实际的应用中能够适应从低速到高速的各种传
输业务,可应用于视频点播(VOD),宽带信息查询,远程教育,远程医疗,远程协同办
公,家庭购物,高速骨干网等.
6.8 SDH技术
目前世界上主要有两种数字传输体系,一种为准同步数字体系(Plesiochronous Digital
Hierarchy,简称PDH),另一种为同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy,简称SDH).
SDH是一种基于光纤的传输网络,它具有传输速率高,传输带宽大等特点,SDH不
仅适用于光纤,也适用于微波和卫星传输,并且其网络管理功能大大增强,是目前广域
网中普遍采用的技术.
SDH技术与PDH技术相比有很多优点:
SDH具有统一的比特率,统一的接口标准,这为不同厂家设备间的互连提供了可
能.
SDH的网络管理能力比PDH大大加强.
SDH提出了自愈网的新概念,用SDH设备组成的带有自愈保护功能的环网,可
以在传输媒体主信号被切断时,自动通过自愈功能恢复正常通信;最后,SDH所
采用的字节复接技术,使网络中上下支路信号变得十分简单.
在SDH网络中被传输的对象叫做SDH帧.SDH帧以字节为基础(1个字节为8个
比特),由纵向9行和横向270×N列字节组成,称为STM-N,它是SDH规定的一套标准
化的信息结构等级,称为同步传输模块.其中最基本的模块是STM-1,对于更高等级的
STM-N信号的速率,可以从该基本速率的整数倍得出,表示方法也可以用基本速率的相
应倍数来表示,它们之间是4的整数倍的关系,如STM-4,STM-16,STM-64等.数据
传输时由左到右,由上到下顺序排成串行码流依次传输,传输一帧的时间为125 s,每
秒共传输8000帧,因此对STM-1而言,传输速率为8×9×270×8000=155.52 Mbps.类似
可以计算出STM-4,STM-16,STM-64等的速率,如表6.6中所列.
SDH体系允许各类信号经同步传输模块传输,特别是在电信网中已经存在的PDH体
系的2 Mbps,34 Mbps和140 Mbps信号.SDH为各种类型的信号规定了其纳入SDH传
输模块的方法.
139
C-11,C-12,C-3和C-4是标准容器,分别用来接收PDH的1.5 Mbps,2 Mbps,
34 Mbps以及140 Mbps的支路信号,完成速率适配等功能.
表6.6 SDH体系的速率
SDH体系 速 率
STM-1 155.520 Mbps
STM-4 622.08 Mbps
STM-16 2488.32 Mbps
STM-64 9953.28 Mbps
由于SDH是一种基于光纤的传输网络,因此它具有光纤本身所具有的许多优点.由
于SDH的良好性能,特别是它与WDM技术,ATM技术,IP over SDH等的结合,使得
SDH的作用越来越重要,成为信息高速公路的主要物理传输平台.
SDH和其他架构不同的是它的带宽很宽,SDH在国民经济建设中被广泛地使用,如
公用/专用市话网,长话网都普遍地采用SDH网络.在我国大部分中等以上城市都使用
SDH作为公用市话网的通信干线.除在市话网和长话网中的应用外,当前SDH还广泛应
用于有线电视网和Internet中.
习 题
1.广域网接入需要哪些网络设备或设施
2.ISDN如何定义以及有何特点
3.ISDN的两种基本速率服务指什么
4.简述ATM的特点,信元交换的好处是什么
5.简要介绍SDH的特点.
·上一篇：网络技术第6章 广 域 网
本章基本要求: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.
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的,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
广域网(WA N)是一个运行地域超过局域网的数据通信网络.广域网通常使用电信
运营商提供的数据链路在广域范围上访问网络带宽.广域网将位于各地的多个部分连接
起来,并与其他组织连接,与外部服务(比如数据库)连接以及与远程用户连接.广域
网通常可以传输各种各样的通信类型,比如语音,数据和视频.
广域网的主要特性包括:
广域网运行在超出局域网地理范围的区域内.
使用各种类型的串行连接来接入广泛地理领域内的带宽.
连接分布在广泛地理领域内的设备.
使用电信运营商的服务.
6.1.1 广域网设备
根据定义,广域网连接相隔较远的设备,这些设备包括如下几部分.
路由器(Router):提供诸如局域网互连,广域网接口等多种服务,包括LAN和
WA N的设备连接端口.
WA N交换机(Switch):连接到广域网带宽上,进行语音,数据资料及视频通信.
WA N交换机是多端口的网络设备,通常进行帧中继,X.25及交换百万位数据服
务(SMDS)等流量的交换.WA N交换机通常在OSI参考模型的数据链路层之下
运行.
调制解调器(Modem):包括针对各种语音级(Voice Grade)服务的不同接口,信
道服务单元/数字服务单元(CSU/DSU)是T1/E1服务的接口,终端适配器/网
络终结器(TA/NT1)是综合业务数字网(ISDN)的接口.
通信服务器(Communication Server):汇集拨入和拨出的用户通信.
6.1.2 广域网标准
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.
120
1.物理层协议
物理层协议描述了如何为广域网服务提供电气,机械,操作和功能的连接到通信服
务提供商.广域网物理层描述了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(TCE)之间的接
口.连接到广域网的设备通常是一台路由器,它被认为是一台DTE.而连接到另一端的
设备为服务提供商提供接口,这就是一台DCE.
WA N的物理层描述了连接方式,WA N的连接基本上属于专用或专线连接,电路交
换连接,包交换连接等3种类型.它们之间的连接无论是包交换或专线还是电路交换,
都使用同步或异步串行连接.
许多物理层标准定义了DTE和DCE之间接口的控制规则,表6.1中列举了图6.1所
示的常用物理层标准和它们的连接器.
表6.1 广域网物理层标准
标 准 描 述
EIA/TIA-232
在近距离范围内,允许25针D连接器上的信号速度最高可达64 kbps,以前称RS-232,Cisco
设备支持此标准.在ITU-Tv.24规范中也是一样(在欧洲使用)
EIA/TIA-449
EIA-530
是EIA/TIA-232的高速版本(最高可达2 Mbps),它使用36针D连接器,传输距离更远,
也被称为RS-422或RS-423,Cisco设备支持此标准
EIA/TIA-612/613
高速串行接口(HSSI),使用50针D连接器,可以提供T3(45 Mbps),E3(34 Mbps)和同
步光纤网(SONET)STS-1(51.84 Mbps)速率的接入服务
V.35
用来在网络接入设备和分组网络之间进行通信的一个同步,物理层协议的ITU-T标准.V. 3 5
普遍用在美国和欧洲,其建议速率为48 kbps,Cisco设备支持此标准
X.21 用于同步数字线路上的串行通信ITU-T标准,它使用15针D连接器,主要用在欧洲和日本
2.数据链路层协议
在每个WA N连接上,数据在通过WA N链路前都被封装到帧中.为了确保验证协议
被使用,必须配置恰当的第2层封装类型.协议的选择主要取决于WA N的拓扑和通信设
备.WA N数据链路层定义了传输到远程站点的数据的封装形式,详见6.1.3小节.广域
网数据链路层协议描述了在单一数据路径上各系统间的帧传输方式.
3.网络层协议
著名的广域网网络层协议,有CCITT的X.25和TCP/IP协议中的IP等.
6.1.3 广域网帧封装格式
为了确保使用恰当的协议,必须在路由器配置适当的第2层封装.协议的选择需要
根据所采用的广域网技术和通信设备确定.
路由器把数据报以二层帧格式进行封装,然后传输到广域网链路.尽管存在几种不
同的广域网封装,但是大多数有相同的原理.这是因为大多数的广域网封装都是从高层
数据链路控制(HDLC)和同步数据链路控制(SDLC)演变而来的.尽管他们有相似的
结构,但是每一种数据链路协议都指定了自己特殊的帧类型,不同类型是不相容的.
默认情况下,Cisco路由器的串口封装使用HDLC协议.要使用其他封装,必须要手
动配置.封装协议的选择依赖于所使用的广域网技术和通信设备.通常的广域网协议有
以下几种:
121
① 点对点协议(PPP):PPP是一种标准协议,规定了同步或异步电路上的路由器对
路由器,主机对网络的连接.
② 串行线路互连协议(SLIP,Serial Line Internet Protocol):SLIP是PPP的前身,
用于使用TCP/IP的点对点串行连接.SLIP已经基本上被PPP取代.
③ HDLC:HDLC标准是私有的,它是点对点,专用链路和电路交换连接上默认的
封装类型.HDLC是按位访问的同步数据链路层协议,它定义了同步串行链路上使用帧
标识和校验和的数据封装方法.当连接不同设备商的路由器时,要使用PPP封装(基于
标准).HDLC同时支持点对点与点对多点连接.
④ X.25/平衡式链路访问程序(LAPB):X.25是帧中继的原型,它指定LAPB为一
个数据链路层协议.LAPB是定义DTE与DCE之间如何连接的ITU-T标准,是在公用
数据网络上维护远程终端访问与计算机通信的.LAPB用于包交换网络,用来封装位于
X.25中第2层的数据报.X.25提供了扩展错误检测和滑动窗口的功能,原因是:X.25是
在错误率很高的模拟铜线电路上实现的.
⑤ 帧中继:帧中继是一种高性能的包交换式广域网协议,可以被应用于各种类型的
网络接口中.帧中继适用于更高可靠性的数字传输设备上.
⑥ AT M:AT M是信元交换的国际标准,在定长(53字节)的信元中能传输各种各
样的服务类型(如话音,音频,数据).AT M适于利用高速传输介质(如SONET).
⑦ Cisco/IETF:用来封装帧中继流量.Cisco定义的专属选项,只能在Cisco路由器
之间使用.
⑧ 综合业务数字网(ISDN):一组数字服务,可经由现有的电话线路传输语音和数
据资料.
最常用的两个广域网协议是HDLC和PPP,所有串行线路的封装共享一个公共的帧
格式,帧格式在第4章已经介绍过.
每种广域网连接类型使用一个第2层的协议来封装广域网链路的数据.为确保使用
正确的封装协议,必须为路由器的每个串行接口配置使用第2层封装类型.
6.1.4 广域网连接的选择
一般如图6.1所示,有两种类型的广域网连接可供选择:专线和交换连接.交换连接
可以是电路交换或者是分组交换. 图6.1 广域网连接
广域网
专线型 交换型
电路交换 分组/信元交换
基本电话服务
ISDN
X.25
帧中继
AT M交换式
多兆位数据服务
租用线路:
T1/E1线路
T3/E3线路
122
1.专线连接与DDN接入
专线连接是一种租用线路的方式,提供全天候服务.专线通常用于传输数据资料,
语音,同时也可以传输视频图像.在数据网络设计中,专线通常提供主要网站或园区间
的核心连接或主干网络连接,以及LAN对LAN的连接.
一条专线线路是两个结点间的连续可用的点对点的链路.专用的全天候连接是由点
对点串行链路提供的.专线一般使用同步串行链路.进行专线连接时,每个连接都需要
路由器的一个同步串行连接端口,以及来自服务提供商的CSU/DSU(通道服务单元/数
字服务单元)和实际电路.通过CSU/DSU时可用的典型带宽可达2 Mbps(E1),最高能
提供高达45 Mbps(T3)和34 Mbps(E3)的带宽.而其数据链路层的各种封装方法提供
了使用者数据流量的弹性及可靠性.
CSU/DSU是一个数字接口装置(或两个分离的数字装置),用以适配和连接数据终
端设备(DTE)上的物理接口和电信运营商交换网络中的数据电路端接设备(DCE)(如
一个电信交换机)上相应的接口.CSU/DSU也为上述设备间的通信提供信号时钟.图6.2
显示了CSU/DSU在网络中的位置.
图6.2 专用串行连接中CSU/DSU的位置
线路一般都承载着高速的传输.考虑到建设和维护传输设备的费用,专线线路大多
数都是从电话公司或其他承载网租用的.因此专线线路一般指leased line(租用线路).
一条点对点专线利用承载网依据客户的需求预先建立了一条简单的广域网路径.专
线实际上并不是一条线路,而是通过承载网预先建立的一条交换式电路.因此,专线是
运营商依据客户自己的需求保留的一条电路.专线的私有性允许租用公司最大程度地利
用自己的广域网链接.目前,几乎所有的专线都是数字的.
如果网络需要提供实时的数据流,例如电子商务事务处理,高速专线是最能满足需
求的.
专线网络常用的典型连接技术如下:
56 kbps.
64 kbps.
T1(1.544 Mbps)美国标准.
E1(2.048 Mbps)欧洲标准.
E3(34.064 Mbps)欧洲标准.
CSU/DSU CSU/DSU
CSU/DSU CSU/DSU
EIA/TIA-232,EIA/TIA-449,
V. 3 5,X.21,EIA-530
123
T3(44.736 Mbps)美国标准.
xDSL:一种新兴的正在不断发展的针对家庭使用的广域网技术.xDSL代表整个
DSL技术家族,包括:高数据速率(HDSL,high-bit-rate DSL);单线DSL(SDSL,
single-line DSL);非对称的DSL(ADSL,Asymmetric DSL);甚高速DSL(VDSL,
very-high-data-rate).带宽随着与电信公司设备之间距离的增加而减少,在离电信
公司设备近的地方,可达到最高速率51.84 Mbps.大多数情况下带宽低得多(从
几百kbps到几Mbps).xDSL费用中等而且正在下降.
SONET:一系列高速的物理层技术.设计是针对光纤的,但也可以运行在铜质电
缆上;可以实现在不同等级的光纤载波(OC)上,从51.84 Mbps(OC-1)到9952
Mbps(OC-192)的传输;通过波分复用可以实现高数据速率.SONET在互联网
骨干网上的使用非常广泛,但费用昂贵,不是连接家庭网络的技术.
路由器的同步串行连接使用如下标准连接到DCE(如CSU/DSU):
EIA/TIA-232(RS-232);
EIA/TIA-449;
V.35;
X.21;
EIA-530.
2.分组交换连接
又称包交换,它不依赖于承载网提供的专用的点对点线路,是让WA N中的多个网络
设备共享一条虚拟电路(Virtual Circuit)进行数据传输.实际上,数据报利用包含在包中
或帧头的地址进行路由而通过运营商网络从源传输到目的地.这意味着包交换式广域网
设备是可以被共享的,允许服务提供商通过一条物理线路,一个交换机来为多个用户提
供服务.一般来讲,用户通过一条专线,如T1或分时隙的T1,连接到包交换网络.
在包交换式网络中,提供商通过配置自己的交换设备产生虚拟电路(VC,Virtual
Circuit)来提供端到端连接.
帧中继,SMDS和X.25都属于包交换式的广域网技术.
包交换网络可以传输大小不一的帧(数据报)或大小固定的单元.一般最常见的包
交换网络类型为帧中继.
包交换式网络与点对点线路相比,提供给管理员的管理控制权限要少,而且网络带
宽也是共享的,但包交换提供了类似于专线的网络服务,并且其服务费用的开销一般比
专线要低.包交换网络类似于专线网络,通常工作在同步串行线路上,并且速率可以从
56 kbps到45 Mbps(T3级).当WA N连接速率与专线的速率接近时,使用包交换网络连
接对于两个较大的网络站点之间要求有较高的的链路使用率的环境是比较适宜的.
3.电路交换连接
在电路交换式网络中,专用物理电路只是为每一个通信对话临时建立的.交换式电
路由一个初始建立信号触发所建立.这个呼叫建立过程决定了呼叫ID,目的ID和连接
类型.当传输结束时,中断信号负责中断电路.
POST(异步串口连接)是最普通的电路交换技术.在使用电话服务的过程中,只有
呼叫时,电路才建立,但是一旦临时电路建立了,它是专门属于指定的呼叫的.尽管电
124
路交换不如其他的广域网服务效益高,但是它比较常用,而且相对比较可靠.
交换式电路给移动办公和在家里办公的用户提供了接入到中枢结点或ISP的手段.
公司网络使用交换式电路作为备份连接,或给分公司作为主用链路来交换小的周期性的
流量.在这种方式中,路由器必须通过交换式电路来进行路由.
无论任何人,付长途电话费账单时,都知道如果交换式电路一直保持建立着,费用
是很高的.基于这个原因,连接交换式电路的路由器都配置成按需呼叫路由(DDR).配
置成DDR的路由器只有当检测到网络管理员预先定义的"感兴趣"的流量通过时才建立
呼叫.
典型的电路交换式链路有如下几种:
异步串口连接(POTS);
ISDN基本速率接口(BRI);
ISDN基群速率接口(PRI).
(1)异步串口线路
异步串口线路通过现有的电话网络提供了相对比较低价格的广域网服务.为了让数
字设备(如计算机和路由器)能使用模拟电话线,在线路的两端都需要调制解调器.调
制解调器能够把数字信号转换成通过电话公司本地中继异步传输的模拟信号.尽管这种
方法非常方便,但是调制解调器有一个很大的缺点:不提供高容量传输.目前的调制解
调器只能提供56 kbps甚至更低的传输速率.
因为调制解调器能把任何电话线,移动和家庭用户通过异步串行线路连接到公司网
络或ISP,所以利用调制解调器终端用户可以随意地建立和结束呼叫.
路由器可以使用异步串行线路利用DDR来对流量进行路由.路由器可以在传输端点
的工作站进行电路交换时启动和结束该动作.当路由器接收到远程网络的流量传输要求
时,便会建立电路,并正常传输流量.路由器会维护闲置计时器,而只有在接收到触发
性数据流量(触发性数据流量意味着路由器必须路由的流量)时才会重新设定此计时器.
如果路由器在闲置计时超过之前并未收到触发性数据流量,便会中断电路.同样,如果
接收到非触发性的数据流量且并未启动电路,路由器便会丢弃该流量.当路由器接收到
触发性数据流量时,则再启动新的电路.
DDR让用户可以在需要传输网络数据流时才进行标准的电话线路连接或ISDN连接.
DDR可能会比专线连接或多点连接等解决方案更便宜.
一些路由器接了大量的异步线路以接入大量的拨号用户.担当了呼入和呼出集中点
的路由器被称为接入服务器.
为了处理或接受异步串行呼叫,路由器至少要有一个异步串行接口,例如连接调制
解调器的辅助端口(AUX).
(2)ISDN线路
综合业务数字网络(ISDN)线路是典型的同步拨号线路,当有需要时才提供广域网
接入,而不是提供永久电路.与异步拨号线路相比,ISDN提供相对多的带宽;同时利用
一根数字电话线来传输数据,话音及其他的负载流量.ISDN通常与DDR(按需拨号)
一起应用来给那些SOHO应用,备份链路和负载分担等提供远程接入.
ISDN提供两种类型的服务:BRI和PRI.BRI有两个B信道来传输数据.另外一个
D信道用来发送呼叫建立和中断信号.当两个B信道一起都用于传输数据时,ISDN BRI
125
可以达到128 kbps的速率(比POTS最高速率的两倍还多).
对于PRI,用于北美和日本的T1有23个B信道.用于欧洲和其他地方的E1有30
个B信道.PRI也只使用一个D信道.
4.信元交换
信元交换服务(Cell-Switch Service)提供了一种专用连接交换技术,将数字化的数
据组织成信元单元,然后用数字信号技术将其在物理介质中传输.
信元交换服务最常用的有两种:异步传输模式(AT M,Asychronous Transfer Mode)
和交换式多兆比特数据服务(SMDS,Switched Multimegabit Data Service).各自的特征
如表6.2中的描述.
表6.2 信元交换服务
信元交换服务 描 述
AT M
与宽带ISDN密切相关;
正在成为一项日益重要的广域网技术,应用广泛并在不断增长;
使用长度很短的定长信元(53字节)来传输数据;
最大带宽是622 Mbps,支持更高速率的技术正在开发当中;
典型的传输介质包括双绞线对称电缆和光纤,费用高
SMDS
与AT M密切相关,通常用在城域网(MAN)中;
最大带宽为44.736 Mbps;
典型的传输介质包括双绞线对称电缆和光纤;
应用不很广,费用相对较高
5.拨号,电缆和无线服务
表6.3描述了包括拨号调制解调器(Dialup Modems),电缆调制解调器(Cable
Modems)以及地面和人造卫星的无线服务(Terrestrial and Satellite Wireless).
表6.3 拨号,电缆和无线服务
广域网服务 描 述
拨号调制解调器
(交换式模拟技术)
速度有限但是很通用;工作在现有的电话线上;最大带宽约为56 kbps;费用
低,应用仍然很广泛;典型介质为双绞电话线
电缆调制解调器
(共享式模拟技术)
将数据信号和有线电视信号放在同一条电缆上;在已经布有大量有线电视同轴
电缆的地区越来越流行;最大带宽能达到10 Mbps,但是带宽会随网段上用户的
增加而减少;与共享式局域网类似;费用较低;介质为同轴电缆
无线
不需要使用介质,存在多种无限的广域网链路,包括:
地面无线的带宽通常在11 Mbps,费用较低,通常要求视距,使用程度适中;
人造卫星可以为处于蜂窝电话网络中的用户和位置偏远,距离任何线缆都很
远的用户提供服务.
使用广泛,费用高
6.1.5 如何选择适当的广域网技术
每一种广域网线路类型都既有优点又有缺点,本节将讨论选择广域网服务时需要考
126
虑的因素.
当选择广域网线路时,有许多因素需要考虑.主要是实用性,带宽和费用.在表6.4
中比较了多种类型广域网线路的应用情况.
表6.4 广域网线路汇总
连接类型 最大带宽 特 点
ISDN 128 kbps
ISDN BRI在两个B信道集成在一起时,提供128 kbps速率,适用于终端结
点和小的分支机构,也用于作为其他广域网连接的备份,数据和语音在一起
X.25 2 Mbps
一种老式的包交换技术,具有高可靠性特点.一般只适用于帧中继服务不
可用的地方
帧中继
最高可达44.736
Mbps
一般提供T1(1.544 Mbps)或更低的速率,利用共享的广域网设备.永久
虚电路(PVC)使得帧中继适用于远程办公结点
ATM 622 Mbps
高成本的信元交换技术,提供高吞吐量.作为广域网技术,适用于服务提
供商和对带宽要求敏感的应用
SMDS
1.544 Mbps和
44.736 Mbps
与AT M密切相关,通常用在城域网(MAN)中
T1,T3
1.544 Mbps和
44.736 Mbps
在电信中广泛应用
XDSL
(用户数字线)
384 kbps
DSL提供全天候的连接.一旦用户打开它们连接到DSL的电脑,就被连接
了.DSL技术有ADSL(非对称)和SDSL(对称)两种类型
SONET
(同步光纤网)
9952 Mbps 快速的光纤传输
Cable Modem
(电缆调制解调器)
10 Mbps
电缆调制解调器可以使用传输有线电视的同轴电缆进行双向的,高速的数
据传输
异步拨号 56 kbps
通过普通电话线来提供有限的带宽,但是具有高可用性.适用于家庭用户
和移动用户
地面无线 11 Mbps 微波和激光链路
人造卫星无线 2 Mbps 微波和激光链路
当选择一种广域网服务时,必须还要考虑其他比较重要的因素,包括可管理性,QoS,
可靠性等.
6.1.6 数据报和虚电路
从层次上看,广域网中的最高层就是网络层.网络层为接在网络上的主机提供的服
务可以有两大类,即无连接的网络服务和面向连接的网络服务.这两种服务的具体实现
就是通过所谓的数据报服务和虚电路服务.
虚电路常用于其服务方式为面向连接的子网中,因此,我们将在此范围内介绍虚电
路.虚电路的想法是避免对发送的每一个分组都必须进行路由选择.取而代之的方法是,
当建立连接时,从源端机器到目的端机器的路由就作为连接建立的一部分加以保存,此
路由用于传输连接上的所有数据,这与电话系统的工作原理完全一样.当释放连接时,
虚电路也随之撤销.
127
与之相反,对于数据报通信子网,即使其服务方式是面向连接的,也不预先选择路
由.发出的每一个分组所选择的路由独立于其前面发出的分组,后续的分组可以走不同
的路由.虽然数据报通信子网必须做更多的工作,但它比虚电路式通信子网更健壮,更
容易处理传输失败和拥塞的数据.
虚电路和数据报都有其支持者与反对者.现在从两个角度来总结有关的争议.表6.5
总结了通信子网内部采用数据报和采用虚电路的不同之处.图6.3所示的为通信子网内部
的两种工作模式.
表6.5 数据报与虚电路子网的比较
项目类型 数据报子网 虚电路子网
电路设置 不需要 需要
地址 每个分组都有源端和目的端的完整地址 每个分组都含有一个短的虚电路号
状态信息 子网不存储状态信息 建立好的每条虚电路都有要求占用子网表空间
路由选择 对每个分组独立选择
当虚电路建好时,路由器就已确定,所有分组都经
过此路由器
路由器失
败的影响
除了在崩溃时全丢失分组外,无其他影响 所有经过失效路由器的虚电路都要被终止
拥塞控制 难
如果有足够的缓冲区分配给已经建立的每条虚电
路,则容易控制
图6.3 数据报和虚电路
在通信子网内部,虚电路和数据报之间有好几个需要权衡的因素.一个是路由器内
内存空间与带宽的权衡.虚电路允许分组含有虚电路号,而不是目标地址的完整地址.
如果分组很短,那么各分组中的完整地址会成为一个不小的负担,并浪费带宽.内部使
用虚电路的代价是在路由器中占用空间.考虑到通信电路与路由器存储空间的相对开销,
其中某一种通信方式可能会更合算些.
另一个因素是创建时间与地址分析时间开销的比较.使用虚电路方式有一个创建阶
段,并消耗资源.但是,要弄清数据分组在虚电路通信子网中如何运行却很简单,路由
器仅仅是利用虚电路号,就可在表索引中找出分组应发向何方.在数据报子网中,决定
分组去向的过程却很复杂.
在通信子网内部,虚电路有一些避免拥塞的优势,因为连接已建立起来的资源可以
提示保留下来.一旦分组开始到达,所需的带宽和路由器容量便已具有了.对于数据报
子网来说,避免拥塞则更困难.
对于事务处理系统,例如打电话验证信用卡购物的商店,需要建立和清除一条虚电
S
S
R
虚电路方式
发送站 接收站
R S
数据报方式
报文
R
128
路的额外开销可能会轻易地妨碍虚电路的使用.如果大多数通信量都是这样,子网内部
采用虚电路就毫无意义了.
值得明确指出的是,子网所提供的服务(面向连接的或无连接的)是与通信子网结
构(虚电路与数据报)相互独立的.
6.2 电话网
6.2.1 公用电话交换网
公用电话交换网(PSTN)是向公众提供电话通信服务的一种通信网.它是国家公用
通信基础设施之一,由国家电信部门统一建设,管理和运营.
根据地理范围,电话通信网可分为:国际长途电话网,国内长途电话网,本地电话
网以及用户延伸或补充设备.
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,例如电
报,传真,数据交换,可视图文等.
交换机是电话通信网的核心设备,有存储程序控制的交换机称为程控交换机,它将
各种控制功能,步骤,方法等编成程序,放入存储器,以此来控制交换机工作.如果传
输和交换的是模拟话音信号,则称为程控模拟交换机;如果传输和交换的是数字话音信
号,则称为程控数字交换机.
6.2.2 计算机交换分机
计算机交换分机(CBX,Computer Branch Exchange)是数字交换和电话交换系统两
种技术的结合,早先的CBX是一种专用交换机(PBX,Private Branch Exchange).PBX
是一种由某个组织所有或租用的办公室设备,它把设施内的电话线互连,并可访问公用
电话系统,通常是市内的电话用户拨三四个数码就能呼叫设施内的另一个电话.若拨一
个号码(通常是0或9)就听到接外线的拨号音,意味着允许呼叫者拨外线号码.
CBX中采用了几种新的方法:CBX能支持声音/数据工作站;电话用一对双绞线,
终端用两对双绞线,通常用电话而不是用终端或键盘来选择目的端口.
6.2.3 点到点通信
电话网络是分布最广的通信网络,经过调制解调器,能够传输9600 bps或更高速率
的数据.它使用起来相对简单,而且对用户来说可以有很大的流动性和灵活性.通过电
话网连接远程计算机特别适合家庭用户和出差人员与总部联络的情况.通过电话网传输
的主要问题在于电话话路质量,在话路质量较高的情况下可以有比较高的传输速率和可
靠的传输性能,而话路质量低会严重影响通信性能.
Internet是由众多的主机和路由器以及将它们连接在一起的通信基础设施构成.在一
个大楼里,人们广泛使用各种局域网,但大部分广域基础设施是借助于点到点的租用线路.
通常点到点的通信主要适用于两种情况:第一种情况是成千上万个组织有各种局域
网,每个局域网含有众多主机和一些连网设备以及连接至外部的路由器,通过点到点的
租用线路和远地路由器相连;第二种情况是成千上万个用户在家里使用调制解调器和拨
号电话线连到Internet,这是点到点连接的最主要应用.
129
不论是路由器对路由器的租线连接,还是拨号的主机到路由器的连接,都需要制订
点到点的数据链路协议,用以组成帧,进行差错控制以及其他数据链路层功能.有两种
协议广泛用于Internet,即串行IP协议(SLIP,Serial Line IP)和点对点协议(PPP,Point
to Point Protocol).
1.SLIP协议
SLIP协议是1984年制定的,协议文本描述于RFC1055以及改进后的文本RFC1144,
协议十分简单.SLIP只是一个包组帧协议,仅仅定义了在串行线路上将数据包封装成帧
的一系列字符.它没有提供寻址,包类型标识,错误检查/修正或者压缩机制.
SLIP定义了两个特殊字符:END和ESC.END是OxCO(十进制数192),ESC是
OxDB(十进制数219).发送分组时,SLIP主机只是简单地发送分组数据.如果数据中
有一个字节与END字符的编码相同,就连续传输两个字节ESC和八进制数334(十进制
数220).如果与ESC字符相同,就连续传输两个字节ESC和OxDC(十进制数221).
当分组的最后一个字节发出后,再传送一个END字符.
虽然SLIP仍广泛被使用,但这种协议存在如下一系列问题:
① 这种协议无任何检错和纠错功能,对各种丢失分组或出错分组需要高层协议进行
处理. ② SLIP只支持IP分组,当Internet不断发展和扩大且包含很多非IP协议的网络时,
SLIP不适用.
③ 每一方都需要知道另一方的IP地址,且在设置时不能动态赋予IP地址.由于IP
地址的短缺,不可能给每个家庭用户一个固定IP地址,SLIP这个缺点就显得格外明显.
④ SLIP不提供任何身份验证,因此无法知道真正对话者的身份,这对拨号用户是一
个问题.
⑤ SLIP未被接受为Internet标准,因此有很多不同的版本存在,不易操作.
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.无论是同步电路还是异步电路,PPP协议都能够建立路由器之间或者主
机到网络之间的连接.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.
6.3 数字数据网(DDN)
6.3.1 DDN概述
数字数据网(DDN,Digital Data Network)是利用数字信道提供半永久性连接电路,
以传输数据信号为主的数据传输网络.通过该网络可为最终用户提供全程端到端数字数
据业务(是指为公用电信网内部用户提供点到点或点到多点数字专用电路).
DDN的传输媒介有光缆,数字微波,卫星信道以及用户端可用的普通电缆和双绞线.
利用数字信道传输数据信号与传统的模拟信道相比,具有传输质量高,速度快,带宽利
130
用率高等一系列优点.DDN向用户提供的是半永久性的数字连接,沿途不进行复杂的软
件处理,因此延迟较短,避免了分组网中传输时延大且不固定的缺点;DDN采用交叉连
接装置,可根据用户需要,在约定的时间内接通所需带宽的线路,信道容量的分配和接
续在计算机控制下进行,具有极大的灵活性.
DDN为用户提供专用电路,帧中继和压缩话音/G3传真和虚拟专用网等业务.具
有传输质量高,距离远,传输速率高,网络延迟小,无拥塞,透明性好,用户接入方便,
传输安全可靠,网络管理方便,适合高流量用户接入等优点.
6.3.2 DDN的组成
DDN主要以硬件为主,对应OSI模型的低3层.主要由四大部分组成:本地传输系
统,DDN结点,局间传输及网同步系统,网络管理系统.
1.本地传输系统
本地传输系统由用户设备和用户环路(包括用户线和网络接入单元)组成.用户设
备通常是数据终端设备(DTE),电话机,传真机,计算机等.用户线是一般市话用户电
缆.网络接入单元可为基带型或频带型,单路或多路复用传输设备等.
2.DDN结点
DDN结点的功能主要由两大部分组成:复用和交叉连接.DDN利用电信网的数字通
道工作,通常采用时分复用技术.
3.局间传输及网同步系统
局间传输及网同步系统由两部分组成:局间传输和同步时钟供给.局间传输是指结
点间的数字通道以及各结点通过与数字通道的各种连接方式组成的各种网络拓扑.在我
国,目前主要采用T1(2048 kbps)数字通道,少部分采用E1数字通道.同步时钟供给
则是由于DDN是一个同步数字传输网,为了保证全网所有设备同步工作,必须有一个全
国统一的同步方法来确保全网设备的同步.
4.网络管理系统.
对于一个公用的DDN来讲,网络管理至少包括:用户接入管理,网络资源的调度和
路由管理,网络状态的监控,网络故障的诊断,报警与处理,网络运行数据的收集与统
计,计费信息的收集与报告等.
6.3.3 DDN的网络结构
DDN的网络结构按网络的组建,运营,管理和维护的责任地理区域,可分为一级干
线网,二级干线网和本地网三级.各级网络应根据其网络规模,网络和业务组织的需要,
参照前面介绍的DDN结点类型,选用适当类型的结点,组建多功能层次的网络.可由2
Mbps结点组成核心层,主要完成转接功能;由接入结点组成接入层,主要完成各类业务
接入;由用户结点组成用户层,完成用户入网接口.
131
6.3.4 网络业务
DDN网络业务分为专用电路,帧中继和压缩话音/G3传真,虚拟专用网等业务.
DDN的主要业务是向用户提供中,高速率,高质量的点到点和点到多点数字专用电路(简
称专用电路);在专用电路的基础上,通过引入帧中继服务模块(FRM),提供永久性虚
电路(PVC)连接方式的帧中继业务;通过在用户入网处引入话音服务模块(VSM)提
供压缩话音/G3传真业务.在DDN上,帧中继业务和压缩话音/G3传真业务均可看做
在专用电路业务基础上的增值业务.压缩话音/G3传真业务可由网络增值,也可由用户
增值.
6.4 ISDN
综合业务数字网(Integrated Service Digital Network,简称ISDN)是基于现有的电话
网络来实现数字传输服务的标准,与后来提出的宽带ISDN相对应.传统的ISDN又被称
为窄带(Narrowed)ISDN即N-ISDN,简称ISDN.CCITT(现更名为国际电信联合会ITU)
将ISDN定义为:ISDN是由电话综合数字网(IDN)演变而来的,它向用户提供端到端
的连接,并支持一切话音,数字,图像,图形,传真等广泛业务.用户可以通过一组有
限的,标准的,多用途用户网络接口来访问这个网络获得相应的业务.根据上述定义,
可以归纳出ISDN的以下特性:以综合数字电话网(IDN)为基础发展而成的通信网;支
持端到端的数字连接,是一个全数字化的网络;支持各种通信业务;提供标准的用户/
网络接口,用户对ISDN的访问通过该接口完成.
ISDN又称"一线通",即可以在一条线路上同时传输语音和数据,用户打电话和上
网可同时进行.ISDN的出现,使Internet的接入方面产生了很大的效果,极大地加快了
Internet在我国的普及和推广速度.
6.4.1 ISDN的组成
ISDN的组成包括了许多终端,终端适配器(TA),网络终端设备(NT),线路终端
设备和交换终端设备.如图6.4所示,ISDN终端分为标准ISDN终端(TE1)和非标准
ISDN终端(TE2).TE1通过4根,2对数字线路连接到ISDN网络.TE2连接ISDN网
络要通过TA.网络终端也被分为网络终端1(NT1)和网络终端2(NT2)两种类型.图
6.4中,R,S,T,U等是ISDN组件之间的连接点,称为ISDN参考点.
图6.4 ISDN的基本组成
标准ISDN终端(TE1):TE1是符合ISDN接口标准的用户设备,如数字电话机,
G4传真机和可视电话终端等,接入S/T参考点.
非标准ISDN终端(TE2):TE2是不符合ISDN接口标准的用户设备,TE2需要
TE1 NT2
(PBX) NT1
ISDN交 换 机
ISDN
交 换 机
公用网络
或专用网络
TA TE2
UTS
R
132
经过终端适配器(TA)的转换,才能接入R参考点.
终端适配器(TA):完成适配功能,包括速率适配和协议转换等,使TE2能够接
入ISDN.
网络终端1(NT1):NT1是放置在用户处的物理和电器终端装置,它属于网络服
务提供商的设备,是网络的边界.通过U参考点接入网络,采用双绞线,距离可
达1000 m.
网络终端2(NT2):NT2又称为智能网络终端,如数字PBX,集中器等,它可以
完成交换和集中的功能.通过T参考点接入NT1.T参考点采用4线电缆.如果
没有NT2就是一个住宅系统,此时S和T可以合在一起,称S/T参考点.
6.4.2 ISDN和OSI模型
ISDN是由ITUT制定的一组跨越OSI模型的物理层,数据链路层,网络层的标准.
物理层:在ITUT的I.430中定义了对ISDN基本速率接口(BRI)的物理层规范.
在ITUT的I.431中定义了对ISDN基群速率接口(PRI)的物理层规范.
数据链路层:ISDN的数据链路层规范是以LAPD为基础的,在ITUT的Q.920和
ITUT Q.921中作了正式的描述.
网络层:ISDN网络层是在ITUT Q.930和Q.931中定义的.这两个标准结合在一
起,描述了用户到用户,电路交换和数据报交换连接的规范.
6.4.3 通路类型和接口结构
ISDN用户-网络接口中有两个重要因素,即通路类型和接口结构.通路是表示接口
信息传输的能力.通路根据速率,信息性质以及容量又可以分成几种类型,称为通路类
型.通路类型的组合称为接口结构,它规定了在这个结构上最大的数字信息传输能力.
1.通路类型
通路是提供业务用的具有标准传输速率的传输信道.在对承载业务进行标准化的同
时,需要相应地对用户-网络接口上的通路加以标准化.通路有两种主要类型,一种类型
是信息通路,为用户传输各种信息流;另一种是信令通路,它为了进行呼叫控制而传输
信令信息.根据CCITT建议,在用户/网络接口处向用户提供的通路有以下类型:
A通路:4 kbps,模拟电话使用.
B通路:64 kbps,供传递用户信息用.
C通路:8 kbps或16 kbps,用于数字通信.
E28通路:用于ISDN内部信令传输的64 kbps数字信道.
D通路:16 kbps或64 kbps,供传输信令和分组数据使用.
H0通路:384 kbps,供传递用户信息用(如立体声节目,图像和数据等).
H11通路:1536 kbps,供传递用户信息用(如高速数据传输,会议电视等).
H12通路:1920 kbps,供传递用户信息用(如高速数据传输,图像和会议电视等).
通常使用的是B信道和D信道.B信道只传输用户信息,可用于电路交换,分组交
换和半永久交换.D信道主要用于传输电路交换的信令信息,还可以用于传输分组交换
数据.
133
2.接口结构
已经标准化的ISDN用户-网络接口有两类,一类是基本速率接口,另一类是一次群
速率接口.
(1)基本接口(BRI)
基本接口是把现有电话网的普通用户线作为ISDN用户线的接口,它是ISDN最常用,
最基本的用户-网络接口.它由两个B通路和一个D通路(2B+D)构成.B通路的速率
为64 kbps,D通路的速率为16 kbps.所以用户可以利用的最高信息传输速率是
64×2+16=144 kbps.
这种接口是为最广大的用户使用ISDN而设计的.它与用户线二线双向传输系统相配
合,可以满足千家万户对ISDN业务的需求.使用这种接口,用户可以获得各种ISDN的
基本业务和补充业务.BRI用于小容量系统,如声音,数据工作站等.
(2)一次群速率接口(PRI)
一次群速率用户-网络接口的结构根据用户对通信的不同要求可以有多种安排.一种
典型的结构是nB+D.n的数值对应于2.048 Mbps和1.544 Mbps的基群,分别为30或23.
在此,B通路和D通路的速率都是64 kbps.这种接口结构,对于以NT2为综合业务用
户交换机的用户而言,是一种常用的选择.当用户需求的通信容量较大时(例如,大企
业或大公司的专用通信网络),一个一次群速率的接口可能不够使用.这时可以多装几个
一次群速率的用户-网络接口,以增加通路数量.在存在多个一次群速率接口时,不必在
每个一次群接口上分别设置D通路,可以让n个接口合用一个D通路.
那些需要使用高速率通路的用户可以采用不同于nB+D的接口结构.例如,可以采
用mH0+D,H11+D或H12+D等结构;还可以采用既有B通路又有H0通路的结构:
nB+mH0+D,这里m×6+n≤30或23.在可以合用其他接口上的D通路时,(m×6+n)可
以是31或24.
6.4.4 ISDN的应用
ISDN的作用是为用户提供一系列综合的业务,这些业务分为承载业务,用户终端业
务和补充业务三大类.所谓承载业务是指由ISDN网络提供的单纯的信息传输业务,其任
务是将信息从一个地方传输到另一个地方,在传输过程中对数据不进行任何处理.用户
终端业务指那些由网络和用户终端设备共同完成的业务,除了电话,可视图文,用户电报,
可视电话等业务外,ISDN主要用于接入Internet.个人用户使用Internet接入这项业务主要
是利用ISDN的远程接入功能,接入时采用拨号方式.企业用户则可以使用ISDN作为备
份线路,如远程办公室和中心办公室之间的备份线路,这样不但可以防止断线,同时还可
以分担主干线路的数据流量.用户补充业务是对承载业务和用户终端业务的补充和扩展,
它为用户提供更加完善和灵活的服务,如主叫用户线识别,被叫用户线识别,呼叫等待等.
6.5 分组交换网
6.5.1 什么是分组交换网
在传统的网络概念中,解决远程计算机连网的主要手段是通过租用电话线路,通过
134
调制解调器将数据信息转变成模拟信号,在公共交换电话网(PSTN,Public Switched
Telephone Network)上进行传输.
分组交换采用存储/转发交换技术,分组是交换处理和传输的对象.先将发信端发
送的数据分成固定长度的分组,然后在网络中经各分组交换机逐级"存储/转发",最终
到达收信终端.
分组交换是一种在距离相隔较远的工作站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.它的优点是出错少,线路利用率高.
分组交换数据网提供数据报和虚电路两种服务.
虚电路建立在X.25的第3层,在虚电路方式中,一次通信要经历建立虚电路,数据
传输和拆除虚电路3个阶段.一旦建立虚电路,则该虚电路不管有无数据传输都要保持
到虚电路拆除或因故障而中断.如果因故障而中断,则需重新建立虚电路,以继续未完
成的数据传输.
X.25提供以下两种虚电路服务.
(1)交换虚电路
交换虚电路类似于电话交换,即双方通信前要建立一条虚电路供数据传输,通信完
毕后要拆除这条虚电路,供其他用户使用.
(2)永久虚电路
永久虚电路可在两个用户之间建立永久的虚电路,用户间需要通信时无须建立连接,
可直接进行数据传输,如使用专线一样.
6.5.2 X.25标准
X.25是CCITT(现为ITU-U)制定的分组交换数据网标准,于1976年正式颁布作为
推荐标准.1977,1978,1980和1984年又进行过多次修正.
(1)X.25层次结构
X.25由3层组成,对应于ISO/OSI互连参考模型的低3层,如图6.5所示.
图6.5 X.25与OSI模型
① 物理层定义数据终端设备(DTE)(如计算机,智能终端,前端通信处理机等)
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
OSI模型
分组层
链路访问层
物理层
X.25
135
与数据电路终端设备(DCE)(如网络结点,分组交换机等)之间建立物理连接和维持物
理连接所必需的机械,电气,功能和规程.
② 链路访问层定义数据链路控制过程,即控制链路的操作过程和纠正通信线路的差
错.采用HDLC的子集LAP-B作为该层的标准.
③ 分组层定义DTE与DCE之间数据交换的分组格式和控制过程,包括多条逻辑信
道到一条物理连接的复用,分组流量控制和差错控制等.
(2)建立连接和拆除连接
建立和拆除虚电路连接时,发送方DTE先向本地DCE发出呼叫连接请求分组,DCE
选择合适的路径将该分组通过网络传输到接收方的DCE,并送给接收方DTE,接收方
DTE回送一个呼叫接收分组给发送方DTE,因此建立起虚电路后就可以传输数据了.数
据传输完毕后,一方DTE发出连接拆除分组给本地DCE,另一方DCE接收到该分组后,
发送一拆除指示分组给DTE,则双方DTE的连接就拆除了.
6.5.3 分组交换网的组成
X.25分组交换网由分组交换机,通信传输线路和用户接入设备组成.
1.分组交换机
分组交换机是分组交换网中最关键的设备,分为中间结点交换机和本地交换机.通
常,分组交换机具有以下主要功能:
① 提供各种业务支持.
② 进行路由选择和流量控制.
③ 提供多种协议互连,例如X.25,X.75等.
④ 提供网络管理,计费和统计等功能.
2.通信传输线路
通信传输线路分为分组交换机间的中继传输线路和用户传输线路.中继传输线路通
常使用n×64 kbps的数字信道.用户传输线路有模拟和数字两种形式,典型的模拟形式是
使用电话线加调制解调器,目前普通调制解调器的最大通信速率可达56 kbps.
3.用户接入设备
用户终端是X.25分组交换网的主要用户接入设备.用户终端设备分为分组型终端
(PT)和非分组型终端(NPT).其中,非分组型终端需要使用分组组装/拆装设备(PAD)
才能接入到分组交换网中.
6.6 帧中继
帧中继(Frame Relay,简称FR)是以X.25分组交换技术为基础,摒弃其中复杂的
检,纠错过程,改造了原有的帧结构,从而获得了良好的性能.帧中继的用户接入速率
一般为64 kbps～2 Mbps,局间中继传输速率一般为2 Mbps,34 Mbps,现已可达155 Mbps.
136
6.6.1 帧中继概述
帧中继技术继承了X.25提供的统计复用功能和采用虚电路交换的优点,但是简化了
可靠传输和差错控制机制,将那些用于保证数据可靠性传输的任务(如流量控制和差错
控制等)委托给用户终端或本地结点机来完成,从而在减少网络时延的同时降低了通信
成本.帧中继中的虚电路是帧中继包交换网络为实现不同DTE之间的数据传输所建立的
逻辑链路,这种虚电路可以在帧中继交换网络内跨越任意多个DCE设备或帧中继交换机.
虚电路为两个相互通信的DTE结点之间提供了面向连接的第2层服务.在帧中继网络中,
不同的虚电路由数据链路连接标识符(DLCI,Data-Link Connection Identifier)进行标识.
帧中继技术比较容易实现,主要用软件实现,不需过多的硬件投资.可以在X.25网
的基础上提供帧中继功能,也可以通过在DDN网上增加适当的模块提供帧中继的端口.
帧中继向高层提供虚电路服务方式,包括交换虚电路(SVC,Switched Virtual Circuits)
与永久虚电路(PVC,Permanent Virtual Circuits),所谓交换式虚电路是一种"临时"的
电路连接,它只有在双方需要通信时才建立,而永久性虚电路中的连接与双方是否需要
进行通信无关,或者说这种连接是"永久"存在的.在帧中继中,PVC是一种更为普遍
使用的方式.
从网络层次上看,相对于具有3层体系的X.25而言,帧中继网络只有物理层和链路
层两层,并对链路层功能进行了较大的调整.它将统计复用,数据交换,路由选择等功
能定义在数据链路层执行,取消了流量控制,纠错及确认等处理功能,并且数据交换以
帧为单位(故称为帧交换).通过这些简化措施,提高了网络性能,减少了网络时延.
一个典型的帧中继网络是由用户设备与网络交换设备组成,如图6.6所示.作为帧中
继网络核心设备的FR交换机其作用类似于我们前面讲到的以太网交换机,都是在数据链
路层完成对帧的传输,只不过FR交换机处理的是FR帧而不是以太帧.帧中继网络中的
用户设备负责把数据帧送到帧中继网络,用户设备分为帧中继终端和非帧中继终端两种,
其中非帧中继终端必须通过帧中继装拆设备(FRAD)接入帧中继网络.
图6.6 帧中继网络
6.6.2 帧中继的特点
帧中继具有许多的特点,首先,帧中继采用统计复用技术为用户提供共享的网络资
源,提高了网络资源的利用率.帧中继不仅可以提供用户事先约定的带宽,而且在网络
资源富裕时,允许用户使用超过预定值的带宽,而只用付预定带宽的费用.其次,帧中
继在OSI模型中仅实现物理层和链路层的核心功能,这样,大大简化了网络中各个结点
机之间的处理过程,有效地降低了网络时延.第三,帧中继提供了较高的传输质量.高
FR交换机
FR终端
LAN
FRAD
路由器
帧中继网络
FR交换机
FR交换机
FR交换机
137
质量的线路和智能化的终端是实现帧中继技术的基础,前者保证了传输中的误码率很低,
即使出现了少量的错误也可以由智能终端进行端到端的恢复.另外,在网络中还采取了
PVC管理和拥塞管理,客户智能化终端和交换机可以清楚了解网络的运行情况,不向发
生拥塞和已删除的PVC上发送数据,以避免造成信息的丢失,进一步保证了网络的可靠
性.第四,从网络实现角度看,帧中继只需对现有数据网上的硬件设备稍加修改,同时
进行软件升级就可以实现,操作简单,实现方便.
6.6.3 帧中继的应用
帧中继技术首先在美国和欧洲得到应用.帧中继的应用领域十分广泛,目前主要用
于LAN互连,图像传输和组建虚拟专用网等.我国的公用分组交换网和数字数据网
(DDN)都引入了帧中继技术.一般来说帧中继技术适用于以下情况:
当用户需要数据通信,其带宽要求为64 kbps～2 Mbps,而参与通信的各方多于两
个时,使用帧中继是一种较好的方案.
当数据业务量为突发性时,由于帧中继具有动态分配带宽的功能,选用帧中继可
以有效地处理突发性数据.
6.7 ATM
针对N-ISDN的不足,提出了一种高速传输网络,这就是宽带ISDN(Broadband
ISDN),即B-ISDN.B-ISDN的设计目标是以光纤为传输介质,以提供远远高于一次群
速率的传输信道,并针对不同的业务采用相同的交换方法,即致力于真正做到用统一的
方式来支持不同的业务.为此,一种新的数据交换方式即异步转移模式(Asynchronous
Transfer Mode,简称ATM)被提了出来.现在ATM作为关键技术被保留了下来并成为
高速广域网传输技术的重要基础.
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.固定长度的短信元可以充分利用信道的空闲带宽.
信元在统计时分复用的时隙中出现,即不采用固定时隙,而是按需分配,只要时隙空闲,
任何允许发送的单元都能占用.所有信元在底层采用面向连接方式传输,并对信元交换
采用硬件以并行处理方式去实现,减少了结点的时延,其交换速度远远超过总线结构的
交换机.
ATM网络系统由ATM业务终端,复用,交换,传输等部分组成,其结构如图6.7
所示.
图6.7 ATM的网络组成
其中,ATM交换机是ATM网络的核心,它采用面向连接的方式实现信元的交换.
AT M
终端
光纤
AT M
复用
AT M
交换机
AT M
交换机
AT M
复用
AT M
终端
光纤光纤
138
ATM主要具有下列优点:
ATM是以面向连接的方式工作的,大大降低了信元丢失率,保证了传输的可靠性.
由于ATM的物理线路使用光纤,误码率很低.
短小的信元结构使得ATM信头的功能被简化,并使信头的处理能基于硬件实现,
从而大大减少了处理时延.
采用短信元作为数据传输单位可以充分利用信道空闲,提高了带宽利用率.总之,
ATM的高可靠性和高带宽使得其能有效地传输不同类型的信息,如数字化的声
音,数据,图像等.
目前,ATM论坛定义的物理层接口有SDH STM-1,4,16,其数据传输速率分别可
达55.52 Mbps,662.08 Mbps,2488.32 Mbps.对应于不同信息类型的传输特性,如可靠
性,延迟特性和损耗特性等,ATM可以提供不同的服务质量来适应这些差别.
ATM是一种应用极为广泛的技术,在实际的应用中能够适应从低速到高速的各种传
输业务,可应用于视频点播(VOD),宽带信息查询,远程教育,远程医疗,远程协同办
公,家庭购物,高速骨干网等.
6.8 SDH技术
目前世界上主要有两种数字传输体系,一种为准同步数字体系(Plesiochronous Digital
Hierarchy,简称PDH),另一种为同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy,简称SDH).
SDH是一种基于光纤的传输网络,它具有传输速率高,传输带宽大等特点,SDH不
仅适用于光纤,也适用于微波和卫星传输,并且其网络管理功能大大增强,是目前广域
网中普遍采用的技术.
SDH技术与PDH技术相比有很多优点:
SDH具有统一的比特率,统一的接口标准,这为不同厂家设备间的互连提供了可
能.
SDH的网络管理能力比PDH大大加强.
SDH提出了自愈网的新概念,用SDH设备组成的带有自愈保护功能的环网,可
以在传输媒体主信号被切断时,自动通过自愈功能恢复正常通信;最后,SDH所
采用的字节复接技术,使网络中上下支路信号变得十分简单.
在SDH网络中被传输的对象叫做SDH帧.SDH帧以字节为基础(1个字节为8个
比特),由纵向9行和横向270×N列字节组成,称为STM-N,它是SDH规定的一套标准
化的信息结构等级,称为同步传输模块.其中最基本的模块是STM-1,对于更高等级的
STM-N信号的速率,可以从该基本速率的整数倍得出,表示方法也可以用基本速率的相
应倍数来表示,它们之间是4的整数倍的关系,如STM-4,STM-16,STM-64等.数据
传输时由左到右,由上到下顺序排成串行码流依次传输,传输一帧的时间为125 s,每
秒共传输8000帧,因此对STM-1而言,传输速率为8×9×270×8000=155.52 Mbps.类似
可以计算出STM-4,STM-16,STM-64等的速率,如表6.6中所列.
SDH体系允许各类信号经同步传输模块传输,特别是在电信网中已经存在的PDH体
系的2 Mbps,34 Mbps和140 Mbps信号.SDH为各种类型的信号规定了其纳入SDH传
输模块的方法.
139
C-11,C-12,C-3和C-4是标准容器,分别用来接收PDH的1.5 Mbps,2 Mbps,
34 Mbps以及140 Mbps的支路信号,完成速率适配等功能.
表6.6 SDH体系的速率
SDH体系 速 率
STM-1 155.520 Mbps
STM-4 622.08 Mbps
STM-16 2488.32 Mbps
STM-64 9953.28 Mbps
由于SDH是一种基于光纤的传输网络,因此它具有光纤本身所具有的许多优点.由
于SDH的良好性能,特别是它与WDM技术,ATM技术,IP over SDH等的结合,使得
SDH的作用越来越重要,成为信息高速公路的主要物理传输平台.
SDH和其他架构不同的是它的带宽很宽,SDH在国民经济建设中被广泛地使用,如
公用/专用市话网,长话网都普遍地采用SDH网络.在我国大部分中等以上城市都使用
SDH作为公用市话网的通信干线.除在市话网和长话网中的应用外,当前SDH还广泛应
用于有线电视网和Internet中.
习 题
1.广域网接入需要哪些网络设备或设施
2.ISDN如何定义以及有何特点
3.ISDN的两种基本速率服务指什么
4.简述ATM的特点,信元交换的好处是什么
5.简要介绍SDH的特点.
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