电子信息工程技术《10.1 广域网技术概述》

10.1 广域网技术概述
广域网(Wide Area Network，W AN)，也称远程网，是指覆盖范围在几千米以上连接两个以上局域网的大型网络。

广域网实现了跨越城市、国家及大洲间网络的互连，提供了远距离通信，形成了国际性的远程网络—Internet。

如果说局域网实现了本地信息资源的共享，那么，广域网提供了跨地区、跨网络的资源共享。

因此，与局域网在结构、技术和特性上相比，广域网存在明显的差异，显然更加复杂，要求更高。

本节将对广域网及技术进行概述，包括广域网接入设备及接口、广域网的连接方式及特征、广域网数据帧封装协议及特点等。

10.1.1 广域网概述
局域网及技术实现了工作站、终端、服务器等在较小物理范围内的互连，解决了局部的资源共享问题。

由于以太网等局域网技术无法支持远程传输，企图通过大量设备级连将局域网扩展到超远距离是不现实的，因为即使可以扩展局域网的范围，但普通组织没有专用的长距离线路。

但随着计算机和局域网的发展及其在人们生活、学习和工作领域的广泛应用，更大范围内计算机及网络的互连以实现远程，甚至超远程资源的共享，已成为人们越来越迫切的愿望。

自20世纪80 年代以来，ISO 公布了OSI /RM层次结构模型，为计算机网络通信协议指定了标准，为异构计算机系统的互连提供了理论和时间的支持；另外，个人计算法机的高速发展，促进了局域网的标准化、产品化，为更大范围内的计算机网络的互连提供了可靠的构成基础。

为此，基于电信运营商的通信网络设施，将相距遥远的局域网互相连接起来，远距离传输数据、语音、视频等多媒体信息，实现远距离、大范围的资源共享，便产生了广域网，图10-1为广域网的连接示意图。

图10-1 广域网连接示意图
作为一种跨地区的数据通信网络，对照OSI参考模型，广域网技术主要位于其底层的3个层次，即物理层、数据链路层和网络层。

常用广域网技术同OSI/RM模型之间的对应关系如图10-2所示。

图10-2 广域网技术与OSI/RM对应图
广域网不仅在地理范围上跨越城市、省域、国界及洲界的限制，形成世界范围的计算机互连网络，而且在各种远程通信手段上也是日新月异。

例如，除了原有的共用电话网PSTN 外，还有分组数据交换网、数字数据网（DDN）、帧中继网（Frame by Delay）以及集话音、图像、数据等为一体的综合业务数字网（ISDN）、数字卫星网(very Small Aperture Terminal，VSAT)和无线分组数据通信网等；同时，广域网在技术上也有许多突破，如互联设备的快速发展，多路复用技术和交换技术的发展，特别是异步传输模式（ATM）等交换技术日臻成熟，为广域网解决传输带宽瓶颈展现了美好的前景。

10.1.2 广域网接入设备及接口
广域网接收设备包括调制解调器、广域网交换机、ISDN终端适配器、ADSL终端适配器、访问服务器和信道服务单元/数据服务单元等。

不属于广域网设备但可用于广域网的设备还有路由器、A TM交换机和多路复用器。

●调制解调器(Modem)：用于转换数字信号与模拟信号的设备。

它能使数据在音频电话线上进行传输。

在源节点，数字信号被转换成可在模拟通信设施上传输的形式；而在目的节点，这些模拟信号被还原成数字信号。

●WAN交换机(WAN Switch)：一种用于运营商网络的多端口网络互连设备，它常用于数据交换，如帧中继、X.25和SMDS等的信息流，主要运行在OSI/RM模型的数据链路层。

●ISND终端适配器（ISDN Terminal Adaptor，TA）：是用来连接ISDN基本速率接口（ISDN BRI）到EIA/TIA-232等其它接口的设备。

它实际上也是一个ISDN调制解调器，但并不实际将模拟信号变为数字信号，因此称为终端适配器。

●ADSL终端适配器：在ADSL接入方案中，可以应用专用和通用设备接入广域网。

例如，采用以太网网络适配器、LAN交换机、宽带路由器等连接于小区的宽带信息插座上。

目前，典型普通用户在单台PC上使用的ADSL终端适配器是ADSL调制解调器和语音分离器组成的一种通信设备，它的本质就是一个调制解调器。

●访问服务器(Access Server)：是广域网中通过拨号网络拨入和拨出连接的汇聚点，远程用户通过Modem拨号到访问服务器，在通过用户验证后有访问服务器将该拨出连接汇聚到广域网上。

●信道服务单元(Channel Service Unit，CSU)/数据服务单元(Data Service Unit，DSU)：信道服务单元CSU是把终端用户和本地数字电话环路相连的数字接口设备；数据业务单元DSU指的是用于数字传输中的一种设备，它能够把数据终接设备（Data Terminal Equipment，DTE）设备的物理层接口适配到T1或者E1等通信设施上；DSU也能为这些设备之间的通信提供信号时序。

DTE是能够通过网络发送和接收模拟或数字信号形式数据的设备，如路由器、终端主机等；数据通信设备（Data Communications Equipment，DCT）在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放链路的连接，如Modem。

DTE一般不直接连接到网络，它通过一台DCE进行通信。

DCE设备通常是与DTE对接，因此针脚的分配相反。

其实对于标准的串行端口，通常从外观就能判断是DTE还是DCE，DTE是针头（俗称公头），DCE是孔头（俗称母头），这样两种接口才能接在一起。

在任何一个网络中，DTE产生数字数据并把它传送给DCE，DCE将这些数据转化成可以在传输介质上传输的格式，并将转化后的信号发送给网络上另一个DCE。

第二个DCE从线路上接收信号，将信号转化成与它连接的DTE可用的格式，然后将信息转发给与它相连的DTE。

广域网设备上有一些专用的端口，对一些有代表性的广域网接口介绍如下：
●异步串口（ASYNC）：异步串口，用于连接异步串行链路。

在应用中，通常将最大速率为115.2Kbps的异步串口与33.6Kbps-56Kbps的调制解调器互连，通过异步串行拨号连接到公用电话网络PSTN，实现远程计算机利用PSTN拨入广域网（Internet）。

●同步串口（SERIAL）：同步串口是广域网连接中最常使用的接口，用于连接同步串口链路。

最大速率为8Mbps的同步串口主要用于连接目前应用非常广泛的DDN、帧中继（Frame Relay）、x.25等网络连接模式。

它可以工作在DTE和DCE两种方式，一般情况下，同步串口作为DTE设备，接收DCE设备提供的时钟。

异步串口和同步窗口通常使用DB28连接器。

●拨号接口：通常也被称为模拟调制解调器（Analog Modem，AM）接口，实现模拟拨号接入/呼出功能。

拨号接口通常使用RJ-11连接器。

●ISDN基本速率接口（ISDN BRI）：用于ISDN线路通过路由器实现与Internet或其他远程网络的连接，用于目前的大多数双绞线铜线电话线。

ISDN BRI的3个通道总带宽为144 kb/s。

其中两个通道称为B(荷载Bearer)通道，速率为64kb/s，用于承载声音、影像和数据通信。

第3个通道是D(数据)通道，是16kbps信号通道，用于告诉公用交换电话网如何处理每个B通道。

ISDN BRI 端口采用RJ-45连接器。

除了ISDN BRI接口外，ISDN的另一种速率连接端口是基群速率接口（ISDN PRI），基于T1（23B+D）或者E1(30B+D)，总速率分别为1.544Mb/s 或 2.048Mb/s。

●E1/CE1/PRI接口：E1/CE1/PRI接口拥有两种工作方式：E1工作方式（非通道化工作方式）和CE1/PRI工作方式（通道化工作方式）。

当E1/CE1/PRI接口使用E1工作方式时，它相当于一个不分时隙、数据带宽为2Mbps的接口，其逻辑特性与同步串口相同，支持PPP、帧中继、LAPB和x.25等数据链路层协议，支持IP和IPX等网络协议；当E1/CE1/PRI接口使用CE1/PRI工作方式时，它在物理上分为32个时隙，对应编号为0-31，其中0时隙用于传输同步信息。

对该接口有两种使用方法：CE1接口和PRI接口。

当E1/CE1/PRI接口作为CE1接口使用时，可以将除0时隙外的全部时隙任意分成若干组，每组时隙捆绑以后作为一个接口使用，其逻辑特性与同步串口相同，支持PPP、帧中继、LAPB和x.25等数据链路层协议，支持IP和IPX等网络协议；当E1/CE1/PRI接口作为PRI接口使用时，时隙16被作为D信道来传输信令，因此，只能从除0和16时隙以外的时隙中任意选出一组时隙作为B信道，将它们同16时隙一起，捆绑为一个PRI组作为一个接口使用，其逻辑特性与ISDN PRI接口相同，支持PPP数据链路层协议，支持IP和IPX等网络协议，可以在此接口上进行ISDN PRI 拨号连接的配置。

E1/CE1/PRI接口常使用DB15连接器。

●光纤接口：近些年，光纤发展相当迅速，各种光纤接口也是层出不穷，常见的有路
由器和交换机上常用的SC 卡接式方型、与SC接头形状相似但小一些的LC、两根光纤一个接头收发一体方型MT-RJ等接口。

SC 和LC 类型是目前最为常见的光纤接口。

10.1.3 广域网连接方式
在实际应用中，广域网与局域网（LAN）互连，即局域网可以是广域网的一个终端系统；在企业网中，广域网主要用来将距离较远的局域网彼此连接起来，来实现局域网之间的通讯。

那么，局域网如何接入广域网呢？
通常，广域网连接的方式分为专线方式、交换方式和宽带三种。

其中，交换方式按照是否建立连接由分为电路交换和分组交换两种。

广域网的连接方式及对应的帧封装协议如图10-3所示。

广域网接入方式
专线型
（PPP、HDLC）
交换型
租用线路
（T1/E1、T3/E3）
分组交换
（X.25、FR、ATM）
电路交换
(PSTN、ISDN)
宽带
（PPPoE、PPPoA、Cable Ethernet）图10-3 广域网连接方式
1．专线连接方式
指广域网的连接线路是永久存在的，是一条专用的传输线路，即使没有数据的传输，这条线路也必须存在而不能用作它用。

这条专用的传输线路一般采用租用的方式。

专线一般使用同步串行链路，是两个节点间的连续可用的点对点的连接。

值得注意的是，专线实际上并不是一条线路，而是运营商依据客户的需求预先建立的一条交换式电路。

专线连接需要使用路由器上的同步串行端口、运营商网络设备上的CSU/DSU端口以及实际线路。

路由器上同步串行端与Modem等DCE设备连接时，通常采用的线缆包括 EIA/TIA-232（RS-232）、EIA/TIA-449、 EIA-530、V.35、X.21等。

而专线连接方式的典型连接技术有56Kbps标准、64Kbps标准、美国采用的1.55Mbps的T1标准和44.736Mbps的T3标准、欧洲采用的2.048Mbps的E1标准和34.064Mbps的E3标准、以及面向家庭连接广域网的xDSL 技术，并且，通过数据链路层的PPP协议、HDLC协议等各种封装方法为广域网数据的传输提供可靠性与弹性。

对于一些数据量大、连接时间长的重要节点之间宜采用专线连接连接广域网，其租用费用一般是根据带宽和距离来决定的。

广域网专线连接模型如图10-4所示。

（DTE ）
图10-4 广域网专线连接模型
2．电路交换连接
电路交换是广域网所使用的一种交换方式。

可以通过运行商网络为每一次会话过程建立，维持和终止一条专用的物理电路，在整个通信过程中双方一直占用该电路。

电路交换也可以提供数据报和数据流两种传送方式，其操作过程与普通的电话拨叫过程非常相似，在电信运营商的网络中被广泛使用。

综合业务数字网ISDN 、DDR 、PSTN 等就是采用电路交换的广域网技术。

电路交换方式的特点是实时性强，时延小，交换设备成本较低。

但是，它也带来线路利用率低，电路接续时间长，通信效率低，不同类型终端用户之间不能通信等缺点。

电路交换比较适合于信息量大、长报文、经常使用的固定用户之间的通信。

广域网电路交换连接模型如图10-5所示。

（DTE ）
图10-5 广域网电路交换连接模型
3．分组交换连接
分组交换主要采用统计复用技术在多台设备之间实现电路共享，并将需要传输的信息划分为一定长度的分组（包），以分组为单位进行存储转发。

每个分组信息都携带了接收地址的标识，在一条物理线路上可以同时传送多个数据流，实现了网络设备共享一条点对点链路通过运营商网络在设备之间进行数据包的传递。

帧中继、交还式多兆位数据服务SMDS 、X.25等都是采用分组交换的广域网技术。

点对点专线方式连接广域网相比，分组交换方式的广域网提供给管理员的管理控制权限要少，并且网络带宽也是共享的。

但是，分组交换广域网处理提供专线方式所能完成的全部网络服务外，而且其费用比专线广域要低得多。

分组交换网络使用同步串行线路进行通信，能提供56Kbps 到45Mbps 的数据传输速率。

当W AN 数据传输速率与专线广域网连接速率相当，并且对应链路使用率要求较高时，宜采用用分组交换连接方式。

广域网分组交换连接模型如图10-6所示。

（DTE）
图10-6 广域网分组交换连接模型
4．宽带连接方式
近年来，宽带接入广域网技术得到了广泛的应用。

宽带技术采用多个信号共享相同介质的数据传输方法，能同时发送多块数据以提高有效传输速率。

常用宽带技术的有DSL-PPP over Ethernet（PPPoE）或PPP over A TM（PPPoA）、Cable-Ethernet等。

前者通过本地电话网络中的线路提供数字数据传输技术，一般消费级DSL服务的下载速度为256-24000Kbps，具体速度取决于DSL技术、线路状况和实现的服务等级；后者利用有线电视调制解调器是数据信号通过有线电视基础设施进行传输，有线电视调制解调器利用了有线电视网络中未使用的带宽，提供宽带Internet接入，它的带宽通常为3Mbps或30Mbps甚至更高。

10.1.4 广域网帧封装协议
数据包通过广域网链路传输前都将被封装成帧。

为了确保正确、高效的数据传输，必须为广域网选择合适的数据链路层协议来封装帧。

封装广域网帧的协议取决于广域网所用的连接方式和通信设备。

常用的广域网协议及适用的连接类型如下：
●点对点（Point-to-Point Protocol，PPP）协议：是在SLIP的基础上发展起来的，由于SLIP只支持异步传输方式、无协商过程，它逐渐被PPP协议所替代。

PPP协议作为一种提供在点到点链路上封装、传输网络层数据包的数据链路层协议，处于OSI参考模型的第二层，主要被设计用来在支持全双工的同异步链路上进行点到点之间的数据传输。

●高级数据链路控制（High Level Data Link Control，HDLC）协议：是一种面向比特的链路层同步协议，其最大特点是不要求数据必须是规定字符集，对任何一种比特流，均可以实现透明的传输。

只要数据流中不存在同标志字段F相同的数据就不至于引起帧边界的错误判断。

万一出现同边界标志字段F相同的数据，即数据流中出现六个连1的情况，可以用零比特填充法解决。

标准HDLC协议族中的协议都是运行于同步串行线路之上，如：DDN。

●帧中继（Frame Relay，FR）：是在数据链路层用简化的方法传送和交换数据单元的面向连接的快速分组交换技术。

帧中继协议是一种统计复用的协议，它在单一物理传输线路上能够提供多条虚电路，能充分利用网络资源完成统计复用、帧透明传输和错误检测等功能。

帧中继提供了一套合理的带宽管理和防止拥塞的机制，具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。

●X.25协议：是数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口协议，实现了接口协议的标准化，使得各种DTE能够自由连接到各种分组交换网上。

作为用户设备和网络之间的接口协议，X.25协议主要定义了数据传输通路的建立、保持和释放过程所需遵循的标准，数据传输过程中进行差错控制和流量控制的机制以及提供的基本业务和可选业务等。

最初，X.25协议为DTE接入分组交换网提供了虚电路和数据报两种接入方式，后来X.25
协议取消了数据报方式。