第07章广域网技术分析.docx

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第07章广域网技术分析

第07章广域网技术

一广域网概述

1广域网通信模型

DTE

DCE

DTE

LocalLoop

CPE

LocalLoop

Serialcable

EndOffice

CPE

服务提供商网络

EndOffice

⏹数据终端设备DTE具有收、发和处理数据能力的设备，通常是一台PC或路由器

⏹数据电路端接设备DCEDTE的数据通常不能直接放到本地回路上去传送，所以需要一个设备在DTE和本地回路之间提供信号变换和编码功能，这个设备就是数据电路端接设备DCE，或者叫数据通信设备。

DCE还负责建立、维持和释放数据链路的连接

⏹用户方设备CPE归用户方所有的设备

⏹本地回路一段铜缆或光缆，用来将CPE连接到最近的服务提供商的交换局，通常被称作最后一英里

⏹调制解调器MODEM如果本地回路是模拟的而非数字的，就需要一个设备执行模拟信号和数字信号的相互转换，这个设备叫调制解调器

⏹信道服务单元/数据服务单元CSU/DSU即使本地回路是数字的，DTE发出的数字信号也不能直接放到本地回路上传送，必须先经过信号变换后才能放到本地回路上传送，这项工作由CSU和DSU完成。

CSU和DSU通常做成一个设备，甚至将它们做在路由器的接口卡上。

很显然MODEM和CSU/DSU都属于DCE

2可供选择的广域网链路

WAN

Dedicated

Switched

Leasedline（T1/E1、T3/E3、DSL）

CircuitSwitch

ISDN

Dial

CellSwitch

ATM

SMDS

PacketSwitch

X.25

FrameRelay

3广域网标准

1）物理层标准

⏹EIA/TIA-232就是我们所说的RS-232，允许的数据传输速率达到64K位每秒，使用25针D形连接器，和ITU-T的V.24标准相似

⏹EIA/TIA-449/530相当于高速版EIA/TIA-232，允许的数据传送速率达到2M位每秒，使用36针D形连接器，也被称为RS-422或RS-423

⏹EIA/TIA-612/613也就是所谓的高速串行链路接口HSSI，允许的数据传输速率达到52M位每秒，使用60针D形连接器

⏹V.35该标准用于网络访问设备和包交换网络之间的同步通信，允许的数据传输速率达到48K位每秒，使用34针长方形连接器

⏹V.21用于同步数字通信，使用15针D形连接器

2）数据链路层标准

Protocol

Usage

LinkAccessProcedureBalance（LAPB）

X.25

LinkAccessProcedureDchannel（LAPD）

ISDNDchannel

LinkAccessProcedureFrame（LAPF）

FrameRelay

High-LevelDataLinkControl（HDLC）

LeasedLine

Point-To-Point（PPP）

SerialWANSwitchedConnection

二拨号连接

Toll

office

Toll

office

Toll

office

Codec

Endoffice

Medium-BW

数字，光纤

High-Bandwidth数字，光纤

DigitalLine

RS-232、RS-449接口

LocalLoop

DTE

DCE

DTE

1调制解调器

DTE发出的基带数字信号不能直接放到本地回路上传送，这是因为数字基带信号的频谱很宽，各次谐波通过本地回路时，衰减的程度不一样，传播的速率也不一样，导致信号发生畸变。

解决的办法是：

在发送方，用数字基带信号调制模拟载波，生成携带数字数据的模拟信号，再送到本地回路上传送；在接收方，从来自本地回路的模拟信号中提取出数字基带信号，然后送给接收方DTE；前一个过程叫调制，后一个过程叫解调，调制和解调工作由调制解调器Modem完成

⏹调制解调器接口RS-232、RS-449

⏹调制方式幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK（两种相位）、正交相移键控QPSK（四种相位）、正交幅移键控QAM

⏹解调方式PCM

⏹载波1000~2000HZ的正弦波

⏹码元速率2400波特

⏹常见的调制解调器标准

¢V.32采用QAM-32，每个码元携带4个数据位和1个奇偶校验位，码元速率为2400波特时数据率为2400×4=9.6kbps

¢V.32bis采用QAM-128，每个码元携带6个数据位和1个奇偶校验位，码元速率为2400波特时数据率为2400×6=14.4kbps

¢V.34每个码元携带12个数据位，码元速率为2400波特时数据率为2400×12=28.8kbps

¢V.34bis每个码元携带14个数据位，码元速率为2400波特时数据率为2400×14=33.6kbps（香农公式表明，电话系统本地回路的信道容量极限是35kbps）

¢V.9033.6kbps的信息传输速率已很接近电话系统本地回路的信道容量极限了。

要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。

在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声，所以如果消除一条模拟本地回路，就能使数据传输速率增加一倍。

V.90正是基于这一想法，即让一方通过一条纯数字线路直达最近的端局，降低了量化噪声，提高了信噪比，使得上行速率达到33.6kbps，下行速率达到56kbps

2编解码器CODEC

由于中继线路上传输的是数字信号，端局必须将来自所有本地回路上的模拟信号转化成数字信号，并将它们时分复用到一条连接长途交换局数字中继线上去，同时来自中继线路的时分复用信号必须经过分解和数模转换，再分别送到相应的本地回路上去，这项工作由编解码器完成

3中继线和多路复用技术

⏹多路复用技术包括频分多路复用、波分多路复用和时分多路复用

⏹中继线通常是高速数字光纤

三租用线路（提供全时连接）

CSU/DSU

SerialCable

CSU/DSU

T1/E1

SerialCable

程控交换机

四综合业务数字网ISDN

ISDN交换机

程控交换机

ISDN交换机

干线

数字本地回路

带ISDNU卡的路由器

数字本地回路

带ISDNU卡的路由器

1ISDN概述

一段时间以来，PSTN的交换机和中继线路都已经数字化了，唯独连接用户方设备和端局的本地回路还没有数字化。

由于本地回路允许通过的模拟信号带宽不高于3000Hz，同时模拟信号到数字信号的转换又引入了可观的量化噪声，导致本地回路上的数据传输速率受到很大的限制（香农公式），为了提供端到端的全数字连接以支持更广泛的服务，包括电话业务和数字数据传输，电话公司开发了ISDN技术：

⏹ISDN是以电话综合数字网IDN为基础发展起来的通信网

⏹ISDN提供端到端的全数字连接

⏹ISDN能够承载多种类型的网络流量

⏹相比传统的拨号连接而言，ISDN提供的数据传输速率更高，连接建立的速度更快

⏹ISDN用于传输用户数据的信道（B信道）和用于传输信令的信道（D信道）是彼此分开的，即ISDN的信令采用带外信令方式

2功能组（FunctionGroup）和参考点（ReferencePoint）

TE12

NT2

TE2

NT1

ISDN交换机

至邮电部门网络

比特管道

TE2

ISDN交换机

至邮电部门网络

S/T

NT1

a）家庭应用

b）企业应用

比特管道

TE1

1）功能组（FunctionGroup）

功能组指使用户能够获取ISDN服务的设备和硬件

⏹1类终端设备TE1指ISDN终端，带有ISDN接口。

比如ISDN路由器、ISDN电话等

⏹2类终端设备TE2指非ISDN终端，需要通过TA连接到ISDN交换局。

比如普通的PC和路由器

⏹终端适配器TA非ISDN终端通过TA连接到ISDN交换局，TA一般使用EIA/TIA-232接口和非ISDN终端相连

⏹1类网络端接设备NT1用户方设备通过NT1连接到ISDN交换局。

连接到NT1上的用户设备可多达8台，连接方式类似总线局域网

⏹2类网络端接设备NT2企业用户需要使用NT2，NT2实际是一个小型的ISDN交换机，它覆盖OSI的下三层

2）参考点（ReferencePoint）

参考点指功能组之间的接口

⏹R参考点非ISDN终端和TA间的接口，比如RS-232串行口

⏹S参考点NT2在用户一侧的接口

⏹T参考点NT2和NT1的接口

⏹U参考点NT1和ISDN交换局的接口

⏹S/T参考点TE1、TA和NT1的接口，S/T接口类似多点连接

3两种接入方式

用户到ISDN的连线类似一条数字比特管道，管道中的双向比特流可以来自数字电话机、数字传真机或其他的终端，数字比特管道有多个独立的通路以时分复用的方式进行传送

ISDN定义了一些标准化通路，其中最常见的是B通路和D通路

⏹B通路64kbps，以全双工方式传输所有类型的数字数据，包括数字化语音数据

⏹D通路16或64kbps，带外信令的数字通路，用来传输针对B信道的控制信息

ISDN定义了两种标准的接入方式，基本速率接口BRI和主速率接口PRI

⏹BRI2B+D=144kbps

⏹PRI23B+D=1.544Mbps或30B+D=2.048Mkbps

NT1

CSU/DSU

23BOR30B

服务提供商网络

BRI

PRI

T1ORE1

4ISDN的国际标准

ISDN的国际标准是由国际电信联盟ITU制订的，包括E系列、I系列和Q系列协议，它们的主要内容如下

⏹E系列阐述支持ISDN的电话网络标准

E.163国际电话号码方案

E.164国际ISDN编址

⏹I系列ISDN的概念、结构、术语和接口

I.100系列概念、结构和术语

I.400系列用户网络接口UNI

⏹Q系列交换和信令，这里的信令指ISDN呼叫建立的过程

Q.921终端和本地ISDN交换机之间的D信道上的链路层协议，也就是LAPD

Q.931终端和本地ISDN交换机之间的D信道上的网络层协议

ISDN的参考模型类似OSI参考模型的下3层，如下图所示

B通路

D通路

数据链路层

物理层

网络层

I.430，I.431

Q.921

Q.931

PPP，HDLC

1）ISDN的物理层协议

⏹I.430ISDNBRI物理层接口标准

⏹I.431ISDNPRI物理层接口标准

⏹ISDNBRI物理层帧格式如下图所示

F比特帧同步比特

L比特负载平衡比特

D比特D通路用

B1和B2两个独立的B通路用

E比特解决争用

A比特设备激活比特

S比特备用比特

NT帧（从NT发往TE的帧）

TE帧（从TE发往NT的帧）

2）ISDN的数据链路层协议

ISDND信道上的数据链路层协议是Q.921，也就是所谓的LAPD，LAPD是一个类似HDLC的2层协议，作用于D信道，以确保信令传输正确无误。

LAPD帧格式如下图所示

Flag

Address

Control

Data

FCS

Flag

可变

SAPI

C/R

TE1

⏹SAPI服务访问点标识，它标识3层协议实体访问LAPD服务的入口

⏹C/R命令/响应比特

⏹EA地址扩展比特

⏹TEIISDN终端标识

3）ISDN的网络层协议

ISDND信道上的网络层协议是Q.931，该协议负责呼叫的建立、维持和释放。

ISDN呼叫建立的过程如下

⏹呼叫方通过发呼叫建立消息给本地ISDN交换机发起一个呼叫，其中包括被呼方的号码。

控制消息总是通过D信道传输

⏹呼叫方的本地ISDN交换机使用SS7协议建立一条穿越服务提供商网络直达被呼方的本地ISDN交换机的路径，并将被呼方的号码传送给被呼方的本地ISDN交换机

⏹被呼方的本地ISDN交换机通过D信道发消息给被呼方

⏹被呼方的NT1设备发呼叫连接消息给其本地ISDN交换机

⏹被呼方的本地ISDN交换机使用SS7协议将呼叫连接消息传回呼叫方的本地ISDN交换机

⏹呼叫方的本地ISDN交换机指示呼叫方连接已建立，同时指明连接是建立在B1还是B2信道上

呼叫方

ISDN交换机

被呼方

Setup

SS7

SetupAcknowledge

Setup

SetupProceeding

Alerting

Connect

ConnectAcknowledge

服务提供商网络

五帧中继FR

1帧中继的组成和虚电路的概念

DTE1

OUT

A的交换表

OUT

帧中继交换机

中继线路

租用线路（T1/E1）

DTE3

DTE2

B的交换表

C的交换表

E的交换表

D的交换表

帧中继是一种基于分组交换的广域网技术，即发送方DTE将帧交给本地的FR交换机；帧被帧中继网络中的交换机以接力的方式转发；远端的FR交换机将帧交给接收方DTE

帧中继网络提供面向连接的服务，或者叫虚电路服务，即双方在正式通信之前有个连接建立的过程。

两个DTE通过帧中继网络建立起来的连接叫虚电路VC。

有两种类型的虚电路

⏹永久虚电路PVC由服务提供商预先配置好的VC，类似于租用线路

⏹交换式虚电路SVC根据需要动态建立的VC，类似于拨号线路，不常用

在连接建立阶段，帧中继网络会确定一条端到端的路径，通过在沿线的各个交换结点的虚电路表中添加一条与之相关的记录建立起一条虚电路。

我们可以认为虚电路是其沿线各交换结点的虚电路表中与之相关的记录串联而成的，虚电路表的格式大致如下（入端口号，虚电路号，出端口号，虚电路号），FR交换机根据帧中的虚电路号查虚电路表作出转发决定。

多个虚电路可以复用同一条物理通路，虚电路号用来区分同一物理通路上的多个虚电路，虚电路号仅仅具有本地意义，即同一条物理通路的虚电路不允许有相同的虚电路号

在上图中，有两条虚电路，VC1为（DTE1→A→B→C→DTE2），VC2为（DTE1→A→E→D→DTE3），从DTE1发往DTE2的帧刚出来时虚电路号为10，从A的2号端口出来时虚电路号为30，从B的3号端口出来时虚电路号为50，从C的2号端口出来时虚电路号为70

2对比帧中继和一般的分组交换网（如下图）

数据

确认

确认的

确认

a）一般的分组交换网

完全的差错控制

有限的差错控制

数据

确认

b）帧中继方式

完全的差错控制

⏹帧中继类似于X.25，被称为第二代X.25

⏹帧中继采用快速分组交换技术，即帧中继交换机收到一个帧的首部时，只有一查到帧的目的地址就开始转发它，从而大幅降低一帧的处理时间；这意味着当结点检测到错误时，很可能该帧的大部分已转发出去了；结点一旦检测到错误，立即终止这次传输，当中止传输的指令到达下一个结点时，下个结点也立即中止传输，并丢弃出错的帧，由源站的高层协议负责重传出错的帧，即帧中继不负责差错恢复和流量控制，所以仅当帧中继网络的误码率很低时，帧中继技术才是可行的

⏹帧中继网络的参考模型只有两层，逻辑连接的复用和交换都由第二层处理，不像X.25在第3层处理

⏹帧中继的呼叫控制信令是在与用户数据分开的另一条逻辑连接上传送的，这就是所谓的共路信令或带外信令

3帧中继网络的工作过程

虚电路

⏹用户在局域网上传送的MAC帧传到与帧中继网络相连接的路由器

⏹路由器就剥去MAC帧的首部和尾部，将IP数据报交给路由器的网络层

⏹网络层再将IP数据报传给帧中继接口卡

⏹帧中继接口卡给IP数据报加装首部（包括帧中继标志字段和地址字段）和尾部（包括帧校验字段和标志字段），构成一个帧中继帧

⏹帧中继接口卡将封装好的帧通过向电信公司租来的专线发送给帧中继网络中的帧中继交换机

⏹帧中继交换机收到帧中继帧就按地址字段中的虚电路号转发帧，有差错则丢弃

⏹当帧中继帧被转发到虚电路的终点路由器时，终点路由器就剥去帧中继帧的首部和尾部，加上局域网的首部和尾部，交付给连接在此局域网上的目的主机

⏹目的主机若发现有差错，则报告上层的TCP协议处理

⏹即使TCP协议对有错误的数据进行了重传，帧中继网也仍然当作是新的帧中继帧来传送，而并不知道这是重传的数据

4帧中继网络的参考模型

I.430ORI.431

Q.922

用户终端可选的功能

Q.931ORI.451

Q.922的核心功能

U平面

C平面

用户侧

网络侧

I.430ORI.431

（LAPF）

Q.922

（LAPF）

Q.922的核心功能

（D信道）

（D、B或H信道）

C平面

（D信道）

U平面

（D、B或H信道）

Q.931ORI.451

⏹控制平面C平面作用于用户和网络之间，负责建立、维持和释放逻辑连接

⏹用户平面U平面负责在两个端系统之间传递数据

⏹Q.922帧中继网络的数据链路层协议，通常被称为LAPF和LAPE，它是Q.921（也就是LAPD）的扩充版本。

用户平面仅使用了Q.922的核心功能，包括

✧帧定界、对齐，通过0比特填充法实现透明传输

✧利用地址字段实现对物理链路的复用和去复用

✧对帧进行检查，确保0比特插入前和删除后的帧长是字节的整数倍

✧对帧进行检查，确保帧长在规定的范围内

✧检查帧是否有错，但不负责纠错。

发现有错的帧只是丢弃，不做进一步处理

✧拥塞控制

⏹Q.931定义建立交换式虚电路SVC的呼叫过程

5帧中继网络数据链路层帧格式

1）用于传输用户数据的帧格式（数据帧）

标志

帧校验序列

信息（可变长度）

地址

2~4B

IP数据报

⏹标志字段标志字段的值为01111110，用来指示一帧的开始和结束，通过比特填充法确保在帧的其他位置不会出现和标志字段一样的比特组合

⏹信息字段用户数据被放置在信息字段，通常是一个IP包

⏹帧校验序列字段2字节的CRC校验码

⏹地址字段地址字段通常是2个字节，也可扩展至3个字节或4个字节。

地址字段包括以下几个部分

✧数据链路连接标识符DLCI用于标识永久虚电路

✧前向拥塞通告FECN若某节点将FECN位置1，表明与该帧同方向传输的帧会受到网络拥塞的影响

✧后向拥塞通告BECN若某节点将FECN位置1，表明与该帧反方向传输的帧会受到网络拥塞的影响

✧可丢弃指示DEDE比特为1的帧表明这是较为不重要的低优先级帧，在必要时可丢弃

✧地址扩展比特EA为0表示下一个字节仍属于地址字段，为1表示地址字段到此结束

2）用于管理目的的帧格式（信令帧）

用于管理目的的帧通过信令信道（DLCI=0）传输，格式如下图所示

标志

帧校验序列

信息

地址

2~4B

可变

控制

N（S）

N（R）

P/F

N（R）

I帧

S帧

U帧

控制字段格式（同HDLC）

信息字段格式

协议鉴别PD

呼叫参考CR

消息类型MT

消息单元1

消息单元2

…

FR信令帧格式

⏹信令帧不使用地址字段中的FECN、BECN和DE比特，这几位全部置0

⏹控制字段的格式同HDLC

⏹协议鉴别PD指示0号虚电路上的3层协议，比如该字段值为0X008时表示Q.931

⏹呼叫参考CR用来区分接口上的不同呼叫

⏹消息类型MT有8种消息，分别用于建立、释放、重置连接和PVC状态查询等

⏹消息单元反映虚电路状态的详细信息，每个消息单元对应一条虚电路

5帧中继的带宽管理

⏹相关的概念

接入速率AR指用户-网络接口的速率

约定的测量时间Tc计算数据速率的时间长度

约定的数据速率CIR通常由多个PVC统分复用同一条访问链路，每个PVC都分得了专属于它的带宽，这个带宽是有保障的，我们称之为约定的信息速率CIR

约定的突发量BcBc=CIR×Tc

额外的数据速率EIR帧中继网络允许用户以超过CIR的数据速率发送数据，超过的部分叫额外的数据速率EIR

额外的突发量BeBe=EIR×Tc

信息字段最大长度默认为1600B

⏹带宽管理策略

如果帧的速率总是小于CIR，那么所有的帧都被打上高优先级的标志，即将帧的DE比特置0。

这在一般情况下传输是有保证的；若数据率仅在不太长的时间间隔大于CIR，则网络可以将这样的帧置为DE=1，并在

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