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课程DA000003

广域网协议原理

ISSUE1.0

目录

课程说明1

课程介绍1

课程目标1

相关资料1

第1章广域网协议概述2

第2章HDLC协议原理4

第3章PPP、MP协议原理5

3.1PPP协议5

3.1.1PPP的组成部分6

3.1.2PPP协议栈7

3.1.3PPP协商流程8

3.1.4PAP/CHAP验证9

3.2MP协议11

第4章E1/CE1原理13

4.1E1/CE简介13

4.2E1的帧结构16

第5章POS原理18

5.1POS简介18

5.2POS协议栈21

课程说明

课程介绍

本课程主要介绍常见的广域网协议的原理，包括HDLC、PPP、MP、E1/CE1、POS。

在广域网概述部分介绍了广域网的概念和分类。

在具体的协议部分有各广域网协议的原理。

第1章广域网协议概述

广域网简称WAN（WideAreaNetwork），是在一个广泛范围内建立的计算机通信网。

广泛的范围是指地理范围而言，可以超越一个城市，一个国家甚至于全球。

因此对通信的要求高、复杂性也高。

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。

广域网是一种跨地区的数据通讯网络，使用电信运营商提供的设备作为信息传输平台。

对照OSI参考模型，广域网技术主要位于底层的3个层次，分别是物理层、数据链路层和网络层。

表1-1列出了常见的广域网技术同OSI参考模型之间的对应关系。

表1-1广域网技术同OSI参考模型之间的对应关系

OSI参考模型

WAN技术

NetworkLayer（网络层）

X.25

DataLinkLayer（数据链路层）

LAPB、FrameRelay、HDLC、PPP、SDLC

PhysicalLayer（物理层）

X.21bis、EIA/TIA-232、EIA/TIA-449、V.24V.35、EIA-530

本文所讨论的广域网连接的技术在当前的广域网连接里是两种最普遍的形式，是当前的主要技术。

2.点到点连接

广域网连接的一种比较简单的形式是点到点的直接连接，就像我们打电话时直接拨叫对方的电话号码与对方电话机直接连接一样。

这条连接被两个连接设备独占，中间不存在分叉或交叉点。

这种连接的特点是比较稳定，但线路相对利用率较低。

我们常见的点到点连接主要形式有：

拨号电话线路、ISDN拨号线路、DDN专线、E1线路等。

在这种点到点连接的线路上链路层封装的协议主要有两种：

PPP和HDLC。

PPP协议是华为路由器上的缺省封装。

3.分组交换方式

广域网连接的另外一种方式是多个网络设备在传输数据时共享一个点到点的连接，也就是说这条连接不是被某个设备独占，而是由多个设备共享使用。

网络在进行数据传输时使用“虚电路VC”来提供端到端的连接。

通常这种连接要经过分组交换网络，而这种网络一般都由电信运营商来提供。

常见的广域网分组交换形式有X.25、帧中继（FrameRelay）、ATM等。

分组交换设备将用户信息封装在分组或数据帧中进行传输，在分组头或帧头中包含用于路由选择、差错控制和流量控制的信息。

第2章HDLC协议原理

高级数据链路控制HDLC是一种面向比特的链路层协议，其最大特点是不需要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。

HDLC的地址字段是8个比特，在平衡方式时总是写入应答站的地址。

控制字段8比特，用来实现HDLC协议的各种控制信息，并标识本帧的类型。

在标准HDLC协议格式中我们可以看到，它没有包含标识所承载的上层协议信息的字段，所以在链路层封装标准HDLC协议的单一链路上只能承载单一的网络层协议。

第3章PPP、MP协议原理

3.1PPP协议

PPP（Point-to-PointProtocol）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。

PPP由于能够提供验证，易扩充，支持同异步而获得较广泛的应用。

PPP协议具有以下特点：

●PPP协议是数据链路层协议；

●支持点到点的连接（不同于X.25,FrameRelay等数据链路层协议）；

●物理层可以是同步电路或异步电路（如FrameRelay必须为同步电路）；

●具有各种NCP协议，如IPCP，IPXCP更好地支持了网络层协议；

●具有验证协议PAP/CHAP，更好的保证了网络的安全性。

3.1.1PPP的组成部分

PPP主要由两类协议组成：

链路控制协议族（LCP）和网络层控制协议族（NCP）。

链路控制协议主要用于建立，拆除和监控PPP数据链路，网络层控制协议族主要用于协商在该数据链路上所传输的数据包的格式与类型。

同时，PPP还提供了用于网络安全方面的验证协议族（PAP和CHAP）。

链路控制协议（LCP）：

建立、配置、测试PPP数据链路连接；

网络控制协议族（NCPs）：

协商在该链路上所传输的数据包的格式与类型，建立、配置不同网络层协议；

PPP扩展协议族：

提供对PPP功能的进一步支持。

3.1.2PPP协议栈

PPP是一个分层结构。

在底层，它能使用同步媒介（如ISDN或同步DDN专线），也能使用异步媒介（如基于Modem拨号的PSTN网络）。

在数据链路层，PPP在链路建立方面提供了丰富的服务，这些服务以LCP协商选项的形式提供。

在上层，PPP通过NCPs提供对多种网络层协议的支持。

PPP对于每一种网络层协议都有一种封装格式来区别它们的报文。

3.1.3

PPP协商流程

PPP协商分为几个阶段：

●Dead阶段

●Establish阶段

●Authenticate阶段

●Network阶段

●Terminate阶段

在不同的阶段进行不同协议的协商。

只有前面的协议协商出结果后，才能转入下一个阶段，进行下一个协议的协商。

（1）当物理层不可用时，PPP链路处于dead阶段，链路必须从这个阶段开始和结束。

当物理层可用时，PPP在建立链路之前首先进行LCP协商，协商内容包括工作方式是SP还是MP、验证方式和最大传输单元等。

（2）LCP协商过后就进入Establish阶段，此时LCP状态为Opened，表示链路已经建立。

（3）如果配置了验证（远端验证本地或者本地验证远端）就进入Authenticate阶段，开始CHAP或PAP验证。

（4）如果验证失败进入Terminate阶段，拆除链路，LCP状态转为Down；如果验证成功就进入Network协商阶段（NCP），此时LCP状态仍为Opened，而IPCP状态从Initial转到Request。

（5）NCP协商支持IPCP协商，IPCP协商主要包括双方的IP地址。

通过NCP协商来选择和配置一个网络层协议。

当选中的网络层协议配置成功后，该网络层协议就可以通过这条链路发送报文了。

（6）PPP链路将一直保持通信，直至有明确的LCP或NCP帧关闭这条链路，或发生了某些外部事件（例如，用户的干预）。

3.1.4PAP/CHAP验证

PAP验证为两次握手验证，口令为明文，PAP验证的过程如下：

被验证方发送用户名和口令到验证方；

验证方根据用户配置查看是否有此用户以及口令是否正确，然后返回不同的响应（AcknowledgeorNotAcknowledge）。

如正确则会给对端发送ACK报文，通告对端已被允许进入下一阶段协商；否则发送NAK报文，通告对端验证失败。

此时，并不会直接将链路关闭。

只有当验证不通过次数达到一定值（缺省为4）时，才会关闭链路，来防止因误传、网络干扰等造成不必要的LCP重新协商过程。

PAP的特点是在网络上以明文的方式传递用户名及口令，如在传输过程中被截获，便有可能对网络安全造成极大的威胁。

因此，它适用于对网络安全要求相对较低的环境。

CHAP验证为三次握手验证，口令为密文（密钥），CHAP验证过程如下：

（7）验证方向被验证方发送一些随机产生的报文，并同时将本端的主机名附带上一起发送给被验证方；

（8）被验证方接到对端对本端的验证请求（Challenge）时，便根据此报文中验证方的主机名和本端的用户表查找用户口令字，如找到用户表中与验证方主机名相同的用户，便利用接收到的随机报文、此用户的密钥用Md5算法生成应答（Response），随后将应答和自己的主机名送回；

（9）验证方接到此应答后，利用对端的用户名在本端的用户表中查找本方保留的口令字，用本方保留的口令字（密钥）和随机报文用Md5算法得出结果，与被验证方应答比较，根据比较结果返回相应的结果（ACKorNAK）。

它的特点是只在网络上传输用户名，而并不传输用户口令，因此它的安全性要比PAP高。

3.2

MP协议

MP是MultiLinkPPP的缩写，是人们出于增加带宽的考虑，将多个PPP链路捆绑使用产生的，简称MP。

MultiLinkPPP允许将报文分片，分片将从多个点对点链路上送到同一个目的地。

●MP方式下链路协商过程

1）首先和对端进行LCP协商，协商过程中，除了协商一般的LCP参数外，还验证对端接口是否也工作在MP方式下。

如果对端不工作在MP方式下，则在LCP协商成功后，进行一般的NCP协商步骤，不进行MP捆绑。

2）然后对PPP进行验证，得到对方的用户名。

如果在LCP协商中得知对端也工作在MP方式下，则根据用户名找到为该用户指定的虚拟接口模板，并以该虚拟模板的各项NCP参数（如IP地址等）为参数进行NCP协商，物理接口配置的NCP参数不起作用。

NCP协商通过后，即可建立MP链路，用更大的带宽传输数据。

一个PPP通道如果在LCP中协商了如下参数，则它能被绑定为MP的一个子通道：

●MRRU（MaximumReceivedReconstructedUnit）：

最大接收重组单元，与普通PPP中的MRU参数类似。

●SSNHF（ShortSequenceNumberHeaderFormat）：

短序列号MP报文头。

这是可选参数。

●终端描述符（EndpointDiscriminator）：

唯一标志一个网络实体（路由器、主机等）的字符串。

只有终端描述符相同的PPP通道可以绑定到同一个MP。

如PPP配置了用户验证功能，则MP子通道在验证通过后，就要把自己绑定到一个MP上。

用于绑定的标志有两个：

用户名和终端描述符。

第4章E1/CE1原理

4.1E1/CE简介

多年来，通信系统特别是电话系统一直在飞速发展，即使是现在，语音通信仍然在通信总量中占据主导地位。

为了满足日益增长的对传输速率的要求，人们一直在寻求各种解决方法来提供高质量、低成本的通信系统。

60年代，数字系统出现后，PCM、TDM技术在通信系统中得到了广泛的应用，并一直持续到今天。

在PDH中，以两种基本的PCM通信系统作为其基础，一种是由ANSI推荐的T1系统，一种是ITU-T推荐的E1系统。

T1系统主要在北美得到广泛使用（日本采用的J1，与T1基本相似），而欧洲以及中国使用的则是E1系统。

虽然最初E1/T1系统主要用在语音通信上，但是随着通信技术的发展，它们也开始更多的用在数据通信上。

目前我司的路由器中，大部分的中低端路由器及部分的高端路由器都支持E1/T1接口，以扩展广域网接口的种类及数量，提供高密度的低速信号的接入。

PCM，即脉冲编码调制。

正如前面所说，E1&T1开始时主要用在话音通信中，主要作用是用一路数字信号来承载多路“话音”信号。

而语音信号初始时是模拟信号，并不能直接的插入E1&T1的时隙中，必须进行模数转换，PCM就是完成这个功能的。

它通常包含三个过程：

抽样、量化和编码。

首先，要把模拟信号变成时间轴上离散的信号，抽样定律表明，对于频带限制在0～f（HZ）的低频信号来说，在信号的最高频率分量的每一个周期内起码抽样两次，也就是说，抽样速率fs>=2f（HZ），就可以用抽样所得的离散信号完全代替原来的信号。

对于0.3～3.4（KHZ）的语音信号，若抽样频率fs>=8000（HZ），就能用这些离散的样值取代原来连续的语音信号。

连续信号经抽样后，要将这样的值编成对应的数字码组,现在一般常用的量化方法有两种:

一种是北美和日本的u律压扩（15折线法分段）；令一种是欧洲和我国采用的A律压扩（13折线法分段）。

T1系统采用u律压扩方法，它有24个时隙。

E1系统采用A律压扩，它有32个时隙。

将量化后的数据进行编码,就实现了将模拟信号变化成64K标准速率的PCM信号了，我们通常称其为DS0（digitalsignal-levelzero）。

量化后的信号并不能直接就传输，它还必须经过TDM（时分复用），将DS0信号复接在E1或T1的DS1（digitalsignal-levelone）帧中，即将64K的低速信号复接成2.048（E1）或1.544M（T1）的高速信号再进行传输。

所谓时分复用，是将某一信道按时间加以分割，各路信号的抽样值依一定的顺序占用某一时间间隔（也称作时隙），即多路信号利用同一个信道在不同的时间进行各自独立的传输。

时分复用与频分复用一样，实现了一个信道传输多路信号的目的。

也就是说若干路数字（或模拟）信号可以采用时分复用方式以一定的结构形式复接成一路高速率的复合数字信号－群路信号。

根据时分复用的概念，将时间分成若干时隙。

第一个时隙TS1传送第一路信号，第二个时隙传送第二路信号等等。

这些组合信号则构成了一个帧，在下一帧仍按原规则依次送各路信号。

实际上数字复节有两种不同的帧结构，一种是每路分配一个短时隙，每时隙送1bit码字，因而称这种复接为bit复接；另一种每路分配一个较长的时隙，每时隙传送由若干bit组成的码字，称这种复接为码组复接。

E1&T1系统采用的是码组复接，其结构如图所示（以T1为例，E1与T1的区别仅仅是时隙不同而已，T1有24个时隙，而E1有32个时隙）。

4.2

E1的帧结构

E1系统采用的是帧同步的方式，固定用0时隙来传送帧同步信号。

因此，在使CE1时，我们会发现实际使用的时隙只能是1－31时隙。

而T1采用的比特同步的方式，它的第193比特就是用作帧同步用的，因此，T1在用作CT1时是可以使用全部的24个时隙的。

在E1系统中采用帧对齐信号FAS（FrameAlignmentSignal）提取帧同步。

FAS是特殊的编码序列，它具体编码为x0011011。

0时隙作为E1系统的同步时隙，其偶数帧的0时隙专用于传送FAS信号。

E1系统从线路上接收数据时，如果E1调帧器FRAMER识别出FAS，就将FAS所在的时隙作为偶数帧0时隙，从E1调帧器恢复出来的帧同步信号在进入0时隙之前的一个时钟出现。

偶数帧0时隙的信号称为FAS，而奇数帧0时隙的信号称为NFAS，NFAS的特征是第二个比特为1，通过NFASbit2可以避免NFAS与FAS互相混淆。

如果连续3次在偶数0时隙没有收到FAS，或者连续3次收到奇数帧NFASbit2不为1，则表示已经失去同步，必须重新进行同步。

具体的同步过程一般是由调帧器FRAMER根据ITU-T定义的标准协议自动完成，不需要进行干预。

E1相当于一个不分时隙、数据带宽为2M的接口，其逻辑特性与同步串口相同，支持PPP、帧中继等链路层协议，支持IP网络协议。

但有时，我们可能希望同一条2M链路可以同时向好几个用户提供专线服务，因此产生了cE1接口。

CE1在物理上分为32个时隙，对应编号为0～31。

其中的31个时隙可以被任意地分成若干组（时隙0用于传送帧同步信号，不能被捆绑），每组时隙捆绑以后作为一个接口（channel-group）使用，其逻辑特性与同步串口相同，支持PPP、HDLC、FR、LAPB和X.25等链路层协议，支持IP等网络协议。

第5章POS原理

5.1POS简介

POS是一种新出现的在SONET/SDH上承载IP和其他数据包的传输技术。

POS将长度可变的数据包直接映射进SONET同步载荷中，使用SONET/SDH物理层传输标准，提供了一种高速、可靠、点到点的数据连接。

可以应用于2层、3层的交换机和路由器。

在IPoverSONET/SDH结构中，POS链路在相连的高速路由器间提供了一条高带宽的通道。

SONET（SynchronousOpticalNetwork）同步光学网络，是ANSI定义的同步传输体制，包含一组以51.840Mbps（STS-1）为基数的速率，如STS-3（155.520）、STS-9（466.560）、STS-12（622.080）、STS-18（933.120）、STS-24（1,244.160）、STS-36（1,866.240）、STS-48（2,488.320）。

SONET是一种全球化的标准传输协议。

它通过工业标准化接口提供了强大，速率可选的传输机制。

SDH（SynchronousDigitalHierarchy）同步数字系列，是CCITT定义的，它使用了SONET速率的一个子集。

基本速率是155.520Mbps（STM-1），以4的倍数递增如STM-4（622.080）、STM-16（2,488.32）。

5.2

POS协议栈

IP数据包首先被封装进PPP协议包，然后根据RFC1662使用HDLC-like格式化成POS帧，最后同步地将字节流映射进SONET/SDH的同步载荷中。

RFC1619“PPPoverSONET/SDH”和RFC1662“PPPinHDLC-likeFraming”描述了将PPP以OC-3/STM-1、OC-12/STM-4和OC-48/STM-16的速率映射到SONET/SDH上的标准。

除PPP外，也可以采用Frame-Relay和CiscoHDLC等链路层协议进行封装。