第4章理解网络设计广域网和接入网技术.docx

1、第4章理解网络设计广域网和接入网技术4-1 广域网技术 24-1-1 X25公用数据网 24-1-2 帧中继（FR） 24-1-3 综合业务数字网（ISDN） 34-1-4 多兆位数据服务（SMDS） 54-1-5 异步传递方式（ATM） 64-1-6 点对点协议 74-1-6-1串行线IP（SLIP） 74-1-6-2 点对点协议（PPP） 74-1-6-3 PPP多链路协议 84-1-7 租用线路 94-1-8 E1信道 104-1-9 同步数字系列（SDH） 114-2 接入技术 114-2-1 拨号接入 124-2-2 xDSL接入 134-2-3 光纤同轴混合网接入 144-2-4

2、光纤接入 174-2-5 无线接入 184-2-5-1 扩频技术 194-2-5-2 IEEE 802.11 194-2-5-3 无线应用协议（WAP） 204-2-5-4 蓝牙 204-2-5-5 Ad hoc网络 204-2-5-6 无线网中的IP地址 214-3 小结 214-4 习题和思考题 21第4章 理解网络设计：广域网和接入网技术 随着应用需求对网络的要求不断增加，要求企业网覆盖的范围越来越大。如要将某跨国公司分布于全世界的各个分支机构的网络连接起来以形成企业网，就需要采用广域网技术了。设计这种企业网时，我们就要利用广域网技术将分布于不同地点的许多场点连接起来，此时广域网技术必不

3、可少。本章将重点讨论广域网技术的有关概念问题。所谓用户接入网就是在用户家中的电话、主机或电视机与宽带主干网之间的一个中间网络，它起到接口作用，目的是使用户能够方便和经济地享用各种宽带服务。在本章中，我们也将讨论用户接入网的相关技术问题。 本章的4-1节讨论了一些用于建立大规模网络的广域网技术。4-2节讨论了用户与Internet服务提供商（ISP）相连的接入技术。有了第3章和第4章的基础，我们才有可能在第5章中，讨论如何利用这些技术和相关设备来处理网络的异构性，并使该网络具有扩展性能力。 4-1 广域网技术 广域网中用来传输数据的协议主要有6种：X.25、帧中继、ISDN、SMDS、ATM和P

4、PP。下面简单介绍这几种广域网协议。 4-1-1 X25公用数据网 X.25能够提供可靠的虚电路服务，它内置了许多差错检测和恢复机制，因此能够保证数据发送端到端的可靠性。但使用X.25网络的人已经越来越少了，这是因为X25提供分组交换数据率只能达到56kbs，这个速率难以满足现在的应用需求。 X.25协议定义了一个数字终端设备（DTE）与数字通信设备（DCE）即分组交换网的接口，并且对如何将实际数据从一个地方传送到另一个地方没有作出要求。X.25接口有三个层次。在最下面的物理层，接口标准采用的是X21建议书。第二层是数据链路层，采用的接口标准是平衡型链路接入规程LAPB。第三层是分组层，在这一

5、层上，可建立多条逻辑信道（04095号）的虚电路并进行通信（参见图4l）。 4-1-2 帧中继（FR） 帧中继技术是从X.25分组交换技术演进而来的。在X.25网络发展初期，网络传输设施基本是借用了模拟电话线路，这种线路非常容易受到噪声的干扰而产生误码。为了确保传输无差错，X.25在每个结点都需要作大量的处理。例如，X.25的数据链路层协议LAPB保证了帧在结点间无差错传输。只有当收到的帧己进行了正确性检查后，才将它交付给第3层协议。对于经历多个网络结点的帧，这种处理帧的方法会导致较长的时延。除了数据链路层的开销，分组层协议为确保在每个逻辑信道上按序正确传送，还要有一些处理开销。在一个典型的X

6、.25网络中，分组在传输过程中在每个结点大约有30次左右的差错检查或其他处理步骤。今天的数字光纤网比早期的电话网具有低得多的误码率，因此，我们完全可以简化X.25的某些差错控制过程。如果减少结点对每个分组的处理时间，则各分组通过网络的时延亦可减少，同时结点对分组的处理能力也就增强了。 帧中继就是一种减少结点处理时间的技术。帧中继的原理很简单。这就是：我们假定帧的传送基本上不会出错，因此只要一得知某帧的目的地址就立即开始转发该帧。也就是说，一个结点在接收到帧的首部后，就立即开始转发该帧的某些部分。这样，在一个帧中继网络中，某结点在收到一个帧时，大约只需执行6个检错步骤。这显然减少了帧在结点的时延

7、。实验结果表明，采用帧中继时，对一个帧的处理时间可以减少一个数量级。这种传输数据的帧中继方式也称为X25的流水线方式，但帧中继网络的吞吐量却要比X25网络的提高一个数量级以上（参见图4.2）。 当帧中继检测到有误码的结点要立即中止这次传输。当中止传输的指示到达了个结点后、下个结点就立即中止该帧的传输，并丢弃该帧。即使上述出错的帧已到达了目的结点、用这种丢弃出错帧的方法也不会引起不可弥补的损失。不管是上述的哪一种情况，源站将用较高层的协议请求重发该帧。帧中继网络纠正一个比特差错所用的时间要比传统的分组交换网稍多一些。因此，仅当帧中继网络本身的误比特率非常低时，帧中继技术才是可行的。由于光纤通信的

8、误码率降低，为提高网络速率，省去了很多在X.25分组交换中的纠错功能。使帧中继的性能优于X25的性能。帧中继可提供中速到高速的数据接口，可用于专用网和公共网，但只能用于数据传输。 帧中继网络常被设计为如图43所示的集中式拓扑结构。这种拓扑的特点是中心的路由器仅通过一条与广域网的物理连接就可以与多个远地站点建立逻辑连接了。这在中心路由器具有大量连接的情况下，能够保持较少的端口（插槽），简化了安装和管理。 这种集中式拓扑结构存在着水平分割的问题。这使距离向量选路协议不在接收信息的端口重复该信息，这意味着图43中的网络3不能获得其他与中心路由器相连的其他网络的信息，反之亦然。原因是中心路由器仅在广域

9、网接口向网络1广播选路表。 解决该问题的一种方法是关闭选路协议的水平分割功能。例如使用Cisco9。路由器的IGMP协议时，就能够关闭水平分割特性，使各网络能够得到彼此的路由信息。另一个解决方案是在每个场点之间用物理电路实现完全的网状设计，这使解决方案的成本大大增加。还有一种解决方案是使用子接口。子接口是与物理接口相关联的逻辑接口。采用这个方法，中心路由器以逻辑子接口代替物理子接口应用水平分割规则。使用子接口的一个缺点是路由器的配置很复杂，另一个缺点是需要更多的网络地址，此外在广域网和路由器上会产生更多的广播量。因此，需要限制子接口的范围，以确保每条链路上的广播通信量不能大于总通信量的20。

10、4-1-3 综合业务数字网（ISDN） ISDN可以为用户提供一种较高速率接入Internet的手段。ISDN与普通电话相比有如下特点（参见表4.1）。ISDN定义了一些标准化的通路：A信道为 4 kHZ带宽的标准模拟话路；B通路为64 kb/s的数字PCM话音或数据通路；C通路为8或16kb/s的数字通路；D通路为16或64 kb/s用作带外信令的数字通路； E通路为 64 kbS为内部 ISDN信令使用的数字通路； H通路为384kbs， 1538kbs或 1920 kbs的数字通路。 在ITU-T规定的标准化组合中，以下两种是最重要的： 基本速率 2B D144kbs，其中 D通路为 1

11、6 kbs。这种速率是为了给家庭或小单位提供的服务而设计。这里一个B通路用于电话，而另一个B通路用于传送数据。 一次群速率 23B D（美国和日本）或 30B D（欧洲），其中 D通路为 64 kb/s。一次群速率可适应北美的T1系统（1544 Mb/s）或欧洲E1系统（2.048 Mb/s）。 B通路可支持电路交换的数字电话和数据等业务，也可支持分组交换的数据。 ISDN是数字连接，不能使用标准的模拟调制解调器，而要使用一种称为“终端适配器”的专用设备。它有如下几种类型：内部接口卡、外部串行接口卡和外部USB接口卡。终端适配器是一种专用、高速串行设备，吞吐量可高达1152kbs，此外，它还能

12、支持多种模拟设备，如电话机和传真机。 图4.4给出 ISDN的典型配置。用户设备通过第1类网络端接设备（NT2）与ISDN交换机用双绞线相连（它们之间可能有数公里远）。连到NT1的用户设备可像总线LAN的那种连接多达8个。NT1是个物理层的设备，它具有网络管理、测试和性能监控的功能。它必须保证用户的每一个设备都具有惟一的地址。NT1还能解决多个用户设备同时争用总线时应让哪个设备优先的问题。拥有较多电话和终端的大单位需使用ISDN专用小交换机PBX，即第2类网络端接设备NT2。 ISDN PBX可直接与 ISDN电话或 ISDN终端相连。但非 ISDN终端要和 ISDN PBX相连，必须通过终端

13、适配器TA。 TA可通过EIA232接口与非ISDN终端相连。在图4.4中还显示了在ITUT在I.411建议书中定义的在不同设备之间的四种参考点，即 U参考点：采用双绞线(以后当然可能用光缆来代替）连接ISDN交换机和NT1。 T参考点：NT1与用户设备的接口。 S参考点： NT2（ISDN PBX）和 ISDN终端的接口。 R参考点：终端适配器TA与非ISDN终端的接口，这也可以有多种接口。 ISDN的物理层采用独特的8针连接器。发送和接收各占两条线。另外4条线是为NT1或NT2向终端供电用。这种ISDN电缆的长度可达1km。 4-1-4 多兆位数据服务（SMDS） 多兆位数据服务（SMDS

14、）提高了速度、可靠性和城域的电话用户服务以及广域数据传输服务，是应高速传输的需求而产生的技术。 IEEE 8026标准描述了一种称为分布式队列双总线（DQDB）的网络拓扑结构， SMDS则是基于 IEEE 802.6标准的技术。 DQDB具有一个由两条总线构成的环状拓扑结构，可用于连接LAN。SMDS是一种区域应用的数据传输标准，它定义了电话用户网络接口（SNI）和 SMDS接口协议（SIP）。 SNI的功能是作为数据在用户和传输设备之间的出入点，通过它与接口规格一致，使用户和网络有效地通信，这与ISDN或X25等网络协议作用相似。 SIP是一种三层协议，SIP第一级提供了物理数据传输而且通常

15、以DS-1（1.544Mbs）或DS-3(44.736Mb/s)的速率执行。SIP第二级定义了框架格式，包括数据传输和首部和跟踪器。第二级的功能包括检错、分段和重新组织不定长度的SIP第三级PDU。SIP第三级首部固定为53字节。第三级PDU包括从源到目的地经由SMDS网络可靠传输的用户信息附加地址和控制信息。SIP第三级PDU可以包含长达9188字节的数据。 Bellcore规格建议了一个用SMDS互连TCP/IP终端系统的方案（参见图4.5）。终端系统A包括高层、TCP、IP和附属LAN上的特定MAC层。终端系统B也包括较高的TCP层和IP层，但较低层用SIP和SMDS网络连接。一个路由器

16、将LAN和SMDS网络连接在一起，一边连接 LAN MAC层，另一边连接 SMDS SIP层。 4-1-5 异步传递方式（ATM） 异步传递方式（ATM）是由ATM论坛设计的用于重构数据通信基础设施的技术。它支持通过高速传输媒体如光纤来传输数据、话音和图像。ATM采用的是面向连接的通信方式，能够提供各种服务质量。ATM能够用于 LAN和广域网，有 155 MbS和 622 MbS两种规格。ATM是作为IP协议的竞争者提出来的。近年来，Internet取得了极大的成功，而ATM在LAN范围内取代其他技术的尝试以失败告终，这在很大程度上使得“IP与ATM”之间的争论更有利于IP。但ATM仍是广域范

17、围内的重要技术，并且广泛运用于IP的底层，但是它不大可能取代IP作为全球网络互连的核心协议的地位。 在ATM网中，使用了一种称为信元（cell）的短分组格式。信元长度固定为53字节，48字节是用户信息，5字节为信元首部。使用固定长度信元的好处是，便于用硬件来实现网络信息流量的高速交换。 在ATM网络中可以建立永久虚电路PVC或交换虚电路SVC连接。使用路由表保持每个网络中的连接，其目的地选择取决于信元首部的信息，基于硬件的交换可以很快地将信元传送到目的地。 ATM提供两类传输连接：虚通路和虚路径。虚通道是通过网络的一个单独的连接。VCI用于标志连接中的信元。虚路径是由很多虚通道组成的，它们共享

18、一条通过网络的公共路径；它通过信元首部中的虚路径标志符VPI来标志。用VPI将许多连接集合在一起，其管理和控制功能对于一组连接仅执行一次，使网络操作处于更有效的方式。在交换任何数据以前，必须确定虚连接的路径。当路径确定好之后，建立连接才能使用，信息流的服务质量要靠资源预留，以确保要建立起来的路径可以提供服务所需要的带宽。 ATM论坛定义了下列服务种类： 恒定比特率CRB 实时可变比特率rt-VBR 非实时可变比特率nrt-VBR 可用比特率ABR 不指明比特率UBR CRB类型提供一种恒定的最大带宽配置以用于对时间敏感的应用连接。这种应用不会占用带宽最大值，但需要时则是能够保证的。这种服务类型

19、适合对实时有要求的应用，如音频、视频等多媒体应用。实时VRB服务类型也是为时间敏感的应用提供高等级的服务，但这些应用不要求始终保持一个恒定的比特率。非实时VRB服务类型和实时VRB在性质上相似，都是预期有突发的流量，但它对时延没有严格的约束。这两类VRB类型用于采取压缩技术的声音，基于事务处理的应用，如预约系统或传递帧中信息流。ABR类型是为根据网络状态而增加或减少流量级别设计的。即这些应用对有效带宽的要求并不严格。这种类型的连接可以制定一个最小需求的带宽级别，但可以使用网络为它提供的较高的有效带宽。典型的应用如 LAN连接和分布式文件服务。 UBR服务类型表现一种“尽力”的连接，其针对的应用

20、可不必考虑带宽和服务质量。这种服务适用于将信息流从一个地方送到另一个地方，但又不是很急迫的应用。例如，文件备份、电子邮件等。 IP和 ATM之间关系的一个有趣的发展就是多协议标记交换（MPLS，MultiProtocol Label Switching）的出现。这项技术正在成为IETF的标准，它的出发点是多个协议，特别是IP交换和标签交换。这些各种标签交换技术的基本思想是把用于ATM的转发算法和用于IP的控制协议结合起来。进一步内容请参见3-2-8-2节“多协议标记交换”的内容。 4-1-6 点对点协议 多年来，数字和模拟租用线路一直是主机到主机、LAN 到 LAN连接的主要手段，这些也是广域

21、网连接的主要解决方案。在这些拓扑结构上开发出两个支持基于TCPIP的数据传输的协议是串行线IP（SLIP）和点对点协议（PPP）。 4-1-6-1串行线IP（SLIP） SLIP定义了在串行线上构造IP数据报的协议（参见RFC 1055）。 SLIP不是Internet的标准，但它提供了其他协议没有的功能。 SLIP定义了两个字符：END(c0H)和ESC(dbH)。传送时，SLIP开始传送IP数据报，它用2字节的ESC（dbH）与dcH来代替与报文中所有END字符；用2字节的dbH和ddH代替报文中所有ESC字符。完成数据传输后，再发送一个END字符。当然，接收方也需要用此规则来恢复报文（参

22、见图46）。 SLIP没有对分组的最大长度作定义，任何使用 SLIP工作的结点，在传输前必须保证分组大小与链路两端相匹配。此外，应当注意到该协议对链路的差错没有任何保护。 对 SLIP的一种改进是压缩 SLIP（CSLIP）（RFC 1144）。它使用 Van Jacobson首部压缩，这项技术减少了要传输的较高层内容，能够部分补偿传输系统的低速。 4-1-6-2 点对点协议（PPP） 点对点协议 PPP（PointtoPoint Protocol）由三个部分组成： （1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶检验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路。 （2）一

23、个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP（Link Control Protocol）。通信的双方可协商一些选项。RFC 1661定义了11种类型的LCP分组。 （3）一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol），支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、 DECnet以及AppleTalk等。 PPP的帧格式和 HDLC的相似（见图4.7）。PPP帧的前3个字段及最后两个字段和 HDLC的格式是一样的。标志字段F仍为0x 7E，但地址字段A和控制字段C都是固定不变的，分别为0xFF和0x 03。PPP不是面向比特的，因而所有的PPP帧长度都是整

24、数字节。与HDLC不同的是多了一个2个字节的协议字段。当协议字段为0x 0021时，信息字段就是 IP数据报。若为0x C021，则信息字段是链路控制数据，而0X8021表示这是网络控制数据。 因PPP是面向字符的，因此它不能采用HDLC所使用的零比特填充法，而是使用一种特殊的字符填充法。具体的做法是将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列（0x7D，0x5E）。若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变成为2字节序列（0x7D，0x5D）。若信息字段中出现ASCll码的控制字符（即小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节。这样做的目的是防止这些形式上的AS

25、CII码控制符（在这里实际上已不是控制符了）被错误地解释为控制符。 PPP不提供使用序号和确认的可靠传输。在噪声较大的环境下，如无线网络，则应使用有编号的工作方式。当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。这时，PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。这些分组及其响应选择了将要使用的一些PPP参数。接着就进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址。这样，PC机就成为Internet上的一个主机了。当用户通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

26、当线路处于静止状态时，并不存在物理层的连接。当检测到调制解调器的载波信号，并建立物理层连接后，线路就进入建立状态。这时LCP开始协商一些选项。协商结束后就进入鉴别状态。若通信的双方鉴别身份成功，则进入网络状态。NCP配置网络层，分配IP地址。然后就进入可进行数据通信的打开状态。数据传输结束后就转到终止状态。载波停止后则回到静止状态。 4-1-6-3 PPP多链路协议 在某些情况下，一个广域网可以向终端用户应用提供多条逻辑链路，ISDN就是一个例子。它能提供多路载体（或B）通道来传输应用数据。在一个ISDN基准速率接口（BRI）的情况下，终端用户看见两条B通道，每个带宽为64kbs，总带宽为12

27、8kbS。X.25和帧中继也有这种多个虚通道的能力。 PPP多链路协议能力提供“分割、混合和经过多路逻辑数据链路排序的一种方法”（参见RFC 1990），提供一种能轮流将分组发送给单独的链路加上将单独的数据流混合发送给一个接收者的技巧，使高速应用能应用多条链路。这种功能是通过在PPP框架里加上一个2字节或4字节的顺序首部来实现的。定义了两种格式，即支持长顺序数字和短顺序数字（参见图4.8）。PPP协议中的协议域中用003dH来识别PPP多链路协议。2字节和4字节的顺序首部都包含两个一位标志以指明该片是一个 PPP的开始（Bl）或结束（E1），然后是一个24位或 48位号码。默认的情况是4字节的

28、首部（带有24位顺序号）。在与链路的另一端协商时，也可以使用2字节。 4-1-7 租用线路 企业租用专线建立点对点的专用连接由来已久。例如为了要将一个分支部门与总部连接起来，可以从电信部门长期租用一条专用数字线路，这可能要比拨号使用长途高带宽网络要经济得多。 这条租用线路包含一条端到端贯穿全程的物理线路，这条线路只供租用者专用，而不与其他人共享。在两个端点之间没有呼叫设置，需要使用时就可以建立连接，通常线路可靠性更高。 如果租用的是模拟线路，连接网络就需要使用调制解调器。数字专线可以提供56 kbs。64kbs、E1或更高的速率，使用的设备称为通道服务单元CSU和数据服务单元DSU，有时还要结

29、合使用路由器的功能（参见图49）。 无论选择哪种广域网技术，一个必须考虑的设计步骤是选择广域网必须提供的信道容量。对所需信道容量的分析请参考第5章的内容。这里仅对不同的广域网带宽标准作简要介绍。 目前常见的标准有三种。一是北美的T系列标准，二是欧洲的E系列标准，再就是统一这两种标准的基于光纤的同步数字系统（SDH）或同步光纤网（SONET）标准。我国电信采用的是欧洲的E系列标准。这三种标准的主要参数可参见表42。 4-1-8 E1信道 目前数字传输系统采用的是脉码调制（PCM， Pulse Code Modulation）体制。 PCM技术能使电话局之间一条中继线不是只传送一路电话，而是可以传

30、送几十路的电话。PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM （简称为E1）。T1的速率是 1544 Mbs， E1的速率是 2.048 Mbs。 为了有效地利用传输线路，通常总是将许多个话路的PCM信号用时分复用的方法装成帧（即时分复用帧），然后再送往线路一帧接一帧地传输。图4.10说明了E1的时分复用帧的构成。 E1的一个时分复用帧（其长度T125 s）共划分为 32相等的时隙，时隙的编号为CHOCH31。时隙CH0用作帧同步用，时隙CH16用来传送信令（如用户的拨号信令）。可供用户使用的话路是时隙CH1CH15和CH17CH31，共30个时隙用作

31、30个话路。每个时限传送8比特。因此整个的32个时隙共用256比特。每秒传送8000个帧，因此PCM一次群 E1的数据率就是 2048 Mbs。 北美使用的T1系统共有24个话路。每个话路的取样脉冲用7比特编码，然后再加上1位信令码元，因此一个话路也是占用8比特。帧同步码是在24路的编码之后加上1比特，这样每帧共有 193比特。因此 T1一次群的数据率为 l544 MbS。 如果需要有更高的数据率，可以采用复用的方法。例如，4个一次群就可以构成一个二次群。表4.2给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。日本的一次群用T1，但自己另有一套高次群的标准。 4-1-9 同步数字系列（SDH）

32、SDH是在光纤上高速传输分组或信元的物理网络层国际规范。SDH是从SONET（同步光纤网）发展而来的，它的STS1（同步传输信号级别1）是它的基本构件。SDH已广泛用于电信公司的网络中，ATM和分组交换网都可以基于SDH。为了传输分组，SDH网络常在数据链路层使用PPP协议，在网络层使用IP协议。而且SDH也能为新的网络服务提供所要求的高速率、低时延和低差错率的要求。 SDH的一个主要目标是为北美T系列和欧洲的E系列定义一个更高的传输速度，使它们统一于STSl的51.84 MbS速率，并且减少这些系统的不兼容性问题。 SDH的另一个目标是更有效地支持各独立信号的多路复用和多路分解。SDH很容易从多路复用电路中分离出一个信道。例如，从传输多路电话信道的干线分离出一个电话信道，而对准同步系统，从较高速率中直接分离出一个电话信道则比较困难。 SD