知识图谱

“广域网”是指地理范围较大，通常跨越城市之间，甚至不同省份、国家，通常由通信运营商建立和经营的网络。这是用户通过租用链路服务的方式来使用的一种网络。随着计算机网络应用的深入,广域通信的需求也日益增长,因此了解广域网的基础知识,掌握常见的广域网协议就变得十分重要了。

目录

知识图谱

广域网通信基础

1.DTE 与 BCE

2.RS-232C与CCITT X.21

        EIA RS-232C 和 CCITT X.21 标准特性的比较

三种常见的电气特性标准

 流量与差错控制技术

信令系统

常用的广域网技术

帧中继

 ISDN 

ATM

其他知识点

广域网通信基础

本节的知识点主要包括广域网通信的基本概念、线缆接口标准（物理层，典型代表是RS-232C和CCITT X.21)、数据链路层的流量与差错控制技术、信令系统4方面。它们是广域通信的基础设施。

1.DTE 与 BCE

        最早的广域通信是基于PSTN（公共交换电话网）实现的，通常用户只需将数据终端或计算机连接到电话网上就可以进行通信。按照CCIIT(国际电d电报状r)以个语，用户的数据终端或计算机叫做DTE（数菇终端仅备);m符DIE与想回内柑左坟的设备称为 DCE（数据电路设备)，典型的DCE包括调制解调器、数传机、基带传输器、信号变换器、自动呼叫和应答设备等。
        为了实现网络通信，需要借助传输线路来连接DTE和 DCE设备。在正式进行数据传输前,DTE和DCE之间首先要交换一些控制信号以建立数据通路(通常是逻辑连接);而在数据传输完成后，也要交换控制信号断开数据通路。这个交换的过程通常称为“握手”，这个过程与DTE和 DCE之间的接插方式、引线分配、电气特性和应答信号相关。因此，CCITT，IEEE，EIA等组织所定义的传输线路都规定了以上的内容。

2.RS-232C与CCITT X.21

        正如前面所提到的，许多标准化组织都定义了一些DTE和 DCE之间传输线路的接口标准。其中最常见的就是EIA RS-232C和CCITT X.21两种。表9-1就从机械特性(即连接器的几何形状、尺寸、引线数、引线排列方式及锁定装置等)、电气特性（规定信号的连接方式，以及驱动器和接收器的电气参数)、功能特性（即接口连线的功能定义)和过程特性（即使用接口连线实现数据传输的操作过程)4个方面对这两个标准做了比较。

        EIA RS-232C 和 CCITT X.21 标准特性的比较

三种常见的电气特性标准

• RS-232C使用的引脚名词缩写与功能的对应关系:TD（发送数据)、RD（接收数据)、RTS（请求发送)、CTS（允许发送)、DSR（数传机就绪)、DTR（数据终端就绪)、DCD（数据载波检测)、RI（振铃显示)。
• 使用RS-232C进行通信时，通常需要使用XON/XOFF协议来完成速率匹配功能。
• 了解以下几种主要场景中，各引脚信号的变化过程。
  • 计算机（DTE）通过Modem (DCE）发送数据:DTE就绪→DCE (Modem)就绪→请求发送→允许发送-发送数据→清请求发送→清允许发送→清DTE就绪→清Modem就绪。
  • Modem接收到呼叫信号:振铃显示→DCE就绪→DTE 就绪→载波监听→接收数据→清除载波监听→清DCE就绪→清DTE就绪。
• 空(零)Modem应用:所谓空Modem，就是指没有Modem，通常用于两台计算机（DTE）之间的直接通信，这时无须借助Modem，只需要将两个机器的串行口用电缆连接起来即可。这可以使用双端DB9、双端DB25、一端DB9一端DB25 三种连接方式。

 流量与差错控制技术

        流量控制(简称流控）是协调发送站和接收站工作步调的技术，主要目的是避免发送速度过快导致接收站来不及处理而丢失数据。它是工作在数据链路层上的技术，通常会结合一些差错控制技术来提高流控效果。常见的流控技术包括停等协议、滑动窗口协议两种。
        流控通常结合的差错控制技术包括肯定应答（收到正确数据后发送肯定应答ACK)、否定应答重发（检测到所接收的帧是错误的数据时发送否定应答NAK)和超时重发(在一定的时间间隔内没有收到)三种办法，通常会采用差错检测技术自动地对丢失帧、错误帧进行重发（这也称为ARQ—自动重发技术)。将ARQ与停等协议结合就产生了停等ARQ协议，将滑动窗口协议与 ARQ技术结合产生了选择重发ARQ协议、后退N帧ARQ协议。

 5种流量与差错控制技术的特点及链路利用率计算方法

注1:其中帧计算长度α的计算方法有:（传播延迟/发送一帧的时间)、(数据速率x线路长度/传播速度/帧长)(数据速率×传播延迟/帧长）三种，最后一种最常用。
注2:在后退N帧ARP协议中的链路利用率计算公式中的N是重发的帧数，当窗口值>2a+1时，N近似于2a+1;当窗口值≤2a+1时，N=W。

:在全双工通信中，应答信号可以由反方向传送的数据帧“捎带”送回，即不是单独的帧。

信令系统
 

        电路交换网中（PSTN就是典型代表〉是通过控制信令进行管理的，它在用户设备
与交换机之间、交换机与交换局之间传递控制信息，用于建卫、维持和终止吁叫，维过网络的正常运行。在日常生活中常见的“遇忙转移”、“三方通话”的功能实现都与信令
系统息息相关。

• 信令的分类:根据作用域可以分为用户信令(在用尸与父换机之间）和同间馆令(在交换机和交换局之间);根据功能可以分为监视信令（提供建立呼叫的机制)、地址信令（携带被呼叫用户的电话号码)、呼叫信令（提供与呼叫状态相关的信息）和网络管理信令（用于网络的操作、维护和故障诊断）四种;根据传送方式划分，可以分为随路信令（将控制信令与用户信息在同-物理线路上传送，又可再分为使用同一频带的带内信令，和使用不同频带的带外信令）和共路信令（独立于语音通道之外的通路传输信息技术，又可再分为并联方式和非并联方式〉两种。
• 我国电话网络是使用自行研制的1号随路信令系统和7号共路信令系统。
• 7号信令(SS7）是ITU-T定义的支持综合业务数字网的共路信令系统，也是目前使用最广泛的信令系统。

常用的广域网技术

数据链路控制协议分为面向字符协议和面向比特协议两种。面问字符协议以子付为传输的基本单位，用10个专用字符控制传输过程。面问比符协以以比符作为传潮的基础单位，其传输速率高，广泛应用于公用数据网。而HDLC就是一种应用很广的面向比特的数据链路控制协议。HDLC(高级数据链路控制协议)也是一个历史悠久的协议，它的发展过程如图所示。

• HDLC的基本配置:HDLC定义了主站（对链路进行控制)、从站（在主站控制下进行操作)、复合站（具有主站和从站双重功能）三种类型的站，以及表所示的两种链路配置和三种数据传输方式。

 两种链路和三种数据传输方式

• HDLC的帧结构的关键字段:地址字段用于标识从站的地址，在点对多点的链路中使用，地址长度为8位，可以根据需要进行倍数扩充。帧校验字段是对标志字段之外的其他字段的校验和，通常使用CRC16，有时也使用CRC32。控制字段用来区分帧的类别。
• HDLC的帧类型:定义了承载用户数据的信息帧(Ⅰ帧)，进行流量和差错控制的管理帧(S帧）和用于链路控制的无编号帧(U帧）三种帧类型。而信息帧除了可以承载用户数据之外，还可以捎带肯定管理信息，当没有足够的信息帧捎带时，则需要发送专门的管理帧来完成。
• 无编号帧按其控制功能可以分为4类:设置数据传输方式的命令和响应帧;传输信息的命令和响应帧;用于链路恢复的命令和响应帧;其他命令和响应帧。

x.25是最容易引起误解、也是历史最悠久的广域数据传输协议，它是ITU(国际电信联盟）的CCITT（国际电报电话咨询委员会）公布的用于连接数据终端至分组交换数据网络的推荐标准。X.25是一个面向连接的接口，采用虚拟电路传递各个数据分组至网络上的适当终点处。X.25协议可以描述为三层结构，如表所示。
 

        在X.25的网络中，用户的计算机终端设备将与分组装/拆设备(PAD)连接，负责完成分割分组、寻址、重组装分组的工作，而不同的X.25网络之间则使用X.75协议进行互联。
        X.25是一个基于分组交换技术构建的网络，正如我们在“数据通信基础”一章中所了解的，分组交换本身是适于无连接的业务，要想为用户提供面向连接的接口服务，则必须借助虚拟电路（VC）技术.虚拟电路是一个传送数据报的传输路径，建立虚拟电路有两种方法:

• 手动构建一条永久虚拟电路(PVC)，一条PVC连接发送站和接收站，并且是预先定义的，因此在数据报要发送时，建立这种类型的虚拟电路并不需要建立时间，但是在没有数据要传送时，它却仍然占用了线路资源。
• 交换虚拟电路(SVc)，它是在用户应用需要时临时建立从发送站到接收站之间的一条虚拟电路，只在传输过程中有效，传输完成就拆除或断开。

        借助虚拟电路的面向连接业务的同时具有了电路交换和分组交换的优点,从而能够有效地避免网络故障和网络拥塞。

        最常见的X.25协议支持的最大传输速率为64Kbps(虽然ITU发布了X.25修订版标，支持2.048Mbps的最大速度，但不常用)，但不幸的是该带宽的大部分被其大量的差错校验开销消耗掉了。在X.25中，数据传输路径上的每一个路由器和交换机，在发送分组至下一个网段之前，必须完整地接收分组，执行差错检测，而且在每个节点上维护了一张包含管理、流控和差错校验的信息表。X.25所采用的流控和差错控制协议是后退N帧ARQ协议，其编码顺序号有3位、7位两种，默认窗口值是2，当编码顺序号是3位时，默认窗口值可达7(这也是常见的，也就是允许在未收到确认前发送8帧)。
        另外，基于分组的X.25对网络性能也具有负面影响。一方面，X.25的分组交换特性使得X.25具有一种适应于均带宽之上的突发通信量的能力，但另-一-方面由于其带宽·固定，因此无法处理超过指定带宽的突发通信量。

帧中继

帧中继是综合业务数字网络的一个产物，在其作为协议出现前，只是ISDN的分组交换数据业务的一部分,它最初是被设计成用来提供一个非常高速率的分组交换数据传输业务。帧中继协议在第二层实现，没有专门定义物理层接口（可以使用X.21，V.35,G703，G704等接口协议)，在帧中继之上，可以承载IP数据报，而且其他协议甚至远程网桥协议都可以在帧中继上透明传输。

        帧中继协议是在第二层建立虚拟电路，它用帧方式来承载数据业务，因此第三层就被简化了，而且它比 HDLC要简单，只做检错，不重传，没有滑动窗口式的流控，只有拥塞控制，把复杂的检错丢给高层去处理了。它所采用的接口协议体系如图9-4所示。
        帧中继使用的核心协议是LAPD,它比 LAPB更简单，省去了控制字段。在其帧结构中有一些较有特色的地方和一些需要了解的知识点。
 

• 信息字段:就是用户要传送的信息，长度是可变的，默认长度为1600位。
• 帧中继采用了显式拥塞控制机制，在帧头中有FECN（向前显示拥塞通知)、BECN(向后显示拥塞通知）两个特殊字段。如果FECN效及直为1，则说明帧在传送方向上出现了拥塞，该帧到达接收端后，接收万可对效掂迷举似相应的调整;如果BECN被设置为1，则说明在与传送方向相反的方向上出现了拥塞该帧到达发送端后，发送方可对数据速率做相应的调整。
• 帧中继中包括一个DE（优先丢弃比特)，如果设置为1，则当网络拥塞时会优先丢弃。
• 与X.25相类似，帧中继也是使用虚拟电路的万式提供 回连按的服分，在特大中包括一个 DLCI(数据链路连接标识符)字段，每个DLCI 都标识一个虚电路,其中 DLCI 0用于信令传输。

        帧中继在数据链路方面还有如下两个相关的知识点。

• 帧中继采用的是隐式流控机制，即通过检测帧丢失的概率来实现，当丢失率达到一定程度时，就自动降低发送的速度。
• 帧中继还可以采用另一种拥塞控制万法:CLLM(强化链路层管理）。这种CLLM消息通过第二层管理连接成批地传送拥塞信息，其中包含受影响的DLCI以及出现拥塞的原因。

        帧中继支持交换虚电路(sVC)和固定虚电路(PVC，永久虚电路）两种虚电路技术。

• 交换虚电路:控制交换虚电路的信息是在信令信道（DLCI=0）上传送的。这些消息采用的是LAP-F协议(LAPF的帧格式与LAPD基本相同，但没有FECNBECN和DE字段)。
• 固定虚电路:帧中继协议在早期并没有建立交换虚电路的信令，只能够通过戍络管理建立永久虚电路。PVC的管理协议控制端到端的连接，是通过带外信令的无编号信息帧传送的。

        基于这两种不同的虚电路技术，帧中继就可以向用户提供不同的服务质量，这些月务质量参数如表所示。

服务质量参数

         使用帧中继进行远程联网的主要优点是:透明传输、面向连接,帧长可变，速率高,能够应对突发数据传输、没有流控和重传、开销小。但它并不适于对延迟较敏感的应用（音频和视频)，无法保证可靠的提交。

 ISDN 

        ISDN（综合业务数据网）可以分为窄带ISDN (N-ISDN）和宽带ISDN (B-ISDN)两种。其中N-ISDN是将数据、声音、视频信号集成进一根数字电话线路的技术。它的服务由两种信道构成:一是传送数据的运载信道（又称为B信道，每个信道64Kbps)，二是用于处理管理信号及调用控制的信令信道（又称为D信道，每个信道16Kbps或64Kbps)。然后将这两类信道进行组合，形成两种不同的ISDN服务:基速率接口(ISDN BRI）和主速率接口(ISDN PRI)。

• 基速率接口:一般由2B+D组成，常用于小型办公室与家庭，用户可以用1B作数据通信，另外的1B保留为语音通信，但无法使用D通道（速率为16Kbps)进行数据传输。如果需要，也可以同时使用2B通道（每个B通道为64Kbps,合计128Kbps)作数据通信。要注意的是如果不说明，通常N-ISDN就是指ISDNBRI。
• 主速率接口:PRI包括两种，一是美国标准的23B+1D (64Kbps的D信道)达到与T1相同的1.533Mbps 的 DS1速度;二是欧洲标准的30B+2D(B和D信道的速率都是64Kbps)，达到同的H信道:HO信道一6B，384Kbps: H10常可以将若干个B信道组合成不同的H信道:HO信道一6B，384Kbps;H10信道——24个56Kbps的B信道，1.472Mbps;H11信道——24B，1.536Mbps;H12信道一—30B，1.92Mbps，这也是最大的H信道。

        N-ISDN定义了物理层、数据链路层和网络层的部分功能。在物理层建立了一个64Kbps的线路交抉连按，R信公功能:网络层处理所有的线路交换及分组交换服务。了LAPD来管理所有的控制和信令功能;网络层处理所有的线路交换及分组交换服务。

        窄带ISDN 的缺点是数据速率低，不适合视频信息等需要高带宽的应用，而且它仍然是一种基于电路交换网的技术。因此，ITU-T又专门开发了宽带ISDN技术(B-ISDN)，B-ISDN的关键技术是异步传输模式（ATM)，采用5类双绞线或光纤，数据传输速率可达155Mbps，可以传输无压缩的高清晰度电视(HTV)。它定义了物理层、ATM层、ATM适配层和高层4层体系结构，具体的内容请参考下一个知识点:ATM。

ATM

        ATM是一种可以将局域网功能、广域网功能、语音、视频和数据，集成进一个统一的协议的设计。ATM标准最早是作为B-ISDN标准的一部分而出现的，它在QoS方面有突出的表现。

1.同步传输和异步传输。

        电路交换网络都是按照时分多路复用的原理将信息从一个结点送到另一个结点的。根据工作模式的不同，可以分为两种。

• 同步传输模式STM:根据要求的数据速率，将一个逻辑信道分配为1到多个时槽，在连接存在期时，时槽是固定分配的，即采用的是同步时分复用模式。
• 异步传输模式ATM:采用了与前面不同的方法分配时槽，它把用户数据组成为53B的信元，信元随机到达，中间可以有间隙，信元准备好就可以进入信道，即采用的是统计时分复用模式。

        在ATM中，信元不仅是传输的基本单位，也是交换的信息单位。它是虚电路式分组交换的一个特例，参见“数据通信基础”的“交换方式”知识点。与分组相比，由于
信元是固定长度的，因此可以进行高速的处理和交换。ATM 的典型数据速率为150Mbps，也就是每秒可以有约36万( 150M/8/53）个信元。ATM是面向连接的,所以在高速交换时要尽量减少信元的丢失。

2.ATM的分层体系结构。

     在B-ISDN中，建立了如表9-7所示的四层体系结构，该表总结了它们的功能，以及与OSI层次的对应关系。   

  3.ATM物理层.

• 物理介质子层（PMD):规定了传输介质、信号电平、比特定时等。过 AM并没有提供相应的规则，而是列出了一-些可用的传输标准。例如，基于 5R)双绞线或光纤可达到155.52 Mbps，622.08 Mbps，2488.32 Mbps (SONET标准);在T3信道上可达44.736 Mbps，在FDDI上达到100 Mbps。
• 传输会聚子层（TC):提供了与ATM层的统--接口，该层完成类似数据链路层的功能。

4.ATM层.

        相当于网络层的功能,它通过虚电路技术提供面向连接的服务。在ATM层 ATM中，虚电路有两级:虚通路(VP）和虚信道（VC)。虚信道与X.25的虚电路相当，而虚通道则是由多条虚信道捆绑在一起形成的。由于ATM通常是在光纤的基础上建立的，因此它是不提供应答的，将少量的错误交给高层处理。另外，ATM 的目的是实现实时通信，因此对于偶然的信元错误是不重传的，对于要重传的通信由高层处理。
53个字节的ATM的信元，是由5个字节的信元头和48个字节的数据组成的。在信元头中，有一些比较重要的字段需要掌握。
·虚通路标识符（VPI):8位或12位，常用是8位，因此一个主机上的虚通路数通常是256个。
·虚信道标识符(VCI):16位，因此理论上一个虚通路可以包含65536个虚信道，不过部分信道是用于控制的，并不传送用户数据。
.8位头校验和，它只对信元头进行校验. 

• 信元丢失优先级（CLP):在网络发生拥塞时提供指导，置为1的信元可抛弃。
• 流控标志(GFC):用于主机和网络之间的流控或优先级控制。
• 负载类型(PTI):区分不同的拥塞信息。

        另外，有一个小知识点:在ATM逻辑通道中，是使用VPI+VCI 的组合来标识连接的，在做VP交换或交叉连接时，只需要交换 VP，无须改变VCI的值。
5.ATM适配层(AAL)。
ATM适配层负责处理高层来的信息,发送方把高层来的数字切成48字节长的ATM负载，接收方把 ATM信元的有效负载重新组装成为用户数据包。AAL支持四种业务，有五种AAL层协议分别满足这些业务，如表所示。

ALL层协议满足的业务

• AAL1:检测丢失和误插入信元，提供固定速率;
• AAL2:用于传输面向连接的实时数据流、无错误检测，只检查顺序;
• AAL3/4，原来是两个不同协议，分别对于C和D，后来合并为一个，用于面向连接和无连接服务;
• AAL5:它是实现C、D两类服务的新协议，它能够应用于ATM局域网访问。它采用32位CRC校验。

6.ATM高层。
ATM的高层主要规定了4类、5种业务类型，以满足不同的ATM客户需求，如表所示。

ATM业务类型

7.通信量和拥塞控制。
        由于ATM网络上的通信量模式和 ATM 网络的传输特性都与其他交换网络有很大不同，需要运载实时性高的数据通信量，因此在通信量和拥塞控制方面需要更多的考虑与设计。其中在通信量控制方面，ATM采用的措施如下。

• 网络资源管理:即以某种方式分配网络资源，按照不同的服务特性来区分不同的通信流量。
• 连接许可控制:这是ATM网络防止自己过载的第一道防线。
• 使用参数控制(UPC):一旦连接许可控制功能接受了某条连接，网络的使用参数控制功能就会监视这条连接，以判断它的通信量是否遵守通信量合约。优先级控制:当网络在参数控制之外的某点丢弃信元时，则起作用的是优先级控制。
• 快速资源管理:在ATM连接的环加传播延迟这一时间尺度上操作。

为了能够尽量减少拥塞的强度、扩散程度及持续时间,采取了一系列拥塞控制措施，主要包括如下内容。

• 选择性信元丢弃:这与优先级控制类似，通过信元头的CLP字段来实现。
• 显式前向拥塞指示:工作方式与帧中继网络相同，一般是通过GFC(流量控制)字段来实现的。
   

其他知识点