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4.3 计算机广域网

4.3 计算机广域网. 4.3. 1 专用广域网 4.3. 2 公用数据网. 广域网的有关知识. 什么是计算机广域网？. 广域网（ WAN ）是跨越很大地域范围（从几十公里到几千公里）并包含大量计算机的一种计算机网络 特点： 远距离：需要使用远程数字通信线路进行通信 大规模：网络中包含大量的网络（子网）和计算机，数量几乎不受限制 异构性：进行互连的局域网有多种不同类型 从功能来说，广域网与局域网并无本质区别，只是由于数据传输速率相差很大，一些在局域网上能够实现的功能在广域网上可能效果欠佳. 广域网的分类. 按用途分：

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4.3 计算机广域网

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  1. 4.3计算机广域网 4.3.1专用广域网 4.3.2 公用数据网

  2. 广域网的有关知识

  3. 什么是计算机广域网？ • 广域网（WAN）是跨越很大地域范围（从几十公里到几千公里）并包含大量计算机的一种计算机网络 • 特点： • 远距离：需要使用远程数字通信线路进行通信 • 大规模：网络中包含大量的网络（子网）和计算机，数量几乎不受限制 • 异构性：进行互连的局域网有多种不同类型 • 从功能来说，广域网与局域网并无本质区别，只是由于数据传输速率相差很大，一些在局域网上能够实现的功能在广域网上可能效果欠佳

  4. 广域网的分类 • 按用途分： • 专用广域网：由机构或组织自行构建，用于处理特定事务（如政府网、金融网、教育网、军事网等） • 公用数据网：由网络服务提供商（如电信局、有线电视台）构建，用于为社会公众提供数据通信服务 • 按技术分： • X.25网（低速） • 帧中继网（中速） • ATM网（中高速） • ······· • 不同局域网、广域网互联而成的广域网

  5. 主干网中的交换机(或路由器)通过通信线路相互连接，用于选择路径、转发数据包主干网中的交换机(或路由器)通过通信线路相互连接，用于选择路径、转发数据包 主干网 通信子网 接入网 接入网 接入网 资源子网 局域网 个人计算机 校园网 广域网的组成 1 用于数据通信的中继设备、交换设备、路由设备等 2 用于高速数据传输的远程数字通信线路 3 用于广域网的通信协议 • 交换机和通信干线的性能是提高网络性能的重要环节 将用户计算机(网)接入主干网的有关网络设施、通信线路和通信协议 接入广域网的各种计算机和计算机网

  6. E1：2.048Mbps • E2：8.448Mbps • E3：34.368Mbps 中国(欧洲)标准 • T1：1.544Mbps • T2：6.312Mbps • T3：44.736Mbps 北美(日本)标准 远程数字通信线路的类型 • 有线 • 数字电话线路(PDH) • 光纤高速传输干线(SDH) • 无线 • 微波：地面/卫星

  7. 4.3.1 专用广域网 政府网、金融网、科技网、教育网等一些系统和行业性的专用广域网，其主干部分和接入部分一般都使用电信部门提供的传输线路和网络设备构建而成，很少有单位全部自行建设。

  8. 公用拨号 电话网 局域网 MODEM MODEM MODEM MODEM 使用电话网连接远程计算机 • 适合家庭用户、外出公干人员和企事业单位的外地分支机构联网 • 可用技术： • 电话拨号 • ADSL • ISDN 缺点：线路利用率低，数据传输速度慢，通信质量不稳定，费用较高（特别是长途通信） 必须使用调制解调器把数字信号调制成模拟音频信号进行传输

  9. 租用的专线 远程数字 通信线路 局域网 局域网 局域网 局域网 路由器 使用(远程数字通信)专线连接 • 应用：用作政府网、金融网、科技网等广域网中的主干线路 • 优点： • 实现每周7天、每天24小时的不间断通信 • 可根据需要租用不同的远程数字通信线路（PDH或SDH） • 缺点：租用专线的费用较高

  10. 专线 公用 骨干网 拨号线 局域网 局域网 虚拟专网（VPN） • 构建在帧中继网、ATM网等公用数据网的基础上，也可以构建在因特网平台之上，是一种逻辑上的专用网络，不必租用专线，但效果如同租用专线一样 • 采用隧道技术以及加密、身份鉴别等方法，信息安全可以得到保证 • 优点：节省费用、运行灵活、易于扩展、易于管理 • 虚拟专网应用前景广阔，具体实施也不困难

  11. 4.3.2 公用数据网

  12. 什么是公用数据网？ • 电信部门的传统业务：电话、电报和传真 • 20世纪80年代以来开展的新业务： • 组建公用数据网，向公众提供数据通信服务，如公用电子信箱、电子数据交换（EDI）和因特网业务等 • 公用数据网是国家的公用通信基础设施之一，由国家统一建设、管理和运营。 • 数据通信网的主要特点： • 传输的是数字信息 • 采用数字传输技术而非模拟传输技术 • 主要采用分组交换技术而很少用电路交换技术

  13. 发送方将数据分成3个包 到接收方后，再将收到的包按顺序组合在一起 （a） （b） 1 1 1 1 3 3 3 3 2 2 2 2 不同的包在不同链路上进行传输 （d） （c） 表示分组交换机 编号 有效载荷(传输的数据) 校验 信息 发送计算机地址 目的计算机地址 3 2 1 3 2 1 什么是分组交换(Packet Switching)? • 分组交换的要点： • 被传输的数据必须划分为若干“分组”(packet, 简称“包”)进行传输 • 每个分组中必须包含收发双方的地址 • 每个分组由分组交换机进行处理、存储和转发才能送达目的地 • 每个分组的格式如下： • 分组交换示意：

  14. 分组交换的优点和技术基础 • 优点： • 可同时处理许多不同的传输任务，线路利用率较高 • 收发双方不必同步工作，当接收方忙时，数据可留在分组交换机中缓冲 • 可以给数据建立优先级，使得重要的数据能优先传送 • 实现分组交换的条件——“分组交换机” • 分组交换机的任务是：负责包的转发 • 实现分组交换的原理是：存储转发 + 路由选择 • 分组交换机有许多端口，用来连接计算机和远程数字通信线路 • 分组交换机可以互连，以扩大网络的规模和任意延伸网络的连接距离

  15. 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 交 换 机 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交 换 机 1 高速数字通信干线 [1,2] [2,3] [1,5] 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机3 交换机4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 [3,2] [3,5] [4,1] [4,3] [4,5] 使用分组交换机构建广域网 分组交换机有许多端口，低速端口用来连接计算机，高速端口则通过远程数字通信线路连接另一交换机, 每个端口既可输入也可输出 计算机的编址方案 使用两个整数表示：第1个数表示分组交换机号，第2个数表示计算机连接到该交换机上的端口号

  16. 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 交 换 机 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交 换 机 1 高速数字通信干线 [1,2] [2,3] A [1,5] H B 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机3 交换机4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 C D E F G [3,2] [3,5] [4,1] [4,3] [4,5] 分组交换与存储转发的过程 • 发送数据的计算机将包发给它所连接的分组交换机 • 交换机每收到一个包，就检查该包的目的地地址： • 若数据包目的地是直接与之相连的计算机，交换机就将包发往该计算机 • 若目的地不是本分组交换机上的计算机，则选择一个输出端口，通过连接该端口的高速数字线路转发给另一台交换机（如果线路忙，则可放在对应的缓冲器中排队等候） • 下一台交换机收到数据包之后，重复过程2直到数据包到达目的计算机为止 例1：计算机C发送数据包给计算机H 例2：计算机A发送数据包给计算机G

  17. 目的地交换机 下一站交换机 1 交换机1 2 交换机2 1 2 3 － 4 交换机4 （ 第1次 简化 ） （ 第2次 简化 ） 3 4 下一站 出口 目的地 交换机1 [1,2] 端口2 [1,5] 交换机1 端口2 出口 下一站 目的地 [2,3] [1,X] 交换机2 端口3 交换机1 端口2 交换机2 [2,X] [3,2] 计算机C － 端口3 － [3,X] － [3,5] 本地计算机 计算机D [4,1] 交换机4 [4,X] 端口4 端口4 交换机4 交换机4 [4,3] 端口4 [4,5] 交换机4 端口4 分组交换机的路由表 • 网络中所有交换机都必须有一张路由表，用来指出发送给哪台目的计算机的包应该从哪个端口转发出去 • 例：当交换机3收到目的地地址为[2,3]的包时，就把此包发往端口3的队列中，等待从端口3发送至交换机2。如果包的目的地地址是[3,2]，那么交换机就把该包直接发给计算机C • 交换机3的路由表 • 路由表的简化： • 下一站（出口）既不依赖于包的源地址，也不依赖于包所走过的路径，它仅依赖于包的目的地址 • 下一站相同时，即目的地地址中的第1部分(交换机地址)相同时，都会从同一个出口转发

  18. 1 2 3 4 目的地 目的地 目的地 目的地 下一站 下一站 下一站 下一站 1 3 2 4 1 1 1 1 (2,3) (4,3) (3,1) － 2 2 2 2 (1,3) (3,2) (4,2) － (2,3) (4,3) － (1,3) 3 3 3 3 4 4 4 4 (2,4) － (3,4) (1,3) (a) 拓扑图 (b) 交换机1 (c) 交换机2 (d) 交换机3 (e) 交换机4 关于路由表的说明 • 每台分组交换机均有路由表 • 实际网络中包含了大量的网络和交换机，因此交换机中的路由表非常庞大和复杂 • 由于交换机之间的连接以及计算机的接入情况经常发生变化，因此路由表需要不断进行更新，路由器经常向其它路由器广播自己的路由信息，并获取其他路由器的路由信息 • 路由表是通过软件自动计算得到的，算法比较复杂

  19. 输 入 分 组 输 出 分 组 输入端口 输出端口 存储器 … … 写控制 读控制 附：分组交换机的结构原理 • 分组交换机原理上可以看成为一台共享存储器的专用计算机，其关键技术是高速存储器和快速查表算法 路由表 存储器被划分为若干缓冲器，每个缓冲器对应着一个输出端口 每个到达的分组，由写控制电路检查其头部信息中的目的地地址，然后查路由表，将该分组写入相应输出端口的缓冲器中 读控制电路从每个缓冲器中取出分组，将它们分别送到适当的端口，并通过通信线路发送出去

  20. 因为： 1 2 3 4 5 6 7 8 + 9 0 A B F 9 5 7 附：如何检测数据传输有无错误？ • 由于种种原因数据在传输中可能会发生错误，因此需采取措施检测有无错误发生，并进而采取措施予以修正(纠错) • 措施之一是在数据分组(包)中增加校验信息，例如： • 奇偶校验位(Parity bit) 例如：ASCII码是7位码，第8位可作为奇偶校验位 • 校验和(checksum) 例如：1 2 3 4， 5 6 7 8 ，9 0 A B的校验和是： F 9 5 7 • 循环冗余码CRC （Cyclic Redundancy Code）： 可检测出所有的单错、双错和一些突发错,在以太网数据帧中使用 • 到达接收方之后，接收方重新计算可以校验位、校验和或者CRC，然后进行比较，若不一致，则表示数据传输有错

  21. 发送方计算机 接收方计算机 附：数据传输错误或丢失如何处理？ 收到发送来的分组1 计算并核对校验信息 若正确，发回确认信息(ACK1) （若错误，丢弃该分组） 收到发送来的分组2 计算并核对校验信息 若正确，发回确认信息(ACK1) （若错误，丢弃该分组） 发送分组1 启动计时器 ···· 收到接收端发回的ACK1分组 发送分组2 启动计时器 ···· 计时器到点 重发分组2 启动计时器 ···· 接收ACK2 包丢失

  22. 常用的几种公用数据网 • 为适应不同应用的需要，常用的公用数据网有： • 低速：X.25公共分组交换网（传输速率仅64kbps） • 利用公共电话网以分组交换方式进行数据传输 • 中速：使用光纤作为传输介质 • 帧中继交换网 （传输速率可达2Mbps） • 中高速：使用光纤作为传输介质 • SMDS（交换多兆位数据服务网） • ATM 广域网 (155Mbps或者更高)

  23. 不同的物理层协议，需使用不同的介质和发送/接收电路不同的物理层协议，需使用不同的介质和发送/接收电路 不同的链路层协议,需使用不同的网卡和分组交换机 小结：不同公用数据网的比较 • 不同的公用数据网，基于不同的技术，采用不同的协议： • 物理层： • 不同的传输介质 • 不同的信号编码方法 • 不同的拓扑结构 • 链路层： • 不同的编址方法和分组(包)格式 • 不同的共享介质方法 • 不同的差错检测与处理措施

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