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第五讲 网络互连与广域网技术 5.1 网络互连 5.1.1 局域网互连的需要 （ 1 ） 延长局域网的网络长度

第五讲 网络互连与广域网技术 5.1 网络互连 5.1.1 局域网互连的需要 （ 1 ） 延长局域网的网络长度 （ 2 ） 提高网络效率和网络性能 : 网上机器太多， 把大网络分割为多个不同的网段 （ 3 ） 建立一个完整的校园网或企业网 （ 4 ） 实现更大范围的资源共享和信息交流 : 不同单位的局域网互连起来 （ 5 ） 实现全球范围的信息交流和资源共享 : 与 Internet 实现互连 5.1.2 网络互连的形式 LAN-LAN 局域网到局域网互连

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第五讲 网络互连与广域网技术 5.1 网络互连 5.1.1 局域网互连的需要 （ 1 ） 延长局域网的网络长度

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  1. 第五讲 网络互连与广域网技术 5.1 网络互连 5.1.1 局域网互连的需要 （1）延长局域网的网络长度 （2）提高网络效率和网络性能:网上机器太多，把大网络分割为多个不同的网段 （3）建立一个完整的校园网或企业网 （4）实现更大范围的资源共享和信息交流:不同单位的局域网互连起来 （5）实现全球范围的信息交流和资源共享:与Internet实现互连 5.1.2网络互连的形式 LAN-LAN 局域网到局域网互连 LAN-WAN 局域网到广域网互连 WAN-WAN 广域网到广域网互连 LAN-WAN-LAN 局域网通过广域网互连 5.1. 3 网络互连的基本要求 • 在要求互连的网络之间至少有一条物理链路 • 为网络之间的通信提供路径选择和数据交换功能 • 力求不修改互连在一起的各网络原有的结构和协议，利用网间互连设备协调和 适配各个网络的差异。 • 在网络互连时，应尽量避免由于互连而降低网内的通信性能。 • 使用相同的网间互联协议

  2. 图5-1 网络互连 在图5-1中，虚线部分说明了四种连接型式。在每种连接形式中都需要一个中间连接设备，以便当信息包从一个网络传送到另一个网络时，作必要的转换。我们把中间连接设备称为网间互连设备。

  3. 5.1.4广域网连接方法 广域网采用的传输技术主要有电路交换、分组交换和信元交换。它常借助一些电信部门的公用网络系统作为它的通信链路，使用双绞线、光缆、微波、卫星、无线电波等有线传输介质和无线传输介质。 1、拨号线连接 拨号线连接是借助公用交换电话网(PSTN-Public Switch Telephone Network),通过电话线以拨号方式接入网络的广域网连接方法。 • 拨号线连接方法的主要特点 • 拨号线连接借助于公用交换电话网PSTN；投资少、见效快，使用最广泛的技术。 • 使用双绞线传输介质，即普通电话线。 • 采用电路交换技术。 • 由于拨号线连接，距离不受限制，凡PSTN能通达的地方，网络也能到达。能跨越城市、国家。 • PSTN提供的是一条模拟信道，通信双方都必须使用连接设备调制解调器（Modem）。 • 传输速率比较低，一般为 9.6Kbps - 56Kbps,经Modem 硬件压缩后，速率可达115.2Kbps 。 • 话音传输和计算机数据通信不能同时进行。 • 网络结构简单、清晰，拓扑结构为星型。 • 适宜单个计算机接入网络 。 • 工作原理 发送方的计算机在发送数据时，首先把数据通过异步接口（COM1-COM4）传送给本端Modem。发送端Modem则把数字信号调制为模拟信号，并经PSTN将信号传送给接收端Modem。接收端Modem把接收到的模拟信号进行解调，恢复为数字信号，再送给本端计算机（如图5-2）。

  4. 图5-2 拨号连接线工作原理 图5-2 拨号连接线实例

  5. 计算机 MODEM 电话线路 因特网 MODEM池 RS-232 访问服务器 用户 ISP 公共交换电话网（PSTN） • 通过PSTN接入因特网 • 用户需要“猫”和拨号软件，拨通后即可启动IE上网 • 连接方式

  6. DSL包括以下几种技术： • ADSL 非对称数字用户线（我国使用最广泛） • RADSL 速率自适应非对称数字用户线 • HDSL 高比特率数字用户线 • VDSL 甚高比特率数字用户线 • SDSL 单线对HDSL数字用户线（HDSL2） 2、不对称式数字用户线（ADSL） xDSL是ADSL、SDSL、HDSL、IDSL和 VDSL技术的总称。

  7. 不对称式数字用户线（ADSL-Asymmetric Digital Subscriber Line)是一种调制技术，它利用普通电话线进行高速数据传输。ADSL能在现有电话线上传输高带宽数据、多媒体和视频信息，并且允许数据和话音在一根电话线上同时传输，它是单个计算机高速接入网络的最新技术。ADSL技术提供的数据传输速率是不对称的，下行速率：1.5Mbps-8Mbps，上行速率:16Kbps-640Kbps，ADSL的最大传输距离为5.5公里。 • ADSL技术有如下几个主要特点 • ADSL的工作频带是：4.4KHZ-1MHZ • 可传输声音、视频、数据等信息 • 传输速率高：下行速率: 1.5Mbps-8Mbps ；上行速率: 512Kbps-1Mbps • 传输距离： 5.5 Km • 使用双绞线（普通电话线）作为传输介质 • 在一根电话线上，可以同时传输数据和话音 • ADSL Modem和ADSL访问服务器构成其硬件系统，借用PSTN提供的模拟信道进行数据传输，这是一种点到点的通信技术

  8. ADSL系统构成 • 两部分组成：用户端设备和局端设备 • 用户端设备包括： • ATU-R (ADSL Transmission Unit) • 也称为ADSL Modem、ADSL路由器、宽带路由器 • DMT调制与解调，数据转发，路由 • 分离器 • 分离语音信号和数据信号 • 局端设备包括： • DSL接入复用器(DSL Access Multiplexer，DSLAM) • ADSL接入和复用 • 分离器/ATU-C机架 • 局端分离器和ADSL Modem组合机柜

  9. 用户端 本地环路 局端 DSLAM 因特网 ATU-R 分离器 计算机 分离器/ ATU-C 机架 电话双绞线 电话机 PSTN ～ ～ 电话交换机 ATU-R: ADSL Modem DSLAM: DSL接入复用器 ATU-C: 局端ADSL Modem ADSL系统构成

  10. ADSL应用方式 • PPPoE（PPP over Ethernet） • 以太网的HUB或交换机用双绞线连接到ATU-R • 单机使用时，则用双绞线把网卡与ATU-R相连 • 加载PPPoE协议栈，使PPP协议工作在以太网上 • 多个用户可共享一条ADSL线路

  11. ADSL的安装 交叉网线 1、在计算机中安装一块网卡 （普通以太网网卡） 2、安装ADSL Modem的信号分离器(又叫滤波器，Splite） 3、安装ADSL Modem

  12. 3、Cabel Modem Cabel Modem是近几年发展起来的又一种家庭电脑入网的新技术，它是一种以有线电视使用的 宽带同轴电缆作为传输介质，利用有线电视网（CATV）提供高速的数据传输的广域网连接技术。Cabel Modem除了提供视频信号业务外，还能提供语音、数据等宽带多媒体信息业务。这种技术也具有不对称的特性，其上、下行速率各不相同。Cabel Modem的上行速率是768Kbps,下行速率最高可以达到38Mbps。目前有两个Cabel Modem标准，它们是 MCNS和 DOSSIS。

  13. 4、DDN • DDN（Digital Data Network)是公共数字数据网，是我国电信部门专为国内用户提供多种不同传输速率（64Kbps-2Mbps）的数字专线租用服务而建立的公共网络系统。它由DDN交换机和传输线路（如：光纤和双绞线）组成。 • DDN可为用户提供一条高带宽、高质量的数据传输通道。数字专线有两个标准，T1 是北美标准，带宽为1.544Mbps， E1是欧洲标准，带宽为 2.048Mbps，公共数字数据网(DDN)采用欧洲标准，每条信道的带宽是64Kbps。 • DDN数字专线可提供高质量，高速率的数据传输，它常用于实现远程局域网之间点到点的连接，是目前应用最广泛的广域网连接技术之一。 • 特点： • DDN为用户提供不同速率的数字专线，可提供的带宽有：64K、128K、256K、512Kbps...,2.048Mbps。 • DDN数字专线是一条永久的传输信道，在信道上传输的是数字信号，具有不易受干扰、信号损耗小、衰减小。 • DDN传输质量高、延时小、线路可用率高。 • DDN不具备交换能力，仅提供一条点到点的专用链路。 • DDN是一个全透明的网络，它支持任何高层协议。 • 传输距离远，用数字专线连接的两个网络之间可以相距非常远，它可以连接处于不同城市，甚至不同国家的网络。 • 在通过DDN连接远程局域网时，可以使用PPP和 HDLC协议。 • 适合高速、远距离的网络互连

  14. CSU/DSU CSU/DSU LAN LAN R R DSU/CSU的功能主要有两个： 1. 把用户数据转换成适合在E1电路上传输的信号和帧结构。 2. 从E1电路信号中提取同步时钟，送给路由器作为发送和接收时钟。 • DDN网的组成 • 用户设备：数据终端设备、计算机、网桥、路由器等 • 网络接入单元： • 可以是调制解调器、基带传输设备（DSU/CSU）以及时分复用、语音/数字复用设备等。 • DDN节点：复用及数字交叉连接系统（DCS） • NMC：网管中心 • 对网络结构和业务进行配置，实时地监视网络运行情况，进行网络信息、网络节点告警、线路利用情况等收集、统计和报告。 DDN节点 NMC 数字专线 数字专线 DDN节点 DDN节点 DDN节点

  15. DDN 64k-2.048M 64k-2.048M 路由器 路由器 LAN1 LAN2 • 实例：通过DDN实现局域网互连

  16. 路由器 路由器 DDN / 256K 同步Modem HDLC HDLC 北京大学 天津大学 图5-3 DDN实例

  17. 通过X.25分组交换网实现局域网互连 X.25 64kb/s 64kb/s 同步Modem 同步Modem 路由器 路由器 LAN1 LAN2

  18. 路由器 同步Modem 帧中继 校园网 天津理工大学 校园网 南开大学 6、 Frame Relay 帧中继（Frame Relay）是80年代出现、近几年才兴起的一种新的公用数据交换网，它是由X.25发展起来的快速分组交换技术。帧中继与X.25有基本相同之处是它们都用分组交换技术，都是对等式的点对点通信。但在它们之间也存在着一些差异，其主要差别是：X.25协议包括低三层协议，Frame Relay仅包含物理层和数据链路层协议。 从设计思想上看，帧中继与X.25的差异是，帧中继注重快速传输，而X.25强调高可靠性，所以在X.25网内，对传输的数据进行校验，并具有出错处理机制，而帧中继省略了这个功能，因此，帧中继传输速度快（64Kbps-2.048Mbps）。 帧中继的性能高于X.25,是远距离多节点数据传输用户的最佳选择。 图5-4 帧中继组网实例

  19. FR FR LAN LAN FR FR Router 主机 • 帧中继WAN的组成 • FRS：帧中继网交换设备 • FRAD：帧中继封装/解封装器 插有FRAD模块的交换机 插有FRAD模块的路由器 FRS FRS FRS FRS 帧中继WAN 内含FRAD的通信控制器 插有FRAD模块的路由器

  20. 综合业务数字网（ISDN） • 综合服务：语音、电报、数据、图形、视频 • 两类： • B-ISDN • 分组交换，基于异步传输模式（ATM） • 高传输速率：Up to 622Mb/s or Higher • N-ISDN（ISDN， “一线通”） ： • 电路交换，利用现有的电话交换系统，需要拨号连接过程 • 全数字传输：通信质量好，可靠性高 • 统一的用户网络接口：UNI • 同时支持多个设备（最多连接8个，同时可以支持3个通信） • 采用带外信令，拨号连接速度快

  21. ISDN网 电话网 企业网 互连网 电话 NT1 传真 计算机 在ISDN中，用户和综合业务数字网之间的连线相当于一个数字比特管道，管道中的比特流可以来自数字电话机，数字传真机或其它终端，并且比特流可以双向流动。 ISDN的用户类型： 一个家庭或小单位： 在用户家中或办公室中安装一个用户端接设备（NT1） ，用户的电话、传真、计算机等等通过NT1与ISDN交换局相连，用户设备可多达8个。只需要一根线（一线通）。

  22. ISDN电话 S TE1 NT2 U T ISDN PBX ISDN终端 ISDN 交换机 NT1 R 非IDSN 终端 TA 网关 TE2 R：TA与非ISDN终端的接口 S：NT2与ISDN终端的接口 T：NT1与用户设备的接口 U：NT1与ISDN交换局的接口 ISDN网 局域网 • 一个较大单位：拥有较多的电话和终端，因为用户设施较多，需要较大的接入带宽。 NT1不够用，需要一个ISDN的专用小交换局（PBX），称为第二类网络端接设备（NT2）。类似于电话交换机。

  23. PC微机 NT1 因特网 TA TA 电话 NT2 TE1 NT1 电话 广域网 终端 用户程控电话交换机 TE2 PC • 家庭用户通过ISDN访问互联网的例子 可以是一个单独的设备，也可以做成接口卡插入微机。 • 企业/机构通过ISDN连网的例子 对局域网用户，此设备应采用路由器或远程访问服务器

  24. 路由器 路由器 同步Modem 同步Modem 北京大学 人民大学 图5-5 利用微波无线网互连远程局域网实例

  25. 10. 异步传输模式（ATM） • ATM是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。 • 吸取了电路交换实时性好、分组交换灵活性强的优点； • 基本思想是以小的定长分组来传输所有类型的信息； • ATM的传输单元——长度为53字节的短分组，称为信元（Cell） • 其中5字节为信元头，48字节为有效载荷 • 能够高速传输数据、语音、视频和多媒体； • 目前最高速率为10Gb/s，即将达到40Gb/s； • 具有优秀的QoS（服务质量）保证。 • 极小的传输时延和抖动，以及极小的信元丢失率。 • ATM是宽带综合业务数据网（B-ISDN）的基本传输方法； • 主要用于广域网，也可用于局域网。 • 在局域网中优势不大，逐渐被FE、GE所取代。 • 传输模式 • 同步传输模式（STM） • 异步传输模式（ATM）

  26. ATM的主要特性 • 定长短分组(5字节信元头＋48字节有效载荷)； • 使用虚电路连接； • 传输错误时进行纠错而不是请求重发； • 可以使用多种介质：UTP、STP、MMF、SMF； • 速率从1.544Mb/s到10Gb/s； • 优良的QoS（服务质量保证）特性； • 提供4类服务： • 恒定比特率（CBR）服务 • 可变比特率（VBR）服务 • 可用比特率（ABR）服务 • 未定比特率（UBR）服务 CBR：虚拟的固定带宽电路，能保证数据传输的可靠性和实时性。 VBR：虚拟的可变带宽电路，保证传输可靠性，实时或非实时性。 ABR：保证数据传输可靠性，但不保证传输的实时性。 UBR：不保证数据传输可靠性，也不保证传输的实时性。

  27. ATM层 ATM层 汇聚子层CS 分段和重组子层SAR ATM适配层(AAL) 传输汇聚子层TC 物理介质相关子层PMD ATM物理层 • ATM协议体系结构 • 分为三层，对应于OSI的物理层和数据链路层 • ATM物理层：在物理介质上以位为单位传输信元，包括用于ATM的电气接口和物理接口。 • ATM层：构造信元，错误控制，建立/撤销虚电路。 • ATM适配层：对数据进行分割和重组，对不同的数据传输类型赋予正确的QoS标准。 OSI ATM 数据链路层 物理层

  28. 插有ATM网卡的计算机 插有ATM网卡的计算机 ATM交换机 ATM交换机 插有ATM网卡的服务器 ATM 交换机 ATM 交换机 LAN WAN ATM Router LAN ATM Router • ATM网络的构成 • 最简单的ATM网络 • 规模大一些的ATM网络 光纤

  29. ATM的应用 • 作为LAN的主干链路 • 例如校园网主干 • 连接到服务器的高速链路 • 特别是用于服务器群 • Windows2000/XP/2003都支持ATM协议 • 广域网链路 • 基于ATM的LAN-LAN互连 • 作为FR的底层网络，例如通过ATM连接两个FR网 • 在ATM上传输SMDS（交换多兆位服务）——即用来支持DBDQ（IEEE802.6 MAN标准）网络

  30. 11.同步数字体系（SDH） CCITT制定国际标准:基本的SDH速率为155.520Mbps，称为第1级同步传送模块（STM-1）。SDH标准的制定，使得欧洲、北美和日本的三种不同的数字传输体系在STM-1级别上得到了统一。 SDH的原理：SDH是一个基于时分多路复用技术的数字传输网络，由多路复用器和中继器组成，并通过光纤进行连接。 多路复用器：将多个较低级别的信道复用为一个较高级别的信道； 中继器：实现更长距离传输时的信号再生和转发；

  31. 12. 用路由器连接两个LAN LAN2 R2 广域网 R1 LAN1 一般说来，通过广域网实现LAN之间的互联，路由器是使用最多的设备。 PC机

  32. 图5-6 用路由器连接LAN-LAN 这是一个采用交换式局域网技术的校园网，其主干网使用千兆以太网技术。各个楼通过光纤连到主干交换机的千兆以太网接口。全网划分为多个虚拟网（VLAN），虚拟网之间的通信由路由器完成。通过路由器实现LAN-LAN的互联，以构成更大规模的校园网或企业网（如图5-6）。图中：L2交换机是工作在数据链路层的局域网交换机，L3交换机是带路由功能的第3层交换机。

  33. 图5-7 路由器实现LAN-WAN-LAN 这是中国教育科研网CERNET华北地区网北京大学主结点的网络逻辑图。图中，使用3个路由器构成华北地区主干网。各入网院校的校园网，使用专线加路由器技术接入华北地区主干网。使用路由器完成LAN-WAN-LAN的连接，实现局域网之间的远程互连，以构成更大规模的互联网（如图5-7）。图中：R1-R9是路由器。

  34. 用户宽带上网: 局域网技术 局域网的延伸 共享/交换10M、100Mbps到户、到单位 广域网技术： SDH、ATM－－－－－通信主干 DDN、ISDN、FR、X.25、宽带、ATM－－单位接入公用网 电话拨号、ISDN、ADSL、宽带－－家庭、小单位

  35. 5. 2广域网技术 5.2.1 广域网（WAN-Wide Area Network） 广域网又称远程网（long haul network）。常利用公用通信网络提供的信道进行数据传输；网络结构比较复杂；传输速率一般低于局域网。 • 与局域网相比： • 广域网覆盖范围广 • 广域网没有固定的拓扑结构 • 广域网通常使用高速光纤作为传输介质 • 局域网可以作为广域网的终端用户与广域网连接 • 广域网主干带宽大，但提供给单个终端用户的带宽小 • 数据传输距离远，往往要经过多个广域网设备转发，延时较长 • 广域网管理、维护困难

  36. 广域网结构 广域网的链路一般分为传输主干和末端用户线路 结构：传输主干线、末端用户线路、接入网 根据末端用户线路和广域网类型的不同，有多种接入广域网的技术，并提供各种接口标准。 9.2.2广域网参考模型 广域网的重要组成部分是通信子网。一般由公用网络系统充当通信子网，如：公用电话交换网（PSTN）、数字数据网(DDN)、分组交换数据网（X.25）、帧中继（Frame Relay）、综合业务数据网（ISDN）和交换多兆位数据服务（SMDS）等。

  37. 9.2.3 广域网的标准协议 从图9-9中，广域网的标准协议包括物理层协议、数据链路层协议和X.25的网络层协议。 • 涉及到OSI/RM的最低三层： • 物理层：PSTN、DDN、xDSL、SONET • 数据链路层：ISDN、FR、ATM • 网络层：X.25 图5-9 广域网协议模型与OSI参考模型的关系

  38. 广域网的数据链路层协议有面向字节和面向位两种类型。广域网的数据链路层协议有面向字节和面向位两种类型。 目前广域网中常用的SDLC、HDLC、LAP和LAPB等都是同步串行（Serial）、面向位的传输，使用数据链路层标准协议，它们具有相同的帧格式，全部使用位填充来保证数据的透明性。 • 同步数据链路控制协议SDLC（Synchronous Data Link Control） 是IBM公司在1970年中，为SNA网络环境开发的面向位的数据链路层协议，它可用于点到点和 多点链路。站点分为主站（Primary）和辅站（Secondary）。SDLC在电路交换和包交换的网络环 境中应用，它可以操作在半双工或全双工两种传输方式。 • 高级数据链路控制协议HDLC（High Level Data Link Control） 是从SDLC演变而来的。ISO在SDLC基础上作了一些修改，产生了HDLC。HDLC与SDLC的帧格式相 同、全双工操作相同，它们都是同步、面向位的数据链路层协议。 • HDLC与SDLC的不同之处是： HDLC只支持点到点链路，SDLC可用于点到点和多点链路； HDLC有32位校验和，SDLC没有； HDLC支持三种传输模式（NRM、ARM、ABM）,SDLC 只支持一种。 由于HDLC对SDLC有很大的改进，所以，HDLC协议在广域网中的应用最为广泛，如： 通过DDN数字专线实现点到点的远程连接时，一般都使用HDLC协议。 • 链路访问过程（LAP- Link Access Procedure) LAP是CCITT采纳了HDLC协议后，又对HDLC进行了修改得来的，后来,LAP又被修改为LAPB（ Link Access Procedure Balanced）。实际上LAP和LAPB是HDLC的一个子集，它们也都是面向位的协议。LAP和LAPB 是X.25网使用的数据链路层协议。

  39. 串行线互联协议（SLIP-Serial Line Internet Protocol) 点到点协议（PPP-Point-to-Point Protocol) 是串行线上常用的两个数据链路层通信协议。 SLIP是早期的串行线协议，它比较简单，仅传输IP分组，而且只能在异步传输的 串行线上使用。SLIP通常在拨号线连网环境中应用。 PPP是由IETF定义的串行线协议，它是拨号线连网方式中最常用的协议。使用SLIP或PPP协议建立拨号连接时，一旦连接成功，就会让你的计算机成为网络上的一个直接的网络站点，拥有一个Internet地址（IP 地址），并具有TCP/IP的全部功能，所以也常被称为拨号IP。 • SLIP、PPP的主要区别如下： • PPP协议既可以在异步串行线上使用（拨号线连网），也可以在同步串行线上（数字专线）使用；SLIP只能在拨号网络中应用 • PPP能够支持多种协议；SLIP仅支持IP协议 • PPP有错误检测和纠错功能，它比SLIP协议有更好的传输性能 • PPP的链路管理能够利用PAP和CHAP两个授权协议，控制链路的建立。用户在拨号建立连接时，PPP进行身份验证。非法用户将被拒绝建立链路，安全性好 • PPP协议提供地址协商功能，允许用户拨入时，由PPP服务器动态的分配IP地址 • PPP允许通信双方动态的协商一些选项，更适合在异构网环境下使用

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