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[网络协议]第三章 广域网技术

第一节 广域网概述

一,广域网的概念

  • 广域网Wide Area NetworkWAN)也称远程网。所覆盖范围从几十公里到几千公里,能连接多个城市或国家,或横跨几个大洲提供远距离通信,形成国际性的远程网络。
  • Internet是目前最大的广域网,但两者并不等价。
    • Internet是以不同类型不同协议的网络“互联”为主要特征。
    • 广域网包括大大小小不同的子网,子网可以是局域网,也可以是小型的广域网。

二,广域网的组成

  • 从网络的系统组成角度分,可分为
    • 骨干网
    • 城域网
    • 接入网

在这里插入图片描述

三,广域网的层次结构

  • 广域网技术主要位于OSI模型到的物理层,数据链路层和网络层。
    • 物理层协议
      • 物理层描述了数据终端设备Data Terminal EquipmentDTE)和数据通信设备Data Circuit-terminating EquipmentDCE)之间的接口。
      • 连接到广域网的设备通常是一台路由器,被认为是一台DTE,而连接到另一端的设备(如调制解调器)为服务提供商提供接口,即DCE
      • 物理层描述了连接方式,连接大致可分为专线连接电路交换连接包交换连接三种类型,都使用同步或异步串行连接
      • 许多物理层标准定义了DTEDCE之间接口的控制规则,如RS-232,V.35,X.21等。
    • 数据链路层协议
      • 数据链路层定义了传输到远程站点的数据封装形式,并描述了在单一数据路径上各系统间的帧传送方式。
      • 在每个广域网连接上,数据在通过链路前都被封装到帧中。
      • 广域网的数据链路层协议有两种类型:面向字节面向比特
    • 网络层
      • 网络层协议规定了怎样分配地址,怎样把包从网络的一端传到另一端。
      • 广域网的网络层协议有CCITTX.25协议和TCP/IP协议簇中的IP协议等。

第二节广域网传输技术

一,帧中继

  • 帧中继Frame RelayFR)技术是在X.25分组交换技术的基础上发展起来的一种快速分组交换技术,是对X.25的改进。帧中继采用包交换虚电路相结合的技术,充分利用网络资源,能够支持比X.25网络传输更高的带宽,并提供更大的吞吐量,适合突发性业务。
  • 帧中继省略了X.25的一些通信管理功能,不提供窗口技术和数据重发技术,而是依靠高层协议提供纠错功能。帧中继技术仅实现数据传输过程中物理层和链路层的功能,通过将流量控制,纠错等对数据分组处理过程留给智能端设备完成,简化了结点设备之间的传输进程。
  • 帧中继技术在每对设备之间都预先定义好一条帧中继通信链路,且该链路配置有一个专门的链路识别码作为专线传输。帧中继服务通过帧中继虚电路实现,每条帧中继虚电路都以数据链路识别码(DLCI)标识自己,DLCI的值一般由帧中继服务提供商指定。

二,数字数据网

  • 数字数据网Digital Data NetworkDDN),是利用光纤数字电路和分组交换设备连接组成的数字数据传输网。
  • DDN传输具有传输时延短,用户可选用的传输带宽范围大,信息传输质量高等优点,适合于广域网中传输的信息量大,实时性要求高的业务,如视频。
  • 优势
    • DDN是同步数据传输网,用户电路链接的建立必须在入网设备上预先设定,根据用户需要提供永久或半永久连接的专线电路,但不具备交换功能。
    • DDN传输速率高,传输质量好,网络时延小。目前最高传输速率可达150Mbit/s
    • DDN为全透明网。

三,异步传输技术

  • ATMAsynchronous Transfer Mode异步传输模式

  • ATM把需要传输的数据划分为大小固定的数据单元,称作信元,由48字节的数据加上5字节的头部信息,构成长度为53字节的信元。通过使用大小固定的信元,ATM网络能提供数据分组大小固定的通信模式。

  • ATM采用虚电路方式传输数据,既可以使用永久虚电路PVC),也可以使用交换虚电路SVC)。

  • SVC是一种逻辑上的点对点连接,通过ATM交换机来选择发送者和接收者间的最优路径。

  • ATM交换机是ATM网络重要的传输设备,通过在网络传输数据之前,就建立起虚电路连接。

  • 在广域网中针对时间延迟要求严格的数据,非常适合采用ATM技术。

第三节 广域网接入技术

  • 接入网络由业务结点接口SNI)和用户网络接口UNI),以及它们之间的一系列传送实体组成,是传送电信业务,提供传送承载能力的设施系列。
  • 接入网络的功能是负责将业务信息透明地传送到用户网络中,即用户通过接入网络,灵活地接入到不同地业务结点上。

一,DSL接入

  • DSLDigital Subscriber Line数字用户线路
  • 双绞线为传输介质的点对点传输技术。利用软件和电子技术结合,使用在电话系统中没有被利用的高频信号传输数据。
  • xDSLDSL的统称,支持任意数据格式或字节流数据业务。x是不同种类的数字用户线路技术的统称,表示不同的数据调制方式。
  • 上行下行速率是否相同,将DSL分为对称DSL技术非对称DSL技术。一般在速率非对称型DSL技术中,下行信道的速率要大于上行信道的速率。

在这里插入图片描述

1,对称DSL

  • SDSLHDSL支持对称T1/E11.544Mbit/s2.048Mbit/s)传输,最大有效传输距离为3~4kmSDSL只需1对双绞线,HDSL需要2-4对铜质双绞线。

2,非对称DSL

1,VDSL

  • VDSLxDSL技术中最快的一种。
  • 在1对双绞电话线上,VDSL的下行数据传输速率为13-52Mbit/s,上行数据传输速率为1.5-2.3Mbit/s
  • 传输距离短,只有几百米。

2,ADSL

  • xDSL接入技术的典型代表。
  • 基于普通电话线的宽带网接入技术,利用现有电话线路ADSL采用频分复用技术。
  • ADSL提供非对称的传输。
  • 工作过程
    1. 用户计算机产生的数字信号,经过ADSL调制后与电话机的语音信号在信号分离器上合并。
    2. 合并后的语音和计算机数据信号通过电话线传输到电信局。
    3. 在电信局,信号分离器将语音信号交给Codec进行编码,将计算机数据信号交给数字用户接入复用器DSLAM)复用。
    4. 电信局将复用后的信号通过ISP发送到远端网络。

3,RADSL

  • RADSL为速率自适应数字用户线,是ADSL的一种扩充,允许服务提供者调整xDSL连接的带宽以适应实际需要,解决线长和质量问题。支持同步和非同步传输方式,速率自适应。可同时传输数据和语音。

二,Cable Modem接入

  • Cable Modem接入是在混合光纤同轴电缆网(Hybrid Fiber CoaxialHFC)上实现的宽带接入技术。
  • Cable Modem本身不单纯是调制解调器,它集Modem,调谐器,加解密设备,桥接器,网络接口卡,虚拟专网代理和以太网集线器的功能与一体。
  • HFC网络中的用户端系统,主要由Cable Modem,计算机和应用软件组成。
  • Cable Modem又称为线缆调制解调器,简称CM,是实现有线电视网络接入Internet的重要设备。

在这里插入图片描述

三,光纤接入

  • 光纤接入网Optical Access NetworkOAN)是一种光纤传输网络,完全使用光纤作为传输介质。
  • 光纤接入分为3类
    • 无源光纤接入无源光网络
    • 有源光纤接入有源光网络
    • 光纤+局域网

1,无源光网络

  • 无源光网络Passive Optical NetworkPON)接入技术是一种点到多点的光纤接入技术。
  • 无源”指光分配网络Optical Distribution NetworkODN)中,不含有任何有源电子器件及电子电源,全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成。
  • PON分为3种
    • APONATM PON
    • EPONEthernet PON
    • GPONGigabit-Capable PON

1,APON

  • APONATMPON作为网络协议和平台,上,下行方向的信息传输都采用ATM传输方案。下行速率为622Mbit/s155Mbit/s,上行速率为155Mbit/s
  • 光结点到前端的距离可达10~20km
  • 采用无源双星型拓扑结构,使用时分复用时分多址技术,可以实现信元中继,局域网互联,电路仿真等。

2,EPON

  • 可以提供1.25Gbit/s的上下行带宽,传输距离可达10~20km
  • 传送的是可变长度的数据包,最长可为65535个字节,提高了网速。
  • 兼容未来业务如数字电视,VoIP,电视会议和VOD等。

3,GPON

  • GPON保留了与PON不是直接相关的许多功能,如OAM消息,DBA等。
  • GPON基于全新的传输汇聚层Transmission Convergence LayerTCL)。
  • PON一般由电信运营商端的OLT光线路终端),用户端的ONU光网络单元)以及ODN光纤分配单元)组成。
  • ODN是基于PON设备的光缆网络,主要是为OLT端和ONU用户端之间提供光传输通道。

2,有源光网络

  • 有源光网络Active Optical NetworkAON)是指信号在传输过程中,从局端设备到用户分配单元之间采用光电转换设备,有源光电器件以及光纤等有源光纤传输设备进行传输的网络。
    • 有源光器件包括
      • 光源(激光器)
      • 光接收机
      • 光收发模块
      • 光放大器(光纤放大器和半导体光放大器)等
  • 有源光网络的电信运营商局端的设备(CE)和用户端的设备(RE),主要通过有源光传输设备相连,骨干传输网采用同步数字传输Synchronous Digital HierarchySDH)和准同步数字传输Plesiochronous Digital HierachyPDH)。
  • 用户端设备主要完成业务的收集,接口适配,复用和传输功能。
  • 电信运营商局端设备主要完成接口适配,复用和传输功能。
  • 有源光网络的拓扑结构通常是星型或环形网络拓扑结构。
  • 优势
    • 传输容量大
    • 传输距离远。不加中继器传输距离可达70~80km
    • 用户信息隔离度好。用户信息的传输方式都是点对点传输。
    • 技术成熟

3,光纤+局域网

  • 适用于网络接入区域为住宅小区智能大厦,现代写字楼的局域网区域,实现万兆到小区,千兆到大楼,百兆到桌面的宽带接入。
  • 根据光纤深入用户的程度,分为5种
    • FTTCFiber To the Curb光纤到路边
    • FTTZFiber To the Zone光纤到小区
    • FTTBFiber To the Building光纤到楼
    • FTTFFiber To the Floor光纤到楼层
    • FTTHFiber To the Home光纤到户

第四节 广域网通信协议

  • 广域网通信协议指Internet上负责路由器与路由器之间连接的数据链路层协议。
  • 常用的包括:
    • 高级数据链路控制协议High Level Data Link ControlHDLC
    • 帧中继Frame RelayFR)协议
    • 点对点协议Point to Point ProtocolPPP
    • 以太网上的点对点协议Point-to-Point Protocol Over EthernetPPPoE

一,HDLC协议

  • HDLC协议是面向比特,同步数据传输链路层协议,主要用于在网络的结点之间全双工,点对点的完成数据传输服务。

  • HDLC协议工作在OSI网络模型的第二层。物理层负责收发物理信号,网络层的数据在第二层通过HDLC协议进行封装,增加数据链路层控制信息,形成在物理网络上传输的数据帧,帧格式如下。
    在这里插入图片描述

    • 帧定界符是01111110
    • 地址字段用于标识一个终端。
    • 控制字段用作序列号,确认,查询与结束。
    • 信息是传送的内容。
    • 校验和采用循环冗余校验CRC)。
  • HDLC协议有3种类型的帧:

    • 信息帧(I格式)
    • 监督帧(S格式)
    • 无编号帧(U格式)
  • HDLC是面向位的协议,位确保数据的透明传输,HDLC使用位填充。

二,FR协议

  • 帧中继是一种数据包交换技术,可以使终端站之间动态共享网络介质和可用带宽。
  • 帧中继网络中传输的数据帧,通过“虚电路”技术把数据分组传输到目的地。帧中的虚电路是源端点到目的端点间的逻辑链路,它能提供终端设备之间的双向通信路径,数据链路连接标识符Data Link Connection IdentifierDLCI)进行唯一标识。
  • 帧中继采用多路复用技术,将大量虚电路复用为一个物理虚电路,以实现跨网络远程传输,从而降低终端设备连接和网络建设的复杂性。
  • 帧中继网络提供2种业务
    • 永久虚电路Permanent Virtual CircuitPVC
      • 由网络管理器建立,提供专用点对点连接。
    • 交换虚电路Switched Virtual CircuitSVC
      • 建立在呼叫到呼叫Call by Call)的基础上,采用与建立ISDN通信相同的信令。

三,PPP

  • PPPPoint to Point Protocol点到点协议)是为了点对点之间的数据传输提供的一种封装方法,支持IPIPXAppleTalk等各种网络层协议,替代了原来非标准的链路层协议(SLIP)。
  • 支持异步的物理线路传输,也支持同步的物理线路传输,支持链路的配置,质量检测和网络层协议的复用。
  • PPP支持多种配置参数选项的协商,如IP地址的动态分配和管理等。

1,PPP帧格式

  • PPP工作在数据链路层,数据封装帧格式不仅提供帧界定和检错功能,还提供了协议标识,使得不同网络层协议可以同时在同一链路上传输。
    在这里插入图片描述

    • Flag:标志字段,表示帧的起始或结束,由二进制序列01111110构成,即0x7E
    • Address:地址字段,由二进制序列11111111构成,即0xFF,是标准的广播地址。目前该字段已无任何意义。
    • Control:控制字段,由二进制序列00000011构成,要求用户数据传输采用无序号帧。
    • Protocol:协议字段,用来识别PPP帧的Information字段所封装的协议。协议字段典型取值:
      • 0xc021:信息域中承载的是LCP链路控制协议)的数据报文
      • 0xc023:信息域中承载的是PAP密码认证协议)的认证报文。
      • 0xc223:信息域中承载的是CHAP(询问握手认证协议)的认证报文。
      • 0xc8021:信息域中承载的是NCP(网络控制协议)的数据报文。
      • 0xc0021:信息域中承载的是IP数据报文。
    • Information0~1500字节。包含Protocol字段中指定的协议数据包。
    • FCS(CRC):帧校验序列字段,用于PPP数据帧传输的正确性进行CRC检测。

2,PPP的构成

  • 习惯上把一个接口叫做本地接口或本地端口,而把另一个接口叫做对端接口或远端接口,或简称为Peers。由三个部分构成。
    • 在串行链路上提供封装数据报方法,完成点对点的链路上数据报的封装。
    • 链路控制协议Link Control ProtocolLCP),用于启动线路,测试,任选功能的协商及关闭连接。
    • 网络控制协议Network Control ProtocolNCP),用来建立和配置不同的网络层协议。PPP使用NCP对各种网络层的协议进行封装,如IPIPX协议。

3,PPP的基本工作流程

在这里插入图片描述

  • PPP的基本工作流程总共包含5个阶段。分别是
    • 链路静止阶段
    • 链路建立阶段
      • 当物理层检测到线路可用时,向链路层发送一个线路激活信号,PPP两端的设备就开始发送LCP Configure-Request报文,并等待响应LCP Configure-Ack报文,当链路层参数协商完毕后就进入了LCP开启状态。
      • 在链路建立过程中可以使用认证,也可以不使用。当LCP报文中协商后,要使用相关协议进行认证时,则进入认证阶段,否则直接进入网络层协商阶段。
    • 认证阶段
      • 进行口令验证协议(PAP)或挑战握手验证协议(CHAP)认证。
      • 客户端将自己的身份发送给远端的接入认证服务器。通过安全验证可以避免第三方窃取数据或冒充远程客户的连接。
      • 完成了认证,才能进入到网络层协商阶段。如果认证失败,则转到链路终止阶段。本阶段,只有链路控制协议,认证协议和链路质量监视协议的报文是被允许的,接收到的1其他报文会被丢弃。
    • 网络层协商阶段
      • PPP调用在链路建立阶段所选定的各种网络控制阶段(NCP)。通过NCP来协商PPP链路之上的网络层协议需要的参数。
      • 每种网络层协议都会通过各自相应的网络控制协议进行配置,每个NCP可在任何时间打开或关闭。当一个NCP变成Opened状态时,PPP就可以开始在链路上承载网络层的数据报文。
    • 链路终结阶段

四,PPPoE协议

  • PPPoE提供了在以太网环境下PC主机和远端宽带接入服务器BRAS建立点到点的连接关系的一种方法。

1,PPPoE的报文格式

  • 如果以太网帧的类型字段的值为0x88630x8864,则表明以太网帧的载荷数据就是一个PPPoE报文。
    在这里插入图片描述

  • PPPoE报文分为PPPoE HeaderPPPoE Payload两个部分。

    • PPPoE Header中:
      • VER字段的值总是取0x01.
      • Type字段的取值也总是0x01
      • Code字段是用来表示不同类型的PPPoE报文的。
      • Session-ID字段用来区分不同的PPPoE会话(PPPoE Session)。
      • Length字段用来表示PPPoE报文净荷长度。
    • PPPoE Payload中,Payload字段用来封装PPP帧。

2,PPPoE工作流程

  • PPPoE链路的建立要经过PPPoE的发现阶段PPPoE Discovery Stage)和PPPoE的会话阶段PPPoE Session Stage)。
    • 发现阶段是主机在广播式的网络上搜寻宽带接入服务器BRAS,并在多个可能的宽带接入服务器中确定其一,建立点到点关系的过程。
    • 会话阶段则是PPPLCP,认证,NCP的会话过程。与PPP不同的是,PPPoE的数据报文被封装成以太网帧进行传送。

1,发现阶段

  1. 用户主机首先主动发送广播PADIPPPoE Active Discovery Initiation)寻找接入服务器。
  2. 接入服务器收到PADI报文后回应PADOPPPoE Active Discovery Offer)。此时该报文所对应的以太网源地址填充接入服务器的MAC地址,而以太网目的地址则填充从PADI中所获取的用户主机的MAC地址。
  3. 用户主机在回应PADO的接入服务器中选择一个合适的,并发送PADR单播的请求报文告知接入服务器。
  4. 接入服务器收到PADR报文后,开始为用户分配一个唯一的会话标识符Session ID,启动PPP状态机以准备开始PPP会话,并发送一个携带该会话标识符Session ID的会话确认包PADSPPPoE Active Discovery Session-confirmation)。

2,会话阶段

  1. 会话阶段包括LCP认证NCP这3个协议的协商过程。
  2. PPPoE还包括一个PADTPPPoE Active Discovery Terminate)报文。被用来终止一个PPPoE会话,可以在会话开始之后发送。
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