1.5.2 相关知识：广域网技术
1.广域网概述
（1）广域网的概念：广域网（wide area network，WAN）也称远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网一般由主机（资源子网）和通信子网组成。广域网示意如图1-25所示。
图1-25 广域网示意
广域网的通信子网主要使用分组交换技术，它可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。广域网主要有适应大容量与突发性通信的要求、适应综合业务服务的要求、开放的设备接口与规范化的协议、完善的通信服务与网络管理等特点。
广域网和局域网之间，既有区别又有联系。广域网远比局域网出现得早。但在技术上，局域网要领先于广域网，但随着ATM技术的发展和应用，通过提供统一的网络平台，会使这些技术上的差异越来越小。在应用上，局域网强调的是资源共享，而广域网则着重数据传输。对于局域网，人们更多关注的是如何根据应用需求来规划、建立和应用；对于广域网，侧重的则是网络能够提供什么样的数据传输业务，以及用户如何接入网络等。
（2）公共数据通信网：一般广域网的通信子网都是由公共数据通信网承担的。通常，公共数据通信网是由政府的电信部门建立和管理的，这也是区别于局域网的重要标志之一。许多国家的电信部门都建立了自己的公用分组交换网、数字数据网、综合业务数字网和帧中继网等，以此为基础提供电路交换数据传输业务、分组交换数据传输业务、租用电路数据传输业务、帧中继数据传输业务和公用电话网数据传输业务。
我国电信部门的公共数据通信网也有了长足的发展：继公用电话交换网（PSTN）、中国公用分组交换网（ChinaPAC）及中国数字数据网（ChinaDDN）之后，又建立了公用帧中继宽带业务网（ChinaFRN），逐步完成了全国范围光纤网络的建设和大量卫星地面站的建设，为我国的高速信息网发展打下坚实的基础。
常用的公共网络系统有公用电话交换网（PSTN）、分组数据交换网（X.25网）、帧中继网（FR网）、数字数据网（DDN）、综合业务数字网（ISDN）和异步传输模式（ATM）等。
公共数据通信网主要提供三种通信服务。
•电路交换服务：适合传输实时性要求高的信息，如语音信息、视频信息。
•分组交换服务：传输数据和多媒体信息。
•租用线路或专线服务：专用线路任意组合可传输语音、数据、传真信息，但租用专线独占线路，因此传输费用高。
2.公用电话交换网PSTN（public switching telephone network）
（1）PSTN概述：公用电话交换网是最早建立的一种大型通信网络，即日常生活中常用的电话网。PSTN是向社会提供电话通信服务的公共网络系统，是国家公用通信基础设施之一，由国家电信部门统一建设、管理和运营。
PSTN是以模拟技术为基础的电路交换网络。两数字站通信时要借助modem实现。使用电路交换方式，双方建立连接后独占该模拟信道，其他用户不可用。
（2）PSTN的作用和特点：PSTN的主要作用就是通过程控交换机之间的连接实现用户之间在国际国内范围的语音和数据通信。PSTN主要提供电话通信服务，同时也提供数据业务，如电报、传真、数据交换、可视图文等。在和因特网的关系上，PSTN提供了因特网相当一部分的长距离基础设施。PSTN的特点：实时性好，租用费用低，入网方式简便灵活；无存储转发，带宽有限，难于实现不同速率设备之间的传输。
（3）PSTN的组成：从功能角度看，PSTN由国际交换局、长途交换局、中心交换局、端交换局和用户等层次构成；从通信的覆盖面看，PSTN又可分为市话通信网、国内长途通信网和国际电话通信网三类。
从系统构成角度看，PSTN由以下几部分组成。
1）交换设备：对于PSTN，交换设备是必不可少的，它反映并决定了PSTN的接续能力。主要有程控交换机、计算机交换机等。
2）传输媒体：PSTN必须拥有提供信息传输的有线或无线通信媒体，并与交换机设备一起构成完整的传输系统。
3）用户设备：用户设备是PSTN系统的信源和信宿设备，是用户直接接触和使用的设备。
4）信令系统：信令系统是为实现用户间通信，在交换局间提供的以呼叫建立、释放为主的各种控制信息的系统。
3.分组交换网
分组交换网是一种采用分组交换技术实现的数据通信网。它提供的网络功能相当于OSI参考模型的低三层的功能。ITU-T的X.25标准就是针对分组交换网制定的，因此此类网络也叫X.25网。
（1）X.25协议：分组交换网诞生于20世纪70年代，是一个以数据通信为目标的公共数据网。X.25协议是一个DTE对PDN的接口规范。
X.25接口分为三个层次：最下面的是物理层，其接口标准是X.21协议；第二层是数据链路层，其接口标准是HDLC（高级数据链路控制协议）的一个子集；第三层是分组层，该层提供的网络服务是虚电路服务。
X.25的分组有两类：控制分组和数据分组。虚电路的建立、数据传输时的流量控制、虚电路的拆除等，都要用到控制分组。每个X.25分组由分组头部和分组的数据部分组成。
（2）中国的公用分组交换网（ChinaPAC）：中国的公用分组交换网是由原邮电部组建的以X.25为基础，可以满足不同速率、不同型号DTE及LAN之间通信和资源共享的计算机通信网。全网由全国中心城市32个中转和汇接中心的交换机组成，1993年年底投入运行。ChinaPAC的结构如图1-26所示。
图1-26 ChinaPAC的结构
ChinaPAC具有规模大、覆盖面广、端口容量大、通信速率高、处理能力强等特点，可为用户提供良好的通信环境和网络支持。
目前，ChinaPAC已成为覆盖国内600多个城市，与世界20多个国家和地区的40多个公用分组交换网互连，国内的任何一台计算机均可通过ChinaPAC进行国际间的数据传输。
（3）数字数据网（DDN）：数字数据网（digital data network）是一种利用数字信道（光纤、数字微波、卫星）和数字复用技术提供半永久性连接的，以传输数据信号为主的，为用户提供专用的、支持点到点高速传输的数字传输网络。DDN本身是一种数据传输网，支持任何通信协议，使用何种协议由用户决定（X.25或帧中继）。
1）DDN的特点：支持数据、语音、图像等信息传输；传输速率高，时延小；传输质量高，信道利用率高。
2）DDN的应用：DDN以全数字、高速率和灵活的功能为用户提供大容量的数据通信平台，也为用户建立自己的专用数据网提供了方便。可支持LAN互连、多媒体信息传输、虚拟专用网及用户建立自己的话音网、数据网和电视电话专用网等。
中国的DDN是由数十万条光缆为主体构成的数字数据网络。它采用时分多路复用技术把支持数字信息高速传输的光纤信道划分为多个子信道。
DDN与X.25的比较如表1-2所示。
表1-2 DDN与X.25的比较
4.帧中继网
帧中继网是1992年推出、1994年得以发展的一种新型公用数据交换网标准，并已获得ANSI和ITU-T的批准。帧中继和X.25属于相同类型的标准，但帧中继是一种可变帧长的快速分组交换技术。
（1）帧中继技术原理及特点：
1）技术原理：当分组到达结点时，直接“穿越”结点被转接到输出链路上，减少和避免结点对分组的存储和处理时间。而将网络结点的差错控制、流量控制和纠错重发等处理放在终端系统进行。
帧中继可以看作是由对X.25协议的简化和改进而得。帧中继简化了网络层和数据链路层的功能，它不设分组级，而是以链路级的帧为基础实现多条链路的转换和统计复用（所以叫作帧中继）。
2）帧中继的特点：
•具有统计时分复用和虚电路的优点。
•简化了网络功能，减少了网络开销，因此提高了数据传输速率，降低了网络延迟，增大了网络吞吐量（向用户提供64 Kbps～2.048 Mbps，甚至10 Mbps的接入速率，最多可达45 Mbps）。
•帧中继的帧长度可变（1.6～2KB），比X.25的帧长度长，非常适合LAN业务。
•提供动态的带宽管理和差控机制，适于传输突发性数据。
•采用面向连接的虚电路方式，可提供交换式虚电路和永久性虚电路业务。
（2）帧中继的层次结构：帧中继网络在链路层和网络层只保留了帧检错功能，遇到有差错的帧就简单地抛弃，而不进行差错纠正、重发和流量控制等，这些相应的功能由终端系统实现。因此，帧中继简化了分组级（网络层），并简化了数据链路层功能。帧中继网络体系结构也比OSI/RM简单。
帧中继标准只提供链路层和物理层的规格参数，而它独立于高层协议，因此，可以利用现有的网络设备实现帧中继业务。
（3）帧中继的帧格式：帧中继的帧格式与HDLC相似，但无控制字段，因此，帧中继只有数据帧。标志字段与HDLC相同；地址字段较复杂，由两个字节组成；信息字段长度可变，说明帧中继帧的长度是可变的；FCS字段的构成与HDLC相同，但只能检错，无纠错功能。
（4）帧中继的应用：帧中继业务的应用十分广泛，以下是几个实际应用的永久性虚电路业务的例子。
1）图像传输：帧中继网可提供图像、图表的传输业务。图像、图表信息的传输往往要占用很大的网络带宽。例如，医疗机构要传输一张X光照片要占用8 Mbps的带宽，如果用分组交换网传输，则端到端的时延过长，用户难以接受；如采用电路交换网传输，则费用太高，用户难以承受；而帧中继网具有高速率、低延时、动态分配带宽、成本低等特点，很适合传输图像信息。
2）虚拟专用网：帧中继网可以将网络中的若干个结点划分为一个分区，并设置相对独立的管理机构，对分区内的数据流量及各种资源进行管理。分区内各个结点共享分区内的网络资源，分区之间相对独立，这种分区结构就是虚拟专用网。采用虚拟专用网比建立一个实际专用网要经济合算，尤其适合于大企业用户。
综上所述，帧中继是简化的分组交换技术，其设计目标是为传输面向协议的用户数据。经过简化的技术在保留了传统分组交换技术优点的同时，大幅度提高了网络的吞吐量。因此，帧中继具有可减少传输设备与费用、提供高性能、缩短响应时间等优点。
5.ATM网
（1）ISDN概述：ISDN（integrated service digital network）是一种由交换机和数字信道构成，可提供语音、数据、图像等综合业务信息传输的数字通信网络。它可以使用户通过一条通信线路获得各种电信服务。ISDN有以下三个基本特征。
1）端到端的数字连接。
2）综合的业务。
3）标准的入网接口（两种速率标准——基本速率和基群速率）。
（2）N-ISDN和B-ISDN：ITU-T（国际电联电信标准化部分）在N-ISDN的基础上提出宽带ISDN（B-ISDN）的系列建议，它是一种信道速率超过主群接口速率的系统。因为在使用中，2 Mbps的速率很难满足用户的要求。
B-ISDN以光纤为传输介质，传输速率可达155 Mbps、622 Mbps，甚至高达几Gbps。各种不同速率的业务都能以同样的方式在B-ISDN网络中传输。为了实现B-ISDN的功能，ITU-T定义了一种新型的快速传输技术——异步传输模式ATM作为其核心技术。B-ISDN也是将各种业务（如语音、数据、图像、动画等）综合在一个网络中传输，它包含N-ISDN的所有业务功能。
（3）B-ISDN和ISDN的主要区别：
1）传输带宽差别很大：ISDN只能向用户提供2 Mbps以下的业务，而B-ISDN可支持数Gbps的业务。
2）网络硬件基础不同：ISDN是以电话网络为基础的，用户采用双绞线；而B-ISDN网络的环路和干线都是采用的光纤介质。
3）交换方式不同：ISDN主要使用的是电路交换（只在传输信令的D通道使用分组交换）技术，采用的是同步传输模式STM；而B-ISDN则使用一种快速分组交换技术，采用的是异步传输模式ATM。
4）传输速率不同：ISDN各种通路的比特率是事先定好的；而B-ISDN使用的是虚通路概念，其比特率不预先确定，其上限仅受UNI接口的物理比特率限制，155 Mbps可支持高清晰度电视的需求，622 Mbps的用户线路速率可支持一个或多个交互性的分布式服务。
（4）ATM概述：ATM是1990年由ITU-T公布的快速交换技术，并将其作为BISDN的信息传输方式。但由于其复杂程度高，首先被用于LAN。
ATM技术建立的网络可以提供高速交换方式，减少结点时延，支持和集成所有类型的服务，在一定程度上解决了高速化和宽带化问题。
ATM网络技术的主要目标是高速化（低时延）、综合化（综合业务通信）和适应不同速率业务服务。ATM是实现B-ISDN的核心技术。实际上ATM是一种快速交换技术，它是建立在电路交换和分组交换基础上的传输模式。ATM集交换（信元交换）、复用（异步时分复用）和传输（异步传输，虚电路方式）技术为一体，它具有如下特点。
1）面向连接的快速（信元）交换。
2）综合了线路交换实时性好（结点延迟小）和分组交换灵活性好（动态分配网络资源）的优点。
3）支持不同速率的数据传输，满足实时性业务和突发性业务要求。
4）支持多媒体信息传输（业务综合化）。
5）服务质量QoS高。
（5）ATM交换：
1）信元结构：ATM以信元为基本信息传输单位。信元是一种短的固定长度的数据分组，由信元头和信元体组成。信元固定为53B，其中5B为信元头，用来承载信元的控制信息，它可以标识不同的信道和优先级等控制信息；48B为信元体，用来承载用户要分发的信息。信元体中可以是任何类型的信息。这种短小而固定的信元传输可以缩小网络传输延迟；长度固定的信元首部，可以只用硬件电路对信元进行处理，减少结点对信元的处理时间。由于ATM网络由相互连接的ATM交换机构成，存在交换机与终端、交换机与交换机之间的两种连接。因此交换机支持两类接口：用户与网络的接口UNI和网络结点间的接口NNI。UNI用于用户终端与交换机的连接，NNI用于ATM交换机之间的连接。UNI信元头部各字段的作用如下。
a.GFC：一般流量控制，又称多址访问控制。当多个用户终端连接到ATM交换机的同一链路，用GFC标识不同用户，支持点到多点访问，只用于UNI接口。
b.VPI虚通路标识符和VCI虚通道标识符：VPI和VCI一起标识传送ATM信元的逻辑通道，用它们可以把一条物理链路分为若干个逻辑通道，建立虚通路和虚通道。
c.PTI：承载类型指示。用于指明信元中的信息域的类型。
d.CLP：信元优先丢弃位。当网络阻塞时，首先丢弃CLP等于1的信元。
e.HEC：信头差错控制。用来检测信头中的错误，可纠正一位错，检验多位错，在物理层实现。
2）信元种类：
a.普通信元：承载用户信息。
b.信令信元：承载控制信息。
c.维护信元：承载运行和维护信息。
d.空闲信元：填充空闲信道。
（6）ATM交换原理：ATM虽然用信元作为信息转移的基本单位，但仍然是一种面向连接的转移模式。各信元在网络内的流动不是独立的，它们以连接为单位进行路由选择，即属于同一连接的信元具有相同的转移路径。当然这种连接不同于电路交换系统那样的实电路连接，而是与分组交换相似的虚电路连接（逻辑连接）。为便于管理，ATM的虚电路被分为两个级别：虚通道VC（virtual channel）和虚通路VP（virtual path）。相应的，连接有VC连接（VCC）和VP连接（VPC），每个连接都由转移点和点与点之间的链路（link）构成。用户终端一般是VCC的端点，而在VCC的转移点要实现VC交换或交叉连接。VCC的转移点一般又是VPC的端点，在VPC的转移点要实现VP交换或交叉连接。
（7）ATM网及应用：ATM网由ATM交换机、中继线、用户线、用户接入设备（BNT、B-TA）及各种用户终端设备组成。用户线、中继线主要用光纤传输介质，采用SDH（STM-1、STM-4、STM-16）的物理传输通路。除了传输用户信息以外，还要传输控制和管理信息。控制信息又称为信令。ATM网完整的信令系统包括用户-网络信令（UNI信令）和网络内部结点间信令（NNI信令）。从当前看，ATM可应用于如下四个方面。
1）ATM LAN用于计算机工作站、高速或多媒体计算机之间的联网，提供高速数据和视频更新业务。
2）作为骨干网络或中继网络，实现LAN、PABX、WAN等的互连以便于实现现有网络的互通。
3）现有大型数字程控交换机中的宽带ATM交换模块，支持高速数据和视频通信业务，而电话业务仍由原有的64 Kbps电路交换模块提供，便于现有电话网与宽带网的共存，并逐步向B-ISDN过渡。
4）在将来的B-ISDN中，作为其统一的信息转移模式。鉴于现有电话网、数据网是一笔巨大的资产，不可能很快淘汰，而ATM也存在着如何经济地支持电话业务等问题，B-ISDN的普遍实现还需要经历相当长的时间。
综上所述，ATM网具有高效率、高带宽、低延迟、高服务质量、独立带宽及按需动态分配带宽等特点，能够充分满足不断增长的数据、语音和视频等通信业务的发展需要。但要同时指出，ATM技术毕竟是一门新技术，目前仍处于发展中，已有的ATM产品，尤其是ATM交换机的价格还很昂贵，这些都说明ATM技术需要一个发展过程。