广域网

通常广域网的数据传输速率比局域网高，而信号的传播延迟却比局域网要大得多。广域网的典型速率是从56kbps到155Mbps，已有622Mbps、2.4 Gbps甚至更高速率的广域网；传播延迟可从几毫秒到几百毫秒（使用卫星信道时）。

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。

路由器（routers）——提供诸如局域网互连、广域网接口等多种服务。

交换机（switches）——连接到广域网上，进行语音、数据及视频通信。

调制解调器（modems）——提供话音级服务的接口，信道服务单元是T1/E2服务的接口，终端适配器是综合业务数字网的接口。

通讯服务器（communication server）——汇集用户拨入和拨出的连接。

广域网WAN一般最多只包含OSI参考模型的底下三层，而且大部分广域网都采用存储转发方式进行数据交换，也就是说，广域网是基于报文交换或分组交换技术的（传统的公用电话交换网除外）。广域网中的交换机先将发送给它的数据包完整接收下来，然后经过路径选择找出一条输出线路，最后交换机将接收到的数据包发送到该线路上去，以此类推，直到将数据包发送到目的结点。

广域网解析

广域网可以提供面向连接和无连接两种服务模式，对应于两种服务模式，广域网有两种组网方式：虚电路（ virtual circuit）方式和数据报（ data gram）方式，下面我将分别讨论广域网的两种组网方式，并对它们进行比较。

广域网不同于局域网，它的范围更广，超越一个城市、一个国家甚至达到全球互连，因此具有与局域网不同的特点：

覆盖范围广通信距离远，可达数千公里以及全球。

不同于局域网的一些固定结构，广域网没有固定的拓扑结构，通常使用高速光纤作为传输介质。

主要提供面向通信的服务，支持用户使用计算机进行远距离的信息交换。

局域网通常作为广域网的终端用户与广域网相连。

广域网的管理和维护相对局域网较为困难。

广域网一般由电信部门或公司负责组建、管理和维护，并向全社会提供面向通信的有偿服务、流量统计和计费问题。

广域网根据网络使用类型的不同可以分为公共传输网络、专用传输网络和无线传输网络。

公共传输网络大体可以分为两类：

电路交换网络，主要包括公共交换电话网（PSTN）和综合业务数字网（ISDN）。

分组交换网络，主要包括X.25分组交换网、帧中继和交换式多兆位数据服务（SMDS）。

专用传输网络主要是数字数据网(DDN)。DDN可以在两个端点之间建立一条永久的、专用的数字通道。它的特点是在租用该专用线路期间，用户独占该线路的带宽。

以下是常见的广域网类型通信网：

对于采用虚电路方式的广域网，源结点要与目的结点进行通信之前，首先必须建立一条从源结点到目的结点的虚电路（即逻辑连接），然后通过该虚电路进行数据传送，最后当数据传输结束时，释放该虚电路。在虚电路方式中，每个交换机都维持一个虚电路表，用于记录经过该交换机的所有虚电路的情况，每条虚电路占据其中的一项。在虚电路方式中，其数据报文在其报头中除了序号、校验和以及其他字段外，还必须包含一个虚电路号。

在虚电路方式中，当某台机器试图与另一台机器建立一条虚电路时，首先选择本机还未使用的虚电路号作为该虚电路的标识，同时在该机器的虚电路表中填上一项。由于每台机器（包括交换机）独立选择虚电路号，所以虚电路号仅仅具有局部意义，也就是说报文在通过虚电路传送的过程中，报文头中的虚电路号会发生变化。

一旦源结点与目的结点建立了一条虚电路，就意味着在所有交换机的虚电路表上都登记有该条虚电路的信息。当两台建立了虚电路的机器相互通信时，可以根据数据报文中的虚电路号，通过查找交换机的虚电路表而得到它的输出线路，进而将数据传送到目的端。

当数据传输结束时，必须释放所占用的虚电路表空间，具体做法是由任一方发送一个撤除虚电路的报文，清除沿途交换机虚电路表中的相关项。

虚电路技术的主要特点是，在数据传送以前必须在源端和目的端之间建立一条虚电路。

值得注意的是，虚电路的概念不同于前面电路交换技术中电路的概念。后者对应着一条实实在在的物理线路，该线路的带宽是预先分配好的，是通信双方的物理连接。而虚电路的概念是指在通信双方建立了一条逻辑连接，该连接的物理含义是指明收发双方的数据通信应按虚电路指示的路径进行。虚电路的建立并不表明通信双方拥有一条专用通路，即不能独占信道带宽，到来的数据报文在每个交换机上仍需要缓存，并在线路上进行输出排队。

虚电路方式主要的特点：

在每次分组传输前，都需要在源节点和目的结点之间建立一条逻辑连接。由于连接源节点与目的结点的物理链路已经存在，因此不需要真正建立一条物理链路。

一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，因此分组不必自带目的地址、源地址等信息。分组到达的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。

分组通过虚电路上的每个节点时，结点只需要进行差错检测，而不需要进行路由选择。

通信子网中每个节点可以与任何结点建立多条虚电路连接。

广域网另一种组网方式是数据报方式（datagram），数据报是报文分组存储转发的一种形式。原理是：分组传输前不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。源主机发送的每个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组在通信子网中可能通过不同的传输路径到达目的主机。即：交换机不必登记每条打开的虚电路，它们只需要用一张表来指明到达所有可能的目的端交换机的输出线路（在虚电路方式中，同样需要这些表，读者想一想为什么？）。由于数据报方式中每个报文都要单独寻址，因此要求每个数据报包含完整的目的地址。

数据报方式主要特点：

同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网。

同一报文的不同分组到达目的结点是可能出现乱序、重复与丢失现象。

每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址。

数据报方式的传输过程延迟大，适用于突发性通信，不适用于长报文，会话式通信。

虚电路方式与数据报方式之间的最大差别在于：虚电路方式为每一对结点之间的通信预先建立一条虚电路，后续的数据通信沿着建立好的虚电路进行，交换机不必为每个报文进行路由选择；而在数据报方式中，每一个交换机为每一个进入的报文进行一次路由选择，也就是说，每个报文的路由选择独立于其他报文。而且数据报方式不能保证分组报文的丢失，发送报文分组的顺序性和对时间的限制。

广域网是采用虚电路方式还是数据报方式，涉及到的因素比较多。下面我们主要是从两个方面来比较这两种结构。一方面是从广域网内部来考察，另一方面是从用户的角度（即用户需要广域网提供什么服务）来考察。

在广域网内部，虚电路和数据报之间有好几个需要权衡的因素。一个因素是交换机的内存空间与线路带宽的权衡。虚电路方式允许数据报文只含位数较少的虚电路号，而并不需要完整的目的地址，从而节省交换机输入输出线路的带宽。虚电路方式的代价是在交换机中占用内存空间用于存放虚电路表，而同时交换机仍然要保存路由表。

另一个因素是虚电路建立时间和路由选择时间的比较。在虚电路方式中，虚电路的建立需要一定的时间，这个时间主要是用于各个交换机寻找输出线路和填写虚电路表，而在数据传输过程中，报文的路由选择却比较简单，仅仅查找虚电路表即可。数据报方式不需要连接建立过程，每一个报文的路由选择单独进行。

虚电路还可以进行拥塞避免，原因是虚电路方式在建立虚电路时已经对资源进行了预先分配（如缓冲区）。而数据报广域网要实现拥塞控制就比较困难，原因是数据报广域网中的交换机不存储广域网状态。

广域网内部使用虚电路方式还是数据报方式正是对应于广域网提供给用户的服务。虚电路方式提供的是面向连接的服务；而数据报方式提供的是无连接的服务。由于不同的集团支持不同的观点，20世纪70年代发生的“虚电路”派和“数据报”派的激烈争论就说明了这一点。

支持虚电路方式（如X . 2 5）的人认为，网络本身必须解决差错和拥塞控制问题，提供给用户完善的传输功能。而虚电路方式在这方面做得比较好，虚电路的差错控制是通过在相邻交换机之间“局部”控制来实现的。也就是说，每个交换机发出一个报文后要启动定时器，如果在定时器超时之前没有收到下一个交换机的确认，则它必须重发数据。而拥塞避免是通过定期接收下一站交换机的“允许发送”信号来实现的。这种在相邻交换机之间进行差错和拥塞控制的机制通常叫做“跳到跳”（h o p - b y - h o p）控制。

而支持数据报方式（如I P）的人认为，网络最终能实现什么功能应由用户自己来决定，试图通过在网络内部进行控制来增强网络功能的做法是多余的，也就是说，即使是最好的网络也不要完全相信它。可靠性控制最终要通过用户来实现，利用用户之间的确认机制去保证数据传输的正确性和完整性，这就是所谓的“端到端”（e n d - t o - e n d）控制。

以前支持相邻交换机之间实现“局部”控制的唯一理由是，传输差错可以迅速得到纠正。网络的传输介质误码率非常低，例如微波介质的误码率通常少于1 0-7，而光纤介质的误码率通常低于1 0-9，因传输差错而造成报文丢失的概率极小，可见“端到端”的数据重传对网络性能影响不大。既然用户总是要进行“端到端”的确认以保证数据传输的正确性，若再由网络进行“跳到跳”的确认只能是增加网络开销，尤其是增加网络的传输延迟。与偶尔的“端到端”数据重传相比，频繁的“跳到跳”数据重传将消耗更多的网络资源。实际上，采用不合适的“跳到跳”过程只会增加交换机的负担，而不会增加网络的服务质量。

由于在虚电路方式中，交换机保存了所有虚电路的信息，因而虚电路方式在一定程度上可以进行拥塞控制。但如果交换机由于故障且丢失了所有路由信息，则将导致经过该交换机的所有虚电路停止工作。与此相比，在数据报广域网中，由于交换机不存储网络路由信息，交换机的故障只会影响在该交换机排队等待传输的报文。因此从这点来说，数据报广域网比虚电路方式更强壮些。

总而言之，数据报广域网无论在性能、健壮以及实现的简单性方面都优于虚电路方式。

基于数据报方式的广域网将得到更大的发展。

简单介绍几种常用的广域网，包括公用电话交换网（ P S T N）、分组交换网（X . 2 5）、数字数据网（ D D N）、帧中继（ F R）、交换式多兆位数据服务（ S M D S）和异步传输模式（AT M）。

公共电话交换网（ Public Switched Telephone Network，P S T N）是以电路交换技术为基础的用于传输模拟话音的网络。全世界的电话数目早已达几亿部，并且还在不断增长。

要将如此之多的电话连在一起并能很好地工作，唯一可行的办法就是采用分级交换方式。

电话网概括起来主要由三个部分组成：本地回路、干线和交换机。其中干线和交换机一般采用数字传输和交换技术，而本地回路（也称用户环路）基本上采用模拟线路。由于P S T N的本地回路是模拟的，因此当两台计算机想通过P S T N传输数据时，中间必须经双方M o d e m实现计算机数字信号与模拟信号的相互转换。

P S T N是一种电路交换的网络，可看作是物理层的一个延伸，在P S T N内部并没有上层协议进行差错控制。在通信双方建立连接后电路交换方式独占一条信道，当通信双方无信息时，该信道也不能被其他用户所利用。

用户可以使用普通拨号电话线或租用一条电话专线进行数据传输，使用P S T N实现计算机之间的数据通信是最廉价的，但由于P S T N线路的传输质量较差，而且带宽有限，再加上P S T N交换机没有存储功能，因此P S T N只能用于对通信质量要求不高的场合。目前通过P S T N进行数据通信的最高速率不超过5 6 K b p s。

X . 2 5是在2 0世纪7 0年代由国际电报电话咨询委员会C C I T T制定的“在公用数据网上以分组方式工作的数据终端设备D T E和数据电路设备D C E之间的接口”。X . 2 5于1 9 7 6年3月正式成为国际标准， 1 9 8 0年和1 9 8 4年又经过补充修订。从I S O / O S I体系结构观点看， X . 2 5对应于O S I参考模型底下三层，分别为物理层、数据链路层和网络层。

X . 2 5的物理层协议是X . 2 1，用于定义主机与物理网络之间物理、电气、功能以及过程特性。实际上支持该物理层标准的公用网非常少，原因是该标准要求用户在电话线路上使用数字信号，而不能使用模拟信号。作为一个临时性措施， C C I T T定义了一个类似于大家熟悉的R S - 2 3 2标准的模拟接口。

X . 2 5的数据链路层描述用户主机与分组交换机之间数据的可靠传输，包括帧格式定义、差错控制等。X . 2 5数据链路层一般采用高级数据链路控制HDLC （High-level Data LinkC o n t r o l）协议。

X . 2 5的网络层描述主机与网络之间的相互作用，网络层协议处理诸如分组定义、寻址、流量控制以及拥塞控制等问题。网络层的主要功能是允许用户建立虚电路，然后在已建立的虚电路上发送最大长度为1 2 8个字节的数据报文。报文可靠且按顺序到达目的端。X . 2 5网络层采用分组级协议（ Packet level Protocol，P L P）。

X . 2 5是面向连接的，它支持交换虚电路（ Switched Virtual Circuit，S V C）和永久虚电路P V C（Permanent Virtual Circuit）。交换虚电路（ S V C）是在发送方向网络发送请求建立连接报文要求与远程机器通信时建立的。一旦虚电路建立起来，就可以在建立的连接上发送数据，而且可以保证数据正确到达接收方。X . 2 5同时提供流量控制机制，以防止快速的发送方淹没慢速的接收方。永久虚电路（ P V C）的用法与S V C相同，但它是由用户和长途电信公司经过商讨面预先建立的，因而它时刻存在，用户不需要建立链路而可直接使用它。P V C类似于租用的专用线路。

由于许多的用户终端并不支持X . 2 5协议，为了让用户哑终端（非智能终端）能接入X . 2 5网络， C C I T T制定了另外一组标准。用户终端通过一个称为分组装拆器（ Packet AssemblerD i s a s s e m b l e r，PA D）的“黑盒子”接入X . 2 5网络。用于描述PA D功能的标准协议称为X . 3；

而在用户终端和PA D之间使用X . 2 8协议；另一个协议是用于PA D和X . 2 5网络之间的，称为X . 2 9。

X . 2 5网络是在物理链路传输质量很差的情况下开发出来的。为了保障数据传输的可靠性，它在每一段链路上都要执行差错校验和出错重传；这种复杂的差错校验机制虽然使它的传输效率受到了限制，但确实为用户数据的安全传输提供了很好的保障。

X . 2 5网络的突出优点是可以在一条物理电路上同时开放多条虚电路供多个用户同时使用；网络具有动态路由功能和复杂完备的误码纠错功能。X . 2 5分组交换网可以满足不同速率和不同型号的终端与计算机、计算机与计算机间以及局域网L A N之间的数据通信。X . 2 5网络提供的数据传输率一般为6 4 K b p s。

数字数据网（ Digital Data Network，D D N）是一种利用数字信道提供数据通信的传输网，它主要提供点到点及点到多点的数字专线或专网。

D D N由数字通道、D D N结点、网管系统和用户环路组成。D D N的传输介质主要有光纤、数字微波、卫星信道等。D D N采用了计算机管理的数字交叉连接（ Data CrossConnection，D X C）技术，为用户提供半永久性连接电路，即D D N提供的信道是非交换、用户独占的永久虚电路（ P V C）。一旦用户提出申请，网络管理员便可以通过软件命令改变用户专线的路由或专网结构，而无须经过物理线路的改造扩建工程，因此D D N极易根据用户的需要，在约定的时间内接通所需带宽的线路。

D D N为用户提供的基本业务是点到点的专线。从用户角度来看，租用一条点到点的专线就是租用了一条高质量、高带宽的数字信道。用户在D D N上租用一条点到点数字专线与租用一条电话专线十分类似。D D N专线与电话专线的区别在于：电话专线是固定的物理连接，而且电话专线是模拟信道，带宽窄、质量差、数据传输率低；而D D N专线是半固定连接，其数据传输率和路由可随时根据需要申请改变。另外， D D N专线是数字信道，其质量高、带宽宽，并且采用热冗余技术，具有路由故障自动迂回功能。

下面介绍D D N与X . 2 5网的区别。X . 2 5是一个分组交换网， X . 2 5网本身具有3层协议，用呼叫建立临时虚电路。X . 2 5具有协议转换、速度匹配等功能，适合于不同通信规程、不同速率的用户设备之间的相互通信。而D D N是一个全透明的网络，它不具备交换功能，利用D D N的主要方式是定期或不定期地租用专线。从用户所需承担的费用角度看， X . 2 5是按字节收费，而D D N是按固定月租收费。所以D D N适合于需要频繁通信的L A N之间或主机之间的数据通信。D D N网提供的数据传输率一般为2 M b p s，最高可达4 5 M b p s甚至更高。

帧中继（ Frame Relay，F R）技术是由X . 2 5分组交换技术演变而来的。F R的引入是由于过去2 0年来通信技术的改变。2 0年前，人们使用慢速、模拟和不可靠的电话线路进行通信，当时计算机的处理速度很慢且价格比较昂贵。结果是在网络内部使用很复杂的协议来处理传输差错，以避免用户计算机来处理差错恢复工作。

随着通信技术的不断发展，特别是光纤通信的广泛使用，通信线路的传输率越来越高，而误码率却越来越低。为了提高网络的传输率，帧中继技术省去了X . 2 5分组交换网中的差错控制和流量控制功能，这就意味着帧中继网在传送数据时可以使用更简单的通信协议，而把某些工作留给用户端去完成，这样使得帧中继网的性能优于X . 2 5网，它可以提供1 . 5 M b p s的数据传输率。

我们可以把帧中继看作一条虚拟专线。用户可以在两结点之间租用一条永久虚电路并通过该虚电路发送数据帧，其长度可达1 6 0 0字节。用户也可以在多个结点之间通过租用多条永久虚电路进行通信。

实际租用专线（ D D N专线）与虚拟租用专线的区别在于：对于实际租用专线，用户可以每天以线路的最高数据传输率不停地发送数据；而对于虚拟租用专线，用户可以在某一个时间段内按线路峰值速率发送数据，当然用户的平均数据传输速率必须低于预先约定的水平。换句话说，长途电信公司对虚拟专线的收费要少于物理专线。

帧中继技术只提供最简单的通信处理功能，如帧开始和帧结束的确定以及帧传输差错检查。当帧中继交换机接收到一个损坏帧时只是将其丢弃，帧中继技术不提供确认和流量控制机制。

帧中继网和X . 2 5网都采用虚电路复用技术，以便充分利用网络带宽资源，降低用户通信费用。但是，由于帧中继网对差错帧不进行纠正，简化了协议，因此，帧中继交换机处理数据帧所需的时间大大缩短，端到端用户信息传输时延低于X . 2 5网，而帧中继网的吞吐率也高于X . 2 5网。帧中继网还提供一套完备的带宽管理和拥塞控制机制，在带宽动态分配上比X . 2 5网更具优势。帧中继网可以提供从2 M b p s到4 5 M b p s速率范围的虚拟专线。

交换式多兆位数据服务（ Switched Multimegabit Data Service，S M D S）被设计用来连接多个局域网。它是由B e l l c o r e在2 0世纪8 0年代开发的，到9 0年代早期开始在一些地区实施。

为了说明S M D S的用途，我们来看一个例子。假设某个公司有4个办公室分别位于4个城市，而每个办公室有一个局域网。公司决定将4个局域网连接起来，可以采用的一种方案是租用6条高速专用线路将4个局域网相互连接，如图4 - 1 a所示。这种方案是可行的，但造价太昂贵。

另一种方法就是使用S M D S，如图4 - 1 b所示。我们可以将S M D S当做是L A N之间的高速主干网，即允许某个L A N通过S M D S向其他L A N发送报文。而在L A N与S M D S之间的短距离线路（图4 - 1 b中粗线所示）可以从电话公司租用。通常情况下，该段线路使用城域网（ M A N）的D Q D B协议，当然使用其他类型的协议也是可行的。

图4-1 连接4个L A N的两种不同方案虽然大多数电话公司所提供的服务是针对连续通信业务的，但是S M D S的设计却是针对突发通信的。换句话说，有些时候某个L A N要将数据报文快速发往另一个L A N，而更多时间在L A N之间没有数据要传送。图4 - 1 a使用租用专线的解决方案存在下列问题：一旦租用了线路，不管用户是否一直在使用这些线路，都必须为每条线路付出高昂的月租费。对于间歇性的通信，租用线路是一个代价比较高的方案，而S M D S在造价上比它更有竞争力。如果有n个L A N，将它们全互连需要租用n（n-1）/ 2条长距离的专线，而使用S M D S只需要租用n条短距离的线路将L A N接到S M D S路由器上。

既然S M D S的设计目标是用于L A N与L A N之间的通信，因而它的数据传输速度必须足够高。S M D S的标准速率是4 5 M b p s，低于4 5 M b p s的速率也是可行的。

S M D S提供无连接的报文传输服务。S M D S报文格式如图4 - 2所示。S M D S报文有3个字段：

目的地址字段、源地址字段以及一个长度可变的用户数据字段，用户数据的最大长度可达9 1 8 8个字节。发送方L A N上的机器将报文通过接入线路发送到电话公司的S M D S交换机，S M D S将报文尽力投递到目的结点，但并不保证一定正确投递到。

图4-2 SMDS帧格式

源地址和目的地址包括4位二进制代码以及1 5位十进制数电话号码。每位十进制数都被单独编码为4位二进制数。电话号码由国家代码、地区代码和用户号码组成，意味着可以向用户提供国际业务。

每当报文到达S M D S网络时， S M D S的第一个路由器负责检查报文的源地址是否对应于入境线路以防止在计费时受骗。如果地址不对，报文将被丢弃；如果地址正确，报文将继续发送到目的结点。

S M D S的一个很有用的特征是广播。用户可以定义一组S M D S的电话号码，并为整个组赋一个特殊的号码。任何发送到该特殊号码的报文都将被发送给组内的所有成员。

S M D S的另一个有用的特征是对入境和出境的报文进行地址屏蔽。对于输出地址的屏蔽，

LAN 1 LAN 2

LAN 3 LAN 4 LAN 3 LAN 4

LAN 1

LAN 2

SMDS

a) 用租用线路连接4个LAN b) 用SMDS连接4个LAN

目的地址

字节数8 8 ≤9 188

源地址用户数据

用户可以指定一组电话号码，从而限制用户只能向指定的地址（电话号码）输出报文；同样的道理，对于输入地址屏蔽，用户可以通过指定一组电话号码来限制外面用户的呼入。

使用S M D S的这一特性，用户可以组建一个私人网络。

S M D S帧的有效载荷部分可以是任意的字节序列，而且该字段的最大长度为9 1 8 8字节。

S M D S帧的数据字段可以携带以太网的报文、I B M令牌网的报文以及I P报文等，亦即S M D S只是将数据不加修改（透明）地从源L A N传送到目的L A N。

S M D S按如下方法处理突发通信。连接用户访问线路的路由器含有一个按固定速率递增的计数器，如每隔1 0 μ s 加1。每当路由器收到报文时，路由器将检查计数器的值并与刚接收到的报文长度进行比较（按字节数比较）。如果计数器的值大于报文的字节数，则该报文将被立即发送出去同时将计数器的计数值减去报文的字节数。如果报文长度大于计数器值，

则将该报文被丢弃。

实际上，按照每隔1 0 μ s 加1的计数频率，用户可以按照100 000字节/秒的平均速率发送数据，但突发数据率可能比这更高。例如，假设用户接入线路有1 0 m s的空闲期，则计数器的值为1 0 0 0，因此用户可以按4 5 M b p s的传输率发送1 K字节的数据，路由器所需的传输时间为1 8 0 μ s 。对于100 000字节/秒的租用线路，同样1 K字节的数据可能要用1 0 m s。这样，只要用户的平均数据率一直保持在预先约定的数据率下，对用户各种数据通信速率的要求， S M D S都提供很小的延迟。这种机制向需要发送数据的用户提供快速响应，同时又能防止用户使用超过他们预先同意支付的带宽。

通过前面的分析，我们已经知道， S M D S支持的数据传输率要高于帧中继，但S M D S是无连接的。