第3章广域网局域网与城域网技术

第3章广域网、局域网与城域网技术发展趋势本章学习要求：掌握：广域网技术掌握：局域网技术了解：宽带城域网技术3.1广域网技术

广域网的主要特征广域网技术发展的轨迹光网络与光以太网技术3.1.1广域网的主要特征

广域网是一种公共数据网络广域网技术研究的重点是宽带核心交换技术3.1.2广域网技术发展的轨迹在广域网的发展过程中，用于构成广域网的网络类型主要有：公共电话交换网、综合业务数字网、ATM网X.25网、帧中继网光以太技术从传统的电信网

向ISDN的发展

公共电话交换网

早期，利用电话交换网(publicswitchingtelephonenetwork，PSTN)的模拟信道，使用调制解调器(modem)这种设备，通过拨号建立结点之间的线路连接的网络，完成计算机之间的低速数据通信X.25网

X.25网是一种典型的公用分组交换网，它是CCITT为广域网制定的一个公用分组交换网；制定X.25标准的基础是传输速率低、误码率高的通信线路，为了克服通信线路数据传输质量较差的缺点，X.25标准采用了复杂的差错控制、流量控制与拥塞控制机制，协议复杂，工作效率不高；X.25网的传输速率一般为64Kbps；X.25标准主要是针对大型机与终端连网。

帧中继

帧中继主要考虑如何减少数据帧在通信子网中的开销，没有采用流量控制与差错控制机制，通信子网中的差错控制由主机的高层来保证；数据帧通过帧中继网的处理时间可以比通过X.25网降低一个数量级，而吞吐量要比X.25网络提高一个数量级以上；目前帧中继网的数据传输速率一般为1.5Mbps；帧中继网主要用于局域网之间的互连。

异步传输模式ATM网ATM——异步传输模式B-ISDN——宽带综合业务数字网；ATM的基本数据传输单元是信元；信元长度固定为53字节；信元包括5字节的信元头与48字节的用户数据。异步传输模式ATM网

ATM是一种面向连接的技术；采用小的、固定长度的信元作为数据传输单元；能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信；ATM以统计时分多路复用方式动态分配网络带宽，网络传输延时小，适应实时通信的要求；ATM没有链路级纠错与流量控制，协议简单，数据交换效率高；ATM采用两级虚电路机制，增加了虚电路分配的灵活性；ATM的数据传输速率可以在155Mbps～2.4Gbps。物理链路、虚通路与虚通道的关系

物理链路（PhysicalLink）虚通路（VP，VirtualPath）虚通道（VC，VirtualChannel）

支持远程教学的ATM网

综合业务数据网

CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在ISDN一个网络之中；

B-ISDN的目标是将语音、数据、静态与动态图像传输综合在一个通信网中，覆盖从低传输速率、非实时传输要求，到高传输速率、实时突发性等各类传输要求；B-ISDN采用异步传输模式ATM技术。3.1.3光网络与光以太网技术第一代传输网络以铜缆与无线射频为主，在发展过程中无法逾越带宽的瓶颈问题；第二代传输网络在主干线路使用光纤，发挥光纤的高带宽、低误码率、抗干扰等优点，交换结点的电信号与光信号转换仍是带宽瓶颈；第三代全光网以光结点取代现有网络的电结点，使用光纤将光结点互联成网，克服现有网络在传输和交换时的瓶颈。ASON的概念自动交换光网络(automaticswitchedopticalnetwork，ASON)引入智能控制的很多方法，解决光网络的自动路由发现、分布式呼叫连接管理，以实现光网络的动态配置连接管理。3.2

局域网技术局域网技术发展的轨迹Ethernet的基本工作原理高速Ethernet技术交换式局域网与虚拟局域网技术无线局域网技术研究与发展蓝牙技术的研究与发展3.2

局域网的技术特点局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园等有限范围内的计算机连网的需求；局域网提供高数据传输速率（10～100Mbps）、低误码率的数据传输环境，数据传输速率高达1Gbps的高速局域网正在发展中；决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法；从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。

3.3

局域网技术发展的轨迹IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE802标准；IEEE802标准之间的关系

IEEE802模型与协议

传输介质类型与介质访问控制方法局域网的传输介质类型：同轴电缆双绞线光纤无线通信信道介质访问控制方法:带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）令牌总线（TokenBus）令牌环（TokenRing）3.4

局域网拓扑结构类型与特点

3.4.1

总线型拓扑结构总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；所有结点可以通过总线以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突”不可避免；“冲突”会造成传输失败；必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC，MediumAccessControl）问题。总线型局域网

的拓扑结构

CSMA/CD介质访问控制方法

Ethernet通常采用双绞线等传输介质作为总线，所有结点通过总线发送或接收数据，结点通过总线以广播方式发送数据，因此需要共享总线的冲突问题Ethernet的核心技术：带有冲突检测的载波侦听多路访问(carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection，CSMA/CD)介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？CSMA/CD的发送流程可以概括为：先听后发边听边发冲突停止延迟重发总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于扩展，可靠性较好。Ethernet网卡结构

发送与接收信号的收发器曼彻斯特编码与解码器Ethernet数据链路控制部分帧装配部分与主机的接口Ethernet物理地址

Ethernet物理地址用于IEEE802.3协议的介质访问控制(MAC)子层的帧中，它被称为MAC地址Ethernet物理地址的长度为48位，因此允许分配的地址应该有247个Ethernet物理地址在全球范围唯一，IEEE注册管理委员会(RAC)为每个网卡分配地址的前三字节3.4.2

环型拓扑结构

结点使用点-点线路连接，构成闭合的物理环型结构；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；环建立、维护、结点的插入与撤出。

令牌环的工作原理

TokenRing方式的优点：环中结点访问延迟确定适用于重负载环境支持优先级服务TokenRing方式的缺点：环维护工作复杂实现比较困难

3.4.3

星型拓扑结构

逻辑结构与物理结构的关系交换局域网(SwitchedLAN)的物理结构

3.4.4

令牌总线的工作原理

TokenBus的环维护工作：环初始化新结点加入环结点从环中撤出环恢复优先级

TokenBus的主要特点：介质访问延迟时间有确定值；通过令牌协调各结点之间的通信关系，各结点之间不发生冲突，重负载下信道利用率高；支持优先级服务。3.5IEEE802参考模型

IEEE802参考模型与OSI参考模型的关系

初期局域网拓扑结构：总线型、环型、星型。介质访问控制方法:带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌总线（TokenBus）、令牌环（TokenRing）。介质：同轴电缆、双绞线、光纤、无线通信信道。定义了帧的结构、长度。定义了介质专用接口：AUI、BNC、RJ-45。传统共享式局域网的缺点传统局域网技术建立在“共享介质”基础上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD、TokenRing、TokenBus；介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质；每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。

3.6

高速局域网的工作原理

3.6.1

高速局域网的研究方法

推动局域网技术发展的因素：个人计算机的广泛应用。在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；基于Web的Internet/Intranet应用要求更高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。高速局域网的研究方法第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mbps→100Mbps→100Gbps

；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，导致局域网互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致“交换式局域网”技术的发展。

局域网分类传统以太网快速以太网千兆以太网速度10Mbps100Mbps1000Mbps以上物理层标准802.3802.3u802.3z传输方式半双工半双工/全双工全双工访问冲突控制CSMA/CDCSMA/CD/无无设备10Mbps共享HUB10/100Mbps共享HUB/交换HUB交换式HUB帧格式802.3MAC帧格式802.3MAC帧格式802.3MAC帧格式传输介质粗缆、细缆、双绞线、光缆细缆、双绞线、光缆细缆、双绞线、光缆接口AUI、BNC、RJ-45RJ-45RJ-453.6.2

快速以太网

FastEthernet传输速率100Mbps；保留传统以太帧的结构与MAC子层的CSMA/CD方法，对物理层进行调整；定义新物理层标准，并提供10Mbps与100Mbps速率自动协商功能；定义介质专用接口(mediaindependentinterface，MII)，将MAC子层与物理层分隔开，传输介质和信号编码方式的变化不影响MAC子层；每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE802委员会正式批准了FastEthernet标准IEEE802.3u。

FastEthernet的协议结构

3.6.3

千兆以太网保留传统Ethernet的帧结构与帧的最小、最大长度规定，以便和低速率Ethernet通信；定义千兆介质专用接口(gigabitMII，GMII)，将MAC子层与物理层分隔开；修改CSMA/CD介质控制方法，冲突窗口时间、载波扩展、短帧发送、帧突发处理；延续自动协商的概念，并将它扩展到光纤连接中，主要用于协调链路两端结点。3.6.3

千兆以太网用Ethernet组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mbps的Ethernet；部门级网络系统采用传输速率为100Mbps的FastEthernet；企业级网络系统采用传输速率为1000Mbps的GigabitEthernet。

GigabitEthernet的协议结构

10GigabitEthernetIEEE802.3ae标准；保留传统Ethernet的帧结构与帧的最小、最大长度规定，以便和低速率Ethernet通信；传输速率高达10Gbps，传输介质不使用双绞线，而只使用光纤，以在城域网和广域网范围工作；只是工作在全双工方式，不存在介质争用的问题，传输距离不受冲突检测的限制。3.7

交换式局域网的工作原理

3.7.1

交换式局域网的基本结构

3.7.2

局域网交换机的工作原理

交换机的帧转发方式（1）直接交换方式优点：交换延迟时间短。缺点：缺乏差错检测能力，不支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发。（2）存储转发交换方式优点：具有差错检测能力，支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发。缺点：交换延迟时间增长。（3）改进直接交换方式。交换机的性能参数

最大转发速率；汇集转发速率；转发等待时间。3.7.3

局域网交换机的技术特点

低交换延迟支持不同的传输速率和工作模式支持虚拟局域网服务

共享介质与交换局域网工作原理的区别

局域网产品类型与相互之间的关系

3.8

虚拟局域网的工作原理

3.8.1

虚拟网络的概念虚拟网络建立在局域网交换机之上;以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理;逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制;一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。

虚拟局域网VLAN

3.8.2

虚拟局域网的实现技术虚拟局域网的组网方法

用交换机端口号定义虚拟局域网用MAC地址定义虚拟局域网用网络层地址定义虚拟局域网IP广播组虚拟局域网用交换机端口号定

义虚拟局域网成员

3.10

无线局域网的工作原理

3.10.1

无线局域网的应用

作为传统局域网的扩充建筑物之间的互连漫游访问特殊网络

典型的无线局域网结构IEEE802.11工作组3.10.2

无线局域网的主要类型

红外线局域网定向光束红外传输技术全方位红外传输技术漫反射红外传输技术扩频局域网跳频通信直接序列扩频窄带微波局域网

申请执照的窄带RF

免申请执照的窄带RF

3.10.3IEEE802.11协议

IEEE802.11定义两种设备：无线结点、无线接入点(accesspoint，AP);IEEE802.11采用带冲突避免的载波侦听多路访问(carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA/CA)方法;IEEE802.11物理层标准主要包括：IEEE802.11b、IEEE802.11a和IEEE802.11g。

IEEE802.11b协议IEEE802.11b目前应用最广泛IEEE802.11b的传输速率可达到11MbpsIEEE802.11b包括两种模式点对点模式基本模式

3.10.4蓝牙技术的研究与发展

蓝牙(Bluetooth)技术由IBM、Intel、Nokia和Toshiba公司发起蓝牙是用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准IBM、Intel、Nokia和Toshiba公司成立SIG组织，并且发布蓝牙规范1.0版

3.10.4

无线个人区域网与IEEE802.15.4标准

随着手机、便携式计算机和移动设备的广泛应用，提出自身附近几米范围内的个人操作空间设备联网的需求；无线个人区域网络(wirelesspersonalareanetwork，WPAN)在这个背景下出现；IEEE802.15工作组成立，致力于WPAN的物理层与数据链路层的协议标准化。3.11

宽带城域网技术

城域网概念的发展与演变宽带城域网的结构与层次划分设计与组建宽带城域网注意的问题接入网技术的基本概念

3.11.1

城域网概念的发展与演变

根据IEEE802委员会的最初表述，城域网是以光纤为传输介质，提供45Mbps到150Mbps传输速率，支持数据、语音与视频业务的数据传输，覆盖跨度在50到100公里的城市范围，实现高速宽带传输的数据通信网络早期城域网的首选技术光纤环网，典型产品是光纤分布式数据接口(fiberdistributeddatainterface，FDDI)

光纤分布式数据接口

FDDI主要技术特点

使用

802.5的单令牌环网介质访问控制协议；使用

802.2协议，与符合

802标准局域网兼容；数据传输速率为100Mbps，连网的结点数最大为1000，环路长度为100km；可以使用双环结构，具有容错能力；可以使用多模或单模光纤；具有动态分配带宽的能力，能够支持同步和异步数据传输。

FDDI主要应用环境

计算机机房网办公室或建筑物群的主干网校园网的主干网多校园的主干网宽带城域网的主要特征

以计算机网络技术与IP技术为核心，是传统计算机网络、电信网络与有线电视网技术的融合；从传输介质角度看，能够在公共电话交换网、移动通信网、计算机网络和有线电视网上通信；设计上重点在：高数据交换容量（交换接点的性能与容量）、服务质量QoS以光传输网为开放平台基础；通过各种网络互联设备，实现语音、数据、图像、视频、IP电话、IP电视、IP接入和各种增值业务的综合网络平台。宽带城域网的特点

完善的光纤传输网是宽带城域网的基础传统电信、有线电视与IP业务的融合成为宽带城域网的核心业务高端路由器和多层交换机是宽带城域网设备的核心扩大宽带接入是发展宽带城域网应用的关键

3.11.2

宽带城域网的结构宽带城域网的网络结构

根据城市范围分为：二层结构（即骨干层、接入层）、三层结构（即骨干层、汇聚层和接入层）。核心层1.承担高速数据交换和大容量的业务调度；2.网络结构的设计以网络中业务的流量和流向为前提；3.核心层的交换技术主要有IP和ATM两种；4.主流设备采用吉比特或太比特线速路由器、大容量ATM交换机设备，提供高速的核心交换功能和快速的路由功能；5.核心层的传输技术主要有光纤直连、SDH、DWDM等。

宽带城域网的网络结构

汇聚层主要功能是提高网络覆盖面、汇聚和收敛用户业务和进行用户控制与管理，并且终结PVC。汇聚层节点一般为大容量路由器、ATM交换机、局域网交换机和宽带接入服务器等，承担路由与流量汇聚的功能。传输技术主要有两种实现方案：光纤直连方案或通过SDH采用POS技术组网方案。宽带城域网的网络结构

接入层承担用户接入与本地流量控制的功能；作用是将终端用户接入到宽带城域网络中，是网络向用户延伸的“最后一公里”；实现对不同业务需求、不同地理分布的用户覆盖；其设备应提供丰富的业务接口（宽带和窄带接入），具有多业务的承载能力和QoS保证，能对用户节点实现一定的流量控制及其他策略管理功能。

3.11.3

设计与组建宽带城域网需要注意的问题

根据实际需求确定网络总体结构宽带城域网的可运营性宽带城域网的可管理性宽带城域网的可盈利性宽带城域网的可扩展性支持宽带城域网的运营的关键技术

3.11.4

接入网技术

Internet接入服务是指利用接入服务器和相应的软硬件资源建立业务结点，并利用公用电信基础设施将业务结点与Internet骨干网相连接，以便为各类用户提供接入Internet的服务

接入技术的基本类型

有线接入技术基于双绞线的非对称数字用户线系统（ADSL）技术、基于光纤和同轴电缆混合（HFC）网的电缆调制解调器（CableModem）技术、基于光纤（或光传送网）的接入技术；无线接入技术多路微波分配系统（MMDS）本地多点分配业务（LMDS）卫星通信接入技术xDSL接入技术

xDSL技术的典型：非对称数字用户线ADSL

HFC接入技术光纤同轴电缆混合网(hybridfibercoax，HFC)是双向传输系统光纤结点将光纤干线和同轴分配线互连光纤结点通过同轴电缆下引线为500到2000个用户服务

光纤接入技术

光纤到路边(fibertothecurb，FTTC)光纤到小区(fibertothezone，FTTZ)光纤到大楼(fibertotheb