“网络工程师培训”基础教程：局域网与广域网

LAN 定义

LAN 是一个覆盖地理范围相对较小的高速容错数据网络，它包括工作站、个人计算机、打印机和其它设备。

LAN 为计算机用户提供了资源共享的设备访问，如打印、文件交换、电子邮件交换等等。

在这种环境中，LAN 定义了一系列的协议支持局域网网络设备的顺利运行。

LAN 及其常用设备

LAN 的设计目标主要面对有限的地理区域，它允许同时访问高带宽的介质。

LAN 主要通过局部管理控制网络的私有权利，提供全时的局部服务，其连接物理设备一般在相对较近的环境中。

LAN 的传输形式一般以总线型为主，最常见的以太网采用了载波侦听与冲突检测 CSMA/CD 协议以支持总线型的结构。

常见网络拓扑结构

LAN 的拓扑结构定义了组织网络设备的方法，LAN 有总线型、星型、树型环型和网型等多种拓扑结构。

这些拓扑结构是逻辑结构，和实际的物理设备的构型没有必然的关系，如逻辑总线型和环型拓扑结构通常表现为星型的物理网络组织。

以太网原理简介

基于广播的以太网中，所有的工作站都可以接收到发送到网上的广播帧，每个工作站都要经过判断确认信息帧是否是发给自己的，如是，则转到高层的协议层去。

采用了载波侦听与冲突检测 CSMA/CD 协议的以太网中，工作站在发送数据之前，要侦听网络是否空闲，只有在网络不阻塞时，工作站才能发送数据。

WAN 定义

WAN 是覆盖地理范围相对较广的数据通信网络，它通常利用公共载波公司提供的便利条件进行传输。

WAN 技术在 OSI 参考模型的下三层（即物理层、数据链路层和网络层）发挥作用。

WAN 通常采用两种交换模式运行，即电路交换和分组交换技术。

电路方式是基于电话网电路交换的原理，当用户要求发送数据时，交换机就在主叫用户和被叫用户之间接通一条物理的数据传输通路。特点是时延小、“透明”传输（即传输通路对用户数据不进行任何修正或解释）、信息传输的吞吐量大。缺点是所占带宽固定，网络资源利用率低。

分组方式是一种存储转发的交换方式。它是将需要传输的信息划分为一定长度的包（分组），以分组为单位进行存储转发的。每个分组信息都载有接收地址和发送地址的的标识，在传送分组之前必须首先建立虚电路，然后依序传送。分组方式在线路上采用动态复用的技术来传送各个分组，带宽可以复用。缺点是实时性不好。

WAN 及其常用设备

常用的 WAN 设备有 Modem /CSU/DSU、路由器、广域网交换机、接入服务器、ATM 交换机等。

WAN 协议

常用的广域网协议有：

HDLC：高级数据链路控制，ISO 标准的链路层协议；

LAPB：平衡型链路访问规程，增强了错误检测和更正；

PPP：点到点协议，有丰富功能的同异步链路层协议；

X.25：分组交换协议，定义了终端和分组交换网络的连接规程；

FR：帧中继，在 X.25 基础上发展起来的简洁高效的分组交换协议；

ISDN：语音数据共享的数字化链路。

WAN 服务类型

常用的广域网服务类型可分为：

呼叫连接：通过信令如 SS7 建立连接所成网络，例如 Modem 拨号；

时分复用：利用时分复用设备连接的网络，如专用线路；

分组交换：利用分组交换网络连接的网络，如帧中继、X.25。

Modem 拨号上网

异步 Modem 使用传统的电话网络，并且工作于异步传输模式，传统的电话网络有以下优势：

任何地方的可用性：由于传统电话网络的性质决定；

容易配置：易于配置，只需简单的参数配置；

按需拨号：只在所需要的时候进行联接；

低费用：没有其它网络昂贵的设备和运行费用。

ISDN 简介

ISDN 是一种标准化的数字服务。ISDN 可以在现有的铜线上传输语音、数据、视频。ISDN 不同于专线连接模式，它是拨号激活的，相对于昂贵的专用线路，可以很大程度的节省费用。

ISDN 提供多种安全措施：

呼叫链路识别：此功能由服务商提供；

PAP：明文传送的密码验证；

CHAP：密文传送的密码验证；

RADIUS：工业标准的 Client/Server 结构安全访问协议。

ISDN 简介（续1）

ISDN 的两种信道：

B 信道（64Kbps）；

D 信道（16 或 64Kbps）。

ISDN 用户接口类型：

基本速率接口（BRI）：2B+D（192Kbps）；

基群速率接口（PRI）：30B+D（2048Kbps）。

ISDN 简介（续2）

功能群和参考点概念的提出是为了定义 ISDN 用户——网络接口上的配置和建立接口标准。功能群是指用户接入 ISDN 所需的一组功能，而参考点是用来分割功能群的概念上的点。

用户接入ISDN 的功能可以划分为以下功能群：

网络终端1（NT1）：包含 OSI 第一层的功能，ISDN 在用户处的物理和电器终端装置，在 NT1 上要处理 D 信道竞争的问题；

网络终端2（NT2）：包含 OSI 一到三层的功能；

1 类终端设备（TE1）：ISDN 标准终端设备；

2 类终端设备（TE2）：非 ISDN 标准终端设备；

终端适配器（TA）：完成将 TE2 接入 ISDN 的速率和协议等方面的适配功能。

参考点：

T 参考点：NT1 与 NT2 之间，是用户和网络之间的分界点（NT1 属于网管部门，NT2 属于用户；

S 参考点：TE1 和 NT2 之间，对应于单个 ISDN 终端设备接入网络的接口，将用户终端和与网络有关的功能分开；

U 参考点：对应于用户线，用来描述用户线上的双向数据信号；

R 参考点：位于 TE2 和 TA 之间，用于提供非标准 ISDN 标准终端的入网接口。

Frame-Relay 描述

帧中继技术是在数据链路层用简化的方法传送和交换数据单元的快速分组交换技术。帧中继技术是在分组交换技术充分发展、数字与光纤传输线路逐渐代替已有的模拟线路、用户终端日益智能化的条件下诞生并发展起来的。

帧中继仅完成 OSI 物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错等留给智能终端完成，大大简化了节点机之间的协议；同时，帧中继采用虚电路技术，能充分利用网络资源，因此帧中继具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。帧中继对于 ATM 网络，是一个重要的可选项。帧中继作为一种附加于分组方式的承载业务引入 ISDN，其帧结构与 ISDN 的 LAPD 结构一致，可以进行逻辑复用。

Frame-Relay 特性

帧中继技术主要有以下几点特性：

在链路层完成统计复用、帧透明传输和错误检测，但不提供发现错误后的重传操作。省去了帧编号、流量控制、应答和监视等机制，大大节省了交换机的开销，提高了网络吞吐量、降低了通信时延。一般帧中继用户的接入速率在 64Kbps-2Mbps，具有可伸缩的速度。

帧中继是一种国际标准，并日益得到广泛地应用。

交换单元——帧的信息长度比分组长度要长，预约的最大帧长度至少要达到1600 字节/帧，适合封装局域网的数据单元。用户能有效地利用预约的带宽，即承诺的信息速率（CIR），还允许用户的突发数据占用未预定的带宽，以提高网络资源的利用率。

帧中继协议简化了 X.25 的第三层功能，使网络节点的处理大大简化，提高了网络对信息的处理效率。帧中继传送数据使用的传输链路是逻辑连接，而不是物理连接，在一个物理连接上可以复用多个逻辑连接，可以实现带宽的复用和动态分配，降低了网络联接的费用。

由于帧中继协议的非广播特性，广播包的传递必须靠路由器的复制，会降低有效带宽的利用率并降低网络设备的性能。

提供一套带宽管理和防止拥塞的机制，但这种机制需要端设备协议的配合，包括路由器、广域网交换机等，否则没有良好的拥塞管理。

不同厂商的设备互操作性的问题，可能导致帧中继网络的延迟很大。

X.25 描述

X.25 协议是数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）和数据电路终接设备（Data Circuit_terminating Equipmert，DCE）之间的接口规程，其主要功能是描述如何在 DTE 和 DCE 之间建立虚电路、传输分组、建立链路、传输数据、拆除链路、拆除虚电路， 同时进行差错控制、流量控制、情况统计等，并且为用户提供了一些可选的业务功能和配置功能。

X.25 协议包含了三层：分组层、数据链路层、物理层，是和 OSI 参考模型的下三层一一对应的，它们的功能也是一致的：

物理层：物理层定义了 DTE 和 DCE 之间的电气接口和建立物理的信息传输通路的过程，可采用 X.21 建议、X.21bis 建议、V 建议等接口标准；

数据链路层：数据链路层采用平衡型链路访问规程 LAPB，LAPB 定义了DTE--DCE 链路之间的帧交换的过程及帧格式；

分组层：分组层则定义了分组的格式和在分组层实体之间交换分组的过程，同时也定义了如何进行流控，差错处理等规程。X.25 的分组层利用链路层提供的服务在 DTE 和 DCE 之间传递分组。它将一条逻辑链路按照动态时分复用的方法划分为多个子逻辑信道。这样就可以允多个用户同时使用数据通道，大大地提高了资源的利用率和效率。

X.25 特性

为了适应早期并不可靠的有大量误码的模拟电路，X.25 是一种含有冗余错误控制的可靠传送协议。

X.25 提供了偏远地区可用的庞大的公用分组交换网络，因此可以到达遥远的地域，确保商业用户的网络互联。

X.25 网络采用了标准的地址识别，这种地址是唯一的。

由于高度的可靠传输、过于冗余的错误控制，导致了网络效率较低、延时较大，可能成为网络性能的瓶颈。

专用线路

专用线路是透明的物理传输信道，由于它使用简便、覆盖面广，被广泛应用于企业网互联、专线 Internet 接入等。专用线路的明显缺陷是：由于采用点到点通信，对于复杂网络的分支点间的互通，必须通过中心转发。速率以64K 为主，大于 64K 的线路，费用较贵。

专用线路是点对点连接的，它给予用户访问整个链路带宽的可能性。在某一时刻，带宽的可用率为 100%。然而，在专用线路上，在一段平均时间内，典型的线路利用率只有可用带宽的 30% 至 40% ，这是专用线路主要的缺点。但是，由于它是一直联接的，所以不必建立为新的联接而花费等待的时间。

另一方面，专用线路解决方案要求中心端口的高密度，包括通信设备如 DSU/CSU ，相对于帧中继等分组交换网络，这将导致网络设备的成本大幅上升。

专用线路协议 - HDLC

HDLC 是一种面向比特的、用于专用线路的数据链路层协议，它提供了一种在同步串行链路的、带有 32 位校验和的封装机制。

HDLC 只运行于同步链路上，它提供的是一种对物理层的面向比特的通明的封装。

专用线路协议 - PPP

PPP 协议，其全称为 Point-To-Point Protocol（点到点协议）。它作为一种提供在点到点链路上传输、封装多种不同类型的网络层数据包的数据链路层协议，处于 TCP/IP 协议栈的第二层，主要被设计用来在支持全双工的同异步链路上进行点到点之间的数据传输。

PPP 主要由三类协议组成：链路层控制协议族（LCP）、网络层控制协议族（NCP）和 PPP 扩展协议族。其中，链路控制协议主要用于建立、拆除和监控 PPP 数据链路；网络层控制协议族主要用于协商在该数据链路上所传输的数据包的格式与类型；PPP 扩展协议族主要用于提供对PPP 功能的进一步支持。

同时，PPP 还提供了用于网络安全方面的验证协议族（PAP 和 CHAP）

X.25 与 Frame-Relay 的比较

由于早期广域网络链路的特点：链路的不可靠性、高误码率，因此 X.25 协议设计成为一种结构严谨，面向连接的协议，它在整个传输过程中，逐段地纠错与进行流量控制，其最大帧长 256 字节，对于 IP 协议效率较低。

在后期由于广域网链路的质量大大提高，光纤的广泛应用，帧中继协议简化了 X.25 的第三层功能，采用物理层和链路层的两级结构，在链路层也只保留了核心子集部分，简化了 X.25 复杂的纠错和重传机制，实现了链路层的高效封装，加大了最大帧传输长度至 1600 比特，适合IP 报文的传输，提高了网络的对信息的处理效率。

费用性能需求

网络的费用性能需求，涉及网络的选型，相对是一个比较模糊的问题，主要是由于它涉及较多的因素，在不同情况下，有不同的选择。

一般来说，首先要考虑的是服务可否提供。在不同的地区，有较大的差异，例如 ISDN 服务并非随处可得。

其次，从性能与费用方面考虑以下因素：

用户的类别，即什么样的用户需要访问网络资源；

平均每天需要访问的时间；

运行的网络应用以及它所需的带宽；

广域网服务的性能是否满足要求。