第三章 广域通信网

本文主要是介绍第三章 广域通信网，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、公共交换电话网（PSTN）

（一）电话系统的结构

电话系统是一个高度冗余的分级网络。下图是一个简化了的电话网。

（二）本地回路

• 用户把计算机连接到电话网上就可以进行通信。按照CCITT的术语，用户计算机叫作数据终端设备(DTE)，因为这种设备代表通信链路的端点。在通信网络一边，有一个设备用于管理网络的接口，这个设备叫数据电路设备(DCE)。DCE 通常指调制解调器、数传机、基带传输器、信号变换器、自动呼叫和应答设备等。它们提供波形变换和编码功能，以及建立、维持和释放连接的功能。
• 物理层协议与设备之间的物理接口以及传送位的规则有关。
• 物理介质的各种机械的、电磁的特性由物理层和物理介质之间的界线确定。
• 4个技术特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

（三）调制解调器(Modem)

1.介绍

调制解调器（Modem）技术是计算机网络通信中的一项关键技术，它实现了数字信号与模拟信号之间的转换，使得计算机可以通过现有的电话线等模拟通信渠道进行数据传输。本文将详细介绍调制解调器的工作原理、分类、技术发展及其在现代通信中的应用。

2.工作原理

调制解调器由两个主要部分组成：调制器（Modulator）和解调器（Demodulator）。调制器将数字信号转换为模拟信号，而解调器则将模拟信号转换回数字信号。

• 调制过程：当计算机发送数据时，调制器将数字信号（0和1）转换成模拟信号。这个过程涉及到对模拟信号的幅度、频率或相位进行调制，以携带数字信息。
• 解调过程：接收端的解调器则执行相反的操作，将模拟信号转换回数字信号，以便计算机可以理解和处理这些数据。

3.组成

调制解调器通常由电源、发送电路和接收电路组成。

• 电源提供 Modem 工作所需要的电压；
• 发送电路中包括调制器、放大器，以及滤波、整形和信号控制电路，它的功能是把计算机产生的数字脉冲转换为已调制的模拟信号;
• 接收电路包括解调器以及有关的电路，它的作用是把模拟信号变成计算机能接收的数字脉冲。
• Modem 的组成原理如下图所示，图中上半部分是发送电路，下半部分是接收电路，图中的虚线框用在同步Modem中。
  

4.分类

按工作方式分类：

• 外置调制解调器：通过USB或串行端口连接到计算机。
• 内置调制解调器：安装在计算机的主板上，通常用于笔记本电脑。

按传输速率分类：

• 低速调制解调器：传输速率通常在14.4 Kbps到56 Kbps之间。
• 高速调制解调器：传输速率可达1 Mbps或更高。

5.技术发展

数字用户线（DSL）技术：通过电话线提供高速互联网接入，速率可达数十兆比特每秒。

• 电缆调制解调器：利用有线电视网络进行数据传输，提供更高的带宽。

• 无线调制解调器：使用无线通信技术，如Wi-Fi或蜂窝网络，进行数据传输。

6.调制解调器在现代通信中的应用

• 远程访问：企业通过调制解调器实现远程访问服务器或网络。
• 互联网连接：在宽带网络尚未普及的地区，调制解调器仍是主要的互联网接入方式。
• 物联网（IoT）：在物联网设备中，调制解调器用于通过电话线或其他模拟通信渠道传输数据。

二、X.25 公共数据网

公共数据网是在一个国家或全世界范围内提供公共电信服务的数据通信网。

CCITT于1974年提出了访问分组交换网的协议标准，即X.25建议，后来又进行了多次修订。

这个标准分为3个协议层，即物理层、链路层和分组层，分别对应于ISO/OSI参考模型的低三层。

物理层规定用户终端与网络之间的物理接口，这一层协议采用X.21 或X.21bis 建议。

链路层提供可靠的数据传输功能，这一层的标准叫作LAP-B(LinkAccess Procedure-Balanced)，它是 HDLC 的子集。

分组层提供外部虚电路服务,这一层协议是X.25 建议的核心,特别称为 X.25PLP协议(PacketLayer Protocol)。

（一）流量控制和差错控制

流量控制是一种协调发送站和接收站工作步调的技术，其目的是避免由于发送速度过快，使得接收站来不及处理而丢失数据。

通常，接收站有一定大小的接收缓冲区，当接收到的数据进入缓冲区后，接收器要进行简单的处理，然后才能清除缓冲区，再开始接收下一批数据。如果发送得过快，缓冲区就会溢出，从而引起数据的丢失。通过流控机制可以避免这种情况的发生。首先讨论没有传输错误的流控技术，即传输过程中不会丢失帧，接收到的帧都是正确的，无须重传，并且所有发出的帧都能按顺序到达接收端。

(1）停等协议

最简单的流控协议是停等协议。

工作原理：发送站发出一帧，然后等待应答信号到达后再发送下一帧;接收站每收到一帧后送回一个应答信号(ACK)，表示愿意接收下一，如果接收站不送回应答，则发送站必须等待。这样，在源和目标之间的数据流动是由接收站控制的。

（2）滑动窗口协议

滑动窗口协议的主要思想是允许连续发送多个帧而无须等待应答。

滑动窗口协议是一种在数据通信中用于流量控制和错误控制的机制，它允许发送方在不等待接收方确认的情况下发送多个数据包。

这种协议通过在发送方和接收方之间维护一个“窗口”来实现，窗口大小决定了可以连续发送的数据包数量。滑动窗口协议可以用于停等ARQ、后退N帧ARQ和选择重传ARQ等不同的ARQ协议中。

（3）差错控制

差错控制是检测和纠正传输错误的机制。前面假定没有传输错误，但实际情况不是这样。在数据传输过程中有的帧可能丢失，有的帧可能包含错误的位，这样的经接收器校验后会被拒绝。通常，应付传输差错的办法如下。

• 肯定应答。接收器对收到的帧校验无误后送回肯定应答信号ACK，发送器收到肯定应答信号后可继续发送后续帧。
• 否定应答重发。接收器收到一个帧后经校验发现错误,则送回一个否定应答信号 NAK,发送器必须重新发送出错帧。
• 超时重发。发送器从发送一个帧时就开始计时，在一定的时间间隔内若没有收到关于该帧的应答信号，则认为该帧丢失并重新发送。

这种技术的主要思想是利用差错检测技术自动地对丢失帧和错误帧请求重发，因而叫作ARQ技术。

在数据通信中，自动重传请求（ARQ）协议是一种错误控制方法，它能够让数据传输的接收方请求发送方重新发送可能已经丢失或错误的数据包。ARQ协议主要分为三种形式：停等ARQ、后退N帧ARQ和选择重传ARQ。

• 停等ARQ:最简单的ARQ形式。发送方在发送一个数据包后会停止发送，并等待接收方的确认。如果数据包丢失或出错，接收方会发送否定确认（NAK），请求发送方重传数据包。
• 后退N帧ARQ:发送方可以连续发送多个数据包而不需要等待确认。接收方会按顺序确认正确接收的数据包。如果发现错误，接收方会丢弃出错数据包及之后的所有数据包，并请求发送方重新发送出错数据包及其后的所有数据包。
• 选择重传ARQ:允许发送方和接收方各自维护一个窗口。发送方可以连续发送窗口内的多个数据包。接收方按顺序接收数据包，并为每个正确接收的数据包发送确认。如果发现错误，只会请求重传出错的数据包。

（二）HDLC（高级数据链路控制）协议

数据链路控制协议可分为两大类:面向字符的协议和面向位的协议。面向字符的协议以字符作为传输的基本单位，并用10个专用字符控制传输过程。这类协议发展较早，至今仍在使用。面向位的协议以位作为传输的基本单位，它的传输效率高，已广泛地应用于公共数据网上。

1.HDLC 的基本配置

HDLC 定义了3种类型的站、两种链路配置和3种数据传输方式。3种站分别如下。

(1)主站。对链路进行控制，主站发出的帧叫命令帧。

(2)从站。在主站控制下进行操作，从站发出的帧叫响应帧。

(3)复合站。具有主站和从站的双重功能。复合站既可以发送命令帧也可以发出响应帧。

两种链路配置如下。

(1)不平衡配置。适用于点对点和点对多点链路。这种链路由一个主站和一个或多个从站组成，支持全双工或半双工传输。

(2)平衡配置。仅用于点对点链路。这种配置由两个复合站组成，支持全双工或半双工传输。

3 种数据传输方式如下

(1)正常响应方式(NRM)。适用于不平衡配置，只有主站能启动数据传输过程，从站收到主站的询问命令时才能发送数据。

(2)异步平衡方式(ABM)。适用于平衡配置，任何一个复合站都无须取得另一个复合站的允许就可以启动数据传输过程。

(3)异步响应方式(ARM)。适用于不平衡配置，从站无须取得主站的明确指示就可以启动数据传输，主站的责任只是对线路进行管理。

正常响应方式可用于计算机和多个终端相连的多点线路上，计算机对各个终端进行轮询以实现数据输入。正常响应方式也可以用于点对点的链路上，例如计算机和一个外设相连的情况。异步平衡方式能有效地利用点对点全双工链路的带宽，因为这种方式没有轮询的开销。异步响应方式的特点是各个从站轮流询问中心站，这种传输方式很少使用。

2.HDLC 帧结构

HDLC 使用统一的帧结构进行同步传输，下图所示为 HDLC 的帧结构。从图中可以看出，HDLC帧由6个字段组成。以两端的标志字段(F)作为帧的边界，在信息字段(INFO)中包含了要传输的数据。下面对 HDLC 帧的各个字段分别予以解释。

(1)帧标志F。(2)地址字段 A。(3)控制字段 C。(4)信息字段 INFO。(5)帧校验序列 FCS。

3.HDLC 帧类型

信息帧（I帧）：用于传输数据。

监控帧（S帧）：用于流控制和错误控制。

无编号帧（U帧）：用于链接控制和特殊控制功能。

4. X.25 PLP协议

**X.25 PLP（分组层协议）**是一种数据链路层协议，它是X.25协议族的一部分，主要用于在分组交换网络（PSN）中提供可靠的数据传输服务。X.25是一种广泛使用的老式公共数据网络（PDN）技术，尤其是在20世纪80年代和90年代。X.25 PLP在OSI模型中对应于数据链路层和网络层之间的部分，它负责在两个端点之间建立、维护和终止逻辑连接。

X.25的分组层提供虚电路服务，共有两种形式的虚电路:一种是交换虚电路(SVC)，一种是永久虚电路(PVC)。交换虚电路是动态建立的虚电路，包含呼叫建立、数据传送和呼叫清除等几个过程。永久虚电路是网络指定的固定虚电路，像专用线一样，无须建立和清除连接，可直接传送数据。

X.25 PLP的主要特点：

虚电路服务：X.25 PLP提供虚电路服务，这意味着在数据传输之前，需要在源和目的地之间建立一个逻辑连接。这个连接在数据传输期间保持打开状态，然后被终止。

可靠性：X.25 PLP通过确认、重传和流量控制机制确保数据的可靠传输。如果分组在传输过程中丢失或损坏，X.25会自动重传。

流量控制：X.25 PLP使用流量控制机制来管理数据的流动，防止网络拥塞和数据丢失。

错误检测和纠正：X.25 PLP包括错误检测和纠正功能，以确保数据的完整性。

呼叫建立和清除：在数据传输之前，X.25 PLP通过呼叫建立过程建立虚电路。传输完成后，通过呼叫清除过程终止连接。

X.25 PLP的工作原理：

呼叫请求（Call Request, CR）：建立连接时，源设备发送呼叫请求到目的设备。

呼叫接受（Call Accepted, CA）：目的设备接受连接请求，并发送呼叫接受响应。

数据传输：一旦虚电路建立，数据就可以在两个方向上传输。

分组确认（Packet Acknowledgement, Pak）：接收方确认收到分组。

呼叫清除（Call Clear, CL）：完成数据传输后，任何一方都可以发起呼叫清除过程来终止连接。

三、帧中继网

帧中继是一种广域网（WAN）数据传输技术，它简化了分组交换网络的操作，提高了数据传输的效率。帧中继在20世纪80年代后期被开发出来，作为X.25协议的一个更简单、更高效的替代品。它在OSI模型的数据链路层（第二层）上运行。

1.帧中继的主要特点：

• 简化协议：帧中继去除了X.25中的一些复杂功能，如错误纠正和流量控制，这些功能在更高层处理。这种简化减少了处理开销，提高了传输速率。
• 面向连接：帧中继提供面向连接的服务，这意味着在数据传输开始之前，需要在源和目的地之间建立一个逻辑连接（虚电路）。
• 虚电路：帧中继使用虚电路，这些虚电路在数据传输期间保持开放，但不需要像X.25那样维护复杂的连接状态。
• 数据帧：数据在帧中继网络中以帧的形式传输。每个帧包括数据和控制信息，如目的地址。
• 拥塞控制：帧中继不提供内建的拥塞控制机制。相反，它依赖于上层协议（如TCP）来处理拥塞。
• 本地管理接口（LMI）：帧中继使用LMI来允许网络设备交换状态信息，如拥塞情况和错误统计。

2.帧中继的工作原理：

• 虚电路建立：在数据传输之前，帧中继交换机之间建立一个虚电路。
• 数据传输：数据以帧的形式在虚电路上传输。
• 帧处理：每个帧都包含目的地址，帧中继交换机根据这个地址将帧转发到正确的目的地。
• 错误处理：帧中继不提供内建的错误纠正，而是依赖于上层协议来处理错误。

3.帧中继协议

帧中继采用帧作为传输的基本单位。帧中继协议叫作LAP-D(Q.921)它比 LAP-B简单，省去了控制字段。

4.帧中继应用

帧中继在20世纪90年代和21世纪初被广泛用于连接远程办公室、数据中心和互联网服务提供商（ISP）。随着IP网络的普及和宽带技术的发展，帧中继的使用已经减少，但它仍然在某些特定的应用和地区中使用，特别是在需要可靠、低延迟连接的场合。

四、ISDN和ATM

1.综合业务数字网

综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）是一种数字通信网络标准，它定义了如何在电话网络中传输语音和其他数据服务。ISDN是数字通信和网络技术发展中的一个重要里程碑，因为它提供了比传统模拟电话网络更快速、更可靠的数据传输能力。

（1）ISDN的主要特点：

1. 数字传输：ISDN使用数字信号传输，这意味着它可以直接处理数字数据，同时也能够以数字形式传输模拟信号（如电话语音）。
2. 多路复用：ISDN支持多路复用，可以在单个物理线路上同时传输多个电话呼叫或数据连接。
3. 端到端数字连接：ISDN提供端到端的数字连接，这意味着从源点到目的地的整个传输路径都是数字化的。
4. 服务质量（QoS）：ISDN可以根据不同的服务类型（如电话、视频和数据）提供不同的服务质量。
5. 信道类型：ISDN定义了两种类型的信道：B信道（用于传输数据）和D信道（用于传输控制信号和信令）。

（2）ISDN的工作原理：

• B信道和D信道：ISDN的基本单位是B信道和D信道。B信道用于传输数据，而D信道用于传输控制信息。
• 信令：ISDN使用信令来建立、维护和终止电话呼叫和数据连接。
• 数据传输：数据通过B信道传输，可以是电话语音、视频或任何数字数据。

（3）ISDN的应用：

ISDN在20世纪80年代和90年代被广泛用于企业网络和远程通信。它支持多种服务，包括电话、数据传输、视频会议和互联网接入。随着宽带技术的普及，ISDN的使用已经减少，但它仍然在一些地区和应用中被使用，尤其是在需要高可靠性和服务质量的通信场景中。

2.ATM虚电路

ATM 的网络层以虚电路提供面向连接的服务。ATM支持两级连接，即虚通路)和虚信道()。虚信道相当于X.25 的虚电路,一组虚信道捆绑在一起形成虚通路。这样的两级连接提供了更好的调度性能。ATM 虚电路具有下列特点：

(1)ATM 是面向连接的(提供面向连接的服务，内部操作也是面向连接的)，在源和目标之间建立虚电路(即虚信道)。

(2)ATM 不提供应答，因为光纤通信是可靠的，只有很少的错误可以留给高层处理。

(3)由于 ATM的目的是实现实时通信(例如话音和视频)，所以偶然的错误信元不必重传。

(4)虚电路中传送的协议数据单元叫作 ATM 信元。ATM 信元包含5个字节的信元头和48个字节的数据。

3.ATM高层

在ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）网络中，业务类型是根据不同的服务质量需求来划分的。ATM高层业务通常分为四类，每类业务都有其特定的特性，以满足不同应用的需求。这些业务类型包括：

（1）固定比特率业务（CBR）：用于模拟铜线和光纤信道，没有错误检查，没有流控，也没有其他处理。这种业务使得当前的电话系统可以平滑地转换到B-ISDN,也适合于交互式话音和视频流。

（2）可变比特率业务（VBR）：

• 实时性:例如交互式压缩视频信号(MPEG)就属于这一类业务，其特点是传输速率变化很大，但是信元的到达模式不应有任何抖动，即对信元的延迟和延迟变化要加强控制。
• 非实时性:这一类通信要求按时提交，但一定程度的抖动是允许的，例如多媒体电子邮件就属于这一类业务。由于多媒体电子邮件在显示之前已经存入了接收者的磁盘，所以信元的延迟抖动在显示之前已经被排除了。

（3）有效比特率业务（ABR）：用于突发式通信。如果一个公司通过租用线路连接它的各个办公室，就可以使用这一类业务。公司可以选择足够的线路容量来处理峰值负载,但是经常会有大量的线路容量空闲:或者公司选择的线路容量只能够处理最小的负载，在负载大时会经受拥塞的困扰。例如，平时线路保证5Mbps，峰值时可能会达到10Mbps。

（4）不定比特率通信（UBR）：可用于传送IP 分组。因为IP 协议不保证提交，如果发生拥塞，信元可以被丢弃。文件传输、电子邮件和USENET新闻是这类业务潜在的应用领域。

4.ATM适配层

ATM 适配层(ATM AdaptationLayer)负责处理高层来的信息，发送方把高层来的数据分割成 48 字节长的 ATM 负载，接收方把 ATM 信元的有效负载重新组装成用户数据包。ATM 适配层分为以下两个子层。

• CS(Convergence)子层:提供标准的接口。
• SAR(Segmentation and Reassembly)子层:对数据进行分段和重装配

5.ATM通信管理

（1）连接准入控制

（2）使用参数控制

（3）通信量整形

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