知识图谱
“广域网”是指地理范围较大，通常跨越城市之间，甚至不同省份、国家，通常由通信运营商建立和经营的网络。这是用户通过租用链路服务的方式来使用的一种网络。随着计算机网络应用的深入,广域通信的需求也日益增长,因此了解广域网的基础知识,掌握常见的广域网协议就变得十分重要了。
广域网通信基础
本节的知识点主要包括广域网通信的基本概念、线缆接口标准（物理层，典型代表是RS-232C和CCITT X.21)、数据链路层的流量与差错控制技术、信令系统4方面。它们是广域通信的基础设施。
1.DTE 与 BCE
最早的广域通信是基于PSTN（公共交换电话网）实现的，通常用户只需将数据终端或计算机连接到电话网上就可以进行通信。按照CCIIT(国际电d电报状r)以个语，用户的数据终端或计算机叫做DTE（数菇终端仅备);m符DIE与想回内柑左坟的设备称为 DCE（数据电路设备)，典型的DCE包括调制解调器、数传机、基带传输器、信号变换器、自动呼叫和应答设备等。
为了实现网络通信，需要借助传输线路来连接DTE和 DCE设备。在正式进行数据传输前,DTE和DCE之间首先要交换一些控制信号以建立数据通路(通常是逻辑连接);而在数据传输完成后，也要交换控制信号断开数据通路。这个交换的过程通常称为“握手”，这个过程与DTE和 DCE之间的接插方式、引线分配、电气特性和应答信号相关。因此，CCITT，IEEE，EIA等组织所定义的传输线路都规定了以上的内容。
2.RS-232C与CCITT X.21
正如前面所提到的，许多标准化组织都定义了一些DTE和 DCE之间传输线路的接口标准。其中最常见的就是EIA RS-232C和CCITT X.21两种。表9-1就从机械特性(即连接器的几何形状、尺寸、引线数、引线排列方式及锁定装置等)、电气特性（规定信号的连接方式，以及驱动器和接收器的电气参数)、功能特性（即接口连线的功能定义)和过程特性（即使用接口连线实现数据传输的操作过程)4个方面对这两个标准做了比较。
EIA RS-232C 和 CCITT X.21 标准特性的比较
特性 |
EIA RS-232C |
CCITT X.21 |
机械特性 |
没有明确规定，建议25针D型连接器（DB25），但在微机的串口上经常使用DB9 |
规定使用15针连接器（DB15） |
电器特性 |
采用CCITT V.28 标准电路 |
采用CCITT X.26和X.27两种接口电路。速度建议为600、2400、4800、9600和48000bps 5种，具有更高灵活性。规定DCE一端只能用X.27，DTE一端低速率可任选，大于9600bps必须使用X.27 |
特性 |
EIA RS-232C |
CCITT X.21 |
功能特性 |
对接口连线的功能给出确切的定义，分为数据线、控制线、定时线和地线，采用V.24标准 |
不是把每个功能指定给一个引脚，而是对功能进行编码，在少量电路上传输代表各种功能的字符来建立连接。采用X.24标 |
过程特性 |
涉及高层功能，划分有争议，不同的网络、设备都会不同 |
三种常见的电气特性标准
标准 |
类型 |
信号“1” |
信号“0” |
数据速率 |
距离 |
CCITT V.10 X.26 |
非平衡接口 |
-4~-6 |
+4~+6 |
≤300Kbps |
1000m(<3kbps) 10m (300Kbps) |
CCITT V.11 |
平衡接口 |
-2~-6 |
+2~+6 |
10Mbps |
1000m（≤100Kbps）10m （10Mbps） |
CCITT V.28 |
-3~-5 |
+3~+15 |
20Kbps |
15m |
- RS-232C使用的引脚名词缩写与功能的对应关系:TD（发送数据)、RD（接收数据)、RTS（请求发送)、CTS（允许发送)、DSR（数传机就绪)、DTR（数据终端就绪)、DCD（数据载波检测)、RI（振铃显示)。
- 使用RS-232C进行通信时，通常需要使用XON/XOFF协议来完成速率匹配功能。
- 了解以下几种主要场景中，各引脚信号的变化过程。
- 计算机（DTE）通过Modem (DCE）发送数据:DTE就绪→DCE (Modem)就绪→请求发送→允许发送-发送数据→清请求发送→清允许发送→清DTE就绪→清Modem就绪。
- Modem接收到呼叫信号:振铃显示→DCE就绪→DTE 就绪→载波监听→接收数据→清除载波监听→清DCE就绪→清DTE就绪。
- 空(零)Modem应用:所谓空Modem，就是指没有Modem，通常用于两台计算机（DTE）之间的直接通信，这时无须借助Modem，只需要将两个机器的串行口用电缆连接起来即可。这可以使用双端DB9、双端DB25、一端DB9一端DB25 三种连接方式。
流量与差错控制技术
流量控制(简称流控）是协调发送站和接收站工作步调的技术，主要目的是避免发送速度过快导致接收站来不及处理而丢失数据。它是工作在数据链路层上的技术，通常会结合一些差错控制技术来提高流控效果。常见的流控技术包括停等协议、滑动窗口协议两种。
流控通常结合的差错控制技术包括肯定应答（收到正确数据后发送肯定应答ACK)、否定应答重发（检测到所接收的帧是错误的数据时发送否定应答NAK)和超时重发(在一定的时间间隔内没有收到)三种办法，通常会采用差错检测技术自动地对丢失帧、错误帧进行重发（这也称为ARQ—自动重发技术)。将ARQ与停等协议结合就产生了停等ARQ协议，将滑动窗口协议与 ARQ技术结合产生了选择重发ARQ协议、后退N帧ARQ协议。
5种流量与差错控制技术的特点及链路利用率计算方法
协议名称 |
特点 |
链路利用率 |
停等协议（单工通信） |
发送站每传送一帧，就停止发送，等收到应答信号后再发送下一帧，在局域网中效率较高，对广域网而言效率太低 |
E-1/(2a+1) a:帧计数长度 |
滑动窗口协议（双工通信） |
允许连续发送多个帧而无须等待应答，所允许的帧个数是固定值，也称为窗口。当成功收到一个确认包，窗口就向前滑动1位 |
E=WI(2a+1) |
停等ARQ协议（有噪声环境的单通信) |
它是停等协议和自动请求重发技术的结合，发送站每传送一帧，就停止发送，等收到肯定应答信号(ACK）后再发送下--帧，如果收到否定应答（NAK)后重发该帧，在一定时间时隔内未收到ACK，也重发 |
E (1-Py(2a+1) P:帧出错概率 |
选择重发ARQ协议(有噪声环境的双工) |
它是滑动窗口协议与自动请求重发技术的结合，当收到否定应答（NAK)时，只重发出错的帧。为了避免异常，其最大值就小于帧编号总数的一半， |
若窗口值>2a+1，则E=1-P: 若窗口值≤2a+1，则E=W(1-Py(2a+1) w:窗口值 |
后退N帧ARQ协议（有噪声环境的双工) |
也是滑动窗口协议与自动请求重发技术的结合，只是当收到否定应答（NAK）时，将从出错处重发已发出过的N个帧。为了避免异常，必须限制发送窗口的大小W≤2k-1(K为帧编号的位数) |
注1:其中帧计算长度α的计算方法有:（传播延迟/发送一帧的时间)、(数据速率x线路长度/传播速度/帧长)(数据速率×传播延迟/帧长）三种，最后一种最常用。
注2:在后退N帧ARP协议中的链路利用率计算公式中的N是重发的帧数，当窗口值>2a+1时，N近似于2a+1;当窗口值≤2a+1时，N=W。
:在全双工通信中，应答信号可以由反方向传送的数据帧“捎带”送回，即不是单独的帧。
信令系统
电路交换网中（PSTN就是典型代表〉是通过控制信令进行管理的，它在用户设备
与交换机之间、交换机与交换局之间传递控制信息，用于建卫、维持和终止吁叫，维过网络的正常运行。在日常生活中常见的“遇忙转移”、“三方通话”的功能实现都与信令
系统息息相关。
- 信令的分类:根据作用域可以分为用户信令(在用尸与父换机之间）和同间馆令(在交换机和交换局之间);根据功能可以分为监视信令（提供建立呼叫的机制)、地址信令（携带被呼叫用户的电话号码)、呼叫信令（提供与呼叫状态相关的信息）和网络管理信令（用于网络的操作、维护和故障诊断）四种;根据传送方式划分，可以分为随路信令（将控制信令与用户信息在同-物理线路上传送，又可再分为使用同一频带的带内信令，和使用不同频带的带外信令）和共路信令（独立于语音通道之外的通路传输信息技术，又可再分为并联方式和非并联方式〉两种。
- 我国电话网络是使用自行研制的1号随路信令系统和7号共路信令系统。
- 7号信令(SS7）是ITU-T定义的支持综合业务数字网的共路信令系统，也是
目前使用最广泛的信令系统。
常用的广域网技术
数据链路控制协议分为面向字符协议和面向比特协议两种。面问字符协议以子付为传输的基本单位，用10个专用字符控制传输过程。面问比符协以以比符作为传潮的基础单位，其传输速率高，广泛应用于公用数据网。而HDLC就是一种应用很广的面向比特的数据链路控制协议。HDLC(高级数据链路控制协议)也是一个历史悠久的协议，它的发展过程如图所示。
- HDLC的基本配置:HDLC定义了主站（对链路进行控制)、从站（在主站控制下进行操作)、复合站（具有主站和从站双重功能）三种类型的站，以及表所示的两种链路配置和三种数据传输方式。
| 链路配置 | 数据传输方式 | 说明 |
| 非平衡配置（点对多点链路，由l主站和1-多个从站组成) | 正常响应方式（NRM） | 只有主站能够启动数据传输 |
| 异步响应方式(ARM) | 无须主站明确指示就可以启动数据传输，主站只负责控制线路 |
| 平衡配置（点对点链路，由两个复合站组成) |
异步平衡方式(ABM) |
任何一个复合站都无须另一个复合站的允许就可以启动数据传输 |
- HDLC的帧结构的关键字段:地址字段用于标识从站的地址，在点对多点的链路中使用，地址长度为8位，可以根据需要进行倍数扩充。帧校验字段是对标志字段之外的其他字段的校验和，通常使用CRC16，有时也使用CRC32。控制字段用来区分帧的类别。
- HDLC的帧类型:定义了承载用户数据的信息帧(Ⅰ帧)，进行流量和差错控制的管理帧(S帧）和用于链路控制的无编号帧(U帧）三种帧类型。而信息帧除了可以承载用户数据之外，还可以捎带肯定管理信息，当没有足够的信息帧捎带时，则需要发送专门的管理帧来完成。
- 无编号帧按其控制功能可以分为4类:设置数据传输方式的命令和响应帧;传输信息的命令和响应帧;用于链路恢复的命令和响应帧;其他命令和响应帧。
x.25是最容易引起误解、也是历史最悠久的广域数据传输协议，它是ITU(国际电信联盟）的CCITT（国际电报电话咨询委员会）公布的用于连接数据终端至分组交换数据网络的推荐标准。X.25是一个面向连接的接口，采用虚拟电路传递各个数据分组至网络上的适当终点处。X.25协议可以描述为三层结构，如表所示。
| X.25层次结构 | 对应osl层 | 相应标准 |
| 分组层 | 网络层 | x.25 PLP通过建立虚拟连接，提供点对点、面向连接服务 |
| 链路访问层 | 数据链路层 | LAPB(平衡式链路访问规程) |
| 物理层 | 物理层 | x.21，但也可以使用RS-232C和V.35代替 |
在X.25的网络中，用户的计算机终端设备将与分组装/拆设备(PAD)连接，负责完成分割分组、寻址、重组装分组的工作，而不同的X.25网络之间则使用X.75协议进行互联。
X.25是一个基于分组交换技术构建的网络，正如我们在“数据通信基础”一章中所了解的，分组交换本身是适于无连接的业务，要想为用户提供面向连接的接口服务，则必须借助虚拟电路（VC）技术.虚拟电路是一个传送数据报的传输路径，建立虚拟电路有两种方法:
- 手动构建一条永久虚拟电路(PVC)，一条PVC连接发送站和接收站，并且是预先定义的，因此在数据报要发送时，建立这种类型的虚拟电路并不需要建立时间，但是在没有数据要传送时，它却仍然占用了线路资源。
- 交换虚拟电路(SVc)，它是在用户应用需要时临时建立从发送站到接收站之间的一条虚拟电路，只在传输过程中有效，传输完成就拆除或断开。
借助虚拟电路的面向连接业务的同时具有了电路交换和分组交换的优点,从而能够有效地避免网络故障和网络拥塞。
最常见的X.25协议支持的最大传输速率为64Kbps(虽然ITU发布了X.25修订版标，支持2.048Mbps的最大速度，但不常用)，但不幸的是该带宽的大部分被其大量的差错校验开销消耗掉了。在X.25中，数据传输路径上的每一个路由器和交换机，在发送分组至下一个网段之前，必须完整地接收分组，执行差错检测，而且在每个节点上维护了一张包含管理、流控和差错校验的信息表。X.25所采用的流控和差错控制协议是后退N帧ARQ协议，其编码顺序号有3位、7位两种，默认窗口值是2，当编码顺序号是3位时，默认窗口值可达7(这也是常见的，也就是允许在未收到确认前发送8帧)。
另外，基于分组的X.25对网络性能也具有负面影响。一方面，X.25的分组交换特性使得X.25具有一种适应于均带宽之上的突发通信量的能力，但另-一-方面由于其带宽·固定，因此无法处理超过指定带宽的突发通信量。
帧中继
帧中继是综合业务数字网络的一个产物，在其作为协议出现前，只是ISDN的分组交换数据业务的一部分,它最初是被设计成用来提供一个非常高速率的分组交换数据传输业务。帧中继协议在第二层实现，没有专门定义物理层接口（可以使用X.21，V.35,G703，G704等接口协议)，在帧中继之上，可以承载IP数据报，而且其他协议甚至远程网桥协议都可以在帧中继上透明传输。
帧中继协议是在第二层建立虚拟电路，它用帧方式来承载数据业务，因此第三层就被简化了，而且它比 HDLC要简单，只做检错，不重传，没有滑动窗口式的流控，只有拥塞控制，把复杂的检错丢给高层去处理了。它所采用的接口协议体系如图9-4所示。
帧中继使用的核心协议是LAPD,它比 LAPB更简单，省去了控制字段。在其帧结构中有一些较有特色的地方和一些需要了解的知识点。
- 信息字段:就是用户要传送的信息，长度是可变的，默认长度为1600位。
- 帧中继采用了显式拥塞控制机制，在帧头中有FECN（向前显示拥塞通知)、BECN(向后显示拥塞通知）两个特殊字段。如果FECN效及直为1，则说明帧在传送方向上出现了拥塞，该帧到达接收端后，接收万可对效掂迷举似相应的调整;如果BECN被设置为1，则说明在与传送方向相反的方向上出现了拥塞该帧到达发送端后，发送方可对数据速率做相应的调整。
- 帧中继中包括一个DE（优先丢弃比特)，如果设置为1，则当网络拥塞时会优先丢弃。
- 与X.25相类似，帧中继也是使用虚拟电路的万式提供 回连按的服分，在特大中包括一个 DLCI(数据链路连接标识符)字段，每个DLCI 都标识一个虚电路,其中 DLCI 0用于信令传输。
帧中继在数据链路方面还有如下两个相关的知识点。
- 帧中继采用的是隐式流控机制，即通过检测帧丢失的概率来实现，当丢失率达到一定程度时，就自动降低发送的速度。
- 帧中继还可以采用另一种拥塞控制万法:CLLM(强化链路层管理）。这种CLLM消息通过第二层管理连接成批地传送拥塞信息，其中包含受影响的DLCI以及出现拥塞的原因。
