三章广域网、局域网与城域网技术发展趋势

第3章广域网、局域网与城域网技术发展趋势计算机网络应用技术教程（第三版）本章学习要求•掌握：广域网技术•掌握：局域网技术•了解：宽带城域网技术计算机网络应用技术教程（第三版）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计算机网络应用技术教程（第三版）3.1.1广域网的主要特征广域网具有以下两个最基本的特征：一、广域网是一种公共数据网络广域网建设投资很大，通常由电信运营商负责组建、运营与维护，为广大用户提供高质量的数据传输服务。广域网属于公共数据网络（publicdatanetwork，PDN）的性质。计算机网络应用技术教程（第三版）二、广域网技术研究的重点是宽带核心交换技术早期的广域网主要用于大型计算机的互联。用户终端接入到本地计算机系统，本地计算机系统再接入广域网中。随着Internet技术的发展，大量的广域网形成了Internet的宽带、核心交换平台，再通过城域网接入大量的局域网，构成新的层次型网络结构。此时，广域网研究的重点是：保证服务质量（qualityofservice，QoS）的宽带核心交换技术。计算机网络应用技术教程（第三版）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：（1）公共电话交换网、综合业务数字网、ATM网（2）X.25网、帧中继网（3）光以太技术计算机网络应用技术教程（第三版）一、公共电话交换网早期，人们利用电话交换网(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。计算机网络应用技术教程（第三版）二、X.25网与帧中继网1972年，X.25网问世。X.25是典型的分组交换网。由于X.25研究初期的通信线路不好，传输速率低与误码率高，X.25协议要采取各种措施解决通信质量问题。因此X.25协议结构复杂、协议运行的效率不高。随着光纤的大规模应用，X.25网的缺点越来越明显。计算机网络应用技术教程（第三版）1991年，帖中继网（framereplay，FR）出现。帧中继网用光纤替代了传统电缆，因此帧中继网中简化了X.25网络的协议。帧中继网的设计目标主要是针对局域网之间的互联。它采用面向连接的方式，以合理的数据传输速率与低廉的价格为用户提供数据通信服务。由于帧中继网可以为用户提供一个“虚拟租用线路”，并且只有该用户可以使用这条“专线”，又引出了虚拟专用网络（virtualprivatenetwork，VPN）的概念。计算机网络应用技术教程（第三版）三、综合业务数字网CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在一个网中，即综合业务数字网(integratedservicedigitalnetwork，ISDN)ISDN的主要目标：–提供支持各种通信服务的数字通信网络，在不同国家采用相同标准–为通信网络之间的数字传输提供标准–提供一个标准的用户接口，使通信网络内部变化对终端用户透明计算机网络应用技术教程（第三版）随着光纤、多媒体等技术的发展，人们对数据传输速率的要求越来越高。在ISDN标准还没有制定完成时，人们又提出了一种新型的宽带综合业务数据网（broadband-ISND，B-ISDN)，目标是将语音、数据、静态与动态图像的传输综合于一个通信网中，覆盖从低传输速率到高传输速率的各中实时、非实时与突发性的要求。由于传统的线路交换与分组交换都很难胜任这种综合数据业务的需要，因此B-ISDN传输网选择了ATM技术。计算机网络应用技术教程（第三版）四、ATM网异步传输模式(asynchronoustransfermode，ATM)是一种分组交换技术ATM采用信元（cell）作为数据传输单元，信元是数据链路层的协议数据服务单元，具有固定的长度的格式。ATM以统计时分多路复用方式动态分配带宽，能适应实时通信的要求ATM没有链路之间的差错与流量控制，协议简单、数据交换效率高ATM的传输速率为155Mbps～2.4Gbps计算机网络应用技术教程（第三版）3.1.3光网络与光以太网技术一、光网络的研究以网络传输介质发展作为传输网划代标准：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计算机网络应用技术教程（第三版）ASON的概念自动交换光网络(automaticswitchedopticalnetwork，ASON)引入智能控制方法，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。ASON的主要优点为：（1）允许将网络带宽资源动态分配给路由，提高了带宽利用率，改善了系统性能。计算机网络应用技术教程（第三版）（2）降低了支持新业务配置管理软件的要求，减少了运营和管理的成本。（3）可以引入按需带宽配置的服务、分级的带宽服务、动态波长分配租用业务、动态路由分配与光层虚拟专用网络。计算机网络应用技术教程（第三版）二、光以太网（opticalEthernet）技术传统的以太网主要通过传统的传输介质，实现局域网内计算机的互连。传统以太技术存在着许多不足：•不提供端-端的包延时和包丢失率控制•不支持优先级服务•不能保证QoS（QualityofService）•不具备对用户的认证能力•不能分离网管信息和用户信息•按时间和流量计费困难计算机网络应用技术教程（第三版）1、光以太网的主要特征2000年下半年，一些电信设备公司提出了光以太的概念，采用光纤作为远距离传输介质，将以太网技术从局域网扩大到城域网和广域网，为运营商建造新一代的网络提供技术支持。可运营光以太网的设备的线路必须符合电信网络99.999%的高运行可靠性，它具有以下特征：（1）能够根据终端用户的实际应用需求分配带宽，保证带宽资源充分、合理地应用计算机网络应用技术教程（第三版）（2）具有认证和授权功能，确保用户和网络资源的安全及合法使用（3）提供计费功能，支持按上网时间、用户流量或包月计费方式，支持实时计费（4）支持VPN和防火墙，可以有效地保证网络安全（5）支持MPLS（Multi-ProtocolLabelSwitching多协议标记交换）（6）能够方便、快速、灵活地适用用户和业务的扩展计算机网络应用技术教程（第三版）2、光以太网的技术优势（1）组建同样规模的广域网或城域网，光以太网的造价是SONET（SynchronousOpticalNetwork同步光纤网）的1/5，是ATM的1/10（2）IEEE已经对10M，100M，1G，10G的以太网技术进行了标准化，随后将对100G的以太网进行标准化，它能满足局域网、城域网、广域网的各种需求。计算机网络应用技术教程（第三版）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•无线个人区域网与IEEE802.15.4标准计算机网络应用技术教程（第三版）随机访问型无线分组网ALOHANET环形局域网Newhall/CambridgeRing无线局域网WLAN：802.11以太网Ethernet：802.3令牌总线形局域网TokenBus：802.4令牌环形局域网TokenRing：802.5高速局域网FE/GE/10GE交换式局域网SwitchedEthernet局域网互联LANBridge虚拟局域网VLAN分布式数据接口FDDI：802.6城域网MAN局域网LAN20世纪80年代，局域网领域出现了Ethernet与IBM公司研制的令牌环网和通用汽车公司设计的令牌总线网，形成三足鼎立的局面。以太网采用随机介质访问控制方法，而令牌环网和令牌总线采用的是确定型的介质访问控制方法，更适用于传输实时要求高、通信负荷较重的环境，但维护与实现较困难。1990年，IEEE802.3标准中推出了10BSE-T的标准，使得普通双绞线可作为以太网的传输介质，提高了以太网的性价比；另外，以太网协议的开放性使其很快得到了各种厂商的支持，相应的软件，硬件产品对以太网的支持，使其显示出竟争优势。随后，基于传统以太网基础上的高速以太网、交换以太网、虚拟局域网的发展，使以太网得到更为广泛的应用。3.2.1局域网技术发展的轨迹1972年，美国加州大学研究了Newhall环网；1974年，英国剑桥大学研制了CambridgeRing网，对局域网技术的发展起到了重要的推动作用在令牌环网的基础上发展出了FDDI网，该技术应用到城域网互连中。一、局域网的发展简介20世纪60年代末，夏威夷大学研究了一种以无线广播方式工作的分组交换网Alohanet计算机网络应用技术教程（第三版）二、IEEE802参考模型的演变为解决局域网协议标准化的问题，IEEE在1980年2月成立局域网标准委员会（简称IEEE802委员会）专门从事局域网标准化的工作，并制定了IEEE802标准。由于局域网实现在是局部地区内计算机的互连问题，所以IEEE委员会只研究OSI参考模型中的数据链路层和物理层。IEEE802标准的设计者提出将数据链路层划分为逻辑链路控制子层（LogicalLinkControl）与介质访问控制子层（MediaAccessControl）计算机网络应用技术教程（第三版）IEEE802委员会公布了很多标准，这些协议可以分为以下3类：（1）IEEE802.1：定义局域网体系结构、网络互连、网络管理与性能测试（2）IEEE802.2：定义逻辑链路控制(LLC)子层功能与服务（3）不同介质访问控制技术的相关标准。计算机网络应用技术教程（第三版）不同技术的相关标准曾经多达16个，目前常用的主要有4个：IEEE802.3：定义Ethernet的CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层IEEE802.11：定义无线局域网访问控制子层与物理层IEEE802.15：定义近距离个人无线网络访问控制子层与物理层IEEE802.16：定义宽带无线网络访问控制子层与物理层计算机网络应用技术教程（第三版）3.2.2Ethernet的基本工作原理一、总线形局域网的拓扑结构总线总线结点3(a)物理结构(b)拓扑结构结点1结点2结点3结点4结点5结点4结点5结点1结点2计算机网络应用技术教程（第三版）总线Ethernet的主要特点是：（1）所有节点都通过网卡连接到作为公共传输介质的总线上（2）总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质（3）所有节点都可通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个节点通过总线发送数据。当一个节点通过总线以“广播”方式发送数据时，其他节点只能以“收听”方式接收数据。（4）由于总线为多个节点共享，可能出现同一时刻有两个以上节点通过总线发送数据的情况，即产生冲突（collision）计算机网络应用技术教程（第三版）（5）在总线局域网技术中，必须解决多个节点访问总线的介质访问控制（MAC）问题介质访问控制方法是指控制多个节点利用公共传输介质发送和接收数据的方法。它需要解决以下3个问题：•哪个节点可以发送数据•发送时是否会出现冲突•出现冲突怎么办？计算机网络应用技术教程（第三版）二、以太网的核心技术-CSMA/CD介质访问控制方法Ethernet的核心技术是：带有冲突检测的载波侦听多路访问(carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection，CSMA/CD)CSMA/CD的工作流程：先听后发，边听边发冲突停止，延迟重发计算机网络应用技术教程（第三版）三、Ethernet网卡结构从实现功能角度看，以太网卡包括：（1）发送与接收信号的收发器（2）曼彻斯特编码与解码器（3）Ethernet数据链路控制部分（EDLC）（4）帧装配部分（5