广域网技术与设备

概述

1. 租用线路（Leased Line）

• 提供专用的固定带宽连接。

• 适用于企业长期需要稳定连接的场景。

• 如 T1/E1、T3/E3。

1. 帧中继（Frame Relay）

• 面向连接的通信方式，基于虚电路的传输。

• 适合中速数据传输，较早期的WAN技术。

1. 异步传输模式（ATM, Asynchronous Transfer Mode）

• 使用固定长度的数据单元（信元）进行传输，支持语音、视频和数据混合流量。

• 提供高带宽和低延迟，但实现复杂。

1. 多协议标签交换（MPLS, Multi-protocol Label Switching）

• 提高网络传输效率和灵活性，通过标签路由流量。

• 支持 QoS（服务质量），广泛用于企业网络。

1. 广域网优化（WAN Optimization）

• 使用缓存、压缩等技术提高广域网传输性能。

1. SD-WAN（Software-Defined WAN）

• 基于软件的广域网管理方法，利用互联网和专用线路提供高效、灵活的网络连接。

• 提供集中控制、流量优化和成本节约。

1. 卫星通信

• 通过卫星链路提供远程区域的广域网连接。

• 延迟较高，但适用于无法通过其他方式连接的场景。

1. 路由器（Router）

• 用于将不同网络连接在一起，通过IP地址实现数据包的转发和路由选择。

• 高端路由器还支持VPN、QoS等功能。

1. 交换机（Switch）

• 在数据链路层工作，常用于局域网，但也在广域网中作为中间节点。

1. 调制解调器（Modem）

• 在电话线、DSL或光纤网络中使用，将数字信号转换为模拟信号（反之亦然）。

1. 网关（Gateway）

• 在不同网络协议之间进行翻译，如IPv4和IPv6之间的转换。

1. 网络终端单元（NTU, Network Termination Unit）

• 连接用户设备和广域网服务提供商的设备。

1. 防火墙（Firewall）

• 提供网络安全，通过包过滤、代理等机制控制数据流。

1. VPN网关

• 用于在广域网上建立安全的虚拟专用网络（VPN）连接。

1. SD-WAN设备

• 专门设计用于支持SD-WAN的设备，提供流量管理和网络分析功能。

广域网的物理结构

CPE（Customer Premises Equipment, 客户驻地设备）

• CPE是用户网络与服务提供商网络的交接点。

• 常见设备：
• 路由器
• 调制解调器
• 光网络终端（ONT）
• 防火墙或VPN设备

• CPE的作用是完成信号转换、协议处理，并将本地网络接入广域网。

Local Loop（本地环路）

• 也称“最后一公里（Last Mile）”，指从用户端（如家庭或办公室）到服务提供商的本地交换机之间的连接。

• 通常采用以下物理介质：
• 电话线（DSL）
• 同轴电缆
• 光纤
• 无线链路

• 主要作用是提供用户接入服务，如互联网、电话或数据网络。

CO Switch（Central Office Switch, 中央局交换机）

• 是电信运营商网络中的核心节点设备。

• 功能：
• 汇聚来自多个用户或区域的流量。
• 提供本地和远程路由，连接本地交换机和干线网络。
• CO交换机为语音、数据和多媒体流量提供统一的接入和中继。

Toll Network（干线网络）

• 干线网络是广域网的核心部分，用于在长距离上传输数据。

• 由高速、光纤或其他高带宽传输介质组成，通常在不同城市或国家之间铺设。

• 特点：
• 高容量：支持大规模的数据传输。
• 高可靠性：具备冗余设计以避免单点故障。
• 运营商通过干线网络连接区域中心，形成WAN的主干。

广域网的虚拟电路

1. 永久虚拟电路（PVC, Permanent Virtual Circuit）

• 持久存在的虚拟电路，适合长期固定连接的场景。

• 数据流路径由网络管理员预定义。

• 用于Frame Relay、ATM等技术。

1. 交换虚拟电路（SVC, Switched Virtual Circuit）

• 动态建立和释放的虚拟电路，适合临时连接。

• 在需要时建立，数据传输完成后释放。

• 更灵活，但建立连接的时延可能较高。

• 逻辑连接：不依赖特定的物理线路。

• 带宽共享：在多个用户间动态分配物理线路资源。

• 高效传输：通过统计复用提升网络利用率。

• 灵活性：支持多种网络协议和应用。

• Frame Relay：通过虚拟电路实现经济高效的WAN连接。

• ATM：基于虚拟电路，使用固定大小信元提高传输效率。

• MPLS：通过标签交换技术建立逻辑通道，实现高效路由。

调制解调器 Modem

1. 调制（Modulation）：

• 当需要通过模拟通信介质（如电话线或无线电波）发送数字信号时，调制解调器将数字信号编码到模拟载波信号中。

• 调制的方法包括：

• 幅度调制（Amplitude Modulation, AM）：通过改变载波信号的幅度来表示数字信息。

• 频率调制（Frequency Modulation, FM）：通过改变载波信号的频率来表示数字信息。

• 相位调制（Phase Modulation, PM）：通过改变载波信号的相位来表示数字信息。

1. 解调（Demodulation）：

• 接收端调制解调器将接收到的模拟信号还原为数字信号，供设备进一步处理。

1. 按传输介质分类：
• 电话线调制解调器：
• 最早的调制解调器通过电话线进行数据传输。
• 数据速率较低（如 56 Kbps）。

• DSL 调制解调器：
• 使用数字用户线（DSL）技术，通过电话线提供宽带互联网接入。

• 电缆调制解调器：
• 使用有线电视网络（HFC）传输数据，速率较高（如数百 Mbps）。

• 光纤调制解调器：
• 通过光纤传输数据，支持千兆及以上速率。

• 无线调制解调器：
• 包括蜂窝网络调制解调器（如 4G/5G）、卫星调制解调器等。

1. 按功能分类：

• 外置调制解调器：独立设备，通常通过 USB、以太网或串口连接到计算机。

• 内置调制解调器：集成在计算机、路由器或其他设备中。

• 综合设备：例如宽带路由器，集成了调制解调器和路由功能。

1. 早期调制解调器：

• 20世纪50年代开始出现，主要用于军事和科研通信。

• 速率较低，通常在 300 bps 到 1200 bps。

1. 拨号调制解调器：

• 20世纪80年代至90年代流行，速率最高可达 56 Kbps。

• 使用电话线传输数据，但受限于模拟电话网络的带宽。

1. 宽带调制解调器：

• 20世纪末出现的 DSL 和电缆调制解调器，显著提高了传输速率。

• 光纤调制解调器和 5G 无线调制解调器则是现代高速通信的主力。

1. 智能调制解调器：

• 支持 IoT（物联网）设备、AI 处理和多种协议，适应复杂的现代通信需求。

广域网与OSI(开放系统互联模型)

广域网的物理层（Physical Layer）

1. 协议功能：描述如何提供物理连接，包括信号传输的电气特性、机械连接类型和操作方式。

2. 服务提供者：广域网服务通常由电信运营商或机构（如 PTT）提供，这些机构负责基础设施建设和管理。

3. 接口描述：物理层定义了数据终端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）之间的接口：
DTE（Data Terminal Equipment）：终端设备，通常是用户的计算机、路由器等。
DCE（Data Circuit-Terminating Equipment）：电路终端设备，通常是调制解调器或提供商的网络设备。

广域网的数据链路层（Data-Link Layer）

1. 协议功能：

• 描述如何通过单个链路传输数据帧，确保点对点、多点或多接入交换服务上的数据传输。

1. 协议类型：

• 数据链路层包括设计用于不同场景的协议，例如：

• 专用点对点协议（如 PPP）。

• 多点协议（如 Frame Relay）。

• 多接入交换协议（如 HDLC）。

1. 标准机构：

• 数据链路层的标准由多个国际组织定义和管理，例如：
• ITU-T（国际电信联盟-电信标准化部门）。
• ISO（国际标准化组织）。
• IETF（互联网工程任务组）。
• EIA（电子工业协会）。

1. 点对点协议（PPP）：由IETF（互联网工程任务组）开发。PPP协议包含一个协议字段，用于标识网络层协议。

2. 高级数据链路控制（HDLC）：ISO标准之一。由于不同厂商的实现方式不同，HDLC在厂商之间不兼容 (协议包含特有字段, 互不兼容) 。它支持点对点和多点配置。

3. 帧中继（Frame Relay）：使用简化的封装，不提供错误校正，通常应用于高质量的数字设施上。

4. 综合业务数字网（ISDN）：一组数字服务，通过现有电话线路传输语音和数据。

5. 平衡的链路访问程序（LAPB）：用于分组交换网络中，在X.25协议栈的第二层封装数据包。它提供了可靠性和流量控制，主要应用于点对点通信。

广域网的网络接入

HDLC（High-Level Data Link Control，高级数据链路控制协议）

• HDLC 是一种面向比特的链路层协议，用于在两个节点之间传输数据。

• 它最初由 IBM 开发，现在成为 ISO（国际标准化组织）的标准。

• HDLC 是一种通用协议，可以适应多种链路类型（点对点、点对多点）。

• 结构化帧：HDLC 使用帧来组织数据，包含头部、数据字段和尾部。

• 帧起始和结束标志：使用特定的标志（如 01111110）表示帧的边界。

• 地址字段：识别目的节点。

• 控制字段：包含帧类型和序列号等信息。

• CRC 校验：确保数据完整性。

• 可靠传输：支持错误检测和流量控制。

• HDLC 常用于同步通信链路，例如点对点连接或通过调制解调器传输数据。

PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）

• PPP 是一种链路层协议，专为点对点链路设计，支持多种网络协议（如 IP、IPX）。

• 它是 ISO HDLC 的改进版本，主要用于异步和同步连接。

• 广泛应用于拨号网络、DSL、VPN 和其他广域网连接。

• 是一种串行线路封装方式

• 灵活性：PPP 支持多种网络层协议。

• 模块化结构：
• LCP（Link Control Protocol）：用于 链路 建立、配置、测试和管理。
• NCP（Network Control Protocol）：用于支持不同的 网络层 协议（如 IP、IPv6）。

• 多种功能：
• 身份验证：支持 PAP 和 CHAP 等身份验证机制。
• 错误检测：通过 CRC 校验确保数据完整性。
• 压缩和加密：支持数据压缩和加密扩展。
• 适应性：支持同步和异步通信，适合多种物理链路（如电话线、光纤）。

• PPP 广泛用于互联网接入（例如通过 DSL 调制解调器或拨号上网）。

• 在 VPN（虚拟专用网络）中，用于建立安全的点对点连接。

1. Flag（标志字段）

• 长度：1 字节

• 值：0x7E

• 作用：标志帧的开始和结束，用于帧同步。

1. Address（地址字段）

• 长度：1 字节

• 值：0xFF（通常固定）

• 作用：表示广播地址，在 PPP 协议中实际意义较小，因为点对点链路不需要寻址。

1. Control（控制字段）

• 长度：1 字节

• 值：0x03（通常固定）

• 作用：用于帧类型控制。在 PPP 中基本模式下，这个字段通常不改变。

1. Protocol（协议字段）

• 长度：1-2 字节

• 值：指定数据的上层协议，例如 0x0021 表示 IP 数据报。

• 作用：标识负载部分的数据类型（IP、IPX、LCP 等）。

1. Payload（负载字段）

• 长度：0-1500 字节（默认 MTU 为 1500）

• 值：上层协议数据包。

• 作用：承载实际的数据内容。

1. FCS（帧校验序列）

• 长度：2 或 4 字节

• 值：基于帧内容计算的 CRC 校验值。

• 作用：用于检测帧传输中的错误。

PPP的建立和终结

• 所有PPP设备均使用LCP（Link Control Protocol）包，发送配置请求（Configure-Request）。

• 通过配置选项字段进行协商, 确定可选项

• 交换配置应答（Configure-Ack/Configure-Nak）以确定支持的参数（如最大传输单元、认证协议、压缩协议等）。

• 如果协商成功，链路进入下一阶段；否则，可能会中止会话。

• 通过发送特定的LCP Echo-Request/Echo-Reply消息，检测链路的响应和稳定性。

• 如果链路质量不满足要求，链路会被终止。

• 包含验证过程

• 直到链路质量测试完成才能开始传输数据

• 使用NCP（Network Control Protocol），如IPCP（Internet Protocol Control Protocol）或IPv6CP（IPv6 Control Protocol）。

• 协商与特定网络协议相关的参数（如IP地址分配、压缩方法等）。

• 当网络层协议成功配置后，链路可以正常传输用户数据。

• LCP会通过Terminate-Request消息请求终止链路。

• 对方响应Terminate-Ack，链路正式关闭。

• 链路关闭后，释放相关资源。

PPP 和 HDLC 的对比

PAP（Password Authentication Protocol）和CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）是两种用于网络连接的身份验证协议，通常在点对点协议（PPP，Point-to-Point Protocol）中使用。它们的主要目的是验证用户的身份，确保连接是合法的。

PAP（Password Authentication Protocol）

1. 工作原理：

• 用户(请求方)反复发送明文的用户名和密码来进行身份验证, 直到验证完毕或连接终止。

• 服务器接收这些信息并验证其有效性。

• 只进行一次验证

1. 优点：

• 实现简单。

• 适用于较低复杂度的环境。

1. 缺点：

• 安全性低，因为密码是以明文形式传输的，容易被窃听。

• 没有提供强大的保护机制来抵御重放攻击。

1. 适用场景：

• 仅用于不敏感的环境，或在通信已经通过其他手段加密的情况下使用。

1. 配置:

CHAP (Challenge-Handshake Authentication Protocol)

1. 工作原理：

• 使用三次握手机制来验证身份：
1. 服务器(被请求方)发送一个挑战（Challenge）：一个随机数。
2. 客户端计算响应（Response）：使用该挑战和密码通过散列算法生成一个哈希值。
3. 服务器验证响应：服务器通过相同的算法计算哈希值并与客户端的响应进行比较。

• 验证过程可能会定期重复，确保持续的安全性。

1. 优点：

• 提高了安全性：密码不会在网络上明文传输。

• 防止重放攻击：每次挑战都是动态生成的。

• 支持动态身份验证。

1. 缺点：

• 需要更多计算资源。

• 如果散列算法不够安全，可能仍然存在攻击风险。

1. 适用场景：

• 安全性要求较高的网络环境。

1. 配置:

• PAP适合简单的环境或已经有其他安全措施的网络。

• CHAP适合需要更高安全性的场景，通常是PAP的升级版。

综合业务数字网 ISDN

1. 综合业务：ISDN 将语音和数据通信整合到同一网络中，使用户能够通过同一连接发送和接收多种类型的信息。

2. 数字传输：ISDN 使用数字信号代替模拟信号，提高了通信质量，减少了噪声和失真。

3. 多路复用：支持多条通道同时运行，允许用户在同一连接上进行语音通话的同时传输数据。

1. BRI（Basic Rate Interface，基本速率接口）：
• 为家庭用户和小型企业设计。
• 提供两个B信道（64 Kbps，每个用于语音或数据）和一个D信道（16 Kbps，用于信令和控制）。
• 总带宽：2 × 64 + 16 = 144 Kbps。

2. PRI（Primary Rate Interface，主速率接口）：
• 为大型企业和高流量用户设计。
• 北美和日本的配置：23个B信道（64 Kbps）和1个D信道（64 Kbps），总带宽为1.544 Mbps。
• 欧洲和其他地区的配置：30个B信道（64 Kbps）和1个D信道（64 Kbps），总带宽为2.048 Mbps。

• 语音通信：通过数字化技术提高音质。

• 视频会议：支持实时视频和音频传输。

• 互联网接入：在宽带技术普及之前，ISDN 是一种较快的拨号上网方式。

• 数据传输：企业用来连接远程办公室或传输文件。

非对称数字用户线 ADSL

1. 非对称性：

• ADSL 的下载速度（下行）远高于上传速度（上行）。

• 非对称设计是为了适应用户通常下载多于上传的需求，如浏览网页、视频流媒体等。

1. 高效利用现有电话线：

• ADSL 技术允许在同一条电话线上同时进行语音通信和数据传输。

• 通过分离器（splitter）将语音信号和数据信号分开，避免相互干扰。

• 在用户线 (铜线) 的两段各安装一个 ADSL调制解调器. 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波” 或“多子信道”的意思。

1. 宽带连接：

• ADSL 提供的速度范围通常在 下行1 Mbps 至 24 Mbps，上行在 128 Kbps 至 1 Mbps 之间，具体取决于距离和线路质量。

1. 距离敏感性：

• ADSL 的性能受限于用户与电信运营商局端设备（DSLAM，数字用户线接入复用器）之间的距离。

• 距离越远，信号衰减越大，速度和质量会降低。

ADSL 的 极限传输距离 与 数据率 以及 用户线的线径 都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的 最高数据传输速率 与实际的用户线上的 信噪比 密切相关。

1. 频率分割：

• 电话线被划分为三个频率范围：

• 低频：语音信号（0-4 kHz）。

• 中频：上行数据信号。

• 高频：下行数据信号。

• 通过这种分割，语音和数据可以同时传输而互不干扰。

1. 调制技术：

• ADSL 使用 DMT（离散多音调调制）技术，将数据分成多个频率子通道。

• 每个子通道独立传输数据，抗干扰能力强。

1. DSLAM 设备：

• 在电信局端安装的 DSLAM 设备将多个用户的 ADSL 信号汇聚，并连接到互联网。

1. 家庭互联网接入：

• 家庭用户通过 ADSL 路由器连接到电信运营商的网络，实现高速上网。

1. 小型企业网络：

• 小型企业使用 ADSL 提供的经济实惠的宽带服务。

1. 支持多媒体应用：

• 适用于视频点播（VoD）、在线游戏、流媒体和远程办公等。

• 利用现有基础设施：不需要重新铺设光纤或其他线路。

• 经济实惠：安装和月租费用较低。

• 快速部署：无需大规模改造，电信运营商易于推广。

• 距离限制：用户距离 DSLAM 超过一定范围（通常约 5 公里）时，速度显著下降。

• 上传速度慢：对于需要高上传带宽的应用（如直播或云服务），性能不足。

• 技术淘汰：随着光纤和 5G 的普及，ADSL 逐渐被更先进的技术取代。

同步光纤网 SONET

1. 同步传输：

• 数据的发送和接收是严格同步的。

• 所有的设备通过一个全局时钟进行协调，减少了时延和抖动。各级时钟都来自一个非常精确的 主时钟（铯原子钟，精度优于 秒）

1. 高带宽：

• SONET 提供高速传输，标准速率从 51.84 Mbps（OC-1） 到 40 Gbps（OC-768），适合传输大规模数据。

1. 灵活性：

• 支持多种类型的通信数据（语音、视频、IP 数据流等）。

• 可以动态分配带宽，支持多种网络协议（如 ATM 和 IP）。

• 支持自动保护切换（APS），当线路出现故障时可以在 50 毫秒内切换到备用路径。

• 网络结构通常采用环形拓扑，增强了容错能力。

1. 标准化：

• SONET 的帧结构和传输速率是全球标准化的，便于互操作。

1. 速率等级：SONET 的基本速率为 51.84 Mbps（OC-1），更高速率是 OC-1 的整数倍，如 OC-3（155.52 Mbps）、OC-12（622.08 Mbps）等。

2. 帧结构：每个 SONET 帧包括：
• 同步字节：用于帧同步。
• 开销字节：携带管理和控制信息。
• 有效负载：实际的数据。

3. 多路复用：SONET 支持将多个低速信号复用到一个高速信号中。

1. 长距离通信：在城市之间或国家之间提供高速光纤通信。广泛用于骨干网络。

2. 广域网传输：支持企业、政府机构和电信运营商的大规模数据传输需求。

3. 传输多种数据类型：同时支持语音、视频和数据通信。

4. 互联网骨干：互联网服务提供商（ISP）利用 SONET 提供高速可靠的连接。

• 高可靠性：支持快速故障切换和冗余。

• 高带宽：适合传输大规模数据。

• 标准化：全球通用，便于设备互操作。

• 灵活性：支持多种数据格式和网络协议。

• 高成本：光纤和相关设备的部署和维护费用较高。

• 复杂性：网络管理和配置需要专业技术。

• 竞争压力：随着以太网技术的发展（如 MPLS 和 10G/40G 以太网），SONET 的应用范围逐渐缩小。

光纤同轴混合网 HFC

1. 混合结构：

• 光纤部分：用于连接主干网络到本地区域，传输高容量数据，距离远且信号损耗小。

• 同轴电缆部分：用于连接光纤节点到终端用户，方便家庭和企业接入。

模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在 光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

1. 双向通信：

• HFC 具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能, 支持上行和下行双向数据通信，可以用于宽带互联网、交互式电视和语音服务。

1. 高带宽：

• 通过光纤传输，HFC 提供高带宽，支持数百 Mbps 到 Gbps 的速度。

1. 共享网络：

• 同一光纤节点下的用户共享带宽，因此用户数量和网络拥堵可能影响速度。

1. 多功能服务：

• 支持视频（有线电视）、语音（VoIP）和数据（互联网）等三合一服务。

1. 光纤主干：

• 从服务提供商的中央办公室或数据中心到本地区域。

• 通常采用 DWDM（波分复用） 技术提高传输效率。

1. 光纤节点：

• 位于本地区域，用于将光信号转换为电信号。

• 通常服务于一定数量的用户（如 500 到 2000 户）。

1. 同轴电缆：

• 从光纤节点到终端用户。

• 使用 RF（射频）信号 传输数据。

1. 用户终端设备：

• 调制解调器（如 DOCSIS 调制解调器）将同轴电缆信号转换为可用的数字信号。

• 电视机顶盒用于解码有线电视信号。

1. 下行通信（从服务提供商到用户）：

• 光纤主干传输数字信号到光纤节点。

• 在光纤节点，光信号转换为电信号，通过同轴电缆传输到终端用户。

1. 上行通信（从用户到服务提供商）：

• 用户设备通过同轴电缆将信号发送到光纤节点。

• 在光纤节点，电信号转换为光信号，通过光纤主干传输到服务提供商。

1. 宽带互联网接入：

• 提供高速互联网接入服务，适合家庭和中小型企业。

1. 有线电视服务：

• 提供高质量的视频流，包括标清（SD）、高清（HD）和超高清（4K）内容。

1. 语音服务：

• 支持基于 IP 的语音通信（如 VoIP）。

1. 多媒体服务：

• 提供交互式电视、视频点播（VoD）和智能家居服务。

• 高带宽：适合传输高清内容和高速互联网。

• 成本效益：利用现有同轴电缆基础设施，降低建设成本。

• 多功能性：支持语音、视频和数据服务。

• 灵活性：光纤和同轴电缆的组合实现了性能与成本的平衡。

• 带宽共享：同一光纤节点下的用户共享带宽，可能导致高峰时段速度下降。

• 距离限制：同轴电缆部分的传输距离较短，信号容易衰减。

• 升级难度：从 HFC 网络升级到全光纤网络需要大量投资。