教程图文详解 - 广域网通信（第三章）

一 章节分析

广域网是通信公司建立和运营的网络，覆盖的地理范围大，可以跨越国界，到达世界上的任何地方。通信公司将运营的网络分次或分块地出租给用户以收取服务费用。

计算机连网时，如果距离遥远，需要通过广域网进行转接。最早出现的也是普及面最广的通信网就是公共交换电话网。

本章历年考察较少，一般分值只有 1～2 分，常考考点：帧中继、HDLC。

二 公共交换电话网

公共交换电话网（Public Switched Telephone Network，PSNT）是为了语音通信而建立的网络。从20时间60年代开始又被用来数据传输，目前在一些地方仍通过电话线拨号上网。

2.1 电话系统的结构

电话网由 3 个部分组成，本地回路、干线和交换机。干线和交换机一般采用数字传输和交换技术，而本地回路基本采用模拟线路。

电话线联网时需要在发送端通过调制解调器把数字信号转换为模拟信号，接收端再通过调制解调器将模拟信号变为数字信号。

2.2 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 (Data Terminal Equipment， DTE)，因为这种设备代表通信链路的端点。

在通信网络边，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 (Data Circuit Equipment, 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 (DTE/DCE）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。

以 EIA 制定的 RS-232-C 接口为例，从机械特性、电气特性、功能特性、过程特性进行说明。

2.1.1机械特性

机械特性描述 DTE 和DCE 之问物理上的分界线，规定连接器的几何形状、尺寸大小、引线数、引线排列方式以及锁定装置等。

RS-232-C没有正式规定连接器的标准，只是在其附录中建议使用 25 针的口型连接器。当然，也有很多 RS-232-C 设备使用其他形式的连接器，特别是在微型机的 RS-232-C 串行接口上大多使用 9 针连接器。

2.1.2 电气特性

RS-232-C 采用的**V.28 标准电路，速率为 20kb/s，最长为 15米。 信源产生 3～15V的信号，±3V 之间是信号电平过渡区。

2.1.3 功能特性

功能特性对接口连线的功能给出确切的定义。从大的方面，接口线的功能可分为数据线、控制线、定时线和地线。有的接口可能需要两个信道，因而接口线又可分为主信道线和辅助信道线。

RS-232-C 采用的标准是 V.24。 V.24 为 DTE/DCE 接口定义了44 条连线，为 DTE/ACE 定义了 12条连线。ACE 为自动呼叫设备，有时和Modem 做在一起。

2.1.4 过程特性

物理层接口的过程特性规定了使用接口线实现数据传输的操作过程，这些操作过程可能涉及高层的功能，因而对于物理层操作过程和高层功能过程之间的划分是有争议的。

另一方面，对于不同的网络、不同的通信设备、不同的通信方式、不同的应用，各有不同的操作过程。

2.3 调制解调器

调制解调器 (Modulation and Demodulation， Modem）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己调制的模拟信号；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。

2.4 历年真题

1. 2009 上半年
RS-232-C电气特性采用V.28标准电路，允许的数据速率是（B） ，传输距离不大于（B）。
A. 1Kbps B. 20Kbps C.100Kbps D.1Mbps
A. 1m B. 15m C.100m D. 1Km

2. 2009 上半年
关于RS-232-C标准的描述中，正确的是 （ B ）。
A.可以实现长距离远程通信
B.可以使用9针或25针D型连接器
C.必须采用24根线的电缆进线连接
D.通常用于连接并行打印机

三 X.25 公共数据网

这种传输方式很老了，基本上已经被淘汰了。

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。CCIIT 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。

1. x.25是一种分组交换技术 ，面向连接，建立虚链路
2. .25支持差错控制和流量控制，传输速率：64kbps

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。

1. 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。
2. 链路层提供可靠的数据传输功能，这一层的标准叫作 LAP-B (Link Access Procedure-Balanced), 它是HDLC 的子集。分组层提供外部虚电路服务，这—层协议是 x.25 建议的核心，特别称为 x.25 PLP 协议议(Packet Layer Protocol )。

3.1 流量控制和差错控制

3.1.1 流量控制

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。

1. 停等协议

工作原理是：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），表示愿意接收下一帧，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。

假设在半双工的点对点链路上，S,站向 S,站发送数据帧，S,每发出一个帧就等待 S,送回应答信号。根据图 3-12 所示，发送一帧的时间为 $T_{FA}$ = 2$t_p$ + $t_f$ 其中，$t_p$为传播延迟，$t_f$为发送一帧的时间（称为一帧时）。

2. 滑动窗口协议
工作原理：允许连续发送多个帧而无须等待应答。

3.2 差错控制

差错控制是检测和纠正传输错误的机制。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，这样的帧经接收器校验后会被拒绝。通常，应付传输差错的办法如下：

1. 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。
2. 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。
3. 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 ，Automatic Repeat reQuest技术。结合前面讲的流控技术，可以组成 3 种形式的 ARO 协议。

1. 停等 ARQ 协议

停等ARQ 协议是 停等流控技术和自动请求重发技术的结合。

根据停等 ARQ 协议，发送站发出一帧后必须等待应答信号，收到肯定应答信号 ACK 后继续发送下一帧；收到否定应答信号 NAK 后重发该帧；若在一定的时间间隔内没有收到应答信号也必须重发。

最后一种情况值得注意，没有收到应答信号的原因可能是帧丢失了，也可能是应答信号丢失了。无论哪一种原因，发送站都必须重新发送原来的帧。发送站必须有一个重发计时器，每发送一帧就开始计时。
计时长度不能小于信号在线路上一个来回的时间。

另外在停等 ARQ 协议中，只要能区分两个相邻的帧是否重复就可以了，因此只用 0 和1两个编号，即帧编号字段长度为1位。图3-14表示出了各种可能的传送情况。

2. 选择重发 ARQ 协议

原理：重发特定的某一帧。

下图中第2帧出错，随后的 3、4、5帧被缓存。当发送站接收到 NAK2 时，重发第2帧。值得强调的是，虽然在选择重发的情况下接收器可以不按顺序接收，但接收站的链路层向网络层仍是按顺序提交的。

3. 后退 N 帧 ARQ 协议
后退N帧 ARQ 协议原理 ：从出错处重发已发出过的N个帧。

下图中，接收窗口的大小为 1，因而接收器必须按顺序接收，当第2帧出错时，2、3、4、5号帧都必须重发。

3.3 HDLC

HDLC (High Level Data Link Control， 高级数据链路控制）是一种面向位（比特）的数据链路层控制协议。
通常使用CRC-16、CRC-32校验，帧边界 01111110。

3.4 小节

记住两个窗口大小公式：

1. 选择重发 ARQ 协议：$W_{发}$ = $W_{收}$ <= $2^{k-1}$
2. 后退 N 帧 ARQ 协议：$W_{发}$ = $W_{收}$ <= $2^k$ -1

3.5 历年真题

1. 2009 上半年
HDLC协议是一种（A ），采用（B ）标志作为帧定界符。
A. 面向比特的同步链路控制协议 B.面向字节技术的同步链路控制协议
C. 面向字符的同步链路控制协议 D.异步链路控制协议
A. 10000001 B. 01111110 C. 10101010 D. 101101011

2. 2009 下半年
对于选择重发ARQ 协议，如果帧编号字段为 k 位，则窗口大小（B）。
A. W <= $2^k$ -1 B. W <= $2^{k-1}$ C. W = $2^k$ D. W < $2^k$ -1

3. 2019 上半年
采用HDLC协议进行数据传输，帧O-7循环编号，当发送站发送了编号为0、1、2、3、
4 的共5帧时，收到了对方应答帧 REJ3，此时发送站应发送的后续3帧为（B）；若收到的对方应答帧为SREJ3，则发送站应发送的后续3帧为（C）
A, 2, 3, 4 B, 3,4,5 C.3, 5,6 D,5,6,7
A. 2.3, 4 B. 3,4.5 C.3.5.6 D.5.67

解题思路：

1. REJ 用于后退N帧ARQ流控方案，SREJ 用于选择重发ARQ流控方案。
2. REJ3 从编号为 3 的帧重新发送后续的帧；SREJ3 重新发送编号为 3 的帧，以及后续5、6帧，即3,5,6。

四 帧中继（Frame Rlay）

本节为本章最常考的考点，需要熟悉。

4.1 帧中继

帧中继在第二层建立虚链路，提供虚链路服务，本地标识 DLCI。基于分组交换的透明传输，可提供面向连接的服务

1. 只做检错和拥塞控制，没有流控和重传机制，开销很少。
2. 既可以按需要提供带宽，也可以应对突发的数据传输（CIR 承诺速率 EIR：扩展速率）。
3. 帧长可变，长度可达1600-4096字节，可以承载各种局域网的数据帧。
4. 可以达到很高的速率，2-45Mbps（相对 X.25 而言）。
5. 不适合对延迟敏感的应用（语音、视频）。
6. 数据的丢失依赖于运营商对虚电路的配置。
7. 不保障可靠的提交。

4.2 ISDNADATM

4.2.1 ISDN

SDN 综合数字业务网，目的是以数字系统代替模拟电话系统，把音频、视频、数据业务放在一个网上统一传输。

分为窄带ISDN和宽带ISDN，窄带ISDN提供两种用户接口。

1. 基本速率BRI=2B+D=144Kbps
2. 基群速率PRI=30B+D=2.048M

4.2.2 ATM

宽带ISDN，即ATM.

1. ATM是信元交换，信元为53字节固定长度
2. ATM依然是以虎链路提供面向连接的服务
3. ATM典型速率为150M

4.3 历年真题

1. 2012 下半年
下面用于表示帧中继虚链路标识符（C）。
A . CIR B. LMI C. DLCI D. VPI

2. 2014 下半年
典型运营商提供的ISDN服务有两种不同接口，其中供小型企业和家庭使用的基本速率接口（BRI）速率是（ B ），供大型企业使用的接口速率是( D ）。
A. 128Kb/s B. 144Kb/s C. 1024Kb/s D.2048Kb/s
A. 128Kb/s B. 144Kb/s C. 1024Kb/s D.2048Kb/s

五 章节总结

1. RS-232-C 接口物理特性（针角、串行）。
2. 数据链路层的差错控制技术（停等 ARQ 协议、重发 ARQ 协议、后退 N 帧 ARQ 协议）。
3. HDLC 协议（面向位、数据链路层、同步、帧定界符）。
4. FR 协议（面向连接、DLCI标识虛电路、数据链路层、可突发、有拥塞控制。
5. 无滑动窗口流量控制，有错误检测无重传。
6. ISDN 基础（BRI和PRI接口）。
7. ATM（面向连接、虚电路）