5.3 局域网和广域网
5.3 局域网和广域网
5.3.1 局域网
局域网技术是当前计算机网络研究和应用的一个热点，也是技术发展最快的领域之一。作为一种重要的基础网络，局域网在机关、企业、学校等各个单位都得到广泛的应用。在局域网中，由于传输距离较短，通常采用光纤或专用电缆连接，可以有较高的传输速率。目前，局域网的主干线路传输速率可达100Mbps或1000Mbps，用户端的传输速率可达10Mbps或100Mbps。在局域网的应用中，除了通常的电子邮件之外，主要是各种办公系统、财务系统、人事、仓库、物流、市场等信息管理和业务管理系统。
1．局域网的组成与特点
局域网由网络硬件和网络软件两大部分组成。网络硬件包括提供网络中数据传递的物理连接介质和担负网络数据处理及通信联系的各种设备。网络软件则用来调度、管理、实现网络硬件的各种功能。由于局域网的分布特征和所使用的技术，也就使局域网具有了一些其本身的特点。
（1）网络硬件。
网络硬件包括计算机系统和通信系统。计算机系统由网络服务器和网络工作站组成，是网络的主要单元，提供数据处理、资源共享、网络访问功能。通信系统由网络适配器、网络传输介质和网络连接控制设备组成，用来连接网络中的各个计算机，实现网络通信功能。
（2）网络软件。
网络软件包括网络操作系统、网络应用软件、网络管理软件。网络操作系统是局域网软件中最重要的系统软件，它不仅提供对计算机的安全、有效、方便管理，而且可以协调各个网络工作站对网络资源的共享，控制网络工作站的通信联系。网络计算机的客户端和服务器端的操作系统可以相同，也可以不同。例如，服务器中通常安装Windows XP Server，而在工作站上通常安装Windows XP Professional。网络应用软件可以是具有网络功能的通用应用软件或专用应用软件。这些软件通常由应用软件开发平台进行开发，工作于客户机/服务器（Client/Server）模式或浏览器/服务器（Browser/Server）模式，也常需要后台数据库（如SQL Server等）的支持。对于实际的局域网而言，除了要有好的网络硬件平台和合乎要求的网络操作系统外，网络应用软件也是非常重要的，只有具有符合需要的网络应用软件，局域网才能发挥应有的效能。网络管理软件除了能够监视和控制网络的运行外，还可以进行故障诊断、虚拟局域网配置、数据备份、远程安装软件和设备运行状态远程设置等。
（3）局域网的特点。
一般来说，局域网具有如下特点：
① 局域网是一个用于数据通信的计算机网络。
② 局域网的覆盖范围较小且有限。
③ 局域网提供了一个低误码率、高传输速率的数据传输环境。
④ 局域网的通信机制是共享介质和交换方式。
⑤ 局域网组网简单、成本低廉、维护方便、使用效率高。
2．以太网工作原理
以太网是目前使用最为广泛的局域网。以太网从20世纪70年代开始应用以来，得到了较大的发展。其传输速率由最初的10Mbps，发展到如今的100Mbps，甚至是1Gbps。所支持的传输介质也从最初的同轴电缆发展到双绞线以及光缆。星型拓扑结构的出现以及交换技术和全双工技术的应用，使以太网由传统的共享访问方式发展到交换访问方式，极大地扩展了网络的带宽。
传统的以太网采用总线型或以集线器为中央节点的星型拓扑结构，以广播和共享的方式使用传输线路。广播方式是指某个节点发送的数据可以被所有的节点所接收；共享方式是指整个传输线路为各个节点所公用，某个节点传输数据时，其他节点必须等待。为了实现网络中任意两个节点之间的通信，以太网中每个节点都有一个唯一的地址，称为介质访问控制（Media Access Address，MAC）地址。当某个节点需要发送数据时，首先必须将数据分成一个一个的帧（Frame），每个节点每次只能传输一个帧，然后就必须交出通信线路的使用权，以保证所有节点可以公平地使用通信线路。在一个帧的信息中，包含有同步信号、发送节点地址、接收节点地址、帧类型信息、发送的数据信息以及差错控制信息。
在广播和共享的工作方式下，为了保证有效、可靠地传输信息，以太网采用了载波侦听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）访问技术。载波侦听是指节点在发送信息前必须先对通信线路进行侦听，判断通信线路是否处于空闲，如果空闲（无载波），则进行发送；如果忙（有载波），则等待一个随机时间再重新试验。多路的意思是传输线路是公用的，所有其他节点都能接收到信号，该节点所发送信息的目标可以是一个节点，也可以是一组节点（称为组播），甚至可以是整个网络（称为广播）。冲突检测是指在进行信息发送的过程中要检测是否有冲突（其他节点正好也发送信息）发生，如果没有冲突，则正常发送；若有冲突，则停止发送，并发出一串阻塞信号，通知其他节点存在冲突，然后等待一个随机时间后再重新试验。
以太网的CSMA/CD功能和地址功能都是由接点网卡自动完成的。以太网的这种通信机制在传播时延小的局域网中能够较好地解决信息传输和冲突检测问题，传输速率一般可达10mbps或100Mbps。但在通信繁忙的情况下，通常会造成网络性能的急剧下降，传输时间延迟加大，所以以太网不适合实时要求较高的环境。
3．快速网络技术
随着局域网应用的日益广泛，大型数据库和多媒体技术应用日益深入，人们对局域网的性能要求越来越高。以交换式以太网、FDDI网络、ATM网络、无线局域网为代表的快速网络技术达到很大的发展，应用也逐渐广泛。
（1）交换式以太网。
交换式以太网采用星型拓扑结构，使用交换机作为结构的中央节点。交换式以太网以数据链路层的帧为交换单位，交换机从节点接收数据后，直接传送给指定的目标节点，不向其他任何节点传送。因此交换式以太网可以独占带宽，每个节点都可拥有10MB/s或100MB/s的带宽，而传统以太网是共享带宽的，所有节点共同占有10MB/s或100MB/s的带宽，每个节点只能占有其中的若干分之一。
在实际情况下，交换式以太网通常用部门交换机将由工作组交换机连接的星型拓扑和各种服务器连接成树形拓扑结构，以发挥网络的最大潜力，为单位内部的各个用户提供各种服务。
（2）光纤分布数据接口（FDDI）。
光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）是目前成熟局域网技术中传输速率最高的一种技术。FDDI采用光纤作为传输介质，通用令牌环网，支持多种拓扑结构。使用多模光纤时传输距离可达2km，使用单模光纤时传输距离可达100km。
令牌环（Token Ring）使用一个被称为令牌的控制信号来控制节点的信息发送与接收。处于环网上的节点只有取得令牌才能发送数据帧，因为整个环网只有一个令牌沿环路运行，所以可以保证信道中每次只有一个节点发送数据。
FDDI采用双环结构，主环作为工作环，副环作为备份，保证主环故障或节点故障时环路能够正常使用。FDDI常用于较大型局域网的主干部分，用来连接不同部门的小型网络，由于FDDI的帧格式与一般局域网格式不同，所以需要使用网桥或路由器来进行连接。
（3）异步传输模式（ATM）。
异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）是由国际电信联盟ITU的前身CCITT在1989年制定的一种高速网络传输和信息交换标准。ATM组合了线路交换和分组交换技术的优点，采用固定大小的报文分组——信元，并且动态地分配带宽，没有传输距离的限制，通过光纤使用622Mbps、1.2Gbps或2.4Gbps的速率传输信息。
ATM技术既可用于局域网有可用于广域网，还可以将两者融为一体，可以在同一线路上实现高速率、高带宽地传输数据、音频、视频等信息，满足了多媒体信息的传输需要，是网络技术的一个重要发展方向。
（4）无线局域网（WLAN）。
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图5-16 无线局域网示意图
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无线局域网通常使用S波段（2.4GHz～2.4835GHz）采用扩频方式进行通信，具有很强的抗干扰、抗噪声、抗衰减能力，基本避免了通信信号的窃取和偷听，具有很高的可用性。无线局域网使用无线网卡、无线交换机等设备实现网络连接，如图5-16所示。
（5）千兆位高速以太网。
由于局域网的不断扩张及网络多媒体应用，使得网络主干即使具有100Mbps的速率，也仍然显得十分拥挤。千兆位以太网具有高达1000Mbps的传输速率，它的出现，有效地解决了网络主干的拥挤问题，使网络的性能得到很大的提高。
千兆位以太网以光纤作为传输介质（短距离内也可用双绞线），使用千兆位以太网网卡、千兆位交换机和路由器构建网络。由于保留IEEE 802.3和以太网标准帧格式以及IEEE 802.3管理的对象规格，因此，用户能够在保留现有应用程序、操作系统、IP、IPX等协议以及网络管理平台与工具的同时，方便地升级至千兆位以太网。另外，由于千兆位以太网支持光纤媒介，使用交换式光纤分布式数据接口的用户也能够较为容易升级至千兆的速度。这将极大地增加提供给用户的带宽，同时保护了原有的光纤线缆上的投资。
经过国际千兆以太网协会多年的努力，千兆以太网产品已经具备了非常成熟及完善的技术标准，当前的千兆产品和FDDI及ATM设备相比已经具备了很高的性能价格比。至今，千兆位以太网仍在不断完善和改进，应用范围也日益广泛，在这样一个网络迅速发展并渗透入生活的时代，千兆位以太网肯定将超越百兆位以太网的应用范围和影响，更加广泛地应用于各类型的网络建设中。
5.3.2 广域网
广域网通常也称为远程网。若干不同地点的局域网经通信系统连接起来就构成了广域网，它的数据通信通常利用公共通信网络系统。广域网的规模可以不断扩展，满足跨越广阔地域的多个地点、多个计算机之间的互连需求，以实现不同地域、多个计算机之间的通信。
1．网络互联
随着计算机网络技术的不断发展和社会对信息交换需求的不断增长，计算机网络与计算机网络之间的连接也显得越来越重要。
网络互联主要有两个目的：实现网络之间的通信，它要求不同用户能够通过连接实现信息交换，所以主要考虑物理连接，强调OSI模型的低三层上必须具有兼容性；实现高级的用户服务，这些服务往往与OSI模型的应用层及表示层有关，所以不仅需要底层协议的兼容，而且需要高层协议的兼容。
网络互联的主要形式有局域网与局域网互联、局域网与广域网互联、广域网与广域网互联三种。要实现各种类型的网络互联，除了要使用各种网络连接设备以外，还要解决三个比较重要的问题：一是由于不同的网络使用不同的接入技术、不同的传输服务方式、不同的纠错方法、不同的超时控制、不同的路由选择策略，在网络互联时必须进行统一协调；二是不同网络的地址表示方法和寻址方法是不同的，必须在不影响原网络功能的情况下进行统一转换；三是在不同网络中传递的数据分组的大小是不相同的，网络互联的传递过程中必须能够正确识别。目前主要的解决方案是使用TCP/IP协议。
网络互联所使用的常用网络连接设备有集线器、交换机、路由器、网关和调制解调器。其中集线器和交换机用来连接多个相同种类的网络；路由器可以连接多个不同种类的网络；网关工作在OSI模型的传输层以上，能够进行各种不同协议的转换，提供许多复杂的服务；调制解调器用来进行数字信号与模拟信号之间的转换，以便使用公用电话网来传递计算机数据。
2．广域网的构成
广域网一般由网络主机、子网络和通信连接部分组成。网络主机通常由提供各种网络服务的大型计算机担任。子网络就是各个被互相连接的局域网或城域网。通信连接部分用来传递信息，它包括传输介质和交换节点两个组成部分。
通信连接部分工作在OSI模型的网络层、数据链路层和物理层。通常使用公用电话交换网（Public Switch Telephone Network，PSTN）或采用其他通信技术的公共通信网络。
在广域网中传递的数据单元称为分组（Packet）。在通信连接部分的交换节点使用存储转发机制，在数据分组到达交换节点时，交换机将其放入一个队列存储起来，然后再将它们发送到各个目的地。交换机是广域网的基本组件之一，若干交换机连接起来。传递分组，构成通信连接部分的主体。在交换机内部，由硬件完成数据分组的接收、鉴别、存储、转发等功能。
3．广域网的通信技术
在广域网中使用着各种不同的通信技术。当今时代通信新技术不断涌现，通信领域日新月异。在局域网与局域网之间、局域网与广域网之间、广域网与广域网之间大量使用了各种通信新技术。
（1）分组交换网（PDN）。
分组交换网是继电路交换网和报文交换网之后一种新型交换网络，它主要用于数据通信。分组交换是一种存储转发的交换方式，为了克服报文的长短不一，不适合在交换网中传输、不适合排序的缺点，它将用户的报文划分成一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发，因此，它比电路交换的利用率高，比报文交换的时延要小，具有实时通信的能力。分组交换利用统计时分复用原理，将一条数据链路复用成多个逻辑信道，最终构成一条主叫和被叫用户之间的信息传送通路（称之为虚电路VC），以实现数据的分组传送。
分组交换的基本业务有交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）两种。交换虚电路如同电话电路一样，即两个数据终端要通信时先用呼叫程序建立电路（即虚电路），然后发送数据，通信结束后用拆线程序拆除虚电路。永久虚电路如同专线一样，在分组网内两个终端之间申请合同期间提供永久逻辑连接，无须呼叫建立与拆线程序，在数据传输阶段，与交换虚电路相同。
分组交换网具有如下特点：一、具有多逻辑信道的能力，故中继线的电路利用率高；二、可实现分组交换网上的不同码型、速率和规程之间的终端互通；三、由于分组交换具有差错检测和纠正的能力，故电路传送的误码率极小；四、分组交换的网路管理功能强；五、提供64Kbps～2.4Mbps的传输速率。
分组交换网采用国际电报电话咨询委员会CCITT（如今的ITU）制定的X.25通信协议，所以也常被称为X.25网。我国的分组交换网CHINAPAC由国家骨干网和各省、区、市的31个地区骨干网组成，与公用电话网和电报网连接，也与世界许多国家的分组交换网相连接。
（2）帧中继（FR）。
帧中继（Frame Relay，FR）是20世纪80年代初发展起来的一种数据通信技术，从X.25分组通信技术演变而来，是一种局域网互联的协议，它工作在OSI参考模型的物理层和数据链路层。它为跨越多个交换机和路由器的用户设备间的信息传输提供了快速和有效的方法。
帧中继使用一组规程（简称帧中继协议）将数据信息以帧的形式有效地进行传送。它所使用的是逻辑连接，而不是物理连接，在一个物理连接上可复用多个逻辑连接（即可建立多条逻辑信道），可实现带宽的复用和动态分配。帧中继协议是对X.25协议的简化，因此处理效率很高，网络吞吐量高，通信时延低，用户的接入速率在64Kbps～2Mbps，甚至可达到34Mbps。帧中继的帧信息长度远比X.25分组长度要长，最大帧长度可达1600字节/帧，适合于封装局域网的数据单元，适合传送突发业务（如压缩视频业务、WWW业务等）。
帧中继的主要特点是：使用光纤作为传输介质，因此误码率极低，能实现近似无差错传输，减少了进行差错校验的开销，提高了网络的吞吐量。帧中继是一种宽带分组交换，使用复用技术时，其传输速率可高达44.6Mbps。但是，帧中继不适合于传输诸如话音、电视等实时信息，它仅限于传输数据。
（3）数字数据网（DDN）。
计算机通信技术层出不穷，国民经济的飞速发展，金融、证券、海关、外贸等集团用户和租用数据专线的部门、单位大幅度增加，数据库及其检索业务也迅速发展，现代社会对电信业务的依赖性越来越强。数字数据网DDN（Digital Data Network）就是适合这些业务发展的一种传输网络。它是以数万、数十万条以光缆为主体的数字网络，通过数字电路管理设备，构成一个传输速率高、质量好，网络时延小，全透明、高流量的数据传输基础网络。
DDN是利用数字信道传输数据信号的数据传输网。它的主要作用是向用户提供永久性和半永久性连接的数字数据传输信道，既可用于计算机之间的通信，也可用于传送数字化传真、数字话音、数字图像信号或其他数字化信号。永久性连接的数字数据传输信道是指用户间建立固定连接，传输速率不变的独占带宽电路。半永久性连接的数字数据传输信道对用户来说是非交换性的。但用户可提出申请，由网络管理人员对其提出的传输速率、传输数据的目的地和传输路由进行修改。网络经营者向广大用户提供了灵活方便的数字电路出租业务，供各行业构成自己的专用网。
数字数据网的特点如下。
① 传输速率高：在DDN网内的数字交叉连接复用设备能提供2Mbps或N′64Kbps（≤2M）速率的数字传输信道。
② 传输质量较高：数字中继大量采用光纤传输系统，用户之间专有固定连接，网络时延小。
③ 协议简单：采用交叉连接技术和时分复用技术，由智能化程度较高的用户端设备来完成协议的转换，本身不受任何规程的约束，是全透明网，面向各类数据用户。
④ 灵活的连接方式：可以支持数据、语音、图像传输等多种业务，它不仅可以和用户终端设备进行连接，也可以和用户网络连接，为用户提供灵活的组网环境。
⑤ 电路可靠性高：采用路由迂回和备用方式，使电路安全可靠。
⑥ 网络运行管理简便：采用网管对网络业务进行调度监控，业务迅速生成。
中国公用数字数据骨干网（CHINADDN）于1994年正式开通，并已通达全国地市以上城市及部分经济发达县城。CHINADDN利用光纤、数字微波和卫星等数字传输通道和数字交叉复用节点组成的数字数据传输网，可以为用户提供各种速率的高质量数字专用电路和其他新业务，以满足用户多媒体通信和组建中高速计算机通信网的需要，由中国电信经营，向社会各界提供服务的公共信息平台。
（4）数字用户线技术（xDSL）。
数字用户线路（Digital Subscriber Line，DSL）是以铜质电话线为传输介质的传输技术组合，它包括HDSL、SDSL、VDSL、ADSL和RADSL等，一般称之为xDSL。xDSL可用于在各种不同环境下传输数据、音频、视频等信息。它们主要的区别就是体现在信号传输速度和距离的不同以及上行速率和下行速率对称性的不同这两个方面。
HDSL与SDSL支持对称的T1/E1（1.544Mbps/2.048Mbps）传输。其中HDSL的有效传输距离为3～4公里，且需要②～④对铜质双绞电话线。SDSL最大有效传输距离为3公里，只需一对铜线。比较而言，对称DSL更适用于企业点对点连接应用，如文件传输、视频会议等收发数据量大致相同的工作。同非对称DSL相比，对称DSL的市场要少得多。
VDSL、ADSL和RADSL属于非对称式传输。其中VDSL技术是xDSL技术中最快的一种，在一对铜质双绞电话线上，上行数据的速率为13Mbps～52Mbps，下行数据的速率为1.5到2.3 Mbps，但是VDSL的传输距离只在几百米以内。RADSL能够提供的速度范围与ADSL基本相同，但它可以根据双绞铜线质量的优劣和传输距离的远近动态地调整用户的访问速度。
目前最常用的是ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路），它能在一对铜线上支持上行速率640Kbps～1Mbps，下行速率1Mbps～8Mbps，有效传输距离在3～5公里范围以内的数字数据通信。正是ADSL的这些特点使其成为用于网上高速冲浪、视频点播（IAV）、远程网络访问的理想技术，因为在这些应用中用户下载的信息往往比上传的信息要多得多。
传统的电话系统使用的是铜线的低频部分（4kHz以下频段）。而ADSL采用DMT（离散多音频）技术，将原先电话线路0Hz到1.1MHz频段划分成256个频宽为4.3kHz的子频带。其中，4kHz以下频段仍用于传送传统电话业务，20kHz～138kHz的频段用来传送上行信号，138kHz～1.1MHz的频段用来传送下行信号。DMT技术可根据线路的情况调整在每个信道上所调制的比特数，以便更充分地利用线路。一般来说，子信道的信噪比越大，在该信道上调制的比特数越多。如果某个子信道的信噪比很差，则弃之不用。所以，对于原先的电话信号而言，仍使用原先的频带，而基于ADSL的业务，使用的是话音以外的频带，做到电话和通信两不误。计算机网络利用ADSL技术传递信息时，必须使用ADSL调制解调器（ADSL Modem），以便进行数字信号与模拟信号的转换。
（5）有线电视网（CATV）。
共用天线电视系统（Common Airline Television，CATV）现在俗称有线电视网。现在的有线电视网采用HFC（Hybrid Fiber－Coaxial，光纤－同轴电缆混合）技术，它是光纤和同轴电缆相结合的混合网络。HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成，从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输；到用户区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到用户。
HFC的主要特点是：传输容量大，易实现双向传输，从理论上讲，一对光纤可同时传送150万路电话或2000套电视节目；频率特性好，在有线电视传输带宽内无须均衡；传输损耗小，可延长有线电视的传输距离，25公里内无须中继放大；光纤间不会有串音现象，不怕电磁干扰，能确保信号的传输质量。其网络拓扑结构的特点为：光纤干线采用星型或环状结构；支线和配线网络的同轴电缆部分采用树状或总线式结构；整个网络按照光节点划分成一个服务区；这种网络结构可满足为用户提供多种业务服务的要求。随着数字通信技术的发展，特别是高速宽带通信时代的到来，HFC已成为现在和未来一段时期内宽带接入的最佳选择，因而HFC又被赋予新的含义，特指利用混合光纤同轴来进行双向宽带通信的CATV网络。
计算机网络利用CATV网络传递信息时，必须使用线缆调制解调器（Cable Modem），以便进行数字信号与模拟信号的转换。