广域网

广域网服务是将众多局域网连通起来的服务,由广域网服务商提供。广域网重点关注OSI模型的底三层,这里只讲物理层和数据链路层的相关技术。

广域网结构

WAN_Structure

如图所示。抽象来讲,广域网服务就是通过广域网服务商提供的接入服务,使得两个相距较远的局域网能够互相通讯。下面是几个名词解释:

  • CO: Central Office中心局,即广域网服务的提供商。
  • CO Switch: 中心局(交换机)设备,即中心局那边提供接入点的交换机设备。
  • CPE: Customer Premises Equipment 用户驻地设备的统称,即为了能够顺利接入广域网,要在用户的局域网这边部署的协助设备。通常可以是CSU/DSU或者Modem等。
  • Local Loop: 本地回路。将用户驻地的 CPE 连接到服务提供商中心局的铜缆或光纤电话电缆。本地环路有时也叫做“最后一公里”。
  • Demarcation: 分界点。大楼或园区中设定的某个点,用于分隔客户设备和服务提供商设备。在物理上,分界点是位于客户驻地的接线盒,用于将 CPE 电缆连接到本地环路。分界点通常位于技工容易操作的位置。分界点是连接责任由用户转向服务提供商的临界位置。这一点非常重要,因为出现问题时,有必要确定究竟是由用户还是服务提供商负责排除故障或修复故障。
  • Toll Network:长途通讯网。

下图更为清楚:WAN

广域网设备和物理层名词

  • CSU/DSU 通道服务单元/数据服务单元。一种硬件设备,将来自局域网LAN的数字数据帧转换为适用于广域网WAN的帧,反之亦然。
  • Modem 调制解调器。有时和CSU/DSU两个词可以混用(严格来讲并不等价)。
  • 数据通信设备 (DCE) — 也称为数据电路终端设备,DCE 由将数据放入本地环路的设备组成。DCE 主要提供一个接口,用于将用户连接到 WAN 网云上的通信链路。
  • 数据终端设备 (DTE) — 传送来自客户网络或主机计算机的数据以便在 WAN 上传输的客户设备。DTE 通过 DCE 连接到本地环路。
  • 围绕着DCE到DTE中间的线路,有很多物理层协议和规范如:EIA/TIA-232 (RS-232)、EIA/TIA-449、V.24、V.35、X.21、G.703、EIA-530。

数据链路层协议

广域网的帧在数据链路层上有着不同于局域网的封装方式,也有不同的协议和规范,如

  • PPP (Point-to-Point Protocol)点对点通讯协议。下面会着重了解这个。
  • HDLC (High-Level Data Link Control)高级数据链路控制协议,是一种抽象规范。
  • Frame Relay帧中继协议
  • ISDN (Integrated Services Digital Networks)综合业务数字网,能够传输音频视频和其他数据。两种常见的ISDN服务是BRI(BasicRate Interface)和PRI(PrimaryRate Interface)。BRI速率144kbps左右,而PRI则要快很多。
  • LAPB(Link Access Procedure, Balanced)平衡型链路接入规程。

PPP协议

PPP是基于HDLC抽象规范制定的一种具体协议,拓展了LCP(Link Control Protocol连接控制协议)和NCP(Network Control Protocol网络控制协议)。PPP协议在建立连接时会对线路的质量进行检查,也可以配合PAP协议和CHAP协议完成身份认证和安全控制。同时支持数字的压缩和校验。PPP由于适用性强,支持多种上层协议而广泛地应用于广域网中。是第二层协议,协议数据单元是帧,使用与广域网的帧。

帧结构

括号中表示占用字节数。如果有固定的内容会写在第二行。

Flag(1) Address(1) Control(1) Protocol(2) Data(Variable) FCS(2/4)
01111110 11111111 00000011

FCS根据约定长度为2或者4个字节。Address固定为广播地址(全1)

会话过程

  1. 配置,沟通,建立连接。会发送LCP报文打开连接。报文中包含多种信息。
  2. 连接质量测试。
  3. 发送NCP帧进行上层协议配置
  4. 数据通信
  5. 断开连接。条件是一方请求终止,或者连接质量太差自动终止,或者是超时终止。

PAP安全认证

如下图,在建立连接的时候进行两次握手:

PAP

客户方和服务方储存着同样的用户名和密码信息。第一步,客户方主动发送请求连接(带有明文的用户名和密码信息)。第二步,服务方认证后接受请求或拒绝。

有诸多问题:只在连接建立时认证一次,中间不再验证;密码明文发送;客户方可以请求多次,有被暴力破解的风险。

配置方法如下:

路由器RTA(作为客户方)
Router(config)#hostname RTA
RTA(config)#int s0
RTA(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0
RTA(config-if)#encapsulation ppp
RTA(config-if)#ppp authentication pap
RTA(config-if)#ppp pap sent-username RTA password ciscoA
RTA(config-if)#clock rate 64000
RTA(config-if)#no shutdown
路由器RTB(作为服务方)
Router(config)#hostname RTB
RTB(config)#username RTA password ciscoA
RTB(config)#int s0
RTB(config-if)#encapsulation ppp
RTB(config-if)#ppp authentication pap
RTB(config-if)#clock rate 64000
RTB(config-if)#no shutdown

CHAP 安全认证

需要3次握手认证,如图:

CHAP

特点是,并不是由客户方发起请求,而是由服务方对连接的客户方主动发起挑战。并且双方使用的是不同的用户名,相同的密码。具体环节如下:

  1. 服务方发起挑战,报文内容是:01(类型)+id+随机数+服务方用户名
  2. 客户方按照收到的随机数和自己的密码根据MD5算法计算hash值,发送应答报文,结构为02(类型)+id+hash+客户方用户名
  3. 服务方根据应答决定是否接受连接。

特点是不仅来建立连接的时候会有挑战,中间过程中服务方也可以发送挑战,实时确认身份。

配置方法:

客户方
Router(config)#hostname RTA
RTA(config)#username RTB password ciscoA 注意这里配置的用户名是对端名称和自己的密码
RTA(config)#int s0
RTA(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0
RTA(config-if)#encapsulation ppp
RTA(config-if)#ppp authentication chap
RTA(config-if)#clock rate 64000
RTA(config-if)#no shutdown
服务方
Router(config)#hostname RTB
RTB(config)#username RTA password ciscoA 注意这里配置的用户名是对端名称和密码
RTB(config)#int s0
RTB(config-if)#ip address 192.168.2.2 255.255.255.0
RTB(config-if)#clock rate 64000
RTB(config-if)#encapsulation ppp
RTB(config-if)#ppp authentication chap
RTB(config-if)#no shutdown

其他接入技术名词

  • xDSL (Digital Subscriber Line)数字用户线。就是用数字技术对先用的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。类型包括ADSL、HDSL、SDSL等等。ADSL是非对称数字用户线,上行和下行带宽不对称,我国采用DMT(一种频分复用技术)来作为信号调制技术,将上行和下行的数据用频率来区分。
  • SONET(Synchronous Optical Network)同步光纤网。由于时钟来自铯原子钟,所以可以做到精确同步。其中美国制定的同步数字系列标准SDH(Synchronous Digital Hierarchy)应用广泛,其同步传送信号STS(Synchronous Transport Signal) 的帧是时分复用帧。
  • HFC(Hybrid Fiber Coax) 是在有线电视网基础上开发的一种居民宽带接入网。用频率来区分不同的信号类型。使用这样的网络需要家庭中安装UIB(User Interface Box)用户接口盒。
  • FTTx(Fiber To The xxx),也是一种实现宽带居民接入网的方案。例如FTTH表示光纤到家。
  • ISDN (Integrated Services Digital Networks) 综合业务数字网,能传输音频视频和其他数据。BRI(BasicRate Interface) 速度在144kbps左右,由2个B信道和1个D信道组成,B信道速度为64kbps而D仅有16kbps。而PRI(PrimaryRate Interface)快很多,通常有23-30个B信道和1个D信道组成。