任务一 广域网概述
知识点
1.本模块与项目一要学什么？
模块七 学习要点：
- 掌握广域网组网的特点；
- 掌握路由器与网关的功能及使用方式；
- 了解 PSTN、X.25、ISDN、DDN；
- 了解虚拟专用网 VPN。
重点难点：路由器的功能及使用特点；网关的概念及实现。
项目导读：广域网（WAN）是互联网的一部分，用于局域网（LAN）之间或单个用户和局域网之间的远距离连接。WAN 能跨越多个分散的地区，通常使用本地和长途传输设备。广域网通常跨接很大的地理范围——从几十公里到几千公里，能够连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。组网时一般需要向运营商购买不同的广域网连接，以使本地网络能够通过广域网访问远程网络、用户等。
| 目标类别 | 内容 |
|---|---|
| 知识目标 | ① 了解广域网的特点及组成；② 理解网状、混合型拓扑结构；③ 熟悉面向连接的虚电路和面向无连接的数据报服务；④ 了解广域网的远程组网方式；⑤ 理解点对点远程连接方法；⑥ 理解分组交换式远程连接方式 |
| 能力目标 | ① 掌握面向连接的虚电路服务和面向无连接的数据报服务；② 了解广域网与局域网的主要区别；③ 掌握点对点远程连接方法；④ 掌握分组交换式远程连接方式；⑤ 了解远程连接时中间设备的种类及作用 |
| 素质目标 | ① 规范学生对于广域网的理解；② 通过对广域网与局域网拓扑结构的对比认识，增强独立思考能力；③ 规范学生对于各种广域网组网方式的理解；④ 通过对远程组网途径的认识，增强对远程网络互连方式的认识 |
一句话勾住本任务：局域网解决"一栋楼里怎么连"，广域网解决"相隔千里怎么连"——所以它必须依赖电信运营商的公共网络和分组交换技术。
2.广域网的定义与两种类型
定义：广域网（Wide Area Network，WAN）指使用本地或公用数据网络，将分布在不同国家、地域至全球范围内的各种局域网、计算机、终端等设备，通过互联设备连接而形成的大型计算机网络。
两种类型：
| 类型 | 含义 | 典型网络 |
|---|---|---|
| 第一种 | 电信部门提供的电话网或数据网络 | 公共交换电话网（PSTN）、分组交换数据网（X.25）、公用数字数据网（DDN） 等，这些网络可以向用户提供世界范围的数据通信服务 |
| 第二种 | 将分布在同一城市、国家、洲，甚至几个洲的局域网，通过电信部门的公用通信网络互联而组成的专有广域网 | 企业/行业自建的跨地域专网 |
分布范围量级：由于广域网分布范围很广，一般为 10km、100km 或 1000km 以上的数量级，所以通常广域网中的主机可以和局域网使用多种连接介质进行连接。
考点提示：题干问"广域网通常由谁建设"→ 电信部门；问"广域网属于谁"→ 第一种是公用（运营商建、大家用），第二种是专有（企业建在公用网之上）。
3.广域网的五大特点
（1）由"节点交换机 + 链路"互联组成，距离没有限制
广域网由一些节点交换机以及**连接这些交换机的链路（通信线路）**互联组成，距离没有限制。
（2）节点交换机是智能型通信设备
这些节点交换机实际上是配置了通信协议软件的专用计算机，是一种智能型通信设备。
（3）采用存储-转发方式，基于分组交换技术
除了传统的公共交换电话网之外，目前大部分广域网都采用存储-转发的方式进行数据交换，也就是说，广域网是基于分组交换技术的。
（4）多链路冗余，提高可靠性
为了提高网络的可靠性，节点交换机同时与其他多个节点交换机相连，目的是在两个节点交换机之间提供多条冗余的链路，这样当某个节点交换机或线路出现问题时，不至于影响整个网络运行。
（5）一般由电信部门提供，故称"公用数据网"
在广域网内，节点交换机和它们之间的链路一般由电信部门提供，网络由多个部门或多个国家联合组建而成，实现整个网络范围内的资源共享。由于广域网一般都是开放的，因而通常也被称为"公用数据网"（Public Data Network，PDN）。
广域网"节点交换机"与局域网交换机的对比（教材特意说明的易混点）：
| 对比项 | 局域网交换机 | 广域网节点交换机 |
|---|---|---|
| 基本工作原理 | 相同（都做转发） | 相同 |
| 本质 | 二层硬件设备 | 配置了通信协议软件的专用计算机 |
| 背板带宽 | 相对低 | 更高（使用环境特殊） |
| 路由选择 | 一般不做（三层交换机除外） | 支持路由选择 |
| 安全机制 | 一般无 | 内置安全机制 |
| 计费功能 | 无 | 提供计费功能 |
考点提示：这个对比表是"广域网设备"与"局域网设备"最容易被混淆的地方——记住广域网节点交换机"四多"：更多背板带宽、更多路由、更多安全、更多计费。
4.广域网的拓扑结构：树型与网状
对广域网而言，除具有局域网的拓扑结构外，还包括树型结构、网状结构等。
（1）树型结构（也称层次结构）
结构特征：树型拓扑结构是分级的集中控制式网络；在树型结构的网络中，任意两个结点之间不产生回路，每条通路都支持双向传输（教材图 7-1：根部一台中心交换机，向下分支出多台交换机，叶子位置挂主机）。
三个特点：
- 易于扩充——树型结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都能容易地加入网内；
- 故障隔离较容易——如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来；
- 叶节点对其上级根节点的依赖性大——如果根节点发生故障，则该根节点以下的网络不能正常工作。
适用场合：树型结构适合于区分主次或划分等级的、进行层次型管理的网络，如中国教育科研网络（CERNET） 就是一种树型拓扑结构的网络。
（2）网状结构（也称分布式结构）
结构特征：在网状拓扑结构中，网络的每个节点之间均有直接或间接的点到点的链路连接（教材图 7-2：六个节点两两之间大量交叉连线，形成全互联的"网"）。
五个优点：
- 网络可靠性高——一般通信子网中任意两个节点之间存在着两条或两条以上的通信路径，当一条路径发生故障时，还可以通过另一条路径把信息送至节点；
- 网络可组建成各种形状，采用多种通信信道、多种传输速率；
- 网内节点共享资源容易；
- 可以根据网络数据的密集程度进行线路的信息流量分配；
- 可选择最佳路径，传输延迟小。
两个缺点：
- 控制逻辑繁复，软件实现复杂；
- 线路费用高，网络不易扩充。
（3）混合型拓扑
在广域网中也广泛使用混合型拓扑。由于广域网所覆盖的地理范围较大，所以联网介质、线路等常常租用通信公司的既有线路——这是"混合"的现实原因：不可能为每个节点新铺一条线。
三种拓扑对比表：
| 对比项 | 树型 | 网状 | 混合型 |
|---|---|---|---|
| 别名 | 层次结构 | 分布式结构 | — |
| 控制方式 | 分级集中控制 | 分散、多路径 | 两者结合 |
| 是否存在回路 | 无回路 | 多回路（冗余） | 视结构而定 |
| 可靠性 | 中（依赖根节点） | 最高 | 较高 |
| 扩充性 | 好（易加分支） | 差（不易扩充） | 较好 |
| 成本 | 较低 | 线路费用高 | 中（租用既有线路） |
| 典型实例 | CERNET | 国家骨干网、金融专网 | 企业跨地域网 |
拓扑结构为什么重要：一般来说，拓扑结构会影响传输介质的选择和控制方法，因而会影响网上结点的运行速度和网络软件、硬件接口的复杂程度。网络的拓扑结构和介质访问控制方法是影响网络性能的最重要因素，因此应根据实际情况选择最合适的拓扑结构，选用相应的网络适配器和传输介质，确保组建的网络具有较高的性能。
5.广域网的两级结构与常用公共网络系统
两级结构：广域网一般可分为主干网和用户接入网两部分。根据广域网的类型和用户接入端线路的不同，可以有多种接入广域网的技术。用户只要遵循通信网络的接口标准，提出申请并支付一定的费用就可接入该公共通信网。
目前常用的公共网络系统：
| 缩写 | 全称 | 特点（本模块后续会展开） |
|---|---|---|
| PSTN | 公共交换电话网（Public Switched Telephone Network） | 最普及、按时间计费、速率低 |
| X.25 | 分组交换数据网 | 早期分组网，逐段差错控制，速率低但可靠 |
| DDN | 数字数据网（Digital Data Network） | 数字专线，速率稳定、时延小 |
| Frame Relay | 帧中继网 | 简化协议的高速分组网 |
| ODN | 光配线网络（Optical Distribution Network） | 光纤接入的基础网络 |
6.广域网提供的两类服务
广域网可以提供面向连接的服务和面向无连接的服务：
| 服务类别 | 具体方式 | 所属网络 |
|---|---|---|
| 面向连接 | 电路交换方式 | 传统公共交换电话网 |
| 面向连接 | 虚电路交换方式 | 分组数据交换网 |
| 面向无连接 | 数据报方式 | 分组数据交换网 |
一句话记：面向连接有"三次约定"（建链—传数据—拆链），面向无连接"随手就发"。
7.面向连接的虚电路服务
（1）三个阶段
虚电路服务在双方进行通信之前，首先要建立连接：
- 建立连接：源站发出一个请求报文分组（该报文分组中要有源站和目标站的全地址），请求与目标站建立连接；当目标站接受这个请求后，将发回一个报文分组作为应答，这样双方就建立起一个数据通路（即连接）；
- 传输数据：双方开始传送信息；
- 释放连接：当双方通信完成之后，还必须拆除这个建立的连接。
所以采用虚电路服务就必须有建立连接、传输数据和释放连接这三个阶段。
（2）虚电路号的作用
虚电路一经建立就要赋予其虚电路号，它反映信息的传输通道。这样在传输报文分组时，就不必再注明源站和目标站的全部地址，从而减少了通信量。
（3）与电路交换的本质区别——"虚"在哪里
虚电路服务在传输数据时采用存储-转发技术，即某个节点先把报文分组接收下来，进行验证，然后再把该报文分组转发出去。
| 对比项 | 电路交换（PSTN） | 虚电路（分组网） |
|---|---|---|
| 三阶段 | 有（建立、传输、释放） | 有（建立、传输、释放） |
| 是否独占物理信道 | 通信期间自始至终占用一条端到端的物理信道，不允许其他用户使用 | 只是断续地占用一段一段的链路（基于存储-转发的分组交换） |
| 用户感觉 | 真独占 | 好像占用了一条端到端的物理通路，实际上并非完全占用 |
| "虚"的含义 | — | 不是真正独占的物理通路，故称"虚"电路 |
| 顺序与流量 | 天然有序 | 由网络保证报文分组按顺序到达，且网络负责端到端的流量控制 |
考点提示：问"虚电路为什么叫虚"→ 答"通信期间并不完全独占端到端物理通路，只是断续占用一段段链路，用户感觉像独占"。问"虚电路和电路交换的共同点"→ 都是三个阶段、都面向连接。
8.面向无连接的数据报服务
（1）工作方式
分组交换数据网中提供面向无连接的数据报服务。这种服务方式的特点是：主机可以随时发送数据，每个报文分组独立地选择路由。
（2）优点：不需预留资源
报文分组经过的节点交换机不需要事先为该报文分组保留资源，而只需在对分组进行传输时进行动态地分配信道资源。
（3）缺点：不能保证顺序，必须重组
由于每个报文分组走不同的路径，所以数据报服务不能保证先发送出去的报文分组一定先到达目标主机，也就是说，这种数据报服务的报文分组不一定能按原来顺序交给目标主机。因此，目标主机就必须对收到的报文分组进行缓冲，并且重新组装成报文再传送给目标主机的应用系统。
（4）缺点：拥塞时丢弃分组，服务不可靠
当网络发生拥塞时，网络中的某个节点交换机可能会将一些分组丢弃，所以数据报的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。
（5）报文分组头的三个字段
数据报服务的每一个报文分组都有一个报文分组头，它包含着一些控制信息，如源地址、目标主机地址和报文分组号等：
| 字段 | 作用 |
|---|---|
| 源地址、目标地址 | 可使每个报文分组独立选择路由所必需的信息 |
| 报文分组号 | 为了使目标主机能对收到的报文分组进行重新排序组装；但这个报文分组号增加了网络传输的数据量 |
考点提示：数据报服务的"三不"——不建连接、不保证顺序、不保证可靠；对应的"一要"——要主机自己缓冲重组。
9.三种交换/服务方式总对比
| 对比项 | 电路交换 | 虚电路 | 数据报 |
|---|---|---|---|
| 连接 | 面向连接（物理通路） | 面向连接（逻辑通路） | 无连接 |
| 是否三阶段 | 是 | 是 | 否 |
| 信道占用 | 完全独占 | 断续占用 | 动态分配 |
| 选路 | 建立时确定，全程不变 | 建立时确定，全程不变 | 每分组独立选路 |
| 顺序 | 保证 | 网络保证 | 不保证，主机重组 |
| 可靠性 | 高 | 较高（有流量控制） | 不可靠（拥塞丢弃） |
| 额外开销 | 无分组头开销 | 只需虚电路号 | 需源/目的地址 + 分组号 |
| 典型网络 | PSTN | X.25、帧中继 | IP 网络 |
10.任务实施（教材要求的检索）
- 启动计算机，在搜索工具中以"广域网"为关键词进行搜索；
- 浏览搜索结果中关于广域网特点的叙述；
- 搜索广域网典型的拓扑结构图，对其实现方式进行讨论。
11.本任务速查表
| 考点 | 结论 |
|---|---|
| WAN 全称 | Wide Area Network |
| 覆盖范围 | 几十公里到几千公里，量级 10km / 100km / 1000km 以上 |
| 广域网组成 | 节点交换机 + 连接链路 |
| 节点交换机的本质 | 配置了通信协议软件的专用计算机 |
| 数据交换方式 | 存储-转发，即基于分组交换技术 |
| 广域网别名 | 公用数据网（PDN） |
| 谁提供线路 | 电信部门 |
| 拓扑补充类型 | 树型（层次）、网状（分布式）、混合型 |
| 树型三特点 | 易扩充、故障隔离易、依赖根节点 |
| 树型实例 | CERNET |
| 网状优点数 | 5 个（可靠性高、形状多样、共享易、按流量分配、选路最佳） |
| 网状缺点 | 控制复杂、线路贵且不易扩充 |
| 两级结构 | 主干网 + 用户接入网 |
| 五个公共网络 | PSTN、X.25、DDN、帧中继、ODN |
| 两类服务 | 面向连接（电路交换/虚电路）、面向无连接（数据报） |
| 虚电路三阶段 | 建立连接、传输数据、释放连接 |
| "虚"的含义 | 不独占端到端物理通路，只断续占用链路 |
| 虚电路号的用处 | 省去每包写全地址，减少通信量 |
| 数据报特点 | 随时发、独立选路、可能乱序、拥塞丢包、不可靠 |
| 数据报分组头 | 源地址、目标地址、报文分组号 |