系统架构设计笔记（16）——局域网与广域网网络读万卷书，行万里路-

局域网（ LocalAreaNetwork ， LAN ）是将分散在有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和资源共享；

广域网（ WideAreaNetwork ， WAN ）是在传输距离较长的前提下所发展的相关技术的集合，用于将大区域范围内的各种计算机设备和通信设备互联在一起，组成一个资源共享的通信网络。

1 局域网基础知识

当今的计算机网络技术中，局域网已经占据了相当显着的地位。局域网通常具备以下特点：
（1）地理分布范围较小，一般为数百米至数千米的区域范围之内。
（2）数据传输速率高，早期的局域网数据传输速率一般为 10Mbps ～ 100Mbps ，目前， 1000Mbps 的局域网已经非常普遍，可适用于语音 、 图像 、 视频等各种业务数据信息的高速交换。
（3）数据误码率低，这是因为局域网通常采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，从而提高数据传输质量。
（4）一般以 PC 为主体，还包括终端和各种外设，网络中一般不架设主骨干网系统。
（5）协议相对简单 、 结构灵活，建网成本低 、 周期短，便于管理和扩充。构成局域网的网络拓扑结构主要有星形结构 、 总线结构 、 环形结构和网状结构。

（1）星形结构

如图1所示，星形结构方式的网络在直观上就很容易理解，就像是一张蜘蛛网，中间是一个枢纽（网络交换设备），所有的节点都连接到这个枢纽上，最终组成一个星形的拓扑结构的网络。目前一般办公室的局域网便是该结构。

（2）总线结构

如图 2 所示，采用总线结构方式的网络，是由一条共享的通信线路将所有节点连接在一起，这条共享的通信线路可以是一根同轴电缆或其他介质。

（3）环形结构

如图 3 所示，环形结构方式的网络，与总线结构类似，也是由一条共享的通信线路将所有节点连接在一起。不同的是，环形结构中的共享线路是闭合的，即它将所有的节点排列成一个环，每个节点只与其两个邻居直接相连。若一个节点想要给另一个节点发送信息，消息报文必须经过它们之间的所有节点。

（4）网状结构

如图 4 所示，网状结构方式的网络就是任何节点彼此之间都会由一根物理通信线路相连，任何节点出现故障都不会影响到其他节点。采用这种拓扑结构方式的网络的布线比较麻烦，而且网络建设的成本也很高，控制方法也很复杂。在实际应用中，一般很少见到这种网络。

2 无线局域网

无线局域网（ Wireless Local Area Networks ， WLAN ）主要运用射频（ Radio Frequency ， RF ）技术取代原来局域网系统中必不可少的传输介质（例如，同轴电缆 、 双绞线等）来完成数据的传送任务，有了 WLAN ，用户不必因使用有线传输介质而破坏原有的工作环境，可根据需要调整网络节点的位置。同时，便携式计算机更容易接入局域网，这扩大了计算机网络的应用能力和领域。

2.1 拓扑结构

无线局域网可分为两大类，分别是有接入点模式（基础设施网络）和无接入点模式 Adhoc 网络。

（1）基础设施网络

整个网络都使用无线通信的方式，但系统中存在接入点（ Access Point ， AP ），通过接入点将一组节点逻辑上联系在一起，形成一个局域网。 AP 的作用与网桥类似，负责在 802.11 和 802.3 的 MAC 协议之间进行转换。一个 AP 复盖的部分称为一个基本业务域，而 AP 控制的所有节点组成一个基本业务集，由两个以上的基本业务域可以组成一个分布式系统。

（2）Ad hoc 网络

整个网络都使用无线通信的方式，直接通过无线网卡实现点对点连接。与基础设施网络相比， Adhoc 网络中并没有 AP 这样的设备，可扩展性和灵活性更好，但路由和协调控制等技术都难以解决。

在大多数情况下，无线通信通常是作为有线通信的一种补充和扩展。在这种部署配置下，多个 AP 通过线缆连接在有线网络上，以使无线用户能够访问网络的各部分。

Ad Hoc源自于拉丁语，意思是“for this”引申为“for this purpose only”，即“为某种目的设置的，特别的”意思。

2.2 IEEE 802.11 标准

IEEE 802 委员会为无线局域网开发了一组标准，即 IEEE 802 .11标准。其中定义了媒体访问控制层（ MAC 层）和物理层。物理层定义了工作在 2.4GHz 的 ISM （ Industrial Scientific Medical ，工业 、 科学和医学）频段上的扩频通信方式，总数据传输速率设计为 2Mbps。 而在 MAC 层采取了载波侦听多路访问 / 冲突避免协议（ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ，CSMA / CA），即采用主动避免碰撞而非被动侦测的方式来解决冲突问题。

由于 IEEE 802 .11的业务主要限于数据存取，在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此， IEEE 在制定更高速度的标准时，就产生了 802.11a 和 802.11b 两个分支，后来又陆续推出了802.11g 、 802.11n 、 802.11ac的标准，主要是以物理层的不同作为区分，它们的区别直接表现在工作频段和数据传输率 、 最大传输距离等指标上。而工作在 MAC 层的标准又分为 IEEE 802 .11h 、 IEEE 802 .11e和 IEEE 802 .11i等 。802.11h 是 802.11a 的扩展，目的是兼容其他 5GHz 频段的标准（例如，欧盟使用的 HyperLAN2 等）； 802.11e 是 IEEE 为满足 QoS 方面的要求而制定的标准； IEEE 802 .11i 规定使用 802.1x 认证和密钥管理方式。

2.3 3G 通信技术

3G 是第三代移动通信及其技术的简称，其主流标准包括： WCDMA 、 CDMA 2000 和 TD-SCDMA 。

WCDMA （ Wideband CDMA ，宽频 CDMA ）的支持者主要是以 GSM （ Global System for Mobile Communications ，全球移动通信系统）为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中。这套系统能够架设在 GSM 网络上，对于系统提供商而言，可以较轻易地过渡。因此， WCDMA 具有先天的市场优势。目前，中国联通获得基于 WCDMA 技术制式的 3G 业务经营许可 。

CDMA 2000 也称为 CDMA Multi-Carrier ，以美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉 、 Lucent 和韩国三星公司都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频 CDMA One 数字标准衍生出来的，可以从原有的 CDMA One 结构直接升级到 3G ，建设成本低廉。但目前使用 CDMA 的地区只有日本 、 韩国和北美，所以 CDMA 2000的支持者不如 WCDMA 多。目前，中国电信获得基于 CDMA 2000技术制式的 3G 业务经营许可。

TD-SCDMA 标准是由中国大唐电信制定的 3G 标准，该标准将智能天线 、 同步 CDMA 和软件无线电等技术融于其中，在频谱利用率 、 对业务支持具有灵活性 、 频率灵活性及成本等方面具有独特优势。另外，由于中国庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持 TD-SCDMA 标准。目前，中国移动通信集团公司获得基于 TD-SCDMA 技术制式的 3G 业务经营许可。

2.4 4G 通信技术

4G 是第四代移动通信及其技术的简称，是集 3G 与 WLAN 于一体并能够传输高质量视频图像且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。 4G 系统能够以 100Mbps 的速度下载，比拨号上网快 2000 倍，上传的速度也能达到 20Mbps ，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外， 4G 可以在 DSL 和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显， 4G 有着不可比拟的优越性。

DSL（Digital Subscriber Line）的中文名是数字用户线路，是以电话线为传输介质的传输技术组合。

4G 标准主要有两大方向，即 LTE （ Long Term Evolution ）与 WiMAX ），而 LTE 又可进一步分为TD- LTE 与FDD- LTE 。

（1）TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）

TD – LTE 即分时长期演进，是由阿尔卡特 – 朗讯 、 诺基亚西门子通信 、 大唐电信 、 华为技术 、 中兴通信 、 中国移动等业者所共同开发的第四代（ 4G ）移动通信技术与标准 。 TDD 即时分双工（ Time Division Duplexing ），是移动通信技术使用的双工技术之一，与 FDD 频分双工相对应。 TD – LTE 与TD-SCDMA 实际上没有关系， TD- LTE 是 TDD 版本的 LTE 的技术， FDD – LTE 的技术是 FDD 版本的 LTE 技术。TD – SCDMA 是 CDMA （码分多址）技术， TD- LTE 是 OFDM （正交频分复用）技术。两者从编解码 、 帧格式 、 空口 、 信令，到网络架构，都不一样。

（2）FDD-LTE（Frequency Division Duplexing Long Term Evolution）

FDD-LTE 即频分双工长期演进，目前该标准的产业发展领先于TD-LTE。 FDD-LTE 已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的终端种类最丰富的一种 4G 标准。其演进路线与速率为：GSM(9K)–>GPRS(42K)–>EDGE(172K)–>WCDMA(364K)–>HSDPA/HSUPA(14.4M)–>HSDPA+/HSUPA+(42M)–> FDD-LTE (300M)。

（3）WiMAX

WiMAX ： Worldwide Interoperability for Microwave Access ，即全球微波互联接入， WiMAX 的另一个名字是IEEE 802.16 。 WiMAX 技术既被纳入到了 3G 技术，也被纳入到了 4G 技术 。

802.16 工作的频段采用的是无需授权频段，范围在 2GHz 至 66GHz 之间，而 802.16a 则是一种采用 2G 至 11GHz 无需授权频段的宽带无线接入系统，其频道带宽可根据需求在 1.5M 至 20MHz 范围进行调整，具有更好高速移动下无缝切换的 IEEE 802.16m 的技术正在研发。因此， 802.16 所使用的频谱可能比其他任何无线技术更丰富， WiMAX 具有以下优点：

1. 对于已知的干扰，窄的信道带宽有利于避开干扰，而且有利于节省频谱资源 。
2. 灵活的带宽调整能力，有利于运营商或用户协调频谱资源。
3. WiMAX 所能实现的 50 公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络复盖面积是 3G 发射塔的 10 倍，只要少数基站建设就能实现全城复盖，能够使无线网络的复盖面积大大提升。不过 WiMAX 网络在网络复盖面积和网络的带宽上优势巨大，但是其移动性却有着先天的缺陷，无法满足高速(≧ 50 km/h)下的网络的无缝链接。

2.5 5G 通信技术

第五代移动通信技术（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是即4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。

5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。

5G网络是数字蜂窝网络，在这种网络中，供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化，由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器（发射机和接收机）进行通信。收发器从公共频率池分配频道，这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样，当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时，他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线。

5G网络特点：

1. 峰值速率需要达到Gbit/s的标准，以满足高清视频，虚拟现实等大数据量传输。
2. 空中接口时延水平需要在1ms左右，满足自动驾驶，远程医疗等实时应用。
3. 超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。
4. 频谱效率要比LTE提升10倍以上。
5. 连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s。
6. 流量密度和连接数密度大幅度提高。
7. 系统协同化，智能化水平提升，表现为多用户，多点，多天线，多摄取的协同组网，以及网络间灵活地自动调整。

（1）无线传输技术

1. 大规模MIMO技术：基站使用几十上百根天线，波束窄，指向性传输，高增益，抗干扰，提高频谱效率；
2. 非正交多址技术：NOMA、MUSA、PDMA、SCMA等非正交多址技术，进一步提升系统容量。支持上行非调度传输，减少空口时延，适应低时延要求；
3. 全双工通信技术：是一项通过多重干扰消除实现信息同时同频双向传输的物理层技术，有望成倍提升无线网络容量；
   4、 新型调制技术：滤波器组正交频分复用，支持灵活的参数配置，根据需要配置不同的载波间隔，适应不同传输场景；
4. 新型编码技术：LDPC编码和polar码，纠错性能高；
5. 高阶调制技术：1024QAM调制，提升频谱效率。

（2）网络技术

1. 网络切片技术：基于NFV和SDN技术，网络资源虚拟化，对不同用户不同业务打包提供资源，优化端到端服务体验，具备更好的安全隔离特性。
2. 边缘计算技术：在网络边缘提供电信级的运算和存储资源，业务处理本地化，降低回传链路符合，减小业务传输时延。
3. 面向服务的网络体系架构：5G的核心网采用面向服务的架构构建，资源粒度更小，更适合虚拟化。同时，基于服务的接口定义，更加开放，易于融合更多的业务。

3 网络接入技术

目前，接入 Internet 的主要方式有 PSTN、ISDN、ADSL、FTTx+LAN 和 HFC 接入等五种。

（1）PSTN 接入

PSTN （ Public Switching Telephone Network ，公用交换电话网络）是指利用电话线拨号接入 Internet ，通常计算机需要安装一个 Modem （调制解调器），将电话线插入到 Modem 上，在计算机上利用拨号程序输入接入号码进行接入。 PSTN 的速度较低，一般低于 64Kbps。

（2）ISDN 接入

ISDN （ Integrated Services Digital Network ，综合业务数字网）俗称 “ 一线通 ” ，是在电话网络的基础上构造的纯数字方式的综合业务数字网，能为用户提供包括语音 、 数据 、 图像和传真等在内的各类综合业务。 ISDN 的基本速率接口为 2B+D 信道，共 144Kbps 带宽，一般使用 RJ45 接口。

2B指代两个传输通道，D指代一个数据通道。它可实现两个终端同时通信，例如在上网的同时可以拨打电话或收发传真，就像两条电话线一样。 2B+D 是为了解决语音与与同步传输的产品，但是由于本身所存在的缺陷(基本速率144kbps)，所以后来逐渐被ADSL取代。

（3）ADSL 接入

ADSL （ Asymmetrical Digital Subscriber Loop ，非对称数字用户线路）的服务端设备和用户端设备之间通过普通的电话线连接，无须对入户线缆进行改造，就可以为现有的大量电话用户提供 ADSL 宽带接入。随着标准和技术的成熟及成本的不断降低， ADSL 日益受到电信运营商和用户的欢迎，成为接入 Internet 的主要方式之一。

ADSL 的特点是上行速度和下行速度不一样，并且往往是下行速度大于上行速度。目前，比较成熟的 ADSL 标准主要有两种，分别是 G.DMT 和 G.Lite 。 G.DMT 是全速率的 ADSL 标准，提供 8Mbps 的下行速率和 1.5Mbps 的上行速率，但要求用户安装分离器，而 G.Lite 是一种速率较慢的 ADSL ，它不需要在用户端进行线路的分离。 G.Lite 标准的最大下行速率为 1.5Mbps ，最大上行速率为 512Kbps。

（4）FTTx+LAN 接入

光纤通信是指利用光导纤维（简称为光纤）传输光波信号的一种通信方法，相对于以电为媒介的通信方式而言，光纤通信的主要优点有传输频带宽，通信容量大；传输损耗小；抗电磁干扰能力强；线径细 、 重量轻；资源丰富等。

1. FTTx 技术。随着光纤通信技术的平民化，以及高速以太网的发展，现在许多宽带智能小区就是采用以千兆以太网技术为主干，充分利用光纤通信技术完成接入的。实现高速以太网的宽带技术常用的方式是 FTTx + LAN（光纤 + 局域网），根据光纤深入用户的程度，可以分为五种，分别是 FTTC （ Fiber To The Curb ，光纤到路边） 、 FTTZ（ Fiber To The Zone ，光纤到小区） 、 FTTB（ Fiber To The Building ，光纤到楼） 、 FTTF（ Fiber To The Floor ，光纤到楼层）和 FTTH （ Fiber To The Home ，光纤到户）。
2. 无源光纤网络（ Passive Optical Network ， PON ）技术。 PON 是实现 FFTB 的关键技术，在光分支点不需要节点设备，只需安装一个简单的光分支器即可，因此，具有节省光缆资源 、 带宽资源共享 、 节省机房投资 、 设备安全性高 、 建网速度快和综合建网成本低等优点。目前， PON 主要有APON （ ATM PON ）和EPON （Ethernet PON ）两种。APON 选择 ATM 和 PON 作为网络协议和平台，其上下行方向的信息传输都采用 ATM 传输方案，下行速率为 622Mbps 或 155Mbps ，上行速率为 155Mbps 。光节点到前端的距离可长达 10 ～ 20km ，或者更长。采用无源双星形拓扑结构，使用时分复用和时分多址技术，可以实现信元中继 、 局域网互联 、 电路仿真 、 普通电话业务等；EPON 是以太网技术发展的新趋势，其下行速率为 100Mbps或者 1000Mbps，上行为 100Mbps。在EPON 中，传送的是可变长度的数据包，最长可为 65535 个字节，简化了网络结构 、 提高了网络速度。

（5）同轴+光纤接入

同轴光纤技术（ Hybrid Fiber-Coaxial ， HFC ）是将光缆敷设到小区，然后通过光电转换节点，利用有线电视（ Community Antenna Television ， CATV ）的总线式同轴电缆连接到用户，提供综合电信业务的技术。这种方式可以充分利用 CATV 原有的网络，由于具有建网快 、 造价低等特点，使其逐渐成为最佳的接入方式之一。 HFC 是由光纤干线网和同轴分配网通过光节点结合而成，一般光纤干线网采用星形结构，同轴电缆分配网采用树形结构。

HFC 的用户端需要使用一个称为 CableModem （电缆调制解调器）的设备，它不单纯是一个调制解调器，还集成了调谐器 、 加 / 解密设备 、 桥接器 、 网络接口卡 、 虚拟专网代理和以太网集线器的功能于一身，它无须拨号，可提供随时在线的永远连接。 HFC 采用频分复用技术和 64QAM 调制，其上行速率已达 10Mbps 以上，下行速率更高。