网络边缘

  • 把与因特网相连的计算机和其他设备(通常位于因特网的边缘)的称为端系统。

  • 端系统即主机，容纳 (运行) 应用程序。

  • 主机进一步分为

  1. 客户 (client)
    • 桌面 PC，移动 PC 和智能手机，平板等。
  2. 服务器 (server)
    • 存储发布 Web 页面，流视频，中继电子邮件等。
    • 大型服务器称为大型数据中心 (data center)。

1.2.1 Access Networks

接入网

  • 接入网指的是将端系统通过物理的方式连接到边缘路由器 (edge router) 的网络。

  • 边缘路由器是端系统到任何远程原系统的路径上的第一台路由器。

1. 家庭接入: DSL, 电缆, FTTH, 拨号和卫星

宽带住宅接入有两种流行的方式

  1. 数字用户线 (Digital Subscribe Line, DSL)
  2. 电缆

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  • 住户从提供本地电话接入的公司获得 DSL **因特网的接入**。

  • 当住户使用 DSL 的时候，本地电话公司也是其 ISP。

  • DSL 接入方式

    • 每个用户的 DSL **调制解调器使用现有的电话线 (双绞铜线) 与位于电话公司的本地中心局 (CO) 中的数字用户**接入复用器 (DSLAM) 交换数据。

    • 家庭 DSL **调制解调器得到数字数据后将其转换为高频音，以通过电话线传输给本地中心局**。

    • 来自许多家庭的模拟信号在 DSLAM 处被转换为数字形式。

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  • 家庭电话线同时传输网络数据和电话信号，用不同的频率进行编码后可以方便区分它们

    • 高速下行信道，位于 50 kHz ~ 1 Mhz 频段。
    • 中速上行信道，位于 4 Khz ~ 50 kHz 频段。
    • 普通的双向电话信道，位于 0 ~ 4 kHz 频段。

  • 这样使得单根 DSL 线路看起来就像是 3 根单独的线路一样

    • 因此电话呼叫和因特网能够同时享受 DSL **链路**。
  1. 用户一侧
    • 一个分配器把到达家庭的数据信号和电话信号**分隔开，并将数据信号发给 DSL **调制解调器。
  2. 电话公司一侧
    • 本地中心局中，DSLAM 把数据和电话信号**分隔开，并将数据送往因特网**。
  3. 这样使得成百上千的家庭与同一个 DSLAM 相连。

  • DSL** 标准定义了多个传输速率**

    1. 1**2 Mbps**下行和 1.8 Mbps** **上行传输速率
    2. 55 Mbps **下行和 15 Mbps 上行传输速率**

    • 这种接入被称为是不对称的

    • 实际取得的下行和上行的传输速率也许小于**上述速率**

      • 因为当 DSL 提供商提供分级的服务 (价格决定速率) 时， 也许有意的限制了住宅的速率
      • 因为家庭与本地中心局的距离
      • 物理连接双绞线的规格
      • 电气干扰的程度都会影响最大速率的值。

    • 所以工程师特别为家庭与本地中心局之间的距离接入设计了 DSL。

    • 如果住宅不是位于本地中心局 5 ~ 10 英里范围内，该住宅必须采用其他形式的因特网接入。

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  • DSL 是利用**电话公司现有的本地电话基础设施，而电缆因特网接入 (cable Internet access) ，利用了有线电视公司现有的有线**电视基础设施。


  • 住户从提供**有线**电视的公司获得了电缆因特网的接入
  • 光缆将电缆头端连接到地区枢纽，从这里使用传统的同轴电缆到达住户
    • 每个地区枢纽通常支持 500 ~ 5000 个家庭。
  • 这个系统应用了光纤和同轴电缆，所以被称之为混合光纤同轴 (Hybrid Fiber Coax,HFC)** **系统。

  • 电缆因特网接入需要电缆调制解调器 (cable modem)

    • 如同 DSL** 调制解调器，电缆调制解调器通常是一个外部设备，通过一个以太网端口连接到家庭 PC** 。

    • 在电缆头端，电缆调制解调器端接系统 (Cable Modem Termination System, CMTS) 与 DSL** 网络的 DSLAM** 具有类似的功能

      • 即将来自许多下行家庭中的电缆调制解调器**发送的模拟信号转回数字形式**。

    • 电缆调制解调器将 HFC **网络**划分为下行和上行两个信道。

    • 电缆因特网接入和 DSL 一样通常是不对称的，下行通信到分配的传输速率**通常比上行信道高**。

  • DOCSIS 2.0** 标准定义了高达 42.8 Mbps下行速率和高达 30.7 Mbps**上行速率。

  • 电缆因特网的接入的一个重要特征是共享广播媒体。

    • 由头端发送的每个分组向下行经每段链路到每个家庭。
    • 每个家庭发送的每个分组经上行通信道向头端传输。
    • 如果几个用户同时经下行通信道下载一个视频文件，每个用户接收视频文件的实际速率将大大低于电缆总计的下行速率。
    • 如果仅有很少的活跃用户在进行 Web 冲浪，则每个用户都可以以全部下行速率接收 Web 网页，因为用户们很少在完全相同的时刻请求网页。
    • 因为上行信道也是共享的，需要一个分布式多路访问协议来协调传输和避免碰撞。

  • DSL 和 电缆网络 是现在大部分用户使用的接入网络的方式，但是一种更高速的接入方式是光纤到户 (Fiber To The Home, FTTH)** 。**

    • FTTH 即从本地中心局直接到家庭提供了一条光纤路径**。**

从本地中心局到家庭光纤分布方案

直接光纤

  • 从本地中心局到每户设置一根光纤。
    • 从中心局出来的每根光纤实际由许多家庭共享，直到相对接近这些家庭的位置，改光纤才分成每一户光纤。
    • 进行这种分配有两种光纤分布体系结构
      • 主动光纤网络 (Active Optical Network, AON)
        • AON 本质上就是交换因特网。
      • 被动光纤网络 (Passive Optical Network, PON)
        • PON 用于 Version (老美的网络服务提供商与 AT&T类似) 的 FIOS 服务中。

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使用了 PON 分布体系结构的 FTTH

  • 每个家庭具有一个光纤网络端接器 (Optical Network Terminal, ONT)

  • ONT 由专门的光纤连接到临近的分配器 (splitter) 。

    • 该分配器把一些家庭集结到一根共享的光纤

  • 该光纤再连接到本地电话和公司的中心局**光纤线路端接器 (Optical Line Terminator, OLT) **

  • 该 OLT 提供了光信号和电信号之间的转换，经过本地电话公司路由器**与**因特网相连。

  • 在家庭中，用户将一台家庭路由器 (无线路由器) 与 ONT 相连，并经过这台家庭路由器接入因特网。

  • 在 PON **体系结构中，所有从 OLT 发送到分配器的分组在分配器 (类似于一个电缆头端) 处复制**。


  • FTTH 有潜力提供每秒千兆比特范围的因特网接入速率。

与光纤到户不同的两种家庭因特网接入技术

  1. 在无法提供 DSL ，电缆和 FTTH 的地方(某些乡村环境)，能够通过卫星链路将住宅以超过 1 Mbps 的速率和因特网相连。

  2. 使用传统电话线的拨号接入与 DSL 基于相同的模式: 家庭的调制解调器经过电话线连接到 ISP 的调制解调器。

    • 拨号接入 56 kbps

2. 企业 (和家庭) 接入: WiFi

  • 公司，学校以及大部分家庭都使用 局域网 (LAN) 将端系统连接到边缘路由器。
  • 以太网是目前最流行的接入技术。

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  • 以太网用户使用双绞铜线与一台以太网交换机相连。
  • 以太网交换机或这样相连的交换机网络与更大的因特网相连。
  • 使用以太网，用户通常以 100 Mbps 或 1 Gbps 速率接入以太网交换机；而服务器可能具有 1 Gps 甚至 10 Gbps 的接入速率。
  • 在无线 LAN 环境中，无线用户在一个接入点收发分组，该接入点与企业网连接 (很有可能使用了有线以太网)，企业网再与有线因特网相连。
  • 一个无线 LAN** 用户需要呆在接入点的几十米**范围内，否则信号可能会无。
  • 基于 IEEE 802.11 的无线 LAN (俗称 WiFi)

典型家庭网络组成

  • 一台可以漫游的便携笔记本
  • 一台有线 PC
  • 一个与无线 PC 和家中其他无线设备通信的基站 (无线接入点)
  • 一个提供与因特网宽带接入的电缆调制解调器
  • 一台互联了基站及带有电缆调制解调器的固定 PC 的路由器
  • 该网络允许家庭成员经宽带接入因特网，其中任何一个家庭成员都可以在一定范围内漫游上网。

3. 广域无线接入: 3G，4G，5G 和 LTE

  • 手机等设备通过提供蜂窝网商运营的基站来发送和接收分组。
  • 与 WiFi 不同的是，一个用户仅需要位于基站的数万米范围，而不是几十米。
  • LTE (Long - Term Evolution), 长期演进来源于 3G 技术。

1.2.2 Physical Media

物理媒体

  • bit，比特是电脑传输信号或数据的最小信号量。他只有0或1，表示弱电流与强电流
    • 通过这些 bit 去构成我们想要传输的数据 (8 bit = 1 byte，**这也是小bit与大Byte的区别**)
    • 1 byte 是电脑**最小数据存储**的大小
  • bit 从源到目的地传输时，通过一系列的“发射器 - 接收器”（有发射器必定有接收器，他们是成对出现的）。
  • 对于每一对“发射器 - 接收器”组合，通过一种物理媒体 (physical medium) 传播电磁波或光脉冲来发送该bit。
  • 物理媒体可有不同的状态与形式，沿途的每对“发射器 - 接收器”不需要具有相同的类型（不确定是否准确？）

    物理媒体

  1. 引导型媒体 (guided media)
    • 电波沿着固体媒体前行，如光缆，双绞铜线或同轴电缆。
  2. 非引导型媒体 (unguided media)
    • 电波在空气或外层空间中传播，例如在无线局域网或数字卫星频道中。
  • 物理链路 (铜线，光缆等) 的实际成本与其他网络成本相比是非常小的。
  • 安装物理链路的劳动成本能够比材料的成本**高出几个数量级**。
    • 许多建筑商为居民的每个房间安装了双绞线，光缆和同轴电缆
    • 未来不必再铺设另外的缆线，节省了经费。

1. 双绞铜线

  • 最便宜且常用的导引型传输媒体
  • 一直用于电话网
    • 从电话机到本地电话交换机的连线几乎都是双绞铜线
  • 双绞铜线由两根绝缘的铜线组成，每根大约 1mm 粗，以规则的螺旋状 (缠绕在一起) 排列着形成一根电缆，并在外围用一些保护层包裹住。两根线绞合起来，以减少邻近类似**的双绞铜线的电器干扰**。
  • 一对电线构成了一个通信链路。（一对电线？）
  • 无屏蔽双绞线 (Unshielded Twisted Pair, UTP) 常用在建筑物内的计算机网络中，用于局域网 (LAN) 中。
    • 局域网中的双绞线的数据速率从 10 Mbps 到 10 Gbps。
  • 所能达到的数据传输速率取决于线的粗细以及传输方和接收方之间的距离。
  • 双绞线最终作为高速 LAN 联网的主导型解决方案。
    • 即使出现光纤技术，双绞铜线也仍然是主流。
      • 例如 6a 类电缆能够达到 10 Gbps 的数据传输速率，可长达 100m。
  • 双绞线用于住宅因特网的接入。
    • 拨号调制解调器通过双绞线能够以高达 56 Kbps 的速率接入。
    • 数字用户线（DSL）技术通过双绞线使住宅用户以超过数十 Mbps 速率接入因特网 (用户靠近 ISP 的中心局居住时)

2. 同轴电缆

  • 由两个铜导体组成
    • 两个**导体为同心而不是并行**
  • 这种结构以及特殊的绝缘体和保护层，能够拥有比较高的数据传输速率
  • 在电缆电视系统中普遍使用
    • 电缆电视系统与电缆调制解调器**组合起来，为住宅用户提供数十 Mbps速率的因特网接入**。
  • 电缆电视和电缆因特网接入中，发送设备将数字信号**调制到某个特定的频段，产生的模拟信号**发送设备传送到一个或多个接收方。
  • 同轴电缆能够被用作导引型共享媒体 (shared medium)
    • 许多端系统能够直接与电缆相连
    • 每个端系统都能接收由其他端系统发送的数据

3. 光纤

  • 一种细又柔软的，能够导引光脉冲的媒体，每个脉冲表示 1 个 bit 。
  • 一根光纤能够支持**极高的比特率，高达数十甚至数百的 Gbps** 。
  • 光纤成为长途引导传输媒体，特别是跨海链路。
    • 不受电磁干扰，长达 100km 的光缆信号衰减极低，也很难被窃听。
    • 美国和很多地方，长途电话网络全面使用光纤。
  • 光纤也广泛应用于因特网的主干。
  • 高成本的光设备（发射器，接收器和交换机），光纤很难在短途传输中被普及。
    • LAN 或家庭接入网中就不适用
  • 光载波 (Optical Carrier, OC) **标准链路速率从 51.8 Mbps 到 39.8 Gbps**
    • 这些标准被称为 OC-n，其中的链路速率等于 n * 51.8 Mbps

4. 陆地无线电信道

  • 无线电信道承载电磁频谱中的信号。
  • 无需物理线路，具有穿透墙壁，提供与**移动用户的连接以及长距离承载信号**的能力。
  • 依赖于传播环境与信号传输的距离。
    • 环境取决于路径损耗和遮挡衰落（当信号跨距离传播与绕过阻碍物时信号强度的降低）
    • 多径衰落（由于干扰对象的信号反射）
    • 来自其他源（传输或电磁信号）的干扰
  1. 运行在短距离（1m or 2m）
    • 个人设备（无线耳机键盘），医疗设备
    • 无线设备
  2. 运行在局域，通常跨越数十数百米
    • 无线 LAN，居于无线电信道
  3. 运行在广域，跨越数万米
    • 蜂窝接入技术使用了广域无线电信道

5. 卫星无线电信道

  • 一颗卫星连接地球上的两个或多个**微波发射器/接收器（地面站**）
    • 该卫星在一个频道上接收传输
    • 使用一个转发器**再生信号**
    • 在另一个**频率上发射信号**

**

通信中常用两种卫星

  1. 同步卫星 (geostationary satellite)

    • 同步卫星**永久地停留在地球上方的相同点**上。
    • 这种静止性是通过将卫星置于地球表面上方 36000km的轨道上取得的。
    • 从地面站到卫星再回来一个轮回共 280ms 信号传播时延。
    • 以数百 Mbps 速率运行的卫星链路通常使得一些无法使用 DSL 或 电缆因特网接入的区域。

  2. 近地轨道 (Low-Earth Orbiting, LEO) 卫星

    • 靠近地球，并不是永久地停留在地球上方的一个点
    • 围绕地球旋转（类似月亮），彼此之间**可通信；也可以与**地面站通信
    • 为了连续覆盖某一块区域，需要在轨道上放置许多卫星。
    • 很多低轨道（低延迟）卫星在研制
    • LEO 卫星技术也许能够用于因特网的接入