在上一节中，我们对 Internet 和网络协议进行了高级概述。 我们现在将更深入地研究 Internet 的组成部分。 在本节中，我们从网络边缘开始，看看我们最熟悉的组件——即我们每天使用的计算机、智能手机和其他设备。 在下一节中，我们将从网络边缘转移到网络核心，并检查计算机网络中的交换和路由。<br />回忆上一节，在计算机网络术语中，连接到 Internet 的计算机和其他设备通常被称为终端系统。 它们被称为终端系统，因为它们位于 Internet 的边缘，如图 1.3 所示。 Internet 的终端系统包括台式计算机（例如台式 PC、Mac 和 Linux 机器）、服务器（例如 Web 和电子邮件服务器）和移动设备（例如笔记本电脑、智能手机和平板电脑）。 此外，越来越多的非传统“事物”作为终端系统连接到 Internet（请参阅 Case History feature）。<br /><br />**Figure 1.3 ♦ End-system interaction**
CASE HISTORY 数据中心和云计算 DATA CENTERS AND CLOUD COMPUTING 谷歌、微软、亚马逊、阿里巴巴等互联网公司都建设了海量数据中心，每个数据中心都拥有数万到数十万台主机。 这些数据中心不仅连接到 Internet，如图 1.1 所示，而且内部还包括互连数据中心主机的复杂计算机网络。数据中心是我们日常使用的 Internet 应用程序背后的引擎。 从广义上讲，数据中心有三个目的，为了具体起见，我们在这里以Amazon为例详细描述了这三个用途。 首先，他们为用户提供亚马逊电子商务页面，例如描述产品和购买信息的页面。 其次，它们充当亚马逊特定数据处理任务的大规模并行计算基础设施。 第三，他们向其他公司提供云计算（cloud computing）。 事实上，今天计算的一个主要趋势是公司使用亚马逊等云提供商来处理他们几乎所有的 IT 需求。 例如，Airbnb 和许多其他基于互联网的公司并不拥有和管理自己的数据中心，而是在亚马逊云中运行其整个基于 Web 的服务，称为亚马逊网络服务 (AWS)。 数据中心的工蜂（worker bees）是主机。 它们提供内容（例如网页和视频）、存储电子邮件和文档，并共同执行大规模分布式计算。 数据中心中的主机，称为片（blades），类似于披萨盒，通常是商品主机，包括 CPU、内存和磁盘存储。 主机堆叠在机架（racks）中，每个机架通常有 20 到 40 个片。 然后使用复杂且不断发展的数据中心网络设计将机架互连。 第 6 章更详细地讨论了数据中心网络。
终端系统也称为主机，因为它们承载（即运行）应用程序，例如 Web 浏览器程序、Web 服务器程序、电子邮件客户端程序或电子邮件服务器程序。 在本书中，我们将可交换地使用术语主机和终端系统； 也就是说，主机 = 终端系统（host = end system）。 主机有时进一步分为两类：客户端和服务器（clients and servers）。 非正式地，客户端往往是台式机、笔记本电脑、智能手机等，而服务器往往是更强大的机器，用于存储和分发网页、流视频、转发电子邮件等。 今天，我们接收搜索结果、电子邮件、网页、视频和移动应用程序内容的大多数服务器都位于**大型数据中心（data centers）**。 例如，截至 2020 年，谷歌在四大洲拥有 19 个数据中心，总共包含数百万台服务器。 图 1.3 包括两个这样的数据中心，历史事件侧栏（Case History sidebar）更详细地描述了数据中心。
1.2.1 接入网络 Access Networks
在考虑了“网络边缘”的应用程序和终端系统之后，让我们接下来考虑接入网络——在从终端系统到任何其他远端系统的路径上，把一个终端系统物理地连接到第一个路由器(也称为“边缘路由器”)的网络。 图 1.4 显示了几种类型的接入网络，带有粗阴影线和使用它们的设置（家庭、企业和广域移动无线）。
Figure 1.4 ♦ Access networks
家庭接入：DSL、Cable、FTTH和5G固定无线 Home Access: DSL, Cable, FTTH, and 5G Fixed Wireless
截至 2020 年，欧洲和美国超过 80% 的家庭可以访问互联网 [Statista 2019]。 鉴于家庭接入网络的广泛使用，让我们通过考虑家庭如何连接到互联网来开始我们对接入网络的概述。
今天，两种最流行的宽带住宅接入类型是数字用户线路 (digital subscriber line，DSL) 和电缆（cable）。 住宅通常从提供有线本地电话访问的同一本地电话公司 (telco) 获得 DSL Internet 访问。 因此，当使用 DSL 时，客户的电信公司也是其 ISP。 如图 1.5 所示，每个客户的 DSL 调制解调器（modem）使用现有电话线与位于电信公司本地中心局 (CO) 的数字用户线接入多路复用器 (DSLAM) 交换数据。 家庭的 DSL 调制解调器接收数字数据并将其转换为高频音，以便通过电话线传输到 CO； 来自许多此类房屋的模拟信号在 DSLAM 中被转换回数字格式。
Figure 1.5 ♦ DSL Internet access
住宅电话线同时传输数据和传统电话信号，它们以不同的频率进行编码：
- 50 kHz 至 1 MHz 频段内的高速下行通道
- 4 kHz 至 50 kHz 频带的中速上行信道
- 一个普通的双向电话信道，在 0 到 4 kHz 频段
这种方法使单个 DSL 链路看起来好像有三个独立的链路，因此电话呼叫和 Internet 连接可以同时共享 DSL 链路。 （我们将在 1.3.1 节中描述这种频分复用技术。）在客户端，分离器（splitter）将到达家庭的数据和电话信号分开，并将数据信号转发到 DSL 调制解调器。 在电信方面，在 CO 中，DSLAM 将数据和电话信号分离，并将数据发送到 Internet。 数百甚至数千个家庭连接到单个 DSLAM。
DSL标准定义了多种传输速率，包括下行传输速率为24 Mbs和52 Mbs，上行速率为3.5 Mbps和16 Mbps； 最新标准规定了 1 Gbps 的上行和下行合计速率 [ITU 2014]。 因为下行和上行速率不同，所以说访问是不对称的。 实际实现的下行和上行传输速率可能低于上述速率，因为当提供分层服务（不同速率，以不同价格提供）时，DSL 提供商可能有目的地限制住宅速率。 最大速率还受到家庭和 CO 之间的距离、双绞线的规格和电气干扰程度的限制。 工程师为家庭和 CO 之间的短距离明确设计了 DSL； 通常，如果住所不在 CO 的 5 到 10 英里范围内，则住所必须采用其他形式的 Internet 访问。
DSL 使用电信公司现有的本地电话基础设施，而有线互联网接入（cable Internet access）则使用有线电视公司现有的有线电视基础设施。 住宅从提供有线电视的同一家公司获得有线互联网接入。 如图 1.6 所示，光纤（fiber optics）将电缆头端（cable head end）连接到社区级连接点（neighborhood-level junctions），然后使用传统的同轴电缆到达各个房屋和公寓。 每个社区路口通常支持 500 到 5,000 个家庭。 由于该系统中同时使用光纤和同轴电缆，因此它通常被称为混合光纤同轴电缆 (hybrid fiber coax，HFC)。
Figure 1.6 ♦ A hybrid fiber-coaxial access network
有线互联网接入需要特殊的调制解调器，称为有线调制解调器（cable modems）。与 DSL 调制解调器一样，有线调制解调器通常是一个外部设备，通过以太网端口连接到家用 PC。 （我们将在第 6 章详细讨论以太网。）在电缆头端（cable head end），电缆调制解调器终端系统 (CMTS) 的功能与 DSL 网络的 DSLAM 类似——将许多下游家庭的有线调制解调器发送的模拟信号转换成数字格式。有线调制解调器将 HFC 网络分为两个通道，一个下行通道和一个上行通道。与 DSL 一样，接入通常是非对称的，下行通道通常分配的传输速率高于上行通道。 DOCSIS 2.0 和 3.0 标准分别定义了 40 Mbps 和 1.2 Gbps 的下行比特率，以及 30 Mbps 和 100 Mbps 的上行比特率。在 DSL 网络的情况下，由于较低的合同数据速率或媒介损伤，可能无法实现最大可达到的速率。
有线互联网接入的一个重要特征是它是一种共享的广播媒介。 特别地，头端发送的每个数据包在每条链路上向下游传播到每个家庭，而家庭发送的每个数据包在上行信道上传播到头端。 因此，如果多个用户同时在下行通道下载视频文件，则每个用户接收其视频文件的实际速率将明显低于总电缆下行速率。 另一方面，如果只有少数活跃用户并且他们都在网上冲浪，那么每个用户实际上可能以全电缆下行速率接收网页，因为用户很少会在完全相同的时间请求网页。 由于上行信道也是共享的，因此需要分布式多址访问协议（distributed multiple access protocol）来协调传输并避免冲突。 （我们将在第 6 章详细讨论这个冲突问题。）
尽管 DSL 和有线网络目前代表了美国住宅宽带接入的大部分，但提供更高速度的新兴技术是光纤到户 (fiber to the home，FTTH) [Fiber Broadband 2020]。 顾名思义，FTTH 概念很简单——提供从 CO 直接到家庭的光纤路径。 FTTH 可以潜在地提供每秒千兆位的互联网访问速率。
从 CO 到家庭的光纤分配有几种相互竞争的技术。 最简单的光纤配线网络叫做直连光纤（direct fiber），CO为每个家庭提供一根光纤。 更常见的是，中心局提供的每条光纤实际上都被许多家庭共享； 直到光纤离家庭相对较近时，才将其拆分为各个客户特定的光纤。 有两种相互竞争的光纤配线网络架构可以执行这种拆分：有源光网络 (active optical networks，AON) 和无源光网络 (passive optical networks，PON)。 AON 本质上是交换式以太网（switched Ethernet），这将在第 6 章中讨论。
在这里，我们简要讨论 PON，它用于 Verizon 的 FiOS 服务。 图 1.7 显示了使用 PON 分布架构的 FTTH。 每个家庭都有一个光网络终端器 (optical network terminator，ONT)，它通过专用光纤连接到社区分路器（neighborhood splitter）。 分路器将多个家庭（通常少于 100 个）组合到一根共享光纤上，该光纤连接到电信公司 CO 中的光线路终端器 (optical line terminator，OLT)。OLT 提供光信号和电信号之间的转换，通过电信路由器连接到互联网。 在家里，用户将家庭路由器（通常是无线路由器）连接到ONT，通过这个家庭路由器访问互联网。 在 PON 架构中，所有从 OLT 发送到分路器的数据包都在分路器处进行复制（类似于电缆头端）。
Figure 1.7 ♦ FTTH Internet access
除了 DSL、Cable 和 FTTH，5G 固定无线（5G fixed wireless）也开始部署。 5G 固定无线不仅承诺提供高速住宅接入，而且无需安装从电信公司的 CO 到家庭的昂贵且容易发生故障的电缆。 借助 5G 固定无线网络，使用波束成形技术（beam-forming technology），数据从提供商的基站无线发送到家中的调制解调器。 WiFi 无线路由器连接到调制解调器（可能捆绑在一起），类似于 WiFi 无线路由器连接到电缆或 DSL 调制解调器的方式。 第 7 章介绍了 5G 蜂窝网络。
企业(和家庭)接入：以太网和WiFi Access in the Enterprise (and the Home): Ethernet and WiFi
在企业和大学校园以及越来越多的家庭环境中，局域网 (LAN) 用于将终端系统连接到边缘路由器。 尽管存在多种类型的 LAN 技术，但以太网是迄今为止企业、大学和家庭网络中最流行的接入技术。 如图 1.8 所示，以太网用户使用双绞铜线连接到以太网交换机，该技术将在第 6 章详细讨论。以太网交换机，或此类互连交换机的网络，然后依次连接到更大的互联网。 通过以太网访问，用户通常可以以 100 Mbps 到数十 Gbps 的速度访问以太网交换机，而服务器可能具有 1 Gbps 到 10 Gbps 的访问权限。
Figure 1.8 ♦ Ethernet Internet access
然而，人们越来越多地通过笔记本电脑、智能手机、平板电脑和其他“东西”以无线方式访问互联网。 在无线 LAN 设置中，无线用户向/从连接到企业网络（最有可能使用有线以太网）的接入点发送/接收数据包，而后者又连接到有线 Internet。 无线 LAN 用户通常必须在接入点的几十米范围内。 基于 IEEE 802.11 技术的无线 LAN 接入，更通俗地称为 WiFi，现在几乎无处不在——大学、企业办公室、咖啡馆、机场、家庭，甚至在飞机上。 正如第 7 章详细讨论的那样，如今 802.11 提供高达 100 Mbps 的共享传输速率。
尽管以太网和 WiFi 接入网络最初部署在企业（公司、大学）环境中，但它们也是家庭网络的常见组件。 许多家庭将宽带住宅接入（即电缆调制解调器或 DSL）与这些廉价的无线 LAN 技术相结合，以创建强大的家庭网络 图 1.9 显示了一个典型的家庭网络。 这个家庭网络由一台漫游的笔记本电脑、多台连接互联网的家用电器以及一台有线 PC 组成； 基站（base station）（无线接入点），与家中的无线PC和其他无线设备进行通信； 以及将无线接入点和任何其他有线家庭设备连接到 Internet 的家用路由器（home router）。 该网络允许家庭成员通过宽带接入互联网，其中一名成员从厨房漫步到后院再到卧室。
Figure 1.9 ♦ A typical home network
广域无线接入：3G和LTE 4G和5G Wide-Area Wireless Access: 3G and LTE 4G and 5G
移动设备（例如 iPhone 和 Android 设备）被用于在跑步时发送消息、在社交网络中分享照片、进行移动支付、观看电影、播放音乐等等。 这些设备采用与蜂窝电话（cellular telephony）相同的无线基础设施，通过蜂窝网络提供商（cellular network provider）运营的基站发送/接收数据包。 与 WiFi 不同的是，用户只需在基站的几十公里（而不是几十米）范围内。
电信公司已在所谓的第四代 (4G) 无线技术上进行了大量投资，该技术可提供高达 60 Mbps 的实际下载速度。 但是更高速的广域接入技术——第五代 (fifth-generation，5G) 广域无线网络（wide-area wireless networks）——也已经在部署中。 我们将在第 7 章中介绍无线网络和移动性的基本原理，以及 WiFi、4G 和 5G 技术（以及更多！）。
1.2.2 物理媒介 Physical Media
在上一小节中，我们概述了 Internet 中一些最重要的网络访问技术。 在描述这些技术时，我们还指出了所使用的物理介质。 比如我们说HFC采用了光缆和同轴电缆的组合（combination of fiber cable and coaxial cable）。 我们说过DSL和以太网使用铜线。 我们说过移动接入网络使用无线电频谱（radio spectrum）。 在本小节中，我们简要概述了 Internet 中常用的这些和其他传输媒体。
为了定义物理介质的含义，让我们回顾一下比特（bit）的短暂生命。 考虑一下从一个终端系统通过一系列链路和路由器到达另一个终端系统的过程。 这个可怜的小东西被踢了很多很多次！ 源端系统首先发送该比特，此后不久该序列中的第一个路由器接收该比特； 然后第一个路由器发送该比特，不久之后第二个路由器接收该比特； 等等。 因此，我们的比特在从源传输到目的地时，会通过一系列发射器-接收器对（transmitter-receiver pairs）。 对于每个发射器-接收器对，比特是通过在物理介质（physical medium）上传播电磁波或光脉冲来发送的。物理介质可以采用多种形状和形式，并且对于沿路径的每个发射器-接收器对而言，其类型不必相同。 物理介质的示例包括双绞铜线、同轴电缆、多模光纤电缆、地面无线电频谱和卫星无线电频谱。 物理介质分为两类：有线介质和无线介质（guided media and unguided media）。 对于有线介质，波沿着固体介质（例如光缆、双绞铜线或同轴电缆）被导向。 对于无线介质，波在大气和外层空间中传播，例如在无线 LAN 或数字卫星频道中。
但在我们深入了解各种介质类型的特征之前，让我们先谈谈它们的成本。 与其他网络成本相比，物理链路（铜线、光纤电缆等）的实际成本通常相对较小。 特别是，与安装物理链路相关的人工成本可能比材料成本高几个数量级。 为此，许多建筑商在建筑物的每个房间安装双绞线、光纤和同轴电缆。 即使最初只使用一种介质，在不久的将来也很有可能使用另一种介质，因此将来不必铺设额外的电线，从而节省了资金。
双绞铜线 Twisted-Pair Copper Wire
最便宜和最常用的有线传输介质是双绞铜线。一百多年来，它一直被电话网络使用。事实上，从电话听筒到本地电话交换机的有线连接有 99% 以上使用双绞铜线。我们大多数人都在家里（或父母或祖父母的！）和工作环境中看到过双绞线。双绞线由两根绝缘铜线组成，每根约 1 毫米厚，以规则的螺旋图案排列。电线绞在一起以减少来自附近相似线对（similar pairs）的电气干扰。通常，将若干对电缆捆绑在一起，将其包裹在一个保护罩（protective shield）中。线对构成单个通信链路。非屏蔽双绞线 (Unshielded twisted pair，UTP) 通常用于建筑物内的计算机网络，即 LAN。今天使用双绞线的 LAN 的数据速率范围从 10 Mbps 到 10 Gbps。可实现的数据速率取决于电线的粗细以及发射器和接收器之间的距离。
当光纤技术在 80 年代出现时，许多人贬低双绞线，因为它的比特率相对较低。 甚至有人认为光纤技术将完全取代双绞线。 但双绞线并没有那么容易放弃。 现代双绞线技术，例如 6a 类电缆，可以在长达 100 米的距离内实现 10 Gbps 的数据速率。 最后，双绞线已成为高速 LAN 网络的主要解决方案。
如前所述，双绞线也常用于住宅互联网接入。 我们看到拨号调制解调器（dial-up modem）技术可以通过双绞线以高达 56 kbps 的速率进行访问。 我们还看到 DSL（数字用户线）技术使住宅用户能够通过双绞线以数十 Mbps 的速度访问互联网（当用户居住在 ISP 的 central office 附近时）。
同轴电缆 Coaxial Cable
与双绞线一样，同轴电缆由两根铜导体组成，但两根导体是同心的而不是平行的。 通过这种结构和特殊的绝缘和屏蔽，同轴电缆可以实现高数据传输速率。 同轴电缆在有线电视系统中很常见。 正如我们之前看到的，有线电视系统最近与电缆调制解调器结合在一起，为住宅用户提供数百 Mbps 的互联网接入。 在有线电视和有线互联网接入中，发射机（transmitter）将数字信号转换到特定频段，然后将产生的模拟信号从发射机发送到一个或多个接收器。 同轴电缆可用作有线共享介质（guided shared medium）。 具体来说，许多终端系统可以直接连接到电缆，每个终端系统接收其他终端系统发送的任何内容。
光纤 Fiber Optics
光纤是一种薄而柔韧的介质，可以传导光脉冲，每个脉冲代表一个比特。 单根光纤可以支持巨大的比特率，高达每秒数十甚至数百吉（gigabits）比特。 它们不受电磁干扰，在 100 公里内具有非常低的信号衰减，并且非常难以窃听。 这些特性使光纤成为首选的长距离有线传输介质，尤其是对于海外链路。 美国和其他地方的许多长途电话网络现在只使用光纤。光纤在互联网的骨干网（backbone of the Internet）中也很普遍。然而，光设备（例如发射器、接收器和交换机）的高成本阻碍了它们在短距离传输中的部署，例如在 LAN 中或在住宅接入网络中进入家庭。 光载波 (Optical Carrier，OC) 标准链路速度范围从 51.8 Mbps 到 39.8 Gbps； 这些规范通常称为 OC-n，其中链路速度等于 n × 51.8 Mbps。 目前使用的标准包括 OC-1、OC-3、OC-12、OC-24、OC-48、OC-96、OC-192、OC-768。
地面无线信道 Terrestrial Radio Channels
无线电信道携带电磁频谱中的信号。 它们是一种有吸引力的介质，因为它们不需要安装物理电线，可以穿透墙壁，为移动用户提供连接，并且可以长距离传输信号。 无线电信道的特性在很大程度上取决于传播环境和传输信号的距离。环境因素决定了路径损耗和遮蔽衰落（shadow fading，当信号经过一段距离并绕过/穿过障碍物时会降低信号强度）、多径衰落（由于干扰物体的信号反射）和干扰（由于其他传输和电磁信号）。
地面无线电频道可以大致分为三类：在很短距离（例如，一米或两米）内运作的频道； 那些在局部地区运作的，通常跨度从十米到几百米不等； 以及那些在广阔区域内运作的，跨越数十公里。 无线耳机、键盘和医疗设备等个人设备在短距离内运行； 第 1.2.1 节中描述的无线 LAN 技术使用局域无线电信道； 蜂窝接入技术使用广域无线电信道。 我们将在第 7 章详细讨论无线电频道。
卫星广播信道 Satellite Radio Channels
通信卫星连接两个或多个地球微波发射器/接收器，称为地面站（ground stations）。 卫星在一个频带上接收传输，使用中继器（下文讨论）重新生成信号，然后在另一个频率上传输信号。 两种类型的卫星用于通信：地球同步卫星（geostationary satellites）和低地球轨道 (low-earth orbiting，LEO) 卫星。
地球同步卫星永久保持在地球上同一地点的上方。 这种静止存在是通过将卫星置于距地球表面 36,000 公里的轨道上来实现的。 从地面站通过卫星再到地面站的巨大距离引入了 280 毫秒的固定的信号传播延迟。 然而，卫星链路可以以数百 Mbps 的速度运行，通常用于无法访问 DSL 或基于电缆的 Internet 访问的地区。
LEO 卫星被放置在离地球更近的地方，并且不会永久保持在地球上的一个点之上。 它们围绕地球旋转（就像月球一样）并且可以相互通信，也可以与地面站通信。 为了向一个区域提供连续覆盖，需要将许多卫星放置在轨道上。 目前有许多低空通信系统正在开发中。 未来某个时候，LEO 卫星技术可能会用于互联网接入。
若有收获，就点个赞吧
0 人点赞
