0x02 网络边缘

回想前一节计算机网络的术语，通常把与因特网相连的计算机和其他设备成为端系统，之所以称为端系统，因为它们位于因特网的边缘

端系统也称为主机（host），因为它们容纳（即运行）应用程序

主机有时又被进一步划分为两类：客户（client）和服务器（server），客户通常是桌面PC、智能手机等，而服务器通常是更为强大的机器，用于存储和发布Web页面、流视频、中继电子邮件等

一、接入网

接入网指将端系统物理连接到其**边缘路由器（edge router）**的网络

边缘路由器是端系统到任何其他远程端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最流行的类型：**数字用户线（Digital Subscriber Line，DSL）**和电缆

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

    • 家庭的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，然后在DSLAM处被转换回数字形式

    • 家庭电话线用不同的频率进行编码：

      1
      2
      3
      高速下行信道，位于50kHz到1MHz频段
      中速上行信道，位于4kHz到50kHz频段
      普通的双向电话信道，位于0到4kHz频段

    • 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，并将数据信号转发给DSL调制解调器；电话公司一侧，在本地中心局，DSLAM把数据和电话信号分隔开，并将数据发给因特网

  • DSL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

    • 电缆因特网接入需要特殊的调制解调器，称为电缆调制解调器（cable modem）,它通常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换回数字形式

    • 如同DSL，上行信道分配的传输速率通常比下行信道的稿

    • 电缆因特网接入的一个重要特征是共享广播媒体

  • 提供更高速率的新兴技术是光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）

    • 顾名思义，FTTH就是从本地中心局直接到家庭提供了一条光纤路径

    • 从中心局出来的每根光纤实际上由许多家庭共享，直到相对接近这些家庭的位置，改光纤才分成每户一根光纤。进行这种分配由两种光纤分布体系结构：有源光纤网络（Active Optical Network，AON）和无源光纤网络（Passive Optical Network，PON）

      1. AON：AON本质上就是交换以太网

      2. PON：每个家庭具有一个光纤网络端接器（Optical Network Terminator，ONT），它由专门的光纤连接到邻近的分配器（splitter）。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中的光纤线路端接器（Optical Line Terminator，OLT）。OLT提供了光信号和电信号的转换，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与ONT相连，并经过这台家庭路由器接入因特网：

2、企业（和家庭）接入：以太网和WiFi

  • 在越来越多的环境里，使用局域网（LAN）将端系统连接到边缘路由器

  • 到目前为止，以太网是公司、大学和家庭网络中最为流行的接入技术

  • 在无线LAN环境中，无线用户从一个接入点 发送 / 接收 分组，该接入点与企业网相连，企业网再与有线因特网相连。基于IEEE 802.11技术的无线LAN接入，更通俗地称为WiFi，目前几乎无所不在

  • 今天许多家庭将宽带住宅接入（即电缆调制解调器或DSL）与廉价的无线局域网技术结合起来，以产生强大的家用网络

3、广域无线接入：3G和LTE

  • iPhone和安卓等设备应用了与蜂窝移动电话相同的无线基础设施，通过蜂窝网提供商运营的基站来发送和接收分组
  • 电信公司已经在第三代无线技术（3G）中进行了大量投资，3G为分组交换广域无线因特网接入提供了超过1Mbps的速率
  • 而如今第四代（4G）已经全面覆盖，第五代（5G）也开始了部署

二、物理媒体

考虑一个比特从一个端系统开始传输，通过一系列链路和路由器，到达另一个端系统。这个比特当从源到目的地传输时，通过一系列 “发射器 - 接收器” 对，对于每个发射器 - 接收器对，通过跨越一种**物理媒体（physical medium）**传播电磁波或光脉冲来发送该比特。

  • 物理媒体分成两种类型：导引型媒体（guided media）和非导引型媒体（unguided media）
    1. 导引型媒体，电波沿着固体媒体前行，如光缆、双绞铜线或同轴电缆
    2. 非导引型媒体，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

1、双绞铜线

  • 最便宜并且最为常用的导引型传输媒体
  • 双绞线由两根绝缘的铜线组成，以规则的螺旋状排列着
  • **无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）**常用在建筑物内的计算机网络中，即用于局域网（LAN）中
  • 目前局域网中的双绞线的数据传输速率从10Mbps导10Gbps，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

2、同轴电缆

  • 与双绞线类似，由两个铜导体组成但是这两个导体是同心的而不是并行的，借助这种结构及特殊的绝缘体和保护层，同轴电缆能够达到较高的数据传输速率
  • 同轴电缆能被用作导引型共享媒体（shared medium），特别是，许多端系统能够直接与该电缆相连，每个端系统都能接收由其他端系统发送的内容

3、光纤

  • 光纤是一种细而柔软的、能够导引光脉冲的媒体，每个脉冲表示一个比特
  • 一根光纤能够支持极高的比特速率，高达数十甚至数百Gbps
  • 它们不受电磁干扰，信号衰减极低，成为长途导引型传输媒体，特别是跨海链路

4、陆地无线电信道

  • 无线电信道承载电磁频谱中的信号
  • 它能穿透墙壁，因此极大依赖传播环境和信号传输的距离：
    1. 路径损耗和遮挡衰落（信号跨距离传播和穿过阻碍物体时信号强度降低）
    2. 多径衰落（干扰对象的信号反射）
    3. 干扰（其他传输或电磁信号）
  • 陆地无线电信道大致分为三类：一类运行在很短距离（如1m或2m）；另一类运行在局域，通常跨越数十到几百米；第三类运行在广域，跨越数万米

5、卫星无线电信道

一颗通信卫星连接地球上的两个或多个微波发射器/接收器，它们被称为地面站。该卫星在一个频段上接收传输，使用一个转发器再生信号，并在另一个频率上发射信号。通信中尝试用两类卫星：**同步卫星（geostationary satellite）和近地轨道（Low-Earth Orbiting，LEO）**卫星。