《网络是怎样连接的》读书笔记4-探索接入网和网络运营商

目录

第四章 通过接入网进入互联网内部——探索接入网和网络运营商

一、ADSL 接入网的结构和工作方式

二、光纤接入网（FTTH）

三、接入网中使用的 PPP 和隧道

四、网络运营商的内部

五、跨越运营商的网络包

---

第四章 通过接入网进入互联网内部——探索接入网和网络运营商

 

一、ADSL 接入网的结构和工作方式

1. 互联网的基本结构和家庭、公司网络是大致相同的，区别在于互联网间的转发设备相隔距离会较远和互联网会自动维护更新路由表（互联网中的路由器上有超过 10 万条路由记录，而且这些记录还在不断变化，单靠人工维护几乎不现实）

2. 所谓接入网，就是指连接互联网与家庭、公司网络的通信线路。一般家用的接入网方式包括 ADSL、FTTH、CATV、电话线、ISDN 等，公司则还可能使用专线。

3. ADSL：Asymmetric Digital Subscriber Line，不对称数字用户线。它是一种利用架设在电线杆上的金属电话线来进行高速通信的技术，它的上行方向（用户到互联网）和下行方向（互联网到用户）的通信速率是不对称的。

4. ADSL接入网的结构（PPPoE方式：Point-to-Point Protocol Over Ethernet）

5. 在网络包从用户传输到运营商的过程中，会变换几种不同的形态。互联网接入路由器会在网络包前面加上MAC头部、PPPoE头部、PPP头部总共3种头部（MAC头部和PPPoE头部的作用是将包送达BAS的接口），然后发送给ADSL Modem （PPPoE方式下）。ADSL Modem将包拆分成信元，并转换成电信号发送给分离器。信号从分离器出来，就是插电话线的接口，信号从这里出来之后，会通过室内电话线，然后到达大楼的IDF（中间配线盘）和MDF（主配线盘）。通过配线盘之后，信号会到达保安器，接下来，信号会进入电线杆上架设的电话电缆，信号通过电话线到达电话局之后，会经过配线盘、分离器到达DSLAM（一种将相当于很多个ADSL Modem的功能集中在一个外壳里的设备，用户端ADSL Modem具备以太网接口，可以与用户端的路由器和计算机交互，收发以太网包，而DSLAM一般不用以太网接口，而是用ATM接口，和后方路由器收发数据时使用的是原始网络包拆分后的ATM信元形式）。信元从DSLAM出来之后，会到达一个叫作BAS的包转发设备，BAS负责将ATM信元还原成网络包并转发到互联网内部。

6. 信元转换成电信号时，ADSL Modem采用了一种用圆滑波形（正弦波）对信号进行合成来表示0和1的技术，这种技术称为调制。调制有很多方式，ADSL采用的调制方式是振幅调制（ASK）和相位调制（PSK）相结合的正交振幅调制（QAM）方式。通过增加振幅和相位的级别，就可以增加能表示的比特数，但级别过多就容易发生误判，因此这种方法提升的速率是有限度的。

7. 实际上信号不一定要限制在一个频率，不同频率的波可以合成，也可以用滤波器从合成的波中分离出某个特定频率的波。因此，可以使用多个频率合成的波来传输信号，这样一来，能够表示的比特数就可以成倍提高了。如图，ADSL使用间隔为4.3125 kHz的上百个不同频率的波进行合成，每个波都采用正交振幅调制，而且，根据噪声等条件的不同，每个波表示的比特数是可变的。也就是说，噪声小的频段可以给波分配更多的比特，噪声大的频段则给波分配较少的比特，每个频段表示的比特数加起来，就决定了整体的传输速率。噪声和衰减等影响线路质量的因素在每条线路上都不同，而且会随着时间发生变化。因此，ADSL会持续检查线路质量，动态判断使用的频段数量，以及每个频段分配到的比特数。具体来说，当Modem通电后，会发送测试信号，并根据信号的接收情况判断使用的频段数量和每个频段的比特数，这个过程称为训练（握手），需要几秒到几十秒的时间。ADSL信号受到干扰后并不会立即造成错误，ADSL信号分布在多个频段上，只有和噪声频率相同的信号会受到影响而无法读取，即可用的信号数量减少，结果导致速率下降。

8. 分离器的作用：信号从电话线传入时，负责将电话和ADSL的信号进行分离。也就是过滤掉了ADSL使用的高频信号，这样一来，只有电话信号才会传入电话机，但对于另一头的ADSL Modem，则是传输原本的混合信号给它。ADSL Modem内部已经具备将ADSL频率外的信号过滤掉的功能，因此不需要在分离器进行过滤。

 

二、光纤接入网（FTTH）

1. FTTH：Fiber To The Home，光纤到户，指的是将光纤接入家庭的意思。

2. 光纤是由一种双层结构的纤维状透明材质（玻璃和塑料）构成的，通过在里面的纤芯中传导光信号来传输数字信息。

3. 光源在所有方向上都会发光，因此会有各种角度的光线进入纤芯，但入射角度太大的光线会在纤芯和包层（纤芯外沿部分）的边界上折射出去，只有入射角较小的光线会被包层全反射，从而在纤芯中前进。不过，也不是所有入射角小的光线都会在纤芯中传导。当光线在纤芯和包层的边界上反射时，会由于反射角产生相位变化。当朝反射面前进的光线和被反射回来的光线交会时，如果两条光线的相位不一致，就会彼此发生干涉抵消，只有少数按照特定角度入射以保持相位一致的光线才会继续传导。

4. 这个角度非常关键，纤芯的直径也是根据这个角度来确定的。根据纤芯直径，光纤可以划分成包括单模光纤（8～10μm）和多模光纤（50 μm或62.5 μm）。单模和多模实际上表示光纤中相位一致的角度的光有一个还是多个。多模能通过的光线较多，因此对光源和光敏元件的性能要求也就较低，单模反之；多模光线反射角度大、次数多，走过的距离也就长，多条光线到达时间不同，信号宽度会被拉伸，容易造成失真。光纤的最大长度也是由上述性质决定的，单模光纤的失真小，可以比多模光纤更长，因此多模光纤主要用于一座建筑物里面的连接，单模光纤则用于距离较远的建筑物之间的连接。FTTH属于后者，因此主要使用单模光纤。

5.  用光纤来代替ADSL将用户端接入路由器和运营商的BAS连接起来的接入方式就是FTTH，从形态上可大致分为两种。一种是直连方式，在这种方式中，响应包的光信号也是沿着同一条光纤传输到用户端的。区分上行和下行信号的办法是上行和下行信号采用不同波长的光。波长不同的光混合后可通过棱镜原理进行分离。在一条光纤中使用不同的波长传输多个光信号的方式叫作波分复用。另一种光纤的接入方式是分路方式，即在用户附近的电线杆上安装一个名为分光器的设备，通过这个设备让光纤分路，同时连接多个用户。多个用户同时收发网络包时信号会在分光器产生碰撞，因此OLT会调整信号发送时机并向ONU下发指令，ONU则根据OLT的指令来发送数据，当BAS端向用户发送数据时，分光器将信号发给所有用户，这里并不会发生碰撞，但需要在每个包前面加上用于识别ONU的信息，当ONU收到信号后，会接收发给属于自己的信号并将其转换成以太网信号。

 

三、接入网中使用的 PPP 和隧道

1. ADSL和FTTH接入网中，都需要先输入用户名和密码，用于用户认证和配置下发。而BAS就是登录操作的窗口，BAS使用PPPoE方式来实现用户认证和配置下发，PPPoE是由传统电话拨号上网上使用的PPP协议发展而来的。ADSL和FTTH接入方式也需要为计算机分配公有地址才能上网，这一点和拨号上网是相同的，在拨号接入中PPP借用了HDLC协议作为容器，但ADSL和FTTH并不能使用HDLC，于是用以太网包代替HDLC来装载PPP协议，以太网和PPP在设计上有所不同，为了弥补这些问题就重新设计了一个新的规格，这就是PPPoE，PPPoE是将PPP消息装入以太网包进行传输的方式。

2. BAS除了作为用户认证的窗口之外，还可以使用隧道方式来传输网络包。如果在BAS和运营商路由器之间的ADSL/FTTH接入服务商的网络中建立一条隧道，将用户到BAS的接入网连接起来，就形成了一条从用户一直到运营商路由器的通道。所谓隧道，就类似于套接字之间建立的TCP连接，TCP连接就是其中一种实现方式，另一种是基于封装（encapsulation）的隧道实现方式，是将包含头部在内的整个包装入另一个包中传输到隧道的另一端。

3. 接入网的整体工作过程

接入网的工作从用户端的互联网接入路由器进行连接操作开始。首先，接入路由器中需要配置运营商分配的用户名和密码。然后，接入路由器会根据PPPoE的发现机制来寻找BAS。互联网接入路由器通过PPPoE的发现机制查询BAS的MAC地址，这一机制和ARP一样是基于广播来实现的。用户端知道了BAS的MAC地址就可以和BAS进行通信。可认为前面这个过程相当于拨号上网中拨通电话的动作。接下来进入用户认证和下发配置的阶段（用户名和密码如何发送给BAS。这里有两种方式，一种是将密码进行加密的CHAP方式，另一种是不加密的PAP方式），BAS下发的TCP/IP参数（配置信息包括分配给上网设备的IP地址、DNS服务器的IP地址以及默认网关的IP地址）会被配置到互联网接入路由器的BAS端的端口上，这样路由器就完成接入互联网的准备了。接下来，客户端就会开始发送用来访问互联网的网络包，包不是按照以太网规则转发，而是按照PPPoE规则转发，要发送的包会被加上头部信息，并设置相应的字段，这里的转发操作中基本上不需要根据头部中的信息进行判断，只要将事先准备好的头部加上去就可以了。然后，网络包会被转换成信号，从相应的端口发送出去。BAS在收到用户路由器发送的网络包之后，会去掉MAC头部和PPPoE头部，然后用隧道机制将包发送给网络运营商的路由器。

注：采用一对一连接，也就是两台路由器的端口用一根线直接连起来的情况下，可以不分配IP地址，BAS下发配置信息时也不会下发默认网关的IP地址，这种方式称为无编号。

4. 除PPPoE之外的其他方式

使用PPPoA方式的ADSL接入网：ADSL使用PPPoE方式时，是先将PPP消息装入以太网包中，然后再将以太网包拆分并装入信元，而PPPoA方式是直接将PPP消息装入信元。由于PPPoA没有MAC头部，所以PPP消息是无法通过以太网来传输的，这就意味着需要和BAS收发PPP消息的设备，也就是计算机和路由器，必须和ADSL Modem是一体的。在PPPoE方式中需要添加PPPoE头部和PPP头部，MTU就相应变小，PPPoA不使用以太网包来传输PPP消息，因此MTU不会变小。

DHCP协议从BAS向用户端下发TCP/IP配置信息：它不使用PPP，而是将以太网包直接转换成ADSL信号发送给DSLAM。首先客户端请求配置信息，然后DHCP服务器下发配置信息。

 

四、网络运营商的内部

1. 网络包通过接入网之后，到达运营商POP的路由器，这里是互联网的入口。NOC是运营商的核心设备，从POP传来的网络包都会集中到这里，并从这里被转发到离目的地更近的POP，或者是转发到其他的运营商。

2. POP概览（POP中包括各种类型的路由器，根据接入网的类型需要分别使用不同类型的路由器）

五、跨越运营商的网络包

1. 对于互联网内部的路由器来说，无论最终目的地和客户端是否属于同一家运营商，都可以从路由表中查到，只要一次接一次按照路由表中的目标地址来转发包，最终一定可以到达Web服务器所在的POP，然后从这里被继续转发到Web服务器。运营商的路由器可以和其他路由器交换路由信息，从而自动更新自己的路由表，通过这一功能，路由信息就实现了自动化管理。

2. 运营商之间的路由信息交换（互联网内部使用BGP机制-边界网关协议在运营商之间交换路由信息。）

3. 路由信息交换的类型，一类是将互联网中的路由全部告知对方，另一种类型是两个运营商之间仅将与各自网络相关的路由信息告知对方。这样，只有双方之间的网络可以互相收发网络包，这种方式称为非转接，也叫对等。