网络通信学习（四）——通过接入网进入互联网内部，探索接入网和网络运营商

吐槽几句，这一部分知识真的很多很杂，用到了很多协议，很多设备来实现信号传输，互联网通信也就在几十微秒之间，中间却经历了如此之多，真是成如容易却艰辛！
名词解释
接入网：

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（非对称数字用户线路）、FTTH（光纤到户）、ISDN（综合业务数字网）、CATV（社区公共电视天线系统）、电话线等。

BAS：

Broadband Access Server，中文译名： 宽带接入服务器是一种设置在网络汇聚层的用户接入服务设备，可以智能化地实现用户的汇聚、认证、计费等服务，还可以根据用户的需要，方便地提供多种IP增值业务。

学这部分之前我们探索了从客户端计算机发送网络包通过家庭和公司局域网中的集线器和路由器前往目的地的过程，现在我们来探索网络包是如何通过用于接入互联网的路由器，最终进入互联网内部的。

互联网是一个遍布世界的巨大而复杂的网络，但是其基本工作方式和家庭公司用的路由器却没什么不同，主要两个区别就是：距离的不同和路由维护方式的不同，互联网距离跨度大，路由信息量大。互联网接入路由器是按照接入网规则来发送包的。
信息传输的大致流程：数据通过接入互联网的路由器进入互联网，互联网的入口线路成为接入网。一般来说，我们可以用电话线、ISDN、ADSL、有线电视、光线、专线等多种通信线路来接入互联网，这些通信线路统称为接入网。接入网连接到签约的网络运营商，并接入到被称为POP（接入点）的设备。接入点的实体是一台专为运营商设计的路由器，可以理解为离你家最近的邮局，从各个地方收来的邮件都会在邮局分拣，然后发往全国乃至全世界。在互联网的骨干网中存在很多运营商和大量路由器，这些路由器相互连接组成一个巨大的网，网络包就是通过这张网的传输到达目标地点。这就是信息在互联网中传输的大致过程了。

接入网：用于连接用户和网络运营商之间的线路

所谓接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为"最后一公里"。由于骨干网一般采用光纤结构，传输速度快，因此，接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。接入网的接入方式包括铜线（普通电话线）接入、光纤接入、光纤同轴电缆（有线电视电缆）混合接入和无线接入等几种方式。
根据光接入节点位置不同，光纤接入方式又分为：FTTH、FTTB、FTTC和FTTO。传统接入网的主要接入方式主要有：V5接入、无源光网络接入（PON）、xDSL接入和光纤/同轴混合网接入（HFC）。

我们来分析接入网的一个比较有代表性的例子——ADSL

ADSL：不对称数字用户线

首先，客户端生成的网络包经过集线器和交换机到达互联网接入路由器，再通过ADSL Modem（调制解调器）和电话线到达电话局，然后到达ADSL的网络运营商（ISP，网络服务提供商）。如果互联网接入路由器和ADSL Modem之间是通过以太网连接的，那么就会按照以太网的规则执行包的发送操作，但是以太网头部会有一些不同：互联网接入路由器会在网络包前面加上MAC头部、PPPoE头部、PPP头部共三种头部，然后发给ADSL Modem。
ADSL Modem收到包后会将包拆成小的信元，并在这里转换成电信号发送给分离器。这一过程涉及到将信元“调制”成信号这一技术。和以太网采用的方波信号相比较，同样是将数字信息转换成模拟信号，ADSL的方法会更复杂，原因有二：一是方波信号容易失真，二是方波信号频谱太宽难以控制噪声。ADSL的调制方式是振幅调制和相位调制相结合的正交振幅调制。如果信号的振幅表示一个比特，相位表示一个比特，那么总共可以表示两个比特，两种方式组合起来能表示更多的比特，从而提高传输效率。而且实际信号不一定要限制在一个频率，不同频率的波可以合成，通过滤波器分离特定频率的波，所以ADSL可以通过使用多个波来提高速率。ADSL技术中，上行方向（用户到互联网）和下行方向（互联网到用户）的传输速率是不对称的，如果上行使用26个频段，下行可以使用95个频段，波的数量不同导致上下行速率就不同。分离器其实就是将一定频率以上的信号过滤掉，保证通信质量。从分离器出来就是电话线的接口，通过电话线到达电话局后，会经过配线盘和分离器到达DSLAM（数字用户线接入复用设备，可以理解为多个ADSL Modem整合在一起），在这里将信号转换成数字信息——信元。信元从DSLAM出来后到达BAS（包转发设备），BAS将收到的ATM信元还原成原始包，丢弃包前面的MAC头部和PPPoE头部，加上隧道专用头部，发送到隧道出口的隧道专用路由器并转发到互联网内部。

整个过程包的构成如下图：

接入网中使用的PPP消息

在使用电话线或者ISDN拨号上网时，PPP拨号是这样工作的。首先，用户向运营商的接入点拨打电话，电话接通后输入用户名和密码进行登入操作。用户名和密码通过RADIUS协议（远程认证拨号用户服务协议）从RAS（远程访问服务器）发送到认证服务器，认证服务器检验正确后返回IP地址（公有地址）等配置信息。用户的计算机根据这些信息配置IP地址等参数，完成TCP/IP收发网络包的准备工作，接下来就可以发送TCP/IP包了。
要传输PPP消息，必须有一个包含报头、FCS、信号格式等元素的“容器”，而HDLC协议（高级数据联结控制协议）原本是为在专线中传输网络包而设计的，拨号接入方式对这一规格进行了一些修正，便被当作装载PPP消息的“容器”。后来，我们用以太网包代替HDLC来装载PPP协议，并且重新设置了一个新的规格PPPoE。
互联网接入路由器通过PPPoE的发现机制查询BAS的MAC地址，BAS下发的TCP/IP参数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，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。

网络运营商内部

现在网络包已经通过接入网，到达了网络运营商的路由器。这里才是互联网的入口，网络包会从这里进入互联网内部。

ADSL、FTTH等接入网是与用户签约的运营商设备相连的，这些设备称为POP（接入点），NOC（网络运行中心）是运营商的核心设备，从POP传来的网络包都是在这里集中，并从这里被转发到离目的地更近的POP，或是转发到其他的运营商，这里就需要配备高性能的路由器。可以简单的认为NOC就是规模扩大后的POP。