ADSL基本原理
ADSL基本原理
5.1 ADSL技术
目前存在的接入方式有：拨号接入方式、以太网接入方式、光纤接入方式、无线接入方式和DSL接入方式等。传统的因特网拨号接入方式，已经不能满足日益增长的带宽需求；而以太网接入或光纤接入方式，又由于成本或者需要重新铺设网络的问题，短时间内难以大面积推广开。虽然光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）是今后接入方式的必然发展方向，但由于光纤到户成本过高，在今后的几年内，大多数用户仍将使用现有的过渡性的宽带接入技术。DSL技术使用现有的电话铜线环路，降低了用户高速接入网络的成本，从而得到迅速发展，成为目前宽带接入市场中应用最广的技术。
5.1.1 DSL技术概述
1、DSL概述
DSL（Digital Subscriber Line，数字用户线路）技术是一种以铜制电话双绞线为传输介质的传输技术，它通常可以允许语音信号和数据信号同时在一条电话线上传输。
它利用现有的电话线开展宽带接入服务，无需网络建设投入，节省投资。在现有的电话网可以立即为用户开通宽度服务，节省了时间。此外，与拨号接入相比，DSL在开通数据业务的同时，一般不会影响话音业务，用户可以在打电话的同时上网。因此DSL技术很快就得到重视，并在一些国家和地区得到大量应用。
DSL技术包括ADSL、VDSL、SDSL、HDSL等，一般也把这些统称为xDSL。不同DSL技术之间的主要区别体现在两个方面：①信号传输速度和距离；②上行速率和下行速率的对称性。目前，流行的DSL技术是ADSL和VDSL。
2、DSL的分类
DSL技术按照上行和下行的传输速率是否一致，可以分为速率对称型和速率非对称型两种类型。
1、对称型DSL
对称型DSL的上下行速率是一致的，它们能够提供高速对称的传输速率。一般来说，对称型DSL不支持数字信号和语音信号同时在一条电话双绞线上传输。对称型DSL适用于企业接入和点对点连接之中。
对称型DSL包括SDSL、HDSL、SHDSL等。
2、非对称型DSL
非对称DSL的上下行速率是不一样的，一般下行速率要比上行速率大得多。非对称DSL适用于家庭普通用户上网，因为在普通用户上网时下载的信息往往比上载的信息要多得多。
非对称型DSL包括ADSL、VDSL等。
ADSL（Asymmetric DSL，非对称用户数字线路）：ADSL利用一对双绞线，提供上下行不对称的速率，可以同时传输语音和数据。
VDSL（Very high speed DSL，甚高速数字用户线路）：VDSL是基于以太网内核的DSL技术，它利用一对双绞线，在短距离内提供最大下行速率55Mbps、上行速率2.3Mbps的非对称式传输服务，也可以配置成上下行13Mbps对称模式。但是，VDSL受到线路质量和线路距离的影响十分大，当线路距离变长时其传输速率会显著下降，VDSL支持的最大传输距离为2km。
DSL各种技术的比较见表5.1。
表5.1 DSL各种技术的比较
| 技术名称 |
传输方式 |
最大上行速率 |
最大下行速率 |
最大传输距离 |
传输媒介 |
| HDSL |
对称 |
2.32Mbps |
2.32Mbps |
5km |
1~3对双绞线 |
| SDSL |
对称 |
2.32Mbps |
2.32Mbps |
3km |
1对双绞线 |
| SHDSL |
对称 |
5.7Mbps |
5.7Mbps |
7km |
1~2对双绞线 |
| VDSL |
非对称 |
2.3Mbps |
55Mbps |
2km |
1对双绞线 |
| ADSL |
非对称 |
1Mbps |
8Mbps |
5km |
1对双绞线 |
注意啦
表格中的数据是标准推荐的数据，在各个厂商的产品中实际数可能有所不同。
5.1.2 ADSL的原理及特点
ADSL（Asymmetric DSL，非对称用户数字线路）是DSL家族中最重要的一员，也是目前应用最广的一种宽带接入技术。ADSL利用现有的铜制电话线，在一对电话双绞线上提供高带宽的数据传输服务，同时又不会干扰在同一条线上进行的常规话音服务。ADSL数据信号和电话音频信号以频分复用原理调制于各自频段而互不干扰。
1、ADSL的特点及优点
ADSL具有以下一些特点及优点：
n 高速传输：提供上、下行不对称的传输带宽，下行速率最高达到8Mbps，上行速率最高达到1Mbps，最大传输距离为5km。
n 上网、打电话互不干扰：ADSL数据信号和电话音频信号以频分复用原理调制于各自频段互不干扰。上网的同时可以拨打或接听电话，解决了拨号上网时不能使用电话的问题。
n 独享带宽、安全可靠：ADSL采用星型的网络拓扑结构，用户可独享高带宽。
n 安装快捷方便：利用现有的用户电话线，无需另铺电缆，节省投资。用户只需安装一台ADSL Modem，无需为宽带上网而重新布设或变动线路。
n 价格实惠：ADSL上网的数据信号不通过电话交换机设备，这意味着使用ADSL上网只需要为数据通信付账，并不需要缴付另外的电话费。
2、ADSL与其他常用接入方式比较
ADSL接入技术较其他接入技术具有独特的技术优势，因此能做到较高的性能价格比。下面看看ADSL与其他接入服务的比较。
1）ADSL与普通拨号 Modem的比较
普通拨号 Modem的速率只有56Kbps。在上网时需要通过电话交换设备，占用了传统的语言信道，导致在上网时不能进行语音通话。在使用普通拨号Modem上网时，由于上网流量需要经过电话交换设备，导致在上网时既要缴纳上网费用，又要缴纳电话费用。
与普通拨号Modem相比ADSL的速率优势是不言而喻的。ADSL技术能够在同一对铜线上分别传送语音与数据信号，数据信号不经过电话交换设备，使得用户在上网时并不影响语音通话，并且上网时不用缴纳额外的电话费。
2）ADSL与以太网接入的比较
以太网是目前采用最普遍最成熟的网络技术。它安装容易兼容性强，不需要添置特殊的设备。ADSL接入技术需要在用户端安装ADSL Modem，网络侧也需要有相应的设备，实现起来较麻烦。在速率方面以太网速率可以达到100Mbps甚至1000Mbps，相比之下ADSL速率要慢很多。
但是对于以太网接入来说，需要重新布线，铺设以太网线路，而ADSL可以利用现有的电话线资源。在建设成本上来说，ADSL要小于以太网。
以太网接入，每台交换机只能接入几十个用户，而且一般交换机都分散安装在小区或楼宇内，这使得需要维护的设备多并且维护困难，成本高。ADSL接入上百甚至上千用户才需要一台设备进行接入，维护成本要低于以太网。
3）ADSL与光纤接入的比较
光纤接入是未来必然的接入方式，它具有容量大、速率快、安全性高等特点。但是，同以太网接入类似，它也存在着安装维护成本高的问题。因此现阶段ADSL还将是最为实用的接入技术。
3、ADSL原理
ADSL技术是一种接入技术，它采用频分复用的方式将数据传输的频带划分成语音、上行、下行3个部分，从而实现了语音和数据的同时传输和非对称上下行速率。在数据传输时，通过ATM协议进行传输。
1）ADSL网络基本结构
ADSL的网络结构如图5.1所示，用户侧PC的上网数据经过ADSL Modem调制成高频信号，在分离器上和普通电话语音的低频信号合成混合信号，传送到用户线路上；这个混合信号被传送至电话局侧的分离器上，被重新分解为数据信号和音频信号；音频信号被传送到电话程控交换机完成普通的语音呼叫；数据信号被传送到DSLAM（DSL接入复用器）上，由DSLAM将用户数据传送到互联网。
n DSLAM（DSL Access Multiplexer，DSL接入复用器）：可以理解为多路DSL Modem的组合，它能够同时连接多路DSL线路，将其转换到上行线路上，完成多路DSL对上行线路的复用。目前主流的DSLAM设备可以同时接入几百到上千条DSL线路。除此之外，高端DSLAM设备还具有路由、协议转换、认证、计费等功能。
n 分离器：用于将高频数据信号和低频语音信号分离。在电话局侧，通常将多个分离器组合在一起，称为分离器池。
图5.1 ADSL网络基本结构示意图
2）ADSL的频段划分
ADSL使用频分复用技术，实现在一条电话线中同时传输语音与数据信号。在线路中，4kHz以下的低频段用来传输普通的模拟语音信号，与传统的电话系统相同。26kHz～138kHz的频段用来传送上行数据信号，138kHz～1.1MHz的频段用来传送下行数据信号。
由图5.2可看到，对于原先的电话信号而言，仍使用原先的频带，而基于ADSL的业务使用的是话音以外的频带。所以，原先的电话业务不受任何影响。
图5.2 ADSL的频段划分
4、ADSL数据传输
1）ADSL数据传输过程（如图5.3所示）
在PC和ADSL Modem之间传输的是普通的以太网帧，在ADSL Modem和DSLAM之间使用ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）协议传输ATM信元（ATM的传输单位），在DSLAM设备上在将ATM信元转换成普通的以太网帧进行传输。
在ADSL Modem和DSLAM之间传输ATM信元，是因为ADSL网络是基于ATM设计的。因此，ADSL Modem需要将来自PC的以太网数据帧转换成为ATM信元，然后在通过ADSL帧在ADSL线路上传输。
图5.3 ADSL数据传输过程
名称解释：
ATM：ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）是20世纪90年代中期出现的一种传输技术。它的最大特点是面向连接的传输机制，可以提供很好的服务质量，以及对多媒体业务的支持。这些特点使得ATM网络有可能取代IP网络。ADSL就是在ATM网络上设计的。
随着技术的发展，高速IP路由器已经达到甚至超过了ATM的转发速度，目前ATM技术已经逐步被IP技术挤出了主流市场。
2）ADSL传输使用协议
在现有的ADSL网络内，用户端ADSL Modem和局端DSLAM之间采用了ATM协议来传输数据。为了实现其它协议报文使用ATM协议进行传输，ADSL采用以下几种协议来实现使用ATM协议传输其它协议报文。
MPoA（Multiprotocol Encapsulation over ATM Adaptation Layer 5）：此协议是由RFC1483或RFC2684（RFC2684是RFC1483的升级版）定义的，因为它主要说明了如何在ATM网络上传输以太网帧，即将以太网帧通过ATM协议传输的方法。
PPPoA（PPP over ATM）：它定义了如何在ATM网络上传输PPP帧，一般用于虚拟拨号接入。
PPPoE（PPP over Ethernet）：它定义了如何在以太网上传输PPP帧，即平时使用ADSL进行虚拟拨号时所用的协议。PPPoE协议不光可以用在ADSL虚拟拨号接入上，还可以用在以太网拨号接入上。由于ADSL Modem和DSLAM之间使用ATM协议传输，所以它需要配合MPoA协议来实现虚拟拨号上网。
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名称解释：
PPP：PPP（Point to Point Protocol，点对点协议）是点到点链路上的一种传输协议，由于其支持用户认证，所以在ADSL技术中使用PPP协议的认证功能进行认证操作。
3）影响ADSL传输速率的因素
虽然ADSL技术的最大传输速率为上行1Mbps，下行8Mbps，但是ADSL的传输速率受到线路质量、噪声干扰、线路长度等因素的影响，通常很难达到最高的速率。
（1）线路质量
ADSL技术对线路质量要求很高，理想的ADSL线路应该没有感应线圈，线路规格无变化，无桥接抽头，绝缘良好。
（2）噪声干扰
噪声产生的原因很多，可以是家用电器的开关、电话摘机和挂机以及其他电动设备的运动等，这些突发的电磁波将会耦合到ADSL线路中，引起突发错误。
从电话公司到ADSL分离器这段连接中，加入任何设备都将影响数据的正常传输，故在ADSL分离器之前不要并接电话、电话防盗器等设备。
（3）线路长度
在传输系统中，发射端发出的信号会随着传输距离的增加而产生损耗，传输距离越远信号损耗越大。ADSL的最大下行速率在8Mbps，会随着距离的增加ADSL能够达到的下行速率也越来越小，当传输距离达到5km左右时，基本上已经无法正常进行数据传输了。
在连接ADSL线路时，尽量选择绝缘好、抗干扰能力强的电缆。在部署ADSL线路时尽量减少接头数量，尽量减少衰减和电缆距离。
5、ADSL2和ADSL2+
随着网络的发展，传统ADSL的传输速度已经不能完全满足日益增长的网络流量需求。因此，由于业务发展的需要，为了更好地迎合网络运营和信息消费的需求，新的ADSL标准被制定出来，ADSL2、ADSL2+、ADSL2++（也称ADSL4）技术应运而生。
1）ADSL2
与传统ADSL相比，ADSL2标准提供了下行12Mbps，上行1Mbps的传输速率。ADSL2标准采用了高效的调制解调技术以及更先进的编码和算法，提供了更高的数据传输速度以及更远的传输距离。除此之外，ADSL2标准还提供了功率管理、线路诊断和故障管理、多线对绑定等新功能。
2）ADSL2+
ADSL2+提供了下行26Mbps，上行1Mbps的传输速率。与ADSL2标准相比较，ADSL2+标准的核心内容是拓展了线路的使用频宽。 ADSL2 定义的下行传输频带的最高频率为1.1MHz，而ADSL2+技术标准将高频段的最高调制频点扩展至2.2MHz，如图5.4所示。通过此项技术改进，ADSL2+提高了上下行的接入速率，在短距离情况下，其下行接入能力能够达到最大26Mbps以上的接入速率。
图5.4 ADSL2与ADSL2+使用频段
3）ADSL2++
ADSL2++（也称ADSL4）技术是由设备厂商提出的最新的ADSL标准，它能够在短距离内提供最高下行50Mbps上行12.5Mbps的接入速率，是目前最快的ADSL技术。
注意啦
现在ADSL2++有两种速率标准，普通ADSL2++上行速率最高可达3.5Mbps；最新的ADSL2++ revo上行速率最高可达12.5Mbps。
ADSL各种技术的比较见表5.2。
表5.2 ADSL各种技术的比较
| ADSL标准 |
最大下行速率 |
最大上行速率 |
| ADSL |
8Mbps |
1Mbps |
| ADSL2 |
12Mbps |
1Mbps |
| ADSL2+ |
26Mbps |
1Mbps |
| ADSL2++ |
50Mbps |
12.5Mbps |
随着技术的成熟，在国内部分城市已经开始使用ADSL2/ADSL2+技术。而ADSL2++标准由于还在完善之中，目前除了在日本的YahooBB有应用之外，在世界其他地区还没有大规模商用。
ADSL几种技术的传输速度和距离如图5.5所示。
图5.5 ADSL2与ADSL2+传输速度与距离
5.2 简介PPPoE协议
PPPoE 是Point to Point Protocol over Ethernet 协议的简称，它利用以太网将大量主机组成网络，通过一个远端接入设备连入因特网，并对接入的每个主机实现控制、计费功能。把以太网技术和点对点协议的可扩展性及管理控制功能结合在一起，极高的性能价格比使PPPoE 在ASDL接入和小区组网建设等一系列应用中被广泛采用。PPPoE虚拟拨号接入方式是目前使用最普遍的ADSL接入方式。
1、PPPoE协议的通信过程
PPPoE协议采用Client / Server（客户机/服务器）方式，在一个PPPoE的通信过程中，PPPoE连接的两端一个为客户端，一个为接入服务器端。PPPoE连接的建立都是由客户端主动发起的，PPPoE连接的断开可以由客户端或接入服务器中任意一方发起。PPPOE协议的通信流程如图5.7所示。
PPPoE协议的通信有两个明显的阶段：发现（Discovery）阶段和会话（PPP Session） 阶段，具体如下：
1）发现阶段
当一个主机开始PPPoE 进程的时候，它必须先识别接入服务器端的以太网MAC地址，建立PPPoE的会话ID。根据主机和接入设备两端的MAC地址和会话ID可以定义一条PPPoE会话。这就是发现阶段的目的。
典型的发现（Discovery）阶段共包括4个步骤：
n 用户主机以广播方式发出PPPoE有效发现初始（PPPoE Active Discovery Initiation，PADI）报文。
n 接入设备收到在服务范围内的PADI报文后，发送PPPoE有效发现提供（PPPoE Active Discovery Offer，PADO）报文以响应请求。
n 用户主机可能收到多个PADO报文，从中选择一个合适的接入设备，然后向所选择的接入设备发送PPPoE有效发现请求（PPPoE Active Discovery Request，PADR）报文。
n 接入设备收到PADR包后准备开始PPP会话，接入设备产生一个唯一的PPPoE会话ID，将其放在PPPOE 有效发现会话确认（PPPoE Active Discovery Session-confirmation，PADS）报文内，传送至用户主机。当用户主机收到PADS报文确认后，双方就进入PPP会话阶段。
还有一种PPPoE有效发现终止（PPPoE Active Discovery Terminate，PADT）报文，在一个PPP会话建立后它随时可由用户主机或接入设备中任何一方发送，指示PPP会话已终止。
2）会话阶段
当PPPoE进入会话阶段后，PPP报文就可以通过PPPoE协议转化为标准的以太网帧发到对端。在会话阶段，主机或服务器任何一方都可发PADT报文通知对方结束本会话。
PPPoE协议通信流程如图5.6所示。
图5.6 PPPoE协议通信流程