280
《計算機網絡：自頂向下方法（原書第6版）》一1.2 網絡邊緣
本節書摘來華章計算機《計算機網絡：自頂向下方法（原書第6版）》一書中的第1章 ，第1.2節，（美）James F.Kurose Keith W.Ross 著 陳 鳴 譯 更多章節內容可以訪問雲棲社區“華章計算機”公眾號查看。
1.2 網絡邊緣
在上一節中，我們給出了因特網和網絡協議的總體概述。現在我們將更深入一些來探究計算機網絡（特別是因特網）的部件。在本節中，我們從網絡邊緣開始，觀察一下我們更為熟悉的部件，即計算機、智能手機和我們日常使用的其他設備。在接下來的一節中，我們將從網絡邊緣向網絡核心推進，查看計算機網絡中的交換和選路。
回想前一節中計算機網絡的術語，通常把與因特網相連的計算機和其他設備稱為端係統。如圖1-3所示，因為它們位於因特網的邊緣，故而被稱為端係統。因特網的端係統包括了桌麵計算機（例如，桌麵PC、Mac和Linux盒）、服務器（例如，Web和電子郵件服務器）和移動計算機（例如，便攜機、智能手機和平板電腦）。此外，越來越多的非傳統設備正被作為端係統與因特網相連（參見“插入材料”）。
端係統也稱為主機，因為它們容納（即運行）應用程序，如Web瀏覽器程序、Web服務器程序、電子郵件閱讀程序或電子郵件服務器程序等。本書通篇將交替使用主機和端係統這兩個術語，即主機=端係統。主機有時又被進一步劃分為兩類：客戶（client）和服務器（server）。客戶非正式地等同於桌麵PC、移動PC和智能手機等，而服務器非正式地等同於更為強大的機器，用於存儲和發布Web頁麵、流視頻、中繼電子郵件等。今天，大部分提供搜索結果、電子郵件、Web頁麵和視頻的服務器都屬於大型數據中心（data center）。例如，穀歌公司（Google）擁有30~50個數據中心，其中許多數據中心都有10萬台以上的服務器。
1.2.1 接入網
考慮了位於“網絡邊緣”的應用程序和端係統後，我們接下來再考慮接入網（access network），這是指將端係統連接到其邊緣路由器（edge router）的物理鏈路。邊緣路由器是端係統到任何其他遠程端係統的路徑上的第一台路由器。圖1-4用粗的、帶陰影的線顯示了幾種類型的接入鏈路和使用接入網的幾種環境（家庭、公司和廣域移動無線）。
1.家庭接入：DSL、電纜、FTTH、撥號和衛星
在今天的發展中國家中，實現因特網接入的家庭超過65%，名列前茅的韓國、荷蘭、芬蘭和瑞典實現因特網接入的家庭則超過80%，幾乎所有家庭都是經過高速寬帶連接［ITU 2011］。芬蘭和瑞典近期宣稱高速因特網接入是一種“法定權力”。考慮到家庭對網絡接入的強烈興趣，我們從家庭與因特網的連接開始介紹接入網概況。
今天，寬帶住宅接入有兩種最流行的類型：數字用戶線（Digital Subscriber Line，DSL）和電纜。住戶通常從提供本地電話接入的本地電話公司處獲得DSL因特網接入。因此，當使用DSL時，用戶的本地電話公司也是它的ISP。如圖1-5所示，每個用戶的DSL調製解調器使用現有的電話線（雙絞銅線，將在1.2.2節中討論）與位於本地電話公司的本地中心局(CO)中的數字用戶線接入複用器（DSLAM）來交換數據。家庭的DSL調製解調器得到數字數據後將其轉換為高頻音，以通過電話線傳輸給本地中心局；來自許多家庭的模擬信號在DSLAM處被轉換回數字形式。
家庭電話線同時承載了數據和傳統的電話信號，它們編碼為不同的頻率：
- 高速下行信道，位於50kHz到1MHz頻段；
- 中速上行信道，位於4kHz到50kHz頻段；
- 普通的雙向電話信道，位於0到4kHz頻段。
這種方法使單根DSL線路看起來就像有3根單獨的線路，因此一個電話唿叫和一個因特網連接能夠同時共享DSL鏈路。（1.3.1節將描述這種頻分複用技術。）在用戶一側，一個分頻器把到達家庭的數據信號和電話信號分隔開來，並將數據信號轉發給DSL調製解調器。在本地電話公司一側，在本地中心局中，DSLAM把數據和電話信號分隔開，並將數據送往因特網中。數百甚至上千個家庭與同一個DSLAM相連［Dischinger 2007］。
DSL標準定義了12Mbps下行和1.8Mbps上行傳輸速率［ITU 1999］，以及24Mbps下行和2.5Mbps上行傳輸速率［ITU 2003］。因為這些上行速率和下行速率是不同的，所以這種接入被稱為不對稱的。實際取得的下行和上行傳輸速率也許小於上述速率，因為當DSL提供商提供分等級的服務（以不同的價格使用不同的速率）時，他們也許有意地限製住宅速率，或者因為家庭與本地中心局之間的距離、雙絞線的規格和電氣幹擾的程度而限製最大的速率。工程師特意為家庭與本地中心局之間的短距離接入設計了DSL；一般而言，如果住宅不是位於本地中心局的5～10英裏範圍內，該住宅必須求助於其他形式的因特網接入。
當DSL利用本地電話公司現有的本地電話基礎設施時，電纜因特網接入（cable Internet access）利用了有線電視公司現有的有線電視基礎設施。住宅從提供有線電視的公司獲得了電纜因特網接入。如圖1-6所示，光纜將電纜頭端連接到地區樞紐，從這裏使用傳統的同軸電纜到達各家各戶和公寓。每個地區樞紐通常支持500～5000個家庭。因為在這個係統中應用了光纖和同軸電纜，所以它經常被稱為混合光纖同軸（Hybrid Fiber Coax，HFC）。
電纜因特網接入需要特殊的調製解調器，稱為電纜調製解調器（cable modem）。如同DSL調製解調器，電纜調製解調器通常是一個外部設備，通過一個以太網端口連接到家庭PC。（我們將在第5章非常詳細地討論以太網。）在電纜頭端，電纜調製解調器端接係統（Cable Modem Termination System，CMTS）起到如同DSL網絡的DSLAM類似的功能，即將來自許多下行家庭中的電纜調製解調器發送的模擬信號轉換回數字形式。電纜調製解調器將HFC網絡劃分為下行和上行兩個信道。如同DSL，接入通常是不對稱的，下行信道通常分配了比上行信道更高的傳輸速率。DOCSIS 2.0標準定義了高達42.8Mbps的下行速率和高達30.7Mbps的上行速率。如在DSL網絡那樣，由於較低的合同數據率或媒體損傷，最大可取得的速率可能不一定能達到。
電纜因特網接入的一個重要特征是共享廣播媒體。特別是由頭端發送的每個分組向下行經每段鏈路到每個家庭；每個家庭發送的每個分組經上行信道向頭端傳輸。因此，如果幾個用戶同時經下行信道下載一個視頻文件，每個用戶接收視頻文件的實際速率將大大低於電纜總計的下行速率。而另一方麵，如果僅有很少的活躍用戶在進行Web衝浪，則每個用戶都可以以下行速率的全部速率接收Web網頁，因為用戶們將很少在完全相同的時刻請求網頁。因為上行信道也是共享的，需要一個分布式多路訪問協議來協調傳輸和避免碰撞。（我們將在第5章中更為詳細地討論碰撞問題。）
盡管DSL和電纜網絡當前代表了超過90%的美國住宅寬帶接入，但出現了一種承諾更高速率的新興技術，即光纖到戶（Fiber To The Home，FTTH）［FTTH Counci 2011a］。顧名思義，FTTH概念簡單，從本地中心局直接到家庭提供了一條光纖路徑。在美國，Verizon因提供FIOS服務在FTTH方麵特別有競爭力［Verizon FIOS 2012］。
從本地中心局到家庭有幾種競爭性的光纖分布方案。最簡單的光纖分布網絡稱為直接光纖，從本地中心局到每戶設置一根光纖。更為一般的是，從中心局出來的每根光纖實際上由許多家庭共享，直到相對接近這些家庭的位置，該光纖才分成每戶一根光纖。進行這種劃分的有兩種競爭性的光纖分布體係結構：主動光纖網絡（Active Optical Network，AON）和被動光纖網絡（Passive Optical Network，PON）。AON基本上就是交換因特網，將在第5章進行討論。
這裏，簡要討論一下PON，該技術用於Verizon的FIOS服務中。圖1-7顯示了使用PON分布體係結構的FTTH。每個家庭具有一個光纖網絡端接器（Optical Network Terminator，ONT）,它由專門的光纖連接到鄰近的分配器（splitter）。該分配器把一些家庭（通常少於100個）集結到一根共享的光纖，該光纖再連接到本地電話和公司的中心局中的光纖線路端接器（Optical Line Terminator，OLT）。該OLT提供了光信號和電信號之間的轉換，經過本地電話公司路由器與因特網相連。在家庭中，用戶將一台家庭路由器（通常是無線路由器）與ONT相連，並經過這台家庭路由器接入因特網。在PON體係結構中，所有從OLT發送到分配器的分組在分配器（類似於一個電纜頭端）處複製。
FTTH有潛力提供每秒千兆比特範圍的因特網接入速率。然而，大多數FTTH ISP提供不同速率選擇，較高的速率自然花費更多。美國FTTH用戶在2011年的平均下行速率大約為20Mbps（與13Mbps電纜接入網相當，而小於5Mbps DSL）［FTTH Council 2011b］。
還可采用另外兩種接入網技術為家庭提供因特網接入。在無法提供DSL、電纜和FTTH的地方（例如在某些鄉村環境），能夠使用衛星鏈路將住宅以超過1Mbps的速率與因特網相連。StarBand和HughesNet是兩家這樣的衛星接入提供商。使用傳統電話線的撥號接入與DSL基於相同的模式：家庭的一隻調製解調器經過電話線連接到ISP中的一隻調製解調器。與DSL和其他寬帶接入網相比，撥號接入56kbps的慢速率是令人痛苦的。
2.企業（和家庭）接入：以太網和WiFi
在公司和大學校園以及在越來越多的家庭環境中，通常是用局域網（LAN）將端用戶連接到邊緣路由器。盡管有許多不同類型的局域網技術，但是以太網到目前為止是當前公司、大學和家庭網絡中最為流行的接入技術。如圖1-8中所示，以太網用戶使用雙絞銅線與一台以太網交換機相連，第5章中將詳細討論該技術。以太網交換機或這樣相連的交換機網絡，則再與更大的因特網相連。使用以太網接入，用戶通常以100Mbps速率接入以太網交換機，而服務器可能具有1Gbps甚至10Gbps的接入速率。
然而，越來越多的人從便攜機、智能手機、平板電腦和其他設備無線接入因特網（參見前麵的插入內容“令人眼花繚亂的因特網端係統”）。在無線LAN環境中，無線用戶從/到一個接入點發送/接收分組，該接入點與企業網連接（很可能包括有線以太網），該企業網再與有線因特網相連。一個無線LAN用戶通常必須位於接入點的幾十米範圍內。基於IEEE 802.11技術的無線LAN接入，更為通俗地稱為WiFi，目前幾乎無所不在，如大學、商業辦公室、咖啡廳、機場、家庭，甚至在飛機上。在許多城市，人們能夠站在街角而位於10或20個基站範圍內（對於可瀏覽的802.11基站全局圖——這些基站由那些非常熱心做這種事情的人發現並記載在Web站點上，參見［wigle.net 2012］）。如在第6章詳細討論的那樣，802.11今天提供了高達54Mbps的共享傳輸速率。
即使以太網和WiFi接入網最初是設置在企業（公司或大學）環境中的，但它們近來也已經成為家庭網絡中相對常見的部件。今天許多家庭正在將寬帶住宅接入（即電纜調製解調器或DSL）與廉價的無線局域網技術結合起來，以產生強大的家用網絡［Edwards 2011］。圖1-9顯示了典型的家庭網絡。這個家庭網絡組成如下：一台漫遊的便攜機和1台有線PC；一個與無線PC通信的基站（無線接入點）；一個提供與因特網寬帶接入的電纜調製解調器；以及一台互聯了基站及帶有電纜調製解調器的固定PC的路由器。該網絡允許家庭成員經寬帶接入因特網，其中一個成員可以在廚房、院子或臥室漫遊上網。
3.廣域無線接入：3G和LTE
iPhone、黑莓和安卓等設備越來越多地用來在移動中發送郵件、Web衝浪、推特和下載音樂。這些設備應用了與移動電話相同的基礎設施，通過蜂窩網提供商運營的基站來發送接收分組。與WiFi不同的是，一個用戶僅需要位於基站的數萬米（而不是幾十米）範圍內。
電信公司已經在所謂第三代（3G）無線技術中進行了大量投資，3G為分組交換廣域無線因特網接入提供了超過1Mbps的速率。甚至更高速率的廣域接入技術及第四代（4G）廣域無線網絡已經在部署中。LTE（“Long-Term Evolution”的縮寫，被評為最差首字母縮寫詞年度獎候選者）來源於3G技術，它能夠取得超過10Mbps的速率。幾十Mbps的LTE下行速率已經在商業部署中得到應用。我們將在第6章中涉及無線網絡和移動性以及WiFi、3G和LTE等技術的基本原則。
1.2.2 物理媒體
在前麵的內容中，我們概述了因特網中的某些最為重要的網絡接入技術。當我們描述這些技術時，我們也指出了所使用的物理媒體。例如，我們說過HFC使用了光纜和同軸電纜相結合的技術。我們說過DSL和以太網使用了雙絞銅線。我們說過移動接入網使用了無線電頻譜。在這一節中，我們簡要概述一下這些和其他常在因特網中使用的傳輸媒體。
為了定義物理媒體所表示的內容，我們仔細思考一下一個比特的短暫曆程。考慮一個比特從一個端係統開始傳輸，通過一係列鏈路和路由器，到達另一個端係統。這個比特被傳輸許許多多次！源端係統首先傳輸這個比特，不久後其中的第一台路由器接收該比特；第一台路由器傳輸該比特，接著不久後第二台路由器接收該比特；等等。因此，這個比特當從源到目的地傳輸時，通過一係列“傳輸器-接收器”對。對於每個傳輸器-接收器對，通過跨越一種物理媒體（physical medium）傳播電磁波或光脈衝來發送該比特。該物理媒體可具有多種形狀和形式，並且對沿途的每個傳輸器-接收器對而言不必具有相同的類型。物理媒體的例子包括雙絞銅線、同軸電纜、多模光纖纜、陸地無線電頻譜和衛星無線電頻譜。物理媒體劃分為兩類：導引型媒體（guided media）和非導引型媒體（unguided media）。對於導引型媒體，電波沿著固體媒體前行，如光纜、雙絞銅線或同軸電纜。對於非導引型媒體，電波在空氣或外層空間中傳播，例如在無線局域網或數字衛星頻道中。
在深入討論各種媒體類型的特性之前，我們簡要地討論一下它們的成本。物理鏈路（銅線、光纜等）的實際成本與其他網絡成本相比通常是相當小的。特別是安裝物理鏈路的勞動力成本能夠比材料成本高幾個數量級。正因為這個原因，許多建築商在一個建築物中的每個房間中安裝了雙絞線、光纜和同軸電纜。即使最初僅使用了一種媒體，在不遠的將來也可能會使用另一種媒體，這樣將來不必再鋪設另外的線纜，從而節省了經費。
1.雙絞銅線
最便宜並且使用最為普遍的引導型傳輸媒體是雙絞銅線。一百多年來，它一直用於電話網。事實上，從電話機到本地電話交換機超過99%的連線使用的是雙絞銅線。我們多數人在自己的家庭和工作環境中已經看到過雙絞線。雙絞線由兩根隔離的銅線組成，每根大約1mm粗，以規則的螺旋形式排列著。這兩根線被絞合起來，以減少來自鄰近類似的雙絞線的電氣幹擾。通常許多雙絞線捆紮在一起形成一根電纜，並在這些雙絞線外麵覆蓋上保護性防護層。一對電線構成了一個通信鏈路。無屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）常用在建築物內的計算機網絡中，即用於局域網（LAN）中。目前局域網中的雙絞線的數據速率從10Mbps到10Gbps。所能達到的數據傳輸速率取決於線的粗細以及傳輸方和接收方之間的距離。
20世紀80年代出現光纖技術時，許多人因為雙絞線比特速率低而輕視它，某些人甚至認為光纖技術將完全代替雙絞線。但雙絞線不是那麼容易被拋棄的。現代的雙絞線技術例如6a類電纜能夠達到10Gbps的數據傳輸速率，距離長達100m。雙絞線最終已經作為高速LAN聯網的主要方式。
如前麵討論的那樣，雙絞線也經常用於住宅因特網接入。我們看到，撥號調製解調器技術通過雙絞線能以高達56kbps的速率接入。我們也看到，數字用戶線（DSL）技術通過雙絞線使住宅用戶以超過數十Mbps的速率接入因特網（當用戶靠近ISP的調製解調器居住時）。
2.同軸電纜
與雙絞線類似，同軸電纜由兩個銅導體組成，但是這兩個導體是同心的而不是並行的。借助於這種結構及特殊的絕緣體和保護層，同軸電纜能夠達到較高的數據傳輸速率。同軸電纜在電纜電視係統中相當普遍。我們前麵已經看到，電纜電視係統最近與電纜調製解調器結合起來，為住宅區用戶提供數十Mbps速率的因特網接入。在電纜電視和電纜因特網接入中，發送設備將數字信號調製到某個特定的頻段，產生的模擬信號從發送設備傳送到一個或多個接收方。同軸電纜能被用作導引型共享媒體（shared medium）。特別是，許多端係統能夠直接與該電纜相連，每個端係統都能接收由其他端係統發送的東西。
3.光纖
光纖是一種細而柔軟的、能夠導引光脈衝的媒體，每個脈衝表示一個比特。一根光纖能夠支持極高的比特速率，高達數十甚至數百Gbps。它們不受電磁幹擾，長達100km的光纜信號衰減極低，並且很難竊聽。這些特征使得光纖成為長途引導型傳輸媒體，特別是跨海鏈路。在美國和別的地方，許多長途電話網絡現在全麵使用光纖。光纖也廣泛用於因特網的主幹。然而，高成本的光設備，如發射器、接收器和交換機，阻礙光纖在短途傳輸中的應用，如在LAN或家庭接入網中就不使用它們。光載波(Optical Carrier，OC)標準鏈路速率的範圍從51.8Mbps到39.8Gbps；這些標準常被稱為OC-n，其中的鏈路速率等於n×51.8Mbps。目前正在使用的標準包括OC-1、OC-3、OC-12、OC-24、OC-48、OC-96、OC-192、OC-768。［Mukherjee 2006，Ramaswamy 2010］提供了光纖網絡各方麵的知識。
4.陸地無線電信道
無線電信道承載電磁頻譜中的信號。它不需要安裝物理線路，並具有穿透牆壁、提供與移動用戶的連接以及長距離承載信號的能力，因而成為一種有吸引力的媒體。無線電信道的特性極大地依賴於傳播環境和傳輸信號的距離。環境上的考慮取決於路徑損耗和遮擋衰落（即當信號跨距離傳播和繞過/通過阻礙物體時信號降低強度）、多徑衰落（由於幹擾對象的信號反射）以及幹擾（由於其他無線電信道或電磁信號）。
陸地無線電信道能夠大致劃分為三類：一類運行在很短距離（如1米或2米）；另一類運行在局域，通常跨越數十到幾百米；第三類運行在廣域，跨越數萬米。個人設備如無線頭戴式耳機、鍵盤和醫療設備跨短距離運行；在1.2.1節中描述的無線LAN技術使用了局域無線電信道；蜂窩接入技術使用了廣域無線電信道。我們將在第6章中詳細討論無線電信道。
5.衛星無線電信道
一顆通信衛星連接兩個或多個位於地球的微波發射方/接收方，它們被稱為地麵站。該衛星在一個頻段上接收傳輸，使用一個轉發器（下麵討論）再生信號，並在另一個頻率上傳輸信號。通信中常使用兩類衛星：同步衛星（geostationary satellite）和近地軌道（Low-Earth Orbiting，LEO）衛星。
同步衛星永久地停留在地球上方的相同點上。這種靜止存在是通過將衛星放置在地球表麵上方36000km的軌道上而取得的。從地麵站到衛星再回到地麵站的巨大距離引入了280ms的可觀的信號傳播時延。不過，能以數百Mbps速率運行的衛星鏈路，經常用在那些無法使用DSL或電纜因特網接入的區域。
近地軌道衛星放置得非常靠近地球，並且不是永久地停留在地球上方的一個點。它們圍繞地球旋轉，就像月亮圍繞地球旋轉那樣。為了提供對一個區域的連續覆蓋，需要在軌道上放置許多衛星。當前有許多低軌道通信係統在研製中。Lloyd的衛星星座Web頁［Wood 2012］提供和收集了關於通信用衛星星座係統的信息。近地軌道衛星技術未來也許能夠用於因特網接入。
最後更新：2017-07-06 09:32:18