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Note for Computer Network 6

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路由器、ADSL、FTTH

副标题：阅读《网络是怎么连接的（户根勤）》读书笔记6

路由器基础知识

  • 路由器分为转发模块和端口模块两部分
  • 转发模块负责，判断包的转发目的地
  • 端口模块负责，进行包的收发操作
  • 如果路由器的端口模块安装了支持无线局域网的硬件，就可以支持无线局域网了

路由器基本原理

  1. 接收。路由器在转发包时，会通过端口将发过来的包接收进来，采取以太网规范或者无线局域网规范来接收
  2. 查找目标地址。转发模块根据收到的包的IP头部中记录的接收方IP地址，在路由表中进行查询，以此判断转发目标
  3. 转发模块将包转移到转发目标对应的端口，再按照硬件的规则（委托端口模块）将包发送出去
  4. 注：端口模块会根据相应通信技术的规范来执行包收发的操作，意味着端口模块具备了发送方或接收方的身份。以以太网端口为例，端口具有MAC地址、IP地址，此时可以理解为实现了网卡的功能
目标地址 子网掩码 网关 接口 跃点数
10.10.1.0 255.255.255.0 - e2 1
10.10.1.101 255.255.255.255 - e2 1

ADSL接入网的工作方式

  • 互联网接入路由器的包转发操作。根据包IP头部中的接收方IP地址，在路由表的目标地址中进行匹配，找到相应的路由记录后将包转发到这条路由的目标网关。
  • 互联网接入路由器是按照接入网规则来发送包的。接入网：连接互联网与家庭、公司网络的通信线路。比较有代表性的是ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）不对称数字用户线，利用金属电话线进行通信，它的上行速率和下行速率是不对称的。

接入流程：

  1. 用户端路由器发出的网络包通过ADSL Modem和电话线到达电话局；
  2. 然后到达ADSL的网络运营商（ISP）；
  3. 经过隧道专用路由器进入互联网；

网络包的形态变化

  1. 网络包前加上MAC头部、PPPoE头部、PPP头部总共3种头部，，然后发送给ADSL Modem（PPPoE方式下）
  2. ADSL Modem接收到包后，拆包成很多小信元。信元是非常小的数据块 ，开头是有5个字节的头部，后面是48个字节的数据，用于一种ATM的通信技术。ATM：Asynchronous Transfer Mode异步传输
  3. ADSL Modem采用正弦波对信号进行合成来表示0和1的技术，这种技术叫做调制，调制有振幅调制ASK和相位调制PSK相结合而成的正交调幅方式
  4. ASK：用信号强弱，即振幅的大小对应0和1。也可以增加振幅到4个级别，从小到大表示00、01、10、11。但振幅级别太多，易出现衰减、噪声影响失真等问题，所以级别不能太多
  5. PSK：根据相位来对应0和1，从0度开始的波为0，从180度开始的波是1，也可以将角度细分，但角度太接近容易造成误判，所以以此来提升速率效果有限
  6. ASK和PSK的结合可以大幅度提高表示的比特数（4级*4级=16级）
  7. 以上是一个频率的波，实际上可以多个频率的波进行合成，也可以使用滤波器从合成波中国呢分离出特定的波，所以合成波可以大大提升传输效率
  8. ADSL使用间隔为4.3125kHz的上百个不同频率的波进行合成，每个波都采用正交调幅。而且，噪声小的频段可以给波分配更多的比特
  9. 上下行频段不同，下行使用频段较高信号易衰减，上行使用26个频段，下行则可以使用95个或223个频段，波的数量不同，导致上下行速率不同。
  10. 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，以确保ADSL信号不会进入电话机。另一个作用是防止电话对ADSL产生干扰，如果没有分离器，那么在ADSL通信同时接听电话，会造成几十秒的通信中断
  11. 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。DSLAM通过读波形，根据振幅和相位判断对应的比特值，将信号还原成数字 信息——信元。因为按照太多Modem占用大量空间以及监控的困难，所以电话局使用DSLAM设备，相当于多个ADSL Modem的集中设备。DSLAM相比ADSL Modem不具备以太网接口，只有ATM接口
  12. 信元从DSLAM出来后，到达一个叫做BAS的包转发设备，BAS也有ATM接口，BAS将收到的包前面的MAC头部和PPPoE头部丢弃，取出PPP头部及后面的数据，再加上隧道专用头部，并发送到隧道的出口
  13. 然后网络包到达隧道出口的隧道专用路由器，隧道头部会被丢弃，IP包被取出，并被转发到互联网的内部

光纤接入网（FTTH）的工作方式

  • 光信号亮表示1，暗表示0。发送端：数字信息被转换成电压和电流并输入到LED、激光二极管等光源，进而发出明暗不同的光。接收端：光电二极管可以感光，并根据光的明暗产生相应的电压和电流，这些电信号会被还原成数字信号
  • 纤芯的直径对光的传导影响很大，并且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
  • 光在光纤中反射时，会发生相位的变化，不同相位的光可能会被干涉抵消。只有几个特定的角度下，反射回来的光与原光相位保持一致，这样的光才能保证传输。纤芯直径也是根据这个角度来确定的
  • 单模光纤（8～10um），多模光纤（50～62.5um）。多模光纤可允许较大入射角的光，可选角度更多一些
  • 单模光纤：只能传导一条光线，对光源和光敏元件性能要求高，反射次数少，但走的距离短，信号失真小
  • 上行信号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，这种方式也被称为“波分复用”
  • FTTH具有直连和分路两种方式，这两种方式只是光信号的传输方式有一些区别，实际传输的网络包是相同的

PPP拨号上网的工作方式

使用电话线或ISDN拨号上网时

  1. 用户向运营商的接入点拨打电话，电话接通后输入user和password进行登录操作；
  2. user和password通过RADIUS协议从RAS发送到认证服务器，认证服务器校验这些信息是否正确
  3. 确认无误后，认证服务器会返回IP地址等配置信息，并将这些信息下发给用户
  4. 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
  5. 完成了准备工作后，就可以发送TCP/IP包了

tips：以上步骤中，重点在2、3两步

“在接入互联网时，必须为计算机分配一个公有地址，但这个地址并不是事先确定的。因为在拨号连接时，可以根据电话号码来改变接入点，而不同的接入点具有不同的 IP 地址，因此无法事先在计算机上设置这个地址。所以，在连接时运营商会向计算机下发 TCP/IP 配置信息，其中就包括为计算机分配的公有地址。”
Excerpt From: ［日］ 户根勤. “网络是怎样连接的.”

已完成全书501页

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