《网络是怎样连接的》读书笔记4
四、 接入网、网络运营商
1 ADSL接入网的结构和工作方式
1.1 互联网的基本结构和家庭、公司网络是相同的
互联网也是通过路由器来转发包，而且路由器的基本结构和工作方式没什么区别
不同之处在于以下两点：
转发设备间的距离很长，无法单纯使用网线
如何控制包的转发目标也不一样，路由表的维护方式不同
1.2 连接用户与互联网的接入网
互联网接入路由器和以太网路由器在操作发送网络包上有所不同，互联网接入控制器是由接入网规则来发送包的
接入网是指连接互联网与家庭、公司网络的通信线路，比较由代表性的有ADSL
1.3 ADSL Modem 将包拆分为信元
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 -》 路由器从包中取出IP地址并判断转发目标 -》 如果互联网接入路由器和ADSL Modem间通过以太网连接，那么接入路由器按照以太网规则执行包发送操作（但加上的头部有所不同，会加上MAC头部、PPPoE头部、PPP头部）-》按照以太网规则转换成电信号发送出去
之后ADSL Modem会将包拆分成很多信元，信元专用于ATM通信技术。
1.4 ADSL将信元“调制”成信号
ADSL采用振幅调制和香味调制相结合的正交振幅调制（QAM）方式（详细实现略过）
总之这种调制方式可以让一个波表示更多比特，从而提高传输速率
1.5 ADSL通过多个波段来提高速率
可以使用多个频率合成的波来传输信号，从而是表示的比特数成倍提高（详细实现略过，都是通信方面的知识，对程序员实在是太超纲也没必要）
1.6 分离器的作用
当信号从电话先传入时，分离器将电话和ADSL的信号进行分离，具体来说就是将一定频率以上的信号滤掉
1.7 从用户到电话局
从分离器出来后，就是查电话线的接口，信号从这里出来后，会通过室内电话线，到达大楼的IDE和MDF，外面的电话线在这里和大楼内部的室内电话线相连接
1.8 通过DSLAM到达BAS
信号在通过电话线到达电话局后，会经过配线盒、分离器到达DSLAM，在这里电信号会被还原成信元
信元从DSLAM出来后，会到达BAS（一种包转发设备）BAS可以将信元转换成原始包，之后将MAC头部和PPPoE头部丢弃，去除PPP头部和之后的数据。之后BAS会在包前面加上隧道专用头部，并发到隧道出口，网络包到达隧道出口的隧道专用路由器，在这里IP包会被去除，并转发到互联网内部。
2 光纤接入网（FTTH）
2.1 光纤的基础知识
光纤是一种双层结构的纤维状透明材质，通过里面纤芯中传导光信号来传输数字信息
光信号非常简单，亮表示1，暗表示0
2.2 单模和多模
光纤可以划分为较细的单模光纤（8-10微米）和较粗的多模光纤（50微米或62.5微米）
单模光纤的入射角很小，因此能够保持相位一致，失真较小
多模光纤的入射角较大，可以有多条光线同时在纤芯中传导，对光源和光敏元件的性能要求较低，失真较大
2.3 通过光纤分路来降低成本
用光纤代替ADSL将用户端接入路由器和运营商的接入方式是FTTH，可分为两种：
第一种：使用一根光纤直接从用户端连到电话局
网络包的传递链路：用户端的光纤收发器将以太网的电信号转换成光信号 -》 光信号通过光纤直接到达BAS前面的多路光纤收发器 -》 多路光纤收发器将光信号转换成电信号，BAS端口收发后，将包转发到互联网
第二种：在用户附近的电线杆上安装一个名为分光器的设备，通过让光纤分路，同时连接多个用户
3 接入网中使用的PPP和隧道
3.1 用户认证和配置下发
BAS就是接入网连接的路由器
ADSL和FFTH网中，都需要先输入用户名和密码，登录之后才可以用互联网，BAS就是登录操作的窗口。BAS使用PPPoE方式来实现这个功能。PPPoE由PPP进化而来
PPP拨号上网的方式： 用户向运营商的接入点拨打电话 -》 电话拨通后输入用户名和密码进行登录操作 -》 用户名和密码通过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 -》 返回IP地址等配置信息 -》用户计算机根据这些信息配置IP地址等参数 -》使用TCP/IP发包
由于不同的电话接入点会有不同的IP地址，因此无法事先在计算机上设置地址，因此在连接时运营商会向计算机分配IP地址
3.2 在以太网上传输PPP消息
接入供应商在ADSL和FTTH中一般也会使用PPP，但不会使用拨号上网的PPP
PPP协议没有定义以太网的包头和FCS，也没有定义信号格式，因此无法直接将PPP消息转换为信号来发送，因此需要容器去包含它。在拨号中PPP使用了HDLC协议做容器，对于ADSL和FTTH，并不能使用HDLC。
使用以太网包替代HDLC来装在PPP协议，由于以太网和PPP在设计上有所不同，所以重新设计了一个新的规格 PPPoE
3.3 通过隧道将网络包发送给运营商
隧道类似于套接字之间建立的TCP连接，将包含头部在内的整个网络包从隧道一头扔进去，包会原封不动的从另一个口出来。
隧道有两种实现方式：
第一种：在两台路由器之间建立TCP连接，然后将连接两端的套接字作为路由器的端口，并使用这个端口来收发数据
第二种：将包含头部在内的整个包装入另一个包传输到隧道的另一端
3.4 接入网的整体工作过程
接入路由器中配置运营商分配的用户名和密码 -》 接入路由器根据PPPoE的发现机制来寻找BAS -》 用户名和密码发送到BAS -》 BAS校验密码后向接入路由器下发TCP/IP配置信息（包括IP地址，DNS服务器的IP地址和默认网关的IP地址） -》 客户端发送网络包 -》接入路由器的路由表中如果找不到对应的条目，会将网络包通过PPPoE转发到BAS下发的默认路由
PPPoE的转发链路：将要发送的包加上头部信息（第一部分是MAC头部，接收方MAC地址填写BAS的MAC地址,接下来是PPPoE和PPP头部，在之后是包含IP头部在内的原始包），然后将网络包转换为信号，从相应的端口发送出去
网络包到达BAS -》 BAS将MAC头部和PPPoE头部去掉，再通过隧道机制发送包 -》最后PPP包会沿着隧道到达另一端的出口，也就是网络运营商的路由器
3.5 不分配IP地址的无编号端口
一对一连接的端口可以不分配IP地址，这种方式称为无编号
3.6 互联网接入路由器将私有地址转换为公有地址
互联网接入路由器在转发包是需要进行地址转换
如果使用路由器上网，BAS下发的参数会被配置到路由器上，计算机会没有公有地址。此时计算机会被分配一个私有地址，计算机发出的包需要在路由器进行地址转换再转发到互联网
3.7 除PPPoE之外的其他方式
PPPoA方式直接将PPP消息装入信元，由于没有MAC头部，因此PPP消息无法通过以太网进行传输网，这就意味着计算机和路由器必须和ADSL Modem是一体的.这种一体化有两种实现方式：
第一种是将计算机和ADSL Modem通过USB口连接起来
第二种是将ADSL Modem整合成一台设备
PPPoA不使用以太包来传输PPP消息，因此不会发生MTU变小的问题
有一些运营商使用DHCP协议替代PPP从BAS向用户端下发TCP/IP配置信息
首先客户端请求配置信息 -》 DHCP服务器下发配置信息（由于不需要验证用户名和密码，导致无法通过用户名来切换供应商网络）
另外DHCP运营商使用的ADSL Modem不适用信元，因此ADSL Modem和路由器可以分离
4 网络运营商的内部
4.1 POP和NOC
ADSL、FTTH等接入网于用户签约的运营商设备相连，这些设备就是POP
POP中包括各种类型的路由器，来应对各种不同类型的接入网
POP中的路由器有如下几种种类：
专线不需要用户认证、配置下发等操作，因此使用一般的路由器
电话、ISDN等拨号方式的接入网、使用RAS路由器，需要对用户拨电话的动作进行应答以及通过PPP协议进行身份认证和配置下发
ADSL和FTTH类型的接入网只需要使用一般的路由器就可以，因为接入服务商会使用BAS进行身份认证和配置下发
对于连接接入网的部分，由于线路很多，所以需要大量的端口，但是每个端口传输的网络包数量较少，因此可以使用端口多并且偏移的路由器；相对地，连接运营商和核心NOC以及其他POP的路由器的吞吐量很大，需要配备该性能的路由器
NOC是运营商的核心设备，会收到POP传来的网络包，因此也需要使用高性能路由器
NOC和POP没有严格的界定，NOC也可以配备接入网路由器，可以简单的理解为NOC就是扩大后的POP
5 跨越运营商的网络包
5.1 运营商之间的连接
当服务器的运营商和客户端的运营商不同时，网络包需要先发到服务器所在的运营商（相关信息可在路由表中找到）
对于互联网内部路由器来说，无论目的地是否属于同一家运营商，都可以从路由器中查到
5.2 运营商之间的路由信息交换
相连的路由器主动告知路由信息，在获得了对方的路由信息后，可以指导对方路由器连接的所有网络，将这些信息写入路由表中，就可以向那些网络发送包。在获得对方路由信息后，将自生路由信息告知对方，这个机制称为BGP
根据告知路由信息的内容，这种路由交换可以分为两类：
一类时将互联网中的路由全部告知对方，这种方式称为转接
二类是仅将各自网络相关路由信息告知对方，这种方式称为对等
5.3 BGP与公司网络自动更新路由表机制的区别
公司使用的方式是寻找与目的地间的最短路由器，并按照最短路由器来转发包，因此，所有路由器都是平等对待的
互联网的路由交换机制有如下特点：
互联网可以指定路由交换的对象，这样运营商就只能将路由信息提供给交了费的运营商，没交费的运营商无法将网络包发送过来
判断路由时的机制也不仅仅是判断最短路由，还可以设置其他的判断因素，比如可以对线路设置优先级