Computer Networking — 1.2 The Network Edge

contributed by <kaeteyaruyo>

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前一節我們已經簡單介紹了網路的組成以及什麼是通訊協定，接著我們要來介紹邊緣網路。邊緣網路是由我們最熟悉的裝置——也就是電腦、手機、平板，以及我們生活中時常用到的那些裝置——所組成的。相對於邊緣網路，核心網路則是由路由器和交換機組成的，這些我們留到下一章再來探討。

如同前面提到的，我們在網際網路的術語中會把手機平板電腦這些東西稱作終端設備 (End system)，但有時我們也會把他們叫作主機 (Host)，因為他們是用來執行應用程式（像是網頁瀏覽器、網頁伺服器、 email 用戶端、 email 伺服器…等等）的裝置。在接下來的文章裏面，這兩個單詞會被我們拿來交替使用，也就是 終端設備 = 主機 的意思。

主機又可以進一步被分成兩種：用戶端 (Client) 跟伺服器 (Server) 。一般來說，用戶端大部份都是個人電腦、手機、行動裝置等等，而伺服器則是更強大的機器，可以儲存以及分發大量的資料。在現代，我們瀏覽網路時取得的資料大多都是來自大型的資料中心 (Data center) 。舉例來說， Google 大約擁有 50 ~ 100 個資料中心，其中有大約 15 個大型資料中心，裡頭有超過 10 萬台的伺服器。

1.2.1 Access Networks

現在我們知道，終端設備位於「網路的邊緣」，接著我們要介紹的是存取網路 (Access Network)， 也就是將終端設備與通往網路的其它地方的第一台路由器（也稱為 "edge router"）連在一起的那些線路。上圖中的紅色連線就是存取網路的連線。存取網路可以分為家用存取網路、企業用存取網路、廣域無線行動網路等幾種。

Home Access: DSL, Cable, FTTH, Dial-up, and Satellite

• 在現代，最通用的兩種家用寬頻連線的方法是數位訂戶專線 (Digital subscriber line, DSL) 和纜線 (Cable)。
  • 家用客戶通常會直接跟提供他電話線的那間電信公司（在台灣，基本上就是中華電信）買寬頻服務，因此，當用戶使用的是 DSL 時，該電信公司也同時是這個用戶的 ISP。
  • 如下圖所示， DSL 的數據機可以直接利用現有的電話線（雙絞線）與位於電信公司的電話總局 (Central office, CO) 的數位用戶線路接取多工器 (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM) 交換資料。
    
  • DSL 數據機將數位訊號轉換成高頻的類比訊號之後，透過雙絞線傳送到 CO 去，接著 CO 裡的 DSLAM 再將類比訊號轉換回數位訊號。
  • 為了讓傳統電話線可以同時傳送網路訊號和一般的電話訊號，我們將訊號編碼到不同的頻段上，分別是：
    • 高頻的下行頻道 (downstream channel)， 使用 50 kHz 到 1 MHz 的頻段
    • 中頻的上行頻道 (upstream channel)， 使用 4 kHz 到 50 kHz 的頻段
    • 普通的電話用雙向頻道， 使用 0 到 1 4kHz 的頻段
  • 上述作法讓一條電話線用起來像是三條不同的線，所以這條線可以在同一時間上網和打電話而不會彼此干擾。
  • 在用戶端，有一個分線器將網路資料從電話訊號中分離出來，並且導向 DSL 數據機；在電信業者這端的 CO 裡，則是由 DSLAM 將網路資料從電話訊號中分離，並傳送到網際網路上。一個 DSLAM 可以連接上百到上千戶的電話線。
• DSL 的標準規格書裡定義了幾種不同的傳輸速率，像是 12 Mbps 下行 / 1.8 Mbps 上行，或是 55 Mbps 下行 / 15 Mbps 上行。由於下行和上行的傳輸速率不一樣，因此這樣的連線被稱作是非對稱的 (Asymmetric) （所以這種連線方式的全稱為非對稱數位訂戶專線 (Asymmetric digital subscriber line, ADSL)）。
  • 真正的傳輸速率可能會比上述的數字還要再慢一點，尤其是業者有提供分段式服務（不同速度的價格不同）時。
  • 傳輸速率亦會受到住家跟 CO 的距離、雙絞線的規格，以及電氣干擾程度的影響。
  • DSL 的電線是特別設計用來做短距離傳輸的，一般來說，當住家和 CO 的距離已經超過 15 ~ 30 公里的範圍，就必須要去尋找替代的上網方案。
• DSL 利用電信業者既有的電話線進行網路傳輸，而電纜網路連線 (Cable Internet access) 則是利用有線電視業者既有的電視節目用電纜線來進行網路傳輸。（因此在台灣，這又被稱作是第四台網路）
  • 使用第四台網路的用戶，可以直接跟提供電視節目的公司購買網路服務。
  • 如下圖所示，有線電視前端透過光纖 (Fiber optics) 連接到社區內的匯流站，匯流站再透過同軸電纜 (Coaxial cable) 將訊號傳送到各個住家。每個匯流站大致上可以服務 500 到 5000 個住家。在這個系統中，由於同時用到光纖和同軸電纜，因此常被稱作光纖同軸混合電纜 (Hybrid fiber coax, HFC)。
    
  • 第四台網路使用的是特別的纜線數據機 (cable modem)，就像 DSL 的數據機一樣，他通常是一個外接的裝置，透過乙太網路埠 (Ethernet port，我們會在第六章詳談乙太網路) 接到家用電腦上；而在有線電視前端這頭，則是透過纜線數據機終端系統 (Cable Modem Termination System, CMTS) 提供像是 DSL 網路中的 DSLAM 那樣的功能，負責將類比訊號轉換回數位訊號。纜線數據機會把 HFC 分離成上行和下行兩個頻道，跟 DSL 一樣，這兩條頻道的存取速度通常是非對稱的，下行頻道的速度往往比上行頻道快。根據 DOCSIS 2.0 訂定的標準，下行頻道的速度最快可以到 42.8 Mbps，而上行頻道則是 30.7 Mbps。相較之下 ADSL 就沒辦法那麼快。
  • 第四台網路有一個重要的特色，那就是他是一個共用的廣播媒介。也就是說，從有線電視前端那邊送出的訊號會被送到下行頻道的每一條線路上，而每一個從用戶送出的訊號則會共用同一條上行頻道送到有線電視前端。
    • 如果有多個用戶同時在下載影片，因為他們共享線路的頻寬，所以每一個用戶分到的頻寬會比整條線路的總頻寬還要低很多
    • 但如果很多用戶同時在上網（瀏覽網頁），因為不太可能同時有很多個人按下超連結去請求一個網頁資料（網頁資料的傳輸很快就完成了），所以這種情況下每個用戶就等同於是獨佔所有的頻寬在下載網頁
    • 由於上行頻道也是共用的，所以這種線路需要分散式多重存取協定 (distributed multiple access protocol) 來協調封包的傳輸，以避免碰撞（關於碰撞的問題，我們在第六章會解說）。
• 儘管 DSL 和有線電視網路已經覆蓋了美國超過 85% 的家用寬頻網路，現在又出現了一種更新的，更快的存取技術－－光纖到戶 (Fiber to the Home, FTTH) [FTTH Council 2016]。
  • 從名字就可以看得出來它取的爛透了，FTTH 的概念就是希望可以直接從 CO 拉一條光纖到每個用戶的家裡。現今有許多國家，像是阿拉伯聯合大公國、南韓、香港、日本、新加坡、台灣（感動Q）、立陶宛和瑞典，光纖到戶的覆蓋率已經超越了 30% [FTTH Council 2016]。
  • 從 CO 到住家的光纖配線，有幾種競爭中的技術可以使用。
    • 最簡單的作法就是直接光纖 (direct fiber)，也就是每一個住戶都分配一條直接拉到 CO 的光纖線路。
    • 但是其實由多個住戶共享同一條光纖線路是更常見的作法，光纖線路只有到真的很靠近每個住家的時候才會被分開。現在有兩種競爭中的光纖配線網路架構，用來決定怎麼分開這些個別用戶的線路，分別是：
      • 主動式光纖網路 (Active Optical Networks, AONs): 本質上就是交換式乙太網路 (switched Ethernet)，這我們在第六章會講。
      • 被動式光纖網路 (Passive Optical Networks, PONs): 如下圖所示，每一戶用戶都有一個光纖網路終端機 (Optical Network Terminator, ONT)，連接一條個別用戶專用的光纖，光纖的另一端則是分線器。分線器再把數十條（通常少於 100 條）光纖合併成一條共用的光纖，再連接到 CO 中的光纖線路終端機 (Optical Line Terminator, OLT)。 OLT 提供了將光訊號轉換成電子訊號的功能，再將訊號透過路由器傳送到電腦網路中。在住家中，使用者透過無線分享器連接到 ONT，以這個 ONT 存取網路。在 PON 的架構中，所有從 OLT 送到住家的封包都會在分線器的地方被複製一份，送往各個線路（就像第四台網路那樣）。
        
  • FTTH 有可能可以提供每秒數 GB 的傳輸速度，多數的光纖網路 ISPs 會提供不同速度的方案，越快的當然就越貴。2011 年時，美國光纖網路的下行頻道，其平均傳輸速度大約在 20 Mbps （相較於此，有線電視網路是 13 Mbps，而 DSL 則是 5Mbsp）[FTTH Council 2011b]。
• 還有其他兩種住宅網路的網路存取技術，可以被用在 DSL、第四台網路和光纖都接不到的鳥不生蛋的地方。
  • 衛星鏈路 (Satellite link) 可以提供用戶約 1 Mbps 多一點的網路存取速度。
  • 使用傳統電話線的撥接網路 (Dial-up access) 使用跟 DSL 一樣的架構－－用戶家中有數據機連接到電話線，電話線另一頭則接到 ISP 中的數據機。相較於 DSL 和其他的寬頻網路，撥接的速度慢的令人無法忍受，只有 56 kbps。

Access in the Enterprise (and the Home): Ethernet and WiFi

• 在一些企業、大專院校，近期也開始包含一般的住家，區域網路 (local area network, LAN) 扮演著連接終端設備到邊緣網路路由器的角色。雖然 LAN 的技術有很多種，但是在上述場域中，目前最常見的技術就是乙太網路 (Ethernet)。
  • 如下圖所示，乙太網路的使用者使用雙絞線連接到乙太網路交換機，詳細的技術細節我們待第六章再談。乙太網路交換機（或是說，它所在的那個區域網路，像是下圖中間的那朵雲）接著再連上一個更大的網路。使用乙太網路，每個使用者平均可以分到 100 Mbps 到 1 Gbps 的存取速度，而伺服器甚至可以分到 1 Gbps 至 10 Gbps 的速度。
    
    
  • 近期越來越多使用者透過筆電、智慧型手機、平板，或是其他「物品」來存取網路。在無線區域網路中，使用者可以透過無線存取點 (Wireless Access Point) 來連到企業的內網（大部分都是有線乙太網路），然後才往外連到有線網路中。
    • 這些使用者只有在距離存取點十幾公尺以內的地方才連的到網路。
    • 無線存取點的技術基於 IEEE 802.11 的規格，俗名叫做 Wi-Fi。現在在幾乎所有場域都可以使用 Wi-Fi 來上網。
    • 在許多大城市中，使用者站在一個街角，就可以收到十幾二十個基地台的訊號。（想要知道地球上各個地區基地台的分佈狀況，你可以到 wigle.net 上查看）
    • 在第七章當中我們會提到， Wi-Fi 提供了最高到超過 100 Mbps 的共享傳輸速率。
• 儘管乙太網路和 Wi-Fi 一開始是用來部屬在大型機構（如企業、大專院校等）當中的，但最近他們在一般住家當中也變得越來越常見。許多住家透過便宜的 Wi-Fi 分享器將 DSL 訊號轉換成無線網路，提供相當強大的家用網路[Edwards 2011]。
  • 下圖展示了一個典型的家用網路。這個家中有使用無線網路的筆電，也有接上有線網路的個人電腦。無線基地台 (WAP) 提供手機和筆電無線訊號；數據機則提供電腦寬頻有線網路；路由器則把訊號傳到 ISP 的機房。這樣的網路架構提供了家中的成員一方面可以使用寬頻網路，另一方面可以從家中的任何一個地方漫遊到另一個地方。
    
    

Wide-Area Wireless Access: 3G and LTE

• 最近越來越多像是 iPhone 或是 Android 的裝置，用來傳訊息、上社群網站分享照片、看影片，或是在慢跑時放音樂。這些使用跟蜂巢式網路一樣的無線基地台來傳輸封包。和 Wi-Fi 不同，使用者只需要距離基地台數十公里（而不是數十公尺）就可以連到網路。
• 許多電信公司投資了大量的資金到俗稱 3G 的技術中，這是一種可以提供大約 1 Mbps 的封包交換 (packet-switched) 廣域無線網路存取技術。但最近又有一種更快的廣域無線網路存取技術－－4G 準備要商用了（沒有喔現在都已經快要 5G 了www）。
  • 4G ，又稱 LTE (Long-Term Evolution 的縮寫，可以角逐年度最爛縮寫大賞）奠基於 3G 技術，但可以達到超過 10 Mbps 的傳輸速度。許多商用的 LTE 下行頻道都已經被證實可以達到數十 Mbps 的速度。
• 這些無線網路和行動網路相關的原理，還有 Wi-Fi, 3G, LTE 等等的技術，我們都會在第七章說明。

1.2.2 Physical Media

在上一個段落，我們簡單介紹了一些重要的存取網路的技術。在我們說明這些技術的同時，我們也提到了這些技術所使用的物理介質。例如：光纖同軸混合電纜 (Hybrid fiber coax, HFC) 同時用到了光纖電纜和同軸電纜；DSL 和乙太網路使用銅纜線；而行動網路則是使用無線電波。在這個小節，我們會簡單介紹一些在網際網路中常見的傳輸介質，包含上面提到的這些還有一些其他的。

什麼叫做「物理介質」呢？想想看，一個位元是怎麼從一個終端系統被傳到另一個終端系統的？這個位元會經過一系列的機器，一開始從某個終端系統送出，然後被某個路由器接收，接著再被這個路由器送出，再被另一個路由器接收…就這樣重複好多次，最後終於送到了終點。在每一組送出 - 接收資料的機器之間，位元被乘載在某種物理介質上，這些電磁波、光脈衝波，或是無線電波，必須跑在某種物質上面。這些物質可以是各種不同的型態，這一路上的每一對機器間可能會經過很多種不同的物質。這些物質包含：雙絞（銅）線、同軸電纜、多模光纖、在地表傳輸的無線電波（地上波），以及透過衛星傳輸的無線電波。這些物理介質可以被分成兩種：有向的介質 (guided media) 和無向的介質 (unguided media)。在有向的介質中，像是光纖、雙絞線和銅軸電纜，波動（電磁波或光波）會沿著某個固體物質傳遞；而在無向的介質中，像是無線區域網路或是電子衛星頻道，波動會在大氣裡或是外太空四處傳播。

但在我們開始介紹這些介質的特性前，我們可以先簡單地談一下他們的成本。其實這些線材的成本相較於架設網路服務的其他部分是相對便宜得多的，尤其是安裝這些機器的人工成本，硬是比這些線材的價格本身還要再大上幾個數量級。因此，許多建商會在一開始蓋房子的時候，就在所有的房間裡面同時安裝好雙絞線、光纖和同軸電纜。因為就算一開始只會用到其中一種，也難保以後不會需要用到第二、第三種。事先就把所有的線都裝好，就可以省的之後要安裝額外的線還要多花一筆錢。

Twisted-Pair Copper Wire

• 最便宜且最常用有向傳輸介質就是雙絞線（銅纜線）了。雙絞線在電話網路上面已經用了一百多年。事實上，從家中的話筒到電信業者機房裡的那條線，有超過 99% 的比例用的都是雙絞線。我們（甚至我們爸媽和阿公阿嬤）幾乎都有在家裡或是在工作的地方看過雙絞線。
• 雙絞線是由兩條絕緣的銅線構成的，每一條約 1mm 寬，呈螺旋狀地絞在一起，目的是為了降低兩條電線靠近時產生的電磁干擾。
  • 一般來說，雙絞線會很多條排在一起，包在一個保護罩裡面。這一大條東西組成了一條網路線，叫做無遮蔽雙絞線(Unshielded twisted pair, UTP)，常被用在同一棟建築內的區域網路的連接。
  • 現今區域網路用的雙絞線其傳輸速率約在 10 Mbps 到 10 Gbps 的區間內，主要是受到電線的粗細和兩台機器之間的距離影響。
• 在 1980 年代，光纖技術被發明出來的時候，人們一度鄙棄了雙絞線，因為它的傳輸速率相對較慢。這些人甚至預言光纖電纜將會完全取代雙絞線。但雙絞線並沒有輕易放棄（原文就這樣寫XD）。現代的雙絞線科技，像是六類雙絞線 (CAT-6)，已經可以以高達 10Gbsp 傳輸速度，傳輸至少上百公尺。因此，雙絞線現在可說是高速區網的傳輸媒介中的霸主。
• 就像我們先前提到的，雙絞線也很常被用在住宅網路的接取網路中。撥接的數據機用的就是雙絞線，提供了大約 56 kbps 的傳輸速度。DSL 也是用雙絞線，當用戶住的離 CO 不遠的時候，可以提供數十 Mbps 的傳輸速度。

Coaxial Cable

• 跟雙絞線一樣，同軸電纜也是由兩條銅導線組成的，差別在於同軸電纜的兩條導線是呈同心圓的，而不是平行排列的。由於這種特別的結構，加上特別的絕緣和遮蔽材質，同軸電纜擁有很高的傳輸速率。
• 同軸電纜很常被用在電視網路中。就像前面提到的，現在很多有線電視供應商都開始加裝數據機，讓用戶可以享用數十 Mbps 速度的第四台網路。
• 在有線電視和第四台網路的傳輸過程中，電子訊號會被轉換成某個波段上的類比訊號，再送往各個接收器。
• 同軸電纜也可以作為一種有向的共享介質使用。一個終端機器可以直接透過同軸電纜和其它多個終端機連接，這樣他就可以接收到其它機器送出的任何訊號。

Fiber Optics

• 光纖是一種很細、有彈性，且可以傳導光脈衝的介質，當中的每一道光脈衝就代表一個位元。光是一條光纖就可以承載非常大量的資料，速度高達數十甚至數百 Gbps。
• 光纖不會受到電磁干擾的影響，訊號可以傳遞 100 多公里也不太會衰退，且不容易竊聽。這些種種的特性都讓光纖成為一個絕佳的有向長途傳輸介質，尤其是用在跨海的傳輸上。現在包含美國在內的許多國家，長途電話網路都已經全面使用光纖傳輸了。
• 光纖同時也廣佈在電腦的骨幹網路中。但是這些高價的儀器（像是光纖專用的接收器、發射器，還有交換機）使得它們只能被佈署在短程的傳輸上，像是區域網路或是住宅存取網路的最後一哩路等。
• 標準光載體 (Optical Carrier, OC) 傳輸速度介於 51.8 Mbps 至 39.8 Gbps 之間。我們通常會寫成 OC-n， 代表傳輸速度是
  $n\times 51.8Mbps$。 現在有在用的標準速度有 OC-1, OC-3, OC-12, OC-24, OC-48, OC-96, OC-192 和 OC-768。 [Mukherjee 2006, Ramaswami 2010] 涵蓋了非常多層面的光纖網路技術。

Terrestrial Radio Channels

• 無線電波透過電磁波頻譜傳送訊號。他們不需要有實體的線路、可以穿透牆壁、就算使用者正在長途移動也可以使用，而且訊號可以傳的很遠，這些都是他受歡迎的原因。
• 無線電的特徵受到其傳導的環境和傳輸的距離影響很大。傳導的環境將會決定
  • 路徑耗損
  • 遮蔽衰弱：因為長距離傳輸和行經遮蔽物造成的訊號強度衰減
  • 多重路徑衰弱：因為行經兩種以上的路徑抵達同一個接受器，同一個訊號之間建設性干涉或破壞性干涉造成的訊號強度改變
  • 干擾：其他的訊號或是電磁波造成的干擾
• 地上無線電波可以粗略的分類為以下三類：
  • 短距離傳輸用的（大概一兩公尺）： 用於無線耳機、鍵盤、滑鼠，或是醫療儀器等。
  • 區域傳輸用的（大概幾百公尺）： 用於無線區網。
  • 廣域傳輸用的（大概幾十公里）： 用於蜂巢式行動網路。
• 更多關於無線電的特性，我們會在第七章介紹。

Satellite Radio Channels

• 通訊衛星可以用來連接兩到多個在地表上的無線電波收發器。衛星會接收某個頻段的電波，用中繼器 (Repeater) 將訊號放大之後，再將訊號從另一個頻段送出去。
• 現在我們使用的通訊衛星大概可以被分成兩種[Wiki Satellite 2016]，分別是：
  • 靜止軌道同步衛星 (Geostationary Satellites)
    • 衛星會一直待在地球上某個點的正上方，相較於該點靜止不動。
    • 為了讓衛星可以相對地表靜止不動，我們必須讓他的軌道速度相等於地球的自轉速度。透過計算得知，將衛星放在距離地表 36000 公里的地方就可以達到此目的。
    • 訊號必須經過這麼長的距離，從地表送到衛星，再從衛星送回地表，因此會造成非常大的訊號延遲，大約是 280 毫秒。
    • 儘管如此，通訊衛星依然可以以高達上百 Mbps 的速度傳輸資料，因此還是很常被用在那些沒辦法使用 ADSL 或是第四台網路的地方。
  • 近地軌道衛星 (Low-Earth Orbiting, LEO)
    • 衛星被放在距離地表相對較近的地方，所以也不會維持在相對地表某點固定的上方，而是繞著地球轉。
    • 近地軌道衛星彼此之間可以互相溝通，也可以和地上的通訊站溝通。
    • 為了持續覆蓋一整個區域，許多衛星必須被放在固定的軌道上。
    • 目前已經有許多近地軌道衛星的通訊技術正在開發，未來有望被使用在存取網路中。

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