接入网与物理媒体：网络边缘接入核心的桥梁

接入网与物理媒体：网络边缘接入核心的桥梁

接入网的核心任务是对复用现有物理基础设施（电话线、同轴电缆等）进行技术改造，将家庭与企业端系统连接到网络核心，其中带宽大小及共享/独享属性是决定用户体验的关键指标。

核心要点

网络的整体结构与接入网的位置

• 互联网由终端系统（边缘）与网络核心组成，边缘设备必须通过接入网才能与网络核心相连，核心网络负责数据交换，使源主机与目标主机之间能够通信。
• 接入方式按使用场景划分：住宅接入和单位（企业）接入；按介质类型划分：有线接入和无线接入（无线又分为无线局域网与无线广域网）。

接入网的两个关键指标

共享与独享的辩证关系

• 光纤接入至电信交换设备：用户到最近网络交换设备之间的这一段通常为独享（带宽有保证），但上行链路可能由全楼/全网用户共同共享。
• 有线电视公司接入：通常是整个用户群体共享接入带宽。运营商宣传“数百兆bps接入带宽”，实际上背后是与数百个用户共享这些带宽。
• 典型场景：若独享链路为1Gbps，楼宇出口为10Gbps，则数百户均分出口时，高峰期每户只能得到极小比例（如1%）的带宽。

详细解析

接入网的核心矛盾：投入成本 vs. 接入速度

专线直铺方式（高成本）

• 做法：运营商把光缆/电缆铺设到每家每户门口（如今电信运营商光纤到户即采用该模式）。
• 历史案例：长城宽带早期采用专线直铺方式，投入巨大、收益缓慢，公司无法支撑最终被低价出售（以100万人民币卖掉）。
• 局限：前期投入巨大、回报周期长，许多公司难以承受。

复用现有基础设施方式（低成本）

• 思路：利用已有的物理线路（如电话线、有线电视同轴电缆、电网），减少铺设新线路的巨额投入，快速接入千家万户。
• 案例：电信公司家庭原有的电话线已经与最近的程控交换机相连，为复用该资源提供了可行性。

方法与步骤：两种基于电话线的接入技术详解

拨号接入（Modem调制解调器）

工作原理

1. Modem本质：取自于两个词——“调制”（modulate）和“解调”（demodulate），两者做在一台设备里，称为Modem。
2. 电话线限制：电话线原来用于传输语音（音频），语音带宽范围约300Hz~3400Hz，所以运营商为用户分配的有保证带宽为4KHz。
3. 调制方式：在4KHz语音带宽内选择某一频率作为载波信号，在载波上加载上网数据：

• 调幅：载波幅度高代表“1”，幅度低代表“0”
• 调频：不同频率（如2KHz和3KHz）分别代表“1”和“0”
• 调相/综合调制：改变相位或组合多种方式以提升速率

1. 用户端安装一个“猫”，电信端放置Modem池，即可将拨号数据通过音频载波传输至互联网，同时电话网走电话网。

特点与局限

• 带宽：56Kbps及以下；线路质量差时只能达到30多Kbps（通常出现于90年代中后期）。
• 不能同时打电话和上网：因为上网占用了电话线。
• 应用场景：90年代中后期互联网早期的主流上网方式，之后被淘汰。

非对称数字用户线（ADSL）

设计思路与改进

• 频率划分：
• 0~4KHz：继续用于传统语音通信
• 4KHz以上：非对称地划分，较小一段用于上行数据，较大一段用于下行数据
• 技术机制：上行数据和下行数据在4KHz以上带宽中仍然通过调制解调方式工作，但使用更复杂的调制解调技术。
• 可行性基础：城市内电话线路质量较好，且电话线距最近程控交换机通常较短，4KHz以上带宽资源有条件被挖掘。

关键特性

• 可同时上网和打电话：因为上网走的是4KHz以上附加带宽，语音走0~4KHz，互不干扰。
• 非对称带宽：上行通常达到1Mbps至数Mbps；下行能达到10Mbps级。

案例与数据：有线电视公司接入方式（HFC/Cable Modem）

适用情景与核心问题

电信公司在转售电话线资源时获得了成功，于是有线电视公司也采取了相同思路：利用已有的同轴电缆网络为千家万户提供服务。

原有网络局限及改造方案

1. 原有网络是单向广播：有线电视通过同轴电缆只向终端用户做电视广播（不同电视频道需要调谐切换）。
2. 改造方式：将单向系统数字化并双向化改造，将带宽划分为多段用途。

频带分配方案

实际体验与决定性特征

• 共享性：上行带宽通过接入控制方式由众多用户共享，下行数据由头端统一向下推送。
• 技术参数：下行最高可达约30Mbps；上行速率典型为2Mbps左右；带宽划分是非对称的。
• 网络结构：越往上游越是光纤部分，越靠近住户越采用同轴电缆（光纤+同轴混合架构）。
• 发展趋势：目前Cable Modem接入方式正在萎缩，原因在于光纤到户可以提供更优质的服务，用户退订有线电视公司套餐（包括电视）的趋势明显。

其他类似模式与局限

• 电力线上网：在电线上安装Power Modem（电力调制解调器），通过电网传输数据，国内外用户都较少采用。
• 运营商的ISP身份：无论电信运营商还是有线电视公司，其本质都是互联网服务提供商（ISP），为用户提供接入互联网的服务。

方法与步骤：家庭与企业局域网接入方式分析

家庭接入网络的结构

• 住宅用户通过 Modem 接入运营商网络（电信、联通、有线电视公司均有各自类型的Modem），通过猫后通常连接综合接入设备（多功能路由器），该设备实现了多种功能：

• 路由器功能：将家庭内网连接到运营商网络，并实现数据转发
• 防火墙功能：保护内网免受外部威胁
• 网络地址转换（NAT）功能：让家里多个设备共享一个公网地址上网
• 交换机功能：通过有线端口直接接入设备进行互相通信
• 无线接入点（AP）功能：遵循Wi-Fi（IEEE 802.11）标准，将家庭内的无线终端（如手机、平板）接入网络
• 通信逻辑：同一局域网内的有线-有线、无线-无线、无线-有线终端之间通信，可直接通过本地交换完成；只有发往互联网的流量才经过上行端口借助Modem进入运营商网络。

企业接入网络的结构

企业接入网络通常通过层级化的交换机架构实现：

• 接入层：楼层内的无线AP与有线终端接入楼层的交换机
• 分布/汇聚层：楼层交换机通过级联上行到大楼交换机，大楼交换机再上行至园区核心交换机
• 核心层：核心交换机通过路由器接入多个外部网络（运营商、教育网、科研网等）
• 重要案例——中国科学技术大学（科大）网络：
• 西区核心交换机接入东区核心交换机
• 科大出口路由器接入中国电信、中国移动、教育网、中科院网络等十余个外部网络
• 科大节点同时作为安徽省属高校的接入点，高校经由科大接入互联网和教育网
• 结论：大规模机构的出口通常不止一个，而是多运营商多路径接入

无线接入方式详解

无线局域网（WLAN）

• 覆盖范围：约100英尺（约30米）范围的典型无线接入距离，在家庭/小型办公环境通过一个AP即可连接所有无线设备。
• 标准演进与技术参数：

• 趋势：无线局域网标准的接入带宽不断提升。
• 注意方向：无线局域网是无线接入，但其本身属于共享介质，接入的终端设备共享无线频谱。

无线广域网（WWAN）

蜂窝移动通信（4G/5G）

• 机制：手机等移动终端通过基站接入移动互联网，典型覆盖范围为基站周边十几公里（更准确的说是宏基站覆盖范围，5G更小）。
• 5G特点：
• 部署密度更大（需大量微基站），接入带宽更高（可达数个Gbps级别）
• 能耗更大，同时目前缺少杀手级应用来充分占用这些带宽，运营商部署积极性受到抑制
• 基站部署成本高，网络高速公路已经修好，但上面跑的“车”（应用需求）还很少
• 应用与网络的协同驱动问题：更强网络能力的建设会催生新型应用，而新应用的出现又需要更强的网络支撑。

卫星通信

静止轨道（GEO）卫星方案

• 通过地球同步静止轨道卫星做中继，实现全球范围的通信，每个信道由若干Kbps到几十Mbps组成（多信道聚合）。
• 固有缺点：传播延迟大——电波以每秒20万~30万公里的速度传播但路径长达数万公里，端到端延迟可达270毫秒量级甚至数百毫秒。

低轨卫星方案（如星链Starlink）

• 不是高轨同步卫星，而是采用一组低轨卫星，它们与地球不同步，高速运转且距离近，在飞行过程中动态接入地面用户，再通过星间中继/地面站接入互联网。
• 适用领域与局限：有潜力用于军事情景等特定领域，但即便数十颗星组成星座，接入用户的数量仍然非常有限，不足以取代5G广域覆盖的模式。

物理媒体（Physical Media）

基本概念与分类

• 物理链路定义：物理媒体是连接两个相邻节点、在节点对之间传输比特的介质。
• 重要性：广播型介质（无线）与点对点物理介质的接入方式完全不同，因为介质特性不同，数据链路层的介质访问控制（MAC）机制与标准也不同——这些内容留待数据链路层章节详细介绍。

三大类导引型媒体

双绞线

• 结构：一对绝缘的铜导线相互绞合而成；单位距离绞合越密，质量越高（如六类线）。
• 应用：传统以太网（如10Mbps/100Mbps快速以太网）常用的有线传输介质。

同轴电缆

• 结构：中心为铜芯，外面包有铜网作为屏蔽层，二者构成同心圆柱体（轴心对称），形成同轴结构。
• 类型：
• 宽带同轴电缆：较宽（粗），可在多个频段同时工作（如有线电视的多个频道广播）
• 窄带同轴电缆：较细（细缆），只有一个频段在工作
• 用途：电视广播和早期的有线以太网。

光纤 / 光缆

• 光信号在光纤中传输，特点是带宽极宽、误码率极低、安全性非常高。
• 华人物理学家高锟（高昆） 因在光纤通信领域的开创性贡献获诺贝尔奖（诺贝尔物理学奖），该技术把铜线等电介质构成的通信带宽以若干数量级别进行了放大，极大地提升了骨干网络的传输能力。

光纤传输原理：全反射

光信号在光纤中的工作机理在于光的传导约束：

1. 光纤包含折射率不同的两种材料：内层介质（纤芯）和外层介质（包层），包层可近似视为空气。
2. 只要入射角满足一定条件，光就会发生全反射，即光信号能完全被束缚在内导体（纤芯）中向前传播，所以可以传到非常非常远的地方。
3. 若不满足全反射条件，一部分折射、一部分反射，光信号会在很短距离内损耗殆尽。

光纤两大类型

光缆的组成

• 多根光纤收束在一起，加入起加强作用的钢芯，外层加保护层即形成光缆。
• 光缆可制为大束状（用于海底光缆，跨太平洋干线），也可制成带状基带式样（带状光缆）。
• 应用场景：国家干线（如中国电信、联通、移动的骨干数据链路）均采用光缆承载数据，骨干链路上可承载通信信号、互联网访问信号或机构间租用线路。

光纤安全性

• 抗电磁干扰：光纤中传输的是电磁波频谱中极高频的光信号，而非普通射频电磁波，因此很难受外界的电磁干扰影响，所以误码率极低。
• 防窃听：光信号被完全束缚在光纤内部，不发散、不向外辐射电磁波，想窃听只能把光缆物理切开引出信号——这需要直接接触（与该电缆带被旁路的代价有关）。

注：内容提到坊间传闻一些帝国主义国家的情报机构通过切割海底光缆，将信号引出后由大量服务器还原并过滤传输内容。本段落原文为坊间传闻，可信度在当前材料中未予以科学证实。

非导引型媒体（无线链路类型）

无线传输的固有特性与传播劣化

• 在开放空间传电磁波会随距离增加而迅速衰减，信号强度与距离的平方成反比。
• 会遇到物体反射或被物体吸收。
• 开放空间中同时存在他人的传输，若频带有重叠，就容易产生相互干扰。
• 无线在物理层的低效进一步要求数据链路层介质访问控制方案必须经过针对性设计。

案例：中科大无线光通信与可见光通信技术

• 中科大信息学院下设中科院的无线光通信重点实验室。
• 机制：发射端为LED光源，接收端为摄像头；系统在周围环境可见光中发送光信号，肉眼几乎觉察不到光源在工作，但接收设备可以捕捉LED光源的细微变化并从中解调出网络信号。
• 价值：该技术既利用了光通信的高带宽，又不需要铺设物理线缆，具有较大的潜力可挖掘，但该部分技术在材料中标注为“目前尚未完全挖掘出应用场景”。

核心技术与现实的对话：带宽升级与场景限制

有线以太网发展

• 在局域网中带宽已不构成根本瓶颈，数据中心通常部署万兆交换机与万兆网卡以完成短时间、大批量的数据传输（用于深度学习等计算场景），而一般家庭与工作室使用1Gbps就相当够用。
• 由于存在共享与高峰期现象，家庭用户在不同时刻的实际体验差异极大。

5G及移动互联网的现状与展望

• 在移动互联网方向，早在2006-2007年前后，移动设备访问互联网的数量和交易额已经超过了固网方式。
• 5G在我国部署虽积极，但限于能耗与微基站密度问题，运营商尚未找到能完全回收网络成本的杀手级应用，用户使用5G套餐的意愿不及预期。
• 中国在5G核心生产设备、网络设备的研发与制造方面已超过欧美发达国家，处于领先地位，对高技术领域有标志性意义。
• 未来趋势：应用与网络将相互推动——更强的网络激发更新型的应用，更新型的应用又反过来牵引网络进一步升级。

总结与展望

• 接入网的核心挑战：在最低的资金投入下，将尽可能多的用户以最合适的服务质量接入到核心网络。
• 接入技术的三种基本解决路径：
• 新建专网（光纤到户的模式）——成本高，体验好（可独享带宽）
• 复用已有电话线资源——（拨号/ADSL）实现从低带宽到较高带宽的差级过渡
• 复用有线电视资源/电网资源——带来成本优势，但需改造并为共享问题负责
• 最终用户关心的两个维度是带宽上限与共享/独享品质，供应商的计费和资源配置必须以此为基础。
• 有线接入的未来是光纤到户；无线接入的未来仍需在大带宽、高密部署与真正的应用需求之间找到平衡。