4.1 ADSL 接入網的結構和工作方式

4.1.1 網際網路的基本結構和家庭、公司網路是相同的

我們可以將網際網路理解為家庭、公司網路的一個放大版。

網際網路也有一些和家庭、公司網路不同的地方，其中之一就是與轉發裝置間的距離。

二者的不同點

傳輸距離的不同

在家庭、公司網路中，與轉發裝置之間的距離不過幾十米到幾百米。這種情況下只要延長乙太網線就可以到達相鄰的轉發裝置了。

乙太網線是無法實現這種長距離的連線，雙絞線的極限距離是 100 米，但光纖的連線距離可以長達幾公里。

控制包的轉發目標不同

網際網路也是根據路由表中的記錄來判斷轉發目標的，但路由表記錄的維護方式不同，網際網路中的路由器上有超過 10 萬條路由記錄。

而且這些記錄還在不斷變化，當出現線路故障時，或者新的公司加入網際網路時，都會引發路由的變化。

人工維護這些路由資訊是不現實的，必須實現自動化。公司的路由器也有自動維護路由表的機制，但出於各種原因，網際網路中採用的機制和公司有所區別。

距離的不同和路由的維護方式，就是網際網路與家庭、公司網路之間最主要的兩個不同點。

4.1.2 連線使用者與網際網路的接入網

網路包通過交換機和路由器的轉發，在通過網際網路接入路由器之後，就進入了網際網路。

網際網路接入路由器的包轉發操作也和乙太網路由器幾乎是一樣的：即根據包 IP 頭部中的接收方 IP 地址在路由表的目標地址中進行匹配，找到相應的路由記錄後將包轉發到這條路由的目標閘道器。

但是網際網路接入路由器是按照接入網規則來發送包的。

接入網這個詞表示的是通訊線路的用法，而並不表示通訊線路的結構。

例如公司裡使用的專線，當它用來連線網際網路時就叫作接入網，而用來連線總公司和分公司時就不叫接入網。

此外，接入網這個詞也不僅限於網際網路，當使用運營商提供的通訊服務時，一般都會將使用者與運營商之間的線路叫作接入網

所謂接入網，就是指連線網際網路與家庭、公司網路的通訊線路。

一般家用的接入網方式包括 ADSL  、FTTH C 、CATV、電話線、ISDN 等，公司則還可能使用專線。

接入網的線路有很多種類，下面先介紹一個比較有代表性的ADSL。

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Line，不對稱數字使用者線。它是一種利用架設在電線杆上的金屬電話線來進行高速通訊的技術，它的上行方向（使用者到網際網路）和下行方向（網際網路到使用者）的通訊速率是不對稱的。

FTTH

Fiber To The Home，光纖到戶。指的是將光纖接入家庭的意思。

4.1.3　ADSL Modem 將包拆分成信元

ADSL 技術使用的接入線路，其內部結構如圖 4.2 所示，在這張圖中網路包是從右往左傳輸的。 

使用者端路由器發出的網路包通過 ADSLModem 和電話線到達電話局，然後到達 ADSL 的網路運營商（即 ISP，網際網路服務提供商）。

包從客戶端通過集線器和交換機到達網際網路接入路由器

首先，客戶端生成的網路包（圖 4.3 的①和②）先經過集線器和交換機到達網際網路接入路由器（圖 4.3 ③），並在此從乙太網包中取出 IP 包並判斷轉發目標（圖 4.3 ④）。

網際網路路由器將包轉發給ADSL Modem

如果網際網路接入路由器和 ADSL Modem 之間是通過乙太網連線的，那麼就會按照乙太網的規則執行包傳送的操作，但乙太網的頭部會有一些差異。

網路包會加上 MAC 頭部、PPPoE 頭部、PPP B 頭部總共 3 種頭部（圖 4.3 ⑤），然後按照乙太網規則轉換成電訊號後被髮送出去。

ADSL Modem 的中文全稱為“調變解調器”。

PPP是點到點協議。它是電話線、ISDN 等通訊線路所使用的一種協議，集成了使用者認證、配置下發、資料壓縮、加密等各種功能。

ADSL Modem將包拆分為信元

網際網路接入路由器將包傳送出去之後，包就到達了 ADSL Modem（圖 4.3 ⑥），然後，ADSL Modem 會把包拆分成很多小格子（圖 4.3 ⑦），每一個小格子稱為一個信元。

信元是一個非常小的資料塊，開頭是有 5 個位元組的頭部，後面是 48 個位元組的資料，用於一種叫作 ATM 的通訊技術。

可以將信元理解為一種更小一號的包，原理上跟 TCP/IP 將應用程式的資料拆分成塊裝進一個個包的過程是一樣的。

ATM

Asynchronous Transfer Mode，非同步傳輸。它是在以電話線為載體的傳統電話技術基礎上擴展出來的一種通訊方式。它的資料傳輸是以“信元”為單位來進行的，這和以包為單位傳輸資料的 TCP/IP 很像，但這種方式並不適用於計算機通訊。

實際上也有一些 ADSL運營商使用的 ADSL Modem 是不進行資料拆分的。

4.1.4 ADSL 將信元“調製”成訊號

將信元轉換成訊號

方波訊號無法滿足需求

乙太網採用的是用方波訊號表示 0 和 1 的方式，這種方式很簡單，ADSL 採用的方法要複雜一些。

因為方波訊號的波形容易失真，隨著距離的延長錯誤率也會提高，且方波訊號覆蓋了從低頻到高頻的寬廣頻段，訊號頻率越高，輻射出來的電磁噪聲就越強，因此訊號頻譜太寬就難以控制噪聲。

ADSL採用正交振幅調製

ADSL Modem 採用了一種用圓滑波形（正弦波）對訊號進行合成來表示 0 和 1 的技術，這種技術稱為調製。

調製有很多方式，ADSL 採用的調製方式是振幅調製（ASK）和相位調製（PSK）相結合的正交振幅調製（QAM），也被稱為正交調幅的方式。

正交振幅調製的組成要素

訊號的強弱

訊號振幅小的訊號為 0，振幅大的訊號為 1，這是一種最簡單的對應關係。振幅大小隻有兩個級別，如果增加振幅變化的級別，就可以對應更多的位元。

如果將振幅增加到 4 個級別，則振幅從小到大可分別對應 00、01、10 和 11，這樣就可以表示兩個位元了。這樣做可以將單位時間內傳輸的資料量加倍，也就能夠提高速率。

以此類推，如果振幅有 8 個級別，就可以表示 3 個位元，16 個級別就可以表示 4 個位元，速率也就越來越高。

不過，訊號會在傳輸過程中發生衰減，也會受到噪聲影響而失真，如果振幅級別太多，接收方對訊號的識別就容易出錯，因此振幅級別也不能太多。

訊號的相位

這是一種根據訊號的相位來對應 0 和 1的方式。Modem 產生的訊號是以一定週期振動的波，如圖 4.5 所示，振動的起始位置不同，波的形狀也就不同。

如果將波的一個振動週期理解為一個圓，則起始位置就可以用 0 度到 360 度的角度來表示，這個角度就是相位，用角度來對應 0 和 1 的方式就叫作相位調製。

從 0 度開始的波為 0，從 180 度開始的波為 1，這是一種最簡單的對應關係，如圖 4.4（c）所示。

和振幅調製一樣，相位調製也可以通過將角度劃分為更細的級別來增加對應的位元數量，從而提高速率。但是，角度太接近的時候也容易產生誤判，因此這樣提升速率還是有限度的。

將兩種要素組合實現正交振幅調製

ADSL 使用的正交振幅調製就是將前面這兩種方式組合起來實現的。

如果訊號的振幅可以表示 1 個位元，相位可以表示 1 個位元，那麼加起來就可以表示 2 個位元。因此，將兩種方式組合起來，正交振幅調製就可以用一個波表示更多的位元，從而提高傳輸速率。

正交振幅調製中，通過增加振幅和相位的級別，就可以增加能表示的位元數。例如，如果振幅和相位各自都有 4 個級別，那麼組合起來就有 16個級別，也就可以表示 4 個位元的值。

和單獨使用振幅調製或相位調製的情況一樣，級別過多就容易發生誤判，因此這種方法提升的速率是有限度的。