1.2 ~ 1.4 网络边缘、网络核心、接入网与物理媒体

互联网按照其节点类型可以分为由主机构成的 网络边缘 与 数据交换节点 构成的 网络核心 与在两者之间负责将主机接入网络核心的 接入网。从服务的角度来看，在边缘系统的主机上运行的分布式网络应用是网络存在的理由。网络核心的作用是进行数据交换，从而使边缘系统中的任意两台设备之间可以进行通信。

网络边缘

网络边缘的主机之间进行通信的模式有两种：客户（Client）-服务器（Server） 模式与 对等（Peer to Peer, P2P） 模式。客户-服务器模式中，服务器居于主导地位，先于客户端启动，负责接受客户端响应并向客户端提供所需的资源。该运行的模式的不足之处在于其可扩展性有限，一旦客户增多到超过服务器可以处理的载荷，就可能引发服务器宕机。而 P2P 模式是一个分布式的、去中心化的模式，该模式下每一个节点既可以充当客户端也可以充当服务器。

网络边缘采用网络设施提供的服务传输 报文（message），例如 面向连接 的 TCP （传输控制协议，Transmission Control Protocol）服务与无连接的 UDP（用户数据报协议，User Datagram Protocol）。其中 TCP 需要在两个通信主机之间为连接建立状态，比较可靠，数据不会发生错误，且存在 流量控制 与 拥塞控制 机制。UDP 则是一个不可靠的数据传输协议，也没有流量控制与拥塞控制机制。

网络核心

网络核心进行数据交换的方法有 电路交换（Circuit Switch） 与 分组交换（Packet Switch） 两种。

电路交换通常用于传统电话网络。两个主机之间为了进行通信，首先需要通过 呼叫连接 让信令系统 为这两个主机之间建立一条 独享线路，为该线路分配的资源也是独享且稳定、不会被他人占用的。因此，发送方能确保能以恒定的速率像接收方发送数据。但能以恒定速率发送数据不代表发送方会按照该速率发送数据，此时分配的资源就会被浪费。

为了提高带宽资源的共享，网络资源一般会被分为 片（pieces）。分片的方法有 频分复用（Frequency-Division Multiplexing, FDM）、时分复用（Time-Division Multiplexing, TDM） 与 波分复用（Wave-Division Multiplexing, WDM）。对 FDM，其将通信的频段分为若干小片，每次为一个连接分配一条空闲的频段；对 TDM，其将时间划分为若干固定周期的帧，每个帧被划分为固定数量的时隙，每条连接被分配到使用若干个帧的一个固定时隙上进行通信；WDM 一般用于 光通信，其与 FDM 类似。

由于电路交换

建立连接的所需时间长
计算通信具有突发性，若使用独享线路，浪费的带宽过多
可靠性不高（？）

因而不适合计算机间的通信。

分组交换是指源将长报文划分为小的 分组（Packet），以等于链路 最大交换速率 的速度通过链路发送到与其直接相连的 分组交换机 上。交换机采用 存储转发传输（Store-and-Forward Transmission） 的机制接受并转发数据，即将分组完全存储下来后，待链路空闲后以相同的方式转发到附近的交换机上。

不考虑任何延迟，设主机 A 与主机 B 之间存在 $N$ 条传输速率均为 $R$ 的链路。主机 A 欲发送一个大小为 $L$ 的分组。则发送该分包的端与端延时为：

t = N \frac{L}{R}

然而，若某分包到达交换机准备转发时该链路正在被占用，则该分组必须先留在交换机的 输出缓存（Output Buffer，又称输出队列，Output Queue） 中等待，因此产生了 排队延迟（Queuing Delay）。若该链路过于拥挤，导致输出缓存充满，则该分组会被丢弃，不会进入输出缓存中，此即 丢包（Packet Loss） 现象。

分组交换由于其 按需使用 的特点，其带宽的共享性更强，因而可容纳的节点数量更多。我们通过一个例子说明这点：

设有一条传输速率为 $X$ 的链路，其一段连接了 $N$ 个主机。每个主机在单位时间内都有 $p$ 的概率以 $Y$ 的速率产生数据，其余的时间保持空闲不产生数据。则主机传输的数据量超出该链路的最大传输速率的概率是：

P = 1 - \sum_{i = 0}^{⌊ \frac{X}{Y} ⌋} (\binom{N}{i}) p^{i} (1 - p)^{N - i}

推导过程

设随机变量 $M$ 为在单位时间内进行传输的主机数量，显然 $M \sim B (N, p)$ 。显然主机传输的数据量不超出该链路最大传输速率时， $M \leq ⌊ \frac{X}{Y} ⌋$ 。依据二项分布的分布律，容易得出上式。

不妨举例 $X = 1 Mbps$ ， $Y = 100 Kbps$ ， $N = 35$ ， $p = 0.1$ ，代入数据计算得到 $P = 0.004$ ，表明该链路只有极小的可能性传输带宽不足导致输出缓存有堆积。

分组交换也具有时分复用的特征，但其时间片的划分并不固定，我们称之为 统计多路复用。

路由器依赖 路由选择协议（Routing Protocol） 与相关模块计算出 路由表（Forwarding Table，又称转发表），用于决定如何根据数据源与目的地址计算出转发地址。

分组交换网络的存储转发方式按照有无网络层的连接分为 数据报（Datagram）网络 与 虚电路（Virtual Circuit）网络：

数据报网络是 无连接、不握手 的连接，节点之间转发的每个分组都包含了 目标主机的完整地址，分组独立的被存储与转发。由于源主机发送给目标主机的各个分组可能走了不同的路径，导致目标主机接收到的分组可能会乱序。
虚电路网络是 维护连接、握手 的连接，数据交换节点在通信的两台主机之间建立一条虚拟的线路。节点之间转发的分组 不包含目标主机的完整地址，而是携带一个 虚电路号，按照虚电路号进行存储与转发。

接入网

根据接入网络核心的主机类型的不同，可以粗略的将接入网分为家庭住宅接入、公司接入与广域无线接入等。

目前家庭住宅接入的方式最为常见的三种方式为 数字用户线（Digital Subscriber Line） 、电缆与 光纤到户（Fiber to the Home，FTTH）。

数字用户线方式仍使用电话网络与调制解调方式同时承载数据与电话语音信号，但其使用不同的频段：

电话信道：0 ~ 4 kHz
中速上行信道：4 kHz ～ 50 kHz
高速下行信道：50 kHz ~ 1 MHz

更早的基于电话的上网方式

过去（2000 年左右）较为常见的上网方式是调制解调器（Modem，俗称猫）。其利用了当时现有的电话网络，将网络数据调制到电话的音频信号上传输。但由于电话网络的带宽过窄（通常只有 4 kHz），导致网络的传输速率很低，且不能同时上网与打电话，这种方式便被逐渐淘汰了。

由于上行与下行信道带宽的划分是 不对称 的（常称作 ADSL），也解释了为什么主机的下行速率总是上行的速率的好几倍。

电缆互联网接入则利用了原有的 有线电视电缆 。住宅安装 电缆调制解调器，通过电缆从有线电视公司处获得互联网服务以接入互联网。该系统下下行信道分配的传输速率同样远大于上行信道。

这种接入模式的一个重要特征是 共享广播媒体。具体而言，多个住户的上下行信道连入同一个头端，共享到头端的网络资源。

目前最为常见的家庭接入方式为光纤到户，用户与中心局建立一条直接的光纤连接。一般而言，从中心局出来的每根光纤由多个家庭共享，直到接近用户时才分开。这种分布结构一般分为两种：有源光纤网络（Active Optical Network，AON） 与 无源光纤网络（Passive Optical Network，PON）。前者本质上与企业所用的以太网等同。后者的体系结构大致如下：每个家庭安装一个 光纤网络端接器（Optical Network Terminator，ONT，俗称光猫），并将其接入 无线网络接入点（Access Point，AP） 建立家庭内的无线局域网，家庭内的网络设备通过该 AP 接入互联网。多个 ONT 连接的光纤连接到临近的分配器上，该分配器连入中心局提供的专用光纤。在中心局内传输的光信号转化为电信号，并在互联网内进行传输。

对企业、校园等大型环境，常使用 局域网（LAN） 方式。多个终端或无线接入点接入到小型交换机上，多个交换机通过级联的方式接入到交换机，层层连接形成树形结构，最终由核心交换机连接机构路由器，该路由器接入 ISP 以连入互联网。

无线接入网络的方式分为 无线局域网（WLAN） 与 广域无线接入 两种。前者最常见的接入方式为 WiFi，后者则为以 5G 为代表的广域无线网络技术。

物理媒介

称介于每个“发送器——接收器”对之间负责传输信息的介质为 物理媒介（Physical Medium）。其分为两类：导引型媒介（Guided Media） 与 非导引型媒介（Unguided Media）。前者多指固体媒介，例如光缆、双铜绞线、同轴电缆; 后者包括空气、外层空间等。