【計算機網絡】—什么是蜂窩移動網絡？

從 DataReportal 2021 年 1 月的統計數據來看，全球 78 億人口中，有 52 億手機用戶，46 億互聯網用戶。

【資料圖】

一、網絡的組成

我們習慣稱今天的時代為云時代，整個世界可以看作一張巨大的、立體的網。在這個時代里產生的各種服務，就好像水和電一樣，打開即用。透過這張巨大的網去觀察，里面還會有一個個小型的網絡。你可以想象，用無數個節點構成一個個小型網絡，再用小型網絡組成中型網絡，再組成大型網絡，以此類推，最后組成完整的一個如星河般的世界。

二、公司內網

如果你仔細分析一個小型網絡，比如一個公司網絡，就會得到下圖 1 所示的結構：

公司網絡從本地網絡服務提供商 （Internet Service Provider） 接入，然后內部再分成一個個子網。上圖 1 中，你看到的線路，也被稱作通信鏈（Communication Link），用于傳輸網絡信號。你可以觀察到，有的網絡節點，同時接入了 2 條以上的鏈路，這個時候因為路徑發生了分叉，數據傳輸到這些節點需要選擇方向，因此我們在這些節點需要進行交換（Switch）。

數據發生交換的時候，會先從一條鏈路進入交換設備，然后緩存下來，再轉發（切換）到另一條路徑，如下圖 2 所示：

交換技術的本質，就是讓數據切換路徑。因為，網絡中的數據是以分組或封包（Packet）的形式傳輸，因此這個技術也稱作封包交換技術（Packet Switch）。

比如說，你要傳遞一首 2Mb 的 MP3 的歌曲，歌曲本身不是一次傳輸完成的，而是被拆分成很多個封包。每個封包只有歌曲中的一部分數據，而封包一旦遇到岔路口，就需要封包交換技術幫助每個封包選擇最合理的路徑。

在網絡中，常見的具有交換能力的設備是路由器（Router）和鏈路層交換機（Link-Layer Switch）。通常情況下，兩個網絡可以通過路由器進行連接，多臺設備可以通過交換機進行連接。但是路由器通常也具有交換機的功能。

在上圖 1 中，公司內部網絡也被分成了多級子網。每個路由器、交換機構成一級子網。最高級的路由器在公司網絡的邊緣，它可以將網絡內部節點連接到其他的網絡（網絡外部）。本地網絡提供商（ISP）提供的互聯網先到達邊緣的路由器，然后再滲透到內部的網絡節點。公司內部的若干服務器可以通過交換機形成一個局域網絡；公司內部的辦公設備，比如電腦和筆記本，也可以通過無線路由器或者交換機形成局域網絡。局域網絡之間，可以通過路由器、交換機進行連接，從而構成一個更大的局域網。

三、移動網絡

在移動網絡中，無線信號構成了通信鏈路。在移動網絡的設計中，通信的核心被稱作蜂窩塔（Cellular Tower），有時候也稱作基站（BaseStation）。之所以有這樣的名稱，是因為每個蜂窩塔只覆蓋一個六邊形的范圍，如果要覆蓋一個很大的區域就需要很多的蜂窩塔（六邊形）排列在一起，像極了蜜蜂的巢穴。這種六邊形的結構，可以讓信號無死角地覆蓋。想象一下，如果是圓形結構，那么圓和圓之間就會有間隙，造成一部分無法覆蓋的信號死角，而六邊形就完美地解決了這個問題。

對于構成移動網絡最小的網絡結構——蜂窩網絡來說，構造大體如下所示：

上圖中，國家或全球網絡提供商將網絡供給處于蜂窩網絡邊緣的路由器，路由器連接蜂窩塔，再通過蜂窩塔（基站）提供給處于六邊形地區中的設備。通常是國家級別的網絡服務提供商負責部署基站，比如中國電信、中國聯通。將網絡提供給一個子網的行為，通常稱為網絡提供（Network Provider），反過來，對一個子網連接提供商的網絡，稱為網絡接入（Network Access）。

隨著移動網絡的發展，一個蜂窩網格中的設備越來越多，也出現了基站覆蓋有重疊關系的網格

這樣設計的好處是，當一個基站過載、出現故障，或者用戶設備周邊信號出現不穩定，就可以切換到另一個基站的網絡，不影響用戶繼續使用網絡服務。

另一方面，在一定范圍內的區域，離用戶較近的地方還可以部署服務器，幫助用戶完成計算。這相當于計算資源的下沉，稱為邊緣計算。相比中心化的計算，邊緣計算延遲低、鏈路短，能夠將更好的體驗帶給距離邊緣計算集群最近的節點。從而讓用戶享受到更優質、延遲更低、算力更強的服務。

四、數據的傳輸

為了傳遞數據，在網絡中有幾個特別重要的抽象。最終提供服務或者享受服務的設備，稱為終端（Terminal），或者端系統（End System），有時候簡單稱為主機（Host）。比如說：電腦、手機、冰箱、汽車等，我們都可以看作是一個主機（Host）。

然后，我們可以把網絡傳輸分成兩類，一類是端到端（Host-to-Host）的能力，由 TCP/IP 協議群提供。還有一類是廣播的能力，是一對多、多對多的能力，可以看作是端到端（Host-to-Host）能力的延伸。

你可以思考一下，一個北京的主機（Host）向一個深圳的主機（Host）發送消息。那么，中間會穿越大量的網絡節點，這些節點可以是路由器、交換機、基站等。在發送消息的過程中，可能跨越很多網絡、通過很多邊緣，也可能會通過不同的網絡提供商提供的網絡……而且，傳輸過程中，可能會使用不同材質的通信鏈路（Communication Link），比如同軸電纜、雙絞線、光纖，或者通過無線傳輸的 WI-FI、衛星等。

網絡基礎設施往往不能一次性傳輸太大的數據量，因此通常會將數據分片傳輸。比如傳輸一個 MP3，我們會將 MP3 內容切分成很多個組，每個組也稱作一個封包，英文都是 Packet。這樣，如果一個封包損壞，只需要重發損壞的封包，而不需要重發所有數據。你可以類比下中文的活字印刷技術。

另一方面，網絡中兩點間的路徑非常多，如果一條路徑阻塞了，部分封包可以考慮走其他路徑。發送端將數據拆分成封包（Packet），封包在網絡中遇到岔路，由交換器和路由器節點決定走向，圖 9 中是對封包交換技術的一個演示。