手机如何通过基站连接互联网

作者：ranger
链接：http://www.zhihu.com/question/23989027/answer/33611749
来源：知乎
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比较早期的2G网络上网是通过CSD方式进行的，但是CSD是基于电路交换的，在应对以IP封包为主的internet业务时并不高效，因此GSM在后续的演进中引入了GPRS技术。
&lt;img src="https://pic3.zhimg.com/73453064279570a0d6e108ab56807b56_b.jpg" data-rawwidth="4128" data-rawheight="2322" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="4128" data-original="https://pic3.zhimg.com/73453064279570a0d6e108ab56807b56_r.jpg"&gt;上图为GPRS网络的一个拓扑图，BTS是基站，分布在我们周围，BSC是基站控制器，主要放置于各地市运营商的中心机房中，BTS和BSC/PCU组成了无线接入网，其他网元则为核心网。注意看PCU、SGSN、GGSN这三个网元，它们是GPRS出现后才加上去的。PCU作用主要是把从基站传至BSC的数据中的分组业务数据单独剥离出来，然后传递给SGSN。SGSN可以简单的理解为一个大型的、多功能的交换机，负责鉴权、移动性管理、加密、计费、路由选择等等。GGSN则是网关设备，简单理解就像是一个“翻译家”，把internet上的“语言”翻译成SGSN能听懂的“语言”，同时也把SGSN的“语言”翻译成internet能听懂的“语言”，另外又像是一个“海关+国家安全部门”，控制着整个GPRS网络的对外出口，什么数据不能进，什么数据能进都由GGSN来把关。另外手机等终端需要上internet，就需要IP地址，IP地址也由GGSN来分配。上述的三个网元设备构成了划时代的核心网分组交换域（即PS域，原先只有CS电路交换域）。
上图为GPRS网络的一个拓扑图，BTS是基站，分布在我们周围，BSC是基站控制器，主要放置于各地市运营商的中心机房中，BTS和BSC/PCU组成了无线接入网，其他网元则为核心网。注意看PCU、SGSN、GGSN这三个网元，它们是GPRS出现后才加上去的。PCU作用主要是把从基站传至BSC的数据中的分组业务数据单独剥离出来，然后传递给SGSN。SGSN可以简单的理解为一个大型的、多功能的交换机，负责鉴权、移动性管理、加密、计费、路由选择等等。GGSN则是网关设备，简单理解就像是一个“翻译家”，把internet上的“语言”翻译成SGSN能听懂的“语言”，同时也把SGSN的“语言”翻译成internet能听懂的“语言”，另外又像是一个“海关+国家安全部门”，控制着整个GPRS网络的对外出口，什么数据不能进，什么数据能进都由GGSN来把关。另外手机等终端需要上internet，就需要IP地址，IP地址也由GGSN来分配。上述的三个网元设备构成了划时代的核心网分组交换域（即PS域，原先只有CS电路交换域）。手机从基站接入，传递数据给基站，然后基站传递给上层BSC，PCU从中剥离出分组业务数据，传递给SGSN，最后通过SGSN经由GGSN这个网关将数据汇入到茫茫internet中~
&lt;img src="https://pic2.zhimg.com/9f4a27c7276d2ca7db7ac925643590d9_b.jpg" data-rawwidth="4128" data-rawheight="2322" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="4128" data-original="https://pic2.zhimg.com/9f4a27c7276d2ca7db7ac925643590d9_r.jpg"&gt;上图是CDMA2000的网络拓扑图，其中PCF、PDSN/FA、HA、AAA是在IS95后引入的，这点和GSM类似，早期都没考虑到internet业务，后来需要了才加上这些网元。PCF可以类比GPRS里的PCU，PDSN的功能则具备了SGSN和GGSN的大部分功能，AAA服务器则主要是用户身份认证/归属登记和鉴权计费等等功能。FA和HA设备现网应用比较少，就不说了。上述的几个网元也构成了CDMA2000网络的“PS域”。
上图是CDMA2000的网络拓扑图，其中PCF、PDSN/FA、HA、AAA是在IS95后引入的，这点和GSM类似，早期都没考虑到internet业务，后来需要了才加上这些网元。PCF可以类比GPRS里的PCU，PDSN的功能则具备了SGSN和GGSN的大部分功能，AAA服务器则主要是用户身份认证/归属登记和鉴权计费等等功能。FA和HA设备现网应用比较少，就不说了。上述的几个网元也构成了CDMA2000网络的“PS域”。
到了3G时代，其实整个网络架构也并没有太大的变化。&lt;img src="https://pic1.zhimg.com/9364526de320895291589abdee21eac8_b.jpg" data-rawwidth="1351" data-rawheight="550" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1351" data-original="https://pic1.zhimg.com/9364526de320895291589abdee21eac8_r.jpg"&gt;上图是WCDMA早期版本的网络结构图，NodeB即基站，RNC相当于原来GSM中BSC+PCU两个的集合。所以可以看到整个架构和GPRS时代没什么不同，核心网分组域也还是SGSN和GGSN这两个网元。而CDMA2000 1x EVDO的整体架构也和原来的CDMA2000 1x是一样的。所以3G更多的是在无线接入网的技术方面做修改，核心网方面动得并不大。但是在后续演进中，3GPP组织也不断对核心网做出改变，包括但不限于R4版本中，电路域（CS）的软交换（把图中MSC拆为MSC-server和MGW，实现信令和业务承载分离）以及R5和后续版本中提出核心网全IP化及其特性的增强（典型应用则为IMS系统）。
上图是WCDMA早期版本的网络结构图，NodeB即基站，RNC相当于原来GSM中BSC+PCU两个的集合。所以可以看到整个架构和GPRS时代没什么不同，核心网分组域也还是SGSN和GGSN这两个网元。而CDMA2000 1x EVDO的整体架构也和原来的CDMA2000 1x是一样的。所以3G更多的是在无线接入网的技术方面做修改，核心网方面动得并不大。但是在后续演进中，3GPP组织也不断对核心网做出改变，包括但不限于R4版本中，电路域（CS）的软交换（把图中MSC拆为MSC-server和MGW，实现信令和业务承载分离）以及R5和后续版本中提出核心网全IP化及其特性的增强（典型应用则为IMS系统）。
到了LTE里，网络整体架构迎来了大变化。&lt;img src="https://pic3.zhimg.com/247297557b4c461626ca2520d6f7bb8e_b.jpg" data-rawwidth="3876" data-rawheight="1484" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="3876" data-original="https://pic3.zhimg.com/247297557b4c461626ca2520d6f7bb8e_r.jpg"&gt;上图为LTE的一个大致网络结构图，LTE中全面取消了电路域（CS），这也是为什么LTE目前无法承载语音业务的主要原因之一。eNodeB是基站，分布在我们周围，BSC/RNC也不见了，所以整个无线接入网由eNodeB组成。S-GW类似于SGSN+GGSN一部分功能的集合，P-GW具备GGSN中的IP地址分配功能，PCRF设备用以控制用户行为（比如限速），PCRF需要和P-GW配合使用。HLR负责记录用户归属信息、鉴权信息、开户信息等等。MME则是信令方面的承载设备。
上图为LTE的一个大致网络结构图，LTE中全面取消了电路域（CS），这也是为什么LTE目前无法承载语音业务的主要原因之一。eNodeB是基站，分布在我们周围，BSC/RNC也不见了，所以整个无线接入网由eNodeB组成。S-GW类似于SGSN+GGSN一部分功能的集合，P-GW具备GGSN中的IP地址分配功能，PCRF设备用以控制用户行为（比如限速），PCRF需要和P-GW配合使用。HLR负责记录用户归属信息、鉴权信息、开户信息等等。MME则是信令方面的承载设备。

上面说的只是移动通信网络中的情况，如果是家里用无线路由器的WIFI上网，那又是另外的了~有耐心的继续往下看~以目前常见的ADSL和FTTH为例。

&lt;img src="https://pic4.zhimg.com/f0beb1a80d211acf5bd695c0a00b0b43_b.jpg" data-rawwidth="4055" data-rawheight="1551" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="4055" data-original="https://pic4.zhimg.com/f0beb1a80d211acf5bd695c0a00b0b43_r.jpg"&gt;请先自行把“用户终端”脑补成无线路由器。这是ADSL宽带接入网基本结构，手机从无线路由器通过802.11x系列协议接入，无线路由器通过以太网协议向ADSL猫传递数据（ADSL猫放在家里），ADSL猫负责调制解调，然后通过语音/数据分离器和电话线路向ADSL局端设备传递数据，然后再进入到宽带接入服务器BAS中，最后汇入茫茫的internet大洋中~BAS（宽带接入服务器）与AAA服务器通过RADIUS协议相配合，实现AAA功能（即验证Authentication、授权Authorization、记账Accounting ）。可以将BAS和AAA服务器类比为移动通信网络中的“核心网”。注：此处提到的AAA Server和上文中CDMA2000里提到的AAA Server并不是同种设备，只是说具备相似的功能，但是一个是固网的AAA，一个是CDMA2000的AAA。
请先自行把“用户终端”脑补成无线路由器。这是ADSL宽带接入网基本结构，手机从无线路由器通过802.11x系列协议接入，无线路由器通过以太网协议向ADSL猫传递数据（ADSL猫放在家里），ADSL猫负责调制解调，然后通过语音/数据分离器和电话线路向ADSL局端设备传递数据，然后再进入到宽带接入服务器BAS中，最后汇入茫茫的internet大洋中~BAS（宽带接入服务器）与AAA服务器通过RADIUS协议相配合，实现AAA功能（即验证Authentication、授权Authorization、记账Accounting ）。可以将BAS和AAA服务器类比为移动通信网络中的“核心网”。注：此处提到的AAA Server和上文中CDMA2000里提到的AAA Server并不是同种设备，只是说具备相似的功能，但是一个是固网的AAA，一个是CDMA2000的AAA。
&lt;img src="https://pic3.zhimg.com/a2b9e485f4f25c8e1556d3f71fc5a7fa_b.jpg" data-rawwidth="4061" data-rawheight="1504" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="4061" data-original="https://pic3.zhimg.com/a2b9e485f4f25c8e1556d3f71fc5a7fa_r.jpg"&gt;这是目前流行的所谓“光纤宽带”中EPON的接入网结构（另外一种流行的光接入网为GPON），因为是FTTH，所以先自行脑补把图中ONU替换成ONT光猫，然后再脑补把ONT后面加上无线路由器。手机一样从无线路由器接入，经过ONT（也就是光猫）的电光转换后通过ODN传递给OLT，然后OLT经由各种交换机把数据汇入到茫茫Internet大洋中~ONT现实中多指光猫，放在我们的家里，ODN是无源光配线网络，由光纤和各种无源器件组成，实际上就是传递光的，OLT则是局端设备，放置在运营商中心机房中，其作用可以简单理解为一个移动通信网络中的“BSC/RNC”，负责控制和管理底下的ONU/ONT，并提供到上层交换机（核心网）的接口。
这是目前流行的所谓“光纤宽带”中EPON的接入网结构（另外一种流行的光接入网为GPON），因为是FTTH，所以先自行脑补把图中ONU替换成ONT光猫，然后再脑补把ONT后面加上无线路由器。手机一样从无线路由器接入，经过ONT（也就是光猫）的电光转换后通过ODN传递给OLT，然后OLT经由各种交换机把数据汇入到茫茫Internet大洋中~ONT现实中多指光猫，放在我们的家里，ODN是无源光配线网络，由光纤和各种无源器件组成，实际上就是传递光的，OLT则是局端设备，放置在运营商中心机房中，其作用可以简单理解为一个移动通信网络中的“BSC/RNC”，负责控制和管理底下的ONU/ONT，并提供到上层交换机（核心网）的接口。

我想清楚了各个制式中的各个设备的具体功能和它们之间的连线，应该就不难理解手机是如何接入到互联网的吧？简单的说就是在一个个网元间不断的传递、转换格式、再传递、再转换格式直到让接收端收到并成功解调为止。当然了，具体的各个接口是如何对接、如何转换格式、如何传递的在这里就没法说了，因为单单空中接口这一项的电信号如何传递、转换成电磁波，帧结构等等就够写一本书的！有兴趣的可以百度维基谷歌或者买本相关的书来看。

以上内容，只是提供一个大致思路，并非专业解答，仅供参考，如有错误和疏漏，还望海涵指正。

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11.25：补充内容及Bug fix。
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12.19：内容补充及Bug fix。
上文中只是大致提了目前主流的“手机连上互联网”的方式，并大概讲了各个网元的功能。这里还需要再补充一点内容： 那就是上面的网元其实并不都是直接相连的（但有些是直接相连的，比如ONU/ONT和OLT），它们之间需要借助传输网来传输从而实现互联互通。移动通信网络（即2G、3G、LTE）中使用的传输网在我的一些回答中有所提及，可供参考

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