因特網(wǎng)體系結構和骨干網(wǎng)簡介

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因特網(wǎng)拓撲結構

NSFNET是美國國家科學基金會網(wǎng)。這是在1986年到1995年，由NSF控制的大型網(wǎng)絡，提供了聯(lián)網(wǎng)服務以支持美國的教育和研究。它重新定義了因特網(wǎng)的早期體系結構和運作,并定義了沿用至今的網(wǎng)絡和服務提供商分層結構。

美國的許多大學、政府資助的研究機構甚至一些私營的研究機構紛紛把自己的局域網(wǎng)并入NSFNet中，使得其迅速擴大。當時,該網(wǎng)絡被作為一種高速骨干網(wǎng)。它的速度是56kbit/s，但到了1991年,它在T3鏈路上運行,而T1處于坡道上。各機構以28.8Kbit/s或56kbit/s連接。

該網(wǎng)絡是分層結構的。區(qū)域網(wǎng)絡連接在頂級骨干網(wǎng)上。然后,本地網(wǎng)絡通過比較短的鏈路連接到區(qū)域性網(wǎng)絡。骨干網(wǎng)和區(qū)域性網(wǎng)絡由不同的受權機構管理,為本地網(wǎng)絡提供帶寬和傳輸服務。帶寬再次轉售。 ISP業(yè)務模型是由早期的網(wǎng)絡提供商和服務提供商開發(fā)的。企業(yè)主可以各自在本地區(qū)建立設施并從更高一級的NSP購買帶寬、路由和傳輸服務。然后,這些本地ISP向終端用戶轉售上述服務。許多ISP起初都是由某人出售多余帶寬起家的。典型的ISP通常先安裝撥號設備(調(diào)制解調(diào)器、調(diào)制解調(diào)器組合器、集中器、接入和身份驗證服務器等等),然后對用戶的服務進行計量和收費。

因特網(wǎng)交換局

NSFNET骨干網(wǎng)概念已深入人心。其他的美國聯(lián)邦機構,包括MILNET(軍用網(wǎng)絡)、NSI(NASA科學互聯(lián)網(wǎng))以及Esnet(能源科學網(wǎng)絡)等,也創(chuàng)建了類似的骨干網(wǎng)。很明顯,這時需要在這些網(wǎng)絡間交換通信,因此就建立了兩個被稱作FIX (聯(lián)邦因特網(wǎng)交換局)的相互連接點?！癋IX—Wast”位于海灣地區(qū),而“FIX—East”位于華盛頓特區(qū)附近。

FIX是因特網(wǎng)交換局。參加的機構利用交換局以對等方式相互連接起來。對等是一種不同的網(wǎng)絡受權機構同意交換路由廣告和通信的關系。在FIX處,每個機構都有一個路由器用來與其他機構的路　由器交換路由信息和通信。如同聯(lián)邦AUP(可接受使用政策)限制非聯(lián)邦機構通信一樣,這些路由器之間的通信受到各個機構的政策限制。

通過不同骨干網(wǎng)的相互連接,因特網(wǎng)不再是一個單一的骨干網(wǎng),而是變成了一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡。此時,任何所說的骨干網(wǎng)都僅指在中層網(wǎng)絡間提供轉接服務的骨干線之一。雖然NSFNET的分層式結構(具有頂層、中層和饋線網(wǎng)絡)得到了保留,但是多個骨干網(wǎng)重疊起來,如圖I—4所示。注意下面：

?主骨干網(wǎng)在因特網(wǎng)交換站點處相互連接并交換通信。

?區(qū)域性網(wǎng)絡通過因特網(wǎng)交換站點或直接連接接入骨干網(wǎng)。

一些網(wǎng)絡通過專有對等鏈路,避開骨干網(wǎng)絡直接交換通信。

圖 I-4 20世紀90年代初期的因特網(wǎng)

因特網(wǎng)交換局與NAP(網(wǎng)絡接入點)

到了1993年,NSFNET決定停止向NSHNFF提供基金,并廢除AUP以促進因特網(wǎng)的商業(yè)化。許多商業(yè)化因特網(wǎng)網(wǎng)絡都是在這時出現(xiàn)的。事實上,那些起初由NSF支持的區(qū)域性網(wǎng)絡都變成了商業(yè)化服務提供商,包括UUNet、PSINet, BBN，Intermedia, Netcom和其他提供商。它們連接這些商業(yè)骨干網(wǎng)，并為它們的終端用戶提供通信通道。

NSF的私有化計劃包括創(chuàng)建NAP(網(wǎng)絡接入點),這些是因特網(wǎng)交換局,具有支持商業(yè)和國際通信的開放接入策略。NAP就像是為不同航空公司服務的機場,航空公司租借機場空間并使用機場的設施。同樣地,NSP租借NAP的空間并使用其交換設備與因特網(wǎng)的其他部分交換通信。

各個ISP是通過網(wǎng)絡接入點（NAP）互相連接的，各NAP的任務是在各ISP和其他網(wǎng)絡之間交換業(yè)務量的。NAP必須具有100 Mbit/s的鏈路速度，因此它的本地網(wǎng)是用分布式光纖數(shù)據(jù)接口（FDDI）、100BASE-T （100 Mbit/s快速以太網(wǎng)）或1000BASE-T（吉位即1 Gbps 以太網(wǎng)）實現(xiàn)的。大多數(shù)NAP 是用ATM交換和SONET （同步光纖網(wǎng)）連接到其他的NAP和更大的ISP。

NSF的策略之一是,所有獲得政府基金的NSP必須與所有NAP連接起來。1993年,NFS將華盛頓特區(qū)、芝加哥、舊金山和紐約四處NAP的NAP合同分別給予了MFS (都市光纖系統(tǒng))Communication、Ameritech、Pacific Bell和Sprint四家公司。MFS已經(jīng)運營華盛頓特區(qū)的MAE(城域交換局)(東部MAE)和加利福尼亞州“硅谷”的MAE(西部MAE)。MAE就是覆蓋一個都市區(qū)域的光纖回路,它為本地服務提供商和公司提供連接點。1999年初，NAP和城域交換局（MAE）被統(tǒng)稱為公共因特網(wǎng)交換點（IXP）。

NAP是物理設施,包括設備架、電源、電纜托架及用來連接到外部通信系統(tǒng)的設備。NAP運營商安裝交換設備。最初,NAP使用FDDI和交換“以太網(wǎng)”,但如今ATM交換機或“吉比特以太網(wǎng)”交換機已非常普遍。NSP在NAP處安裝自己的路由器并將其連接到交換設備上,如圖I-5所示。因此,起始于ISP的通信經(jīng)過NSP的路由器后,進入NAP的交換設備,到達其他NSP在該NAP上的路由器。

圖I-5 NAP 交換設備

如今大多數(shù)NAP是由被路由器包圍起來的核心ATM交換機所構成的。通信通過ATM PVC(永久虛電路)來交換。通常,NAP會提供一套默認的全網(wǎng)狀PVC,它提供到達該NAP上其他任何NSP路由器的電路。但是,NSP能夠刪除PVC以封鎖來自特定NSP的通信。然而,由于沒有平等的通信交換,所以較大的NSP可能不想與小的NSP實行對等。一條經(jīng)驗是,NSP通過其在每個NAP處的存在按平等的原則實現(xiàn)彼此對等。

NAP運營商不在NSP之間建立對等協(xié)議,而只提供能夠?qū)崿F(xiàn)對等的設施。對等協(xié)議是NSP之間磋商的雙邊協(xié)議,該協(xié)議定義它們?nèi)绾卧贜AP處交換通信。此外,所有的IP數(shù)據(jù)報路由選擇都是由NSP的設備來處理的。但是,NAP提供數(shù)據(jù)分組被路由后通過的交換設備。

NSF也為創(chuàng)建“路由仲裁”服務提供了基金,該服務以路由服務器和“路由仲裁數(shù)據(jù)庫”(RADB)的形式提供路由協(xié)調(diào)。路由服務器處理NAP處的路由選擇任務,而RADB生成路由服務器配置文件。RADB是一組分布式數(shù)據(jù)庫,即“因特網(wǎng)路由注冊表”的一部分,該數(shù)據(jù)庫是普通格式的公告的路由和路由策略的公共儲存庫。NSP使用該注冊表中的信息配置他們的骨干網(wǎng)路由器。

如今,因特網(wǎng)交換局只是因特網(wǎng)體系結構的一部分。如前所說,許多的NSP之間建立了專用對等協(xié)議。專用連接是直接的物理鏈路,它使通信避免通過經(jīng)常處于超負荷狀態(tài)下的NAP交換設施來轉發(fā)。NSP以兩種方式創(chuàng)建專用連接。一種方法是在NAP設施處各自的路由器之間敷設電纜;另一種方法是在自己的設施之間鋪設電纜或租用線路,但花費比較昂貴。

Internap網(wǎng)絡服務公司提供了一項達到最佳性能的因特網(wǎng)交換業(yè)務。它的Assimilator (同化者)專有技術提供了智能的路由選擇和路由管理以擴展和提高BGP4路由性能。Assimilator技術允許P-NAP作出明智的路由選擇決定,如當目的地是多宿主時選擇更快的多重主干網(wǎng)來路由數(shù)據(jù)。Internap戶分組立即被發(fā)送到正確的因特網(wǎng)骨干網(wǎng),而不是隨機選擇的公共的或?qū)Ｓ玫膶Φ赛c。

網(wǎng)絡與自治系統(tǒng)

從選路的角度來說，處于一個管理機構控制之下的網(wǎng)絡和路由器群組稱為一個自治系統(tǒng)或AS(autonomous system) 。一個AS既是一個管理域,同時也是一個路由選擇域。自制系統(tǒng)通常在統(tǒng)一的控制管理之下，例如大的公司或大學。小的站點常常是其因特網(wǎng)服務提供商自制系統(tǒng)的一部分。在一個自治系統(tǒng)內(nèi)的路由器可以自由地選擇尋找路由、廣播路由、確認路由以及檢測路由的一致性的機制。典型的AS是由NSP求ISP來運作的。每個在因特網(wǎng)中的AS都由因特網(wǎng)授權機構(現(xiàn)在的ICANN)分配的數(shù)值來標識。

一個AS可能會使用一個或更多內(nèi)部路由協(xié)議以維護內(nèi)部路由表。通常的內(nèi)部路由協(xié)議是OSPF(開放式最短路徑優(yōu)先)或者IS-IS(中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng))。

外部路由協(xié)議則處理AS之間路由信息的交換。AS必須提供自己關于可達目的地的相關內(nèi)部路由計劃和相容性圖。最常見的外部協(xié)議是外部網(wǎng)關協(xié)議EGP(External Gateway Protocol)和邊緣網(wǎng)關協(xié)議BGP(Border Gateway Protocol)，BGP是較新的協(xié)議，在逐漸地取代EGP。BGP運行于“邊界路由器”中,該路由器將AS與其他的AS連接起來。一個AS邊緣的邊界路由器將其內(nèi)部網(wǎng)絡路由的相關信息告訴另一個AS邊緣的邊界路由器。這些路由以地址聚合的形式公布。類似于用郵政編碼934xx來表示加利福尼亞中海岸的一個郵政地區(qū)組。路由聚合是一種更有效地使用IP地址空間的方法。ISP可以聚合地址塊,并在因特網(wǎng)上以單個網(wǎng)絡地址公布這些地址。同時,ISP可以隨心所欲地分配這些地址,如以單個地址、少數(shù)幾個地址或者大地址塊分配給更低一級的ISP。

POP和因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心

PoP是客戶可以連接到服務提供商的設備并獲得對更大網(wǎng)絡訪問的任何設施。一些PoP是為最終用戶接入設計的,而另一些是為允許ISP連接到NSP網(wǎng)絡而設計的。PoP不是因特網(wǎng)專有的實體。ILEC與CLEC擁有自己的PoP,且裝有語音和數(shù)據(jù)設備。

ISP可能足夠的大,能建立自己的PoP設施,或者在現(xiàn)有PoP處租賃空間來并置其設備。并置是明智之舉,因為PoP設施提供了安全、后備電源、災難防護、因特網(wǎng)快速連接、因特網(wǎng)交換的交換機、因特網(wǎng)Web服務等等。在有些情況下,ISP沒有任何設備,而都是從NSP那里租用的。這種ISP的業(yè)務主要是轉售服務給終端用戶并提供用戶持。

經(jīng)過許多年以后,尤其是隨著56K調(diào)制解調(diào)器技術的采用,終端用戶撥號連接的方式發(fā)生了改變。到20世紀90年代中期時,ISP就在自己的設施上安裝一組的調(diào)制解調(diào)器和接入服務器。然后終端用戶撥號連接到ISP的調(diào)制解調(diào)器上。當56K調(diào)制解調(diào)器技術出現(xiàn)時,只有將呼叫通過數(shù)字連接(T1或T3線路)從電信運營商的PoP中繼到ISP的設備上,才能達到調(diào)制解調(diào)器的最大速度。在很多情況下,ISP簡單地將調(diào)制解調(diào)器群和接入服務器并置到電信運營商的設施處,以避免租用昂貴的線路或安裝在電信公司或服務提供商設施處的調(diào)制解調(diào)器組合器。

圖I-6顯示了ISP和NSP所用的設備。下面的部分顯示了通過PSTN撥入ISP設備的用戶。本地ISP將其通信中繼到區(qū)域性NSP,接著NSP將通信轉發(fā)到因特網(wǎng)主干網(wǎng)或其他連接上。注意:插圖下面的部分假定用戶是通過PSTN接入的。ISP可能還支持其他的接入方式,如城域以太網(wǎng)和無線接入業(yè)務。

因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心已成為提供并置和外包設備的大型設施。它們提供了安全性、災難防護、專業(yè)服務、高帶寬連接等等。虛擬ISP服務VISP（Virtual Internet Service Provide），是以ASIACONNECT寬帶IP網(wǎng)絡為平臺，向用戶提供動態(tài)分配的端口，并根據(jù)其端口使用情況進行收費的ISP服務模式。如前所述,許多的ISP實際上是虛擬ISP,它們轉售更大的電信公司所提供的業(yè)務,而不是投資構建自己的ISP基礎設施。在這方面,虛擬ISP成為純粹的因特網(wǎng)服務零售商,主要是獲得新的因特網(wǎng)客戶,提供服務臺業(yè)務、處理記帳和客戶管理。

私人公司也使用這些設施作為其Web站點的主機,并且通過VPN為其遠程用戶提供因特網(wǎng)接入。

圖I-6 ISP和NSP設備