因特網體系結構和骨干網簡介

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因特網拓撲結構

NSFNET是美國國家科學基金會網。這是在1986年到1995年，由NSF控制的大型網絡，提供了聯網服務以支持美國的教育和研究。它重新定義了因特網的早期體系結構和運作,并定義了沿用至今的網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并入NSFNet中，使得其迅速擴大。當時,該網絡被作為一種高速骨干網。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。

該網絡是分層結構的。區域網絡連接在頂級骨干網上。然后,本地網絡通過比較短的鏈路連接到區域性網絡。骨干網和區域性網絡由不同的受權機構管理,為本地網絡提供帶寬和傳輸服務。帶寬再次轉售。 ISP業務模型是由早期的網絡提供商和服務提供商開發的。企業主可以各自在本地區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(調制解調器、調制解調器組合器、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。

因特網交換局

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

FIX是因特網交換局。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。如同聯邦AUP(可接受使用政策)限制非聯邦機構通信一樣,這些路由器之間的通信受到各個機構的政策限制。

通過不同骨干網的相互連接,因特網不再是一個單一的骨干網,而是變成了一個網狀網絡。此時,任何所說的骨干網都僅指在中層網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、中層和饋線網絡)得到了保留,但是多個骨干網重疊起來,如圖I—4所示。注意下面：

?主骨干網在因特網交換站點處相互連接并交換通信。

?區域性網絡通過因特網交換站點或直接連接接入骨干網。

一些網絡通過專有對等鏈路,避開骨干網絡直接交換通信。

圖 I-4 20世紀90年代初期的因特網

因特網交換局與NAP(網絡接入點)

到了1993年,NSFNET決定停止向NSHNFF提供基金,并廢除AUP以促進因特網的商業化。許多商業化因特網網絡都是在這時出現的。事實上,那些起初由NSF支持的區域性網絡都變成了商業化服務提供商,包括UUNet、PSINet, BBN，Intermedia, Netcom和其他提供商。它們連接這些商業骨干網，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建NAP(網絡接入點),這些是因特網交換局,具有支持商業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的其他部分交換通信。

各個ISP是通過網絡接入點（NAP）互相連接的，各NAP的任務是在各ISP和其他網絡之間交換業務量的。NAP必須具有100 Mbit/s的鏈路速度，因此它的本地網是用分布式光纖數據接口（FDDI）、100BASE-T （100 Mbit/s快速以太網）或1000BASE-T（吉位即1 Gbps 以太網）實現的。大多數NAP 是用ATM交換和SONET （同步光纖網）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、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)Communication、Ameritech、Pacific Bell和Sprint四家公司。MFS已經運營華盛頓特區的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）被統稱為公共因特網交換點（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”,但如今ATM交換機或“吉比特以太網”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。一條經驗是,NSP通過其在每個NAP處的存在按平等的原則實現彼此對等。

NAP運營商不在NSP之間建立對等協議,而只提供能夠實現對等的設施。對等協議是NSP之間磋商的雙邊協議,該協議定義它們如何在NAP處交換通信。此外,所有的IP數據報路由選擇都是由NSP的設備來處理的。但是,NAP提供數據分組被路由后通過的交換設備。

NSF也為創建“路由仲裁”服務提供了基金,該服務以路由服務器和“路由仲裁數據庫”(RADB)的形式提供路由協調。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是一組分布式數據庫,即“因特網路由注冊表”的一部分,該數據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路由器。

如今,因特網交換局只是因特網體系結構的一部分。如前所說,許多的NSP之間建立了專用對等協議。專用連接是直接的物理鏈路,它使通信避免通過經常處于超負荷狀態下的NAP交換設施來轉發。NSP以兩種方式創建專用連接。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網絡服務公司提供了一項達到最佳性能的因特網交換業務。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來路由數據。Internap戶分組立即被發送到正確的因特網骨干網,而不是隨機選擇的公共的或專用的對等點。

網絡與自治系統

從選路的角度來說，處于一個管理機構控制之下的網絡和路由器群組稱為一個自治系統或AS(autonomous system) 。一個AS既是一個管理域,同時也是一個路由選擇域。自制系統通常在統一的控制管理之下，例如大的公司或大學。小的站點常常是其因特網服務提供商自制系統的一部分。在一個自治系統內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。每個在因特網中的AS都由因特網授權機構(現在的ICANN)分配的數值來標識。

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

外部路由協議則處理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部路由計劃和相容性圖。最常見的外部協議是外部網關協議EGP(External Gateway Protocol)和邊緣網關協議BGP(Border Gateway Protocol)，BGP是較新的協議，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部網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,并在因特網上以單個網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、少數幾個地址或者大地址塊分配給更低一級的ISP。

POP和因特網數據中心

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網絡而設計的。PoP不是因特網專有的實體。ILEC與CLEC擁有自己的PoP,且裝有語音和數據設備。

ISP可能足夠的大,能建立自己的PoP設施,或者在現有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、因特網快速連接、因特網交換的交換機、因特網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的業務主要是轉售服務給終端用戶并提供用戶持。

經過許多年以后,尤其是隨著56K調制解調器技術的采用,終端用戶撥號連接的方式發生了改變。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制解調器和接入服務器。然后終端用戶撥號連接到ISP的調制解調器上。當56K調制解調器技術出現時,只有將呼叫通過數字連接(T1或T3線路)從電信運營商的PoP中繼到ISP的設備上,才能達到調制解調器的最大速度。在很多情況下,ISP簡單地將調制解調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制解調器組合器。

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將其通信中繼到區域性NSP,接著NSP將通信轉發到因特網主干網或其他連接上。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,如城域以太網和無線接入業務。

因特網數據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網絡為平臺，向用戶提供動態分配的端口，并根據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成為純粹的因特網服務零售商,主要是獲得新的因特網客戶,提供服務臺業務、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接入。

圖I-6 ISP和NSP設備