骨幹網路體系結構:背景,骨幹（因特）網拓撲結構,骨幹網交換局,骨幹網交換局與NAP

背景

網際網路(Internet)又稱國際計算機網際網路，是目前世界上影響最大的國際性計算機網路。它屬於具有分散式網狀拓撲結構的分組交換網路。信息以分組的形式通過由到達同一目的地的多個路徑構成的網路傳送。網路通過路由器(它按照分組的目的地路徑將信息轉發)相連。“網狀拓撲結構”提供了冗餘鏈路。如果某個鏈路出現故障,分組會避開此鏈路按其他路徑選擇路由。

網際網路有時被稱為骨幹網，但這是一種誤導，因為網際網路實際上是相互連線在一起形成網狀的許多骨幹網。“骨幹網”一詞源自NSFNET，這是一種用於早期研究的網路，該網路由美國國家科學基金會出資興建。它創建了至今仍在使用的分層結構模型。這種模型中,本地服務提供商連線到區域服務,而後者又依次連線到全國或全球的服務提供商。目前,已有許多骨幹網相互連線在一起，這就使得任何兩台主機之間都可通信。此外,許多區域性的網路避開了骨幹網而直接彼此相連。

網際網路的網路由大量獨立的服務提供商(比如MCI Worldcom、Sprint、Earthlink、Cable and Wireless等)管理。其中包括NSP(網路服務提供商)、ISP(網際網路服務提供商)和交換點。NSP構建全國或全球性的網路並向區域性的NSP出售頻寬。區域性的NSP接著向本地ISP轉售頻寬。而本地ISP則向終端用戶提供服務方面的銷售與管理。

骨幹（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控制的大型網路，提供了聯網服務以支持美國的教育和研究。它重新定義了網際網路的早期體系結構和運作,並定義了沿用至今的網路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區域網路併入NSFNet中，使得其迅速擴大。當時,該網路被作為一種高速骨幹網。它的速度是56kbit/s，但到了1991年,它在T3鏈路上運行,而T1處於坡道上。各機構以28.8Kbit/s或56kbit/s連線。

該網路是分層結構的。區域網路連線在頂級骨幹網上。然後,本地網路通過比較短的鏈路連線到區域性網路。骨幹網和區域性網路由不同的受權機構管理,為本地網路提供頻寬和傳輸服務。頻寬再次轉售。 ISP業務模型是由早期的網路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並從更高一級的NSP購買頻寬、路由和傳輸服務。然後,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餘頻寬起家的。典型的ISP通常先安裝撥號設備(數據機、數據機組合器、集中器、接入和身份驗證伺服器等等),然後對用戶的服務進行計量和收費。

骨幹網交換局

NSFNET骨幹網概念已深入人心。其他的美國聯邦機構,包括MILNET(軍用網路)、NSI(NASA科學網際網路)以及Esnet(能源科學網路)等,也創建了類似的骨幹網。很明顯,這時需要在這些網路間交換通信,因此就建立了兩個被稱作FIX (聯邦網際網路交換局)的相互連線點。“FIX—Wast”位於海灣地區,而“FIX—East”位於華盛頓特區附近。

FIX是網際網路交換局。參加的機構利用交換局以對等方式相互連線起來。對等是一種不同的網路受權機構同意交換路由廣告和通信的關係。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。

通過不同骨幹網的相互連線,網際網路不再是一個單一的骨幹網,而是變成了一個網狀網路。此時,任何所說的骨幹網都僅指在中層網路間提供轉接服務的骨幹線之一。雖然NSFNET的分層式結構(具有頂層、中層和饋線網路)得到了保留,但是多個骨幹網重疊起來,如圖所示。注意下面：

·主骨幹網在網際網路交換站點處相互連線並交換通信。

·區域性網路通過網際網路交換站點或直接連線接入骨幹網。

一些網路通過專有對等鏈路,避開骨幹網路直接交換通信。

骨幹網交換局與NAP(網路接入點)

到了1993年,NSFNET決定停止向NSHNFF提供基金,並廢除AUP以促進網際網路的商業化。許多商業化網際網路網路都是在這時出現的。事實上,那些起初由NSF支持的區域性網路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。它們連線這些商業骨幹網，並為它們的終端用戶提供通信通道。

NSF的私有化計畫包括創建NAP(網路接入點),這些是網際網路交換局,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,航空公司租藉機場空間並使用機場的設施。同樣地,NSP租借NAP的空間並使用其交換設備與網際網路的其他部分交換通信。

各個ISP是通過網路接入點（NAP）互相連線的，各NAP的任務是在各ISP和其他網路之間交換業務量的。NAP必須具有100 Mbit/s的鏈路速度，因此它的本地網是用分散式光纖數據接口（FDDI）、100BASE-T （100 Mbit/s快速乙太網）或1000BASE-T（吉位即1 Gbps 乙太網）實現的。大多數NAP 是用ATM交換和SONET （同步光纖網）連線到其他的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連線起來。1993年,NFS將華盛頓特區、芝加哥、舊金山和紐約四處NAP的NAP契約分別給予了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“矽谷”的MAE(西部MAE)。MAE就是覆蓋一個都市區域的光纖迴路,它為本地服務提供商和公司提供連線點。1999年初，NAP和城域交換局（MAE）被統稱為公共網際網路交換點（IXP）。

NAP是物理設施,包括設備架、電源、電纜托架及用來連線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“乙太網”,但如今ATM交換機或“吉比特乙太網”交換機已非常普遍。NSP在NAP處安裝自己的路由器並將其連線到交換設備上,如圖所示。因此,起始於ISP的通信經過NSP的路由器後,進入NAP的交換設備,到達其他NSP在該NAP上的路由器。

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,由於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之間建立對等協定,而只提供能夠實現對等的設施。對等協定是NSP之間磋商的雙邊協定,該協定定義它們如何在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後通過的交換設備。

NSF也為創建“路由仲裁”服務提供了基金,該服務以路由伺服器和“路由仲裁資料庫”(RADB)的形式提供路由協調。路由伺服器處理NAP處的路由選擇任務,而RADB生成路由伺服器配置檔案。RADB是一組分散式資料庫,即“網際網路路由註冊表”的一部分,該資料庫是普通格式的公告的路由和路由策略的公共儲存庫。NSP使用該註冊表中的信息配置他們的骨幹網路由器。

如今,網際網路交換局只是網際網路體系結構的一部分。如前所說,許多的NSP之間建立了專用對等協定。專用連線是直接的物理鏈路,它使通信避免通過經常處於超負荷狀態下的NAP交換設施來轉發。NSP以兩種方式創建專用連線。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網路服務公司提供了一項達到最佳性能的網際網路交換業務。它的Assimilator (同化者)專有技術提供了智慧型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幹網來路由數據。Internap戶分組立即被傳送到正確的網際網路骨幹網,而不是隨機選擇的公共的或專用的對等點。

網路與自治系統

從選路的角度來說，處於一個管理機構控制之下的網路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。自製系統通常在統一的控制管理之下，例如大的公司或大學。小的站點常常是其網際網路服務提供商自製系統的一部分。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。每個在網際網路中的AS都由網際網路授權機構(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定以維護內部路由表。通常的內部路由協定是OSPF(開放式最短路徑優先)或者IS-IS(中間系統到中間系統)。

外部路由協定則處理AS之間路由信息的交換。AS必須提供自己關於可達目的地的相關內部路由計畫和相容性圖。最常見的外部協定是外部網關協定EGP(External Gateway Protocol)和邊緣網關協定BGP(Border Gateway Protocol)，BGP是較新的協定，在逐漸地取代EGP。BGP運行於“邊界路由器”中,該路由器將AS與其他的AS連線起來。一個AS邊緣的邊界路由器將其內部網路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。類似於用郵政編碼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位址空間的方法。ISP可以聚合地址塊,並在網際網路上以單個網路地址公布這些地址。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和骨幹網數據中心

PoP是客戶可以連線到服務提供商的設備並獲得對更大網路訪問的任何設施。一些PoP是為最終用戶接入設計的,而另一些是為允許ISP連線到NSP網路而設計的。PoP不是網際網路專有的實體。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處租賃空間來並置其設備。並置是明智之舉,因為PoP設施提供了安全、後備電源、災難防護、網際網路快速連線、網際網路交換的交換機、網際網路Web服務等等。在有些情況下,ISP沒有任何設備,而都是從NSP那裡租用的。這種ISP的業務主要是轉售服務給終端用戶並提供用戶持。

經過許多年以後,尤其是隨著56K數據機技術的採用,終端用戶撥號連線的方式發生了改變。到20世紀90年代中期時,ISP就在自己的設施上安裝一組的數據機和接入伺服器。然後終端用戶撥號連線到ISP的數據機上。當56K數據機技術出現時,只有將呼叫通過數字連線(T1或T3線路)從電信運營商的PoP中繼到ISP的設備上,才能達到數據機的最大速度。在很多情況下,ISP簡單地將數據機群和接入伺服器並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數據機組合器。

右圖顯示了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將通信轉發到網際網路主幹網或其他連線上。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,如城域乙太網和無線接入業務。

網際網路數據中心已成為提供並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、高頻寬連線等等。虛擬ISP服務VISP（Virtual Internet Service Provide），是以ASIACONNECT寬頻IP網路為平台，向用戶提供動態分配的連線埠，並根據其連線埠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成為純粹的網際網路服務零售商,主要是獲得新的網際網路客戶,提供服務台業務、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,並且通過VPN為其遠程用戶提供網際網路接入。

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,由於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之間建立對等協定,而只提供能夠實現對等的設施。對等協定是NSP之間磋商的雙邊協定,該協定定義它們如何在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後通過的交換設備。

NSF也為創建“路由仲裁”服務提供了基金,該服務以路由伺服器和“路由仲裁資料庫”(RADB)的形式提供路由協調。路由伺服器處理NAP處的路由選擇任務,而RADB生成路由伺服器配置檔案。RADB是一組分散式資料庫,即“網際網路路由註冊表”的一部分,該資料庫是普通格式的公告的路由和路由策略的公共儲存庫。NSP使用該註冊表中的信息配置他們的骨幹網路由器。

如今,網際網路交換局只是網際網路體系結構的一部分。如前所說,許多的NSP之間建立了專用對等協定。專用連線是直接的物理鏈路,它使通信避免通過經常處於超負荷狀態下的NAP交換設施來轉發。NSP以兩種方式創建專用連線。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網路服務公司提供了一項達到最佳性能的網際網路交換業務。它的Assimilator (同化者)專有技術提供了智慧型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幹網來路由數據。Internap戶分組立即被傳送到正確的網際網路骨幹網,而不是隨機選擇的公共的或專用的對等點。

網路與自治系統

從選路的角度來說，處於一個管理機構控制之下的網路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。自製系統通常在統一的控制管理之下，例如大的公司或大學。小的站點常常是其網際網路服務提供商自製系統的一部分。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。每個在網際網路中的AS都由網際網路授權機構(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定以維護內部路由表。通常的內部路由協定是OSPF(開放式最短路徑優先)或者IS-IS(中間系統到中間系統)。

外部路由協定則處理AS之間路由信息的交換。AS必須提供自己關於可達目的地的相關內部路由計畫和相容性圖。最常見的外部協定是外部網關協定EGP(External Gateway Protocol)和邊緣網關協定BGP(Border Gateway Protocol)，BGP是較新的協定，在逐漸地取代EGP。BGP運行於“邊界路由器”中,該路由器將AS與其他的AS連線起來。一個AS邊緣的邊界路由器將其內部網路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。類似於用郵政編碼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位址空間的方法。ISP可以聚合地址塊,並在網際網路上以單個網路地址公布這些地址。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和網際網路數據中心

PoP是客戶可以連線到服務提供商的設備並獲得對更大網路訪問的任何設施。一些PoP是為最終用戶接入設計的,而另一些是為允許ISP連線到NSP網路而設計的。PoP不是網際網路專有的實體。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處租賃空間來並置其設備。並置是明智之舉,因為PoP設施提供了安全、後備電源、災難防護、網際網路快速連線、網際網路交換的交換機、網際網路Web服務等等。在有些情況下,ISP沒有任何設備,而都是從NSP那裡租用的。這種ISP的業務主要是轉售服務給終端用戶並提供用戶持。

經過許多年以後,尤其是隨著56K數據機技術的採用,終端用戶撥號連線的方式發生了改變。到20世紀90年代中期時,ISP就在自己的設施上安裝一組的數據機和接入伺服器。然後終端用戶撥號連線到ISP的數據機上。當56K數據機技術出現時,只有將呼叫通過數字連線(T1或T3線路)從電信運營商的PoP中繼到ISP的設備上,才能達到數據機的最大速度。在很多情況下,ISP簡單地將數據機群和接入伺服器並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數據機組合器。

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將通信轉發到網際網路主幹網或其他連線上。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,如城域乙太網和無線接入業務。

網際網路數據中心已成為提供並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、高頻寬連線等等。虛擬ISP服務VISP（Virtual Internet Service Provide），是以ASIACONNECT寬頻IP網路為平台，向用戶提供動態分配的連線埠，並根據其連線埠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成為純粹的網際網路服務零售商,主要是獲得新的網際網路客戶,提供服務台業務、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,並且通過VPN為其遠程用戶提供網際網路接入。

空間骨幹網路

空間骨幹網路特點

1)覆蓋空間廣，時空跨度大。突破地面網路所存在的地理環境限制，覆蓋範圍從地面拓展到海洋、天空乃至外太空。

2)網路異構，拓撲動態變化。空間骨幹網絡是典型的混合網路結構，涉及到衛星網路、航空機載網路以及地面網路等多種網路形式，對整個網路的兼容性和可拓展性提出了挑戰。同時空間骨幹節點持續高動態變化、通信鏈路不連續等特性也是需要解決的重要問題之一。

3)多種技術挑戰並存。空間骨幹網路套用需求巨大、用戶眾多，對大容量高速數據傳輸、不同優先權的服務質量、一體化網路管理、系統安全性等多個方面提出了挑戰。

總體需求分析

1)高速數據傳輸。空間信息網路中各類感測器實時接收到的海量信息，需要通過空間骨幹網路快速準確地傳遞給數據處理中心。

2)靈活組網，快速重構。針對由於節點高動態性所導致的空間骨幹網路拓撲動態變化、通信鏈路波動等特性，保證網路的數據處理和轉發的有效性，要求網路具有較強的重構能力。

3)多種服務質量(QoS)保障。空間骨幹網路覆蓋範圍廣，時空跨度大，節點所處環境、組成與功能也不盡相同，導致所承擔的業務存在種類、時敏性、可靠性等方面差異巨大，對網路QoS提出了不同的優先權需求。

4)網路結構扁平，易拓展。空中骨幹網路可提供靈活、可靠的網路連線，互操作性強。考慮到成本與技術實現，整個網路的構建要基於現有的網路基礎設施，通過分步改進和創新來滿足未來不斷增長的套用需求。

空間骨幹網路體系架構

空間骨幹網路的體系架構見右圖。由空間節點所處層次和特點可以將空間骨幹網路劃分為3層:天基骨幹網路、空基骨幹網路、地基骨幹網路。各層網路在IP技術為基本框架和協定基礎上，通過星間、星地、星空、空空、空地以及地面有線鏈路連線起來，統一形成全球覆蓋的一體化空間骨幹網路體系。

從技術發展的趨勢和業務需求，未來的天基、空基、地基通信網路將逐步實現一體化。需要一種有效的協定框架來禁止各類異構網路之間的差異，為用戶提供透明服務。IP協定標準作為成熟的地面網路基礎，也是實現天空地網路融合的最佳選擇。基於IP的空間骨幹網路協定架構見圖。

骨幹網路體系結構

基本介紹

背景