计算机网络 第一章（4）网络核心（3）

三、网络的网络

我们在前面看到，端系统经过一个接入ISP与因特网相连。该接入ISP能够提供有线或无线连接，使用了包括DSL、电缆、FTTH、WIFI和蜂窝等多种技术。值得注意的是，接入ISP不必是本地电信局或电缆公司，相反，它能够是如大学或公司这样的单位。但为端用户和内容提供商提供与接入ISP的连接仅解决了连接难题中的很小一部分，因为因特网是由数以亿计的用户构成的。要解决这个难题，接入ISP自身必须互联。通过创建网络的网络可以做到这一点，理解这个短语是理解因特网的关键。

年复一年，构成因特网的“网络的网络”已经演化成为一个非常复杂的结构。这种演化很大一部分是由经济和国家策略驱动的，而不是由性能驱动的。为了理解今天的因特网网络结构，我们逐步递进建造一系列网络结构，其中的每个新结构都更好地接近我们现有的复杂因特网。回顾前面互联接入ISP的目标，是使所有端系统能够彼此发送分组。一种幼稚的方法是使每个接入ISP直接与每个其他接入ISP连接。当然，这样的网状设计对于接入ISP费用太高了，因为这将要求每个接入ISP与世界上数十万个其他接入ISP有一条单独的通信链路。

我们的第一个网络结构即网络结构1，用单一的全球承载ISP互联所有接入ISP。我们假想的全球承载ISP是一个由路由器和通信链路构成的网络，该网络不仅跨越全球，而且至少具有一个路由器靠近数十万接入ISP中的每一个。当然，对于全球承载ISP，建造这样一个大规模的网络将耗资巨大。为了有利可图，自然要向每个连接的接入ISP收费，其价格反映一个接入ISP经过全球ISP交换的流量。因为接入ISP向全球承载ISP付费，故接入ISP被认为是客户，而全球承载ISP被认为是提供商。

如果某个公司建立并运行了一个可盈利的全球承载ISP，其他公司建立自己的全球承载ISP并与最初的全球承载ISP竞争则是一件自然的事。这就导致了网络结构2。它由数十万接入ISP和多个全球承载ISP组成。接入ISP无疑喜欢网络结构2胜过网络结构1，因为他们现在能够根据价格和服务的函数，在多个竞争的全球承载提供商之间进行选择。然而，值得注意的是，这些全球承载ISP之间必须是互联的：不然的话，与某个全球承载ISP连接的接入ISP将不能与连接到其他全球承载ISP的接入ISP通信。

刚才描述的网络结构2是一种两层的等级结构，其中全球承载提供商位于顶层，而接入ISP位于底层。这假设了全球承载ISP不仅能够接近乜咯接入ISP，而且发现经济上也希望这样做。现实中，尽管某些ISP确实具有令人印象深刻的全球覆盖，并且确实直接与许多ISP连接，但世界上没有ISP是存在于每个城市中的。相反，在任何给定的区域，可能有一个区域ISP（reginal ISP），区域中的接入ISP与之相连。每个区域ISP则与第一层ISP（tier-1 ISP）连接。第一层ISP类似于我们假想的全球承载ISP；尽管第一层ISP不是世界上每个城市都存在，但它确实存在。有大约十几个第一层ISP，包括Level 3 通信、A&T、Sprint和NTN，有趣的是，没有组织正式认可第一层状态。

返回到网络的网络，不仅有多个竞争的第一层ISP，而且同区域可能有多个竞争的ISP。在这样的等级结构中，每个接入ISP向区域ISP支付其连接费用，并且每个区域ISP向它连接的第一层ISP支付费用。因此，在这个等级结构的每层，有客户-提供商的关系，值得注意的是，第一层ISP不向任何人付费，他们相当于该等级结构的顶部。使得事情更为复杂的是，在某些区域，可能有较大的区域ISP（可能跨域整个国家），区域中较小的区域ISP与之相连，较大的区域ISP与第一层ISP连接。例如，在中国，每个城市都有接入ISP，他们于省级ISP连接，省级ISP又与国家ISP连接，国家级ISP最终与第一层ISP连接。这个多层等级结构仍然是今天互联网的粗略近似，我们称它为网络结构3。

为了建造一个与今天因特网更为相似的网络，我们必须在等级网络结构的网络结构3上增加一些存在点（Ponint of Presence，PoP）、多宿、对等和因特网交换点（Internet exchange point，IXP）。PoP存在于等级结构的所有层次，但底层（接入ISP）等级除外。一个PoP只是提供商网络中的一台或多台路由器（在相同位置）群组，其中客户ISP能够直接与提供商ISP连接。对于要与提供商PoP连接的客户网络，它能从第三方通信提供商租用高速链路直接将它的路由器之一连接到位于该PoP的一台路由器。任何ISP（除了第一层ISP）可以选择多宿（multi-home），即可以与两个或更多提供商ISP连接。例如，一个接入ISP可能与两个区域ISP多宿，或者可以与两个区域ISP多宿，也可以与多个第一层ISP多宿。当一个ISP多宿时，即使它的提供商之一出现故障，它仍然可以继续发送和接收分组。

正如我们刚才学习的，客户ISP向他们的内容提供商ISP付费以获得全球因特网互联能力。客户ISP支付给提供商ISP的费用数额反映了它通过提供服务商交换的流量。为了减少这些费用，位于相同等级结构层次的邻近一对ISP能够对等（peer），这就是说，能够直接将它们的网络连到一起，使它们之间的所有流量经直接连接的而不是通过上游的中间ISP传输。当两个ISP对等时，通常不进行结算，即任一个ISP不向其对等收费。如前面提到的那样，第一层ISP也与另一个第一层ISP对等，它们之间无结算。沿着这些相同路线，第三方公司创建了一个因特网交换点（Internet exchange point，IXP），IXP是一个汇合点，多个ISP能够在这里共同对等。在今天的因特网总大约有300个IXP。我们称这儿系统为生态系统——由接入ISP、区域ISP、第一层ISP，PoP、多宿、对等和IXP组成，这个系统作为网络结构4。

接下来我们讨论网络结构5，它描述了2012年的因特网，它通过网络结构4顶部增加内容提供商网络（content provider network）构建而成。谷歌是当前这样的内容提供商网络的一个突出例子。

下面进行总结，今天的因特网是一个网络的网络，其结构复杂，由十多个第一层ISP和数十万个较低层ISP组成。ISP覆盖的区域有所不同，有些跨越多个大洋和大洲，有些限于很小的地理区域。较低层的ISP与较高层的ISP相连，较高层的ISP彼此互联。用户和内容提供商是较低层的ISP客户，较低层的ISP是较高层ISP的客户。近年来，主要的内容提供商也已经创建自己的网络，直接在可能的地方与较低层ISP互联。