全球互联网拓扑探索 (1) : 互联网是如何工作的

2021年11月27日 2321点热度 2人点赞 2条评论

作为用户或开发者，我们仿佛已经对《畅通的互联网连接》这一事实深信不疑。但是，互联网世界究竟是怎么组织起来的呢？

本文为系列第1篇文章，涉及互联网网络物理组成上的不同层级。

全球互联网拓扑探索

近期正好对《互联网连接拓扑》做了初步的探索。直到认真探究之前，我对许多原理的认知都是模糊的。系列文章是探究留下的笔记。如有谬误，请不吝赐教。

全球互联网拓扑探索 (1) : 互联网是怎样工作的
全球互联网拓扑探索 (2) : 自治系统(AS)的连接与BGP协议
全球互联网拓扑探索 (3) : 自己动手，看看你与目标的连接性如何
全球互联网拓扑探索 (4) : 国家和大洲级别连接拓扑探究与可视化

1 背景和问题引入

互联网早已经成为我们生活的一部分。我们可能早已习惯，打开我们的手机，就能连接到全世界。可是，互联网是如何将BiliBili或者Netflix的视频传递到我们的终端上呢？这就有了这篇文章。

2 互联网的物理连接

互联网的组织，和我们城市和行政区的划分类似，也是可以分层的。我们从离我们最近的设备，一层一层地向远处看。每个层级，先说说其定义，然后在看看他在我们开发或者生活中具体的形态。

2.1 局域网

图：典型家庭局域网

局域网（英语：Local Area Network，简称LAN）是连接住宅、学校、实验室、大学校园或办公大楼等有限区域内计算机的计算机网络。以太网和Wi-Fi（无线网络连接）是现今局域网最常用的两项技术。

实际上这一层是我们最常见的网络，在这一层设备之间可以直接交换流量。比如在NAS中存储电影文件，在电视上进行点播播放，流量在该局域网内部可以直接交换。又或者你们宿舍找了个可以局域网联机的游戏，流量也在这一层直接交换掉了。

那么问题来了，我们现在想要再向外连接更广阔的网络，比如需要购物或者支付，流量如何向上层传输呢？

2.2 城域网 MAN / 广域网 WAN

MAN: 都会网域（Metropolitan Area Network，MAN）指大型的计算机网络，属于IEEE802.6标准，是介于LAN和WAN之间能传输语音与资料的公用网络。MAN是改进LAN（局域网）中的传输介质，扩大局域网的范围，达到包含一个大学校园、城市或都会区。

WAN: 广域网（英语：Wide Area Network，缩写为 WAN），又称广域网、外网、公网。是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网并不等同于互联网。

ISP: 互联网服务供应商（英语：Internet Service Provider，简称ISP），又称因特网服务提供者、互联网服务提供商、网络服务供应商，即指提供互联网访问服务的公司。

简单理解，城域网的规模比局域网要大一些。比如，一个城市中的同一个ISP（如：中国联通）用户组成的城域网。我们可以这样理解，如果A和B都是同在一个城域网内，那他们互相传输的流量都可以在该城域网直接内部解决。另外广域网的概念比城域网大，也就是我们常见路由器上的WAN。

图：铁岭联机两兄弟网络拓扑

试想，如果我是在铁岭的中国联通用户，小A也是铁岭的中国联通用户，我们如果在同一个城市级别的城域网中，我们的流量具备直接交换的能力，就没必要传到北京的骨干网络，再传回来了（下面会讲到骨干网）。

那么问题又来了，如果我是铁岭的联通用户，现在买东西，需要连接淘宝的杭州的多线服务器，流量信息又是怎么交换的呢？

2.3 骨干网

我们这里以中国大陆骨干网络为例。中国互联网骨干网是能够覆盖全国、连接中国大陆境内不同区域并且可以通过互联互通节点与其他网络进行连接的大型计算机网络。骨干网有数个，比如中国电信的CHINANET / CHINA163、下一代承载网CN2；中国联通的CHINA169。

图中国电信ChinaNet架构

这里翻到一张中国电信的ChinaNet结构图。还记得刚刚我们理解了一家运营商在同一个城市的网络吗？城域网逐渐向上汇聚，连接到省节点。省节点汇聚，连接到上层普通核心节点。核心节点汇聚，再连接到核心骨干节点。另外，各个骨干节点互相连接，以提高连通性和带宽。这样，实现了中国电信的全国网络交换。

图骨干网连接拓扑

现在，我们已经理解同一个运营商比如中国电信的网络的流量连接。那么，如果是中国联通和中国电信的互相连接呢？ ISP之间往往会在核心机房出连接，进行流量交换。

举个例子，笔者写作时，使用在辽宁的家庭宽带，连接到深圳的家庭宽带，路线是

Host                                Loss%   Snt   Last   Avg  Best  Wrst StDev
 1. AS???    XiaoQiang                0.0%  2994    0.6   0.5   0.4  11.2   0.8
 2. AS4837   113.238.200.1            0.0%  2994    3.6   4.5   2.3  57.7   5.3
 3. AS4837   123.188.253.221          0.0%  2994   25.5   4.0   2.2  49.8   6.4
 4. AS4837   113.230.179.1            0.3%  2994   10.8  10.6   9.7  34.9   2.1
 5. AS4837   219.158.114.225         86.3%  2994   55.3  57.0  55.2  99.2   3.8
 6. AS4837   219.158.96.198           0.0%  2994   64.2  57.4  55.2 112.8   1.9
 7. AS4134   202.97.17.157            0.1%  2994   65.3  61.4  57.5 131.6   2.9
 8. AS4134   202.97.95.137           74.6%  2994   61.3  61.6  60.0  77.3   1.8
 9. AS4134   183.56.65.22             0.1%  2994   67.8  64.0  62.5  90.5   3.7
10. AS4134   14.147.73.178            0.2%  2994   64.6  64.3  61.7  77.3   1.9

AS4837中国联通辽宁朝阳市-> AS4837中国联通辽宁沈阳 -> AS4837中国联通北京 -> AS4134中国电信骨干网北京 -> AS4134中国电信广东广州 -> AS4134 中国电信广东深圳

可以看到，该流量两家ISP在北京进行交换。

关于traceroute技术，我们将会在后续章节的《动手做》中提到。需要在ISP之间流量交换，也是我们跨运营商连接往往质量不如同运营商连接的原因之一。

一般大型ISP之间的流量阶段会因为流量不均衡，分为对等和不对等的关系。不对等的关系，往往意味着网间的流量需要在经济上进行结算。

有趣的是，根据工业和信息化部的安排，中国电信、中国联通和中国移动三大运营商以及中国教育和科研计算机网、中国科技网、中国国际经济贸易互联网、中国长城互联网等公益性网络无需向任何其他运营商支付网间结算费用（2020年7月1日以前，中国移动须单方面向中国电信和中国联通按照最高8万元/Gbps/月支付网间结算费用）。

中国骨干网的历史也很有趣。感兴趣的读者可以参见：