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某团的自留研究所

全球互联网拓扑探索 (1) : 互联网是如何工作的

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

 

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:

 

 

更上一层,如果我现在在办留学签证,需要访问服务器在美国的网站,如何交换流量?

 

2.4 海底光缆

提到跨国互联网传输,不得不请出我们的海底光缆了。

海底光缆,Submarine (Undersea)Optical Fibre Cable,又称海底通讯电缆,是用绝缘材料包裹的导线,铺设在海底,用以设立国家之间的电信传输。

 

图:中国南部海底光缆出口概览

 

比如亚太直达海底光缆,就提供了中美的网络连接能力。

亚太直达海底光缆(英语:Asia-America Gateway,简称AAG),又称亚美国际海缆,是一条长20,000千米(12,000英里)的海底通信光缆系统,通过关岛和夏威夷横跨太平洋,连接东南亚与美国大陆。这条海缆取代2000年启用、2016年退役的中美海缆。

 

有兴趣的读者可以参考 cablemao.info 查看全球光缆的情况。

 

 

3 小结

至此,我们对全球互联网物理上的拓扑连接有了概念上的认识。

 

相信聪明的你已经有了更进一步的思考:

那么各个网络是如何找到较优的线路进行连接,而不是随机漫步的呢?另外,不同ISP的网络,逻辑上是怎么互相适应,共同组成我们现在庞大的“互联网”呢?

在系列第2篇文章中,我们将涉及 自治系统AS和BGP协议,在逻辑上对互联网的组成进行探究。

 

 

参考资料

 

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不是yuge
不是yuge
1 月 之前

好多概念都在看门狗2里面听过——只能靠游戏了解知识的屑