中科大计算机网络原理 1.5 Internt结构和ISP

一、互联网的层次化架构

1. ‌覆盖范围分层‌

   • ‌主干网（Tier-1级）‌
     • 国家级或行业级核心网络，承担跨区域数据传输和全球互联功能。例如中国的四大主干网（ChinaNET、CERNET等）以及跨国运营商（如AT&T、Deutsche Telekom）的网络。
     • 特点：节点数量少、带宽极高，通常通过高速光缆或海底电缆直接互联。
   • ‌中间层网（区域ISP）‌
     • 覆盖省级或大都市圈，连接主干网与本地接入网络。例如中国移动的省级骨干网或区域性电信服务商。
     • 功能：提供区域内的流量汇聚和分发，支持本地ISP的互联需求。
   • ‌底层网（本地ISP）‌
     • 直接面向终端用户，包括家庭宽带、企业专线、校园网等。
     • 接入方式：光纤到户（FTTH）、5G无线接入、卫星通信等。

2. ‌ISP层级划分‌

   • ‌第一层ISP（Tier-1）‌
     • 全球或国家级骨干网络运营商，无需向其他ISP支付流量费用（通过“对等连接”实现免费流量交换）。
     • 代表企业：中国电信、Verizon、NTT Communications。
   • ‌第二层ISP（Tier-2）‌
     • 接入Tier-1 ISP，同时与其他Tier-2 ISP互联以扩展覆盖范围。
     • 典型场景：省级电信运营商通过Tier-1 ISP实现跨省互联，并通过IXP与其他Tier-2 ISP对等互联。
   • ‌本地ISP（Tier-3）‌
     • 直接服务终端用户，通过POP（服务接入点）连接上层ISP。
     • 商业模型：向用户收取接入费，向上层ISP支付流量费用。

3. ‌协议分层模型‌

   • ‌物理层‌：传输介质（光纤、无线电波）与硬件设备（路由器、交换机）的物理连接标准。
   • ‌数据链路层‌：以太网协议（MAC地址）、Wi-Fi（IEEE 802.11）等本地网络通信协议。
   • ‌网络层‌：IP协议（IPv4/IPv6）、BGP路由协议（用于ISP之间的路径选择）。
   • ‌传输层‌：TCP（可靠传输）、UDP（低延迟传输）。
   • ‌应用层‌：HTTP/3、DNS、视频流媒体协议（如QUIC）。

二、ISP的互联与商业模式

1. ‌互联方式‌

   • ‌对等连接（Peering）‌
     • 同级ISP之间直接互联，不产生费用（如Tier-1 ISP之间的互联）。
   • ‌穿透连接（Transit）‌
     • 低层ISP向高层ISP付费以接入其网络（如本地ISP通过Tier-2 ISP连接全球互联网）。
   • ‌互联网交换点（IXP）‌
     • 多个ISP在IXP节点集中互联，降低跨网流量成本。全球主要IXP包括法兰克福、阿姆斯特丹和香港的交换中心。

2. ‌经济驱动与竞争‌

   • ‌成本分摊‌：Tier-1 ISP通过向低层ISP出售带宽资源盈利，而本地ISP通过用户订阅费覆盖成本。
   • ‌内容分发优化‌：ICP（如Google、Netflix）自建全球专网，通过部署边缘节点（CDN）减少对传统ISP的依赖，降低延迟和带宽成本。

三、内容提供商（ICP）的部署策略

1. ‌数据中心布局‌

   • ‌地理位置选择‌：靠近ISP核心节点（降低延迟）、避开地震/洪水风险区、利用廉价电力资源（如北欧水电、沙漠太阳能）。
   • ‌多活架构‌：跨地域冗余部署，实现灾难恢复和负载均衡（如阿里云的“三地五中心”模式）。

2. ‌与ISP的协同‌

   • ‌直接互联‌：大型ICP通过专线与Tier-1 ISP对等互联，绕过中间层级（如Google与AT&T直接互联）。
   • ‌边缘计算‌：将服务节点下沉至本地ISP机房，减少骨干网流量压力（如短视频平台的边缘缓存服务器）。

四、互联网的核心特征

1. ‌松散层次化‌

   • 无中心控制节点，ISP通过协议自主协商互联关系，形成动态调整的拓扑结构。

2. ‌可扩展性与冗余‌

   • 协议分层支持异构网络互联（如5G与卫星通信的融合）；冗余链路设计保障单点故障不影响整体连通性。

3. ‌技术与经济协同演化‌

   • 技术标准（如IPv6、SRv6）推动网络效率提升，而市场竞争驱动ISP优化服务质量和资费结构。