骨干网

卫星通信在internet骨干网上的作用

当今世界Internet的迅猛发展，给产业带来无限生机，同时也推动着通信技术的进步。随着网络技术的发展，卫星通信在Internet骨干网的作用已日益突出。一、卫星通信与TCP/IP协议卫星通信的优势体现在：（1）独特的无缝隙覆盖能力：三颗同步卫星就能实现除两极以外的全球通信，这种无缝隙覆盖其它通信手段无法比拟的。（2）组网灵活快捷：利用卫星通信系统的高功率密度、支持不对称传输链路、广播特性以及未来的星上交换技术，可以构建点对多点、多点对多点的拓扑结构复杂的广域网。（3）对距离的不敏感性：卫星通信链路的成本与传输距离无关，是解决边远地区和不发达地区通信的重要手段，也是卫星通信与其它通信方式相比较最具优势的特点之一。（4）抗灾害能力强：在现代通信网中，卫星通信作为应急通信和地面通道的备份手段是必不可少的，在抵抗地震、洪水等自然灾害的方面比光缆、微波具有更高的可靠性。正因为如此，卫星通信已成为Internet骨干网中一种重要的传输手段。Internet是世界上最大的计算机网，确切地说它是“网络的网络”。Internet互联了各种网络，如：分组交换网、以太网、局域网等，用户可以通过数据专线或公众电话网连到Internet网上。这些网络互联的关键是依靠TCP/IP（传输控制协议/网际协议）。TCP/IP是地面网中广泛采用的一种协议，是Internet的基本协议。随着Internet的迅速扩张，网络出现了拥塞崩溃现象，为缓解拥塞TCP采用了一些拥塞控制机制，如拥塞避免和慢启动，快速启动和快速恢复，这四种拥塞控制机制调整窗口大小进行流量控制。自Internet诞生之初TCP/IP协议就运用到卫星链路上了，但是卫星信道固有的特点，对于TCP/IP来说是有很大影响的，这种影响主要体现在两个方面：（1）时延长通信怀星位于赤道上空36000公里的同步轨道，从一个地球站发出的数据到达另一个地球站的时延约280ms，通信时数据往返时延（RTT）需要560ms，这个时延远远大于地面光缆传输的时延。而同步卫星的传全时延是由电磁波的传输速率与卫星对地面的距离决定的，无法改变。这么长的时延，TCP发端需很长的时间确认数据包是否被正确接收，这十分不利于远程通信的交互式应用。TCP协议采用的是确认应答方式进行数据传输，所以数据的传输性能不仅取决于信道的带宽，还与确认应答的时延有关。长时延势必会使时延与带宽与RTT（秒）的乘积。在TCP协议中称其为数据管道。数据管道的大小表明在信道完全充分利用的情况下，在信道中传输但没有确认的数据量。管道越大对数据丢失的反应越慢，对拥塞越不敏感。有资料表明，当数据管道达到10（5次方）Bits时，TCP的性能将明显下降。如卫星传输的数据是2Mbps，则卫星数据管道的大小为2Mbps×560ms＝1.12Mbps，已达到10（6次方）bit的数量级。（2）信道误码率较高一般来说，卫星信道的误码率会高于地面传输信道，典型的卫星信道的误码率为10（负7次方）。在TCP协议中一个很小的数据丢失就被认为是拥塞，并采取措施控制拥塞，措施之一是减小窗口尺寸，使发出的数据包减少，以缓解网络拥塞。而TCP判断网络是否发生拥塞的标准是接收数据包的数量，如果接收到的数据包减少，那么，TCP协议就订为发生了网络拥塞，并开始减小滑动窗口的尺寸。然而当数据包丢失是由于传输错误（如信道噪声产生的误码），而不是真正的拥塞时，减小窗口尺寸就会降低网络频带的利用率，在卫星信道中通常使用FEC（前向纠错）来改善误码率。上述问题，有关专家正在研究解决。解决的方法主要从两方面考虑：一方面采用更先进调制编码和纠错技术降低误码率，使卫星信道的传输质量达到光纤信道的水平。另一方面对TCP协议进行改进。如：减小传输窗口恢复时间；采用确认机制（SACK）减小重传数据量；增加最大接收窗口以提高数据吞吐量等。尽管TCP/IP在卫星链路中应用时，还有不尽人意的地方，但这并不表明TCP/IP不能在卫星链路上应用。实践证明，采用TCP/IP协议，能够使卫星网与地面网尤其是Internet网方便地互联，实现天地互通。二、CHINANET简介CHINANET（中国公用计算机互联网）是中国电信经营的中国公用Internet，是Internet在中国的最主要骨干网。1994年8月中国邮电电信总局与美国SPRINT公司签订协议，通过该公司首先向中国公众提供Internet服务。近年来，Internet在我国的发展异常迅猛，中国互联网信息中心（CNNIC）今年1月的统计表明，我国上网计算机有350万台，用户890万户，WWW站点约15153个。Internet国际电路总带宽达351Mbps。直接通达的国家有美国、加拿大、澳大利亚、英国、德国、法国、日本、韩国等。CHINANET于1995年4月向社会各界开放，经过五年的建设CHINANET已覆盖全国31省市、自治区，共建有31个骨干网节点，其中在北京、上海、广州建有三个高速出口与国际通信卫星传输的。CHINANET由核心层和接入层组成，核心层主要提供国内高速中继通道和连接接入层，同时负责与国际Internet互联，接入层负责提供各种接入端口和用户接入管理。CHINANET网依托强大的分组交换网（CHINAPAC），数字数据网（DDN）、公众电话网（PSTN）等公用网，采用国际上先进的技术和设备，无可置疑地成为中国国内Internet的主干网。特别是其拥有三个高速国际出口，使CHINANET在中国计算机互联网中占据举足轻重的地位。目前国内其他计算机网络，一般通过租用专线电路与CHINANET连接，再与国际Internet互联。根据CNNIC今年1月统计，这些网络占有的国际出口容量分别为：中国科技网（CSTNET）10Mbps，中国教育和科研计算机网（CERNET）8Mbps，中国金桥信息网（CHINAGBN）22Mbps，中国联通互联网（UNNET）20Mbps。CHINANET灵活的接入方式和遍及全国各城市的接入点，使用户可以方便地接入国际Internet，其享Internet网上的全部资源和各种服务。此外，还可以利用CHINANET网络平台和网上用户群，经营各种服务或组建本系统的应用网络。尤其是CHINANET为用户提供友好的中文界面，便于用户使用Internet的网络资源。目前CHINANET正在加紧建设。整个CHINANET网络备有充足的高速路由器来保证网络的可靠性，并采用先进的安全技术来保证全网的安全性。目前网上用户正在以每月新增加10万个的速率增长。可以相信，不久的将来CHINANET将成为国际上规模最大、技术最先进的Internet网元。

三、星关网络接入点（SSNAP）通过卫星接入Internet有两种方式：网络接入点（NAP）间连接或在型Internet服务提供商（ISP）远程接入Internet，再通过卫星对边远地区的小ISP提供连接。CHINANET在国内NAP点之间用光缆连接，国际出口连接采用卫星和海光缆相结合。卫星接入Internet的关口站称作星关网络接入点（SSNAP）。美国是Internet的发源地，Internet网上的大量信息都存在北美。通过通信卫星即可直接建立和北美的高速直达Internet链路，这些链路可以是对称的，也可以是不对称的。一般来说，用户向Internet发出的信息量小，而从Internet上得到的信息量都相对大得多。Internet业务的这种非对称性，即收发两个方向的业务量不同，卫星传输很适应这种特点。因此采用非对称卫星电路，使Internet与卫星紧密结合，用户就可以只为需要的带宽付费，节省了不必要的开支，所以使用非对称卫星电路接入Internet是非常有效和经济的。根据国际卫星组织（INTELSAT）1999年统计，通过国际卫星组织的空间段开通Internet骨干网的业务量已占国际卫星组织总业务量的15％。以亚太地区为例，共有近十个国家和地区租用INTELSAT空间段分别开通了双向45Mbps和非对称45：8Mbps到美国的Internet骨干电路，最多的为澳美骨干网达4×45Mbps，我国香港地区至美国达到5×45Mbps。中国电信从1996年1月开始采用2Mbps国际卫星组织的卫星电路接入Internet。1998年底，首次采用非对称技术，开通了第一条发8Mbps，由45Mbps的Internet卫星电路。到目前为止，已开通了从2Mbps到45Mbps不同速率的卫星Internet电路20多条，总带宽约为250Mbps。在开通高速非对称业务时采用了ECL（发射体耦合逻辑）接口，HSSI是高速串行接口，ECL用来帮助HSSI实现高速数据速率和低噪声电平。HSSI可以处理在高速宽域网技术中多数使用的T3速率（45Mbps），HSSI的最大信号速率为52Mbps。按照传统方法，用户需要高速接入Internet时，可以与每个独立的骨干网供应商分别建立连接或者通过一个网络接入点（NAP）与多个网络互联。但是，目前的NAP存在某些短时间难以解决的性能问题，并且通过某个单一的供应商与其它网络互联，就意味你失云了主动权，因为你必须依赖供应商将你连接到你想要接入的其它网络。随着专用网络接入节点（PNAP）的出现，上述传统解决方法中出现的问题就可以迎刃而解了。PNAP是通过单一的节点来管理维护连接到所有的主要Internet骨干供应商，通过PNAP可以将其以最短的路径用专门的设备连接到各个骨干网。星关卫星网络接入点（SSNAP）拓展了PNAP系统的能力，它可以使用户通过卫星技术接入网络节点。这是北京地球站与美国布鲁斯特地球站首次开通8：45Mbps非对称Internet电路的实际路由。SSNAP的这种设计结构，使用户能在同一时间内，以尽可能大的传输能力连接所有的骨干网。每一个供应商的所有路由是通过CISCO7513系列交换路由器来收集的，它可以重新分配这些路由，以使用户能通过最佳路由到达目的地。路由器是网络层的重要设备，它可确定网络信息传输的方向，在网络层信息的基础上将数据包丛个网络传送到一个网络。CISCO7204系列路由器是用户关口睡由器，通过采用SDM-9000型卫星高速MODEM并将其与关口路由器连接，方便地实现了卫星与用户的连接，所有的用户网关路由器是通过采用CISCO接触路由器CISCO5500系列交换，再经高速以太网连接到CISCO7513系列交换路由器。四、结束语中国电信开通卫星Internet电路已四年有余，其质量稳定可靠。实践证明 ，利用卫星接入Internet骨干网，简单易行、成本低廉，对于缓解我国Internet骨干网拥挤状况，提高上网速度有很大的帮助。卫星通信具有覆盖面广，组网灵活，不受地理条件限制等优点，在远距离大容量干线通信，大区域稀路由通信，无缝隙移动通信等方面，都占据其他通信手段无法比拟的优势。卫星通信的基本特点及优势决定它不仅在璀社会中，就是在未来的信息社会中，通过与地区网络的相互融合、相互补充必将成为天地一体的通信网中不可替代的重要成员。因此，Internet通过卫星传输必将得到推广，成为未来通信系统中一个重要组成部分。

因特网体系结构和骨干网简介

目录 1 因特网拓扑结构 2 因特网交换局 3 因特网交换局与NAP(网络接入点) 4 网络与自治系统 5 POP和因特网数据中心

因特网(Internet)又称国际计算机互联网，是目前世界上影响最大的国际性计算机网络。它属于具有分布式网状拓扑结构的分组交换网络。信息以分组的形式通过由到达同一目的地的多个路径构成的网络传送。网络通过路由器(它按照分组的目的地路径将信息转发)相连。“网状拓扑结构”提供了冗余链路。如果某个链路出现故障,分组会避开此链路按其他路径选择路由。

因特网有时被称为骨干网,但这是一种误导,因为因特网实际上是相互连接在一起形成网状的许多骨干网。“骨干网”一词源自NSFNET,这是一种用于早期研究的网络,该网络由美国国家科学基金会出资兴建。它创建了至今仍在使用的分层结构模型。这种模型中,本地服务提供商连接到区域服务,而后者又依次连接到全国或全球的服务提供商。目前,已有许多骨干网相互连接在一起,这就使得任何两台主机之间都可通信。此外,许多区域性的网络避开了骨干网而直接彼此相连。

因特网的网络由大量独立的服务提供商(比如MCI Worldcom、Sprint、Earthlink、Cable and Wireless等)管理。其中包括NSP(网络服务提供商)、ISP(因特网服务提供商)和交换点。NSP构建全国或全球性的网络并向区域性的NSP出售带宽。区域性的NSP接着向本地ISP转售带宽。而本地ISP则向终端用户提供服务方面的销售与管理。

因特网拓扑结构

NSFNET是美国国家科学基金会网。这是在1986年到1995年，由NSF控制的大型网络，提供了联网服务以支持美国的教育和研究。它重新定义了因特网的早期体系结构和运作,并定义了沿用至今的网络和服务提供商分层结构。

美国的许多大学、政府资助的研究机构甚至一些私营的研究机构纷纷把自己的局域网并入NSFNet中，使得其迅速扩大。当时,该网络被作为一种高速骨干网。它的速度是56kbit/s，但到了1991年,它在T3链路上运行,而T1处于坡道上。各机构以28.8Kbit/s或56kbit/s连接。

该网络是分层结构的。区域网络连接在顶级骨干网上。然后,本地网络通过比较短的链路连接到区域性网络。骨干网和区域性网络由不同的受权机构管理,为本地网络提供带宽和传输服务。带宽再次转售。 ISP业务模型是由早期的网络提供商和服务提供商开发的。企业主可以各自在本地区建立设施并从更高一级的NSP购买带宽、路由和传输服务。然后,这些本地ISP向终端用户转售上述服务。许多ISP起初都是由某人出售多余带宽起家的。典型的ISP通常先安装拨号设备(调制解调器、调制解调器组合器、集中器、接入和身份验证服务器等等),然后对用户的服务进行计量和收费。

因特网交换局

NSFNET骨干网概念已深入人心。其他的美国联邦机构,包括MILNET(军用网络)、NSI(NASA科学互联网)以及Esnet(能源科学网络)等,也创建了类似的骨干网。很明显,这时需要在这些网络间交换通信,因此就建立了两个被称作FIX (联邦因特网交换局)的相互连接点。“FIX—Wast”位于海湾地区,而“FIX—East”位于华盛顿特区附近。

FIX是因特网交换局。参加的机构利用交换局以对等方式相互连接起来。对等是一种不同的网络受权机构同意交换路由广告和通信的关系。在FIX处,每个机构都有一个路由器用来与其他机构的路 由器交换路由信息和通信。如同联邦AUP(可接受使用政策)限制非联邦机构通信一样,这些路由器之间的通信受到各个机构的政策限制。

通过不同骨干网的相互连接,因特网不再是一个单一的骨干网,而是变成了一个网状网络。此时,任何所说的骨干网都仅指在中层网络间提供转接服务的骨干线之一。虽然NSFNET的分层式结构(具有顶层、中层和馈线网络)得到了保留,但是多个骨干网重叠起来,如图I—4所示。注意下面：

•主骨干网在因特网交换站点处相互连接并交换通信。

•区域性网络通过因特网交换站点或直接连接接入骨干网。

一些网络通过专有对等链路,避开骨干网络直接交换通信。

图 I-4 20世纪90年代初期的因特网

因特网交换局与NAP(网络接入点)

到了1993年,NSFNET决定停止向NSHNFF提供基金,并废除AUP以促进因特网的商业化。许多商业化因特网网络都是在这时出现的。事实上,那些起初由NSF支持的区域性网络都变成了商业化服务提供商,包括UUNet、PSINet, BBN，Intermedia, Netcom和其他提供商。它们连接这些商业骨干网，并为它们的终端用户提供通信通道。

NSF的私有化计划包括创建NAP(网络接入点),这些是因特网交换局,具有支持商业和国际通信的开放接入策略。NAP就像是为不同航空公司服务的机场,航空公司租借机场空间并使用机场的设施。同样地,NSP租借NAP的空间并使用其交换设备与因特网的其他部分交换通信。

各个ISP是通过网络接入点（NAP）互相连接的，各NAP的任务是在各ISP和其他网络之间交换业务量的。NAP必须具有100 Mbit/s的链路速度，因此它的本地网是用分布式光纤数据接口（FDDI）、100BASE-T （100 Mbit/s快速以太网）或1000BASE-T（吉位即1 Gbps 以太网）实现的。大多数NAP 是用ATM交换和SONET （同步光纤网）连接到其他的NAP和更大的ISP。

NSF的策略之一是,所有获得政府基金的NSP必须与所有NAP连接起来。1993年,NFS将华盛顿特区、芝加哥、旧金山和纽约四处NAP的NAP合同分别给予了MFS (都市光纤系统)Communication、Ameritech、Pacific Bell和Sprint四家公司。MFS已经运营华盛顿特区的MAE(城域交换局)(东部MAE)和加利福尼亚州“硅谷”的MAE(西部MAE)。MAE就是覆盖一个都市区域的光纤回路,它为本地服务提供商和公司提供连接点。1999年初，NAP和城域交换局（MAE）被统称为公共因特网交换点（IXP）。

NAP是物理设施,包括设备架、电源、电缆托架及用来连接到外部通信系统的设备。NAP运营商安装交换设备。最初,NAP使用FDDI和交换“以太网”,但如今ATM交换机或“吉比特以太网”交换机已非常普遍。NSP在NAP处安装自己的路由器并将其连接到交换设备上,如图I-5所示。因此,起始于ISP的通信经过NSP的路由器后,进入NAP的交换设备,到达其他NSP在该NAP上的路由器。

图I-5 NAP 交换设备

如今大多数NAP是由被路由器包围起来的核心ATM交换机所构成的。通信通过ATM PVC(永久虚电路)来交换。通常,NAP会提供一套默认的全网状PVC,它提供到达该NAP上其他任何NSP路由器的电路。但是,NSP能够删除PVC以封锁来自特定NSP的通信。然而,由于没有平等的通信交换,所以较大的NSP可能不想与小的NSP实行对等。一条经验是,NSP通过其在每个NAP处的存在按平等的原则实现彼此对等。

NAP运营商不在NSP之间建立对等协议,而只提供能够实现对等的设施。对等协议是NSP之间磋商的双边协议,该协议定义它们如何在NAP处交换通信。此外,所有的IP数据报路由选择都是由NSP的设备来处理的。但是,NAP提供数据分组被路由后通过的交换设备。

NSF也为创建“路由仲裁”服务提供了基金,该服务以路由服务器和“路由仲裁数据库”(RADB)的形式提供路由协调。路由服务器处理NAP处的路由选择任务,而RADB生成路由服务器配置文件。RADB是一组分布式数据库,即“因特网路由注册表”的一部分,该数据库是普通格式的公告的路由和路由策略的公共储存库。NSP使用该注册表中的信息配置他们的骨干网路由器。

如今,因特网交换局只是因特网体系结构的一部分。如前所说,许多的NSP之间建立了专用对等协议。专用连接是直接的物理链路,它使通信避免通过经常处于超负荷状态下的NAP交换设施来转发。NSP以两种方式创建专用连接。一种方法是在NAP设施处各自的路由器之间敷设电缆;另一种方法是在自己的设施之间铺设电缆或租用线路,但花费比较昂贵。

Internap网络服务公司提供了一项达到最佳性能的因特网交换业务。它的Assimilator (同化者)专有技术提供了智能的路由选择和路由管理以扩展和提高BGP4路由性能。Assimilator技术允许P-NAP作出明智的路由选择决定,如当目的地是多宿主时选择更快的多重主干网来路由数据。Internap户分组立即被发送到正确的因特网骨干网,而不是随机选择的公共的或专用的对等点。

网络与自治系统

从选路的角度来说，处于一个管理机构控制之下的网络和路由器群组称为一个自治系统或AS(autonomous system) 。一个AS既是一个管理域,同时也是一个路由选择域。自制系统通常在统一的控制管理之下，例如大的公司或大学。小的站点常常是其因特网服务提供商自制系统的一部分。在一个自治系统内的路由器可以自由地选择寻找路由、广播路由、确认路由以及检测路由的一致性的机制。典型的AS是由NSP求ISP来运作的。每个在因特网中的AS都由因特网授权机构(现在的ICANN)分配的数值来标识。

一个AS可能会使用一个或更多内部路由协议以维护内部路由表。通常的内部路由协议是OSPF(开放式最短路径优先)或者IS-IS(中间系统到中间系统)。

外部路由协议则处理AS之间路由信息的交换。AS必须提供自己关于可达目的地的相关内部路由计划和相容性图。最常见的外部协议是外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)和边缘网关协议BGP(Border Gateway Protocol)，BGP是较新的协议，在逐渐地取代EGP。BGP运行于“边界路由器”中,该路由器将AS与其他的AS连接起来。一个AS边缘的边界路由器将其内部网络路由的相关信息告诉另一个AS边缘的边界路由器。这些路由以地址聚合的形式公布。类似于用邮政编码934xx来表示加利福尼亚中海岸的一个邮政地区组。路由聚合是一种更有效地使用IP地址空间的方法。ISP可以聚合地址块,并在因特网上以单个网络地址公布这些地址。同时,ISP可以随心所欲地分配这些地址,如以单个地址、少数几个地址或者大地址块分配给更低一级的ISP。

POP和因特网数据中心

PoP是客户可以连接到服务提供商的设备并获得对更大网络访问的任何设施。一些PoP是为最终用户接入设计的,而另一些是为允许ISP连接到NSP网络而设计的。PoP不是因特网专有的实体。ILEC与CLEC拥有自己的PoP,且装有语音和数据设备。

ISP可能足够的大,能建立自己的PoP设施,或者在现有PoP处租赁空间来并置其设备。并置是明智之举,因为PoP设施提供了安全、后备电源、灾难防护、因特网快速连接、因特网交换的交换机、因特网Web服务等等。在有些情况下,ISP没有任何设备,而都是从NSP那里租用的。这种ISP的业务主要是转售服务给终端用户并提供用户持。

经过许多年以后,尤其是随着56K调制解调器技术的采用,终端用户拨号连接的方式发生了改变。到20世纪90年代中期时,ISP就在自己的设施上安装一组的调制解调器和接入服务器。然后终端用户拨号连接到ISP的调制解调器上。当56K调制解调器技术出现时,只有将呼叫通过数字连接(T1或T3线路)从电信运营商的PoP中继到ISP的设备上,才能达到调制解调器的最大速度。在很多情况下,ISP简单地将调制解调器群和接入服务器并置到电信运营商的设施处,以避免租用昂贵的线路或安装在电信公司或服务提供商设施处的调制解调器组合器。

图I-6显示了ISP和NSP所用的设备。下面的部分显示了通过PSTN拨入ISP设备的用户。本地ISP将其通信中继到区域性NSP,接着NSP将通信转发到因特网主干网或其他连接上。注意:插图下面的部分假定用户是通过PSTN接入的。ISP可能还支持其他的接入方式,如城域以太网和无线接入业务。

因特网数据中心已成为提供并置和外包设备的大型设施。它们提供了安全性、灾难防护、专业服务、高带宽连接等等。虚拟ISP服务VISP（Virtual Internet Service Provide），是以ASIACONNECT宽带IP网络为平台，向用户提供动态分配的端口，并根据其端口使用情况进行收费的ISP服务模式。如前所述,许多的ISP实际上是虚拟ISP,它们转售更大的电信公司所提供的业务,而不是投资构建自己的ISP基础设施。在这方面,虚拟ISP成为纯粹的因特网服务零售商,主要是获得新的因特网客户,提供服务台业务、处理记帐和客户管理。

私人公司也使用这些设施作为其Web站点的主机,并且通过VPN为其远程用户提供因特网接入。

图I-6 ISP和NSP设备