Nesse tamanho de rede, esperaria encontrar:
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Roteadores de borda redundante (hospedagem múltipla com ISPs diferentes na extremidade maior do tamanho de rede proposto)
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Firewalls redundantes (dispositivos de hardware criados especificamente ou computadores com servidores de commodity que executam software de firewall - houve discussões espirituosas aqui sobre ambos)
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Filtragem de conteúdo e proxy da web - Usando ofertas comerciais ou de código aberto (e, novamente, hardware de finalidade específica ou computadores servidores de commodity, com os mesmos argumentos ativos)
Acho que sua pergunta já tem algumas das respostas que você está procurando. Não há nada "mágico" em fornecer esses serviços para uma rede maior versus uma menor, além de ser mais deliberada sobre redundância, planejamento de capacidade e testes.
Veja alguns detalhes sobre alguns ambientes em que trabalhei:
Trabalhei um contrato em uma empresa da Fortune 1000 com aproximadamente 4.000 clientes atendidos por duas conexões à Internet baseadas em DS3. Os firewalls de ponta eram dispositivos Cisco ASA-5520 configurados em uma configuração ativa / passiva. Dois roteadores Cisco da série 3600 (não lembram o modelo) forneceram conectividade de ponta aos ISPs. A maioria das sub-redes da empresa tinha seu acesso à Internet filtrado por meio dos dispositivos de filtragem de conteúdo da Websense. Eu não estou ciente de qualquer cache sendo presente, mas é certamente possível que houve algum cache transparente que eu não estava ciente.
Eu faço algum trabalho com um consórcio sem fins lucrativos que fornece acesso à Internet e serviços de hospedagem de aplicativos para várias escolas públicas (com mais de 5.000 clientes individuais em toda a sua base de clientes). Eles têm conectividade redundante para provedores de serviços de Internet upstream e são multihomed com suas upstreams. Eles fornecem toda a sua filtragem usando dispositivos de filtragem M86 8e6. O cache deles foi historicamente fornecido pelos appliances STRATACACHE, mas eles podem ter se afastado deles recentemente - eu não acompanhei. Seu firewall de ponta permanece baseado na Cisco e foi, pela última vez que verifiquei, um módulo de serviço de firewall em um switch Cisco Catalyst 6509.