APNIC首席科學家:New IP 提案將何去何從?

來源: 時間:2020-06-01

日前,APNIC(亞太地區互聯網信息中心)首席科學家Geoff Huston發表《NEW IP和新興通信技術》一文,分析了互聯網相關的新興技術,并對新IP提案何去何從做出判斷。


Geoff Huston

  去年一個“新IP”框架被提交給在國際電聯,在這個框架里重新出現了一種以網絡為中心的通信架構觀點設想,在設想中應用行為由網絡管理的控制機制來調節。

  這不是我們第一次看到有人提議重新思考互聯網技術的基本架構(例如,十幾年前美國研究界就有過“Clean Slate”項目的努力),當然這也不會是最后一次。然而,這個新的IP框架在限制應用程序行為方面提出了非常多的規范,似乎忽略了過去三十年來的市場演進過程中最基本的教訓:通信服務不再是計劃經濟,現在通信行業以傳統的市場化經濟的方式運作,而多樣化的服務市場表現為應用行為的多樣化。

  這種市場化經濟的內涵最終決定了通信行業的未來,決定了所提供的服務類型,甚至決定了產生這些服務的技術,都是消費者選擇的結果。消費者往往是善變的,他們容易被過往的潮流所迷惑,同時也可以是既保守又冒險的。但無論你如何看待消費市場的理智,推動這個行業發展的是消費者的錢。和其他以消費者為中心的服務市場一樣,消費者想要什么,他們就能得到什么。

  然而,這不僅僅是簡單的消費者偏好。這個行業的經濟性質的變化,也意味著投資者和投資主體的變化,意味著經營者的變化,也意味著這個行業的集體預期以及這些預期的表述方式的變化。這真的不是由某個硬邦邦的國際委員會來主宰未來消費者的偏好。這些冠以崇高頭銜的委員會,如“2030年網絡技術焦點小組”,發現他們深思熟慮的預言居然一次又一次地與現實背道而馳!他們的前輩們在類似的委員會中犯著同樣的錯誤,這些委員會中的前輩們先是錯過了電腦主機,然后他們又沒能看到個人電腦的革命,最后又被智能手機完全驚呆了。很顯然,不管10年后的網絡會是什么樣子,很顯然,它不會是這個2030年的焦點小組所設想的“新IP”的樣子!

  我不認為自己有能力在預測未來方面做得更好,我也不會去嘗試。但在這個演進的過程中,可見未來的技術萌芽現在已經浮現。我在這里想做的是描述一下我認為的最重要的技術萌芽和我選擇它們的原因。

  這是我個人對未來十年內一些技術的“個人”選擇,我認為它們將在互聯網中發揮突出的作用。

我們能從過去學到什么?

  互聯網的技術基礎和整個數字通信大環境是用“分組”的概念取代了以往的“虛電路”。

  IP架構主張徹底改變以前的電話系統架構。IP體系結構倡導的不是一個帶有被動邊緣設備的主動時分交換網絡,而是一個基本被動的網絡,在網絡內部的網絡設備僅僅負責交換數據包。而業務響應的功能則被推送到網絡邊緣的設備上。網絡和設備各自的角色在向互聯網過渡的過程中被顛倒了。

  但改變是非常困難的,幾十年來,許多與網絡提供商或網絡服務商有利益關系的業界人士都在努力扭轉這種網絡服務模式的倒置。網絡運營商在處理基于分組的有效載荷的同時,努力引入基于網絡的服務響應。我們看到人們努力開發基于網絡的服務質量保證方法,試圖在單一網絡平臺內為不同類別的報文流提供不同的服務響應。我認為經過大約二十年發展,我們可以把這種努力稱為“大失敗”。然后是MPLS中的虛擬電路仿真和最近的松散源路由(SR)方法的變種。我覺得奇怪的是,雖然通過入口流量疏導就可以以更低的成本提供流量分片的基本功能,這些方法總試圖在網絡中的所有活動元素之間進行協調。說句開玩笑的話,我覺得在網絡中加入更多的復雜性是賣出更多更貴的路由器的一種方法。我不愿將這些技術歸類為新興技術,因為它們在許多方面似乎更像是一種倒退措施,其動機更多的是希望為分組傳輸這一本無特色的商品服務“增值”。這些基于網絡的服務的一些努力之所以能夠長期存在,是網絡運營商對它們成為商品公用事業命運的一種抵抗,而不是電路交換網絡架構的概念包含了任何內在價值。

  與此同時,我們在網絡的其他方面也取得了一些驚人的進展。我們一直在創建廣泛分布的容錯系統,這些系統不依賴于集中的命令和控制。域間路由協議BGP已經默默地支持了互聯網大約30年的運行,任何學習過BGP協議的人都會為它的設計留下深刻的印象。它管理的網絡的復雜程度,已經比90年代初協議設計時的網絡復雜度要大9個數量級。我們創造了一種新的開放的、可訪問的網絡。在電話網絡上創造新的應用幾乎是不可能的,而在互聯網上,這就是一直在發生的事情。從生機勃勃的應用程序世界到最基本的數字傳輸,網絡世界處于不斷變化的狀態,新技術以令人眼花繚亂的速度出現。

  在未來幾年,我們可以觀察到哪些新興技術將在未來幾年發揮關鍵作用?下面是我個人挑選的近期技術創新,我將把它們歸納為未來十年內將產生巨大影響的新興技術。

  光學相干性技術

  幾十年來,光纖領域使用的光的方法就像用手電筒,要么有光通過光纖,要么沒有,這種“通斷編碼”(On-Off Keying,后文簡稱OOK)的簡單光編碼方式被不斷完善,支持光速高達10Gbps的光纖,這在技術上并不是什么了不起的壯舉,而且它遇到了開關鍵控(OOK)所使用的數字信號處理方式的物理性質限制。

  但光纖中仍有足夠的空間處理更多的信號?,F在我們轉向了光學相干技術,并在這個領域釋放出了第二波創新浪潮。利用光學相干技術是復用其他領域中已經徹底實踐過的技術。我們利用相位振幅編碼技術來調節模擬語音線路上的調制解調器,在3Khz帶寬的載波上產生56Kbps的信號。類似的方法被用于無線電領域,我們現在已經看到4G系統支持高達200Mbps的數據速度。

  這種方法依賴于使用相位振幅和偏振編碼,以獲得接近香農極限理論上的數據容量。目前在光學市場上,每條波長上傳輸100Gpbs的光通信系統已經實現商品化應用,400Gbps的光通信系統也將陸續推出。在未來幾年內,我們很可能會看到使用高密度相位調幅調制加上定制化的數字信號處理的Terabit級別光通信系統。與其他光通信系統一樣,隨著生產量的增加,我們也很可能看到這些系統的單位帶寬價格會隨著生產量的增加而大幅下降。在當今世界,通信容量是一種豐富的資源,而這種豐富的資源給了我們一個全新的網絡架構視角。

  5G

  那么無線電通信系統怎么樣?5G是新興技術嗎?

  在我看來,5G和4G沒有什么區別,真正的變化是從3G升級到4G時發生的從使用PPP會話的隧道協議轉向原生的IP報文轉發系統。5G看起來和4G基本相同,最基本的區別在于5G里無線電頻率的上移。最初的5G部署使用的是3.8Ghz載波,但現在打算向24Ghz到84Ghz之間的毫米波頻段進軍。這是一個喜憂參半的問題,因為更高的載波頻率可以分配更大的頻率塊,從而增加了無線網絡的承載能力,但同時,更高的頻率使用更短的波長,而這些毫米波波長的短波的行為更像光而不是無線電。在更高的頻率下,無線電信號很容易被建筑物、墻壁、樹木和其他較大的物體所阻擋,為了彌補這一點,任何業務都需要部署大量的基站來服務相同的覆蓋范圍。除了炒作之外,目前還不清楚毫米波段的5G服務是否有一個合理的可持續發展的經濟模式。

  基于這些原因,我將把5G放在重要的新興技術的最后。無線電和移動服務仍將是互聯網中最重要服務之一,但在這些系統的使用方式上,相對成熟的4G技術,5G并沒有表現出根本性的變化。

  IPv6

  將IPv6視為2020年的新興技術似乎很奇怪。IPv6的第一個規范RFC1883于1995年發布,這使得IPv6成為一項已有25年歷史的技術。但是,在經歷了多年的優柔寡斷甚至斷然否定之后,IPv4的枯竭問題似乎終于開始推動部署決策,目前四分之一的互聯網用戶設備已經開始使用IPv6,這個數字還將不可避免地上升。

  很難說讓剩下四分之三的用戶使用IPv6還需要多長時間,但結論看起來是不可避免的。如果“新興”的定義是在未來幾年內大規模增加使用,那么盡管IPv6已經相當古老了,但它肯定是符合這個特征的。

  我只是希望在我們最終轉移到純IPv6的服務環境之前,我們能找到一個更好的方法來解決IPv6協議擴展頭的問題,尤其是與數據包碎片有關的問題。

  BBR

  Google發明的TCP控制算法BBR(Bottleneck Bandwidth and Round-trip time)是一種革命性的TCP傳輸控制算法,在我看來,它的重要性不亞于TCP本身。這種傳輸算法重新定義了終端主機、網絡緩沖和傳輸速度之間的關系,使終端系統能夠以多千兆的速度有效地消耗可用的網絡容量,而不會受到設計不良的主動式數據包交換網元的阻礙。

  基于丟包的擁塞控制算法在過去曾為我們提供了很好的服務,但如今,當我們考慮到每秒數百、千兆的端到端速度時,這種保守的基于丟包的系統控制算法已經不符合實際需求。BBR實現了一個全新的流量控制和傳輸速度管理的視角,試圖將流速穩定在與可用網絡容量的公平份額相同的速度上。這是一項值得關注的技術。

  QUIC

  長期以來,應用和網絡之間一直存在著緊張的關系。在TCP的端到端世界中,網絡的資源是在活躍的客戶端間共享的,而共享的方式是由客戶端自己決定。這對網絡運營商來說是它們最痛恨的事情,他們更希望主動管理網絡資源,為客戶提供確定性的服務結果。為了實現這一目標,在網絡中經常會看到各種形式的基于策略的流控系統,他們通過數據包頭的“特征”來標識流量對應的應用,然后執行相應的流控策略。這類流控系統要求每個IP數據包的內部內容都是可見的,在TCP協議下這是常見的情況。

  QUIC是一種新封裝協議,它使用UDP數據包作為外部可見的封裝,并對報文內部的TCP和內容有效載荷進行加密。這種方式不僅將TCP的流量控制參數隱藏在網絡和網絡的流控引擎之外,還將數據流算法的控制權從通用的主機操作系統中解脫出來,交給了每個應用程序。這就給了應用更大的控制權,使應用可以獨立于其運行的操作系統而調整其行為。

  此外,它消除了TCP應用需要使用基于操作系統的TCP數據流控制模式這種“一刀切”的情況。通過QUIC,應用程序本身可以根據網絡路徑當前狀態的參數對其流控行為進行定制,以優化應用程序的行為。

  這種控制權從操作系統平臺到應用的轉移很可能會持續下去。應用程序希望獲得更大的靈活性,以及對自身行為和服務更大程度的控制。通過使用基本的UDP協議,主機平臺的TCP實現被繞過了,應用程序的流量行為可以被自身完全控制。

  無解析器DNS

  我本來想說的是“DNS over HTTPS”(DoH),但我不確定DoH本身是一種特別新穎的技術,所以我不確定它是否符合這個“新興技術”的范疇。幾乎從有防火墻和隱私問題的時候開始,我們就使用HTTPS作為穿透防火墻的隧道技術和通信隱私增強技術。在HTTPS會話中建立IP數據包隧道的軟件工具已經存在了幾十年,這并沒有什么新奇的地方。把DNS放到HTTPS中只是對使用HTTPS作為通用的隧道技術模式的一個小改變。

  然而,HTTPS本身提供了一些額外的功能,這是普通的DNS over TLS(即HTTPS的安全通道部分)本質上無法提供的。我指的是Web中的“服務器推送”技術。例如,一個網頁可能會參照一個自定義的樣式頁面來確定頁面的顯示效果,為了不讓客戶端再進行一輪DNS解析和建立連接來獲取這個樣式頁面,服務器可以簡單地將樣式頁面資源和使用它的網頁一起推送給客戶端。從HTTP的角度來看,DNS請求和響應看起來就像其他的數據對象事務一樣,在沒有觸發DNS查詢的情況下主動推送一個DNS響應,和主動推送一個樣式表沒有什么區別。

  然而,就互聯網的命名架構而言,這是一個意義重大的步驟。如果這些名稱只能在特定的網站環境中訪問,而使用任何其他工具包括傳統的DNS查詢都無法訪問,那該怎么辦?互聯網可以被定義為一個連貫的單一名稱空間。我們可以通過發送對資源的引用例如名稱來進行通信,而這只有當我訪問的資源名稱和你訪問的資源名稱相同時才有意義。不管使用的是什么應用,也不管該名稱的查詢上下文可能是什么,DNS解析的結果都是一樣的。然而,當網站將解析的名稱推送給客戶端時,網站創建了與其他任何名稱上下文都不同的自己的上下文和環境?,F在不再有一個連貫的名稱空間,而是許多零散的潛在重疊的名稱空間,而且沒有明確的方法來消除潛在的名稱沖突使用。

  許多新興技術背后的驅動力是速度、便利性和定制環境以更適應每個用戶。從這個角度來看,無解析DNS幾乎是不可避免的未來。然而,其壞處是互聯網失去了一致性,目前還不清楚這種特殊的技術會對互聯網產生積極的影響,還是極具破壞性的影響。我想,我們將在未來幾年內拭目以待。

  量子網絡

  1936年,早在我們制造出現代第一臺可編程的計算機之前,英國數學家就設計了一個關于通用計算機的思想實驗,更重要的是,他把問題分為“可計算”問題和“不可計算”問題,“可計算”問題是在有限的時間內就能解決的,“不可計算”問題是機器永遠不會停止的問題。我們甚至在第一臺物理計算機出現之前就知道,有一類問題是永遠無法用計算機解決的。彼得-肖爾在1994年也完成了類似的壯舉,他設計出了一種算法,可以用一臺尚未建成的量子計算機實現在有限的時間內解決質因子化問題。這種新型計算機處理問題的能力(和局限性)早在任何這樣的機器被制造出來之前就已經被描繪出來了。量子計算機是計算世界中一種新興的潛在顛覆性技術。

  還有一種相關的新興技術--量子網絡,即量子比特(qubits)在量子網絡之間傳遞。和其他許多人一樣,量子網絡是否會成為數字網絡演進中的未知的偏移,還是會成為未來數字服務的傳統主流基礎,我對此沒有特別的見解。只是覺得現在下結論還為時過早。

架構的演變

  為什么我們還能看到技術的不斷進化?為什么不準備說“好了,工作完成了。我們都去酒吧吧!”我猜想,繼續改變互聯網技術平臺的壓力來自于互聯網架構本身的演變。

  有一種觀點認為,互聯網最初模式的目的是將客戶機與服務連接在一起?,F在我們可以讓每個服務運行在一個專門的接入網絡中,客戶機需要通過特定的接入網絡來訪問特定的服務。但在80年代小范圍地嘗試這種模式時,普遍的反應都是驚恐地退縮!所以我們把互聯網作為一個通用的連接網絡。只要所有的服務和服務器都連接到這個通用網絡上,那么當客戶端也連接上來后,就可以訪問任何服務。

  在90年代,這成為一個革命性的進步,隨著用戶數量的增長速度超過了服務器的增長能力,這種情況變得不可持續。當時的流行服務有點像在網絡數字世界中的黑洞。我們需要一個不同的解決方案,于是我們想到了內容分發網絡(CDN)。CDNs使用專用的網絡服務,在整個互聯網上維護一組等效的服務交付點。而不是使用單一的全局網絡來訪問任何連接的服務,客戶需要的只是一個接入網絡,將他們連接到本地聚合的CDN接入點。我們越是使用本地接入的服務,就越少使用更廣域的網絡。

這對技術意味著什么?

  其中一個影響是,保持一個單一連通的互聯網的動機在減弱。如果用戶所希望的大多數數字服務都可以通過純本地訪問基礎設施獲得,那么誰來支付相對高昂的全球傳輸成本,以訪問剩下那一小部分僅限遠程訪問的服務呢?本地服務還是否需要訪問全球唯一的基礎設施呢?

  NAT是一個極端的例子,僅有本地的服務在僅有本地的地址情況下工作得很好,而本地使用名的泛濫也導致了類似的結論。我們很難得出結論,互聯網碎片化的壓力是否隨著內容分發網絡的興起而增加。然而,如果用物理世界的熵的方式來看待碎片化,那么就需要不斷的努力來抵抗碎片化。如果不能持續努力來維護一個全局性的唯一標識系統,我們似乎就會走向局部范圍的網絡。

  另一個含義是應用中的特定服務范圍化的興起。這方面的例子可以從QUIC的首批部署中看到。QUIC是谷歌的Chrome瀏覽器在訪問谷歌網絡服務器時專門使用的。傳輸層協議傳統上是放到操作系統中作為不同應用的通用服務,現在則被提升到了應用中。以往支持使用通用的操作系統功能集而不是使用定制的應用功能的設計考慮不再適用。隨著能力更強的終端系統和更快的網絡的部署,我們能夠構建高度定制化的應用。瀏覽器已經支持許多過去只在操作系統中實現的功能,許多應用似乎也在追隨這一趨勢。這不僅僅是希望對終端用戶的體驗進行更精細的控制,同時也是每個應用都要將自己和與用戶的交互行為隱藏起來,不讓其他應用、主機操作系統和網絡對自己產生影響。

  如果說推動互聯網發展的資本是來自于對終端用戶的習慣和欲望的了解,例如谷歌、亞馬遜、Facebook和Netflix以及其他許多應用似乎都是如此,那么這些應用將自己的知識暴露給任何第三方都是愚蠢的。相對于傳統應用依賴操作系統和網絡提供的豐富服務,我們看到了“偏執型”應用作為新技術模式正在崛起。這些偏執型應用不僅將其外部依賴點降到最低,還試圖將其行為的可見性降到最低。

改變是一種生活方式

  這些新興技術在互聯網中與現有的服務和基礎設施競爭的壓力,也許是最令人鼓舞的跡象,表明互聯網仍有生命力,離走向過時和無意義的時代還有相當長的時間。我們仍然在改變基本的傳輸要素,改變底層的傳輸協議,改變命名和尋址基礎設施,改變服務提供的模式。

  而這大約是我們能得到的最好的信號,即互聯網絕不是一個已經解決的問題,它仍然面臨著許多重要的技術挑戰。

這讓“New IP”提案何去何從?

  在我看來,它不會有什么用處。我認為它將與眾多的前輩們的命運一樣,又是一個用更多無用的設備來裝飾網絡的無用的努力,它試圖為網絡附加的價值將沒有用戶愿意為之買單。

  光通信世界和移動運營商的努力正在將通信變成一種豐富的無差別化的商品,而那些試圖為這些商品添加無用的附加功能的努力都是無意義的。應用已經不再由網絡來管理了。網絡和應用之間幾乎沒有留下任何形式的合作,ECN的失敗就證明了這一點。如我們在QUIC和BBR中看到的那樣,應用程序現在正在向網絡隱藏自己的控制機制,對網絡的特性做出的假設越來越少。

  所以,如果這一切是達爾文式的進化過程,那么在我看來,進化的注意力就活躍在設備上的應用和用戶空間中,而網絡仍然只是為了傳輸數據包而存在。

  (本文未經作者本人確認。翻譯:楊望)

  文章原文>>New IP and emerging communications technologies