漫談互聯網體系結構的發展

來源: 時間:2020-07-17

 寫在前面

  互聯網的核心技術是它的體系結構;

  推動互聯網體系結構發展的根本動力是它承載的業務;

  本文從互聯網發展歷程入手,分析業務變化對互聯網體系結構的影響,為當前研究提供經驗借鑒。

  1.互聯網的核心技術是什么—互聯網體系結構

  2.互聯網體系結構發展經歷的三個階段

  3.當前互聯網體系結構的技術創新

  一、互聯網的核心技術是什么—互聯網體系結構

  習主席在2016年提出:“互聯網核心技術是我們最大的‘命門’,核心技術受制于人是我們最大的隱患”。那么,什么才是互聯網的核心技術?作為一名從事互聯網技術研究的工作者,我覺得,互聯網的核心技術絕不是大家日常生活中使用的各類網絡應用和平臺,美團乎?高德乎?淘寶乎?No,No?;ヂ摼W的核心技術就是它的體系結構。

  那么,什么才是互聯網的體系結構?抽象來說,互聯網體系結構是一整套基礎技術體系和協議規范,是便捷、高效地構建互聯網的實施手冊。如果把互聯網建設比喻為蓋房子,那么互聯網的體系結構就是這套房子的“地基”和“四梁八柱”,是互聯網這座房子的“骨架”。具體來說,它明確了互聯網的物理與邏輯組成、功能組織與配置、交互流程與數據格式等等一系列內容?;ヂ摼W的建設者和運維者們正是采用這樣的一整套框架,為用戶構建便捷、健康、活躍、安全等的網絡環境。

  互聯網的體系結構都有哪些關鍵要素呢?在此引用吳建平院士的觀點:互聯網體系結構的關鍵要素就是它的“傳輸格式、轉發方式、路由控制”。我理解,傳輸格式決定了互聯網的“通用語言”,即決定大家用哪種“語言”甚至是“包裹形式”把信息發給接收方;轉發方式決定了互聯網中信息的“傳送方法”,即決定采用“多個人口口相傳”的接力方式還是“一個人專門跑一趟”的專線方式?或者采用其他方法?路由控制決定了互聯網的“傳送途徑”,即選擇“走哪條路”(類似高德導航)來傳信息。

  體系結構是互聯網最核心的技術,是整個互聯網建設和運行的實施基礎。這么多年,我們努力追求的目標就是要在互聯網體系結構層面取得突破,要為互聯網的發展講出自己的“通用語言、傳送方法和途徑”。

  二、互聯網體系結構發展經歷的三個階段

  本節從互聯網所承載的業務出發,分析這些業務的變化對互聯網體系結構演進所產生的動力,探討互聯網體系結構技術的發展過程。

  關于互聯網體系結構的歷史發展階段,很多人都有不同的理解,也從不同的角度給出了多種劃分方案,為該領域的研究提供了很好的支撐。本文暫且先采用其中的一種劃分方法(劃分依據和具體標志性事件不在本文討論范圍內,相關內容請大家自動忽略),把目前為止的互聯網發展過程劃分成三個階段:科研試驗網絡階段、消費型商用網絡階段、信息基礎設施階段。

  1、第一個階段(1969-1990):科研試驗網絡階段

  很多人認為互聯網起源于美國國防部高級研究計劃署(ARPA)于1969年開始實施的ARPANET(阿帕網)計劃,其初始目標是保證“冷戰”國際背景之核打擊下軍事通信網絡的可生存性(事實上,很多當初參與了互聯網設計的工程師并不認可這種觀點)。同時,ARPANET也為科研資料共享和科學實驗等提供“開放、共享、平等”的網絡支撐,如各大學圖書館之間電子資料的共享、各科研機構計算機的協同計算等。這一階段互聯網用戶的需求相對單一,主要以圖片、文件等為主,且互聯網使用環境相對封閉,用戶規模小,使用者自律性較高等。

  到十九世紀70年代,國際上已經形成了幾十個計算機網絡。但由于它們的數據格式、網絡協議、組網方式等都不相同,這些網絡只能支持內部計算機之間的互聯通信,相互之間仍然不能互通。為此, ARPA又對ARPANET的設計目標進行了完善,即通過一種統一、便捷的方式把這些已有的計算機網絡互聯起來,形成一個“將已有網絡進行互聯”的網絡(internetwork),簡稱就是大家目前所熟知的“Internet”。

  在此需要說明的是,業界最初關于“因特網”和“互聯網”的概念理解并不相同。當時除了“Internet”(因特網)之外,還有許多其他的互聯網如“歐盟網”(Euronet)、“歐洲信息網”(EIN)、以及美國的“國際學術網”(BITNET)等等。它們在網絡技術和應用的飛速發展過程中逐漸融合消失,而Internet不斷發展成為大家最熟悉、使用最多的互聯網,最終大部分使用者默認就把“因特網”和“互聯網”等同起來。

  M.I.T的David Clark教授在"The design philosophy of the DARPA internet protocols"一文中,對ARPANET的設計目標進行全面總結,將其歸納為“互聯現有網絡”這一頂級目標和“可生存性”、“支持多樣服務”、“兼容多種網絡”、“支持分布式管理”、“支持終端便捷接入”、“代價有效”、“資源可審計”這7個次級目標。

  在這一階段,互聯網的設計者們圍繞這些目標,充分發揮他們的聰明才智,提出了一系列在今天看起來仍然非常神奇有效的技術如分組交換技術、最短路徑優先算法等,以及一系列互聯網協議如TCP、UDP、ICMP、RIP、DNS等,當然還包括最著名的網際互聯協議IP?;赥CP/IP的互聯網分層協議模型,實現了ARPANET與其他類型網絡之間的數據報文無縫傳輸,為互聯網的快速形成和發展奠定了堅實基礎。應該說,在互聯網建造和發展的過程中,它的體系結構都因為眾多的設計者們的集體創造力而趨于完善、健全。

  ARPANET的設計目標以及由此而提出的一系列技術,是在當時的國際背景下面向相對特殊、單一的應用需求而構建的互聯網雛形,其具有設計簡單、層次清晰等優點,為互聯網的快速推廣普及和應用奠定了堅實基礎。

  2、第二個階段(1990-2010):消費型商用網絡階段

  互聯網在其第一階段取得的成功,使得研發者和使用者都認識到了它潛在的巨大價值和作用,也直接促使了互聯網的管理者決定把它向普通百姓推廣應用。

  1990年,國際上第一個提供商業Internet撥號訪問服務的公司“The World comes on-line”開始運營,標志著互聯網正式進入商業網絡時代。同年,ARPANET正式關閉;1994年,美國允許商業資本介入互聯網建設與運營,互聯網從實驗室進入了面向社會的商用時期,開始向各行業滲透。

  1994年4月,中國“中關村地區教育與科研示范網絡(NCFC)”通過美國Sprint公司接入Internet的64K國際專線開通,標志著中國被國際上正式承認有Internet的國家。之后,Chinanet等多個互聯網絡項目在全國范圍相繼啟動,互聯網開始進入我國公眾生活,并得到迅速發展。

  這一階段的互聯網處于規??焖倥蛎涬A段,開始快速滲透到了人們日常生活的各個領域,從學術研究到股票交易、從學校教育到娛樂游戲、從聯機信息檢索到在線居家購物等,成為推動世界經濟發展和社會進步的重要媒介。截止2007年1月,互聯網已經覆蓋233個國家和地區,網民達到10.93億,用戶普及率為16.6%。同時,互聯網作為全球性的消費型商用網絡,眾多的ISP參與到國際互聯網服務的產業鏈中,其內容和服務市場發展異?;钴S,推動形成了一批具有全球影響力的互聯網企業,如Google、Yahoo、eBAY等。

  在這個階段,互聯網承載的業務逐漸由文件、圖片等向語音、視頻等多媒體變化,并逐漸發展成為覆蓋人民百姓日常生活各種需求的消費型商用網絡。我認為,這一階段的重要事件就是電話網和廣播電視網的IP化。經過多年發展,運營商充分認識到了互聯網體系結構的簡單、高效、便捷等優勢,或對已有網絡進行IP化改造,或是在新一代的電信網絡架構采用IP技術等。事實上,我國在這方面做出了非常重要的貢獻如“三網融合”,它的歷史背景目標把傳統電話網、廣播電視網等電信業務搬到互聯網上來,用互聯網技術提供諸如VoIP、IPTV等服務。

  這一階段的代表性技術就有赫赫有名的萬維網技術(World Wide Web,簡稱WWW),以及為了解決地址受限問題的NAT(地址轉換協議)和提供服務質量的資源預留協議(RSVP)等,當然也包括在一些已有協議的基礎上升級完善如IPv6、SSL、IPSec等。

  3、第三個階段(2010至今):信息基礎設施階段

  應該說,目前互聯網仍處于其發展的第三個階段。此時,隨著以信息技術為核心的新一輪科技革命的孕育興起,互聯網日益成為創新驅動發展的先導力量,并推動互聯網技術與經濟社會各行各業深度融合發展(典型案例我國百度、阿里、騰訊等互聯網企業的快速發展),推動互聯網不斷向新一代信息基礎設施演進,為各行各業創造價值。

  關于這個階段的開始時間,不太好確定。我在此暫且以美國啟動的國家寬帶計劃為起點進行討論。2009年4月8日,美國聯邦通信委員會宣布正式啟動政府投資總額達72億美元的國家寬帶計劃,并于2010年公布了其實施細則。該計劃旨在將高速互聯網接入服務普及到美國的每個角落,為各行業提供高質量的信息網絡服務。之后,世界各國紛紛積極出臺各類支持政策,推動互聯網的發展。事實上,我把“2010年”當成互聯網向信息基礎設施發展的開始時間節點,形式大于內容。

  作為全球信息基礎設施,互聯網在各類信息網絡應用發展立下了汗馬功勞。在此階段,諸多專業性的用網需求,促使互聯網的寬帶接入能力、基礎互聯能力、需求適配能力、規模運營能力等均得到了顯著提升,對互聯網體系結構也產生了很多影響,

  我認為,互聯網向信息基礎設施發展,至少有如下兩個重要的技術性標志:

  第一個標志是移動通信網絡的IP化。移動通信技術的快速發展和普及,使得它的每一次升級換代都備受大家關注。因為它一方面需要在高速無線接入、寬帶通信等技術方面不斷突破功耗、帶寬等瓶頸,另一方面更需要信息網絡技術在轉發控制、路由控制等方面的能力提升。近年來,移動通信網絡特別是其核心網技術,逐漸向互聯網融合,使得互聯網作為信息基礎設施的作用更加凸顯。比如移動通信網絡中的切片技術,其基本思路和原理就和互聯網專家們之前提出的“虛擬網”非常相似。

  第二個標志是云技術的提出。借用百度百科中關于“云技術”的定義,“云技術是指在廣域網或局域網內將硬件、軟件、網絡等系列資源統一起來,實現數據的計算、儲存、處理和共享的一種托管技術。”從這個定義就可以看出,云是構建在互聯網體系結構基礎上的、一種與物理資源分布無關的信息服務提供方式。因此,云概念的提出就是希望在海量的差異化網絡資源基礎上提供信息服務,是在互聯網無處不在又必不可少的情況下的新技術破繭而出。

  這兩個標志,反映出了互聯網作為信息基礎設施之后,信息服務市場的主體細分和功能融合。

  通過本節對互聯網體系結構發展的三個階段進行總結,我們不難發現,這些年在無形之中持續推動互聯網體系結構發展的根本動力,就是“業務需求”。正是因為互聯網在不同的階段,漸漸形成了明確、強烈的需求,如第一階段的科研試驗需求,第二階段的消費需求,第三階段的公共承載需求,才能夠持續不斷的為互聯網發展注入快速發展的動力。

  三、當前互聯網體系結構的技術創新

  隨著互聯網與經濟社會深度融合發展,互聯網+、工業4.0等成為國民經濟命脈領域的新支柱,互聯網在當前社會中扮演的角色日益增多,使得用戶對網絡的專業化、個性化需求不斷提升;多元化終端類型、接入方式不斷發展,人-人、人-機、機-機、網-網通信等成為常態,要求互聯網必須為海量業務提供多元、個性、智慧、高效、魯棒等服務。

  這時候,互聯網的需求來自哪里?我認為,互聯網的需求不僅來自于普通生活百姓,更來自于互聯網的業務巨頭。哪些應用或者行業能夠代表互聯網的需求?是大家耳熟能詳的BAT,更是大家接觸較少但非常關鍵的能源、金融、工業、政務等行業?;ヂ摼W在作為信息基礎設施存在的同時,也需要為這些行業提供高質量的網絡保障如:為政務提供安全、可信等的網絡服務,為工控提供時延敏感、低開銷等的網絡服務,為能源提供確切、自動等的網絡服務。

  因此,在上述需求的牽引下,互聯網將呈現出多模態融合環境形態,不僅地面網絡呈現出多樣化或多元化的形態,而且向空天地海協同的網絡形態演變,覆蓋外太空、地球空間、陸地、海洋等自然空間,為天基、空基、陸基、?;雀黝愑脩舻幕顒犹峁┬畔⒎栈A設施;同時,互聯網還將以多元化技術體制及其共存、協同發展的網絡環境形態,滿足從“2C”到“2C”&“2B”轉變中的不同服務需求;最后,互聯網將不僅能夠提供超低延遲、確定性時延、用戶可定義及敏捷按需服務等服務,而且還要能夠提供高可靠和高安全服務。

  事實上,近年來互聯網體系結構的核心技術一直處于蓬勃發展狀態,國內外相關研究和實踐成果頗豐,這為互聯網體系結構下一步的創新提供了良好的技術儲備。本文主要從以下四個方面做簡要介紹。

  首先,以SDN/NFV、可重構等為代表的“柔性構造”理念從理論走向實踐?;ヂ摼W“柔性構造”的目標是,對互聯網體系結構中的互聯協議和拓撲關系、軟/硬件資源配置等要素,采用功能重構、資源動態調度、可編程轉發控制等方法手段,使互聯網獲得開放、可擴展和自演化等能力,從而為各類多元化、個性化應用提供精細化可定制的網絡構件和服務,提升傳輸效率并優化資源配置等。

  其次,多樣化尋址和路由技術創新醞釀重大突破。突破傳統以網際互聯為目標的IP技術的能力瓶頸,發展與現實物理世界需求直接匹配的多樣化尋址路由技術,也是眾多從業人員追求的目標。實際上,IPv4向IPv6的發展,已經是互聯網在該方向上邁出的一大步。同時,以內容標識、身份標識、甚至地理標識等為基礎的新型尋址路由技術發展迅速,已在多種邊緣網絡中初步應用并取得良好效果。近年來非常熱門的VLAN/VXLAN、SD-WAN、分段路由SR等技術,也應該屬于這個方面。

  之后,互聯網“無人駕駛”技術研究異?;钴S。近年來,大數據分析、人工智能等在互聯網體系結構中的應用技術蓬勃發展,在此基礎上建立具有“無人駕駛”能力的互聯網運行機制,成為學術和產業界探索的重點。典型方案就是Albert Mestres等人提出的知識定義網絡KDN概念。KDN通過動態監測網絡狀態并基于機器學習算法進行分析決策,進而優化網絡配置和性能。國內外相關運營商和企業等也紛紛發力,提出了意圖網絡、隨選網絡、自驅動網絡等。

  最后,內生安全設計成為互聯網發展的“重中之重”。近年來,各類網絡威脅日益增多,如拒絕服務功能、域名劫持、用戶隱私泄露等。為此,業界紛紛提出了多種方法,如大家常見的IPSec/SSL、防火墻等技術。然而,如何促進互聯網安全技術研發由外掛式向內生性轉變,在信息系統軟硬件供應鏈不可信的生態環境下實現互聯網安全,成為亟待解決的問題。近年來,科研人員提出的擬態構造、軟件定義安全、零信任和可信計算等,為解決互聯網的內生安全問題提供了強力支撐。

  寫在最后

  在不同的發展階段,互聯網承載的業務不同,推動了互聯網體系結構的不斷發展變化。當前,互聯網作為一種信息基礎設施,特別是承載了電力、金融、工業等垂直行業應用之后,其業務需求呈現出了更加多樣、復雜、不確定等特征,導致互聯網體系結構的創新勢在必行。

  然而,互聯網體系結構的創新,并不是要從整體推翻現有互聯網來搞一套全新的互聯網,而是對現有互聯網體系結構的核心技術和運行邏輯等進行創新,在總體設計方面給出互聯網下一步演進發展的方案,通過兼容性部署和增量式發展,使得現有互聯網煥發出新的“內源性”生機和活力,從而持續不斷的豐富和完善互聯網的能力體系。

來源:亞太網絡研究APNet