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互联网技术研究

漫谈互联网体系结构的发展

来源:

时间:2020-07-17

 写在前面

  互联网的核心技术是它的体系结构;

  推动互联网体系结构发展的根本动力是它承载的业务;

  本文从互联网发展历程入手,分析业务变化对互联网体系结构的影响,为当前研究提供经验借鉴。

  1.互联网的核心技术是什么—互联网体系结构

  2.互联网体系结构发展经历的三个阶段

  3.当前互联网体系结构的技术创新

  一、互联网的核心技术是什么—互联网体系结构

  习主席在2016年提出:“互联网核心技术是我们最大的‘命门’,核心技术受制于人是我们最大的隐患”。那么,什么才是互联网的核心技术?作为一名从事互联网技术研究的工作者,我觉得,互联网的核心技术绝不是大家日常生活中使用的各类网络应用和平台,美团乎?高德乎?淘宝乎?No,No。互联网的核心技术就是它的体系结构。

  那么,什么才是互联网的体系结构?抽象来说,互联网体系结构是一整套基础技术体系和协议规范,是便捷、高效地构建互联网的实施手册。如果把互联网建设比喻为盖房子,那么互联网的体系结构就是这套房子的“地基”和“四梁八柱”,是互联网这座房子的“骨架”。具体来说,它明确了互联网的物理与逻辑组成、功能组织与配置、交互流程与数据格式等等一系列内容。互联网的建设者和运维者们正是采用这样的一整套框架,为用户构建便捷、健康、活跃、安全等的网络环境。

  互联网的体系结构都有哪些关键要素呢?在此引用吴建平院士的观点:互联网体系结构的关键要素就是它的“传输格式、转发方式、路由控制”。我理解,传输格式决定了互联网的“通用语言”,即决定大家用哪种“语言”甚至是“包裹形式”把信息发给接收方;转发方式决定了互联网中信息的“传送方法”,即决定采用“多个人口口相传”的接力方式还是“一个人专门跑一趟”的专线方式?或者采用其他方法?路由控制决定了互联网的“传送途径”,即选择“走哪条路”(类似高德导航)来传信息。

  体系结构是互联网最核心的技术,是整个互联网建设和运行的实施基础。这么多年,我们努力追求的目标就是要在互联网体系结构层面取得突破,要为互联网的发展讲出自己的“通用语言、传送方法和途径”。

  二、互联网体系结构发展经历的三个阶段

  本节从互联网所承载的业务出发,分析这些业务的变化对互联网体系结构演进所产生的动力,探讨互联网体系结构技术的发展过程。

  关于互联网体系结构的历史发展阶段,很多人都有不同的理解,也从不同的角度给出了多种划分方案,为该领域的研究提供了很好的支撑。本文暂且先采用其中的一种划分方法(划分依据和具体标志性事件不在本文讨论范围内,相关内容请大家自动忽略),把目前为止的互联网发展过程划分成三个阶段:科研试验网络阶段、消费型商用网络阶段、信息基础设施阶段。

  1、第一个阶段(1969-1990):科研试验网络阶段

  很多人认为互联网起源于美国国防部高级研究计划署(ARPA)于1969年开始实施的ARPANET(阿帕网)计划,其初始目标是保证“冷战”国际背景之核打击下军事通信网络的可生存性(事实上,很多当初参与了互联网设计的工程师并不认可这种观点)。同时,ARPANET也为科研资料共享和科学实验等提供“开放、共享、平等”的网络支撑,如各大学图书馆之间电子资料的共享、各科研机构计算机的协同计算等。这一阶段互联网用户的需求相对单一,主要以图片、文件等为主,且互联网使用环境相对封闭,用户规模小,使用者自律性较高等。

  到十九世纪70年代,国际上已经形成了几十个计算机网络。但由于它们的数据格式、网络协议、组网方式等都不相同,这些网络只能支持内部计算机之间的互联通信,相互之间仍然不能互通。为此, ARPA又对ARPANET的设计目标进行了完善,即通过一种统一、便捷的方式把这些已有的计算机网络互联起来,形成一个“将已有网络进行互联”的网络(internetwork),简称就是大家目前所熟知的“Internet”。

  在此需要说明的是,业界最初关于“因特网”和“互联网”的概念理解并不相同。当时除了“Internet”(因特网)之外,还有许多其他的互联网如“欧盟网”(Euronet)、“欧洲信息网”(EIN)、以及美国的“国际学术网”(BITNET)等等。它们在网络技术和应用的飞速发展过程中逐渐融合消失,而Internet不断发展成为大家最熟悉、使用最多的互联网,最终大部分使用者默认就把“因特网”和“互联网”等同起来。

  M.I.T的David Clark教授在"The design philosophy of the DARPA internet protocols"一文中,对ARPANET的设计目标进行全面总结,将其归纳为“互联现有网络”这一顶级目标和“可生存性”、“支持多样服务”、“兼容多种网络”、“支持分布式管理”、“支持终端便捷接入”、“代价有效”、“资源可审计”这7个次级目标。

  在这一阶段,互联网的设计者们围绕这些目标,充分发挥他们的聪明才智,提出了一系列在今天看起来仍然非常神奇有效的技术如分组交换技术、最短路径优先算法等,以及一系列互联网协议如TCP、UDP、ICMP、RIP、DNS等,当然还包括最著名的网际互联协议IP。基于TCP/IP的互联网分层协议模型,实现了ARPANET与其他类型网络之间的数据报文无缝传输,为互联网的快速形成和发展奠定了坚实基础。应该说,在互联网建造和发展的过程中,它的体系结构都因为众多的设计者们的集体创造力而趋于完善、健全。

  ARPANET的设计目标以及由此而提出的一系列技术,是在当时的国际背景下面向相对特殊、单一的应用需求而构建的互联网雏形,其具有设计简单、层次清晰等优点,为互联网的快速推广普及和应用奠定了坚实基础。

  2、第二个阶段(1990-2010):消费型商用网络阶段

  互联网在其第一阶段取得的成功,使得研发者和使用者都认识到了它潜在的巨大价值和作用,也直接促使了互联网的管理者决定把它向普通百姓推广应用。

  1990年,国际上第一个提供商业Internet拨号访问服务的公司“The World comes on-line”开始运营,标志着互联网正式进入商业网络时代。同年,ARPANET正式关闭;1994年,美国允许商业资本介入互联网建设与运营,互联网从实验室进入了面向社会的商用时期,开始向各行业渗透。

  1994年4月,中国“中关村地区教育与科研示范网络(NCFC)”通过美国Sprint公司接入Internet的64K国际专线开通,标志着中国被国际上正式承认有Internet的国家。之后,Chinanet等多个互联网络项目在全国范围相继启动,互联网开始进入我国公众生活,并得到迅速发展。

  这一阶段的互联网处于规模快速膨胀阶段,开始快速渗透到了人们日常生活的各个领域,从学术研究到股票交易、从学校教育到娱乐游戏、从联机信息检索到在线居家购物等,成为推动世界经济发展和社会进步的重要媒介。截止2007年1月,互联网已经覆盖233个国家和地区,网民达到10.93亿,用户普及率为16.6%。同时,互联网作为全球性的消费型商用网络,众多的ISP参与到国际互联网服务的产业链中,其内容和服务市场发展异常活跃,推动形成了一批具有全球影响力的互联网企业,如Google、Yahoo、eBAY等。

  在这个阶段,互联网承载的业务逐渐由文件、图片等向语音、视频等多媒体变化,并逐渐发展成为覆盖人民百姓日常生活各种需求的消费型商用网络。我认为,这一阶段的重要事件就是电话网和广播电视网的IP化。经过多年发展,运营商充分认识到了互联网体系结构的简单、高效、便捷等优势,或对已有网络进行IP化改造,或是在新一代的电信网络架构采用IP技术等。事实上,我国在这方面做出了非常重要的贡献如“三网融合”,它的历史背景目标把传统电话网、广播电视网等电信业务搬到互联网上来,用互联网技术提供诸如VoIP、IPTV等服务。

  这一阶段的代表性技术就有赫赫有名的万维网技术(World Wide Web,简称WWW),以及为了解决地址受限问题的NAT(地址转换协议)和提供服务质量的资源预留协议(RSVP)等,当然也包括在一些已有协议的基础上升级完善如IPv6、SSL、IPSec等。

  3、第三个阶段(2010至今):信息基础设施阶段

  应该说,目前互联网仍处于其发展的第三个阶段。此时,随着以信息技术为核心的新一轮科技革命的孕育兴起,互联网日益成为创新驱动发展的先导力量,并推动互联网技术与经济社会各行各业深度融合发展(典型案例我国百度、阿里、腾讯等互联网企业的快速发展),推动互联网不断向新一代信息基础设施演进,为各行各业创造价值。

  关于这个阶段的开始时间,不太好确定。我在此暂且以美国启动的国家宽带计划为起点进行讨论。2009年4月8日,美国联邦通信委员会宣布正式启动政府投资总额达72亿美元的国家宽带计划,并于2010年公布了其实施细则。该计划旨在将高速互联网接入服务普及到美国的每个角落,为各行业提供高质量的信息网络服务。之后,世界各国纷纷积极出台各类支持政策,推动互联网的发展。事实上,我把“2010年”当成互联网向信息基础设施发展的开始时间节点,形式大于内容。

  作为全球信息基础设施,互联网在各类信息网络应用发展立下了汗马功劳。在此阶段,诸多专业性的用网需求,促使互联网的宽带接入能力、基础互联能力、需求适配能力、规模运营能力等均得到了显著提升,对互联网体系结构也产生了很多影响,

  我认为,互联网向信息基础设施发展,至少有如下两个重要的技术性标志:

  第一个标志是移动通信网络的IP化。移动通信技术的快速发展和普及,使得它的每一次升级换代都备受大家关注。因为它一方面需要在高速无线接入、宽带通信等技术方面不断突破功耗、带宽等瓶颈,另一方面更需要信息网络技术在转发控制、路由控制等方面的能力提升。近年来,移动通信网络特别是其核心网技术,逐渐向互联网融合,使得互联网作为信息基础设施的作用更加凸显。比如移动通信网络中的切片技术,其基本思路和原理就和互联网专家们之前提出的“虚拟网”非常相似。

  第二个标志是云技术的提出。借用百度百科中关于“云技术”的定义,“云技术是指在广域网或局域网内将硬件、软件、网络等系列资源统一起来,实现数据的计算、储存、处理和共享的一种托管技术。”从这个定义就可以看出,云是构建在互联网体系结构基础上的、一种与物理资源分布无关的信息服务提供方式。因此,云概念的提出就是希望在海量的差异化网络资源基础上提供信息服务,是在互联网无处不在又必不可少的情况下的新技术破茧而出。

  这两个标志,反映出了互联网作为信息基础设施之后,信息服务市场的主体细分和功能融合。

  通过本节对互联网体系结构发展的三个阶段进行总结,我们不难发现,这些年在无形之中持续推动互联网体系结构发展的根本动力,就是“业务需求”。正是因为互联网在不同的阶段,渐渐形成了明确、强烈的需求,如第一阶段的科研试验需求,第二阶段的消费需求,第三阶段的公共承载需求,才能够持续不断的为互联网发展注入快速发展的动力。

  三、当前互联网体系结构的技术创新

  随着互联网与经济社会深度融合发展,互联网+、工业4.0等成为国民经济命脉领域的新支柱,互联网在当前社会中扮演的角色日益增多,使得用户对网络的专业化、个性化需求不断提升;多元化终端类型、接入方式不断发展,人-人、人-机、机-机、网-网通信等成为常态,要求互联网必须为海量业务提供多元、个性、智慧、高效、鲁棒等服务。

  这时候,互联网的需求来自哪里?我认为,互联网的需求不仅来自于普通生活百姓,更来自于互联网的业务巨头。哪些应用或者行业能够代表互联网的需求?是大家耳熟能详的BAT,更是大家接触较少但非常关键的能源、金融、工业、政务等行业。互联网在作为信息基础设施存在的同时,也需要为这些行业提供高质量的网络保障如:为政务提供安全、可信等的网络服务,为工控提供时延敏感、低开销等的网络服务,为能源提供确切、自动等的网络服务。

  因此,在上述需求的牵引下,互联网将呈现出多模态融合环境形态,不仅地面网络呈现出多样化或多元化的形态,而且向空天地海协同的网络形态演变,覆盖外太空、地球空间、陆地、海洋等自然空间,为天基、空基、陆基、海基等各类用户的活动提供信息服务基础设施;同时,互联网还将以多元化技术体制及其共存、协同发展的网络环境形态,满足从“2C”到“2C”&“2B”转变中的不同服务需求;最后,互联网将不仅能够提供超低延迟、确定性时延、用户可定义及敏捷按需服务等服务,而且还要能够提供高可靠和高安全服务。

  事实上,近年来互联网体系结构的核心技术一直处于蓬勃发展状态,国内外相关研究和实践成果颇丰,这为互联网体系结构下一步的创新提供了良好的技术储备。本文主要从以下四个方面做简要介绍。

  首先,以SDN/NFV、可重构等为代表的“柔性构造”理念从理论走向实践。互联网“柔性构造”的目标是,对互联网体系结构中的互联协议和拓扑关系、软/硬件资源配置等要素,采用功能重构、资源动态调度、可编程转发控制等方法手段,使互联网获得开放、可扩展和自演化等能力,从而为各类多元化、个性化应用提供精细化可定制的网络构件和服务,提升传输效率并优化资源配置等。

  其次,多样化寻址和路由技术创新酝酿重大突破。突破传统以网际互联为目标的IP技术的能力瓶颈,发展与现实物理世界需求直接匹配的多样化寻址路由技术,也是众多从业人员追求的目标。实际上,IPv4向IPv6的发展,已经是互联网在该方向上迈出的一大步。同时,以内容标识、身份标识、甚至地理标识等为基础的新型寻址路由技术发展迅速,已在多种边缘网络中初步应用并取得良好效果。近年来非常热门的VLAN/VXLAN、SD-WAN、分段路由SR等技术,也应该属于这个方面。

  之后,互联网“无人驾驶”技术研究异常活跃。近年来,大数据分析、人工智能等在互联网体系结构中的应用技术蓬勃发展,在此基础上建立具有“无人驾驶”能力的互联网运行机制,成为学术和产业界探索的重点。典型方案就是Albert Mestres等人提出的知识定义网络KDN概念。KDN通过动态监测网络状态并基于机器学习算法进行分析决策,进而优化网络配置和性能。国内外相关运营商和企业等也纷纷发力,提出了意图网络、随选网络、自驱动网络等。

  最后,内生安全设计成为互联网发展的“重中之重”。近年来,各类网络威胁日益增多,如拒绝服务功能、域名劫持、用户隐私泄露等。为此,业界纷纷提出了多种方法,如大家常见的IPSec/SSL、防火墙等技术。然而,如何促进互联网安全技术研发由外挂式向内生性转变,在信息系统软硬件供应链不可信的生态环境下实现互联网安全,成为亟待解决的问题。近年来,科研人员提出的拟态构造、软件定义安全、零信任和可信计算等,为解决互联网的内生安全问题提供了强力支撑。

  写在最后

  在不同的发展阶段,互联网承载的业务不同,推动了互联网体系结构的不断发展变化。当前,互联网作为一种信息基础设施,特别是承载了电力、金融、工业等垂直行业应用之后,其业务需求呈现出了更加多样、复杂、不确定等特征,导致互联网体系结构的创新势在必行。

  然而,互联网体系结构的创新,并不是要从整体推翻现有互联网来搞一套全新的互联网,而是对现有互联网体系结构的核心技术和运行逻辑等进行创新,在总体设计方面给出互联网下一步演进发展的方案,通过兼容性部署和增量式发展,使得现有互联网焕发出新的“内源性”生机和活力,从而持续不断的丰富和完善互联网的能力体系。

来源:亚太网络研究APNet