寫在前面
互聯網的核心技(jì )術是它的體(tǐ)系結構；
推動互聯網體(tǐ)系結構發展的根本動力是它承載的業務(wù)；
本文(wén)從互聯網發展曆程入手，分(fēn)析業務(wù)變化對互聯網體(tǐ)系結構的影響，為(wèi)當前研究提供經驗借鑒。
1.互聯網的核心技(jì )術是什麽—互聯網體(tǐ)系結構
2.互聯網體(tǐ)系結構發展經曆的三個階段
3.當前互聯網體(tǐ)系結構的技(jì )術創新(xīn)
一、互聯網的核心技(jì )術是什麽—互聯網體(tǐ)系結構
習主席在2016年提出：“互聯網核心技(jì )術是我們最大的‘命門’，核心技(jì )術受制于人是我們最大的隐患”。那麽，什麽才是互聯網的核心技(jì )術？作(zuò)為(wèi)一名從事互聯網技(jì )術研究的工作(zuò)者，我覺得，互聯網的核心技(jì )術絕不是大家日常生活中使用(yòng)的各類網絡應用(yòng)和平台，美團乎？高德(dé)乎？淘寶乎？No，No。互聯網的核心技(jì )術就是它的體(tǐ)系結構。
那麽，什麽才是互聯網的體(tǐ)系結構？抽象來說，互聯網體(tǐ)系結構是一整套基礎技(jì )術體(tǐ)系和協議規範，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(wèi)蓋房子，那麽互聯網的體(tǐ)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(tǐ)來說，它明确了互聯網的物(wù)理(lǐ)與邏輯組成、功能(néng)組織與配置、交互流程與數據格式等等一系列内容。互聯網的建設者和運維者們正是采用(yòng)這樣的一整套框架，為(wèi)用(yòng)戶構建便捷、健康、活躍、安(ān)全等的網絡環境。
互聯網的體(tǐ)系結構都有哪些關鍵要素呢(ne)？在此引用(yòng)吳建平院士的觀點：互聯網體(tǐ)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(lǐ)解，傳輸格式決定了互聯網的“通用(yòng)語言”，即決定大家用(yòng)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(yòng)“多(duō)個人口口相傳”的接力方式還是“一個人專門跑一趟”的專線(xiàn)方式？或者采用(yòng)其他(tā)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(dé)導航）來傳信息。
體(tǐ)系結構是互聯網最核心的技(jì )術，是整個互聯網建設和運行的實施基礎。這麽多(duō)年，我們努力追求的目标就是要在互聯網體(tǐ)系結構層面取得突破，要為(wèi)互聯網的發展講出自己的“通用(yòng)語言、傳送方法和途徑”。
二、互聯網體(tǐ)系結構發展經曆的三個階段
本節從互聯網所承載的業務(wù)出發，分(fēn)析這些業務(wù)的變化對互聯網體(tǐ)系結構演進所産生的動力，探讨互聯網體(tǐ)系結構技(jì )術的發展過程。
關于互聯網體(tǐ)系結構的曆史發展階段，很(hěn)多(duō)人都有不同的理(lǐ)解，也從不同的角度給出了多(duō)種劃分(fēn)方案，為(wèi)該領域的研究提供了很(hěn)好的支撐。本文(wén)暫且先采用(yòng)其中的一種劃分(fēn)方法（劃分(fēn)依據和具體(tǐ)标志(zhì)性事件不在本文(wén)讨論範圍内，相關内容請大家自動忽略），把目前為(wèi)止的互聯網發展過程劃分(fēn)成三個階段：科(kē)研試驗網絡階段、消費型商用(yòng)網絡階段、信息基礎設施階段。
1、第一個階段（1969－1990)：科(kē)研試驗網絡階段
很(hěn)多(duō)人認為(wèi)互聯網起源于美國(guó)國(guó)防部高級研究計劃署（ARPA）于1969年開始實施的ARPANET（阿帕網）計劃，其初始目标是保證“冷戰”國(guó)際背景之核打擊下軍事通信網絡的可(kě)生存性（事實上，很(hěn)多(duō)當初參與了互聯網設計的工程師并不認可(kě)這種觀點）。同時，ARPANET也為(wèi)科(kē)研資料共享和科(kē)學(xué)實驗等提供“開放、共享、平等”的網絡支撐，如各大學(xué)圖書館之間電(diàn)子資料的共享、各科(kē)研機構計算機的協同計算等。這一階段互聯網用(yòng)戶的需求相對單一，主要以圖片、文(wén)件等為(wèi)主，且互聯網使用(yòng)環境相對封閉，用(yòng)戶規模小(xiǎo)，使用(yòng)者自律性較高等。
到十九世紀70年代，國(guó)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，這些網絡隻能(néng)支持内部計算機之間的互聯通信，相互之間仍然不能(néng)互通。為(wèi)此， ARPA又對ARPANET的設計目标進行了完善，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“将已有網絡進行互聯”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(lǐ)解并不相同。當時除了“Internet”（因特網）之外，還有許多(duō)其他(tā)的互聯網如“歐盟網”（Euronet）、“歐洲信息網”（EIN）、以及美國(guó)的“國(guó)際學(xué)術網”（BITNET）等等。它們在網絡技(jì )術和應用(yòng)的飛速發展過程中逐漸融合消失，而Internet不斷發展成為(wèi)大家最熟悉、使用(yòng)最多(duō)的互聯網，最終大部分(fēn)使用(yòng)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(wén)中，對ARPANET的設計目标進行全面總結，将其歸納為(wèi)“互聯現有網絡”這一頂級目标和“可(kě)生存性”、“支持多(duō)樣服務(wù)”、“兼容多(duō)種網絡”、“支持分(fēn)布式管理(lǐ)”、“支持終端便捷接入”、“代價有效”、“資源可(kě)審計”這7個次級目标。
在這一階段，互聯網的設計者們圍繞這些目标，充分(fēn)發揮他(tā)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(jì )術如分(fēn)組交換技(jì )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。基于TCP/IP的互聯網分(fēn)層協議模型，實現了ARPANET與其他(tā)類型網絡之間的數據報文(wén)無縫傳輸，為(wèi)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(tǐ)系結構都因為(wèi)衆多(duō)的設計者們的集體(tǐ)創造力而趨于完善、健全。
ARPANET的設計目标以及由此而提出的一系列技(jì )術，是在當時的國(guó)際背景下面向相對特殊、單一的應用(yòng)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(wèi)互聯網的快速推廣普及和應用(yòng)奠定了堅實基礎。
2、第二個階段（1990－2010)：消費型商用(yòng)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(yòng)者都認識到了它潛在的巨大價值和作(zuò)用(yòng)，也直接促使了互聯網的管理(lǐ)者決定把它向普通百姓推廣應用(yòng)。
1990年，國(guó)際上第一個提供商業Internet撥号訪問服務(wù)的公司“The World comes on-line”開始運營，标志(zhì)着互聯網正式進入商業網絡時代。同年，ARPANET正式關閉；1994年，美國(guó)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(yòng)時期，開始向各行業滲透。
1994年4月，中國(guó)“中關村地區(qū)教育與科(kē)研示範網絡（NCFC）”通過美國(guó)Sprint公司接入Internet的64K國(guó)際專線(xiàn)開通，标志(zhì)着中國(guó)被國(guó)際上正式承認有Internet的國(guó)家。之後，Chinanet等多(duō)個互聯網絡項目在全國(guó)範圍相繼啓動，互聯網開始進入我國(guó)公衆生活，并得到迅速發展。
這一階段的互聯網處于規模快速膨脹階段，開始快速滲透到了人們日常生活的各個領域，從學(xué)術研究到股票交易、從學(xué)校教育到娛樂遊戲、從聯機信息檢索到在線(xiàn)居家購(gòu)物(wù)等，成為(wèi)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(guó)家和地區(qū)，網民(mín)達到10.93億，用(yòng)戶普及率為(wèi)16.6%。同時，互聯網作(zuò)為(wèi)全球性的消費型商用(yòng)網絡，衆多(duō)的ISP參與到國(guó)際互聯網服務(wù)的産業鏈中，其内容和服務(wù)市場發展異常活躍，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(wù)逐漸由文(wén)件、圖片等向語音、視頻等多(duō)媒體(tǐ)變化，并逐漸發展成為(wèi)覆蓋人民(mín)百姓日常生活各種需求的消費型商用(yòng)網絡。我認為(wèi)，這一階段的重要事件就是電(diàn)話網和廣播電(diàn)視網的IP化。經過多(duō)年發展，運營商充分(fēn)認識到了互聯網體(tǐ)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(xīn)一代的電(diàn)信網絡架構采用(yòng)IP技(jì )術等。事實上，我國(guó)在這方面做出了非常重要的貢獻如“三網融合”，它的曆史背景目标把傳統電(diàn)話網、廣播電(diàn)視網等電(diàn)信業務(wù)搬到互聯網上來，用(yòng)互聯網技(jì )術提供諸如VoIP、IPTV等服務(wù)。
這一階段的代表性技(jì )術就有赫赫有名的萬維網技(jì )術（World Wide Web，簡稱WWW），以及為(wèi)了解決地址受限問題的NAT（地址轉換協議）和提供服務(wù)質(zhì)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，随着以信息技(jì )術為(wèi)核心的新(xīn)一輪科(kē)技(jì )革命的孕育興起，互聯網日益成為(wèi)創新(xīn)驅動發展的先導力量，并推動互聯網技(jì )術與經濟社會各行各業深度融合發展（典型案例我國(guó)百度、阿裏、騰訊等互聯網企業的快速發展），推動互聯網不斷向新(xīn)一代信息基礎設施演進，為(wèi)各行各業創造價值。
關于這個階段的開始時間，不太好确定。我在此暫且以美國(guó)啓動的國(guó)家寬帶計劃為(wèi)起點進行讨論。2009年4月8日，美國(guó)聯邦通信委員會宣布正式啓動政府投資總額達72億美元的國(guó)家寬帶計劃，并于2010年公布了其實施細則。該計劃旨在将高速互聯網接入服務(wù)普及到美國(guó)的每個角落，為(wèi)各行業提供高質(zhì)量的信息網絡服務(wù)。之後，世界各國(guó)紛紛積極出台各類支持政策，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，形式大于内容。
作(zuò)為(wèi)全球信息基礎設施，互聯網在各類信息網絡應用(yòng)發展立下了汗馬功勞。在此階段，諸多(duō)專業性的用(yòng)網需求，促使互聯網的寬帶接入能(néng)力、基礎互聯能(néng)力、需求适配能(néng)力、規模運營能(néng)力等均得到了顯著提升，對互聯網體(tǐ)系結構也産生了很(hěn)多(duō)影響，
我認為(wèi)，互聯網向信息基礎設施發展，至少有如下兩個重要的技(jì )術性标志(zhì)：
第一個标志(zhì)是移動通信網絡的IP化。移動通信技(jì )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(wèi)它一方面需要在高速無線(xiàn)接入、寬帶通信等技(jì )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(jì )術在轉發控制、路由控制等方面的能(néng)力提升。近年來，移動通信網絡特别是其核心網技(jì )術，逐漸向互聯網融合，使得互聯網作(zuò)為(wèi)信息基礎設施的作(zuò)用(yòng)更加凸顯。比如移動通信網絡中的切片技(jì )術，其基本思路和原理(lǐ)就和互聯網專家們之前提出的“虛拟網”非常相似。
第二個标志(zhì)是雲技(jì )術的提出。借用(yòng)百度百科(kē)中關于“雲技(jì )術”的定義，“雲技(jì )術是指在廣域網或局域網内将硬件、軟件、網絡等系列資源統一起來，實現數據的計算、儲存、處理(lǐ)和共享的一種托管技(jì )術。”從這個定義就可(kě)以看出，雲是構建在互聯網體(tǐ)系結構基礎上的、一種與物(wù)理(lǐ)資源分(fēn)布無關的信息服務(wù)提供方式。因此，雲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(wù)，是在互聯網無處不在又必不可(kě)少的情況下的新(xīn)技(jì )術破繭而出。
這兩個标志(zhì)，反映出了互聯網作(zuò)為(wèi)信息基礎設施之後，信息服務(wù)市場的主體(tǐ)細分(fēn)和功能(néng)融合。
通過本節對互聯網體(tǐ)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(tǐ)系結構發展的根本動力，就是“業務(wù)需求”。正是因為(wèi)互聯網在不同的階段，漸漸形成了明确、強烈的需求，如第一階段的科(kē)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(néng)夠持續不斷的為(wèi)互聯網發展注入快速發展的動力。
三、當前互聯網體(tǐ)系結構的技(jì )術創新(xīn)
随着互聯網與經濟社會深度融合發展，互聯網+、工業4.0等成為(wèi)國(guó)民(mín)經濟命脈領域的新(xīn)支柱，互聯網在當前社會中扮演的角色日益增多(duō)，使得用(yòng)戶對網絡的專業化、個性化需求不斷提升；多(duō)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(wèi)常态，要求互聯網必須為(wèi)海量業務(wù)提供多(duō)元、個性、智慧、高效、魯棒等服務(wù)。
這時候，互聯網的需求來自哪裏？我認為(wèi)，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(wù)巨頭。哪些應用(yòng)或者行業能(néng)夠代表互聯網的需求？是大家耳熟能(néng)詳的BAT，更是大家接觸較少但非常關鍵的能(néng)源、金融、工業、政務(wù)等行業。互聯網在作(zuò)為(wèi)信息基礎設施存在的同時，也需要為(wèi)這些行業提供高質(zhì)量的網絡保障如：為(wèi)政務(wù)提供安(ān)全、可(kě)信等的網絡服務(wù)，為(wèi)工控提供時延敏感、低開銷等的網絡服務(wù)，為(wèi)能(néng)源提供确切、自動等的網絡服務(wù)。
因此，在上述需求的牽引下，互聯網将呈現出多(duō)模态融合環境形态，不僅地面網絡呈現出多(duō)樣化或多(duō)元化的形态，而且向空天地海協同的網絡形态演變，覆蓋外太空、地球空間、陸地、海洋等自然空間，為(wèi)天基、空基、陸基、海基等各類用(yòng)戶的活動提供信息服務(wù)基礎設施；同時，互聯網還将以多(duō)元化技(jì )術體(tǐ)制及其共存、協同發展的網絡環境形态，滿足從“2C”到“2C”&“2B”轉變中的不同服務(wù)需求；最後，互聯網将不僅能(néng)夠提供超低延遲、确定性時延、用(yòng)戶可(kě)定義及敏捷按需服務(wù)等服務(wù)，而且還要能(néng)夠提供高可(kě)靠和高安(ān)全服務(wù)。
事實上，近年來互聯網體(tǐ)系結構的核心技(jì )術一直處于蓬勃發展狀态，國(guó)内外相關研究和實踐成果頗豐，這為(wèi)互聯網體(tǐ)系結構下一步的創新(xīn)提供了良好的技(jì )術儲備。本文(wén)主要從以下四個方面做簡要介紹。
首先，以SDN/NFV、可(kě)重構等為(wèi)代表的“柔性構造”理(lǐ)念從理(lǐ)論走向實踐。互聯網“柔性構造”的目标是，對互聯網體(tǐ)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(yòng)功能(néng)重構、資源動态調度、可(kě)編程轉發控制等方法手段，使互聯網獲得開放、可(kě)擴展和自演化等能(néng)力，從而為(wèi)各類多(duō)元化、個性化應用(yòng)提供精(jīng)細化可(kě)定制的網絡構件和服務(wù)，提升傳輸效率并優化資源配置等。
其次，多(duō)樣化尋址和路由技(jì )術創新(xīn)醞釀重大突破。突破傳統以網際互聯為(wèi)目标的IP技(jì )術的能(néng)力瓶頸，發展與現實物(wù)理(lǐ)世界需求直接匹配的多(duō)樣化尋址路由技(jì )術，也是衆多(duō)從業人員追求的目标。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，以内容标識、身份标識、甚至地理(lǐ)标識等為(wèi)基礎的新(xīn)型尋址路由技(jì )術發展迅速，已在多(duō)種邊緣網絡中初步應用(yòng)并取得良好效果。近年來非常熱門的VLAN/VXLAN、SD-WAN、分(fēn)段路由SR等技(jì )術，也應該屬于這個方面。
之後，互聯網“無人駕駛”技(jì )術研究異常活躍。近年來，大數據分(fēn)析、人工智能(néng)等在互聯網體(tǐ)系結構中的應用(yòng)技(jì )術蓬勃發展，在此基礎上建立具有“無人駕駛”能(néng)力的互聯網運行機制，成為(wèi)學(xué)術和産業界探索的重點。典型方案就是Albert Mestres等人提出的知識定義網絡KDN概念。KDN通過動态監測網絡狀态并基于機器學(xué)習算法進行分(fēn)析決策，進而優化網絡配置和性能(néng)。國(guó)内外相關運營商和企業等也紛紛發力，提出了意圖網絡、随選網絡、自驅動網絡等。
最後，内生安(ān)全設計成為(wèi)互聯網發展的“重中之重”。近年來，各類網絡威脅日益增多(duō)，如拒絕服務(wù)功能(néng)、域名劫持、用(yòng)戶隐私洩露等。為(wèi)此，業界紛紛提出了多(duō)種方法，如大家常見的IPSec/SSL、防火牆等技(jì )術。然而，如何促進互聯網安(ān)全技(jì )術研發由外挂式向内生性轉變，在信息系統軟硬件供應鏈不可(kě)信的生态環境下實現互聯網安(ān)全，成為(wèi)亟待解決的問題。近年來，科(kē)研人員提出的拟态構造、軟件定義安(ān)全、零信任和可(kě)信計算等，為(wèi)解決互聯網的内生安(ān)全問題提供了強力支撐。
寫在最後
在不同的發展階段，互聯網承載的業務(wù)不同，推動了互聯網體(tǐ)系結構的不斷發展變化。當前，互聯網作(zuò)為(wèi)一種信息基礎設施，特别是承載了電(diàn)力、金融、工業等垂直行業應用(yòng)之後，其業務(wù)需求呈現出了更加多(duō)樣、複雜、不确定等特征，導緻互聯網體(tǐ)系結構的創新(xīn)勢在必行。
然而，互聯網體(tǐ)系結構的創新(xīn)，并不是要從整體(tǐ)推翻現有互聯網來搞一套全新(xīn)的互聯網，而是對現有互聯網體(tǐ)系結構的核心技(jì )術和運行邏輯等進行創新(xīn)，在總體(tǐ)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(xīn)的“内源性”生機和活力，從而持續不斷的豐富和完善互聯網的能(néng)力體(tǐ)系。
來源：亞太網絡研究APNet