互联网过去 25 年的历史（1998~2023）（一） |
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编者按 此前，APNIC 首席科学家杰夫·休斯顿（Geoff Huston）发文，对互联网发展 25 年的历史进行回顾，并对互联网未来发展进行展望。《中国教育网络》杂志将分期刊载文章，本期将介绍互联网过去 25 年的发展，并对数据传输技术进行分析回顾。杰夫·休斯顿 APNIC首席科学家 互联网并不像你想象的那么年轻。苹果公司于 2007 年发布的 iPhone 手机现在已经 16 岁了；YouTube 也是一个成熟的青少年，它于 2005 年首次发布，现在已经 18 岁了。 这两个例子对互联网来说还算是比较新的。首个网络浏览器 Mosaic 于 1993 年发布，那是大约 30 年前。更早的时候，互联网以 NSFNET 的形式，从 ARPA 的根基中崛起，那是在 1986 年。在 1983 年初，ARPANET 度过了“协议切换日”（ARPANET flag day），开始将 TCP 作为其端到端传输协议。更早之前，在 1974 年，Vint Cerf 和 Bob Kahn 发表了第一篇学术论文，描述了分组交换网络的协议和底层架构框架，这是互联网的前身。 而这一成就建立在更早的基础之上，20 世纪 60 年代末期有多项工作展示了分组交换方式在计算机网络中的可行性。这些分组交换网络的努力包括 Donald Davies 在英国国家物理实验室领导的一项工作，Larry Roberts 在美国领导的一个 ARPA 项目，以及 Louis Pouzin 在法国 CYCLADES 网络的工作。这些项目又部分源自 Paul Baran 在兰德公司发表于 1960~1964 年间的关于分布式通信和分组交换网络的工作。互联网远非一个不成熟的新人，它已经积累了相对长久的谱系。而且，这是一次狂野的旅程。互联网经历了几次经济繁荣和衰退，每一次都伴随着历史上最精彩的盲目狂热以及之后迎来的清醒纠正。它引发了整个世界的通信企业的全面重组，带来的变化已经改变了我们每个人的工作和生活方式。在短短 25 年里取得如此成就，实在是惊人！ 过去25年 我们应该从 1998 年开始探索互联网过去 25 年的历史。那时，关于互联网作为全球通信媒介最终能够获得成功的任何疑虑都被彻底消除。互联网不再只是一个研究实验，也不再是在采用开放系统互联（Open Systems Interconnect，OSI）框架道路上的一个中间站。 到了 1998 年，数据通信领域中再也没有任何其他技术能满足我们日益增长的数据通信的需求。IP 现在是当下和未来一个世纪的数据通信技术。当时业界的信息非常明确，通信企业必须在每个产品和服务中采用互联网，否则就会危及自己在这个行业的未来。 传统的电信企业再也不能带着礼貌的嘲弄甚至明显的蔑视态度来看待互联网了。是时候进行业变革了。这一行业中最大的企业，那些老牌的“前垄断”电信企业，在这个行业几十年来最大的变革中捉襟见肘。而这次，同时发生的开放管制和竞争意味着通信行业的整个未来正被交到一小部分互联网企业手中。 到了 1998 年，互联网终于大红大紫。任务显然已经完成，互联网获得了胜利。但不久后，一场新的革命又来了，这次是移动服务领域的革命。在经历了其他公司一系列笨拙的初期努力（还有人记得无线应用协议 WAP 吗?）之后，iPhone 凭借其时尚设计和惊人功能的完美结合进入了市场。 移动通信行业难以满足对基于互联网的移动数据的狂热需求。在移动互联网成功的基础上，互联网开始与电视网络竞争，通过流媒体视频与现有的广播和有线电视系统竞争。故事还没有结束；通信仍在推动着我们的世界，互联网仍在继续发展和变革。 任何技术的演进过程都会出现意想不到的奇特转折。在某些时候，简约和极简主义会被复杂和装饰所取代，而在另一些时候，戏剧性的突破会揭示技术的核心理念，并去除一层层多余的附加物。互联网的技术演进似乎也不例外，其历程中也包含了这样意料之外的曲折。 相比对过去 25 年的各种变化和发展进行无序的观察，我将以传统的协议栈模型作为模板，从底层的传输媒介开始考察，然后考察 IP 层、传输层、应用和服务，最后考察互联网商业。数据传输 固网 现在看来，这似乎是一个完全陌生的概念，但 1998 年的互联网服务提供商（Internet Service Provider，ISP）业务仍以拨号的调制解调器技术为基础。调制解调器速度的技术水平不断提高，从 9600bps 到 14.4kbps，再到 28kbps，最后到 56kbps，榨干了模拟语音电路所包含的相位-振幅编码空间中可以使用的每一个比特。模拟调制解调器不断被新技术所取代，它不可靠，客户难以使用，最重要的是它速度还很慢！互联网上的几乎所有其他内容都被迫进行了定制，以便通过调制解调器连接并以合理的速度下载。为了确保快速下载，网页由压缩后的图像精心编制而成，纯文本也因此成为主流。情况只会变得更好，而且也的确如此。 接入网的演进最初是将网络内部数字化的核心暴露在边缘网络。第一种方法是 ISDN（Integrated Services Digital Network，综合业务数字网），它将底层的数字语音电路引入到边缘网络。64kbps 的速度相比起模拟的调制解调器只是微小的改进，接入技术的下一个重要进展是使用 DSL（Digital Subscriber Line，数字用户线路）。 DSL 仍然使用网络最后一公里的模拟信道，但它没有使用单个低速模拟承载信号，而是在接入电路中叠加了大量独立的模拟承载信号，在网格框架内的基本模拟电路上执行某种形式的频分复用。DSL 依赖于电话公司在高信号质量和噪音抑制条件下运行铜缆接入电路的程度，以及调制解调器行业在数字信号处理能力上的不断提升。 令人惊讶的是，通过这些传统的铜缆接入网络，DSL 往往能够达到每秒几十兆比特的速度。然而，DSL 在很大程度上是一种过渡方案，是在寻找一种可行的商业模式，可以使用开放式的光纤接入网络来逐步取代老化的铜缆接入网络，并能够承担部署的成本。 向基于光缆的固定线路接入网络的过渡仍在继续。如前所述，光纤接入网络面临的挑战在于找到一种合适的商业模式，能够维持必要的资本投资来支持替换现有的铜缆网络基础设施。 一些国家采用了公共部门的计划，如澳大利亚的国家宽带网络（National Broadband Network，NBN）计划，而另一些国家的社区则仍然致力于私营部门的活动。还有一些地方则采取混合方式，在私营部门计划中加入一定程度的地方公共部门激励措施。这里的问题是，在大多数情况下，固定线路住宅接入网络并不能提供吸引人的投资机会——高昂的前期资本投入以及接入网络基础设施覆盖地区普遍不足的使用率都是不利因素。 通常情况下，一个住宅社区无法支持多个光纤接入网络的部署，这就引出了本地接入垄断的相关问题，以及如何在单一物理接入网络上允许一定程度的竞争性接入服务的挑战。即使如此，光纤接入仍在世界许多地方继续推进。尽管存在许多障碍，将有线铜缆网络转变为能够为每个连接提供数百兆比特率的光纤接入网络的过渡仍在继续。移动网络 移动接入网络经历了完全不同的发展，多年来，移动行业的发展一直是由需求驱动的。 20 世纪 80 年代推出的首批移动数据服务网络不过是在单个语音频带电路上工作的低速数字编码器。这些 1G 网络通常提供 2.4Kbps 的数据下载速率。下一代移动服务 2G 在 90 年代开始使用。它仍然以语音服务为主，虽然理论上可以支持 100kbps 的数据访问速度，但这一数据传输速率在很大程度上是理想化的。 随着 3G 移动服务的推出，互联网与移动服务出现了交集。3G 架构可将IP连接直接推送到手机，支持 1~2Mbps 的数据传输速率。这种网络功能再配合新一代的手机，首先是 2002 年的黑莓手机，然后是 2007 年的 iPhone，将移动服务转变为一种大众消费级服务。 这种服务的高利润吸引了传统语音行业的注意，最终结果是大规模开放了无线电频谱，创建了一个互联网接入环境，其规模迅速赶上有线接入市场，并在收入利润方面完全超过了它。 这种大规模的需求升级给移动系统的容量带来了进一步压力。2009 年，移动领域推出了 4G 服务，开放了更多频段，并在移动设备上添加了多输入多输出（Multiple-Input Multiple Output，MIMO）无线电技术，以提高每个连接设备的可用容量。 随着时间的推移，这些服务被配置为每台设备提供 50Mbps 至 100Mbps 的峰值下载速度。同时，该行业每年还售出数以亿计的移动设备。4G 不再使用电路交换服务，而是完全使用分组交换。 2018 年，5G 问世。5G 可以由更多频段支持，包括 24 至 47GHz 的高频毫米波频段。这些更高的载波频率可以提供千兆比特数据服务，但代价是更高密度的基站，以弥补更高无线电频率导致的更短的信号传播距离。移动数据服务真正彻底改变了互联网，使其从“你访问的目标”变成了“你口袋中随时可用的工具”。现在，互联网已成为设备上的一套应用程序，可以随身携带。无论你身在何处，在做什么，都永远可用，永远在线。但这并不完全正确。如果你走到足够偏远的地区或大洋上，联网的种种选择很快就会消失殆尽，只剩下价格昂贵的卫星服务。 卫星网络 这些卫星服务自 20 世纪 60 年代初就开始运营了，但由于发射成本高昂、容量有限以及地面服务提供商的利益竞争，这些服务的运营往往处于不可用的边缘。1990 年代末摩托罗拉公司的铱星项目就是最好的例子，在全部服务卫星群发射之前，这个耗资 50 亿美元的项目就已宣告破产。 星链（Starlink）是卫星服务领域的新人，它使用约 4000 颗近地轨道（Low Earth Orbiting，LEO）卫星的集群，到目前为止似乎突破了这一财务的障碍。Starlink 利用可重复使用的运载火箭、带有转发器阵列的更小（也更轻）的卫星以及新一代的数字信号处理能力，向个人用户零售 100Mbps 或更高的接入服务。 由于卫星轨道较低，Starlink 服务在性能方面能够直接与地面接入服务竞争。引入航天器之间的激光链路则意味着该系统可以在任何地点提供服务。与几十年前的铱星系统一样，限制因素是获得必要的许可，以便在各个国家地区的地理范围内获得客户。 Starlink 在容量、覆盖范围和成本方面无疑是革命性的。问题在于它是否具有足够的革命性，以及它能否扩大规模，为数亿用户提供大容量的服务。目前，这些问题并不容易回答，但近地轨道卫星服务所固有的限制表明，基于地面的接入网络具有潜在的优势。尽管如此，Starlink 正在重新定义许多经济体的互联网接入市场，并设定了其路基竞争对手现在必须要达到的价格和性能基准。基础设施 如果我们把目光从接入网络转移到互联网“核心”在过去 25 年中的变化，那么我们会再次看到巨大的变化。1998 年，互联网是利用电话网络过剩的容量建立起来的。 1998 年，大多数互联网服务提供商的核心基础设施仍然是通过租赁电话中继线路（E-1 和 T-1 线路，然后是 E-3 和 T-3 线路，随着容量需求的增加，是 OC-1 线路）来建立的。从网络中挖掘出更多的容量正变得更加具有挑战性。622Mbps 的 IP 线路也在被部署，虽然其中许多线路是使用 155Mbps 的 ATM 网络线路构建的，它们使用基于路由器的负载均衡，通过四条并行的线路分担 IP 负载。千兆比特的线路也指日可待，1998 年就进行了在 2.5Gbps 的 SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）线路上运行IP的初步试验。 在某种意义上，1998 年是 IP 传输的关键一年。在此之前，IP 还只是电信公司电路交换网络基础设施的另一种数据应用。这种电信基础设施主要是为支持电话而设计和建造的。从模拟语音线路到 64K 数字线路，再到更高速的中继承载网，IP 一直在语音网络的基础设施之上运行。在那时，通信基础设施连接着各个有大量呼叫业务的人口中心。 互联网有着不同的需求。互联网的流量模式与语音流量不同，IP 性能对每一毫秒的额外延迟都很敏感。将互联网限制在语音网络之上的叠加层已显示出紧张迹象，而到 1998 年，情况发生了变化。 互联网开始对传输容量提出更高的要求，网络基础设施进一步发展的驱动力不再是语音，而是数据。继续提供规模日益扩大的语音交换基础设施而仅仅是为了将其重新打包成 IP 基础设施是毫无意义的。所以到了 1998 年，业界开始考虑一个全 IP 高速网络会是什么样子——从光缆中的光子一直到互联网应用的设计，全部都是 IP 网络。 与此同时，随着波分复用技术（Wave Division Multiplexing，WDM）在光纤系统中的引入，光纤系统也在发生变化。使用光电中继器和准同步数字体系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）多路复用器的老式光纤设备允许单对光纤传输约560Mbps的数据。波分复用技术允许一对光纤使用不同波长承载多个数据信道，每个信道支持高达 10Gbps 的数据传输速率。使用密集波分复用（Dense WDM，DWDM）的光纤链路信道容量在 40 到 160 个波长信道之间。 结合全光放大器的使用，光纤系统整个发展过程中最引人注目的部分是，今天能够以与上世纪 90 年代中期 560Mbps 光缆系统大致相同的成本，建造一个总容量为每秒 Tb 级别的光缆系统。这意味着 25 年间光纤性价比提高了 100 万倍。 部署这些大容量 DWDM 光纤系统的动力从来不是基于电话业务的扩展。该行业的爆炸式增长完全是为了支持 IP 网络的需求。因此，毫不奇怪的是，在 IP 网络传输需求不断增长的同时，传输模式也发生了转变，我们不再将路由器插入电信公司的交换设备并使用虚拟的点对点电路来传输 IP，而是开始将路由器接入 DWDM 设备的不同波长信道中，并在互联网的核心部分运行全 IP 网络。 在过去 25 年中，从根本上改变这些核心传输系统的不仅仅是 DWDM。在光纤领域，还有两项具有变革性的技术。首先是光放大器的使用。掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）提供了一种高效的信号放大手段去调制下一级激光驱动器，而无需将信号转换成数字形式再由数模转换器转换回去。这使得光纤系统不需要集成每秒 Tb 级的数字系统就能够支持每秒 Tb 的数据容量。 第二个根本性的变革是信号调制从基本的开/关信号转变为利用信号的相位幅度和极性来增加光纤内波长信道总容量的信号调制技术。这里的关键技术是数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），随着我们对这些 DSP 中导体控制通道（Conductor Track）宽度的技术改进，可以增加单个芯片上门电路的数量，这样就可以支持更复杂的信号操作算法，从而提高 DSP 功能的灵敏度。 2010 年，我们在 DSP 中使用 40nm 轨距硅芯片，支持极化模式正交相移键控（Polarization Mode Quadrature Phase Shift Keying，PM-QPSK），这使得光缆可以在单波长信道中以 100Gbps 的数据速率运行，或在光纤中以 8Tbps 的聚合速率运行。而现在，2023 年，DSP 使用 5nm 轨距，可支持对 190G 波特的基本信号的 PCS-144QAM 调制，进而支持每个波长信道 2.2Tbps 的数据传输速率，或每股光纤 105Tbps 总容量。12 股光缆的总容量能达到 1.2Pbs。 这种高性能的光缆系统通常用于海底光缆系统，以连接各大陆之间的数据中心。在数据中心和其他地面场景中，我们现在使用每波长 200G 和 400G 信道的光纤系统作为通用的技术基础。其主要结果是，传输能力在一般意义上不再是稀缺资源。从任何意义上讲，它都是一种供应丰富的商品 [1] 。无论是短途还是长途，对通信能力进行定量配给都是毫无意义的。 这不仅是通信行业经济框架的重大变化，还改变了我们使用通信的方式。在资源匮乏的系统中，我们倾向于使用“即时”（just-in-time，JIT）式的传输机制，只有在需要时才在通信系统中传输内容；而在资源丰富的系统中，我们可以使用“以防万一”（just-in-case，JIC）式的传输机制，这对互联网的体系结构产生了巨大影响。事实上，在过去的 25 年中，通信基础设施的基础容量得到了非同寻常的提高，这也许是整个互联网格局中最重要的变化。我们在研究内容网络时就会看到这一点。 在网络运营方面，我们看到了一些变革的苗头，但这似乎是一个较为保守的领域，采用新的网络管理工具和实践需要时间。 互联网在 25 年前就统一使用了简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP），尽管它存在安全缺陷、效率低下、使用令人恼火的抽象语法标记（Abstract Syntax Notation One，ASN.1）等缺点，而且还被用于支持某些形式的分布式拒绝服务（Distributed Denial-of-Service，DDoS）攻击，但它仍然被广泛使用。 但是，SNMP 只是一种网络监控协议，而不是网络配置协议，任何尝试过使用 SNMP 进行写操作的人都可以证明这一点。最新的网络配置协议（Network Configuration Protocol，NETCONF）和 YANG（Yet Another Next Generation）模型正试图将这个领域的配置管理转变为比基于命令行（Command-Line Interface，CLI）脚本驱动的交换机接口更有用的东西。 与此同时，我们也看到诸如 Ansible、Chef、NAPALM 和 SALT 等编排工具进入了网络运营领域，允许编排数千个单独组件的管理任务。这些网络运行管理工具在改善自动化网络管理方面迈出了可喜的一步，但离理想的终点还相差甚远。 我们离全自动网络管理框架的理想终点还很遥远。当然，向自适应自主控制系统提供网络基础设施和可用资源，让控制系统监控网络并修改网络组件的运行参数，以持续满足网络的服务级目标，一定是可行的。“驾驶”网络的“自动驾驶汽车”在哪里？也许未来 10 年就能实现。注 释 [1] 译注：本文数次提到的商品（commodity）、商品化（commoditization）等概念是指货物原本具有品牌和独特性的经济价值，最终因市场的充分竞争而消失不见，成为简单商品的转变，是从垄断性竞争到完全竞争的转变。 内容来源｜《中国教育网络》2023年7月刊 编辑｜段文秀 审核、责编｜杨帆 |
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