李星：互聯(lián)網(wǎng)未來(lái)最重要的技術(shù)將是IPv6

“基于雙棧的IPv6 過(guò)渡技術(shù)1.0 將演進(jìn)成基于翻譯的IPv6 過(guò)渡技術(shù)2.0。”

李星 CERNET 網(wǎng)絡(luò)中心副主任、清華大學(xué)教授

只有分布式才能產(chǎn)生分組交換的思想

為什么要研究歷史？有一個(gè)說(shuō)法，歷史是重復(fù)的，未來(lái)是一扇門，而過(guò)去是它的鑰匙。把握好“歷史”這把鑰匙，才能打開(kāi)未來(lái)的門，更好地前行。今年不僅是互聯(lián)網(wǎng)（ARPANET）誕生50 周年，也是UNIX 操作系統(tǒng)誕生50 周年和阿波羅計(jì)劃登月50周年，非常值得紀(jì)念。

分組交換思想

互聯(lián)網(wǎng)誕生之前，美國(guó)、蘇聯(lián)、英國(guó)、法國(guó)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有著各自的設(shè)計(jì)思路。從時(shí)間脈絡(luò)看，蘇聯(lián)在和美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)中常常處于超前的位置，而沒(méi)有壓力就沒(méi)有動(dòng)力，ARPANET 在美國(guó)誕生很大程度上是源于這種“壓力”。

冷戰(zhàn)期間，美國(guó)蘭德公司的Paul Baran 提出了新的網(wǎng)絡(luò)思路，以對(duì)抗核打擊為目標(biāo)，要求網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的生存性。1964 年，Paul Baran 提出的分組交換概念給出了三種網(wǎng)絡(luò)模型：中心式（Centralized）、去中心式（Decentralized）和分布式（Distributed）網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。中心式（Centralized）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠更好地安全管控，但為了滿足可生存性的需求，去中心式（Decentralized）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，甚至是完全分布式（Distributed）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最合適，也是最有活力的，分布式拓?fù)洚a(chǎn)生了分組交換的設(shè)計(jì)思想。

圖1 Paul Baran 提出的三種網(wǎng)絡(luò)模型

前蘇聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目——全國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)（OGAS）項(xiàng)目則不同。1959 年，蘇聯(lián)軍方提出“紅書(shū)計(jì)劃”聯(lián)網(wǎng)，1962 年正式提出OGAS 項(xiàng)目。從需求上來(lái)看，全國(guó)性的計(jì)算機(jī)連網(wǎng)對(duì)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的意義比市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)大得多，實(shí)行計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的前蘇聯(lián)比實(shí)行市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的美國(guó)，更需要一個(gè)全國(guó)性的網(wǎng)絡(luò)。OGAS 項(xiàng)目非常宏偉，它的基本思路是，建設(shè)全國(guó)性的網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)。為了滿足這一需求，需要統(tǒng)一管理統(tǒng)一控制，中心式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是最合適的，中心化可以繼續(xù)使用電路交換的設(shè)計(jì)。

由此比較，互聯(lián)網(wǎng)（Internet）和蘇聯(lián)計(jì)算機(jī)網(wǎng)（OGAS）在各個(gè)層面都有很大不同：在網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)上，Internet 屬于開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，OGAS 屬于管制網(wǎng)絡(luò)；在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖希琁nternet 屬于扁平結(jié)構(gòu)，OGAS屬于層次結(jié)構(gòu)；在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，Internet 屬于平等協(xié)作，OGAS 則屬于指令及控制；在網(wǎng)絡(luò)類型上，Internet 采用分組交換，OGAS 采用電路交換設(shè)計(jì)?？梢?jiàn)，只有分布式才能產(chǎn)生分組交換的思想。

盡力而為

除了美國(guó)的Paul Baran，英國(guó)的Donald W. Davies，法國(guó)的Louis Pouzin 也分別提出了相似的分組網(wǎng)絡(luò)的概念。英國(guó)、法國(guó)和美國(guó)一樣，基于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需求，采用分布式無(wú)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)。國(guó)際上因此產(chǎn)生了電路交換和分組交換兩大技術(shù)流派。ATM 試圖將TDM（Time-division multiplexing，時(shí)分復(fù)用）和packet（數(shù)據(jù)包分組交換）形式結(jié)合起來(lái)，效果卻不盡如人意。而Louis Pouzin 提出的Cyclades 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是基于Datagram 的思想：計(jì)算機(jī)不應(yīng)該相信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)不可能完美，也不需要完美，這樣產(chǎn)生了互聯(lián)網(wǎng)的主要設(shè)計(jì)原理：（1）盡力而為；（2）端到端。

互聯(lián)網(wǎng)（Internet）與X.25、ATM等的區(qū)別在于：在網(wǎng)絡(luò)類型上，Internet 采用無(wú)連接分組交換，ATM 等采用虛電路分組交換；在復(fù)雜度上，Internet 是端系統(tǒng)復(fù)雜，ATM 是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜；在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上，Internet 是盡力而為，ATM 等則要保證服務(wù)質(zhì)量；在互聯(lián)互通方面，Internet 比較容易，而ATM 等則比較困難。因此，要進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能，設(shè)計(jì)就一定要簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單才能成功。

OSI 和TCP/IP 之間的選擇也是同樣的道理。OSI 太追求完美，TCP/IP 是大道至簡(jiǎn)。最后，OSI 輸了，TCP/IP 贏了。正如二十世紀(jì)九十年代人們所說(shuō)的：如果OSI 是一個(gè)美麗的夢(mèng)想，那么TCP/IP 正在實(shí)現(xiàn)它。

此外，面臨IP 地址耗盡的情況，在IP 協(xié)議的發(fā)展和選擇中，IPv6 最終成為全球互聯(lián)網(wǎng)的共識(shí)選擇，同樣經(jīng)歷了很多波折。

互聯(lián)網(wǎng)的誕生，像一個(gè)傳奇故事?；仡櫥ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展史，大家會(huì)有這樣一個(gè)共識(shí)：美國(guó)政府其實(shí)從來(lái)沒(méi)有試圖建立現(xiàn)在這樣一張互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的誕生是不同的、往往相互沖突的政府機(jī)構(gòu)所資助的大量不同項(xiàng)目不斷演進(jìn)而來(lái)的，在這之中沒(méi)有理想的、完美的規(guī)劃和方案，是各方博弈的結(jié)果。

圖2 為什么ARPANET（美國(guó)）能最終勝出？

總的說(shuō)來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)（ARPANET）之所以在美國(guó)誕生，有五個(gè)重要因素：創(chuàng)新思想、國(guó)家戰(zhàn)略、充足經(jīng)費(fèi)、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、精英團(tuán)隊(duì)，如圖2 所示。英國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)都具備其中部分要素，而美國(guó)卻擁有全部五點(diǎn)要素，占盡了“天時(shí)地利人和”。中國(guó)錯(cuò)過(guò)了互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初期階段，但在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)誕生50 周年之際，能否把握好時(shí)機(jī)，掌握未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)？希望未來(lái)這張圖能夠重新繪制，中國(guó)可以成為其中的主流部分。

CERNET 建設(shè)25 年的重要時(shí)刻回顧

回顧C(jī)ERNET 建設(shè)25 周年，有很多重要的歷史時(shí)刻。

1996 年2 月，國(guó)務(wù)院令第195 號(hào)《中華人民共和國(guó)計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)國(guó)際聯(lián)網(wǎng)管理暫行規(guī)定》發(fā)布并施行，從法規(guī)的角度授權(quán)了當(dāng)時(shí)中國(guó)的四大互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)的運(yùn)行主體，這一規(guī)定奠定了開(kāi)放和競(jìng)爭(zhēng)的格局，對(duì)于中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展具有極其重大的戰(zhàn)略意義；1997 年，CERNET 開(kāi)通了衛(wèi)星網(wǎng)信道； 2003 年，教育部高校防治“非典”科技攻關(guān)multicast 視頻會(huì)議依托CERNET成功舉行；2006 年，調(diào)查顯示高校綜合實(shí)力與網(wǎng)絡(luò)使用率的相關(guān)性非常高，從側(cè)面驗(yàn)證了CERNET 對(duì)高校綜合實(shí)力水平提高的貢獻(xiàn)。

在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及安全方面，1995 年，中國(guó)第一個(gè)電子刊物“神州學(xué)人”通過(guò)CERNET 刊出；同年，中國(guó)第一個(gè)BBS 站點(diǎn)“水木清華”在CERNET 上出現(xiàn)；“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目（攻關(guān)）期間，CERNET 推出了網(wǎng)絡(luò)指南針、天網(wǎng)搜索引擎等；1999 年，CERNET 網(wǎng)絡(luò)緊急響應(yīng)組CCERT 成立，是中國(guó)第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全事件應(yīng)急響應(yīng)組。

在推進(jìn) IPv6 下一代互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)上，1998 年，CERNET 建設(shè)了第一張IPv6 試驗(yàn)網(wǎng)；2004 年，建成全球第一個(gè)純IPv6 網(wǎng)；在CERNET2 的基礎(chǔ)上，CERNET 研發(fā)了真實(shí)源地址驗(yàn)證技術(shù)、4over6 隧道過(guò)渡技術(shù)及IVI 翻譯技術(shù)，并獲得多項(xiàng)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組織IETF 的RFC 等多個(gè)重大突破。

互聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)：IPv6 從1.0 到2.0

在互聯(lián)網(wǎng)的不同發(fā)展階段，有著不同的代表性技術(shù)熱點(diǎn)。1970 年代，最重要的技術(shù)是NCP；1980 年代，最重要的技術(shù)是TCP/IP；1990 年代，是DNS、BGP；2000 年代，則是HTTP；2010 年后，因受斯諾登事件影響，加密的HTTPS 廣受關(guān)注。而2020 年后，最重要的技術(shù)將是IPv6。這不局限于IPv6 協(xié)議本身，而是基于IPv6，提出新的系列協(xié)議，產(chǎn)生新的應(yīng)用。

圖3 IPv6 過(guò)渡2.0

基于此，我們提出了“IPv6 過(guò)渡2.0”的概念，如圖3 所示。IPv6 會(huì)在2020 年后達(dá)到不同于IPv4 互聯(lián)網(wǎng)的嶄新階段。2010年前是“純IPv4 時(shí)代”，2010～2025 年為IPv4 向IPv6 過(guò)渡階段，2025 年之后為純IPv6 時(shí)代?；陔p棧的IPv6 過(guò)渡技術(shù)1.0 將演進(jìn)成基于翻譯的IPv6 過(guò)渡技術(shù)2.0，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成為經(jīng)過(guò)“翻譯”的IPv4加上新建純IPv6，表現(xiàn)模式為對(duì)外雙棧、功能解耦、階段實(shí)施、保證安全。

未來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)分層模型的不同層級(jí)將有各自的協(xié)議演進(jìn)。在鏈路層，包括以太網(wǎng)（光纖、雙絞線、WiFi 6）、2G、3G、4G、5G、6G 等；在網(wǎng)絡(luò)層，包括IPv4/IPv6，地址，自治域號(hào)碼，路由（rPKI）等；在傳輸層（TCP/UDP），包括TLS、dTLS、BBR、QUIC 等；在應(yīng)用層，則包含HTTP、HTTPS[1.1、2.0、3.0]；域名映射方面，包括DNS、DNSSEC、DOT、DOH 等?；ヂ?lián)網(wǎng)的精髓是大道至簡(jiǎn)，未來(lái)的發(fā)展方向同樣如此。