高性能網(wǎng)絡(luò)研究實(shí)踐與科技創(chuàng)新體會(huì)

◎國(guó)防科技大學(xué) 蘇金樹 劉宇靖

蘇金樹教授

一、回眸互聯(lián)網(wǎng)50年

今年是互聯(lián)網(wǎng)誕生50周年，也是我們國(guó)家進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的第25個(gè)年頭。發(fā)展到現(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間，或者說(shuō)第五戰(zhàn)場(chǎng)空間。50年前互聯(lián)網(wǎng)是只“丑小鴨”，首次實(shí)驗(yàn)非常不成功。在1969年10月29日，加州大學(xué)洛杉磯分校與斯坦福研究所,借助電話線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)剛開始傳了兩個(gè)字符，系統(tǒng)就掉線了。所以，我們要有一種非常寬容的態(tài)度，用開明的管理、開闊的胸襟、開放的氣度去對(duì)待新的事物。因?yàn)橛辛诉@個(gè)實(shí)驗(yàn)，才有了50年之后的今天互聯(lián)網(wǎng)所取得的成績(jī)。

（一）互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷史

從1969年10月29日開始，互聯(lián)網(wǎng)得到迅速發(fā)展。從1969年12月互聯(lián)網(wǎng)前身ARPAnet建起來(lái)，再到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字中心網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)空間一路不停地向前發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中始終蘊(yùn)含高性能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變革，也包含了著名的科學(xué)家、企業(yè)家的貢獻(xiàn)。

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中做出的貢獻(xiàn)著名科學(xué)家和企業(yè)家

上圖中，前兩位是一對(duì)師生，他們發(fā)明了今天我們互聯(lián)網(wǎng)的基本協(xié)議——TCP/IP協(xié)議，第三位是路由器的發(fā)明人，大家家里用的路由器也是屬于這一類，只是電信公司用的路由器比這個(gè)大很多。第四位、第五位是一對(duì)夫婦，他們是斯坦福大學(xué)的兩位教授，他們將路由器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)辦了著名的思科公司。與此同時(shí)，一些著名的企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)軟件上展開激烈的競(jìng)爭(zhēng)，也作出了重要貢獻(xiàn)。比如，Novell Netware曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)，DECnet IV/V一度主導(dǎo)中國(guó)的重要行業(yè)，IBM SAN在關(guān)鍵行業(yè)一枝獨(dú)秀，最后到TCP/IP一統(tǒng)天下。

我把互聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)要?dú)w納為五個(gè)階段：階段一是技術(shù)探索，從1956年到1969年，以ARPAnet的誕生為標(biāo)志；階段二是技術(shù)成型，從1970年到1983年，這一時(shí)期誕生了互聯(lián)網(wǎng)，主要用于支撐學(xué)術(shù)研究；階段三是應(yīng)用推廣，從1983年到1993年，互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化；階段四是互聯(lián)網(wǎng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施階段，此時(shí)WWW流行，大眾成為互聯(lián)網(wǎng)主力，互聯(lián)網(wǎng)變成社會(huì)、軍事、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)；階段五是科學(xué)發(fā)現(xiàn)新模式階段，從2006年至今，互聯(lián)網(wǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展起到了助推的作用。

2017年圖靈獎(jiǎng)獲得者Tim Berners-Lee

在這個(gè)過(guò)程中，既有計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)，也有來(lái)自行業(yè)外部的創(chuàng)新。1989年，歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室Tim Berners-Lee提出WWW超文本系統(tǒng)、相應(yīng)的HTML和HTTP草案，Tim發(fā)明了第一個(gè)web瀏覽器，提出了web的基礎(chǔ)協(xié)議與算法，于2017年4月4日獲圖靈獎(jiǎng)。所以我們?cè)诳萍紕?chuàng)新的過(guò)程中，既要關(guān)注本行業(yè)的創(chuàng)新，也要關(guān)注跨界的創(chuàng)新。

（二）互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的“數(shù)字鴻溝”問題

互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天已經(jīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的部分，從2000年到2010年年均增長(zhǎng)率是445%，這是一個(gè)非常驚人的數(shù)字。

談到互聯(lián)網(wǎng)自然會(huì)談到數(shù)字鴻溝問題，目前對(duì)此問題有兩種不同的觀點(diǎn)，一種認(rèn)為數(shù)字鴻溝會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步貧富加劇，另一種認(rèn)為數(shù)字鴻溝是一個(gè)“早有”和“晚有”的問題。我個(gè)人更傾向后面這種觀點(diǎn)，早擁有的，在某種意義上是在為晚?yè)碛械馁I單?；ヂ?lián)網(wǎng)、智能手機(jī)等都是這樣的案例，比如早期的智能手機(jī)是非常昂貴的，只有少數(shù)人使用，而現(xiàn)在已經(jīng)成為比較廉價(jià)的生活必需品了。預(yù)測(cè)未來(lái)的DNA測(cè)序、電動(dòng)汽車等也都會(huì)如此。

隨著技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)空間相關(guān)技術(shù)的普及率快速上升，這也證實(shí)了前面說(shuō)的數(shù)字鴻溝是一個(gè)“早有”和“晚有”的問題。電話花了70、80年才普及到人口的50%，而現(xiàn)在的手機(jī)不到20年就普及到50%，我們現(xiàn)在用的社交媒體，比如微信，也都是互聯(lián)網(wǎng)的一種應(yīng)用手段，它的時(shí)間就更短，10年都不到。

（三）互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)在繼續(xù)發(fā)展，在探索新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。從互聯(lián)網(wǎng)成型之后，國(guó)際上有了三個(gè)波次對(duì)下一代互聯(lián)網(wǎng)的探索，只是因?yàn)榉N種原因，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的人沒有把它叫做1G、2G、3G、4G、5G，而是把它叫做下一代。第一階段是1996、1997年出現(xiàn)的“下一代互聯(lián)網(wǎng)”和“互聯(lián)網(wǎng)2”計(jì)劃；第二階段是2005年出現(xiàn)的GENI計(jì)劃；第三階段是2010年至2017年出 現(xiàn) 的 XIA、MobilityFirst、Nebula、NDN、ChoiceNet、SCICON等一系列新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究。

（四）我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景

中國(guó)在1993年3月2日接入互聯(lián)網(wǎng)，從1999年開始，國(guó)家863計(jì)劃跨主題專項(xiàng)“中國(guó)高速信息示范網(wǎng)（CAINOnet）”展開對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的研究，研制核心路由器、光交叉互連設(shè)備OXC等，從此開啟中國(guó)研制高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之旅。

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)空間成為第五戰(zhàn)爭(zhēng)域，有四大支柱，分別是無(wú)線電、計(jì)算機(jī)、集成電路以及互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)空間是信息科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用的產(chǎn)物，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)正在以超乎想象的方式改變著全球的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)，以前所未有的方式將人們連接在一起。我們國(guó)家應(yīng)該在這個(gè)過(guò)程中抓住發(fā)展機(jī)遇，以計(jì)算技術(shù)為牽引，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為推動(dòng)力，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等領(lǐng)域新的發(fā)展。

二、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐

互聯(lián)網(wǎng)具有高速度、高復(fù)雜性、高密度的特點(diǎn)，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備及應(yīng)用軟件等3個(gè)部分。在過(guò)去這些年里，我們的研究團(tuán)隊(duì)主要從事互聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備研究，解決來(lái)自四個(gè)方面的挑戰(zhàn)，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)單鏈路速度挑戰(zhàn)，從最開始的10Mbps，到現(xiàn)在的400Gbps，基本上跟計(jì)算機(jī)單CPU性能的發(fā)展速度是一致的；第二個(gè)挑戰(zhàn)是協(xié)議的快速增長(zhǎng)，2000年RFC數(shù)量不到3000個(gè)，到2018年RFC數(shù)量已達(dá)到了8000多個(gè)；第三個(gè)挑戰(zhàn)是安全問題日益突出，例如根據(jù)卡巴斯基提供的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)上惡意軟件的數(shù)量從1998年每天50個(gè)，到2018年每天高達(dá)380,000個(gè)；第四個(gè)挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)容量急速增長(zhǎng)，目前全球有326個(gè)超大數(shù)據(jù)中心，平均每個(gè)數(shù)據(jù)中心約有830條100Gbps出口。

面向這些技術(shù)挑戰(zhàn)，我們開展了高端路由器技術(shù)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、空間路由器技術(shù)等三方面的創(chuàng)新實(shí)踐。

（一）高端路由器技術(shù)

伴隨著網(wǎng)絡(luò)單鏈路速度的發(fā)展，我們研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)接口速率從2.5Gbps到400Gbps的五代高性能路由器，開發(fā)出了nROSE網(wǎng)絡(luò)路由操作系統(tǒng)，也正在研發(fā)網(wǎng)絡(luò)處理器NP等。在這個(gè)過(guò)程中，攻克了許多復(fù)雜性極高的技術(shù)難點(diǎn)，為我國(guó)高性能路由器從無(wú)到有，從有到達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的跨越，作出了突出貢獻(xiàn)。

（二）數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)流量模式發(fā)生了變化。在Client/Server模式下，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流量占80%，外部占20%；在Web 2.0時(shí)代，變成了系統(tǒng)流量有80%是內(nèi)外交互的，而只有20%是內(nèi)部交互的。在云計(jì)算模式下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求是速度更快，容量更大，延遲更小。

云計(jì)算為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)做了很多優(yōu)化，包括鏈路傳輸、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)路由等等，在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)軟硬件方面，我們也開展過(guò)一些實(shí)踐，比如研發(fā)了銀河玉衡InfiniBand交換機(jī)，最大支持384個(gè)端口，交換能力30.72Tbps?；阢y河玉衡IB交換機(jī)，可實(shí)現(xiàn)2PB的分布式存儲(chǔ)，已部署在天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)中。

（三）空間路由器技術(shù)

空間路由器具有鏈路的獨(dú)特性、位置的動(dòng)態(tài)性及資源的受限性的特點(diǎn)。在空間路由器研發(fā)方面，我們也已開展積極的探索工作，初步形成了技術(shù)成果。

總的來(lái)說(shuō)，新一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要點(diǎn)可以概括為：安全為本、移動(dòng)為先、視頻為重、分發(fā)為要、綠色為基。這些特點(diǎn)將指引我們開展更多的創(chuàng)新實(shí)踐。

三、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)律的初步認(rèn)識(shí)

（一）新的發(fā)展定律

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)律，主要有以下四個(gè)：

1、摩爾定律：集成電路規(guī)模每18個(gè)月翻一番。

2、古爾德定律：網(wǎng)絡(luò)帶寬每6個(gè)月翻一番。

3、梅特卡夫定律：網(wǎng)絡(luò)價(jià)值與用戶數(shù)的平方成正比。

4、小世界定律：網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)間的平均距離，隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。

根據(jù)這四點(diǎn)規(guī)律，有國(guó)外專家總結(jié)了互聯(lián)網(wǎng)思維的本質(zhì)就是：指數(shù)增長(zhǎng)、數(shù)字進(jìn)步、組合創(chuàng)新。指數(shù)增長(zhǎng)就是互聯(lián)網(wǎng)世界，或者網(wǎng)絡(luò)空間的計(jì)算技術(shù)與價(jià)格符合摩爾定律，系統(tǒng)的能力會(huì)按摩爾定律增加，而價(jià)格會(huì)相應(yīng)下降。數(shù)字進(jìn)步指一項(xiàng)技術(shù)或者工藝等采用數(shù)字化技術(shù)，帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步。例如傳統(tǒng)加工領(lǐng)域，培養(yǎng)一個(gè)8級(jí)鉗工，需要很長(zhǎng)時(shí)間，但采用數(shù)控機(jī)床，培訓(xùn)時(shí)間大大縮短，水平大大提高。大企業(yè)收購(gòu)小型創(chuàng)新型企業(yè)，并將創(chuàng)新產(chǎn)品融合到大企業(yè)已有的產(chǎn)品體系，就是一種組合創(chuàng)新。

（二）新的變革模式

顛覆性技術(shù)是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動(dòng)力，例如，蘋果逆襲諾基亞、摩托羅拉，Google市值全球第一，“ARM+安卓”在消費(fèi)領(lǐng)域有效顛覆了WinTel聯(lián)盟，占手機(jī)市場(chǎng)80%以上等現(xiàn)象，都說(shuō)明了顛覆性技術(shù)的重要作用。

從全球前100的創(chuàng)新企業(yè)排名來(lái)看，跟互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的企業(yè)是最多的。未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)主要會(huì)來(lái)自于誰(shuí)，是汽車行業(yè)的人還是IT行業(yè)的人，這真是一個(gè)未知數(shù)。所以新的變革模式就需要我們有創(chuàng)新的發(fā)展思維。

（三）新的結(jié)構(gòu)特征

互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的新的結(jié)構(gòu)特征包括以下四個(gè)方面：第一，分布結(jié)構(gòu)，即采用多個(gè)小系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)大系統(tǒng)；第二，扁平結(jié)構(gòu)，即形成網(wǎng)絡(luò)化組織，層次減少；第三，自由尺度，即網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的作用不一樣；第四，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，即節(jié)點(diǎn)間的依賴關(guān)系復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)多米諾效應(yīng)。

這里重點(diǎn)介紹一下分布結(jié)構(gòu)這個(gè)特征。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究人員對(duì)分布結(jié)構(gòu)已十分熟悉了，現(xiàn)在分布結(jié)構(gòu)又出現(xiàn)在了新的領(lǐng)域，比如分布航天，以及美國(guó)海軍提出的分布式殺傷等。在美國(guó)預(yù)測(cè)專家凱文凱利的《失控》一書中提出了“無(wú)中生有”的九律，排在第一位的就是分布式，書中指出：當(dāng)總體大于局部之和時(shí)，那多出來(lái)的部分，就分布在各個(gè)部分之中。當(dāng)我們從無(wú)中生有中得到某物，總會(huì)發(fā)現(xiàn)它衍生自許多相互作用的更小的部件。我們所發(fā)現(xiàn)的奇跡，生命、智力、進(jìn)化等全部植根于大型分布式系統(tǒng)。

（四）新的技術(shù)文化特征

以ITU為代表的通信技術(shù)體現(xiàn)出的技術(shù)文化是精英文化，采用目標(biāo)設(shè)定、技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)、測(cè)試評(píng)估、商用部署的瀑布模型發(fā)展過(guò)程。而以IETF為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則體現(xiàn)出了群體智能文化這一新的技術(shù)文化特征，以不斷循環(huán)前進(jìn)的目標(biāo)設(shè)定、技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)過(guò)程發(fā)展，呈現(xiàn)出螺旋式發(fā)展模型。兩者在各自領(lǐng)域都占有壓倒性的能量。前者在通信領(lǐng)域的設(shè)備廠家表現(xiàn)最為明顯，后者則在互聯(lián)網(wǎng)公司表現(xiàn)更為突出。

互聯(lián)網(wǎng)正以前所未有的速度向前發(fā)展，帶來(lái)了前所未有的發(fā)展能量，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，而蘊(yùn)含的發(fā)展規(guī)律需要不斷地認(rèn)識(shí)、挖掘和分析。