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网络技术新魔法

发稿时间: 2021-09-03 14:50 来源: 作者:高阳 2021-09-03

编者按:1895年12月28日,巴黎街头的一家咖啡馆门外人头攒动,人们正在等待一场神秘的展览开幕。这场展览的发起人许诺,观众只需花1法郎便可亲眼见证人类历史上首批“活动的照片”。

这是一件注定被载入人类文明史册的事情,来自里昂的卢米埃尔兄弟用自制的手摇电影机,在巴黎萧达17米的月台上拍摄了一段只有50秒的默片,名叫《火车进站》。

这是人类历史上电影的首次放映,也是人类电影放映史上的首次骚乱——《火车进站》描述的是一列正在进站的火车。然而,并没有人向第一批观众发出警告。拥挤成一团的观众们以为这列火车将会驶出屏幕,把他们撞得血肉横飞。

于是,观众们跌跌撞撞,发疯似的冲向出口。灯光亮了起来,一大群人挤在狭窄的楼梯上。看着完好无损的咖啡馆,众人惊呼“这是魔法”。

像是1492年哥伦布第一次将镜子带给美洲大陆的原住民时,土著首领嘟囔的词语一样,人类在面对自己无法理解的新事物时,总倾向于将其归类于那个虚无缥缈却又新奇不已的词汇——魔法。

01. 巴别塔的倒掉

《圣经·旧约·创世记》里的"巴别塔"讲述了语言多样性如何消解人类生产力的故事,而上世纪50年代末说着不同语言、拥有着不同意识形态的两大阵营,却在政治、经济、军事等方面上演着真实版的巴别塔。

在苏联接连完成“一弹一星”的目标后,山姆大叔对苏联的绝对战略优势不复存在。这也使美国上下则形成了必须迎头赶上的共识,受此推动,在1958年一年内,美国政府着手创建了两大机构——美国国家航空航天局(NASA)和美国国防部高级研究计划署(DARPA)。

前者是为了发展航空航天技术与苏联直接竞争,后者用以研究万一遭受苏联核打击的应急技术准备,而基于分组交换、用以强化通信系统"自存活"能力的高级研究计划局网(Advanced Research Projects Agency Network,简称ARPANET,阿帕网)就是DARPA支持的一个项目。

这个早期的分组交换网络,成为了互联网(Internet)的前身,也成为了推倒巴别塔的第一根“楔子”。

而第二根“楔子”,则是TCP/IP协议。

70年代,大量新的网络已经开始出现,包括计算机科学研究网络、加拿大网络、因时网和美国国家自然科学基金网络。

但是阿帕网无法做到和其他计算机网络的交流,而随后的实验也验证了现有阿帕网协议并不适合跨越多个网络运行,这个结果触发了更多有关协议的研究工作,并最终发明了“传输控制协议”(TCP,Transmission-Control Protocol)和“因特网协议”(IP,Internet Protocol),即TCP/IP模型和协议。

TCP/IP协议很好地解决了“因有着不同的网络结构和数据传输规则而造成的连接通信障碍”的问题,里程碑似地建立了网际间的开放互连模型,统一了网际间的交流语言,进而为真正互联网的诞生打下了技术基础。

TCP/IP协议像是解开封禁“全球化”的魔棒一样,开始在网络中轻轻挥舞。

02. 魔棒的进化

1977年11月22日,一辆载有一个无线传输器的厢式货车沿着旧金山南部某处的一条公路行驶,它发出了一个数据包信号,这个信号将在无线网络和阿帕网之间传输,同时它还将在一个卫星网络上传输,这个网络将阿帕网与欧洲连接到了一起。

这个信号从加利福尼亚州跳跃到波士顿,然后又传输到挪威和英国,接着回到西弗吉尼亚的一个小镇,最后回到了加利福尼亚州。这次试验使得TCP/IP协议首次在三个独立的计算机网络之间完成了信号传输,行程9.4万英里,没有丢失一个比特!TCP/IP协议的技术能力得以证明。

“那是真正的互联网活动。”

为了推广TCP/IP协议,美国国防部高级研究计划署以低价出售TCP/IP的方法,并资助BBN公司和加州大学伯克利分校,以推动将BBN公司开发的TCP/IP加入BSD UNIX操作系统。BSD(Berkeley Software Distribution,伯克利软件套件)是Unix的衍生系统,BSD UNIX当时在多数大学中流行,它由加州大学伯克利分校开发和发布。计划署的目的很简单,就是要让TCP/IP借势进入主流。

事实证明,TCP/IP与流行操作系统Unix的结合是其成功的一大源泉,这也是美国国防部的高明之举。

1983年,伯克利推出内含TCP/IP的第一个BDS UNIX,项目组用一种新的编程接口重写了TCP/IP,这个编程接口就是随着Berkeley UNIX4.2BSD一起发布的著名套接字(socket),他们还编写了许多应用程序、工具以及管理程序,以便展示通过套接字使用网络有多么的容易。由此,TCP/IP逐步升级为主流网络协议。

接下来,大一统时刻到了。

根据美国国防部长办公室的"命令",1983年1月1日接入远程网的所有计算机都必须采用TCP/IP,NCP将被停止使用。

至此,这个以阿帕网为主干网的网际互联网被冠以Internet之名登上历史舞台,而TCP/IP协议也正式完成了自己的进化,成为了唯一。

03. 魔棒之短

1988年Internet开始对外开放。

1991年6月,在连通Internet的计算机中,商业用户首次超过了学术界用户,这是Internet发展史上的一个里程碑,一年后Internet开始进入商用。

从此Internet成长速度一发不可收拾。

然而,随着用户的爆发式增长,负责消除各个网络终端差异性的魔棒——“网络协议”——却露出了它的短板。

1981年诞生的IPv4(Internet Protocol version 4,第4版互联网协议)地址有32位,总容量为43亿。从上世纪80年代起,IPv4 地址消耗的速度超出了人们的预期。

随着IANA(Internet Assigned Numbers Authority,因特网编号分配机构)把最后5个地址块分配出去,IPv4主地址池在 2011年2月3日耗尽。

2019年11月25日15:35, 随着欧洲地区的最后一块掩码长度为22bit的公网地址被分配出去,全球所有的IPv4公网地址耗尽。

虽然有NAT-PT(Network Address Translation - Protocol Translation,网络地址转换 - 协议转换)等技术使得人们可以通过复用私网地址网段来缓解公网地址耗尽的问题,但使用NAT只能治标,并不能治本。

“IP地址用完的影响不会马上显现。”

但当IP地址用完后,如果互联网终端用户持续暴增,网速可能变得极慢。

此外,IP地址资源的紧缺与各国加速争抢会形成恶性循环,未来企业获得IP地址的成本会越来越高。而这部分成本,最终会由终端用户买单。

谁能成想,当初推倒巴别塔的楔子,如今会成为重起巴别塔的第一块砖。

04. 替代品的尴尬

一寸长,一寸强。

因此,现在人们纷纷把目光转向新一代互联网通信协议IPv6。

IPv6作为IPv4的下一代协议,它的提出旨在解决IPv4地址空间受限和可扩展性不足这两个主要问题。

为此,IPv6做了一些改进。

一方面,IPv6扩展了地址空间。与IPv4的地址长度只有32 bit相比,IPv6的地址长度是128 bit,这就提供了非常大的地址空间,甚至可以为地球上的每一粒沙子分配一个IPv6地址,有效地解决了 IPv4 地址空间不足的问题。

另一方面,IPv6设计了扩展报文头机制。扩展报文头的设计给IPv6带来了很好的可扩展性和可编程能力,比如,利用逐跳选项扩展报文头可以实现IPv6逐跳数据的处理,利用路由扩展报文头可以实现源路由等。

然而一晃20多年过去了,IPv6始终发展得不温不火,直到最近几年,由于技术发展和政策等原因,运营商才开始加速部署IPv6网络。

回顾历史,IPv6发展不顺主要有两方面原因。

图片不兼容IPv4,网络升级成本高。

IPv4的地址长度只有32 bit,而IPv6的地址长度是128 bit。虽然地址空间得到了扩展,但是IPv6无法兼容IPv4,使用IPv6地址的主机无法和使用IPv4地址的主机直接互通,这就需要设计过渡方案,导致网络升级成本大。

图片业务驱动力不足,网络升级收益小。

除了升级成本高之外,业务驱动力不足和网络升级收益小其实也是IPv6发展缓慢的重要原因。一直以来,IPv6的支持者都在宣传128 bit的地址空间可以解决IPv4地址耗尽的问题,但是解决IPv4地址耗尽的方法并不是只有IPv6,还有NAT等技术。NAT是现在解决IPv4地址不足的主要手段,通过使用私网地址和NAT,IPv4 地址资源不足的问题得到了暂时的缓解,而且并没有影响到网络业务的发展。

部署 NAT的成本也要比升级到IPv6网络的成本低。

已有的业务在IPv4网络中运行良好,升级到IPv6网络也不会带来新的收入,这就是运营商迟迟不愿升级到IPv6网络的主要原因。

因此,解决IPv6发展缓慢问题的关键在于找到IPv6支持而IPv4不支持的业务,从而通过商业收益驱动运营商升级到IPv6。

05. 新贵登场

2013年,思科公司提出了Segment Routing协议。

即在已有网络的基础上进行演进式的扩展,提供了网络编程能力。

Segment Routing是一种源路由协议,支持在路径的起始点向报文中插入转发操作指令来指导报文在网络中的转发,从而支持网络可编程。

Segment Routing的核心思想是将报文转发路径切割为不同的分段,并在路径的起始点往报文中插入分段信息指导报文转发。

这样的路径分段被称为“Segment”,并通过SID(Segment Identifier,段标识符)来标识。目前Segment Routing支持MPLS和IPv6两种数据平面,基于MPLS数据平面的Segment Routing被称为SR-MPLS,其SID为MPLS标签;基于IPv6数据平面的Segment Routing被称为SRv6,其SID为IPv6地址。

随着5G和云业务等新业务的兴起和网络编程技术的发展,业务要求网络的转发平面有更强的可编程能力,同时需要更简洁的融合网络解决方案。在这种背景下,SRv6应运而生。SRv6是一种基于IPv6数据平面实现的SR网络架构,支持在头节 点插入转发指令指导数据报文转发。SRv6结合了SR-MPLS头端编程和IPv6报文头可扩展性两方面的优势,让人们看到了IPv6的转机。

5G改变了连接的属性,云改变了连接的范围,它们为SRv6技术的发展带来了最好的机会。

IP承载网的本质就是连接。因为5G业务的发展,对于网络连接提出了更多的要求,例如更强的SLA保证、确定性时延等,改变(或者说是增强)了连接的属性,需要报文携带更多的信息,通过SRv6扩展可以很好地满足这些要求。因为云业务的发展,处理业务的位置更加灵活多变,而一些云服务(如电 信云业务)进一步打破了物理和虚拟的网络设备的边界,使得业务与承载融合在一起,这些都改变了网络连接的范围。

SRv6业务与承载的统一编程和Native IP属性,都使得它能够快速建立连接,满足灵活调整连接范围的需求。

SRv6网络编程标准文稿提出不过两年多的时间,SRv6已经被部署到多个商业网络中,发展速度之快在IP技术的发展历史上并不多见。

在推动SRv6创新和标准化的过程中,华为与业界专家进行了广泛的交流,对互联网技术发展历史上的经验教训进行了很多反思,因此对于SRv6的价值和意义也有 了更进一步的认识。IPv6这20多年的发展历程证明,仅仅依靠地址空间的需求难以推动IPv6的规模部署。而SRv6技术的快速发展说明了通过新业务的需求引导可以更好地促进IPv6的发展应用。

历史的经验告诉我们,一项技术或产业能够得到超常规的快速发展,往往离不开"需求"二字。

而正在飞速发展的5G技术,则为SRv6施展它的新魔法提供了"流淌着奶与蜜"的应许之地。

也许,5G和SRv6再也不会要我们“跌跌撞撞,发疯似的冲向出口”,但是随着诸如Cloud VR等应用的普及,我们和先辈那般喊出“魔法”二字的日子,或许不远了。

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数字科技,让非遗文化在传承中焕发生机

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