汪文勇:IP怎么了?
目前,转向IPv6是一个非常明确的方向和目标。回顾IPv6的发展史,上世纪90年代初期IETF提出名为IPng的计划,IPv6是其中的方案之一,经过几年的发展成为标准。IPv6在本世纪初已在我国受到关注和重视,将近20年之后,成为了不可逆转的趋势。这20年其实IPv6走得非常艰辛。为什么会出现这种情况?
汪文勇 电子科技大学教授
自顶向下发展起来的“瘦网胖终端”
IP的发展史是一个自顶向下发展的历史。
以1969年10月29日C.S.Cline在UCLA和斯坦福SRI之间所做实验中记录下的日期为起点,今年是互联网51周年。在此之前, L.Kleinrock、Paul Baran、Donald Davis等互联网先驱的理论研究奠定了互联网非常重要的概念基础:分布式组网和分组交换。
70年代至80年代初期,互联网史上的另外两个重要人物Vinton Cerf和Bob Kahn合作建立了TCP/IP网络结构,IP位于下层物理网络和上层各种应用之间。该结构一个重要的理念是通过中间层协议支持不同网络的应用,提供公共服务。
此外,两位“创始人”还提出网络的作用是尽可能快地进行分组传输,而不做太多可靠性工作。也即进行不确定/不可靠分组交换,尽量把网络简单化。这大大提高了互联网的可扩展性,导致后来互联网飞速发展。
在IP之前的传统网络的特点是:网络很复杂,但终端简单。比如传统的电话交换网络,电话机非常简单。而IP网络的理念则相反,是网络尽量简单,终端可能很复杂,应用、可靠性等都在终端上实现。
这个结构的好处就是网络协议简洁,组网成本低,所以网络扩展性很好,应用承载能力强,可支持丰富多彩的语音、图像、文本、视频等等应用。我们把这种结构称之为“瘦网胖终端”。
在此基础上,最后才进行IP、TCP/UDP协议等各种具体协议的底层实现。所以整个IP互联网的发展史,从60年代初期到80年代,从顶层理念、高层设计到底层实现,是一个自顶向下的过程。
网络结构由“细腰”变成“水桶腰”
如何评价当前的IP互联网发展现状呢?
如果将早期细腰的TCP/IP结构比喻成“小鲜肉”,单一IP协议提供基本的、精练的公共网络服务,目前的IP互联网则由于协议越来越复杂而变得越来越臃肿,已变成一个“中年油腻男”。
网络层除了IP主协议,还添加了大量辅助协议,提供多种网络服务,试图集安全、性能、可靠性和可控可管于一体,导致其变成“水桶腰”。
过去几十年中,IP虽然一直尽心尽力地完成着承上启下的工作,但也面临着质量、寻址、安全、网络管理、新的场景、新的需求等多方面的质疑和考验。
为了解决或者弥补TCP/IP性能、功能、安全性等等问题,我们给IP层增加了许多功能和辅助协议,但如此一来,在IP能力提高的同时,也导致网络层也越来越臃肿,而网络结构也由纤纤细腰变成了水桶腰。
不完全统计,过去几十年IP协议相关的RFC标准数量已经积累到几百个,其中包括基本协议、编址、寻址、路由等等,这就是水桶腰的体现。
不仅如此,互联网正面临一个更严重的问题,可以说出现了“腰椎间盘突出”:因为IPv4、IPv6共存,导致出现两倍数量的服务接口,需要上下层做适配修改。此外,互操作性也存在问题,复杂度进一步增大。可以说,互联网其实是到了“换腰”的时候。
变革也要自顶向下
IP确实需要变革,但关键是从什么地方变?怎么变?IP协议的发展是一个自顶向下的过程,先有基本理念,后有顶层设计,最后才是具体实现。这是一个被证明成功的过程。
因此,某些方案选择更改IP协议的某个字段,或某种地址表达,这种仅在协议上进行的具体实现层面的修改,其实不是真正的变革,没有太大意义。还是要回归本质,自顶向下变革:从顶层理念上提出挑战,至少应该从高层设计开始、在系统结构上解决问题,这才有可能成功。
自顶向下变革的两个典型案例是SDN(软件定义网络)和CCN(内容中心网络),二者是2000年之后对IP协议进行最深刻反思取得的成果。
这些成果中有些非常有用,比如SDN现已广泛运用,有些可能还在研究和实践中。总体上,我们将类似的变革称之为“clean slate”,也即从头开始,就是要自顶向下。
比如,SDN非常重要的一项工作是通过控制器完成各种集中管理和资源配置。
所有的策略问题、路由问题,都通过控制器来解决,控制器维护全局网络视图,网络对于应用程序和用户是一个单一的逻辑交换机。这一思路颠覆了传统IP网络的分布式自组织顶层理念。传统的IP网络是让分布式路由器通过协商来管理路由、策略、组播等。而SDN采取可编程的集中管理完成这些工作,在许多场景中体现出特别的优势。
又如CCN,它提出的挑战直接针对分组交换。
在传统的IP网络中,所传输分组的内容对网络、路由器和交换机没有任何意义,把对网络没有意义的数据以分组的形式传到目的地,这是分组交换的基本思想。CCN反其道而行之,它的基本理念恰恰是关注内容,用户/应用要访问的是具体内容,网络要知道和管理具体内容所在的位置。
当然,SDN和CCN在承载上还是要用到IP,但它们在高层理念上对IP的挑战是明显的。除此之外的其他方案,在理念上对传统的TCP/IP其实并没有形成挑战,诸如我们看到的一些所谓新的IP协议之类,都是在协议细节上、在技术实现层面做些工作,有些工作还非常非常少,看起来都没有太大意义,构不成颠覆IP的态势。
不能“换腰”要“瘦腰”
所以,对“IP怎么了”的回答是:“IP没怎么,IP挺好的,虽然IP目前存在一些问题,需要不断发展演进。”
我们认为比较现实的IP演进之路不是“换腰”而是“瘦腰”,第一步解决“腰椎间盘突出”问题,把双腰变成单腰,实现纯IPv6结构。
不仅如此,还要重新回归简洁,进一步把腰变得更加坚实有力,形成“小蛮腰”。具体有以下几点基本想法:
首先,可以在以太网上做工作,TSN(时间敏感网络)、TTE(时间同步协议)、更高速以太网等。光通信上也可以做很多工作,比如现在光传输的带宽已经非常高,依然发展很快。5G、Wi-Fi6等无线通信技术也都提供很好的物理特性支持。这些底层技术的进步将大大缓解IP面临的压力。
其次,通过SDN或QUIC之类的新协议,让IP层尽可能变得简洁、有力,让网络的开销和成本降下来,然后把具体应用需要的个性化特性往上或者往下放。
譬如,工业互联网目前是一个热门话题。而要实现工业互联网,至少从应用场景上需要满足几个要求:一是高带宽,二是高实时,三是高可靠性。
这些要求通过IP和TCP来做其实都非常难,但TTE可以做到,其做法是提供三种传输模式:TT、BE和RC(数据帧类型)。
TT是一个强调可确定性的一种传输服务,在TT上做了适当的IP封装以后,就意味着IP承载可支持实时业务。此外,TTE还支持所谓安全性(safety),通过一些冗余手段来支持物理网络本身的可靠性,从而上层的IP也获得了可靠性。
以上演进模式提供了解决现有问题的一个有效方案,证明IP是完全可以瘦下来的,IPv6完全可以做成很强壮的小蛮腰。
另一个典型的例子是QUIC(基于UDP传输层协议)。QUIC的思路非常有意思,传统的TCP协议很可靠,但相对于UDP和IP而言十分复杂,效率低,适应性差。
如何能兼有TCP面向连接的可靠性,同时又让其尽可能的高效?
QUIC提供了一个很好的解决方案,它的一个重要理念就是回到“瘦网胖终端”的思路,让终端和应用决定需要和采用什么传输特性。网络不提供统一的传输模式,而是提供选择的可能性,将决定权留给终端,从而最大程度满足应用的个性化需求,同时也简化了网络的复杂度。这就体现出“小蛮腰”的特点。
总之,做小蛮腰需要上层和下层协议来共同支持,而且,如果能充分结合上下层协议的特性,IP协议将变得非常简洁。
最后,想再次强调:IP没怎么了,它非常好,尤其是IPv6。在诞生50年后,当世界完全进入IPv6时代,互联网会焕发“第二春”,请大家继续努力。
(本文整理自电子科技大学教授汪文勇在 “2020全球IPv6下一代互联网峰会”上所做报告)
来源:《中国教育网络》杂志(9月刊)
整理:郑艺龙
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