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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