李星：互联网技术和教育信息化的历史与未来

　　希望到2030年，中国的网络研究者，CERNET的工作者，也能取得世界领先的成果，自豪地说出这句“我们做到了”！

　　——李星

李星 CERNET网络中心副主任、清华大学教授

互联网技术进化：IPv6将成为新热点

　　谁更伟大？科学家还是工程师？

　　对很多领域来说，科学家发现了自然界的规律，而工程师在理解它之后，再依据规律去实现各种工程。这样看来，科学家的角色更重要。

　　但也有一个例外，那就是互联网。因为TCP/IP网络协议是工程师设计的，相当于创造了一个新的定律。实际上，无论是牛顿还是爱因斯坦，科学家们把物理空间中存在的某种规律发现出来，但真正规律的缔造者其实是自然界。而与物理世界相对应，网络则全然不同。在网络的世界中，工程师充当了“自然界”的角色。

　　但比起自然界，工程师创造互联网似乎更难，因为工程师是人，而人对问题的理解力总是有限的。

　　互联网是没有“设计蓝图”的，从诞生之日起，就在一步一步演进，拥有“设计原则”和“技术组件”这两个属性。

　　设计原则

　　互联网的本质是无中心的分布式系统，可以说，这是互联网“以不变应万变”的设计原则。

　　1964年，美国的保罗·巴兰(Paul Baran)提出分组交换概念，其核心就是分布式无中心的拓扑结构。

　　1972年，法国的路易·普赞(Louis Pouzin)提出Cyclades网络结构。他认为，用户终端不应该相信网络是可靠的，因此网络可以不完美(也不可能做到完美)，由此产生了互联网的主要设计原理：尽力而为，端到端。

　　1978年，温顿·瑟夫(Vint Cerf)等互联网先驱将原始的互联网传输控制协议(TCP)的功能分为两个协议：TCP和IP，最终形成了著名的TCP/IP的沙漏模型。

图1 TCP/IP 沙漏模型

　　具体来看，互联网设计原则可以总结如下(详见RFC1958)：

　　1.网络协议必须适应异种机之间的互联；

　　2.依靠标准选择某一个方法；

　　3.具有很好的扩展性；

　　4.找到性能、成本和所能实现的功能的平衡点；

　　5.保持简单性；

　　6.模块化；

　　7.不要等待找到完美的解决方案；

　　8.尽量避免选项和参数；

　　9.在发送时应严格，在接收时应宽容；

　　10.小心处理自己没有请求而收到的分组；

　　11.避免循环依赖性；

　　12.对象应该能够自我描述，必须使用由IANA授权所使用的编码；

　　13.任何协议都应使用统一术语、注释、比特和字节顺序；

　　14.只有当实现了几个能够运行的程序后，Internet的协议才能成为标准。

　　技术组件

　　互联网的“组成模块”是指具体的技术。由于有了不变的设计原则，互联网的组成模块一步一步演进。如果以十年为一个周期，在互联网的不同发展阶段，有着不同的代表性技术热点。

　　1970年代，最重要的技术是NCP；

　　1980年代，最重要的技术是TCP/IP；

　　1990年代，是DNS、BGP；

　　2000年代，WWW出现，最重要的技术则是HTTP；

　　2010年代，因受斯诺登事件影响，加密的HTTPS广受关注；

　　现在是2021年，预计IPv6相关技术模式将成为2020年代，也就是下一个十年的热点。

　　这其中最主要的原因，就是IPv6拥有丰富的地址资源。随着互联网的发展，IPv4的地址枯竭，很多应用受限于IPv4的地址数量。

　　根据美国科学基金会在2016年的一项预测与比较显示：1980年代，每十人平均拥有一台计算机；到2016年，每个人平均拥有十台计算机，而到2051年，大约每个人平均将拥有一千台计算机。

图2 IPv6地址空间

　　如此大量的地址需求给了IPv6大显身手的机会。而当前，我国正加紧推进IPv6规模部署的国家战略，我们能否把握这个难得的机遇，掌握未来的网络核心技术？

　　标准制定

　　信息技术的发展速度非常快，而互联网发展却相对稳定：IPv4形成于1983年，至今变化不大；BGP4确定于1993年，现在仍然在使用，没有出现像BGP5等新版本。这就不像移动通讯领域的2G、3G、4G，到现在的5G，不断更新迭代。这源于TCP/IP等互联网协议的稳定性。在稳定的基础上，才能不断扩大规模，达到全球互联互通。

　　互联网的稳定发展基于互联网标准的制定，标准制定大概遵循以下几点原则：

　　1.开放参与。任何个人都可以向IETF提交标准草案（Draft）。标准决策过程中的多元参与增强了多利益相关方的合法性。例如，业界一直以来提倡的“open source（开放源码）”正是遵循这一原则。

　　2.流程透明。从草案（Draft）到标准（RFC），全程记录邮件收发并公开会议记录。如果你要在互联网上做点事，符合透明开放，就能经得起考验。

　　3.公开发表。通过IETF网站向全社会免费发布RFC。流程透明、公开发表提供了公众监督及问责的机会。

　　4.免费使用。标准制定者自愿放弃专利，免知识产权费。互操作性促进互联网的创新和变革。从专有协议到提供了互操作性的开放的互联网标准，是一场显著的社会技术变革。

　　免费发布和免知识产权费的互联网标准，提供了开放性和互操作性的传统。正是这种始终如一的开放性规则，促进了互联网软硬件创新的飞速发展。

　　同时，互联网标准制定的关键词还有“开放”、“自下而上”、“技术自愿釆用”、“功能互操作性”、“全世界可达”等特性。

　　还有两个关键词非常值得一提，那就是：“能够竞争的时候就尽量竞争”，“只有需要合作的时候才合作”。因为经过竞争打拼出的标准才具备生命力。

　　从互联网发展的历史看，真正的创新需要具备五个因素：“叛逆的思想”、“大的战略背景”、“充足的经费”、“市场经济的驱动”，以及“精英团队”。

教育信息化网络：要留足创新空间

　　架构设计

　　在《教育信息化中长期发展规划（2021-2035年）》和《教育信息化“十四五”规划》的编制过程中，我们总结出新一代教育信息基础设施架构，其设计包含的元素有“两个设施，三个平台，两个体系”。

图3 新一代教育信息基础设施架构

　　在最底层是以“TCP/IP”为基础的网络基础设施，其上是以云服务为代表的数据服务设施，它们通过技术的整合和演进为上层平台提供越来越强的通讯能力、计算能力和存储能力。在支撑运行体系和绿色安全体系的赋能之下，全面支持科研平台、教学平台和创新平台这三大应用平台的建设和发展。

　　这三个平台采用“网络切片(专网)”的设计理念。专网的特性有：统一和分级管理的TCP/IP网络，统一分配的IP地址，统一管理的域名，保证网内信息传输的服务质量，与公众互联网之间设立明确的管理边界。

　　但专网并不封闭，用户可通过专网接入公网，访问到合适的网络资源；同时，又可以拥有一个独立于公网的“空间”，为利用网络自主创新提供条件。

　　发展趋势

　　网络发展，特别是教育网络信息化的发展，预计将呈现以下趋势：

　　首先，专网和公网融合。疫情期间，大规模的“停课不停学”居家学习，让我们更加深入思考教育专网的内涵。未来，教育专网应该是无处不在的，专网和公网的融合是大势所趋。

　　网络和数据融合。未来网络基础设施和数据服务设施之间的交互会加强。

　　现实和虚拟融合。当前的热点“数字孪生”(DigitalTwin)，就是以数字化方式，对某一物理实体进行虚拟仿真。

　　此外，教学和科研融合，科研和创新融合。这和教育信息基础设施架构所提到的科研平台、教学平台和创新平台相一致。

　　最后，还有科学和人文融合，历史和未来融合，学校和社会融合，中国和世界融合等趋势。尽管当前我国面临着严峻复杂的国际变局，但考虑到“构建人类命运共同体”等政策方针，教育网络的全球化发展仍然不可逆转。

　　衡量指标

　　在疫情防控的实践应用中，我们总结出新一代网络基础设施需要具备的三个特性：

　　1.“服务质量可测性”，包括实时应用支持、自动调度等；

　　2.“安全风险可控性”，既能合规，又能发展；

　　3.“应用演进可行性”，也就是要留足可演进、快速迭代的空间。

　　而新一代教育信息化中的网络基础设施有如下衡量指标：

　　1.优于公网的访问质量，尤其是访问科学数据库、教育科研信息相关资源；

　　2.体现教育网的特殊性，拥有公网无法访问的信息资源；

　　3.超高性能信息传输，包括高性能计算(High Performance Computing，HPC)等；

　　4.开放的创新环境，包括创新项目、教育专网(大学)、开源信息共享等，一定要给大学校园提供创新的空间。

教育信息化应用：遵循三个准则

　　教育信息化从某种意义上看，比做网络还要难。供求不对称可能是系统开发中最大的问题。

　　中国有一句老话，叫做“知难行易”，用户常常对于信息系统的真实需求描述不清。用户真正想要什么？系统的开发者能不能领会他的需求？

　　对信息系统开发制作，我的三准则是：历史记录、进化空间、学习曲线。每一个准则都需要回答一个拷问。

　　历史记录

　　10年，100年后，1000年，10000年……后的考古学怎么看现在？

　　在考古界和人类文明史中，有“缺失的链环(Missing Links)”这样的描述。比如，鸟类，大家认为是从恐龙进化而来的，但很少找到化石。在这个进化过程里，发生过的环节消失了，不留痕迹。

　　人类进入计算机时代后，随着存储设备的升级，软件的版本更新，很多历史记录无法再读取或运行，“缺失的链环(Missing Links)”现象更加广泛存在。这意味着可能目前所有互联网上的内容都会变成“缺失的链环”，很难想象未来的考古学家面对这种情况会做出何种反应。

　　在学校的信息化中，这种情况也处处可见。比如学校的网页，我们还能找到过去某个时刻的网页情况吗？可能很多学校都找不到了。做好教育信息化应用，一定要注重历史记录，要对得起历史。

　　IETF的RFC、HTML、TeX、UNIX等都是较好的注重保存历史记录的信息系统设计案例。我们由此总结出应用系统的框架设计思想：简化最常见的任务，让不常见的任务不至于太麻烦。很多时候人们花了很多时间却抓不住重点，因为他们想取悦所有人。但关键在于我们不可能取悦所有人，只能明确哪些人最重要；只为80%设计；给内容创建者最大的权利；默认设置智能化。

　　而如果信息系统的设计面临矛盾的话，要遵循这样的优先级：用户第一，文档的作者第二，程序员第三，标准第四，理论的完美性排在第五。无论何时，用户的优先级是最高的。

　　真正好的信息系统一定是顶尖的人写的。在一流大学，信息系统使用者是一流的学者和学生，如何为他们提供好用的信息系统？如何创造出用户喜欢的产品？

　　答案有：从制造简洁的产品入手；保证自己愿意使用；设置默认值，而不是限制用户使用；无论何时，都要使用自己的软件。

　　微信创始人张小龙说的一句话，我非常认同，他说：如果解决方案非常复杂，那一定是问题错了。真正好的应用，解决方案一定是优雅简单的。

　　进化空间

　　有没有做与当前主流不符合的研究的空间？能不能在大家都不看好的时候就能专注一项研究？

　　以IPv6过渡技术实践为例。2017年底，中共中央办公厅、国务院办公厅发布了《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，提出大规模部署IPv6的国家战略。

　　但IPv6过渡技术实践之路却并非一帆风顺。当年，纯IPv6网络、IPv4/IPv6翻译的技术路线并未得到足够认可，无论从IETF的技术建议还是各国政府的政策都是双栈模式。

　　有意思的是2020年，美国管理和预算办公室（OMB）发布了IPv6部署和使用指南。尽管指南比中国的IPv6规模部署行动计划晚了不少，但它却明确提出，双栈模式未来将难以维护，要向纯IPv6网络迁移。现在回头看，纯IPv6是未来的必然趋势。CERNET从一开始就顶着各种非议一直坚持纯IPv6网络的建设，这一步无疑是走对了。

　　这就说明了，互联网技术发展的速度比任何政府能够控制的都要快。这也同样带给我们启示：一方面，做研究、做战略要有超前的眼光；另一方面，要有自主创新的空间，能跟得上网络技术发展的脚步。

　　学习曲线

　　需要重新学习另一种技巧，而不是新的知识和智慧吗？

　　我们需要思考的是，在信息系统、软件的迭代更新中，用户为达到同样的目的，是需要浪费时间学习另一种“技巧”，还是真的在学习新知识、新智慧？

图4 人类文明金字塔

　　在代表人类文明的金字塔中，从下往上，依次是“数据”、“信息”、“知识”，最顶层是“智慧”。目前来说，教育信息化处理数据没问题、处理信息也没问题，但能否处理知识、智慧？还是一个问号。

掌握核心技术要重视基础研究

　　目前，教育网的蓝图中有四张网：CERNET、CERNET2、FITI和教育专网。令人振奋的是，其中至少有三张网已经落实。除CERNET（IPv4）、CERNET2（IPv6）外，未来互联网试验设施FITI（Future Internet Testing Infrastructure）也可以称为CERNET3，已进入建设阶段。

　　与CERNET、CERNET2以学校为接入单位相比，FITI还有一个新特点，就是能延伸到实验室，延伸到院系，延伸到教研组，更好地进行创新。另外，教育专网建设方案正处于审批流程中。

　　从互联网技术和教育信息化的发展历史来看，如何才能掌握互联网核心技术，是一个经久不衰的话题。回顾CERNET的发展历程，我们会明白这样一个道理：要注重基础研究，只有注重基础研究才会产生伟大的想法；也只有基础研究才能产生大师级的人物。希望CERNET，CERNET2，FITI（CERNET3）这三张网能创造这样的环境，让伟大的想法和伟大的人物诞生。

　　在CSNET举办的亚洲接入互联网35周年纪念座谈会上，有互联网先驱指出：

　　TCP/IP和Unix在一开始都不是明显的赢家；网络的国际需求强劲，但费用、电路稀缺等因素障碍了相关进展；另外，由于美国政府的参与，将非美国机构连接到网络需要政策审查，等等。

　　总之，将互联网接入国际的过程非常不容易，但如今回顾历史，他们却可以自豪地说出“And yet——We did it！（我们做到了）”！

　　这也是我对中国互联网研究的期盼，希望到2030年，中国的网络研究者，CERNET的工作者，也能取得世界领先的成果，自豪地说出这句“我们做到了”！

　　本文根据李星教授的报告《历史和未来：互联网技术和教育信息化》整理。

　　整理、责编：项阳