計算機網絡發展歷史與展望

​引言

雖然計算機網絡僅僅經歷了幾十年的發展歷程，但現如今它已經成為了人們生活中不可或缺的一部分，甚至是國民經濟、國家安全中至關重要的一個環節。因此本文針對計算機網絡的發展進行介紹，一方面回顧其發展歷史，另一方面也介紹了在未來網絡架構領域幾個重要的研究成果，以期對讀者有所幫助。

一、計算機網絡的發展歷史

1. 互聯網的前身

早在1960年以前就已經出現了通信網絡，也就是電報網絡與電話網絡。當時這兩種網絡採用電路交換技術進行通信，主要特點是通信速率較為固定。然而這種技術有一個較大缺點，以電網網絡為例，用戶在使用電路交換技術進行通話時，通話的雙方總是一方在講話，另一方在聽話，聽話的一方即使沒有說話也會佔用通信信道，而且通信的過程中會有停頓，因此這種通信方式效率較低。

電話網絡

為了改善通信效率，包交換網絡技術於1961年首次被麻省理工學院的Leonard Kleinrock提出，後來的計算機網絡採用的就是包交換網絡技術。包交換網絡技術的本質是將所需要傳輸的數字化信息按照一定長度進行“分組”並“打包”，每一個“包”上帶有地址信息與控制信息。這些“包”通過“存儲—轉發”的方式進行發送，如果信道未被佔用就會傳輸，因此並不會長時間佔用通信信道，大大提升了通信效率。

分組交換理論

到了20世紀60年代中期，由於各個研究機構中的大型計算機均處於孤立狀態，不能相互通信，而且不同廠商生產的計算機不能進行信息交互，因此美國國防部下屬的高級研究計劃署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）就開始試圖尋找一種方法使計算機能夠互聯互通，從而便於學者分享他們的學術研究成果。

在1967年的美國計算機協會（Association for Computing Machinery，ACM）會議上，ARPA提出了ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network）的想法從而解決使計算機互聯互通。具體來說，該想法是將來源於不同生產廠商的計算機與一種特殊的計算機相連，這個特殊的計算機被稱為接口信息處理器（Interface Message Processor，IMP）。IMP之間可以相互通信，並且IMP也可以與其相連的計算機通信。

ARPANET

​到1969年，ARPANET被成功開發。分別位於加州大學洛杉磯分校、加州大學聖巴巴拉分校、斯坦福研究院與猶他大學的四個大型計算機通過IMP組成了小型計算機網絡，並且使用了名為網絡控制協議（Network Control Protocol，NCP）的通信協議。

2. 互聯網的形成

1972年，ARPANET項目組中的兩個核心成員Vint Cerf與Bob Kahn開始合作研究互聯項目（Internetting Project），該項目的目的是將不同的計算機網絡進行互聯，從而使位於不同網絡中的計算機能夠通信。然而在研究過程中，他們需要克服很多網絡間的不兼容問題，例如不同的數據包大小、不同的數據接口、不同的傳輸速率以及不同的數據可靠性需求等。為此，Vint Cerf與Bob Kahn提出了網關的概念，從而作為不同網絡間的數據傳輸媒介。

互聯項目

TCP/IP協議

Vint Cerf與Bob Kahn於1973年發表了一篇里程碑式的論文，在該論文中他們概述了端到端的數據傳輸協議，即傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）。這篇關於TCP協議的論文提出了封裝、數據報等概念，並且明確了網關的概念與功能。在1977年10月，一個由ARPANET、無線電分組交換網絡（Packet Radio）與衛星信包網（Packet Satellite）組成的計算機網絡成功進行了通信實驗，由此不同網絡間的通信成為了可能。

不久以後，美國政府決定將TCP協議分成兩個協議，分別是傳輸控制協議（TCP）與互聯網協議（Internet Protocol，IP）。IP協議主要負責數據報的路由，而TCP主要負責更高層的功能，例如分段（Segmentation）、重組（Reassembly）與差錯檢測（Error Detection）。由此就產生了我們熟知的TCP/IP協議。

1981年在美國國防部的資助下，加州大學伯克利分校更改了UNIX操作系統，將TCP/IP協議納入其中。這一舉措大大促進了網絡互聯的進度。1983年，美國政府決定拋棄原有的ARPANET協議，正式使用TCP/IP協議作為官方通信協議。此後，只要想通過使用互聯網接入位於不同網絡中的計算機就必須使用TCP/IP協議。

MILNET

1983年，ARPANET被分成兩個網絡，一個是軍用網絡（Military Network，MILNET），主要服務於軍隊用戶，另一個是ARPANET，主要服務於普通用戶。

CSNET

在互聯網的發展歷史中，另一個里程碑是1981年問世的計算機科學網（Computer Science Network，CSNET）。CSNET由美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）資助建立，當時該網絡由於沒有與美國國防部建立合作關係，因此並沒有加入ARPANET。又過了幾年，由於大多數美國高校都成立了計算機科學系，這些高校相繼接入CSNET。與此同時，其他科研機構與公司也都使用TCP/IP協議組建計算機網絡並實現網絡互聯。至此，互聯網（Internet）這一源於美國政府資助網絡互聯項目成為了所有使用TCP/IP協議的計算機網絡的代名詞。

NSFNET

鑑於CSNET的成功，NSF於1986年資助建立了國家科學基金網（National Science Foundation Network，NSFNET），該網絡作為骨幹網連接了美國國內五個超級計算機中心。NSFNET允許各個社區的網絡接入其中，因此它可以使整個美國進行互聯。在1990年，ARPANET正式退役並且被NSFNET取代。1995年又重新成為了主要服務於美國科研機構的網絡。值得一提的是，NSFNET採用了三級網絡架構，即主幹網、地區網與校園網，該架構為現在的網絡建設提供了重要參考。

NSFNET

ANSNET

在1991年，美國政府認為NSFNET不能支持快速增長的網絡流量。由此IBM、Merit與Verizon三家公司聯合建立的一個非盈利機構，即Advanced Network & Services（ANS），該機構建立了一個新的高速主幹互聯網，被稱為先進網絡服務網絡（Advanced Network Services Network，ANSNET）。

3. 今天的計算機挽留過

現如今，計算機網絡被分成多個商用主幹網，由不同的網絡服務供應商（Internet Service Provider，ISP）來運營，並形成了多層級結構。與此同時，互聯網應用也層出不窮，包括萬維網、多媒體、網絡遊戲、社交網絡、在線支付等。

二、計算機網絡的發展展望

隨著計算機網絡的規模與用戶數量不斷增長，以TCP/IP協議為基礎的計算機網絡體系結構逐漸暴露出了諸多弊端，這些弊端大致可以分為四個方面，具體描述如下：

（1）安全性

計算機網絡在設計之初，僅僅考慮了端到端之間的數據通信，並沒有將信息的安全性融入計算機網絡的設計理念之中。又由於計算機網絡的開放性，任何人可以在隨心所欲地接入計算機網絡，因此現如今計算機網絡安全事件頻發，網絡攻擊的手段也多種多樣。

（2）移動性

隨著智能終端設備的小型化，以及無線通信技術的發展，計算機網絡不僅要處理固定終端產生的數據，還要處理與移動終端相關聯的流量。然而TCP/IP本質上難以應對移動終端帶來的諸多問題，例如終端IP的頻繁變化、移動環境下數據錯誤率較高等問題。

（3）可擴展性

隨著電腦、手機、平板等智能終端的價格降低，越來越多的設備接入到了計算機網絡中，這就導致IPv4地址資源嚴重不足，難以滿足互聯網更大規模的發展。

（4）節能性

節能環保是計算機網絡面臨的又一難題。2005年，谷歌公司的一位工程師曾提出，公司用於維持電腦運行的電費開支比購買電腦硬件本身更貴。由此如何降低互聯網耗電量，提供互聯網能源利用率成為了網絡技術研究中一個重要課題。

為了解決上述難題，學術界與工業界提出了多種方案，例如MobileIP、IPSec、NAT、QoS保障機制等。同時，也有一部分學者提出需要重新設計計算機網絡架構，以從根本上解決上述難題。具體來說，目前較為熱門的新型計算機網絡架構如下：

軟件定義網絡

軟件定義網絡（Software-Defined Network，SDN）是在2006年由斯坦福大學Clean State研究組提出的一種新型網絡體系結構。SDN的主要特點是分離了網絡的控制層面與數據層面，通過控制層面集中控制數據層面的數據轉發，從而使網絡流量的控制更加靈活。

SDN體系結構共包括應用層面、控制平面與數據層面。數據層面由路由器、交換機、主機等網絡通用硬件設備組成，各個設備之間根據控制層面的指令構建數據連接；控制層面主要包含SDN控制器，該控制器不僅存儲了全局網絡信息，同時也負責制定數據轉發規則並下發控制指令，主要使用的協議是OpenFlow；應用層面負責管控豐富多樣的網絡應用，網絡用戶無需關心底層細節就可以進行網絡編程與應用部署。

SDN

信息中心網絡

信息中心網絡（Information-Centric Network，ICN）完全顛覆了以TCP/IP為基礎的互聯網設計理念。ICN直接對所傳輸的數據或需要獲取的信息進行命名，並以此來進行數據的收發，由此大大降低了網絡對IP地址的依賴程度。同時ICN還設計了分佈式緩存機制，即網絡內的路由器與主機等網絡設備均會緩存它們所傳輸的數據，從而提高數據分發效率。

智慧協同標識網絡

智慧協同標識網絡（Smart Identifier Network，SINET）是由我國北京交通大學張宏科教授及其研究團隊自主研發的新型網絡體系。SINET的相關研究兩次獲得了我國973計劃的資助。

SINET架構由三個層次組成，分別是智慧服務層、資源調度層與網絡組件層。智慧服務層主要負責管理網絡中的網絡服務，包括視頻、語音、文本、及時聊天等。網絡組件層負責管理網絡中的硬件設備，包括主機設備、路由器、網關等。資源調度層則負責動態調度網絡組件層的網絡組件，來滿足智慧服務層的網絡服務需求。此外，SINET分別在智慧服務層、資源調度層與網絡組件層採用服務標識、族群標識與組件標識來標記不同的網絡實體。

SINET