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網絡技術新魔法

發稿時間: 2021-09-03 14:50 來源: 作者:高陽 2021-09-03

編者按:1895年12月28日,巴黎街頭的一家咖啡館門外人頭攢動,人們正在等待一場神秘的展覽開幕。這場展覽的發起人許諾,觀眾只需花1法郎便可親眼見證人類歷史上首批“活動的照片”。

這是一件注定被載入人類文明史冊的事情,來自里昂的盧米埃爾兄弟用自制的手搖電影機,在巴黎蕭達17米的月臺上拍攝了一段只有50秒的默片,名叫《火車進站》。

這是人類歷史上電影的首次放映,也是人類電影放映史上的首次騷亂——《火車進站》描述的是一列正在進站的火車。然而,并沒有人向第一批觀眾發出警告。擁擠成一團的觀眾們以為這列火車將會駛出屏幕,把他們撞得血肉橫飛。

于是,觀眾們跌跌撞撞,發瘋似的沖向出口。燈光亮了起來,一大群人擠在狹窄的樓梯上??粗旰脽o損的咖啡館,眾人驚呼“這是魔法”。

像是1492年哥倫布第一次將鏡子帶給美洲大陸的原住民時,土著首領嘟囔的詞語一樣,人類在面對自己無法理解的新事物時,總傾向于將其歸類于那個虛無縹緲卻又新奇不已的詞匯——魔法。

01. 巴別塔的倒掉

《圣經·舊約·創世記》里的"巴別塔"講述了語言多樣性如何消解人類生產力的故事,而上世紀50年代末說著不同語言、擁有著不同意識形態的兩大陣營,卻在政治、經濟、軍事等方面上演著真實版的巴別塔。

在蘇聯接連完成“一彈一星”的目標后,山姆大叔對蘇聯的絕對戰略優勢不復存在。這也使美國上下則形成了必須迎頭趕上的共識,受此推動,在1958年一年內,美國政府著手創建了兩大機構——美國國家航空航天局(NASA)和美國國防部高級研究計劃署(DARPA)。

前者是為了發展航空航天技術與蘇聯直接競爭,后者用以研究萬一遭受蘇聯核打擊的應急技術準備,而基于分組交換、用以強化通信系統"自存活"能力的高級研究計劃局網(Advanced Research Projects Agency Network,簡稱ARPANET,阿帕網)就是DARPA支持的一個項目。

這個早期的分組交換網絡,成為了互聯網(Internet)的前身,也成為了推倒巴別塔的第一根“楔子”。

而第二根“楔子”,則是TCP/IP協議。

70年代,大量新的網絡已經開始出現,包括計算機科學研究網絡、加拿大網絡、因時網和美國國家自然科學基金網絡。

但是阿帕網無法做到和其他計算機網絡的交流,而隨后的實驗也驗證了現有阿帕網協議并不適合跨越多個網絡運行,這個結果觸發了更多有關協議的研究工作,并最終發明了“傳輸控制協議”(TCP,Transmission-Control Protocol)和“因特網協議”(IP,Internet Protocol),即TCP/IP模型和協議。

TCP/IP協議很好地解決了“因有著不同的網絡結構和數據傳輸規則而造成的連接通信障礙”的問題,里程碑似地建立了網際間的開放互連模型,統一了網際間的交流語言,進而為真正互聯網的誕生打下了技術基礎。

TCP/IP協議像是解開封禁“全球化”的魔棒一樣,開始在網絡中輕輕揮舞。

02. 魔棒的進化

1977年11月22日,一輛載有一個無線傳輸器的廂式貨車沿著舊金山南部某處的一條公路行駛,它發出了一個數據包信號,這個信號將在無線網絡和阿帕網之間傳輸,同時它還將在一個衛星網絡上傳輸,這個網絡將阿帕網與歐洲連接到了一起。

這個信號從加利福尼亞州跳躍到波士頓,然后又傳輸到挪威和英國,接著回到西弗吉尼亞的一個小鎮,最后回到了加利福尼亞州。這次試驗使得TCP/IP協議首次在三個獨立的計算機網絡之間完成了信號傳輸,行程9.4萬英里,沒有丟失一個比特!TCP/IP協議的技術能力得以證明。

“那是真正的互聯網活動?!?/p>

為了推廣TCP/IP協議,美國國防部高級研究計劃署以低價出售TCP/IP的方法,并資助BBN公司和加州大學伯克利分校,以推動將BBN公司開發的TCP/IP加入BSD UNIX操作系統。BSD(Berkeley Software Distribution,伯克利軟件套件)是Unix的衍生系統,BSD UNIX當時在多數大學中流行,它由加州大學伯克利分校開發和發布。計劃署的目的很簡單,就是要讓TCP/IP借勢進入主流。

事實證明,TCP/IP與流行操作系統Unix的結合是其成功的一大源泉,這也是美國國防部的高明之舉。

1983年,伯克利推出內含TCP/IP的第一個BDS UNIX,項目組用一種新的編程接口重寫了TCP/IP,這個編程接口就是隨著Berkeley UNIX4.2BSD一起發布的著名套接字(socket),他們還編寫了許多應用程序、工具以及管理程序,以便展示通過套接字使用網絡有多么的容易。由此,TCP/IP逐步升級為主流網絡協議。

接下來,大一統時刻到了。

根據美國國防部長辦公室的"命令",1983年1月1日接入遠程網的所有計算機都必須采用TCP/IP,NCP將被停止使用。

至此,這個以阿帕網為主干網的網際互聯網被冠以Internet之名登上歷史舞臺,而TCP/IP協議也正式完成了自己的進化,成為了唯一。

03. 魔棒之短

1988年Internet開始對外開放。

1991年6月,在連通Internet的計算機中,商業用戶首次超過了學術界用戶,這是Internet發展史上的一個里程碑,一年后Internet開始進入商用。

從此Internet成長速度一發不可收拾。

然而,隨著用戶的爆發式增長,負責消除各個網絡終端差異性的魔棒——“網絡協議”——卻露出了它的短板。

1981年誕生的IPv4(Internet Protocol version 4,第4版互聯網協議)地址有32位,總容量為43億。從上世紀80年代起,IPv4 地址消耗的速度超出了人們的預期。

隨著IANA(Internet Assigned Numbers Authority,因特網編號分配機構)把最后5個地址塊分配出去,IPv4主地址池在 2011年2月3日耗盡。

2019年11月25日15:35, 隨著歐洲地區的最后一塊掩碼長度為22bit的公網地址被分配出去,全球所有的IPv4公網地址耗盡。

雖然有NAT-PT(Network Address Translation - Protocol Translation,網絡地址轉換 - 協議轉換)等技術使得人們可以通過復用私網地址網段來緩解公網地址耗盡的問題,但使用NAT只能治標,并不能治本。

“IP地址用完的影響不會馬上顯現?!?/p>

但當IP地址用完后,如果互聯網終端用戶持續暴增,網速可能變得極慢。

此外,IP地址資源的緊缺與各國加速爭搶會形成惡性循環,未來企業獲得IP地址的成本會越來越高。而這部分成本,最終會由終端用戶買單。

誰能成想,當初推倒巴別塔的楔子,如今會成為重起巴別塔的第一塊磚。

04. 替代品的尷尬

一寸長,一寸強。

因此,現在人們紛紛把目光轉向新一代互聯網通信協議IPv6。

IPv6作為IPv4的下一代協議,它的提出旨在解決IPv4地址空間受限和可擴展性不足這兩個主要問題。

為此,IPv6做了一些改進。

一方面,IPv6擴展了地址空間。與IPv4的地址長度只有32 bit相比,IPv6的地址長度是128 bit,這就提供了非常大的地址空間,甚至可以為地球上的每一粒沙子分配一個IPv6地址,有效地解決了 IPv4 地址空間不足的問題。

另一方面,IPv6設計了擴展報文頭機制。擴展報文頭的設計給IPv6帶來了很好的可擴展性和可編程能力,比如,利用逐跳選項擴展報文頭可以實現IPv6逐跳數據的處理,利用路由擴展報文頭可以實現源路由等。

然而一晃20多年過去了,IPv6始終發展得不溫不火,直到最近幾年,由于技術發展和政策等原因,運營商才開始加速部署IPv6網絡。

回顧歷史,IPv6發展不順主要有兩方面原因。

圖片不兼容IPv4,網絡升級成本高。

IPv4的地址長度只有32 bit,而IPv6的地址長度是128 bit。雖然地址空間得到了擴展,但是IPv6無法兼容IPv4,使用IPv6地址的主機無法和使用IPv4地址的主機直接互通,這就需要設計過渡方案,導致網絡升級成本大。

圖片業務驅動力不足,網絡升級收益小。

除了升級成本高之外,業務驅動力不足和網絡升級收益小其實也是IPv6發展緩慢的重要原因。一直以來,IPv6的支持者都在宣傳128 bit的地址空間可以解決IPv4地址耗盡的問題,但是解決IPv4地址耗盡的方法并不是只有IPv6,還有NAT等技術。NAT是現在解決IPv4地址不足的主要手段,通過使用私網地址和NAT,IPv4 地址資源不足的問題得到了暫時的緩解,而且并沒有影響到網絡業務的發展。

部署 NAT的成本也要比升級到IPv6網絡的成本低。

已有的業務在IPv4網絡中運行良好,升級到IPv6網絡也不會帶來新的收入,這就是運營商遲遲不愿升級到IPv6網絡的主要原因。

因此,解決IPv6發展緩慢問題的關鍵在于找到IPv6支持而IPv4不支持的業務,從而通過商業收益驅動運營商升級到IPv6。

05. 新貴登場

2013年,思科公司提出了Segment Routing協議。

即在已有網絡的基礎上進行演進式的擴展,提供了網絡編程能力。

Segment Routing是一種源路由協議,支持在路徑的起始點向報文中插入轉發操作指令來指導報文在網絡中的轉發,從而支持網絡可編程。

Segment Routing的核心思想是將報文轉發路徑切割為不同的分段,并在路徑的起始點往報文中插入分段信息指導報文轉發。

這樣的路徑分段被稱為“Segment”,并通過SID(Segment Identifier,段標識符)來標識。目前Segment Routing支持MPLS和IPv6兩種數據平面,基于MPLS數據平面的Segment Routing被稱為SR-MPLS,其SID為MPLS標簽;基于IPv6數據平面的Segment Routing被稱為SRv6,其SID為IPv6地址。

隨著5G和云業務等新業務的興起和網絡編程技術的發展,業務要求網絡的轉發平面有更強的可編程能力,同時需要更簡潔的融合網絡解決方案。在這種背景下,SRv6應運而生。SRv6是一種基于IPv6數據平面實現的SR網絡架構,支持在頭節 點插入轉發指令指導數據報文轉發。SRv6結合了SR-MPLS頭端編程和IPv6報文頭可擴展性兩方面的優勢,讓人們看到了IPv6的轉機。

5G改變了連接的屬性,云改變了連接的范圍,它們為SRv6技術的發展帶來了最好的機會。

IP承載網的本質就是連接。因為5G業務的發展,對于網絡連接提出了更多的要求,例如更強的SLA保證、確定性時延等,改變(或者說是增強)了連接的屬性,需要報文攜帶更多的信息,通過SRv6擴展可以很好地滿足這些要求。因為云業務的發展,處理業務的位置更加靈活多變,而一些云服務(如電 信云業務)進一步打破了物理和虛擬的網絡設備的邊界,使得業務與承載融合在一起,這些都改變了網絡連接的范圍。

SRv6業務與承載的統一編程和Native IP屬性,都使得它能夠快速建立連接,滿足靈活調整連接范圍的需求。

SRv6網絡編程標準文稿提出不過兩年多的時間,SRv6已經被部署到多個商業網絡中,發展速度之快在IP技術的發展歷史上并不多見。

在推動SRv6創新和標準化的過程中,華為與業界專家進行了廣泛的交流,對互聯網技術發展歷史上的經驗教訓進行了很多反思,因此對于SRv6的價值和意義也有 了更進一步的認識。IPv6這20多年的發展歷程證明,僅僅依靠地址空間的需求難以推動IPv6的規模部署。而SRv6技術的快速發展說明了通過新業務的需求引導可以更好地促進IPv6的發展應用。

歷史的經驗告訴我們,一項技術或產業能夠得到超常規的快速發展,往往離不開"需求"二字。

而正在飛速發展的5G技術,則為SRv6施展它的新魔法提供了"流淌著奶與蜜"的應許之地。

也許,5G和SRv6再也不會要我們“跌跌撞撞,發瘋似的沖向出口”,但是隨著諸如Cloud VR等應用的普及,我們和先輩那般喊出“魔法”二字的日子,或許不遠了。

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