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计算机网络技术思想的演进脉络

邓峰　沈敏虎

2009年是计算机网络诞生四十周年,网络的诞生和发展导致了一轮信息产业革命，大大促进了人类科学思想的交流。回顾四十年的演进史，“话说天下大势，分久必合” 恰好反映了计算机网络发展的特点。

计算机网络的诞生

1946年计算机诞生后，电脑互联以共享数据的原则迅速发展。在当时冷战的时代背景下，美国国防部开始设计一个分散的指挥系统，它由一些分散的指挥点组成，当部分点被摧毁后，其他点仍能相互联系通信、正常工作。在这种“分而治之”的战术思想指导下，阿帕网（Advanced Research Project Agency network，ARPANET）作为互联网的前身于1969年诞生了。网络技术的基础——分组交换思想和传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），也都是这种思想的核心产物。

“自下而上、分而治之”的思想有力地促进了互联网初期的快速普及和发展，它与以“自顶而下”的程控交换原则为代表的电信网形成鲜明对比。这两种矛盾思想的交流和碰撞在计算机网络发展的进程中扮演了重要角色。

网络思想的重大创新——分组交换

在计算机刚刚出现的时期，人们进行信息交流最主要的方式有电路交换（circuit switching）和报文交换(message switching)两种。电路交换是传统电信网最常用的交换方式，它要求数据在传输时须独占通路。报文交换则是邮政部门常用的邮件传递方式，报文通过存储转发从源点传送到目的地，同时报文须作为整体来排队等候发送。

这两种方式都不适合计算机网络的信息传递，因为网络路由器的运算能力非常强，而且可以不间断地工作。如果采用电路交换方式，一组业务独占电路时就会闲置大量运算和传输能力。而采用报文交换的存储转发方式时，未加分割的大数据包在传输的“排队存储”过程中，易造成拥塞（这就如超长的大卡车可能更容易引起交通堵塞），耽误其他数据包的转发。分组交换则结合了电路交换和报文交换优点：按一定标准分割数据包，让各数据包自由存储转发，并在目的地重新聚合。它奠定了计算机网络信息的交换方式，其后随着TCP/IP协议的诞生，网络设备有了自己的语言。

网络的通用语言TCP/IP协议

网络协议是网络中计算机相互信息沟通和交流的语言。在确认了底层数据的分组交换方式后，一系列网络协议诞生了。1980年代初, 美国伯克利大学研制开发了UNIX操作系统 ,并将TCP/IP设计在操作系统的内核中。同时，阿帕网的主要协议由网络控制协议（The Network Control Protocol，NCP）改为TCP/IP， TCP/IP协议得到了推广，网络信息传递开始有章可循了。

TCP/IP协议按其功能自下而上分成五层：物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层。数据链路层和物理层有时也统称为链路层，链路层提供面向传输介质（如电缆、光纤等传输媒介）的服务；核心的两层是以IP协议为代表的网络层和以TCP协议为代表的传输层，它们依次负责网络选择路由和确保可靠的传输；应用层则负责处理各种应用程序细节。

TCP/IP协议在传输数据过程中进一步秉承“分而治之”的思想。应用层数据在通过网络传输前，需要给自己加上标明身份的“信封”，网络中的每一层都有不同格式的“信封”。首先，信息套上应用层的“信封”，并改造成适合网络传输的编码；其后再套上传输层的“信封”，成为TCP数据段，确认接收方的对应传输层端口能辨别出自己；再包上网络层的“信封”，成为ＩP数据报，上面标明对方在网络中的具体位置；最后在链路层适当包裹成帧以适合底层传输。以上这个过程被称为“封装”。数据帧经过路由器时需要检查网络层“信封”，查询IP以确认路由后继续在网路传递。等传送到目的地，各个“信封”才逐一完全剥离，复原传输信息，实现应用功能。这个过程被称为“解封装”。显然，“封装”与“解封装”是一对可逆的合与分的过程。

TCP/IP协议本身的内容制定也采用了开放的方式。协议对应的请求评论（request for comments，RFC）文档是免费公开的，任何人都可以写RFC文档并提交给互联网工程任务部（The Internet Engineering Task Force，IETF）这个全球互联网界最具权威的大型技术研究组织，一旦通过即成为TCP/IP协议的一部分。这种“分而治之”战略让全球IT界的优秀人才集思广益，促进了TCP/IP协议快速发展。

此外，TCP/IP协议还规定，任何一个能传输分组的通信系统均可看作是网络, 这些网络都受到TCP/IP协议的平等对待。这种平等以待的思想使得TCP/IP协议体现出非常好的兼容性，网络和网络之间可进行很好的整合。加上简洁通用的优点，TCP/IP协议逐步成为互联网最重要的基础协议。目前，“Everything on IP ，IP over everything”（IP网将成为所有网络的主导）已成为网络业界的流行术语和重要发展方向。

网络史上另两个重大的体系架构

由国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）和国际电报电话咨询委员会（Consultative Committee for International Telegraph and Telephone，CCITT）联合制定的开放系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI）七层网络体系架构是计算机网络的另一个重大体系架构。其初衷是为了建立一个比较完备的网络体系架构，但它忽略了网络不断迅速发展变化的特点。此外，OSI过于复杂且缺乏兼容性，已有被淘汰的趋势。即便如此，OSI体系架构对网络的发展也提供了很好的参考作用。目前，IT界普遍使用的第七层为应用层和第三层为网络层等说法，仍是沿用OSI七层体系架构中的分层规则。

1980年代末诞生的异步传送模式（asynchronous transfer mode, ATM）协议与OSI有些类似，也是庞大复杂的网络体系架构，由CCITT（1993年改组为国际电信联盟ITU）颁布。ATM结合了电路交换和分组交换的新技术，曾力图构造未来通信系统的统一平台。电信网的电路交换贯穿了“自顶而下”的控制思想。在传统的电路交换中，每个电话都要独占线路，有着很强控制力和监管力的程控交换技术对通话进行严格管控。这种自顶而下的技术可保障通信安全和方便管理，具有较好的稳定性，但也提高了通信的门槛和成本。ATM协议相当于在原来电路交换的基础上引入了分组交换技术，将数据分组封装成定长的ATM信元，并建立起逻辑上的虚电路以确保减少时延，以类似电路交换稳定的路径方式来适应和保障电信服务的性能，又以复用的方式确保不独占信道。ATM使得电信网络大大提高了自身的扩展性能和效率，赶上了全球互联网发展的大潮。

ATM在1990年代曾风行一时，它既保证了交换的稳定性、对网络的有效管理和服务质量（Quality of service，QOS）的控制能力[2]，又保证了一定兼容性和高效率。虽然它有很广的应用范围，但毕竟糅合了自底而上的、相对自由分散的分组交换和自顶而下、严密的电信程控两种技术，太过复杂。最终，ATM技术因为成本过高而逐渐失去市场。ATM和IP协议融合产生的一些技术，如多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching， MPLS）技术则被保留下来，成为当前IP网领域的重要新技术。

应用层的突破——HTTP和HTML

进入1990年代后，阿帕网完成了历史使命，互联网开始走上全球舞台。TCP/IP因其兼具简洁、实用等特性在互联网普及阶段风光无限，逐步发展成为全球通用的核心网络协议。但此时,以它为基础而构建的网络平台开始面临一些新的问题。譬如，过于自由和分散的大量信息会造成信息来源十分混乱和复杂,导致大量冗余信息和有害信息的侵入等。因此，适当整合网络的信息资源非常重要，超链接技术和万维网的整合思想便在此时应运而生了。

网络信息资源的空间具有独特性，网络空间的地址访问可以隐藏在链接信息之后，访问者通过点击内容链接直接访问信息资源。这项不用直接关注具体地址的技术被称为超链接技术，它是借助超文本传输协议（hypertext transfer protocol，HTTP）和超文本置标语言（hypertext markup language，HTML）实现的。通过超文本链接方式不断将网页上的海量信息串连起来，这就构成万维网 (world wide web，WWW）世界。其后诞生的以Yahoo!为代表的门户网站和以Google为代表的搜索引擎，在丰富多彩的万维网上为大家提供了更好的整合与查询，大大促进了全球万维网应用的推广。

底层分组交换方式、核心层TCP/IP协议和顶层HTTP协议的有机结合使得计算机网络于1990年代在全球得以迅速全面发展，互联网在全球化的浪潮中扮演了极其重要的角色，并推动21世纪进入地球村时代和信息化时代。

网络思想发展的新趋势

天下大势，合久必分，分久必合。网络诞生之初，分而治之的思想促进了网络技术自由灵活发展，也方便了众人的参与，在网络的普及阶段发挥了巨大的作用。但是，分而治之也同样具有缺点，自底而下的自由组合造成了网络缺乏层次和等级，缺乏管理和控制给网络安全和传输服务质量留下了隐患。这种背景下，各种整合又势在必行。

21世纪前后，点对点网络（peer to peer，P2P）技术逐渐流行，据统计，目前P2P流量已占用互联网带宽50%以上。P2P技术在本质上也是一种整合。由前面分析可知，路由器设备只检查到IP层，一般不要求也不具备检查具体应用的能力。因此，当大量客户访问某服务器时，其网络信息资源就被路由器反复传输，浪费了大量路由器和网络资源。利用了P2P技术后，当应用层高度上的客户端发现附近有其余客户端也在网上访问同一服务资源时，它们之间就开始相互传递和共享数据。这打破了服务器出口带宽的瓶颈，让数据在客户端的电脑之间合用，有效共享和整合了网络资源。

在当前互联网发展中，不断涌现出新的面向用户的服务，如网格计算和云计算，它们都力图整合尽量多的原本分散的网络资源，为用户提供更强大的信息和计算服务。对此，李开复打了个比喻：最早人们只是把钱放在枕头底下，后来有了钱庄，很安全，不过兑现起来比较麻烦。现在发展到银行，你可以到任何一个网点取钱，甚至通过ATM或者国外的渠道。在新一轮的网络变革中，谷歌、IBM等专业网络公司和机构搭建出计算机存储、运算中心，网民可以很方便地访问作为资料存储以及应用服务中心的“云”（代指互联网）。

在面向未来的网络远景规划中，互联网和其他网络的融合成为了热点话题。由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）[3]定义的下一代网络（next generation network，NGN）[4]将电信网、因特网甚至有线电视网的融合作为今后大网络的发展方向。可以预见，主体依托IP网的NGN将是传统电信技术演进中的一个重要里程碑，而融合电信技术乃至电信网也将是互联网发展趋势中一个重要的整合方向。