1.3 数据通信的前世今生

本节以互联网的前身ARPANET为起点，沿着互联网的演进脉络，总结互联网各个阶段演进的基本规律与内在逻辑。这几个阶段在时间上并不是截然分开的，而是有部分重叠，这是因为互联网的发展是演进式的，而不是突变式的。

1.3.1 缘起：互联网的前身ARPANET

1957年10月，苏联成功发射第一颗人造卫星—斯普特尼克（Sputnik）一号；同年11月，带着一只狗的斯普特尼克二号人造卫星被送上太空。苏联成功发射人造卫星引起美国上下震惊，尤其美国民众反应强烈，因为这打破了美国是技术超级大国而苏联技术落后的印象。此次事件成了美苏太空竞赛的开端，也促使美国采取了对应行动。美国国防部组建了高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）。ARPA不直接开展具体项目的研究工作，而是面向大学和科研机构发布课题，并出钱资助这些单位进行项目研究，为军事领域孵化前沿的科学技术应用，这是互联网得以诞生的根源。

1965年，美国国防部已经是当时全世界最大的计算机设备采购方，ARPA也资助美国各地的研究中心安装大型机。当时的大型机由不同公司生产，所有的软硬件都使用各个计算机制造商自己的标准，所以这些大型机之间互不兼容、无法互通，很多相同的功能也无法复用。ARPA信息办公室主任鲍勃·泰勒（Bob Taylor）向ARPA局长提出要启动一个新项目的资助计划。这个新项目的目的是把一些计算机连接起来，形成研究人员可以在上面协作的网络，这个网络不仅能让不同的计算机互相通信，还能让A地的研究员远程使用B地的计算机程序，从而节省ARPA的资助经费。

1968年6月3日，ARPA向140名候选承包商发布了构建一个实验性的“资源共享计算机网络”的招标书请求。当时只有12家公司提交了网络构建的投标方案，很多厂商认为ARPA的需求不靠谱，比如IBM认为建设计算机网络需要庞大的预算。最终的中标方案来自一家名叫BBN的小公司，而当时BBN提供的技术和方案都是理论上的，并没有经过证明。

BBN设计了一种被称为接口信息处理机（Interface Message Processor，IMP）的机器。IMP是一种定制的霍尼韦尔小型机，放到大型计算机旁边（每台IMP最多能连接4台主机），充当通往ARPANET的网关，所以IMP基本可以算一种路由器。BBN可以控制在IMP上运行的软件将数据报文从一台IMP转发到另一台IMP，但无法控制主机，因为主机是由计算机科学家们控制。这就形成一种分工：IMP与IMP之间的通信协议（Level 0）由BBN设计，IMP与主机之间的通信协议（Level 1）由BBN与计算机科学家协同设计，主机与主机之间的通信协议（Level 2）由计算机科学家设计，再加上主机上运行的应用程序（Level 3），自然而然地出现了分层的“应用-主机-网络”协议特征。因此，计算机网络的分层特征，是当时计算机、ARPA、BBN这种合作形式的天然结果，并不是设计出来的。

1969年10月29日，2台IMP被交付给加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）和斯坦福研究院（SRI），并首次尝试使用350英里（约560千米）长的租赁电话线进行通信。UCLA的程序员输入了“login”的l、o两个字母后，SRI的程序员在计算机上成功看到这两个字母；程序员接着输入g后，系统崩溃。经过调参后通信成功。这一事件标志着互联网的前身ARPANET的出现，也被业界认为是真正意义上的数据通信的开始。

1969年12月，ARPANET增加了犹他大学（U of U）和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校（UCSB）的连接，成了4节点的ARPANET，如图1-8所示。1970年，ARPANET连接到美国东海岸的马萨诸塞州剑桥市。1971年底，ARPANET接入了13台IMP。1973年9月，ARPANET接入了40台IMP。

ARPANET的初衷就是将分散的计算机节点连接起来，以更高效地利用计算资源，这和当前算力网络的目标是类似的。当年高效利用各节点的计算资源需要科学家们协商；现在的算力网络目标是能自动且高效地协商出最优化的分配调度。从这段历史看，ARPANET为了实现一个简单的实际需求，先从一个能实际运行的小Demo开始验证，然后不断克服实践中的问题。可以说，ARPANET的诞生是自下向上的实用主义最好的例子之一。

1.3.2 孕育：全球学术科研网

20世纪70年代，人们开始意识到仅使用单独的网络不可能满足所有的通信需求。1972年，罗伯特·卡恩（Robert Kahn）在计算机与通信国际会议上进行了一次非常成功的ARPANET的演示，展示了由40台计算机和终端接口处理机（Terminal Interface Message Processor，TIP）组成的网络，生动、直观地证明了网络的巨大潜力，引起了人们的广泛共鸣。人们意识到网络的潜力只有在全球联网成为现实的基础上才有意义。1973年，ARPANET在美国之外连通了第一个节点，即挪威地震台；随后，英国伦敦大学学院（UCL）接入ARPANET，紧接着，英国各地的计算机通过UCL接入了ARPANET。

当时与ARPANET类似的网络还有英国的国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL）网络（1968年开始建设），法国的CYCLADES网络（1970年开始建设）。这几个网络都是基于无连接的分组交换技术，它们的研究人员都在进一步改进技术方案（如协议、标识、可靠性、拥塞等）。

后来广泛应用的IP较多地借鉴了法国的CYCLADES网络和英国的NPL网络的设计思想。例如ARPANET最初采用的是网络控制协议（Network Control Protocol，NCP），该协议主要定义主机如何与接口信息处理器（即后来的路由器）连接，并假定通信系统是可靠的。CYCLADES网络的设计者路易斯·普赞（Louis Pouzin）认为，“用户终端不应该相信网络是可靠的，同时网络也不可能是可靠的，所以网络不需要完美，而且网络也不可能做到完美”。他最早提出了“尽力而为”（Best Effort）和“端对端”（End to End）这两个核心思路。CYCLADES也是第一个不靠网络本身，而使用主机实现可靠传输数据的网络。

1974年5月，温顿·瑟夫和罗伯特·卡恩在电气电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE） Transactions on Communications 学术期刊上发表了“A Protocol for Packet Network Intercommunication”。这篇论文标志着互联网互联协议的诞生。论文阐释了一种支持不同分组交换网络中资源共享的互通协议，该协议的核心组件是传输控制程序（Transmission Control Program，TCP）。这里需要注意两点：第一，当时不同的大型计算机之间、不同的网络之间均有各自的通信协议，但没法直接互通，所以要设计能“支持不同分组交换网络中资源共享的互通协议”；第二，当时的TCP是运行在计算机上的程序。这篇论文奠定了互联网协议的主要设计内容：分组交换机制、网—机—端口编址方案、最大传输单元（Maxinum Transmisson Unit，MTU）切包、解决链路不可靠丢包和拥塞的重传机制、窗口控制机制等。

TCP/IP的体系结构是简单的，也是不完美的。例如TCP/IP在网络层没有流量控制，没有显式的跨自治域标识，也没有准入控制和严格的源地址认证等。但正是因为TCP/IP容忍了这种不完美性，才获得了简单性，而由于TCP/IP的简单性，带来了互联网的可扩展性和其他优点。现在，无论是IETF，还是其他网络研究人员，都清楚地认识到，如果在自己可以控制的网络内（或自治域内）追求“完美”（如服务质量控制），那是有可能可以实现的；但如果想在整个互联网范围内构建“完美的网络”，则违背了互联网的设计原则。

20世纪80年代初期，TCP/IP还没有被广泛应用，这个时期，在美国、欧洲各国及亚洲各国，计算机网络的研究成果如雨后春笋。无论是协议，还是规范和网络，均呈现出百花齐放、百家争鸣的热闹景象。但随着一系列关键举措的实施，TCP/IP脱颖而出，成为应用最为广泛的网络协议。

1981年，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）提供资助并建立计算机科学网络（Computer Science Network，CSNET），为大学计算机科学家提供网络服务。美国科学基金网（National Science Foundation Network，NSFNET）本质上是一个连接学术用户和ARPANET的网络，成为推动20世纪80年代美国和全球大学之间联网的主导性力量。1982年3月，美国国防部宣布TCP/IP成为所有军用计算机网络的标准。1983年1月1日，ARPANET正式完成从NCP到TCP/IP的迁移。1983年，NSFNET决定使用TCP/IP。1984年，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）正式承认TCP/IP与开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）的原则相符，这标志着TCP/IP成为事实上的国际标准。1985年，TCP/IP成为UNIX操作系统的组成部分。之后，几乎所有的操作系统都支持TCP/IP。

1985年，NSF在美国资助建立了5个超级计算中心，为用户提供强大的计算能力。1986年，NSFNET的主干网建成，网络速度（简称网速）达到56kbit/s。1988年，NSFNET主干网速率升级到T1（一种早期的广域网技术标准，传输速率是1.544 Mbit/s）。同年，加拿大的地区网络第一次连入NSFNET。到1988年年底，连入NSFNET的国家包括加拿大、丹麦、芬兰、法国、冰岛、挪威和瑞典。1989年，澳大利亚、德国、以色列、意大利、日本、墨西哥、荷兰、新西兰和英国等国家的网络均接入NSFNET。至此，一个全球联网格局的学术科研网基本形成。1995年，面向科研的NSFNET逐步“退役”，互联网进入了蓬勃发展的商业化发展阶段。

1.3.3 爆发：互联网走向商业化

20世纪90年代，互联网从学术界走进了大众视野，开启了轰轰烈烈的商业化之路。1990年，ARPANET正式退役，被移交给了NSFNET。1991年，NSF和美国的其他政府机构认识到，互联网必须扩大使用范围，不应该仅限于大学和研究机构。随后，世界上的许多公司纷纷接入互联网，这使得网络上的通信量急剧增大，现有的互联网容量已满足不了需要。于是，美国政府决定将互联网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入互联网的单位收费，这可以被视为互联网走向商业化的开始。

从1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网替代，而政府机构也不再负责互联网的运营。于是出现了一个新的名词：互联网服务提供商（Internet Service Provider，ISP）。在许多情况下，ISP就是一个进行商业活动的公司。例如中国电信、中国移动和中国联通等公司都是我国的ISP。

1993年6月，超文本标记语言（Hypertext Markup Language，HTML）以IETF工作草案的形式发布。1994年，网景（Netscape）公司成立，并基于HTML发布了首个商用浏览器，这被人们认为是互联网商业化浪潮最具标志性的事件之一。同年，微软为Windows 95创建了一个Web浏览器；杨致远和大卫·费罗（David Filo）创立了雅虎（Yahoo！），并很快获得了风险投资的青睐，全球第一家门户网站由此起步。

如图1-9所示，早期的互联网业务类型主要以文字为主，而浏览器的出现丰富了网络应用，从而带来互联网商业化的快速发展，使互联网从文本时代发展到文字+图片+动画+视频的浏览器时代。PC、互联网及浏览器的普及，也彻底打通了互联网发展的终端、网络和应用的正向循环。

20世纪90年代无疑是互联网发展历史上最激动人心的时期，互联网实现了从学术网络走向商业网络的蜕变，真正走向社会，成为时代变革的创新力量。自此开始，互联网每隔大约10年都会经历一次技术与商业上的跨越式发展，如图1-10所示。

20世纪90年代是门户网站商业化发展的黄金十年，网景、雅虎等知名的互联网公司诞生。这期间的互联网主要采用窄带网络接入的技术。到21世纪初，即时通信快速发展，Facebook、Skype等应用诞生。这些应用促进了电信网络的IP化演进，电信网络也从公用交换电话网（Public Switched Telephone Network，PSTN）、帧中继（Frame Relay，FR）、综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）、异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）等网络逐渐演进为IP网络。到2005年，ATM论坛合并至IP/MPLS论坛，标志着IP网络在和ATM网络的较量中最终胜出。2010年以后，智能手机的出现迅速催生了视频业务的发展。这期间电信网络又逐步完成了移动承载网、移动核心网的IP化。直到现在，网络的IP化改造其实仍然在继续，IP on Everything的趋势更加明显。

如果说20世纪90年代之前，互联网的发展主要由技术驱动，那么20世纪90年代以后，互联网的发展主要由技术和商业双轮驱动。另外，这期间在政策上极为重要的助力则是1991年美国国会通过的“戈尔法案”，以及1993年美国政府推行的信息高速公路政策。这些政策大大推进了美国互联网的商业化发展，当然这也产生了一定的副作用，那就是20世纪末的互联网泡沫。

1.3.4 泛化：从消费互联网走向产业互联网

从1969年的ARPANET诞生到2019年，这是互联网的第一个50年。2020年是5G大规模商用的第一年，这可以视为互联网的下一个50年的开始。

如图1-11所示，2020年之前的数据通信网络具有典型的互联网特征，在业务上以E-mail、Web为典型代表，主要用于沟通用户的信息消费，在技术上具有以下几个特征。

● 数据传输能力有限：网络采用多层树形结构，设备容量小、节点多、拓扑层次多，导致网络效率和能力较低。

● 用户业务体验差：只能提供“尽力而为”服务，不能保证业务的安全性、可靠性、连续性，以及传输数据的零丢包、低时延。

● 业务部署慢且困难：业务部署需要全程、全网的每台设备都支持，部署和配置烦琐，业务开通慢且困难。

● 网络维护效率低：网络和设备通过人工配置和管理，并靠经验进行人工维护，问题的定界、定位困难。

2020年以来，随着移动互联网、物联网、大数据、人工智能的快速发展，信息技术快速向各个行业渗透，引发不同产业的变革，数据通信网络逐渐从消费互联网向产业互联网转变。这一时期互联网的典型特征是从人人互联、人机互联扩展到了万物互联。网络带宽飞速拓展，连接数量呈爆发式增长，并且连接模型特别灵活，对服务等级协定（Service Level Agreement，SLA）保障的要求也从仅提供连通性扩展到严格的时延、抖动、丢包等综合指标，网络运维变得异常复杂。

如图1-12所示，从技术角度看，在50多年的发展过程中，IP网络实际上经历了3个时代。第一个时代是互联网时代，以IPv4为代表技术；第二个时代是全IP时代，核心技术是MPLS；第三个时代是当前正在发展的万物互联的智能时代，核心技术是“IPv6+”。