计算机网络发展的回顾和展望

       作者简介:顾冠群以计算机为代表的信息产业标志着人类社会进入了知识经济时代。在本世纪的最后 10年中,我们惊喜地发现,电话、收音机、电视机及计算机和通信卫星等领域正在迅速地融合,信息的获取、传送、存储和处理之间的孤岛现象随着计算机网络和多媒体技术的发展而逐渐消失,曾经独立发展的电信网、电视网和计算机网络将合而为一,新的信息产业正以强劲的势头迅速崛起。

起源于美国政府研究计划的Internet现已成为全球范围内的网络基础设施的重要组成部分。计算机网络给全球技术、经济和社会生活带来的巨大影响可以说正是通过Inte rnet实现的。Web技术的出现和应用对Internet的普及起了决定性的作用,使计算机网络迅速向各个领域渗透,迅速地向实验、新奇、实用和无所不在四个方向发展。

随着网络应用的不断深入,各种新型应用向计算机网络提出了新的挑战,回顾和展望计算机网络的发展,对于研究支持这些新型应用的计算机网络有着重要意义。一、计算机网络发展的基础计算机网络在初期是计算机与通信相结合的产物,它的出现和发展使计算机应用发生了质的变化。在经历了以大型主机为核心的集中式运算和以个人电脑为基本单元的分布式处理后,计算机的处理模式已发展成现在的网络计算,其应用范围已远远超出了科学计算,成为无所不在的工具。计算机网络的发展既受到计算机科学技术和通信科学技术的支撑,又受到运用计算机网络的那些领域技术的支持。如今,计算机网络从体系结构到实用技术已逐步走向系统化、科学化和工程化。


作为一个年轻的学科,它具有极强的理论性、综合性和依赖性,又具有自身特有的研究内容。它必须在一定的约束条件下研究如何合理、有效地管理和调度网络资源(如链路、带宽、信息等),提供适应不同应用需求的网络服务和拓展新的网络应用。 1968年,美国国防部高级研究计划署ARPA网的研究和实施,为分布式计算机网络的发展作出了重要的贡献。ARPA网的原理可以用分组交换(Packet Switch)来概括,它奠定了现在大多数计算机网络"存储-转发"的基础。70年代到80年代中期,计算机网络的发展面临着将多种异构网络互联在一起的挑战,于是出现了两种新思想:一是通信协议,另一个是开放体系结构。

前者通过各层"协议"来管理同层实体的会话和信息传输;后者旨在遵循统一的国际标准,允许各种异构网络的互联与内部实体无关。在ARPA网上试运行的TCP/IP作为一种新的数据通信技术的探索,于1977年到1979年间推出目前形成的TCP/IP体系结构和协议规范。80年代ISO制定了开放系统互连参考模型OSI/RM,作为一种支持系统开放的标准。ISO提出的OSI/RM在计算机网络的发展过程中起到了非常重要的指导作用;作为一种参考模型和完整体系,它仍对今后计算机网络技术朝标准化、规范化方向发展有指导意义。因此,不难看出:协议是网络的灵魂。

从计算机网络提供的数据传输服务来看,早期的计算机网络提供非常简单的单点投递 (Unicast),即点到点的数据传输,后来,逐步扩大到点到多点的广播(Broadcast)方式,但其本质还是利用点到点方式,只是形式上变成了客户/服务器工作模式。80年代早期的共享式网络技术和相关协议提供的是尽力而为(Best effort)的服务,对所有的服务请求按照同一个优先级处理,不能保证服务质量。90年代以后,大量实时多媒体应用在网上出现 ,如计算机视频会议等,需要网络能提供可靠的多点投递(Multicast)服务,即群组通信和确保(Guarantee)的服务质量控制。ATM技术的出现,提出了效率更高、更加灵活的信元( Cell)交换方式,不仅提高了网络传输效率,也为多媒体通信提供了必要的等时服务,同时发展了网络安全和管理的新途径。

二、计算机网络的发展趋势 1. 发展的基本方向计算机网络发展的基本方向是开放、集成、高性能(高速)和智能化。开放是指开放的体系结构、开放的接口标准,使各种异构系统便于互联和具有高度的互操作性,归根结底是标准化问题。集成表现在各种服务和多种媒体应用的高度集成,在同一个网络上,允许各种消息传递,既能提供单点传输,也能提供多点投递;既能提供尽力而为的无特殊服务质量要求的信息传递,也能提供有一定时延和差错要求的确保服务质量的实时交互。高性能表现在网络应当提供高速的传输、高效的协议处理和高品质的网络服务。高性能计算机网络作为一个通信网络应能支持大量的和各种类型的用户应用,具有可缩放功能(Scalable),即能接纳增长的用户数目,而不降低网络的性能;能高速低延迟地传送用户信息;能按照应用要求来分配资源;具有灵活的网络组织和管理,这样就能按出现的需求支持新的应用。智能化表现在网络的传输和处理上能向用户提供更为方便、友好的应用接口,在路由选择、拥塞控制和网络管理等方面显示出更强的主动性。尤其是主动网络(Active Netw ork)的研究,使得网络内执行的计算能动态地变化,该变化可以是"用户指定"或"应用指定 ",且用户数据可以利用这些计算。网络层互操作是基于所获得的程序编码和计算环境而不是典型的IP服务所提供的标准分组格式和固定编码。这种探讨不仅仅是为了增加网络计算的灵活性,而是试图允许应用控制网络服务,促进建立一个"移动网关",如用于无线网。 2. 协议体系结构的变化计算机网络的研究和发展是一个迭代过程,即网络研究、应用验证、网络研究、应用验证……需要不断地在研究和应用之间反馈,呈现一种螺旋式上升的趋势。因此,网络研究推动应用发展,新的应用需求又驱动网络研究。一方面,相对于数据通信速率和质量的迅速提高(传输速率从56Kbps增长到1Gbps,而差错率从10-5比特下降到10-12比特以下),CPU速度增加受到了物理方面的限制。目前的光纤技术可以提供超过50Tbps的带宽,限制在1Gbps是由于光电信号的转换能力有限。不久将会有Tbps的传输技术面市,计算机内外全光导系统也正在研究中,像采用波分复用(W DM)技术的超大容量光传输系统。目前的商用系统容量是20Gbps,未来一、两年内将达到 80Gbps。因此,网络的瓶颈从"低速传输"转移到了"高速传输、低速通信软件"。传统通信协议为保证在低速、高差错率线路上可靠传输信息而设计的差错和流量控制就显得过于复杂和烦琐,占用太多的系统开销,降低了网络传输效率。因此,迫切需要解决协议的轻型化问题,使网络尽量减少计算,高速传输。另一方面,基于网络的新的分布式应用,如计算机视频会议、多媒体数据库查询和再现、共享式编辑和多用户游戏等,相对于传统的文件传输式服务,要求网络提供更高的服务质量。因此,高性能协议体系结构在应用层框架(ALF:Application Layer Framing)和集成化层间处理(ILP:Integrated Layer Processing)方面开展了大量研究。这些都要求对OSI/RM定义的协议体系结构进行优化和重组,如快捷运输协议(XTP:Xpress Transport Protocol)就是试图集成网络的第3～4层的功能。 3. 路由技术和交换技术共存如何将路由技术和交换技术结合,提高网络传输效率是目前网络发展的热点问题。传统路由器通常依靠软件和通用CPU来实现网络第三层控制功能,延迟大,转发速度慢。而以 ATM为代表的交换技术是用硬件实现交换,每个事件沿着同一路径,通常实现第二层数据单元的交换功能,速度快,面向连接。Internet的迅速增长,促使更多路由算法的发展,在In ternet的核心路由器上路由表变得越来越庞大,路由器也越来越快和越来越复杂,带来的问题是越来越难以管理,这种趋势还将继续发展。ATM产品毕竟在IP技术发展了20年后才出现,然而分组交换却已占居了半壁江山。90年代初,研究较多的是IP Over ATM,90年代中期,ATM论坛开始致力于多协议Over ATM,商家开始生产路由服务器。今天强调的是将路由器和交换机融为一体,目前有三种可能解决方案:IP交换、TAG交换和MPLS(多协议标记交换:Multi-Protocol Label Switching)。这三种IP网络目前都还没有通用的标准支持。 4. 中间件的出现分布对象计算技术是解决异构系统应用程序互操作的关键。国际OMG(对象管理组织 )组织提出的CORBA(公共对象请求代理体系结构)规范是为可重用和可移植的应用对象间通信与互操作提供公共基础性架构和应用开发框架的一个工业标准。该标准的特点是实现软件总线结构,建立动态的客户程序和服务器程序之间的调用关系,是中间件的雏形。任何系统作为一个对象,只要遵守一定的规则,定义和说明其对应的接口参数,就可以接到对象请求代理(ORB)上,提供服务和请求,达到即插即用的效果。 5. 突出的网络安全问题网络互联的规模越大,安全问题就越突出。进入90年代以来,Internet的安全问题集中在以下四个方面: *端-端的安全问题,主要指用户(包括代理)之间的加密、鉴别和数据完整性的维护; *端系统的安全问题,主要涉及防火墙技术; *安全服务质量问题,主要指如何保证合法用户的带宽,防止用户非法占用带宽; *安全的网络基础设施,主要涉及路由器、域名服务器,以及网络控制信息和管理信息的安全问题。防止用户非法侵入网络(如病毒和黑客)和非法防问资源(如盗用口令、帐号和带宽等 )是当前网络安全的主要问题。IETF在网络安全领域设立了12个工作小组,组织研究当前 Internet中的安全热点问题,并制定相应的标准,包括防火墙鉴别技术、通用鉴别技术、域名服务器安全、IP安全协议、一次性口令鉴别、公开密钥基础结构、运输层安全、We b的事务安全、邮件安全等。除了用防火墙隔离来自外部网络的非法防问外,还可以用虚拟网络技术在公共基础网络上建立用户专用网。虚拟网络的概念可以用于不同的网络层次,在较低层实现的虚拟网能直接支持上面所有层次的虚拟网结构,而较高层次的虚拟网允许在虚拟链路之间更灵活的分配带宽,从而有效地隔离流量,保证网络的安全。


三、下一代Internet展望 1997年5月,美国计算研究学会就下一代Internet(NGI:Next Generation Internet) 的研究议题展开了讨论。研究议题依据以下四个重要前提:

(1) Internet已经对经济产生了重大影响。据美国经济理事会调查表明,Internet导致了2000亿美元的市场投资,可以想象NGI对今后经济的影响。

(2) 现代信息技术的应用,大大增加了把计算机和高性能数据通信完全集成到分布式系统中的设计。

(3) 今天的Internet容量和能力面临着两个挑战:一是网络已存在的规模将面对更大的用户群,另一个是随之而来的新的复杂的在线应用需要一个新的网络体系结构。

(4) 许多NGI可以出现的情况已超出了我们目前对网络设计的理解,只有通过基础研究,才能有助于我们达到认识这些可能性的水平。研究的议题主要有六个:应用、中间件、服务质量、Internet流量工程、安全和体系结构。六个主题中虽然有些研究内容是交叉的,但它们从不同的角度来描述,出发点和侧重点不尽相同。其共识是借助于现有的Internet构筑实验床,选择典型的应用作为研究对象 ,尽量减少投资风险。应用研究包括:多媒体数据库访问、在网上传播声音和图像、实时和非实时的网际合作、分布式计算、电子沉浸(Tele-Immersion,指在不同的地方共享虚拟或仿真环境,就像身临其境,旨在加强合作环境,结合声音、图像、虚拟现实以及仿真等复杂技术)。这些应用必须解决远程指令控制、分布式仿真、灾害性环境监测管理、公共信息服务和合作研究与发展等问题。中间件可以被看作是一个可重用、可扩展的服务和功能集合,它是网络环境下许多应用所需要的公共部分,当开发某种应用时可以方便地联合或装配,能促进远程不同端系统的互操作,提高安全性、集成化和资源管理。它涉及五个可能的技术和概念:群组通信、服务质量(QoS)集成体系结构(要支持指示QoS级别的分布式应用)、半透明会话层、动态监控和自适应的资源管理、智能匹配(经纪和协商功能,智能代理)。 NGI的QoS研究的目的是提供一种机制,即让不同的代价得到不同级别的服务,找到一种完美的处理方法来解决当网络拥塞时谁能获得服务。因此,要研究关于资源管理和分配的决策机制、网络控制策略以及与优先权相关的因素,如网络怎样才能辨认出最终的优先权?还要研究与群组通信相关的较为经济的访问控制模式。 Internet流量工程主要研究流量测量和网络性能监控方法。定义一个基本标准集表征性能矩阵和研究该矩阵的使用方法,建立性能测试档案,更好地发挥网络的性能。网络安全性问题关系到未来网络应用的深入发展。安全问题涉及安全策略、移动代码、指令保护、密码学、操作系统、软件工程和网络安全管理等内容。体系结构方面的研究旨在找到一种合适的网络体系结构,它能够有效地集成新技术, 适应各种具体网络的差异和变化。这种体系结构有四个要素: (1) 网络服务: 支持随时随地的群组通信和QoS请求,支持虚拟网络,有效地解决短期会议和动态服务的创建。 (2) 网络管理:让网络自配置和自组织来解决庞大系统的人工配置和监控困难。 (3) 网络性能: 网络性能随用户的要求而改变,要能从软件到硬件,从各个层次上体现性能潜力。 (4) 差异和变化:开发一个系统化的方法来处理每一类应用需求,让网络技术可持续发展。计算机网络的应用从科研、教育到工业,如今已渗透到社会的各个领域,它对于其它学科的发展具有使能和支撑作用。在今后的发展过程中仍然要按照集成的哲理,运用网络的手段,从基础研究、技术开发入手,以典型应用为突破口进行工程推广,继续走产、学、研相结合的道路。现在网络发展正处于一个转折点,网络新产品追求更快和更加鲁棒(Ro bust)的性能指标,促进商业应用;用户则要求网络技术在更加安全可靠的情况下提供简单、易用的服务;而计算机网络体系结构和相关技术还未能从根本上解决这些问题。因此, 计算机网络正面临着新一轮的理论研究和技术开发,它既是一种挑战,也是一个机遇。