高性能网络研究实践与科技创新体会

◎国防科技大学 苏金树 刘宇靖

苏金树教授

一、回眸互联网50年

今年是互联网诞生50周年，也是我们国家进入互联网的第25个年头。发展到现在，互联网已经成为了一个网络空间，或者说第五战场空间。50年前互联网是只“丑小鸭”，首次实验非常不成功。在1969年10月29日，加州大学洛杉矶分校与斯坦福研究所,借助电话线实现网络互联，这个实验刚开始传了两个字符，系统就掉线了。所以，我们要有一种非常宽容的态度，用开明的管理、开阔的胸襟、开放的气度去对待新的事物。因为有了这个实验，才有了50年之后的今天互联网所取得的成绩。

（一）互联网发展历史

从1969年10月29日开始，互联网得到迅速发展。从1969年12月互联网前身ARPAnet建起来，再到现代互联网、万维网、物联网、移动互联网、数字中心网络，网络空间一路不停地向前发展。在这个过程中始终蕴含高性能网络技术的变革，也包含了著名的科学家、企业家的贡献。

在互联网发展中做出的贡献著名科学家和企业家

上图中，前两位是一对师生，他们发明了今天我们互联网的基本协议——TCP/IP协议，第三位是路由器的发明人，大家家里用的路由器也是属于这一类，只是电信公司用的路由器比这个大很多。第四位、第五位是一对夫妇，他们是斯坦福大学的两位教授，他们将路由器实现产业化，创办了著名的思科公司。与此同时，一些著名的企业在网络软件上展开激烈的竞争，也作出了重要贡献。比如，Novell Netware曾经风靡一时，DECnet IV/V一度主导中国的重要行业，IBM SAN在关键行业一枝独秀，最后到TCP/IP一统天下。

我把互联网简要归纳为五个阶段：阶段一是技术探索，从1956年到1969年，以ARPAnet的诞生为标志；阶段二是技术成型，从1970年到1983年，这一时期诞生了互联网，主要用于支撑学术研究；阶段三是应用推广，从1983年到1993年，互联网实现了商业化；阶段四是互联网成为社会经济基础设施阶段，此时WWW流行，大众成为互联网主力，互联网变成社会、军事、经济的基础；阶段五是科学发现新模式阶段，从2006年至今，互联网对物联网、云计算、大数据、人工智能等领域的发展起到了助推的作用。

2017年图灵奖获得者Tim Berners-Lee

在这个过程中，既有计算机领域的内部竞争，也有来自行业外部的创新。1989年，欧洲粒子物理实验室Tim Berners-Lee提出WWW超文本系统、相应的HTML和HTTP草案，Tim发明了第一个web浏览器，提出了web的基础协议与算法，于2017年4月4日获图灵奖。所以我们在科技创新的过程中，既要关注本行业的创新，也要关注跨界的创新。

（二）互联网发展面临的“数字鸿沟”问题

互联网发展到今天已经成为社会经济发展不可缺少的部分，从2000年到2010年年均增长率是445%，这是一个非常惊人的数字。

谈到互联网自然会谈到数字鸿沟问题，目前对此问题有两种不同的观点，一种认为数字鸿沟会导致进一步贫富加剧，另一种认为数字鸿沟是一个“早有”和“晚有”的问题。我个人更倾向后面这种观点，早拥有的，在某种意义上是在为晚拥有的买单。互联网、智能手机等都是这样的案例，比如早期的智能手机是非常昂贵的，只有少数人使用，而现在已经成为比较廉价的生活必需品了。预测未来的DNA测序、电动汽车等也都会如此。

随着技术的发展，网络空间相关技术的普及率快速上升，这也证实了前面说的数字鸿沟是一个“早有”和“晚有”的问题。电话花了70、80年才普及到人口的50%，而现在的手机不到20年就普及到50%，我们现在用的社交媒体，比如微信，也都是互联网的一种应用手段，它的时间就更短，10年都不到。

（三）互联网发展趋势

现在互联网在继续发展，在探索新的网络体系结构。从互联网成型之后，国际上有了三个波次对下一代互联网的探索，只是因为种种原因，计算机领域的人没有把它叫做1G、2G、3G、4G、5G，而是把它叫做下一代。第一阶段是1996、1997年出现的“下一代互联网”和“互联网2”计划；第二阶段是2005年出现的GENI计划；第三阶段是2010年至2017年出 现 的 XIA、MobilityFirst、Nebula、NDN、ChoiceNet、SCICON等一系列新型网络体系结构的研究。

（四）我国互联网发展前景

中国在1993年3月2日接入互联网，从1999年开始，国家863计划跨主题专项“中国高速信息示范网（CAINOnet）”展开对互联网的研究，研制核心路由器、光交叉互连设备OXC等，从此开启中国研制高性能网络设备之旅。

现在网络空间成为第五战争域，有四大支柱，分别是无线电、计算机、集成电路以及互联网。网络空间是信息科学技术广泛应用的产物，互联网技术和移动通信技术正在以超乎想象的方式改变着全球的市场和经济，以前所未有的方式将人们连接在一起。我们国家应该在这个过程中抓住发展机遇，以计算技术为牵引，以网络技术为推动力，推动物联网、云计算、边缘计算、大数据、人工智能、区块链等领域新的发展。

二、互联网技术的创新实践

互联网具有高速度、高复杂性、高密度的特点，包括计算机、网络核心设备及应用软件等3个部分。在过去这些年里，我们的研究团队主要从事互联网核心设备研究，解决来自四个方面的挑战，一个是网络单链路速度挑战，从最开始的10Mbps，到现在的400Gbps，基本上跟计算机单CPU性能的发展速度是一致的；第二个挑战是协议的快速增长，2000年RFC数量不到3000个，到2018年RFC数量已达到了8000多个；第三个挑战是安全问题日益突出，例如根据卡巴斯基提供的数据，网络上恶意软件的数量从1998年每天50个，到2018年每天高达380,000个；第四个挑战是数据容量急速增长，目前全球有326个超大数据中心，平均每个数据中心约有830条100Gbps出口。

面向这些技术挑战，我们开展了高端路由器技术、数据中心网络技术、空间路由器技术等三方面的创新实践。

（一）高端路由器技术

伴随着网络单链路速度的发展，我们研发了网络接口速率从2.5Gbps到400Gbps的五代高性能路由器，开发出了nROSE网络路由操作系统，也正在研发网络处理器NP等。在这个过程中，攻克了许多复杂性极高的技术难点，为我国高性能路由器从无到有，从有到达到国际先进水平的跨越，作出了突出贡献。

（二）数据中心网络技术

随着信息技术的发展，网络流量模式发生了变化。在Client/Server模式下，强调系统内部流量占80%，外部占20%；在Web 2.0时代，变成了系统流量有80%是内外交互的，而只有20%是内部交互的。在云计算模式下，对网络的需求是速度更快，容量更大，延迟更小。

云计算为数据中心网络做了很多优化，包括链路传输、拓扑结构、网络路由等等，在数据中心网络软硬件方面，我们也开展过一些实践，比如研发了银河玉衡InfiniBand交换机，最大支持384个端口，交换能力30.72Tbps。基于银河玉衡IB交换机，可实现2PB的分布式存储，已部署在天河二号超级计算机中。

（三）空间路由器技术

空间路由器具有链路的独特性、位置的动态性及资源的受限性的特点。在空间路由器研发方面，我们也已开展积极的探索工作，初步形成了技术成果。

总的来说，新一代互联网的发展要点可以概括为：安全为本、移动为先、视频为重、分发为要、绿色为基。这些特点将指引我们开展更多的创新实践。

三、互联网发展规律的初步认识

（一）新的发展定律

互联网的发展规律，主要有以下四个：

1、摩尔定律：集成电路规模每18个月翻一番。

2、古尔德定律：网络带宽每6个月翻一番。

3、梅特卡夫定律：网络价值与用户数的平方成正比。

4、小世界定律：网络中任意两点间的平均距离，随网络节点数的增加呈对数增长。

根据这四点规律，有国外专家总结了互联网思维的本质就是：指数增长、数字进步、组合创新。指数增长就是互联网世界，或者网络空间的计算技术与价格符合摩尔定律，系统的能力会按摩尔定律增加，而价格会相应下降。数字进步指一项技术或者工艺等采用数字化技术，带来的技术进步。例如传统加工领域，培养一个8级钳工，需要很长时间，但采用数控机床，培训时间大大缩短，水平大大提高。大企业收购小型创新型企业，并将创新产品融合到大企业已有的产品体系，就是一种组合创新。

（二）新的变革模式

颠覆性技术是新兴产业发展的源动力，例如，苹果逆袭诺基亚、摩托罗拉，Google市值全球第一，“ARM+安卓”在消费领域有效颠覆了WinTel联盟，占手机市场80%以上等现象，都说明了颠覆性技术的重要作用。

从全球前100的创新企业排名来看，跟互联网相关的企业是最多的。未来自动驾驶汽车技术主要会来自于谁，是汽车行业的人还是IT行业的人，这真是一个未知数。所以新的变革模式就需要我们有创新的发展思维。

（三）新的结构特征

互联网出现的新的结构特征包括以下四个方面：第一，分布结构，即采用多个小系统构成一个大系统；第二，扁平结构，即形成网络化组织，层次减少；第三，自由尺度，即网络中每个节点的作用不一样；第四，级联结构，即节点间的依赖关系复杂，会出现多米诺效应。

这里重点介绍一下分布结构这个特征。计算机领域的研究人员对分布结构已十分熟悉了，现在分布结构又出现在了新的领域，比如分布航天，以及美国海军提出的分布式杀伤等。在美国预测专家凯文凯利的《失控》一书中提出了“无中生有”的九律，排在第一位的就是分布式，书中指出：当总体大于局部之和时，那多出来的部分，就分布在各个部分之中。当我们从无中生有中得到某物，总会发现它衍生自许多相互作用的更小的部件。我们所发现的奇迹，生命、智力、进化等全部植根于大型分布式系统。

（四）新的技术文化特征

以ITU为代表的通信技术体现出的技术文化是精英文化，采用目标设定、技术研发、标准推进、测试评估、商用部署的瀑布模型发展过程。而以IETF为代表的互联网技术则体现出了群体智能文化这一新的技术文化特征，以不断循环前进的目标设定、技术研发、标准推进过程发展，呈现出螺旋式发展模型。两者在各自领域都占有压倒性的能量。前者在通信领域的设备厂家表现最为明显，后者则在互联网公司表现更为突出。

互联网正以前所未有的速度向前发展，带来了前所未有的发展能量，推动社会的发展，而蕴含的发展规律需要不断地认识、挖掘和分析。