校園信息化的網絡基礎設施

清華大學信息化技術中心副主任 李 星

網絡及教育的歷史及挑戰

回顧網絡發展的歷史，有以下五個里程碑的事件：第一個是1969年，美國軍方開始建設ARPNAET網絡，ARPANET是互聯網的前身；第二個是1986年，美國的ARPANET軍轉民,建設NSFNET（美國科學基金網）；第三個是1995年，互聯網商業化；第四個是2011年IPv4地址耗盡；第五個就是今年發生的斯諾登事件。教育面臨著六大挑戰：全球化、分布式的大科學、教育成本的激增、終身教育、人際社交網絡、危機處理。

從需求的演進來看，最早的網絡是把計算機連接起來，后來變成了人之間的聯系，下一步將是物聯網，是把傳感器和其他設備連起來，所以從技術上有下面幾大趨勢及問題：(1)IPv4地址耗盡，那么在網絡地址不夠的前提下，如何發展信息化；(2)從PC機到移動設備上的轉換，現在移動設備的銷量就是PC機的兩倍，以后倍數會更多；(3)云計算；(4)三網融合；(5)物聯網；(6)從國際形勢看，網絡空間戰，如何使學生既可以保持中國傳統的愛國情操，又擁有國際思維；(7)國際化；(8)MOOC(Massive Open Online Course);(9)網絡和信息技術。

CERNET

CERNET(中國教育和科研計算機網，下文簡稱：教育網)建于1994年，在全球IPv4 CIDR的報告排名是26，大約有2000所高校聯網。前些時候做過一個比較，高校綜合實力與網絡使用率的高低聯系非常強。211三期的建設最近基本完工準備驗收，目前有11個城市已經有100G的信道聯通了，這也是世界上最快的，我們現在爭取做到21個城市都可以達到100G的帶寬。舉個例子，原來教育網比較擁塞，自從有了100G的帶寬，網絡就暢通多了。我們還承諾：教育網將免費向各省教育管理部門提供1GB～10GB接入專用帶寬，用于連接教育部數據中心，支持國家教育管理公共服務平臺建設。

由于原來的IPv4地址不夠，我們還有第二張網：CNGI-CERNET2(IPv6)。CNGI-CERNET2建于2004年，它是全球最大的IPv6主干網之一，大約200所高校聯網。我們做了很多國家級的項目，例如去年驗收的為100個大學的IPv6升級，它包括安全、過度、組播等，應用在IPv6協議上還是不錯的。另外我們最近正在申請發改委的項目——未來網絡研究。我們可以看到最早的通訊是電路交換技術，當時提出的概念是ISDN的網絡；Internet出來后有了分組交換技術,包括IPv4的協議和IPv6協議；另一個分支是虛電路交換技術如X.25、ATM等；還有非IP的分組交換技術的協議，包括OSI協議等等。但隨著時間的推移，只有IP協議應用越來越廣泛，其他協議都逐漸不再使用。

網絡基礎設施的需求

1.需要考慮的問題

第一個考慮的是網絡的速率一定要提高，從10G的校園網到40G的校園網，甚至到100G的校園網。第二個考慮的是安全，校園網建設的時候要考慮DMZ（非軍事化區）的概念、VPN、IDC、用戶等的安全。第三個是WLAN（無線）無處不在。第四個是泛在的網絡（物聯網）等。目前的網絡結構如圖1所示。軟件定義網絡如圖2所示。

圖1 網絡結構

2.案例

圖2 軟件定義網絡

地址需求：1)2012年12月，據互聯網中心統計中國的互聯網普及率42.1%，即有網民大概5.64億，而發達國家則達到70%～80%。2)移動互聯網：3G/4G、WLAN、微信等。3)云計算，不能用私有IPv4地址提供公共網絡服務。4)物聯網，100億甚至更多的電燈泡需要聯網。

NAT44網絡地址轉換的優點是：可以減少IP地址的消耗，并帶來一定的安全性。缺點：單向性，破壞了IP的端到端模式；降低了網絡性能，增加了網絡的時延，在網絡很大的時候，會成為通信的瓶頸；一旦NAT網關遭受攻擊，整個網絡就會癱瘓，增加了安全風險；兩個使用NAT的內部網絡合并時需要重新編址；當一個網絡中存在多個NAT設備時，這些設備的同步和協調變得非常困難。

從IPv4過渡到IPv6是件很困難的事情。教育網就在IPv4與IPv6中間加了個“翻譯器”,使IPv4和IPv6互聯互通。我國發展下一代互聯網的路線圖和時間表：2003-2010年準備階段(技術試驗與試商用)：啟動中國下一代互聯網示范工程CNGI；政府引引導，進行技術、人才、產業準備；首先在高校開展試商用，為大規模商用做準備。2011-2015年過渡階段(開展大規模商用)：政府引導全社會向IPv6過渡，IPv4與IPv6共存；新建網絡必須為IPv6，并實現與IPv4的互通。2016-2020年完成過渡階段：政府引導全面普及IPv6；抓住發展機遇，是中國成為互聯網技術強國。

圖3 發展用戶平滑過渡

圖4 IPv6數據中心和云計算

圖5 私網地址整合互通

圖6 全互聯互通的物聯網

我們第一個解決方案是要發展用戶平滑過渡，如圖3所示。第二個解決方案IPv6數據中心和云計算，如圖4所示。第三個解決方案私網地址整合互通，如圖5所示。第四個方案是全互聯互通的物聯網，如圖6所示。

斯諾登事件中爆料說清華大學網站被攻擊了，后來又爆料說如蘋果、安卓、黑莓等系統美國都留有后門，這就說明端系統都有風險，我們對這些問題一定要充分重視。美國的網絡安全策略是2011年5月16日發布網絡空間國際戰略(International Strategy for Cyberspace)，其目標：共同努力建立一個開放的、互操作的、安全的、可信賴的未來網絡空間。網絡空間安全具有與軍事和經濟安全同等重要的地位并為此提出七大政策。最“強硬”的一條規定是：如果未來遭到威脅美國國土安全的網絡攻擊，美國可以動用軍事實力反擊。后門問題也并非天方夜譚，是有可能性的。從校園網安全來講“網絡安全保護”的錢是必須要花的。中國要用自己的云。實際上中國和美國各方面的技術差距還比較大，如何使各國使用網絡能夠安全，核心就是要有能夠掌握開放系統的人才來制作安全的協議、開放的實現、開放的系統及開放的標準才能避免植入后門，而不僅僅是美國相關部門自己制定這些東西。因此，我推薦大家用OpenStack這類開放的源代碼，研究其安全問題。

教 育

教育是一個金字塔結構，最多的是數據、然后是信息、然后是知識、最后是智慧。我認為計算機處理數據最在行，大數據使計算機開始能夠處理信息，而知識和智慧還需要人與人的交流。如何有智慧呢？發明www的Tim Berners-Lee說:“軟件工程的核心是簡單性和模塊化，互聯網的靈魂是分布式和可生存性。”在美國，范內瓦·布什、喬布斯等等都是美國信息化極具領導力的人物，中國能不能有這種實力的人才。最早的網絡人才出自電話工程師，后來是制作路由器的人，現在則是一些程序員等等。

在中國的發展中，斯諾登事件是一個警鐘，讓我們看到中國面臨著巨大的挑戰，但同時我們又有巨大的機遇：中國的人口多，如果每個人都可以掌握知識，就可以在世界上處理領導地位。核心思想是：網絡，特別是教育的專網是非常重要的；培養人才；跨學科，理工科和文科共同發展，中國才能夠在新的挑戰面前做出貢獻。