高性能網絡研究實踐與科技創新體會

◎國防科技大學 蘇金樹 劉宇靖

蘇金樹教授

一、回眸互聯網50年

今年是互聯網誕生50周年，也是我們國家進入互聯網的第25個年頭。發展到現在，互聯網已經成為了一個網絡空間，或者說第五戰場空間。50年前互聯網是只“丑小鴨”，首次實驗非常不成功。在1969年10月29日，加州大學洛杉磯分校與斯坦福研究所,借助電話線實現網絡互聯，這個實驗剛開始傳了兩個字符，系統就掉線了。所以，我們要有一種非常寬容的態度，用開明的管理、開闊的胸襟、開放的氣度去對待新的事物。因為有了這個實驗，才有了50年之后的今天互聯網所取得的成績。

（一）互聯網發展歷史

從1969年10月29日開始，互聯網得到迅速發展。從1969年12月互聯網前身ARPAnet建起來，再到現代互聯網、萬維網、物聯網、移動互聯網、數字中心網絡，網絡空間一路不停地向前發展。在這個過程中始終蘊含高性能網絡技術的變革，也包含了著名的科學家、企業家的貢獻。

在互聯網發展中做出的貢獻著名科學家和企業家

上圖中，前兩位是一對師生，他們發明了今天我們互聯網的基本協議——TCP/IP協議，第三位是路由器的發明人，大家家里用的路由器也是屬于這一類，只是電信公司用的路由器比這個大很多。第四位、第五位是一對夫婦，他們是斯坦福大學的兩位教授，他們將路由器實現產業化，創辦了著名的思科公司。與此同時，一些著名的企業在網絡軟件上展開激烈的競爭，也作出了重要貢獻。比如，Novell Netware曾經風靡一時，DECnet IV/V一度主導中國的重要行業，IBM SAN在關鍵行業一枝獨秀，最后到TCP/IP一統天下。

我把互聯網簡要歸納為五個階段：階段一是技術探索，從1956年到1969年，以ARPAnet的誕生為標志；階段二是技術成型，從1970年到1983年，這一時期誕生了互聯網，主要用于支撐學術研究；階段三是應用推廣，從1983年到1993年，互聯網實現了商業化；階段四是互聯網成為社會經濟基礎設施階段，此時WWW流行，大眾成為互聯網主力，互聯網變成社會、軍事、經濟的基礎；階段五是科學發現新模式階段，從2006年至今，互聯網對物聯網、云計算、大數據、人工智能等領域的發展起到了助推的作用。

2017年圖靈獎獲得者Tim Berners-Lee

在這個過程中，既有計算機領域的內部競爭，也有來自行業外部的創新。1989年，歐洲粒子物理實驗室Tim Berners-Lee提出WWW超文本系統、相應的HTML和HTTP草案，Tim發明了第一個web瀏覽器，提出了web的基礎協議與算法，于2017年4月4日獲圖靈獎。所以我們在科技創新的過程中，既要關注本行業的創新，也要關注跨界的創新。

（二）互聯網發展面臨的“數字鴻溝”問題

互聯網發展到今天已經成為社會經濟發展不可缺少的部分，從2000年到2010年年均增長率是445%，這是一個非常驚人的數字。

談到互聯網自然會談到數字鴻溝問題，目前對此問題有兩種不同的觀點，一種認為數字鴻溝會導致進一步貧富加劇，另一種認為數字鴻溝是一個“早有”和“晚有”的問題。我個人更傾向后面這種觀點，早擁有的，在某種意義上是在為晚擁有的買單。互聯網、智能手機等都是這樣的案例，比如早期的智能手機是非常昂貴的，只有少數人使用，而現在已經成為比較廉價的生活必需品了。預測未來的DNA測序、電動汽車等也都會如此。

隨著技術的發展，網絡空間相關技術的普及率快速上升，這也證實了前面說的數字鴻溝是一個“早有”和“晚有”的問題。電話花了70、80年才普及到人口的50%，而現在的手機不到20年就普及到50%，我們現在用的社交媒體，比如微信，也都是互聯網的一種應用手段，它的時間就更短，10年都不到。

（三）互聯網發展趨勢

現在互聯網在繼續發展，在探索新的網絡體系結構。從互聯網成型之后，國際上有了三個波次對下一代互聯網的探索，只是因為種種原因，計算機領域的人沒有把它叫做1G、2G、3G、4G、5G，而是把它叫做下一代。第一階段是1996、1997年出現的“下一代互聯網”和“互聯網2”計劃；第二階段是2005年出現的GENI計劃；第三階段是2010年至2017年出 現 的 XIA、MobilityFirst、Nebula、NDN、ChoiceNet、SCICON等一系列新型網絡體系結構的研究。

（四）我國互聯網發展前景

中國在1993年3月2日接入互聯網，從1999年開始，國家863計劃跨主題專項“中國高速信息示范網（CAINOnet）”展開對互聯網的研究，研制核心路由器、光交叉互連設備OXC等，從此開啟中國研制高性能網絡設備之旅。

現在網絡空間成為第五戰爭域，有四大支柱，分別是無線電、計算機、集成電路以及互聯網。網絡空間是信息科學技術廣泛應用的產物，互聯網技術和移動通信技術正在以超乎想象的方式改變著全球的市場和經濟，以前所未有的方式將人們連接在一起。我們國家應該在這個過程中抓住發展機遇，以計算技術為牽引，以網絡技術為推動力，推動物聯網、云計算、邊緣計算、大數據、人工智能、區塊鏈等領域新的發展。

二、互聯網技術的創新實踐

互聯網具有高速度、高復雜性、高密度的特點，包括計算機、網絡核心設備及應用軟件等3個部分。在過去這些年里，我們的研究團隊主要從事互聯網核心設備研究，解決來自四個方面的挑戰，一個是網絡單鏈路速度挑戰，從最開始的10Mbps，到現在的400Gbps，基本上跟計算機單CPU性能的發展速度是一致的；第二個挑戰是協議的快速增長，2000年RFC數量不到3000個，到2018年RFC數量已達到了8000多個；第三個挑戰是安全問題日益突出，例如根據卡巴斯基提供的數據，網絡上惡意軟件的數量從1998年每天50個，到2018年每天高達380,000個；第四個挑戰是數據容量急速增長，目前全球有326個超大數據中心，平均每個數據中心約有830條100Gbps出口。

面向這些技術挑戰，我們開展了高端路由器技術、數據中心網絡技術、空間路由器技術等三方面的創新實踐。

（一）高端路由器技術

伴隨著網絡單鏈路速度的發展，我們研發了網絡接口速率從2.5Gbps到400Gbps的五代高性能路由器，開發出了nROSE網絡路由操作系統，也正在研發網絡處理器NP等。在這個過程中，攻克了許多復雜性極高的技術難點，為我國高性能路由器從無到有，從有到達到國際先進水平的跨越，作出了突出貢獻。

（二）數據中心網絡技術

隨著信息技術的發展，網絡流量模式發生了變化。在Client/Server模式下，強調系統內部流量占80%，外部占20%；在Web 2.0時代，變成了系統流量有80%是內外交互的，而只有20%是內部交互的。在云計算模式下，對網絡的需求是速度更快，容量更大，延遲更小。

云計算為數據中心網絡做了很多優化，包括鏈路傳輸、拓撲結構、網絡路由等等，在數據中心網絡軟硬件方面，我們也開展過一些實踐，比如研發了銀河玉衡InfiniBand交換機，最大支持384個端口，交換能力30.72Tbps?；阢y河玉衡IB交換機，可實現2PB的分布式存儲，已部署在天河二號超級計算機中。

（三）空間路由器技術

空間路由器具有鏈路的獨特性、位置的動態性及資源的受限性的特點。在空間路由器研發方面，我們也已開展積極的探索工作，初步形成了技術成果。

總的來說，新一代互聯網的發展要點可以概括為：安全為本、移動為先、視頻為重、分發為要、綠色為基。這些特點將指引我們開展更多的創新實踐。

三、互聯網發展規律的初步認識

（一）新的發展定律

互聯網的發展規律，主要有以下四個：

1、摩爾定律：集成電路規模每18個月翻一番。

2、古爾德定律：網絡帶寬每6個月翻一番。

3、梅特卡夫定律：網絡價值與用戶數的平方成正比。

4、小世界定律：網絡中任意兩點間的平均距離，隨網絡節點數的增加呈對數增長。

根據這四點規律，有國外專家總結了互聯網思維的本質就是：指數增長、數字進步、組合創新。指數增長就是互聯網世界，或者網絡空間的計算技術與價格符合摩爾定律，系統的能力會按摩爾定律增加，而價格會相應下降。數字進步指一項技術或者工藝等采用數字化技術，帶來的技術進步。例如傳統加工領域，培養一個8級鉗工，需要很長時間，但采用數控機床，培訓時間大大縮短，水平大大提高。大企業收購小型創新型企業，并將創新產品融合到大企業已有的產品體系，就是一種組合創新。

（二）新的變革模式

顛覆性技術是新興產業發展的源動力，例如，蘋果逆襲諾基亞、摩托羅拉，Google市值全球第一，“ARM+安卓”在消費領域有效顛覆了WinTel聯盟，占手機市場80%以上等現象，都說明了顛覆性技術的重要作用。

從全球前100的創新企業排名來看，跟互聯網相關的企業是最多的。未來自動駕駛汽車技術主要會來自于誰，是汽車行業的人還是IT行業的人，這真是一個未知數。所以新的變革模式就需要我們有創新的發展思維。

（三）新的結構特征

互聯網出現的新的結構特征包括以下四個方面：第一，分布結構，即采用多個小系統構成一個大系統；第二，扁平結構，即形成網絡化組織，層次減少；第三，自由尺度，即網絡中每個節點的作用不一樣；第四，級聯結構，即節點間的依賴關系復雜，會出現多米諾效應。

這里重點介紹一下分布結構這個特征。計算機領域的研究人員對分布結構已十分熟悉了，現在分布結構又出現在了新的領域，比如分布航天，以及美國海軍提出的分布式殺傷等。在美國預測專家凱文凱利的《失控》一書中提出了“無中生有”的九律，排在第一位的就是分布式，書中指出：當總體大于局部之和時，那多出來的部分，就分布在各個部分之中。當我們從無中生有中得到某物，總會發現它衍生自許多相互作用的更小的部件。我們所發現的奇跡，生命、智力、進化等全部植根于大型分布式系統。

（四）新的技術文化特征

以ITU為代表的通信技術體現出的技術文化是精英文化，采用目標設定、技術研發、標準推進、測試評估、商用部署的瀑布模型發展過程。而以IETF為代表的互聯網技術則體現出了群體智能文化這一新的技術文化特征，以不斷循環前進的目標設定、技術研發、標準推進過程發展，呈現出螺旋式發展模型。兩者在各自領域都占有壓倒性的能量。前者在通信領域的設備廠家表現最為明顯，后者則在互聯網公司表現更為突出。

互聯網正以前所未有的速度向前發展，帶來了前所未有的發展能量，推動社會的發展，而蘊含的發展規律需要不斷地認識、挖掘和分析。