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计算机网络发展历史与展望

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发表于 2020-1-14 13:24:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
虽然计算机网络仅仅经历了几十年的发展历程,但现如今它已经成为了人们生活中不可或缺的一部分,甚至是国民经济、国家安全中至关重要的一个环节。因此本文针对计算机网络的发展进行介绍,一方面回顾其发展历史,另一方面也介绍了在未来网络架构领域几个重要的研究成果,以期对读者有所帮助。
一、计算机网络的发展历史
1. 互联网的前身
早在1960年以前就已经出现了通信网络,也就是电报网络与电话网络。当时这两种网络采用电路交换技术进行通信,主要特点是通信速率较为固定。然而这种技术有一个较大缺点,以电网网络为例,用户在使用电路交换技术进行通话时,通话的双方总是一方在讲话,另一方在听话,听话的一方即使没有说话也会占用通信信道,而且通信的过程中会有停顿,因此这种通信方式效率较低。
电话网络

为了改善通信效率,包交换网络技术于1961年首次被麻省理工学院的Leonard Kleinrock提出,后来的计算机网络采用的就是包交换网络技术。包交换网络技术的本质是将所需要传输的数字化信息按照一定长度进行“分组”并“打包”,每一个“包”上带有地址信息与控制信息。这些“包”通过“存储—转发”的方式进行发送,如果信道未被占用就会传输,因此并不会长时间占用通信信道,大大提升了通信效率。
分组交换理论

到了20世纪60年代中期,由于各个研究机构中的大型计算机均处于孤立状态,不能相互通信,而且不同厂商生产的计算机不能进行信息交互,因此美国国防部下属的高级研究计划署(Advanced Research Projects Agency,ARPA)就开始试图寻找一种方法使计算机能够互联互通,从而便于学者分享他们的学术研究成果。
在1967年的美国计算机协会(Association for Computing Machinery,ACM)会议上,ARPA提出了ARPANET(Advanced Research Projects Agency Network)的想法从而解决使计算机互联互通。具体来说,该想法是将来源于不同生产厂商的计算机与一种特殊的计算机相连,这个特殊的计算机被称为接口信息处理器(Interface Message Processor,IMP)。IMP之间可以相互通信,并且IMP也可以与其相连的计算机通信。
ARPANET

到1969年,ARPANET被成功开发。分别位于加州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福研究院与犹他大学的四个大型计算机通过IMP组成了小型计算机网络,并且使用了名为网络控制协议(Network Control Protocol,NCP)的通信协议。
2. 互联网的形成
1972年,ARPANET项目组中的两个核心成员Vint Cerf与Bob Kahn开始合作研究互联项目(Internetting Project),该项目的目的是将不同的计算机网络进行互联,从而使位于不同网络中的计算机能够通信。然而在研究过程中,他们需要克服很多网络间的不兼容问题,例如不同的数据包大小、不同的数据接口、不同的传输速率以及不同的数据可靠性需求等。为此,Vint Cerf与Bob Kahn提出了网关的概念,从而作为不同网络间的数据传输媒介。
互联项目

TCP/IP协议
Vint Cerf与Bob Kahn于1973年发表了一篇里程碑式的论文,在该论文中他们概述了端到端的数据传输协议,即传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)。这篇关于TCP协议的论文提出了封装、数据报等概念,并且明确了网关的概念与功能。在1977年10月,一个由ARPANET、无线电分组交换网络(Packet Radio)与卫星信包网(Packet Satellite)组成的计算机网络成功进行了通信实验,由此不同网络间的通信成为了可能。
不久以后,美国政府决定将TCP协议分成两个协议,分别是传输控制协议(TCP)与互联网协议(Internet Protocol,IP)。IP协议主要负责数据报的路由,而TCP主要负责更高层的功能,例如分段(Segmentation)、重组(Reassembly)与差错检测(Error Detection)。由此就产生了我们熟知的TCP/IP协议。
1981年在美国国防部的资助下,加州大学伯克利分校更改了UNIX操作系统,将TCP/IP协议纳入其中。这一举措大大促进了网络互联的进度。1983年,美国政府决定抛弃原有的ARPANET协议,正式使用TCP/IP协议作为官方通信协议。此后,只要想通过使用互联网接入位于不同网络中的计算机就必须使用TCP/IP协议。
MILNET
1983年,ARPANET被分成两个网络,一个是军用网络(Military Network,MILNET),主要服务于军队用户,另一个是ARPANET,主要服务于普通用户。
CSNET
在互联网的发展历史中,另一个里程碑是1981年问世的计算机科学网(Computer Science Network,CSNET)。CSNET由美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)资助建立,当时该网络由于没有与美国国防部建立合作关系,因此并没有加入ARPANET。又过了几年,由于大多数美国高校都成立了计算机科学系,这些高校相继接入CSNET。与此同时,其他科研机构与公司也都使用TCP/IP协议组建计算机网络并实现网络互联。至此,互联网(Internet)这一源于美国政府资助网络互联项目成为了所有使用TCP/IP协议的计算机网络的代名词。
NSFNET
鉴于CSNET的成功,NSF于1986年资助建立了国家科学基金网(National Science Foundation Network,NSFNET),该网络作为骨干网连接了美国国内五个超级计算机中心。NSFNET允许各个社区的网络接入其中,因此它可以使整个美国进行互联。在1990年,ARPANET正式退役并且被NSFNET取代。1995年又重新成为了主要服务于美国科研机构的网络。值得一提的是,NSFNET采用了三级网络架构,即主干网、地区网与校园网,该架构为现在的网络建设提供了重要参考。
NSFNET

ANSNET
在1991年,美国政府认为NSFNET不能支持快速增长的网络流量。由此IBM、Merit与Verizon三家公司联合建立的一个非盈利机构,即Advanced Network & Services(ANS),该机构建立了一个新的高速主干互联网,被称为先进网络服务网络(Advanced Network Services Network,ANSNET)。
3. 今天的计算机挽留过
现如今,计算机网络被分成多个商用主干网,由不同的网络服务供应商(Internet Service Provider,ISP)来运营,并形成了多层级结构。与此同时,互联网应用也层出不穷,包括万维网、多媒体、网络游戏、社交网络、在线支付等。
二、计算机网络的发展展望
随着计算机网络的规模与用户数量不断增长,以TCP/IP协议为基础的计算机网络体系结构逐渐暴露出了诸多弊端,这些弊端大致可以分为四个方面,具体描述如下:
(1)安全性
计算机网络在设计之初,仅仅考虑了端到端之间的数据通信,并没有将信息的安全性融入计算机网络的设计理念之中。又由于计算机网络的开放性,任何人可以在随心所欲地接入计算机网络,因此现如今计算机网络安全事件频发,网络攻击的手段也多种多样。
(2)移动性
随着智能终端设备的小型化,以及无线通信技术的发展,计算机网络不仅要处理固定终端产生的数据,还要处理与移动终端相关联的流量。然而TCP/IP本质上难以应对移动终端带来的诸多问题,例如终端IP的频繁变化、移动环境下数据错误率较高等问题。
(3)可扩展性
随着电脑、手机、平板等智能终端的价格降低,越来越多的设备接入到了计算机网络中,这就导致IPv4地址资源严重不足,难以满足互联网更大规模的发展。
(4)节能性
节能环保是计算机网络面临的又一难题。2005年,谷歌公司的一位工程师曾提出,公司用于维持电脑运行的电费开支比购买电脑硬件本身更贵。由此如何降低互联网耗电量,提供互联网能源利用率成为了网络技术研究中一个重要课题。
为了解决上述难题,学术界与工业界提出了多种方案,例如MobileIP、IPSec、NAT、QoS保障机制等。同时,也有一部分学者提出需要重新设计计算机网络架构,以从根本上解决上述难题。具体来说,目前较为热门的新型计算机网络架构如下:
软件定义网络
软件定义网络(Software-Defined Network,SDN)是在2006年由斯坦福大学Clean State研究组提出的一种新型网络体系结构。SDN的主要特点是分离了网络的控制层面与数据层面,通过控制层面集中控制数据层面的数据转发,从而使网络流量的控制更加灵活。
SDN体系结构共包括应用层面、控制平面与数据层面。数据层面由路由器、交换机、主机等网络通用硬件设备组成,各个设备之间根据控制层面的指令构建数据连接;控制层面主要包含SDN控制器,该控制器不仅存储了全局网络信息,同时也负责制定数据转发规则并下发控制指令,主要使用的协议是OpenFlow;应用层面负责管控丰富多样的网络应用,网络用户无需关心底层细节就可以进行网络编程与应用部署。
SDN

信息中心网络
信息中心网络(Information-Centric Network,ICN)完全颠覆了以TCP/IP为基础的互联网设计理念。ICN直接对所传输的数据或需要获取的信息进行命名,并以此来进行数据的收发,由此大大降低了网络对IP地址的依赖程度。同时ICN还设计了分布式缓存机制,即网络内的路由器与主机等网络设备均会缓存它们所传输的数据,从而提高数据分发效率。
智慧协同标识网络
智慧协同标识网络(Smart Identifier Network,SINET)是由我国北京交通大学张宏科教授及其研究团队自主研发的新型网络体系。SINET的相关研究两次获得了我国973计划的资助。
SINET架构由三个层次组成,分别是智慧服务层、资源调度层与网络组件层。智慧服务层主要负责管理网络中的网络服务,包括视频、语音、文本、及时聊天等。网络组件层负责管理网络中的硬件设备,包括主机设备、路由器、网关等。资源调度层则负责动态调度网络组件层的网络组件,来满足智慧服务层的网络服务需求。此外,SINET分别在智慧服务层、资源调度层与网络组件层采用服务标识、族群标识与组件标识来标记不同的网络实体。
SINET

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