CCCF精选｜互联网体系结构研究与探索

编者按：徐恪，清华大学计算机科学与技术系教授、副系主任。他的研究领域包括计算机网络体系结构和区块链系统。他曾获得国家科学技术进步奖二等奖、国家技术发明奖二等奖、中创软件人才奖和CCF青年科学家奖等，还曾获得国家杰出青年科学基金，入选北京市卓越青年科学家计划和北京市战略人才。徐恪著有《计算机网络体系结构：设计、建模、分析与优化》《高级计算机网络（第2版）》《网络空间安全原理与实践》等教材，还著有《算法统治世界》《赛博新经济》等科普著作。他是CCF杰出会员，曾经担任CCF理事和CCCF编委。

在《中国计算机学会通讯》(CCCF)出刊200期之际，徐恪接受了CCCF的访谈，向读者们介绍自己的互联网体系结构研究之路和最新的研究成果以及心得，并分析了这一领域的未来发展趋势。

Q

您是何时开始对新一代互联网体系结构感兴趣的，您对互联网体系结构有怎样的理解？

徐恪：我1998年师从吴建平老师攻读博士学位，就此开始了互联网体系结构的研究之旅。我记得吴老师第一次给我讲研究方向，就特别强调了互联网体系结构的重要性，他认为核心简单、边缘复杂的互联网设计思路是互联网成功的最重要的经验。确实，历史已经证明互联网体系结构的端到端原则带来的稳定性、灵活性和扩展性直接决定了互联网今天的巨大成功。互联网体系结构具有强大的生命力，发展到今天仍然能有效支撑物联网、工业互联网乃至Web 3.0等新型网络和应用的不断发展。

国家领导人在2016年网络安全和信息化工作座谈会上指出“互联网核心技术是我们最大的‘命门’，核心技术受制于人是我们最大的隐患”。我们认为互联网体系结构正是互联网核心技术之一，互联网体系结构的关键要素“传送格式、转发方式以及路由控制”决定了数据包在互联网中采用什么样的组包和传递方式，走哪条路被送达目的地，这涉及地址结构、域名系统、路由协议等大量核心技术，本质上是一个多目标的优化问题，求解具有很大的难度，这也正是我们在互联网体系结构领域努力追求的方向。

Q

您所在的研究组在SIGCOMM会议上的第一篇论文是关于高铁列车上多路径传输控制协议（TCP）性能的测量工作。这项工作的研究过程中，有什么难忘的经历与读者分享吗？

徐恪：20多年来，我们一直在互联网体系结构领域开展研究，我本人很有幸协助吴建平老师承担了两期973项目，从互联网体系结构的扩展性、实时性和安全性角度开展了一系列工作。我带领学生完成的我们组第一篇SIGCOMM会议论文“A Measurement Study on Multi-path TCP with Multiple Cellular Carriers on High-speed Rails”，是我最值得骄傲的成果。这是一项关于高铁列车上多路径TCP性能的测量工作。可以说是学生们的艰苦努力成就了这项工作，我为能够有幸指导这么多优秀的学生而骄傲和自豪。

研究的出发点在于高速运动中频繁的基站切换导致传统的单路径TCP性能严重恶化，我们考虑是否可以利用分布在高铁线路上不同运营商的基站进行多路径传输。当一条路径发生切换时，其他路径可以继续传输，总体性能很可能优于单路径传输。基于这样的猜测，我们开展了高铁列车上多路径TCP的测量研究。研究过程中，学生们齐心协力，用智慧和勇气战胜了很多挑战。

首先，测量是一件非常耗时费力的事情。实验室的全体学生在22个月的时间里将足迹覆盖了中国大部分高铁线路，累积里程可以绕地球2圈多，采集到了2.8 TB的宝贵数据。每次测量出发前，我们都会开一个誓师大会，会上每人都会领到一份提示要点多达30余条的操作指南，因为测量操作非常复杂，测量中要全程紧盯各种参数，完全没有合眼打盹的时间。会上每人还会领到一个可以折叠的小马扎，因为测量中经常不能坐在座位上，而是坐着小马扎挤在车头或车尾的狭窄缝隙里。

其次，测量工具开发难度大。一方面，多路径TCP性能受到列车车速、沿途地形、网络类型等多种因素的影响；另一方面，它还受到流大小、长度，拥塞控制算法的影响，我们需要设计一种尽可能采集所有影响因素信息的工具，开发难度很大。几届学生接续奋斗，经过了无数次调试，测量工具才逐渐完善。

充足的准备工作仅是冲击SIGCOMM的第一步，事实上这项工作先后在MOBICOM、NSDI等会议投稿中被拒，但是我们没有被审稿人“打倒”，更没有降低目标，而是越挫越勇，不断吸纳评审意见，工作日臻完善，终于得到了计算机网络顶级会议SIGCOMM的认可，我为我的学生们感到骄傲。

Q

问：互联网研究最大的挑战在于研究成果如何真正去影响工业界，面对这样的挑战，您是怎样做的？

徐恪：斯坦福大学教授尼克·麦基翁(Nick McKeown)有个观点，互联网体系结构很难修改，因为工业界有很强的动力维持现状，所以很难破局。他通过软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)努力打破局面。SDN的演进史就是一部创新技术与产业发展联合驱动前进的传奇，这也是值得我们学习的产学研结合的优秀案例。

我们的互联网体系结构研究思路是创新演进，也就是在保持互联网体系结构传送格式和分组转发方式等基本要素不变的情况下持续演进。在这个过程中，我们也注意和工业界紧密合作，密切关注业界需求，同时将创新成果向业界推广。我们提出的可扩展路由交换架构多项关键技术应用于华为、新华三的交换设备中。一直以来，我们和华为、新华三深入合作，紧密团结，共同攻关，开展互联网体系结构真实源地址的研究和在核心路由设备上的落地工作，相关研究成果也在第二代中国教育和科研计算机网(CERNET2)等网络开展了大规模的实验和验证。

Q

在未来5到10年内，您认为互联网体系结构方向存在哪些机遇，或者需要解决的挑战是什么？

徐恪：“未来网络”是“十四五”规划和2035远景目标纲要中一项重要的战略新兴产业。在互联网进一步与工业、制造、能源等物理世界深度融合的当前，互联网体系结构的核心技术也将随应用驱动蓬勃发展，互联网体系结构创新是必然趋势。尤其是近年来，人工智能、大数据、区块链、Web 3.0以及元宇宙的应用发展，一方面为互联网体系结构的创新提供了更多的技术储备，另一方面，也驱使互联网体系结构不断演进为海量业务提供多元化、个性化的服务。未来一段时间，除了在新型网络架构、寻址路由、内生安全等领域继续突破创新外，互联网体系结构还将向智能化、敏捷化、网存算一体化不断发展，从而支撑超大规模、人机物融合、跨时空壁垒的智能连接与服务，以满足车联网、远程医疗等消费型应用以及智能电网、工业互联网等生产型应用的不同需求。

互联网与经济和社会的深度融合，使得互联网体系结构在发展中面临的扩展性、实时性和安全性等问题更加突出，因为这是用户体验最明显、用户需求最迫切的技术挑战。未来5到10年，这些都是业界的研究重点。首先，人机物融合的未来网络带来的是万亿级的超大规模连接，多样化的接入终端和应用程序要求互联网体系结构具有更高的扩展性和灵活性，这背后还涉及超大空间的高效路由寻址问题。互联网从IPv4扩展到IPv6很大程度上缓解了可扩展性的问题，这也是我们持续推动IPv6广泛部署的一个重要原因。其次，诸如工业控制、远程医疗是未来网络的重要应用场景，这类生产型应用场景对于确定、精准的时延都具有很高的要求，比如远程手术要求网络数据传输的时延小于5ms，因此提供确定性的传输服务意义重大，目前产业界正在积极推动的时间敏感网络(TSN)就是采用时钟同步、数据调度等来实现确定性传输能力的一种新技术。最后，提升互联网体系结构的安全性对未来网络而言极为关键。多业务场景、多接入方式、多协议交互进一步增加了互联网安全威胁的攻击面，传统的打补丁方式要解决层出不穷的安全问题显然是力不从心的，由于互联网安全问题的根本原因也在于互联网体系结构设计上的不完备，从互联网体系结构本身出发进行安全加固，即内生安全的设计思路成为一种新方案，拟态结构、零信任网络在这一方面都进行了探索。自开始研究互联网体系结构以来，围绕扩展性、实时性和安全性的问题，我们也做了很多努力，取得了一些进步。比如我们从真实可信的角度出发开展了内生安全网络系统结构的相关研究，从协议交互的新角度发现了一系列的安全问题，未来我们仍将在这些领域开展持续的研究。

网络智能化直白地说就是网络可以提供智能服务，为此，学术界和工业界已经开始探索建立具有智能能力的互联网运行机制，企业和运营商也提出了诸如意图驱动网络、数字孪生网络和自动驾驶网络等新型网络架构。可以说，智能化可能是未来互联网体系结构研究中最核心的支撑之一。我们结合多年的研究积累和当前的发展形势，也提出了一种“理想智能网络”的概念，就是在兼容现有互联网架构的基础上，针对未来网络全息交互、精准感控、安全鲁棒等关键需求，依托智能技术对大规模数据的归纳表征能力，以及对未知场景的推演学习能力，以数据、模型、算力三方面的协作作为关键技术手段，构建全维知识面，支撑网络硬件层、知识逻辑层、业务场景层的一体化协同，进而满足未知网络场景的变化需求，使网络体系结构具备内生的学习进化属性，从而可实现面向实际网络业务的自我适应、面向重大攻击威胁的主动对抗等核心能力。目前，我们也开始了一些实践，比如开展了智能数据面和轻量级路由器的设计与实现，实验结果表明，智能数据面具有更精确的数据识别准确率，轻量级路由器具有更显著的业务处理效率。当然，这其中还有很多问题有待解决，比如如何全面兼容现有互联网体系结构，如何保证网络服务的有效性，如何尊重个体数据的隐私安全等，这些也是我们未来要继续深入研究的方向。

Q

您自2007年加入CCF会员，曾担任CCCF编委，长期活跃于CCF平台，您认为加入CCF会有哪些收获？

徐恪：回首我加入CCF的15年，很多难忘的美好瞬间还历历在目，从成为一名普通会员到承担一定的职责，整个过程中我都受益良多，这期间也见证了CCF的发展和壮大。CCF是一个学术共同体，它非常开放、包容，为科研工作者提供了广阔的学术交流平台。CCF非常注重会员参与，“会员构成、会员治理、为会员服务”的理念是CCF最大的特色。参加CCF活动，我们一方面可以在CCF中建立学术联系，增长见识，获取与业内优秀同行交流沟通和共事成长的机会，另外一方面通过参与学术共同体建设和学会各项事务，可以提升自身能力，在共治共事中获得自身更多的价值认同。

CCCF是CCF的旗舰刊物，每次阅读，我总能从中找到一些吸引我的文章，它们不仅具有科技含量，还很生动活泼，当然也丰富了我的知识，开阔了我的视野，给了我诸多启发。值此CCCF出刊200期之际，我衷心祝愿CCCF在主编刘云浩教授的带领下，更上一层楼，不断取得新突破。

徐恪

清华大学计算机科学与技术系教授、副系主任。他的研究领域包括计算机网络体系结构和区块链系统。

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