互联网50年的演进（1972-2022）

杰夫·休斯顿

APNIC首席科学家

让我们花点时间回顾一下50年前的1972年，以及当时的技术和电信环境。

01

从1972年开始说起

1972年的世界是由一组规模相对较小且价格昂贵的大型计算机组成的世界，这些计算机由一组全天候工作的计算机操作员操作，他们由专门的程序员指导，将意义不明的符号输入这些计算机的作业控制系统。在当时的普通家庭中，最复杂的家用消费设备是电视机，一个模拟设备。时钟仍然使用发条运行。然而，变化正在发生。载人航天令人着迷的技术成就不仅拓展了整整一代人的想象力，而且让我们得以一窥技术的力量和效用。

1970年代的大型计算机

在计算领域，摩尔定律在过去的50年里确实让人吃惊。大型计算机变得性能更强、速度更快、也更便宜。与此同时，我们正在制造的计算机不一定更快，也不一定性能更强，但却更小、更便宜。这些小型计算机在尺寸、成本和易用性方面逐渐完善，直至成为个人消费产品。

与此同时，计算机网络也在发生变化。它们最初的目的是：通过使用远程外围设备来扩展计算机的使用范围。首先是读卡器和打印机，然后是终端。然而，这是一个不稳定的情况，随着网络和外围设备的成本增加，每次更换大型计算机供应商时，就不可能扔掉所有东西。

而随着小型计算机的引入，我们要讨论的不再仅仅是大型计算机。网络开始用于互连一组计算机和外围设备。我们需要开放标准来驱动这些网络，让网络与外围设备交互，从而使网络在计算环境中扮演更核心的角色。

1990年代，作为消费产品的计算机市场的发展势头对技术领域的架构产生了影响。我们开始区分大型机服务器和围绕它们的个人计算机客户端集合。计算机通信网络也做出了这种区分，与以相同的方式看待每个用户的电话网络不同（电话网络本质上是一个真正的“点对点”网络），计算机网络开始考虑一种新的网络架构，对客户端和服务器进行根本的区分。计算机网络开始将网络的一些基本服务，例如通用域名服务和路由系统，合并到这个扩大的网络概念中，而客户端则是网络服务的消费者。从某种意义上说，1990年代，计算机网络从电话范式向更接近广播电视的范式转变。

1990年代的电脑Electronics MK-106，内存为32KB。

然而，网络模型向客户端/服务器模型的变化也给网络环境带来了一系列更根本的挑战。正如计算机现在是消费设备一样，计算机通信此时正在进入公共事业服务领域，挑战电话网络的地位。虽然电话世界希望将其视为集成到现有电话环境中的另一个应用程序，就像传真系统在1970年代和1980年代被吸收到电话空间一样，但计算机世界的服务模式却与电话世界完全不同。

在电话垂直捆绑业务的世界中，网络容量很大程度上取决于电话机的部署，因此网络配置是一个完全在电话网络运营商控制下的确定性过程。在1990年代新兴的互联网客户端/服务器模式的非捆绑模式下，网络的容量需求由消费者市场的行为决定，消费者需求与网络服务的耦合成为互联网市场的功能。

到2000年代，网络服务器端提供的服务出现了扩大规模的竞争。消费者快速增长的带宽需求与扩展服务基础设施和连接网络容量的相应投资水平不相匹配。由于不存在精细的定价模型，网络服务“包月制”接入资费加剧了这一问题。用户更多的消费并没有伴随更多的经营收入，这反过来意味着更多的基础设施是通过增加服务和基础设施提供商的债务水平来完成的。

我们已经将通信基础设施的参数从紧密耦合的经济体中转移出来。在通信基础设施这种经济体中，用量的增长直接转化为基础设施提供商的额外收入，进而为建设更多基础设施提供资金。在这种新的非耦合经济模型中，只有更多的用户才能产生更多的收入，而不断升级的带宽只能通过不断增加的新用户（可能是低消费用户）来建设更多的基础设施从而获得更多资金。这听起来很像一个巨大的金字塔计划。

而这就是1990年代后期的ISP（互联网服务提供商）行业！

到2000年代，网络服务器端提供的服务出现了扩大规模的竞争。

这种环境创造了一个反馈循环，扩大了对服务基础设施的需求。不仅仅是金融模型承受着巨大的压力，技术模型也面临着压力。托管在单一平台上的服务不堪重负，连接这些服务的网络基础设施也完全不堪重负。

解决方案是改变服务基础设施的技术。我们开始利用服务器集群和数据中心、交换机和网关，以及将服务提供商分层。我们再次尝试了多协议标签交换（MPLS）和虚拟专用网络（VPN）形式的虚拟电路，以及其他相关形式的网络划分。同时，由于服务容量的提升往往落后于客户群体的需求，我们尝试了各种各样的方法提升服务质量，以对处于竞争中的网络资源进行选择性配给。

到2000年代后期，最根本的的变化也许是内容分发网络（CDN）的出现。CDN不是将所有客户端带回单个中心服务器上，而是转向将服务复制到更接近服务客户端的模型。通过这种方式，客户需求仅在接入网络内表达，而网络内部则用于向边缘服务中心提供更新。实际上，互联网已经实现了基于边缘的分发机制，与以前将用户带回服务的通信模型不同，这种机制可以将服务带到更靠近用户的地方。

这恰逢其时，因为随着2007年苹果iPhone的问世，需求曲线发生了巨大变化。移动互联网行业被迫面临需求的增长，比个人计算机联网的需求高出三到四个数量级。每秒千比特的速度不能满足需求，客户需要数兆比特来完成在移动设备上创建的沉浸式环境。

2007年苹果iPhone问世

在过去的50年中，网络基础设施也发生了深刻的演变。我们采用以太网本地网络使用的以数据包为中心的网络模型，并将其推向高速远程基础设施中。几十年来，我们没有构建额外的同步数字体系（SDH）管理电路容量，而如今，互联网的分组交换机直接连接到传输结构。然而，在所有这些转变中，我们仍然使用互联网协议（IP）来操作这些数据包。

为什么会出现这种情况？这种情况是如何发生的？互联网协议的真正天才之处在于将应用程序和内容服务环境与底层传输结构的特征分开。每次当一种新的传输技术诞生时，我们都可以将互联网协议映射到上面，然后让整个已安装的支持IP的设备群无缝地使用这种新的传输技术。

从点对点串行线路到以太网系统，再到光纤分布式数据接口（FDDI）、分布式队列双总线（DQDB）和无线电系统等环形系统，每次我们都能够在不改变应用程序或服务环境的情况下，在IP级别快速集成这些技术。这不仅在连续几代通信技术中保持了对基于互联网的技术的投资价值，而且随着互联网的使用和用户的增加，其价值也随之增加。

现在，这使我们能够展望未来50年的通信技术。50年在某些方面是一段很长的时间，但在其他许多方面可能并没有那么长。而跨越多个世纪的转变往往会摆脱以前的每一处痕迹，营造出全新的环境。但目前尚不清楚关于未来50年的技术预测是否遵循这个规律。

可以说，当今技术世界的大部分画面都可以在1971年或更早的时候想象。移动电话转变为这些“智能”设备是1970年代初期的一个明显趋势。随着硅处理技术的逐步改进，计算技术发生了变革，诞生了具有数十亿个独立门的集成单芯片处理器，功耗极低，时钟速度极高，而且不需要从根本上重新考虑计算机的内部结构。设计可能已经缩小，但其设计逻辑基本保持不变。

关键是，在大约50年后成为主导因素的“种子”在1971年的世界里是显而易见的。以同样的思路断言，在这个通信环境中，50年后世界的主导因素“种子”可能就存在于今天的世界里。问题是，我们今天拥有的思想“种子”并不唯一，真正的挑战在于，如何在当前的世界里区分出重要的和次要的东西。

因此，尝试描绘50年后计算机通信环境的详细图景也许毫无意义。但是，如果我们仔细研究一下细节，也许可以找到塑造未来的驱动因素，并根据塑造当前世界的驱动因素来选择这些因素。

02

是什么推动了今天的变革？

更大

当我们停止运营垂直整合的通信服务提供商，并利用市场力量来松散地耦合供需时，我们成功地释放了一波又一波急剧上升的需求。过去我们使用每秒千比特倍数的语言查看电话通信，今天，对话的单位不是每秒兆比特或千兆比特，而是每秒兆兆比特。

例如，跨越太平洋海底并连接美国和新加坡的GoogleEcho光缆由12对光纤构成，每对光纤的设计容量为12Tb/s，共有144Tb/s的总光缆容量。谷歌的Dunant光缆系统在整个大西洋提供250Tbs的总容量，并将由352Tbps的Grace Hopper光缆系统进行扩容。我们竭尽所能构建更大容量的传输系统，包括使用光子放大器、波长多路复用、结合相位/振幅/偏振调制，并将数字信号处理提升到极致，以显著提高光缆容量。

摩尔定律可能是惊人的，但坦率地说，消费设备在以更快的速度增长。自2015年以来，消费量每年都在增长。2020年，我们售出了约14亿台移动互联网设备。巨大的消费量和巨大的功能推动了更沉浸式的内容和服务。如何为所有客户提供内容？如今，我们已经成为服务器和内容聚合方面的专家。内容分发网络致力于为客户端提供服务，其规模和速度与这些最后一英里接入网络的容量相匹配。

当我们考虑“更大”时，重要的考虑因素不仅仅是人类对网络的使用。分组网络是一个计算机网络，使用领域包括物联网这个新兴世界。当我们审视这个世界时，我们有两个问题似乎无法回答，至少不能精确地回答：今天有多少“东西”在使用互联网？明天将有多少人会使用互联网？

对于当今互联网的设备数量有多种估计。约200到500亿台设备的数字存在一些共识，但这些都依赖于各种估计，而不是更可靠的分析测量。微处理器的年产量达到数十亿台，该行业的增长预期不确定，但总体来说非常高。

这背后的观察结果是：随着互联网规模的扩大，互联网不再取决于人口数量和使用水平。互联网的发展不再受限于人口增长，也不再受限于人类一天清醒的时间。网络正在改变，以服务于基于充裕模型的计算机设备集合。这些设备具有充裕的处理能力，充裕的存储，充裕的网络容量。我们也许不明白“更大”在需求方面的真正含义，我们能做的最好的事情就是过去几十年里一直在做的：尽可能快地部署资金、专业知识和资源。我们似乎仍处于努力跟上需求的阶段，无论构建多大的网络，使用模式已经证明有能力使其饱和。

更快

在构建更大网络的同时，我们希望，无论是连接设备和客户端的数量，还是网络传输的数据量，都能以更快的速度通过网络推送。

我们一直在部署更大容量的移动边缘网络，对于许多消费者来说，甚至3G现在看起来都慢得无法接受。通信行业正在推动5G系统的部署，该系统据称可以以10Gb/s峰值速度将数据传输到端点。但目前这可能只是一个极端环境下的测量结果，与消费者的合理预期不符，即这些移动网络现在可以为连接的设备提供每秒100兆比特的数据。

在有线世界中，DSL（数字用户线路）技术以及通过传统电信双绞线铜线对的传输形式如今在很大程度上已无关紧要，并且传统铜线基础设施接入技术的持续使用正在减少。我们正在用光纤重新部署有线环境，用来描述这些有线服务容量单位的语言正在从每秒兆比特变成每秒千兆比特。

但速度不仅仅是传输系统的速度，而是传输本身的速度。在这里，不变的物理定律开始发挥作用，发送方和接收方之间不可避免地存在信号传播延迟。如果“更快”不仅仅是更大的带宽，而且是系统对客户端的“响应”，那么如果想降低延迟和提高容量，实现这一目标的唯一方法是减少每次传输的距离。如果从边缘提供内容和服务，那么双方之间不可避免的延迟就会急剧下降。由于协议对话速度更快，因此系统响应速度更快。

但是，使网络更快的方法不仅仅是将服务移近客户端。我们一直在研究客户端和网络之间复杂的协议交互，将用户的“点击”转换为可见的网络响应。我们正在努力提高协议的效率，让客户端和服务器之间以更少的交换次数完成传输结果。这意味着一个响应速度更快的网络。

同时，我们还尝试从网络传输中移除长途传输元素。通过预测内容数据中心交付点的需求和预先配置内容，可以消除与距离相关的不可避免的容量瓶颈。在网络术语中，“更近”对于“更快”至关重要。这并不是“更快”的全部需求，但如果发送者和接收者之间没有紧密的距离，“更快”是不可能的。

 更快的网络的要素 

增加“最后一英里”接入网络的带宽容量。

将所有形式的内容和服务交付推入高度复制的内容分发网络。

增加内容分发点的密度，使服务器和服务更靠近用户。

预先提供内容，以便整个服务交易发生在最后一英里接入网络上。

设计应用程序环境以提高响应速度。

提高传输协议的协议性能。

更好

这是一种更抽象的品质。但如果“更好”意味着“更值得信赖”和“可验证的真实性”，那么看起来，我们在这项最具挑战性的任务中取得了进展。

HTTPS或加密和认证内容会话的使用在当今的Web服务环境中几乎无处不在。比如，我们致力于通过在安全传输层协议TLS1.3中的TLS客户端Hello消息中使用加密的服务器名称，来关上TLS协议中最后一个打开的明文字段。我们甚至通过Oblivious DNS（隐蔽式DNS）和Oblivious HTTP（隐蔽式HTTP）协议提出更进一步的方法：任何其他方，甚至是服务运营商，都无法知晓客户端身份和正在执行的交易之间的关联。这意味着除了客户之外没有人事先知道身份和交易的关联。

内容、应用程序和平台部门都热情地参与了隐私和真实性议程，网络在多大程度上是隐式可信任的问题已经不再重要。如果网络一开始就没有能力获得特权信息，那么网络是否可以信任这些信息的问题就不再重要。这个信任问题包括负载、事务元数据（例如DNS查询），甚至传输协议的控制参数。在当今的网络中，我们采用的所有网络基础设施都被视为不可信的立场，为用户和他们选择使用的服务提供“更好”的结果。

这很可能是不可撤销的一步，服务、应用程序、内容与底层平台和网络框架之间的隐含式信任将一去不复返。一旦证明这种级别的信任正以各种方式被滥用，应用程序和服务环境就会采取所有必要的措施来密封每一个潜在的暴露点和数据泄漏点。

这是一个不可后退的立场。“内部偏执狂”的理念出现在协议栈的各个层级，栈的每一层只向其他层公开功能上最小的一组信息，而这些信息是完成请求的事务所必须的。这一概念现在已经牢牢扎根于网络设计运营和应用设计的模式中。

更便宜

我们似乎正在过渡到一个拥有充裕通信和计算能力的环境。同时，这些系统具有显著的规模经济。例如，传输系统的转变将传输系统的承载能力提高一百万倍，并没有导致光缆系统的价格上涨一百万倍，在某些情况下，更大系统的资本和运营成本实际上逐年下降。结果是每单位距离的每比特成本因此直线下降。

这种充裕也导致了每笔交易费率的下降。虽然可以对一封信收取一分钱的邮费，或者为一个电话按分钟收费，但网络交易的单位成本通常非常小，因此不可能生成基于成本的数字服务交易费率模型。

与此同时，我们缩小了网络，使得越来越多的服务交易是本地的。正如我们已经观察到的，CDN模式的兴起改变了互联网。通过在每个边缘附近预配置内容，服务器到客户端的后续按需事务可以在很短的距离内完成。更短的距离不仅让服务交易的速度更快，而且建设和运营成本也更低。距离越短，耗电越少，并具有超强的信噪比特性。传输效率的提高也意味着更低的成本。

然而，这不仅仅是降低成本。其中一些服务是间接收费的，对消费者而言，它们的运营没有给用户带来任何可见的成本。例如，在谷歌搜索引擎上进行搜索时没有任何用户付费。它对用户是免费的。显然，这项服务是通过广告收入间接产生效益的。这种广告收入之所以成为可能，是因为谷歌收集了丰富的用户资料，并通过广告活动管理将这些资料信息出售给广告商。如果个人用户试图向广告商推销他们的个人资料，这项业务就会失败。当用户信息被汇聚成一个大的集合时，这个集合就成了非常有价值的资产。

可以说，互联网的大部分服务环境是由服务提供商提供资金的，这些服务提供商将集体资产资本化，而单独资本化是不可行的。其结果是变革性的，因为以前只有少数特权人员可以使用的奢侈品服务，现在已经转变为面向所有人的大众市场商品服务。它不仅可以提供更低的价格，在许多情况下，它是完全免费的。

03

更大、更快、更好、更便宜

人们常说，在通信行业，不可能同时满足所有这些目标：更大、更好、更快、更便宜。不知何故，互联网的数字服务平台却能够提供所有这些参数。它是如何做到的？

我们构建服务平台以满足越来越大的负载和不断下降的成本参数，不仅仅是通过构建更大的网络，而是通过改变客户访问这些服务的方式。我们已经在很大程度上停止在网络中一路推送内容和交易，而是从边缘提供服务。

从边缘提供服务减少了数据包里程，降低了网络成本，并提高了响应能力，从而提升了速度。这些似乎是未来几十年的驱动因素。

这不是一个更华丽、更实用、更“智能”的网络。这不是一个巴洛克式装饰的“新IP”网络，或任何与之接近的网络。这些因素代表了所谓“更智能”网络属性的完全对立面。通过将功能从网络中剥离，我们剔除了常见的成本要素，并将它们推到连接的设备上，而计算行业显然正在用更强大的设备来响应，这些设备可以轻松承担这些功能。通过将服务推向网络边缘，我们进一步边缘化了公共共享网络在提供数字服务方面的作用。

这些因素似乎是推动计算机通信和数字服务未来50年发展的主要因素。

04

长期趋势

这一切将向何处发展？看起来似乎是要构建更大、更快、更好和更便宜的网络，然后将越来越多的网络功能从网络内部传递出去，并将它们以复制的方式转移到网络的所有边缘，通过驻留在与所有客户端相邻的一组位置来实现。

我们似乎已经将传输和计算从稀缺而昂贵的资源转变为丰富而廉价的商品，这意味着共享公共资源不再是服务交付的重要组成部分。我们积累了如此多的传输、计算和存储，以至于不再有动力使用公共网络将客户带到遥远的服务交付点。相反，我们正在使用预先准备的服务，并将这些服务转移到客户端，内部网络被用于支持这种服务复制，以同步所有边缘服务交付点。

这反过来又预示着一个更显著的变化，即：应用程序不再是远程操作服务的窗口，应用程序正成为服务本身。将服务定位在离客户更近的位置的愿望最终引出这样一个问题：如果可以直接在客户端的设备上提供服务，为什么要在与客户端相邻的网络点上提供服务？

而这又引出了关于通信领域未来50年的两个基本问题。

在这一切结束时，共享网络仍然重要吗？

我们观察到的趋势是：从网络中剔除成本和功能，然后将它们加载到终端设备上。这为我们提供了更低的成本、更高的速度和更大的服务灵活性。那么，这个趋势什么时候停止呢？当我们将所有东西都推到边缘设备上时会发生什么？网络及其作用还剩下什么？

更关键的是，虚拟电路、数据包和公共网络的整个概念构成一种认知，即访问共享通信基础设施，比每个应用程序和每个客户端都访问自己专门的基础设施更有效。电路和数据包之间的区别在于如何共享公共资源，但两者都没有从根本上质疑是否需要共享。

然而，在当今网络基础设施中，共享基础设施看起来似乎有些过时。在海底光缆行业，最大的内容企业正在放弃共享基础设施模式，安装全资光缆。数据中心是另一个例子，其中最大的内容分发企业运营着完全专用的基础设施。

我们有理由思考这一切将如何发展。共享仍然重要吗？或者，共享是对特定情况的响应，而不是对其他情况的响应？这个问题的答案并不明确。但最初的网络公理，即网络是共享公共传输资源的一种方式，与50年前相比，现在已经不那么明显了。

互联网呢？

在这一切中，是什么定义了“互联网”？

我们曾经声称“互联网”是一个公共网络、一个公共协议和一个公共地址池。任何连接互联网的设备都可以向互联网中任何其他设备发送IP数据包。这就是互联网。如果你使用互联网地址池中的地址，那么你就是互联网的一部分。这个公共地址池从本质上定义了什么是互联网。

如今，情况却并非如此。随着人们继续破坏网络、协议框架和地址空间，甚至破坏名称空间，还剩下什么来定义“互联网”？可能互联网作为一个统一概念所剩下的，只是对共享通用引用机制的不同服务集合的某种模糊表述。

但是，我希望接下来的50年也是一段激动人心的旅程，就像互联网在过去50年中的表现一样。我们一次次扩展了对这项技术的认知，并完成了惊人的技术壮举。在接下来的50年中，我希望我们能做到更多！

作者：杰夫·休斯顿（APNIC首席科学家）

来源：APNIC

翻译：杨望

责编：项阳

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