希望到2030年，中國的網絡研究者，CERNET的工作者，也能取得世界領先的成果，自豪地說出這句“我們做到了”！

　　——李星

李星 CERNET網絡中心副主任、清華大學教授

互聯網技術進化：IPv6將成為新熱點

　　誰更偉大？科學家還是工程師？

　　對很多領域來說，科學家發現了自然界的規律，而工程師在理解它之后，再依據規律去實現各種工程。這樣看來，科學家的角色更重要。

　　但也有一個例外，那就是互聯網。因為TCP/IP網絡協議是工程師設計的，相當于創造了一個新的定律。實際上，無論是牛頓還是愛因斯坦，科學家們把物理空間中存在的某種規律發現出來，但真正規律的締造者其實是自然界。而與物理世界相對應，網絡則全然不同。在網絡的世界中，工程師充當了“自然界”的角色。

　　但比起自然界，工程師創造互聯網似乎更難，因為工程師是人，而人對問題的理解力總是有限的。

　　互聯網是沒有“設計藍圖”的，從誕生之日起，就在一步一步演進，擁有“設計原則”和“技術組件”這兩個屬性。

　　設計原則

　　互聯網的本質是無中心的分布式系統，可以說，這是互聯網“以不變應萬變”的設計原則。

　　1964年，美國的保羅·巴蘭(Paul Baran)提出分組交換概念，其核心就是分布式無中心的拓撲結構。

　　1972年，法國的路易·普贊(Louis Pouzin)提出Cyclades網絡結構。他認為，用戶終端不應該相信網絡是可靠的，因此網絡可以不完美(也不可能做到完美)，由此產生了互聯網的主要設計原理：盡力而為，端到端。

　　1978年，溫頓·瑟夫(Vint Cerf)等互聯網先驅將原始的互聯網傳輸控制協議(TCP)的功能分為兩個協議：TCP和IP，最終形成了著名的TCP/IP的沙漏模型。

圖1 TCP/IP 沙漏模型

　　具體來看，互聯網設計原則可以總結如下(詳見RFC1958)：

　　1.網絡協議必須適應異種機之間的互聯；

　　2.依靠標準選擇某一個方法；

　　3.具有很好的擴展性；

　　4.找到性能、成本和所能實現的功能的平衡點；

　　5.保持簡單性；

　　6.模塊化；

　　7.不要等待找到完美的解決方案；

　　8.盡量避免選項和參數；

　　9.在發送時應嚴格，在接收時應寬容；

　　10.小心處理自己沒有請求而收到的分組；

　　11.避免循環依賴性；

　　12.對象應該能夠自我描述，必須使用由IANA授權所使用的編碼；

　　13.任何協議都應使用統一術語、注釋、比特和字節順序；

　　14.只有當實現了幾個能夠運行的程序后，Internet的協議才能成為標準。

　　技術組件

　　互聯網的“組成模塊”是指具體的技術。由于有了不變的設計原則，互聯網的組成模塊一步一步演進。如果以十年為一個周期，在互聯網的不同發展階段，有著不同的代表性技術熱點。

　　1970年代，最重要的技術是NCP；

　　1980年代，最重要的技術是TCP/IP；

　　1990年代，是DNS、BGP；

　　2000年代，WWW出現，最重要的技術則是HTTP；

　　2010年代，因受斯諾登事件影響，加密的HTTPS廣受關注；

　　現在是2021年，預計IPv6相關技術模式將成為2020年代，也就是下一個十年的熱點。

　　這其中最主要的原因，就是IPv6擁有豐富的地址資源。隨著互聯網的發展，IPv4的地址枯竭，很多應用受限于IPv4的地址數量。

　　根據美國科學基金會在2016年的一項預測與比較顯示：1980年代，每十人平均擁有一臺計算機；到2016年，每個人平均擁有十臺計算機，而到2051年，大約每個人平均將擁有一千臺計算機。

圖2 IPv6地址空間

　　如此大量的地址需求給了IPv6大顯身手的機會。而當前，我國正加緊推進IPv6規模部署的國家戰略，我們能否把握這個難得的機遇，掌握未來的網絡核心技術？

　　標準制定

　　信息技術的發展速度非常快，而互聯網發展卻相對穩定：IPv4形成于1983年，至今變化不大；BGP4確定于1993年，現在仍然在使用，沒有出現像BGP5等新版本。這就不像移動通訊領域的2G、3G、4G，到現在的5G，不斷更新迭代。這源于TCP/IP等互聯網協議的穩定性。在穩定的基礎上，才能不斷擴大規模，達到全球互聯互通。

　　互聯網的穩定發展基于互聯網標準的制定，標準制定大概遵循以下幾點原則：

　　1.開放參與。任何個人都可以向IETF提交標準草案（Draft）。標準決策過程中的多元參與增強了多利益相關方的合法性。例如，業界一直以來提倡的“open source（開放源碼）”正是遵循這一原則。

　　2.流程透明。從草案（Draft）到標準（RFC），全程記錄郵件收發并公開會議記錄。如果你要在互聯網上做點事，符合透明開放，就能經得起考驗。

　　3.公開發表。通過IETF網站向全社會免費發布RFC。流程透明、公開發表提供了公眾監督及問責的機會。

　　4.免費使用。標準制定者自愿放棄專利，免知識產權費。互操作性促進互聯網的創新和變革。從專有協議到提供了互操作性的開放的互聯網標準，是一場顯著的社會技術變革。

　　免費發布和免知識產權費的互聯網標準，提供了開放性和互操作性的傳統。正是這種始終如一的開放性規則，促進了互聯網軟硬件創新的飛速發展。

　　同時，互聯網標準制定的關鍵詞還有“開放”、“自下而上”、“技術自愿釆用”、“功能互操作性”、“全世界可達”等特性。

　　還有兩個關鍵詞非常值得一提，那就是：“能夠競爭的時候就盡量競爭”，“只有需要合作的時候才合作”。因為經過競爭打拼出的標準才具備生命力。

　　從互聯網發展的歷史看，真正的創新需要具備五個因素：“叛逆的思想”、“大的戰略背景”、“充足的經費”、“市場經濟的驅動”，以及“精英團隊”。

教育信息化網絡：要留足創新空間

　　架構設計

　　在《教育信息化中長期發展規劃（2021-2035年）》和《教育信息化“十四五”規劃》的編制過程中，我們總結出新一代教育信息基礎設施架構，其設計包含的元素有“兩個設施，三個平臺，兩個體系”。

圖3 新一代教育信息基礎設施架構

　　在最底層是以“TCP/IP”為基礎的網絡基礎設施，其上是以云服務為代表的數據服務設施，它們通過技術的整合和演進為上層平臺提供越來越強的通訊能力、計算能力和存儲能力。在支撐運行體系和綠色安全體系的賦能之下，全面支持科研平臺、教學平臺和創新平臺這三大應用平臺的建設和發展。

　　這三個平臺采用“網絡切片(專網)”的設計理念。專網的特性有：統一和分級管理的TCP/IP網絡，統一分配的IP地址，統一管理的域名，保證網內信息傳輸的服務質量，與公眾互聯網之間設立明確的管理邊界。

　　但專網并不封閉，用戶可通過專網接入公網，訪問到合適的網絡資源；同時，又可以擁有一個獨立于公網的“空間”，為利用網絡自主創新提供條件。

　　發展趨勢

　　網絡發展，特別是教育網絡信息化的發展，預計將呈現以下趨勢：

　　首先，專網和公網融合。疫情期間，大規模的“停課不停學”居家學習，讓我們更加深入思考教育專網的內涵。未來，教育專網應該是無處不在的，專網和公網的融合是大勢所趨。

　　網絡和數據融合。未來網絡基礎設施和數據服務設施之間的交互會加強。

　　現實和虛擬融合。當前的熱點“數字孿生”(DigitalTwin)，就是以數字化方式，對某一物理實體進行虛擬仿真。

　　此外，教學和科研融合，科研和創新融合。這和教育信息基礎設施架構所提到的科研平臺、教學平臺和創新平臺相一致。

　　最后，還有科學和人文融合，歷史和未來融合，學校和社會融合，中國和世界融合等趨勢。盡管當前我國面臨著嚴峻復雜的國際變局，但考慮到“構建人類命運共同體”等政策方針，教育網絡的全球化發展仍然不可逆轉。

　　衡量指標

　　在疫情防控的實踐應用中，我們總結出新一代網絡基礎設施需要具備的三個特性：

　　1.“服務質量可測性”，包括實時應用支持、自動調度等；

　　2.“安全風險可控性”，既能合規，又能發展；

　　3.“應用演進可行性”，也就是要留足可演進、快速迭代的空間。

　　而新一代教育信息化中的網絡基礎設施有如下衡量指標：

　　1.優于公網的訪問質量，尤其是訪問科學數據庫、教育科研信息相關資源；

　　2.體現教育網的特殊性，擁有公網無法訪問的信息資源；

　　3.超高性能信息傳輸，包括高性能計算(High Performance Computing，HPC)等；

　　4.開放的創新環境，包括創新項目、教育專網(大學)、開源信息共享等，一定要給大學校園提供創新的空間。

教育信息化應用：遵循三個準則

　　教育信息化從某種意義上看，比做網絡還要難。供求不對稱可能是系統開發中最大的問題。

　　中國有一句老話，叫做“知難行易”，用戶常常對于信息系統的真實需求描述不清。用戶真正想要什么？系統的開發者能不能領會他的需求？

　　對信息系統開發制作，我的三準則是：歷史記錄、進化空間、學習曲線。每一個準則都需要回答一個拷問。

　　歷史記錄

　　10年，100年后，1000年，10000年……后的考古學怎么看現在？

　　在考古界和人類文明史中，有“缺失的鏈環(Missing Links)”這樣的描述。比如，鳥類，大家認為是從恐龍進化而來的，但很少找到化石。在這個進化過程里，發生過的環節消失了，不留痕跡。

　　人類進入計算機時代后，隨著存儲設備的升級，軟件的版本更新，很多歷史記錄無法再讀取或運行，“缺失的鏈環(Missing Links)”現象更加廣泛存在。這意味著可能目前所有互聯網上的內容都會變成“缺失的鏈環”，很難想象未來的考古學家面對這種情況會做出何種反應。

　　在學校的信息化中，這種情況也處處可見。比如學校的網頁，我們還能找到過去某個時刻的網頁情況嗎？可能很多學校都找不到了。做好教育信息化應用，一定要注重歷史記錄，要對得起歷史。

　　IETF的RFC、HTML、TeX、UNIX等都是較好的注重保存歷史記錄的信息系統設計案例。我們由此總結出應用系統的框架設計思想：簡化最常見的任務，讓不常見的任務不至于太麻煩。很多時候人們花了很多時間卻抓不住重點，因為他們想取悅所有人。但關鍵在于我們不可能取悅所有人，只能明確哪些人最重要；只為80%設計；給內容創建者最大的權利；默認設置智能化。

　　而如果信息系統的設計面臨矛盾的話，要遵循這樣的優先級：用戶第一，文檔的作者第二，程序員第三，標準第四，理論的完美性排在第五。無論何時，用戶的優先級是最高的。

　　真正好的信息系統一定是頂尖的人寫的。在一流大學，信息系統使用者是一流的學者和學生，如何為他們提供好用的信息系統？如何創造出用戶喜歡的產品？

　　答案有：從制造簡潔的產品入手；保證自己愿意使用；設置默認值，而不是限制用戶使用；無論何時，都要使用自己的軟件。

　　微信創始人張小龍說的一句話，我非常認同，他說：如果解決方案非常復雜，那一定是問題錯了。真正好的應用，解決方案一定是優雅簡單的。

　　進化空間

　　有沒有做與當前主流不符合的研究的空間？能不能在大家都不看好的時候就能專注一項研究？

　　以IPv6過渡技術實踐為例。2017年底，中共中央辦公廳、國務院辦公廳發布了《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》，提出大規模部署IPv6的國家戰略。

　　但IPv6過渡技術實踐之路卻并非一帆風順。當年，純IPv6網絡、IPv4/IPv6翻譯的技術路線并未得到足夠認可，無論從IETF的技術建議還是各國政府的政策都是雙棧模式。

　　有意思的是2020年，美國管理和預算辦公室（OMB）發布了IPv6部署和使用指南。盡管指南比中國的IPv6規模部署行動計劃晚了不少，但它卻明確提出，雙棧模式未來將難以維護，要向純IPv6網絡遷移。現在回頭看，純IPv6是未來的必然趨勢。CERNET從一開始就頂著各種非議一直堅持純IPv6網絡的建設，這一步無疑是走對了。

　　這就說明了，互聯網技術發展的速度比任何政府能夠控制的都要快。這也同樣帶給我們啟示：一方面，做研究、做戰略要有超前的眼光；另一方面，要有自主創新的空間，能跟得上網絡技術發展的腳步。

　　學習曲線

　　需要重新學習另一種技巧，而不是新的知識和智慧嗎？

　　我們需要思考的是，在信息系統、軟件的迭代更新中，用戶為達到同樣的目的，是需要浪費時間學習另一種“技巧”，還是真的在學習新知識、新智慧？

圖4 人類文明金字塔

　　在代表人類文明的金字塔中，從下往上，依次是“數據”、“信息”、“知識”，最頂層是“智慧”。目前來說，教育信息化處理數據沒問題、處理信息也沒問題，但能否處理知識、智慧？還是一個問號。

掌握核心技術要重視基礎研究

　　目前，教育網的藍圖中有四張網：CERNET、CERNET2、FITI和教育專網。令人振奮的是，其中至少有三張網已經落實。除CERNET（IPv4）、CERNET2（IPv6）外，未來互聯網試驗設施FITI（Future Internet Testing Infrastructure）也可以稱為CERNET3，已進入建設階段。

　　與CERNET、CERNET2以學校為接入單位相比，FITI還有一個新特點，就是能延伸到實驗室，延伸到院系，延伸到教研組，更好地進行創新。另外，教育專網建設方案正處于審批流程中。

　　從互聯網技術和教育信息化的發展歷史來看，如何才能掌握互聯網核心技術，是一個經久不衰的話題。回顧CERNET的發展歷程，我們會明白這樣一個道理：要注重基礎研究，只有注重基礎研究才會產生偉大的想法；也只有基礎研究才能產生大師級的人物。希望CERNET，CERNET2，FITI（CERNET3）這三張網能創造這樣的環境，讓偉大的想法和偉大的人物誕生。

　　在CSNET舉辦的亞洲接入互聯網35周年紀念座談會上，有互聯網先驅指出：

　　TCP/IP和Unix在一開始都不是明顯的贏家；網絡的國際需求強勁，但費用、電路稀缺等因素障礙了相關進展；另外，由于美國政府的參與，將非美國機構連接到網絡需要政策審查，等等。

　　總之，將互聯網接入國際的過程非常不容易，但如今回顧歷史，他們卻可以自豪地說出“And yet——We did it！（我們做到了）”！

　　這也是我對中國互聯網研究的期盼，希望到2030年，中國的網絡研究者，CERNET的工作者，也能取得世界領先的成果，自豪地說出這句“我們做到了”！

　　本文根據李星教授的報告《歷史和未來：互聯網技術和教育信息化》整理。

　　整理、責編：項陽