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互联网发展的成功经验，以及面临的挑战

news 来源：原创 2024/5/2 17:48:18

导读：随着信息技术与互联网的发展，人们提出了十个预测性的定律，其中四个重要的定律是摩尔定律、吉尔德定律、麦特卡尔夫定律与新摩尔定律。

作者：陈新宇罗家鹰江威邓通等

预测互联网发展的重要定律

摩尔定律

英特尔公司（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon E. Moore）在1965年应邀为《电子学》杂志35周年专刊撰写了一篇题为“让集成电路填满更多元件”的文章，对未来十年半导体元件工业的发展趋势做出预言。他对收集到的数据进行分析之后发现了一个集成电路芯片的集成度与时间关系的变化规律。1975年经过修正后的表述为：“每过18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半”，也有人将其表述为“每过18个月，微处理机的处理速度将提高一倍”。这就是人们在描述信息技术，尤其是研究集成电路与计算机硬件技术发展趋势时常提到的“摩尔定律”。

计算机界从集成电路芯片的集成度对计算机的计算能力影响的角度做出的推论是：“每过18个月，计算机的计算能力将提高一倍”。这就意味着计算机运算速度每5年会快10倍，每10年会快100 倍。同等价位的微处理器越来越快，同等速度的微处理器越来越便宜。这个规律也适用于描述存储器的发展趋势。

吉尔德定律

1995年，美国经济学家乔治·吉尔德（George Gilder）预测：在未来25年中，主干网的带宽将每6个月增加一倍。这就是吉尔德定律。乔治·吉尔德认为，正如20世纪70年代昂贵的晶体管在如今变得如此便宜一样，如果当前还是稀缺资源的主干网带宽有一天变得足够充裕，那么人们上网的费用将大幅度下降。

吉尔德定律认为，主干网的增长速度比CPU增长速度快。只要将廉价的网络带宽资源充分利用起来，就会给人们带来巨额的回报，未来的成功者将是那些更善于利用带宽资源的人。这个定律已被很多基于互联网的应用所证实。

麦特卡尔夫定律

大约在1980年，以太网发明人鲍勃·麦特卡尔夫（Bob Metcalfe）指出：网络的价值与网络用户数量的平方成正比。

这里需要注意以下两个问题：

1）网络的价值与它的应用直接相关。

在麦特卡尔夫定律提出时，互联网的应用以E-mail为主，随着互联网中Web、讨论组、社交网络、聊天室、博客、微博、微信、搜索引擎、网络购物、网上支付、网络电视、网络视频、网络游戏、网络广告、网络存储等应用的发展，网络的价值已经从“规模效益”发展到“群体效益”。因此，麦特卡尔夫定律被戴维·里德（David Reed）扩展为群体形成定律（Group Forming Law）。

里德认为：互联网与其他通信方式的不同之处主要表现在群体的形成。让参与者组成群体并为共同目标协作的网络，其价值提高的速度会快很多。它不是按照麦特卡尔夫定律描述的“网络的价值与网络用户数量的平方成正比”，而是指数式增长。

2）有一位互联网先驱指出：我们最大的成功不在于应用计算机，而在于为人们牵线搭桥。

按照群体形成定律，网民中两人可以形成一个群，三人也可以形成一个群，而且一个网民可以参加多个群，那么网络的形成群体网络（Group-Forming Network，GFN）潜在的群体集合是以2n指数形式增长，其中n为GFN中的参与者数量。里德认为，n是一个很“狡猾”的指数函数，尽管一开始时可能很小，但是增长起来比n2、n3或者任何其他指数定律要快，这意味着互联网、移动互联网与物联网对未来社会发展将产生越来越大的影响。

光纤定律

联合国“1999世界电信论坛会议”副主席、加拿大北电网络公司总裁约翰·罗斯（John Roth）在论坛开幕演说中提出了著名的光纤定律（Optical Law）。光纤定律是另一个预测全球互联网发展规律的定律。

光纤定律指出：互联网通信速率每9个月会增加一倍，成本降低一半。人们将对互联网通信速率与成本的预测叫作“新摩尔定律”。目前，互联网的广域主干网、地区汇聚网，甚至家庭接入网，基本上都是采用光纤专线连接路由器的结构，这就进一步证明光纤定律的结论已经被产业界接受。

光纤定律与前三个定律一样，都不是数学、物理定律，而是对技术发展趋势、规律的一种预测性的定律。在最近的几十年，计算机、计算机网络与互联网的发展证实了这些预测的正确性。这些定律对于指导计算机、互联网与信息技术的发展有重要意义，因此受到了产业界与学术界的重视。

互联网发展的成功经验与进一步思考

讨论互联网发展的成功经验的目的是为今后发展移动互联网与物联网提供经验与借鉴。互联网是人类历史上发展速度最快的一种信息技术。我们可以通过一组数据来看这个问题：从开始商用到用户数达到500万，电话网用了100年，无线广播网用了38年，有线电视网用了13年，而互联网只用了4年。这组数据说明互联网技术是很成功的。

互联网发展的成功经验

对于互联网发展的成功经验，早在1996年6月发表的RFC 1958（Architectural Principles of the Internet）中已经有所说明。安德鲁·S.塔嫩鲍姆（Andrew S. Tanenbaum）在《计算机网络（第5版）》中关于互联网的讨论部分总结出互联网设计的十大原则。

结合以上的讨论，反思互联网技术发展与演变的过程，我们可以将互联网发展的成功经验概括为三个方面：正确的设计思路、正确的技术路线、正确的运行模式。

（1）正确的设计思路

互联网的协议与体系结构的研究对于互联网的发展有着举足轻重的作用。互联网的协议与体系结构从开始就出现了两种设计思路之争。

第一种设计思路是以TCP/IP协议体系为代表，采用迭代方法—边设计、边实施、边运行、边改进。例如，IP协议的设计者在第一个设计文档中只对IP分组结构做了规定，选择了标准分类的IP地址，提出了直接交付与间接交付、路由选择的概念。他们用简单方法去解决复杂问题，用“尽力而为”服务应对互联网络中可能存在的各种复杂问题。在IPv4协议的应用过程中不断发现问题，改进协议，直至更新到IPv6协议。

第二种设计思路是以OSI参考模型为代表，采取“先完成体系结构研究、再制定网络协议”的方式。设计者预先考虑到各种可能，提出一系列应对策略与复杂的协议结构。OSI参考模型与协议文本堆起来有一米高。20世纪90年代初，当作者在图书馆准备深入研读OSI参考模型的相关文档时，面对一柜子的文档，不禁感慨：什么时候能够读完这些文档？实事求是地说，当选择TCP/IP协议的技术人员已经开始设计路由器、开发网络软件时，选择OSI参考模型与复杂协议方案的技术人员却还没有看明白协议文本，更不用说开始硬件设计与软件编程了。

回顾TCP/IP协议体系与OSI参考模型的竞争过程，我们可以清晰地看到：面对复杂的互联网环境，互联网先驱采用了正确的设计方法，成功地解决了这个问题。他们的设计原则是：明确选择与保持简单。

正是由于TCP/IP协议的设计者坚持“明确选择”“保持简单”的设计方法与“不断迭代”的实现方法，才在竞争中赢得了时间与市场，吸引了大批资金的投入，促进了互联网的发展。网络应用软件开发采用迭代方式，快速开发、迅速部署，在不断扩大用户群的过程中发现问题，通过持续的版本升级方式来完善系统功能与性能，而不是一开始就一味地追求系统、协议与软件的完美。这既是互联网成功的秘诀，也是互联网思维的本质。

（2）正确的技术路线

互联网技术路线的正确性表现在两个方面：一是选择好的设计，而不是完美的设计；二是对性能与成本的考虑。

理解这两个方面时，需要注意以下几个问题：

第一，早期参与路由算法研究的网络技术人员都对复杂网络的路由算法的研究难度之大有切身体会。20年前，每年的IEEE网络年会都会有几十甚至上百篇关于路由算法的论文，涉及的算法从简单路由算法到复杂的自适应路由算法。但是，仔细阅读这些论文后会发现，从局部范围看每篇论文都有道理，但都存在一定的局限性。算法越复杂，局限性就越大。在实际的互联网工程实践中，只要引入自治系统的概念与内部网关协议、外部网关协议，根据具体需求选择RIP、BGP或OSPF等几种主要协议中的一种，就可以解决互联网的路由问题。显然，这种做法充分体现了“选择好的而不是完美的设计”的技术路线的正确性，这对推动互联网的快速发展具有重要意义。

第二，性能与成本是互联网选择技术时的基本考量原则。例如，在当前互联网主干网结构中，基本上采用了路由器加专线的互连方式，专线主要使用光纤。这种方式的好处是：光纤带宽高、误码率低，可以简化传输网的容错机制与协议，有利于提高网络系统的可靠性与性能。在高层协议中采用流量控制、拥塞控制方法，可以减轻传输网的压力，提高网络系统整体的运行效率。

第三，互联网技术与应用是多学科交叉融合的产物，单凭计算机专业的技术人员无法解决互联网发展中出现的所有复杂的技术问题，必须采用“开放、包容、合作”的心态，借鉴和依托通信专业、电子专业、智能专业与大数据专业，以及人文、社会与法学等多学科的研究力量、方法与成果，推动互联网技术研究与产业的健康发展。

（3）正确的运行模式

开放性、社会性与可扩展性是互联网运行模式的重要特点。互联网的开放性首先表现在：互联网不属于任何公司与个人所有，而是由非营利性组织（例如ISOC、IETF、IRTF等）、行业组织（例如W3C、Wi-Fi联盟等）参与协议标准制定和产业发展指导。应用驱动、开放合作的研发模式是互联网得以超常规发展的重要基础。

互联网的社会性表现在：人与人是在虚拟的、不是直接见面的网络环境中交流，这种交流可以克服年龄、职业、地位、性别与性格上的差异，尽情释放人性中自然的一面，使得互联网服务展现出独特的魅力。互联网服务克服了现实生活中人与人之间在时间、空间上的限制，使得世界变得很小，人们的生活更加丰富多彩，人与人、人与社会的沟通更加便捷。

互联网的可扩展性表现在：统一技术标准，集成一切可用的技术，鼓励通用的应用技术开发。“用户需求–技术研究–标准制定–产品研发–产业发展”的发展思路是互联网技术与产业遵循的发展规律。

更深层次的思考

基于以上的讨论，我们可以总结出目前互联网体系结构具有如下特点：

分层的分布式网络结构。
简单的无连接分组交换技术。
基于“端–端”的分布式进程通信机制。
自治系统基础上的可扩展路由寻址技术。
开放的应用层协议体系与层次结构的域名命名体制。

这种体系结构设计思路促进了互联网的发展，也带来了互联网与生俱来的弱点。研究者在看到互联网辉煌的同时，也在思考新的问题：如何克服当前互联网体系结构的局限，促进互联网更大的发展？

第一，对于化学、物理学、生物学等领域，人类重大的科学发明都有坚实的理论基础。但是，回顾互联网的发展历程，我们可以清晰地看到：互联网一直在工程实践中不断摸索、修正和前行，人们至今还不能用数学方法去描述互联网的流量规律与预测用户的行为。互联网对人类发展的巨大作用与它的基础理论研究的薄弱形成了巨大的反差。在互联网与计算机网络经过近50年的发展与实践之后，应该回过头来认真加强互联网的基础理论研究。

第二，目前采用的互联网体系结构造就了互联网的辉煌，但是要使互联网达到人们所预期的更高的“性能、安全、可管、可控、可靠”，就需要从互联网体系结构的角度重新思考新一代互联网的体系结构，从更基础的角度考虑问题。互联网成功的经验为移动互联网、物联网的研究与产业发展提供了很好的借鉴，奠定了坚实的基础。

第三，随着互联网、移动互联网、物联网以及云计算、大数据、智能与5G技术应用的发展，用户更关注主观性的体验，体验质量（Quality of Experience，QoE）的概念开始被接受。影响QoE的因素主要来自三个方面：感知、心理与交互。用户在感官方面对服务效果的体验涉及计算科学与社会学、行为学等多方面的因素，QoE的研究也给网络新技术研究提出了新的课题。

学术界将围绕着大数据应用与云计算、智能、移动互联网与物联网所形成的社会环境称为大数据生态系统（如图1-35所示）。面对这样的大数据生态系统，传统互联网体系结构、协议与技术与大数据生态系统需求的不适应问题逐渐显露出来，研究新的网络体系结构、协议与技术已经势在必行。

在这样的大背景下，研究人员提出了在传统的以TCP/IP体系结构为基础的网络上，研究具有“自适应、动态、智能”特征的新网络体系结构的研究课题，希望采用“虚拟化、可编程与可重构”与“开放接口”的技术路线，通过改变网络体系结构，使得网络服务功能（如路由、多播、安全、访问控制、带宽管理、流量工程、QoS、能效管理），以及各种策略与网络管理功能变得方便与容易实现，进而使网络具有对新业务的快速、灵活响应与可扩展能力。SDN/ NFV技术研究应运而生。

基于SDN/NFV的网络重构给电信业与计算机、软件、网络行业带来了历史性的发展机遇。传统的通信技术行业壁垒被打破，以计算机、软件与网络为主体的IT行业更进一步渗透到CT行业，促进了IT与CT行业的跨界融合与竞争，将催生一些新的产业形态，传统的互联网产业链将被重新洗牌，有些职位将会消失，也会有新的职位产生，这些变化必然对未来IT人才的岗位职能、知识结构产生重大的影响。

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