互联网协议 — 互联网的技术发展

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  • Internet
  • 从冷战时期的背景谈起
  • 正式成立了APRA组织
  • 启动了ARPANET项目的实施
  • 完成了ARPANET项目的最终建设
  • 完成了TCP/IP协议体系结构的确立
  • 确立了互联网体系结构的基础
  • 完成了万维网（WWW）体系架构的设计与构建过程
  • 在互联网发展中留下了历史欠账问题
  • 探讨未来互联网演进路径的方式方法论框架下展开研究
  • 演进式的系统发展观下探讨未来方向
  • 基于颠覆性创新理念分析未来发展趋势的观点集合体下展开讨论

• 美国GENI计划

  • 中国CENI计划

  • Clean Slate计划

  • OpenFlow方案

  • 转向第一代软件定义网络（SDN）

  • 第一代软件定义网络（SDN）

  • ONF团体由非传统设备商推动"软件定义网元"战略

  • ODL团体由传统设备商推动"软件定义网管"战略

  • 新型ONF团体回应非传统设备商的技术挑战

  • 基于传统架构的解决方案作为补充策略

  • SDN 2.0

Internet

Internet（全球互联网）亦称因特网或国际网，在1969年美国ARPANET项目下应运而生。它是由众多网络相互连接形成庞大的体系，并通过统一采用TCP/IP协议实现互联，在此基础之上发展出覆盖全球的信息交流平台。

从冷战背景说起

第二次世界大战结束后,美国与苏联作为两个超级大国,将欧洲大陆划分为各自势力范围,在政治、经济、军事等多个领域展开了激烈的竞争,最终在东欧建立了一块无形的分界线,形成了冷战格局。

在20世纪40年代至20世纪末期间（即1947-1991年），资本主义阵营由美国及其北大西洋公约组织等国家共同组成与社会主义阵营由苏联及其华沙条约组织等国家共同组成之间对抗

作为当时世界上两个最具影响力的国家，在争夺世界霸权地位的过程中展开长期争斗。尽管存在分歧与冲突，但双方均努力避免爆发大规模战争（如第三次世界大战）。其对抗通常采取局部代理战争、科技与军备竞赛、太空竞赛以及外交竞争等方式进行；这些被称为"冷战"的原因是其采用非军事化竞争并坚持互不攻击的政策。因此被称作"冷战"。

成立 APRA

1957年10月4日，在苏联成功发起了人类首次人造卫星发射行动——斯普特尼克一号

他们认为，在日趋激烈的冷战对抗中，自己已经全面落后于苏联。

为扭转此局势，美国总统宣布指示美国国防部迅速在1958年2月建立一个秘密的研究机构——APRA（全称是Advanced Research Projects Agency）。

ARPA的主要职责是致力于将高风险高回报的技术——尖端技术——应用于军事领域的发展。这包括众多项目：弹道导弹拦截系统研发、卫星通信网络建设以及核技术安全监控系统构建等。

在 1961 年 10 月的那个早晨，苏联正式投射了首枚R-16洲际导弹；与此同时，在此前提起的核武器研发也取得突破——即在此前的 1949 年 8 月完成了第一枚原子弹试验爆炸。这些重大军事进展表明美国本土即将遭受远程核导弹攻击的威胁；顿时令美国人感到极度不安。

美国国防部出于确保自身在苏联第一轮核打击中拥有足够的生存与反制能力之需,启动了对分散式指挥系统的研发计划.该分散型指挥系统由大量独立节点构成,在遭受部分节点破坏的情况下仍能保持与其他节点的有效通信.

从此以后就是负责建设一个能够抵御军事攻击的军事通信系统的项目之一。

启动 ARPANET 项目

最早分配该任务的是美国信息处理技术办公室（Information Processing Techniques Office, Information Processing Techniques Office）的第一任负责人——约瑟夫·C.R. Licklder

• 约瑟夫·利克莱德

于20世纪60年代初，在其论文《人与电脑》中, 约瑟夫·利克莱德阐述了革命性的观点: 他提出, 人类思维与计算机深度融合, 创造出"人机共生"的理念. 在他的领导下, 美国的主要研究领域都由美国国家通信管理局资助.

1964年时,约瑟夫·利克莱德未能及时完成自己的构想便离开了ARPA岗位.随后由伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）接任,并担任IPTO的第二任主管.

1966年,NASA的罗伯特·泰勒担任IPTO第三次管理职位

罗伯特·泰勒深入研究了IPTO内部现有运行的一个小型通信网络（由三个电传打字机和三台计算机构成），并意识到不兼容的计算机间无法实现有效的通信价值不大。基于此认识，他提出了建议：即尽快建立一套兼容协议以促进各终端间的互联互通。

1966年，新型通信网络项目完成内部立项，ARPA 将其命名为 ARPANET（阿帕网）。

那时 ARPA 的负责人查尔斯·赫茨菲尔德（Charles Herzfeld）坚定支持罗伯特·泰勒的计划。为实现这一目标，罗伯特·泰勒广纳人才，组建了自己的ARPANET网络。

罗伯特·泰勒找来的人确实都很牛逼，其中包括：

麻省理工学院（MIT）林肯实验室的计算机天才 Larry R. Roberts （真实姓名为 Lawrence G. Roberts）
开创性地提出了著名的分布式通信理论研究工作的 Paul Barenbaum （真实姓名为 Pavel Barenbaum）
以及 UCLA 分组交换理论领域的权威专家 L. Kleinrock （真实姓名为 Lawrence Kleinrock）

其中，保罗.巴兰的 “分布式通信理论” 提出了两个重要思想：

1. 第一个是：网络的控制权应该完全分散；
2. 第二个思想是 “分组交换”。

分布式计算的理念被应用到处理数据流的过程中，并使得所有节点处于平等地位；这一特性构成了未来互联网的基础。

另外，拉里·罗伯茨则被任命为新通信网络项目的项目经理和首席架构师。

• 拉里·罗伯茨

1967年4月，在美国密歇根州安娜堡举行的一次ARPA IPTO PI会议上（或：于美国密歇根州安娜堡召开的一次会议上），拉里·罗伯茨主导了一项围绕ARPANET设计方案的合作研究（或：由拉里·罗伯茨发起的一项关于ARPANET架构设计的合作项目）。随后不久，《Multiple Computer Networks and Intercomputer Communication》这篇首份关于该网络架构设计的技术报告得以出版（或：首次技术报告正式发布）。（注：括号内为原文注释内容）

在罗伯茨的设计理念中, 主机 不应 负责处理 数据路由 任务, 而 是应由一个小型的 经济型 计算设备来承担这一责任, 拉里·罗伯茨将其命名为 IMP（Interface Message Processor, 接口信号处理器）。

IMP的主要功能包括连接、调度和管理。当主机发送数据包给 IMP 时，该系统会根据目标地址决定下一步操作：直接传递到本地连接的主机或转发给另一个 IMP。借助这一机制，在大规模主机之间无需自行参与联网就能有效解决计算机系统之间的不兼容问题。随着时间的发展与应用需求的增加，在网络中 IMP 被广泛认为是路由器发展的起点

为了避免数据包丢失，发送方的IMP会暂时存储数据包。直到接收方IMP给出确认为止。如果未能得到确认，则会重新发送。可以看出，在这个阶段中，是由中间的路由节点完成了失败重传。而并非由主机TCP/IP协议栈来完成这一任务了。

1968年, 拉里·罗伯茨发布了研究报告《共享计算机网络概论》, 其中重点阐述了如何通过让ARPA（美国国防部高级研究计划局）各计算机系统互联, 以促进各方研究成果的共享。与此同时, 美国国防部启动了ARPANET项目的招标工作

ARPANET 的诞生

一九六九年一月起始时分，在美国马萨诸塞州坎布里奇市成立的BBN公司（Bolt Beranek and Newman Inc.）成功地获得了包括价值一百万美元在内的相关合同订单。与此同时，在这一年中建立了一个专门用于研究和评估IMP网络架构的中心。该中心的基础硬件配置基于配备有十二千字节存储器的Honeywell DDP-516小型计算机系统。

• IMP 设备内部

• IMP 设备面板

在第一阶段的项目中，由拉里·罗伯茨主导，在南美洲西部地区设立一个由四台大型计算机组成的网络系统。这些计算机分别位于加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学研究学院、加州大学圣巴巴拉分校和犹他州大学。

在四台设备之间，应用基于分组交换的技术，并借助专门配置的 IMP 设备和由 AT&T 供应的通信线路（传输速率为 50kbps）完成连接过程。

1969年8月30日，《今日物理》杂志首次报道了这一重要发现。

约瑟夫·利克莱德于1965年进入加州大学洛杉矶分校攻读博士学位，并在伦纳德.克兰罗克教授手下接任节点系统项目的负责人职位。他与年轻的同事温菲尔德、克罗克和布雷登一道，在该大学洛杉矶分校节点（ARPANET的第一个节点）上完成了网络连接工作。

不久之后，在被广泛认为是为ARPANET建立的重要人物之一的地方移师的是一位来自BBN公司的鲍伯·卡恩（Bob Kahn, 亦称：罗伯特·卡恩, Robert Elliot Kahn），他随后参与其中。

形成了当时研究人员的主要格局：

• 拉里·罗伯茨首次提出并奠定了网络架构与布局的基础。
• arpnet的设计方案是由鲍伯·卡恩所主导制定的。
• 克莱因罗克主导构建了全面的网络性能评估体系，在此框架下负责系统规划与协调工作；而约瑟夫·利克莱德则专注于开发高效的软件编码模块。

还有众多的科学家、研究生参与研究、试验。

• 加州大学洛杉矶分校现场机房

在1969年10月,斯坦福大学研究院接收了第二台IMP系统.于当晚十点二十九分,伦纳德·克兰罗克教授指示其助手查理·克莱恩（UCLA一名本科生）就座于IMP终端前.随后,与其终端操作员进行了对接.那时,带着头戴耳机和配备麦克风的查理·克莱恩便能随时通过长途电话与对方联络.

• 查理·克莱恩

根据查理·克莱恩的回忆可知, 教授要求让其首先传输五个英文字符/login（登录）, 以测试分组交换技术的数据传输效果。按照事先约定, 只需输入三个字母即可发送出去, 因此在斯坦福那边的主机上自动生成另外两个字母/in（进入）, 组合成login（登录）完成整个过程。

1969 年 11 月，第三台 IMP 抵达加州大学圣巴巴拉分校。

1969 年 12 月，最后一台 IMP 在第四节点犹他大学安装成功。

直至1969年 winter, ARPANET 成功将加利福尼亚州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学以及犹他州大学的四台大型计算机实现了互联。随后,人类社会开启了"互联网元"的新纪元。

TCP/IP 协议诞生

受ARPANET项目的推动，在项目结束后不久即出现了大量新型网络的发展情况。随后开发出了互联网基础协议的硅谷地区开创了无线电通信网络；与此同时太空机构则建立了卫星通信系统

在运行过程中发现，在每一个 IMP 连接阶段都需要采用所有设备均能识别的标准信号来开启数据传输通道；当数据传输完成时必须及时断开通道。否则这些 IMP 设备将无法准确判断何时应接收信号以及何时应终止操作；这正是我们目前所指代的‘通信协议’的核心理念。

1968年时，拉里·罗伯茨组建了一个专门的研究团队负责开发主机间的通信软件系统。该团队主要由研究生组成，并以 Network Working Group（NWG）命名。团队负责人来自加利福尼亚大学洛杉矶分校，并以史蒂夫·克罗克（Steve Crocker）的名字被任命为该项目的负责人。

在1970年12月时，NWG 成功实现了第一代ARPANET通信协议；该协议由鲍伯·卡恩主导开发，并得到约瑟夫·利克莱德的支持；然而真正建立一个统一的标准确实面临诸多挑战。

自1970年代以来，在ARPANET中不断有新的节点加入系统。截至1972年年末时总计达40个节点接入该网络体系。其中电子邮报（E-mail）、文件传输协议（FTP）以及远程登录协议（Telnet）是该网络体系中应用最为广泛的三种服务。其中电子邮报的使用量占据了整个网络流量的75%

然而随着网络节点数量激增 给NCP协议带来了沉重的压力 这种协议在数量上存在限制 并不能很好地满足当前的需求

1972年，在国际计算机通信大会（ICCC）上展示的ARPANET网络是由鲍伯·卡恩成功演示的。这一展示也是ARPANET系统首次向外界进行展示的机会。

当互联网还不存在的时候

在1972年10月的ICCC大会结束后不久,科学家们便开始致力于这项工作的推进.

鲍伯·卡恩邀请温顿·瑟夫共同探讨这一协议的关键内容。不久之后,双方一致制定了新的传输控制协议——TCP(Transmission Control Protocol)。

1972 年, 温顿·瑟夫与罗伯特·卡恩（Robert Elliot Kahn）共同参与了TCP/IP协议的开发工作, 并最先提出了这一网络通信体系的核心理论框架.

在1973年期间，在应对NCP协议挑战时，鲍伯·卡恩引入了“开放网络架构”这一概念。
同样地，在那一年开始工作后，在斯坦福大学工作的温顿·瑟夫（Vinton G. Cerf）加入了ARPA，并担任领导角色，在NWG基础上建立了INWG工作组。

在1974年12月，《关于TCP/IP协议详细说明》一文由卡恩和瑟夫正式发表。与此同时，在验证TCP/IP协议的有效性方面展开研究时，“他们将一个数据包从一端发送出去，在大约10万公里的行程后到达另一端。”通过这一实验过程，“在此次传输中发现数据包未丢失任何字节。”这一发现充分证明了该协议的可行性，并一度引起相关领域的广泛关注。“然而，在初期版本中存在不足之处——缺乏针对丢包情况的有效纠正机制。”

鲍伯·卡恩

温顿.瑟夫

1977年，《计算机通信协议》（Computer Communication Protocol,简称TCP）开发项目合同由美国国防高级研究计划署（DARPA）与BBN公司、斯坦福大学以及伦敦大学学院四方签订。该合同旨在分别在多个硬件平台上进行开发，并最终推出两种验证版本的协议：分别为TCP/Early Version 1（TCP/EV-1）和TCP/Early Version 2（TCP/EV-2）。

1977年11月，“鲍伯·卡恩与温顿·瑟夫完成了这一具有里程碑意义的实验。” 数据包从一辆载有无线传输器的箱式货车出发，并成功进入APRANET系统；随后通过专用卫星链路送达伦敦；接着借助卫星传输网络送达另一端的APRANET；最终数据包安全返回至南加州大学信息科学研究所。“这次传输以惊人的距离——9.4万英里——完美完成！”

1978 年, 温顿·斯通、鲍伯·克雷格、丹尼·科恩（Danny Cohen）和约翰·鲍克勒斯将 TCP 的功能划分为两部分

1. 用于检测网络传输差错的传输层控制协议 —— TCP（Transsmission-Control Protocol）
2. 主要负责将数据分组发送到目标网络以实现数据通信的互联网协议 —— IP（Internet Protocol）

于是，就有了 TCP/IPv3。后来，形成了稳定版本 TCP/IPv4。

• TCP/IP，现代网络的根基。

1982年, ARPANET率先引入TCP/IP协议,NCP逐步退出。
1983年元旦,TCP/IP全面取代了NCP,标志着TCP/IP成为全球互联网共同遵循的一项重要网络规范。
1984年,TCP/IP获得美国国防部的认可,被视为计算机领域的主要网络标准。

如今这两个协议已经成为全世界用于信息交换的基础技术。瑟夫和卡恩因此而被称为"互联网之父"。后来瑟夫不断发展和完善网络传输与安全协议，并致力于将TCP/IP技术扩展至更为广泛的应用前景。

Internet 的诞生

在这期间，ARPANET 仍在不断扩张。

1973年, ARPANET凭借卫星通信成功地与夏威夷、英国伦敦大学以及挪威皇家雷达机构建立了联网关系,并逐渐发展成为一张国际互联网络

1975年正式接手管理由美国国防部通信处接管的ARPANET项目。仅限于军事员工、该网络的支持者以及政府机构成员才有权使用ARPANET系统。然而当时很少有人理会这一规定

1976 年，ARPANET 已经发展到 60 多个节点，连接了 100 多台主机，跨越整个美国大陆。

在众多组织机构中都开始认识到计算机联网的重要性，并积极投身相关研究工作。如今涌现出了众多新型网络系统，其中包括：CSNET、CDnet和BITNET等著名网络。这些网络系统在多个领域中都面临着复杂的技术挑战，并且通过不断的研究与探索不断取得新的进展。

70 年代末，微型计算机问世，更是加速了网络的发展。

1980年代初期,DARPA启动了旨在将分散的计算机网络整合在一起的研究工作,并正式命名为Internet 项目.该项目的实际应用则直接演变成互联网本身,而这一名称也逐渐被全球广泛接受,即我们今天所说的因特网.

TCP/IP 协议被视为互联网的基础协议，并因此而成为必须遵守的重要规则，在后来得到了广泛认可并被采用。

1983年1月1日,正式宣布长期被广泛使用的NCP于该日期被终止使用,ARPANET决定将其网络核心协议从NCP转变为TCP/IP协议。

在当年，美国国防部将其划分为军事portion和civilian portion两大部分。其中军事portion被称作MILNET，并于1982年创建了国防数据网（DDN）作为其整合体系。而民用portion则继续被称为ARPANET。

TCP/IP的发展并非一帆风顺,它面临了一个主要竞争对手：国际标准化组织（ISO）。几十年来,ISO 曾制定一系列产品的全球标准,此次 ISO 希望主导网络领域,因此制定了一个名为 OSI 的参考模型并积极推行

那个时期的温顿·瑟夫积极争取各方的支持，并试图说服IBM、DEC、HP等主要公司采用TCP/IP协议；然而他们的请求均未得到回应；这些公司认为TCP/IP仅限于研究阶段，并不将其视为实际应用的重要工具

由于美国国防部接手了ARPANET后，在整合过程中将其整合为一个整体，并由AT&T向各大学发放了一项非商业性质的技术许可

1981年,DARPA支持UC Berkeley和BBN公司（阿帕网承包商）将TCP/IP协议纳入UNIX操作系统。当年还在攻读博士学位的创新者Bill Joy拒绝采用了BBN团队开发的TCP/IP代码,理由是他认为该方案质量不高,于是他不采用,BBN团队开发的TCP/IP代码,于是他自行设计了一个高性能版本并在BSD UNIX系统中实现了这一突破性技术.

在1985年时，TCP/IP作为UNIX操作系统的重要组成部分被引入。随后的大多数操作系统逐步采纳了这一协议。该协议因此广泛接受，并最终成为行业标准。正是由于UNIX的普及程度高，在推动TCP/IP的发展方面发挥了重要作用。

1988年时许多欧洲国家组成了OSI联盟随后的美国政府迅速宣布TCP/IP为官方网络协议这一协议迅速获得了广泛的应用并且有效地击败了OSI体系如今OSI的知识仍被包含在教科书中供人们学习和参考

1984年，《美国国家科学基金会》（NSF）启动了《NSFnet》，该网络旨在连接各超级计算机研究中心。

最初

NSFnet迅速发展，在很短时间内将全美各地的大学、政府和私人科研机构连接入网络。相比而言，在速度上它远超ARPANET网络——快了25倍以上。随着时间的推移, NSFnet逐渐取代ARPANET,并逐步成为互联网的主要骨干网。

80年代末至1990年代初期间，在NSFnet网络上接入的计算机数量显著高于位于ARPANET网络上的用户数量；1990年6月1日正式宣布并成功实施了ARPANET项目的全面终止

1990 年 9 月，在 Merit、IBM 和 MCI 的共同努力下建立了非营利性组织——先进网络科学公司 ANS（Advanced Network&Science Inc.）。该机构的主要目标是构建一个全国性的 T-3级别核心骨干网络，并以每秒45兆比特（45Mbps）的速度传输数据。至 1991 年底为止，NSFnet 的所有主干网均实现了与 ANS 提供的 T-3 级主干网的有效互联互通。

1991年时，NSF 官员批准了NSFnet网络上的商业用途，并使网络连接数量呈现指数级增长趋势。

Internet，真正变成了全球互联网，开始走进人们的生活。

当前情况下，全球网民规模已突破45.4亿大关，并占全球人口总数的比例已超59%。实则上讲，这不仅是一场技术变革，更是一场深刻的社会变革。它彻底改变了社会运行机制，并开创了人类文明发展的新纪元。

（照片拍摄于1994年）

• 前排从左至右： Dave Walden先生、Barry Wessler博士、Truett Thach先生、Larry Roberts先生、Len Kleinrock博士、Bob Taylor先生、Roland Bryan先生及Bob Kahn先生。
  • 后排从左至右： Marty Thrope女士、Ben Barker先生、Vint Cerf博士、Severo Ornstein女士、Frank Heart医生、Jon Postel博士及Doug Englebart先生与Steve Crocker先生。

1998年时,美国设立了一个非营利民间组织ICANN(全称为Internet Assigned Names and Numbers Authority),该机构受U.S. Department of Commerce下的National电信和信息管理局监管,并承担着协调、管理和分配全球互联网域名系统以及根服务器系统的责任。ICANN下属的一个专门机构——Internet号码分配机构负责管理全球互联网域名注册所需的根服务器。

2014年, ICANN决定负责其注册事务并将其责任转移给一个由多个利益相关者共同承担管理职能的独立机构

于2016年10月1日这一天，《ICANN》宣布, 正式移交互联网控制权给一个非营利性质的全球性多利益方组织. 这一举措标志着美国终结了对该核心网络资源长达近20年的独自垄断局面, 必然是件让人欣喜的大事.

WWW 万维网的诞生

1990 年 12 月 25 日，在瑞士日内瓦的核子研究中心工作的两人共同利用 Internet 实现了 HTTP 代理与服务器之间的首次通信

1991 年 8 月 6 日，蒂姆·伯纳斯·李正式提出了 World Wide Web（WWW 万维网）。

在1994年10月1日创立了一个非赢利性质的国际组织W3C（World Wide Web Consortium），该组织吸引了包括微软公司、网景网络、太阳微系统公司、苹果电脑以及IBM等在内的总共155家全球知名的互联网企业参与合作。蒂姆·伯纳斯·李被任命为该组织的第一任主席，并致力于主导WWW协议的标准制定工作；同时也在不断促进Web技术的进步和发展。

在当时 browser 的繁荣背景下, 蒂姆·伯纳斯·李 曾构思设立了一家名为 Websoft 的公司, 专注于开发网页浏览器. 然而, 事情发展得并不顺利, 他很快就放弃了自己的计划. 他担心这种做法会引发激烈的市场竞争, 导致技术上的不兼容性, 最终将万维网分割成多个利益集团, 如同万维网还未成形时那样.

• 蒂姆·伯纳斯·李，万维网之父

他还创造出了HTTP（超文本传送协议）以及HTML（超文本标记语言），开发出了第一台能够访问网络并展示网页的计算机，并成功创建了全球首个Web网站。

在1992年左右，“多个网络组织”共同建立了非营利性实体——因特网协会 ISOC。当时互联网迅速扩展，在不到两年的时间里就实现了从数百到百万千瓦级规模的跨越，并呈现出爆发式发展态势。

Internet 的历史包袱

以TCP/IP协议为基础的Internet在进入大规模商用后暴露出了安全性问题、QoS问题以及网络智能管理等问题，并且还存在赢利商业模式方面的隐患。这些缺陷使得其发展面临严峻挑战。与此同时，在线游戏中的病毒流行现象及黑客攻击行为猖獗导致社会秩序混乱，并对青少年身心健康造成严重威胁；此外，在线游戏还涉及黄净垃圾现象严重以及网络赌博和网络盗窃行为普遍等问题。

不安全 ：ARPANET是一种专为防止核战争而设计的数据传输保密网络，在冷战时期用于确保各国的主要命令和控制中心处于不可失控状态以支持政府通信系统。随着TCP/IP互联网的发展，在最初的网络总体设计中，并未考虑到如何在网络架构中保证节点的安全性这一关键问题

难度较大：传统Internet采用了基于分组交换的架构设计。该系统通过路由器实现数据包的传输过程，在端到端通信且无需建立连接的情况下能够提供尽力而为的服务，在此过程中提升了电路的使用效率。该系统通过自主学习机制来优化交换设备的配置以减少资源浪费。然而由于缺乏固定连接线路的支持以及缺少统一的 signaling 系统作为基础技术保障，在实际应用中存在诸多不便：无法实时准确获取发送方的地址码信息；此外由于网络中的主机可以向其他主机发送任意内容而无法对所接收的数据进行过滤筛选这一特点直接导致了网络攻击的可能性显著增加；最终使得整个网络系统的安全性面临根本性的威胁

Future Internet 的演进方式

传统互联网的发展正面临十个关键的选择；未来互联网的发展正成为全球科技界的重要议题。

1. 第一代科研型互联网主要采用军事与科研网架构。
2. 第二代消费型互联网呈现应急响应特性，在力保运转的前提下可能面临运行中存在隐患的问题，并且缺乏有效的管理系统支持以及未对服务质量作出重点保障。
3. 第三代生产型互联网具有稳定性的多样性网络体系，在安全性上有显著提升，并注重服务质量的同时紧密融合于实体经济。

促进未来网络发展的两大关键是：

1. 未来网络基础研究（e.g. SDN、Route、Switch）。
2. 未来网络试验网（e.g. CENI、GENI）。

演进式观点

根据演进式观点，互联网应当延续其过去的模式，在遇到任何问题时采取相应的补丁进行修复。面对新兴技术带来的挑战，在现有基础设施基础上寻求突破性的解决方案变得尤为必要。这一理念的核心在于当前互联网已完全商业化运作，在线服务提供商与个人用户的投资决策构成了这一发展路径的基础。在任何情况下，投入巨额资金的企业都将坚定不移地支持现有互联网体系的持续进化与扩展。此外，在这样的背景下还存在另一种观点认为原有的架构体系已经证明其具备应对未来可能出现的新服务与新应用的独特能力，并且这种状况不会发生根本性变化

观察者普遍认可的观点指出,那些如安全性和垃圾邮件等常见问题并非由架构自身引发. 于印度海德拉巴举行的"互联网治理论坛"上发表演讲后,Bob Kahn提出了旨在促进信息传输流畅性的"数字对象架构"新标准. 他对这一方案充满信心,坚信其既能解决相关问题又不会破坏基础架构.

互联网自诞生以来一直是渐进式发展过程；我们不能认为这种模式已经失败了；然而持续修正这一过程会使得系统更加复杂化；使其管理起来更加困难；同时也不再适应新的应用需求；目前的体系似乎已经接近极限；还能进行调整的空间已经非常有限了

革命式观点

美国麻省理工学院教授Dave Clark提出了采用一种新型架构来重构Internet的建议，在其职业生涯中大部分时间担任互联网协议总设计师角色。这一建议因其显著性而受到广泛关注。2005年,他发表了一篇名为《互联网不再联》的文章,文中指出:"网络的本质缺陷导致企业斥资数十亿美元,阻碍了创新进程,并对国家安全构成威胁.如今,重新开始建设互联网已成为当务之急."

重新塑造 Internet 主要解决的难题是：

• 安全性和隐私保护机制；
  • 抵抗（分布式拒绝服务）DDoS攻击的抵御能力；
  • 端到端的服务质量保障与用户体验评价；
  • 系统具备灵活的移动能力；
  • 高水平的可靠性保障特性；
  • 实现地址分配和身份认证功能。

系统性地推行以新的网络体系取代现有互联网。
这条道路有望整合多种不同的网络架构，并营造出持续创新的发展环境。
在探索革命性路径的过程中，或许还有优化现有修补式架构的机会。

系统性地推行以新的网络体系取代现有互联网。
这条道路有望整合多种不同的网络架构，并营造出持续创新的发展环境。
在探索革命性路径的过程中, 或许还有优化现有修补式架构的机会。

2005年8月，在美国国家科学基金会的支持下，“全球网络创新研究环境”和“未来的互联网设计”的两个项目获得了承担了研发任务的两个项目的资助。

2007年3月, 美国国家科学基金会(NSF)通过GENI和FIND项目为多所高校提供了研究资金. 其中一项由斯坦福大学开展的跨学科研究项目——'Clean Slate计划'——专注于利用革命性的Clean Slate方法来重塑互联网.

Clean Slate Program 基于解决两个核心问题：基于我们目前掌握的信息，在重新开始的情况下，我们可能会设计怎样的全球通信基础设施？Aiming for what the internet should look like in the next fifteen years？ 该课题除NSF之外还获得了Cisco、德国电信、NTT DoCoMo、NEC和Xilinx等业界伙伴的支持。

美国 GENI 项目

官方网站：https://beta.nsf.gov/funding-opportunities-global-environmental-networking-innovations-geni

GENI 项目是一个开放平台、大型网络、实际运行中的分布式系统（FIs），旨在为未来互联网技术（FInt）的研究提供支持。通过协作提供一个可自定义和可重复使用的虚拟网络实验环境（VNE），该系统加速了FInt的技术探索进程，并改变了传统网络演进模式（TPNEM）。这种创新性的方式使得研究者能够从基础层面重新思考未来互联网架构及其功能（AIA&F），从而指导未来网络体系的演进。

GENI 希望网络的新体系结构具有以下四个基本特征：

1. 确保系统的安全性和易于管理。
2. 设备连接到该网络后包括 PC 手机 传感器 嵌入式处理器 等设备 可以方便地进行通信 从而实现普适计算。
3. 该系统能够确保对其他关键设施进行必要的控制和管理。
4. 采用一些提升网络弹性和管理性的技术措施 从而有利于业务提供商更好地开展新业务。

在技术层面上，GENI基于虚拟化技术和分布式技术，在物理空间和时间维度上实现了对资源的分配与管理。该系统能够将计算节点划分为多组，并根据实际需求灵活配置拓扑结构，在线动态扩展或收缩网络规模。系统通过智能负载均衡算法实现了对各类网络测试场景的支持，并通过统一管理界面实现了对测试参数的实时监控与配置

中国 CENI 项目

未来网络的愿景是：智能、安全、柔性、可定制。

未来网络要适应与实体经济深度融合：

• 个性化需求方面，各行业、企业单位、个人用户以及专门针对各个应用场景设计的应用网络将得到充分满足；
• 按需供给模式下，在传统上仅提供宽频接入的基础上发展为向用户提供定制化的网络服务方案；
• 网络资源利用效率将从当前水平提高到或超过90%，从而优化用户体验成本。

基于这样的背景，在未来网络试验领域内，CENI设施应运而生。CENI旨在构建一个先进、开放且灵活的大型通用试验平台，并支持国家在下一代互联网、网络安全以及天地一体化网络等关键领域的研究需求；该平台将推动产生领先于产业5至10年的创新成果。

CENI 具备的几大关键能力，其中包括：

全链路按需定制化设计

确定性的服务能力 ，定义为：当网络负载达到80%时，在端到端通信中实现小于30微秒的抖动幅度。传统互联网难以实现这一水平。

该平台构建了覆盖全场景的企业级上云解决方案，并以'CENI'为核心推动各主要云计算服务提供商（包括阿里、腾讯、华为等）的技术协作与资源共享机制

该系统具备智能主导的网络安全防护执行能力 即为一个面向工业互联网应用的开放网络体系结构 如果无法保障网络安全 就将面临重大威胁 CENI 系统采用人工智能技术 应对网络安全挑战 在实验测试中 值得注意的是 CENI 成功抵御了高达 1.5T 的 DDoS 攻击事件 当然 这并非唯一的安全威胁 其他如防火墙技术 网络扫描效能 安全监控水平 均是 CENI 系统未来发展的重点方向

目前，以依托 CENI 网络，开展 B5G/6G 技术创新试验，包括：

• 跨域端到端切片
• 5G + 8K
• 5G + AI
• 零接触组网
• 网络计算一体化
• 等。

Clean Slate 项目

Clean Slate项目的最终目标是为了彻底改变现有的互联网架构，并希望通过根本重构来解决当前技术发展中的陈旧问题

Clean Slate项目的负责人Dipankar Raychaudhuri教授表示："互联网在多数情况下运行良好,然而其设计目标截然不同。它持续稳定运行直至今日这一壮举堪称令人惊叹的事实。"

由于克服了连接速度缓慢的问题、微处理器速度慢的问题以及存储成本高昂的问题，研究人员认为现在应该重新评估互联网架构。Vint Cerf也指出：“Clean Slate项目合理的原因在于现有的技术无法满足所有需求。”

OpenFlow 项目

2006年左右，斯坦福大学的教授 Nick McKeown 指导下的学生 Martin Casado，在基于 RCP 和 4D 的论文框架下构建了一个企业安全解决方案 SANE。该方案通过逻辑集中控制实现系统安全性优化，并旨在通过集约化的安全控制机制提升企业整体安全性水平。

在2007年，Martin Casado基于SANE平台主导了面向企业网络安全与管理的Ethane项目。该项目旨在通过一个集中的Controller（控制器）来使网络管理员能够便捷地制定基于网络流量的安全控制策略，并将其应用至各类网络设备上。从而实现对整个网络通信的安全管控。

源自 Ethane 项目的启发下，Martin Casado与其导师Nick McKeown教授——当时担任Clean Slate项目主任——意识到，在进一步优化Ethane的设计方面采取更加简化的方式至关重要。他们认识到，在传统网络设备中分离数据转发（Data Plane）与路由控制（Control Plane）这两个功能模块，并通过集中化的Controller采用统一的接口对各类网络设备实施管理与配置，在这种模式下能够带来更多的可能性。这样就能更轻松地推动网络技术的进步和发展。

同样地，在同年之际，Nick Mckeown教授、Scott Shenker教授以及Martin Casado博士于硅谷共同创立了Nicira（后被VMware收购），这成为SDN发展史上的第一位初创企业。

• 控制面、数据面统一的传统路由器设备 ：

• 控制面、数据面分离的新型 SDN 网络 ：

2016年，在受到Ethane项目及其前期项目的SANE启发的基础上，
Martin Casado博士与其导师Nick McKeown教授等多位学者共同提出了OpenFlow的概念。
此外，在同一年份，
Nick McKeown等人在ACM SIGCOMM上发表了题为《OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks》（OpenFlow：校园网创新使能）的论文，
首次系统阐述了OpenFlow的概念。

该篇论文首次系统地阐述了 OpenFlow 的理论框架及其运行机制，并对其几个典型的应用场景进行了深入分析

1. 校园网络中对临时通信协议的支持采用基于某种机制的方式。
2. 校园网的管理架构包括对进出用户进行认证和授权机制。
3. 通过技术手段实现数据分隔以确保不同业务系统的安全隔离，并引入VLAN技术作为核心实现方案。
4. 在无线局域网（Wi-Fi）覆盖的移动通信系统中实现了高效的资源分配。
5. 该系统采用了无源 IP 网络架构以减少带宽占用并提高传输效率。
6. 数据传输过程采用了基于数据分组的处理机制以提高传输速度和稳定性。

当年由 Nick McKeown 负责研发的斯坦福大学研究团队首次推出了开源 SDN Controller NOX。
随后于 2009 年推出 Python 版本的 SDN Controller POX，并伴随着 OpenFlow1.0 协议及开源网络虚拟化软件 FlowVisor 的发布。
2010 年 Nick McKeown 团队再次推出了 Mininet。
如今这些软件仍被行业内的技术专家广泛采用。

OpenFlow/SDN 技术是未来网络研究的重要成果之一，在这一革命性的发展过程中发挥了关键作用。相较于传统交换机，OpenFlow Switch 的结构和功能发生了根本性转变：其转发行为实现了完全由外部系统掌控的状态，并且通过将控制权集中交付给中央系统管理的方式实现了高效的组织与协调。这种透明容器型交换机的设计完美契合那些对大规模测试环境有需求的网络项目，并在GENI项目中得到了实际运用。

从 OpenFlow 到 SDN

基于OpenFlow协议的集中式Controller负责管理OpenFlow Switch中的Flow Table。该Controller根据指定的工作负载计算最优传输路径，并由此设定数据转发的具体路线。采用分而治之策略的转发管理架构由该Controller负责协调各类Switch设备的整体运行，并此类操作可类比于对网络系统进行全局调控。

2009年, 肯定了OpenFlow对网络带来的可编程特性的基础上,Nick及其团队(其中加州大学伯克利分校的Scott Shenker教授是主要成员之一)进一步发展出了SDN概念

OpenFlow 引导了两项革命性的网络创新成果：一是"控制转发分离架构"，二是"可编程性"；这些成果也成为软件定义网络（SDN）思想的基础。

SDN 1.0

ONF 组织，由非网络设备商推动的 “软件定义网元” 流派

2011 年起，在 Nick McKeown 等研究学者的引领下成立了开放网络基金会（ONF），即 Open Networking Foundation（ONF）。与此同时，在 Scott Shenker 和 Larry Peterson 的参与下创建了 ON.Lab 的前身——开放网络研究中心（ONRC）。

ONF的核心发起方包括德国电信等企业。这些企业均为行业领先者。
他们成立ONF的目的在于促进SDN和OpenFlow协议的技术发展，
并坚决反对SDN技术落入设备制造商之手。
通过建立标准化平台框架……
ONF 成立标志着这一创新技术实现了真正的产业化发展。

在同年举行的第一届开放网络峰会上发布了软件定义网络白皮书《Software Defined Networking: The New Norm for Networks》，该白皮书对 OpenFlow 和 SDN 均进行了详尽的介绍和推广。

随后由 Guru Parulkar 和 Scott Shenker 组建了 ON.Lab（开放网络实验室）。在 ON.Foundations 和 ON.Lab 的双重组织正式成立之际，则主要目标是促进 SDN 架构的发展以及 OpenFlow 标准和规范的完善与推广，在这一努力下 SDN 成为了行业关注的焦点并获得了广泛的赞誉 成功为推动该技术在行业内的广泛应用奠定了坚实的基础

2010年时,谷歌(Google)启动了将跨数据中心的网络连接(G-scale)转换为软件定义网络(SDN)架构的计划。这一过程经历了三个主要阶段。直至2012年,谷歌B4网络系统全面采用了OpenFlow网络架构。

在2012年初召开的第二届开放网络峰会上, Google 宣布已在全球各地的数据中心骨干网络中大规模采用OpenFlow/SDN技术。经过此次改造后, 谷歌B4网络系统完全运行于OpenFlow框架下, 并通过10G高速网络实现了在全球12个数据中心之间的互联, 使广域线路利用率从原先的30%大幅提升至90%以上, 接近理论极限的100%水平。这一成果具有里程碑意义, 成功打破了数据中心内部网络与骨干网之间的界限, 在全球范围内的骨干网部署中取得了突破性进展。这一实践标志着OpenFlow技术向实际应用阶段迈进的重要一步, 无疑令人印象深刻, 更坚定了行业对SDN技术的信心, 从而开启了现代SDN网络的新纪元

Facebook随后宣布其数据中心采用了OpenFlow/SDN技术。同年8月，在12.6亿美元的高价下（即" sky-high price"），VMware收购了开源平台公司Nicira，并基于其开源技术OpenFlow打造了网络虚拟平台（NVP）。VMware表示将Nicira的核心技术命名为Open vSwitch，并将其整合到自身的虚拟网络软件产品组合中。这一举措凸显了SDN技术的发展前景及其重要性——值得注意的是，在此之前SDN还仅处于供应商规划阶段，并未有实际产品出现。 VMware通过此次收购实现了网络软件从硬件服务器脱离，并推动SDN走向市场化进程的同时增强了市场信心

2013年，Google于SIGCOMM会议上发布了论文《B4: Experience with a Globally-Deployed Software Defined WAN》，深入阐述了其基于软件定义网络的全球范围数据传输加速方案描述。论文中指出，Google所使用的控制器名为ONIX。

ODL 组织，由网络设备商推动的 “软件定义网管” 流派

面对SDN和ONF提出的网络元软件化转型,作为传统意义上的网络设备制造商,别无选择但积极应对. OpenFlow正面临着严峻的挑战:主要依赖商用ASIC芯片实现功能的企业,仅占据约10%市场份额.其余90%的企业则普遍采用ASIC架构并搭配NPUs. 系统与硬件之间无法实现解耦,完全捆绑在一起,最终只能为用户提供固定功能的产品线.

当前占据重要地位的企业均为既能自主研发又能生产芯片的设备制造商。当产业前景不明朗时，在这种情况下商用芯片制造商同样缺乏动力来研发支持OpenFlow技术的解决方案。当前来看，在ONF组织中的参与情况中,HUAWEI仍然处于活跃状态,而其他主要参与者包括Cisco和Juniper,他们都转向了另一阵营,其中Juniper明确表示"我们承诺将支持OpenFlow的发展"。

代表企业如 Cicso 和 HUAWEI 的设备制造商普遍认为纯粹的 OpenFlow 网络架构存在重大缺陷。例如：该架构无法处理 IPv6 地址分配，并通过 MAC地址转发实现核心网络接入的同时还引入了 Q-in-Q 虚拟局域网栈这一复杂机制导致 QoS 服务质量方面存在不足且不具备有效的流量分组能力。此外 它还缺乏容错机制和弹性扩展能力 因此严重限制了 OpenFlow 协议与软件定义网络（SDN）的实际应用效果

网络设备厂商提出：在转发层面仍沿用现有的技术架构，并建议设备方开放更多 northbound API 以供开发者接入使用；建议借助网络管理平台来完成 controller 功能的实现。

2013年4月8日由Linux基金会提供支持。这些处于行业领先地位的网络设备厂商共同发起并携手创建了名为OpenDayLight的开源平台项目。这些平台项目的目的是促进新兴的网络虚拟化技术和相关软件的发展，并致力于推动SDN技术交流与开源生态发展。

其将认为SDN与其说是等于OpenFlow也可以说是其发展的一个新方向

OpenDaylight 对 SDN 的定义对 SDN 提出了更为高层次的抽象，并去除了 OpenFlow 对其的影响。

1. 实现与转发分离开。
2. 以逻辑为中心的集中管理。
3. 建立在控制平面和转发平面之间的可编程接口。

自OpenDaylight成立以来，在短短几年时间里其成员数量呈现出爆发式增长态势。然而事实上每个组织均暗藏私心。作为该项目的主要推动者之一Cisco不仅主导了项目中的大部分开发工作还意图将其自身推出的OpFlex产品推向主流市场因为SDN技术的发展使得大规模网络实现虚拟化成为可能基于SDN架构需求下物理设备配置的需求将大幅减少在软件防火墙领域内Vyatta公司的CEO Kelly Herrell女士表示这与其说是战略上的支持与其说是技术上的互补更像是一个误导

除了Cisco之外,Big Switch推出了Big Network Controller及其开放源代码版本Floodlight.Juniper则推出了Contrail及其开放源代码版本OpenContrail,并最终将其更名为Tungsten Fabric.

在这一时期，SDN控制器呈现出多种多样化的布局，并且呈现此起彼伏的竞争态势；整体发展势头十分强劲。

新 ONF 组织，非网络设备商的反击

因利益冲突难以避免地逐渐走向商业化。
硬件厂商的加入本是为了追求自身发展所需。
ODL 社区在经历利益纠葛后难以避免地逐渐走向商业化。

2014年12月5日, ON.Lab为抵御组织ODL推出了全新网络操作系统ONOS(Open Network Operating System)

ON.Lab组织最初明确规定成员不得来自任何网络设备厂商，并致力于避免由此引发的利益冲突。随着相关职能定位逐渐清晰，在2016年10月19日宣布正式整合现有组织资源并成立新的ONF组织

至此，在围绕 SDN 控制器与协议的领域中，各大流派及厂商经过近十年的激烈竞争与博弈后终于达成了共识并形成现状。就目前形势而言可知的是其概念已深入人心已然成为不可逆转的趋势而 SDN 控制器作为网络操作系统的核心其重要性不言而喻

网络设备商的 Overlay 方案

在ODL实施过程中遭遇了挫折后，网络设备制造商决定另辟蹊径，在以数据中心网络为基础并遵循VxLAN、GRE和MPLSoGRE/UDP等标准协议的基础上构建Overlay虚拟专用网。

Overlay 作为一种关键的技术，在现代互联网环境中具有重要的地位。它通过作为对现有网络架构的一种增强式技术，在云计算等新兴领域展现出广泛的应用潜力。具体而言，Overlay 技术的核心框架是通过不从根本上改造原有的硬件架构，在支持将各种业务功能部署到现有网络平台的同时实现与其他业务系统的独立运营。这种设计不仅能够有效提升资源利用率，并且能够在不影响原有服务的情况下提供额外的功能扩展能力。目前该技术已在云计算中心以及分布式系统等领域得到了广泛应用，并以其快速扩展的速度而备受关注。

SDN 2.0

于2013年之际,Nick McKeown 又一次与他人共同创立了位于数据平面层的可编程芯片公司 Barefoot Networks.

在2014年期间，在多位教授的共同努力下——尤其是由Nick McKeown教授（普林斯顿大学）与Jennifer Rexford教授等人的协作下——发表论文《P4: Programming Protocol-Independent Packet Processors》，P4作为一种全新的专用编程语言正式进入公众视野，并在SDN领域引起了广泛关注，并产生了深远的影响。

P4语言旨在实现协议独立性和目标独立性的结合，并具备现场可重新配置的能力。这些特性被设计者期望用于克服OpenFlow编程能力和系统扩展性的局限性。Barefoot Tofino交换芯片则是业内首款支持协议独立式架构的专用以太网交换ASIC，在其设计中采用了独特的转发机制而非传统的固件绑定模式。

Barefoot Networks推出的Tofino芯片成为业内领先的芯片，在吞吐量方面表现卓越，并已广泛推出市场。P4语言与Tofino芯片的发布实现了转发层面的可编程性，并标志着SDN正式进入2.0时代。

P4 是可编程网络的辅助平台，在将网络功能和协议体系提供给众多设计人员而非 conventional hardware vendors的同时，能够实现：

• 幅度最大的网络创新加速。
• 协议部署周期大幅缩短。
• 开发者的网络设计采用自顶向下的层次分明方法，并配备了完善的创新实验平台。