第1章下一代互联网演进及体系结构
人类真正意义上开始使用互联网的历史可以追溯到20世纪70年代，互联网经历近50年的飞速发展与应用，改变了人类经济社会活动和生活方式，这得益于互联网的先驱美国电气工程师 Kahn与 Cerf提出的传输控制协议(transmission control protocol，TCP)和互联网协议套件(internet protocol suite)。众所周知， TCP/IP协议族是互联网核心的基本通信协议，因此，这两位先驱于2004年获得图灵奖。
互联网概念源于早期的数据通信，其理论基础基于20世纪初由 Shannon、 Nyquist和 Hartley提出的数据传输与信息理论，灵感起于牛津大学的第一位计算教授 Strachey于1959年2月申请的分时系统的专利、论文“大型快速计算机的时间共享”及后来 Licklider、Clark于1960年及1962年分别发表的论文“人机共生”和“在线人机通信”，其实现得益于信息革命和信息时代的基石新技术——半导体技术新的发展。
互联网经历了通过无线电或电线等电磁媒介在两个不同的地方终端设备之间的点对点的有限通信到20世纪50年代的广域网(wide area network，WAN)，再从广域网发展为20世纪60年代的网络，即今天互联网的雏形。1972年国际联网工作小组(International Networking Working Group，INWG)成立，20世纪70～80年代出现了 TCP/IP协议族，1970～1995年完成了多种网络的整合，实现向互联网的过渡，20世纪80年代 TCP/IP协议成功地走向全球，20世纪80年代末至90年代初全球互联网逐渐兴起，诞生了万维网和浏览器，20世纪90年代到21世纪初 Web 1.0广泛地应用于社会，随后出现了移动互联革命的演进，这一切深刻地改变着人类社会的形态与人类的生活方式。然而，历史的车轮滚滚向前，互联网的发展从未停歇，新技术层出无穷。从互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)与 ISOC(The Internet Society)到21世纪的全球化与互联网治理，再演进到今天的以多种接入技术为基础的3G、4G、5G、 WiFi、卫星移动通信及当前正在建造的星链卫星(starlink satellites，starlink是 SpaceX satellite Internet的重要实现技术，它能以较低的价格向世界各地的农村和服务不足地区提供互联网接入。 starlink将通过一个巨大的小型近地轨道卫星群向人类提供互联网服务)等可实现万物互联的多网融合的异构互联网，正在加快从传统的基于 TCP/IPv4互联网向以 TCP/MPTCP(muti-path TCP)/IPv6为架构的下一代互联网迈进。
20世纪60年代和70年代，当互联网的核心思想被开发出来时，电话是唯一成功、有效地实现全球范围内通信的例子。因此，尽管 TCP/IP提供的通信解决方案是独*和开创性的，但它解决了两个实体之间的点对点对话问题。从那时起，世界在以下几方面发生了巨大的变化。
(1)旅游、银行和金融服务等信息密集型行业很久以前就转移到了互联网上。
(2)数字编码技术的进步不仅将文本，还将语音、图像和视频转化为比特字符串，因此越来越多的内容可以进行数字化传播。
(3)网络让任何人都可以轻松地创建、发现和消费内容，每年产生的新内容多达艾字节。
(4)摩尔定律驱动的硬件进步使得一切都可以连接到互联网上，如超级计算机和工作站，以及工厂、市政基础设施、电话、汽车、家用电器。
然而，在互联网发展前行过程遇到了各种挑战，如地址匮乏、移动性、多宿主、安全问题(授权、身份认证、完整性、机密性、不可抵赖性、可审计性)、鲁棒性问题(可用性和可控性)。
1.1为什么需要下一代互联网
互联网演进到今天， IPv4取得了巨大的成功，但却受限于 IPv4地址枯竭的瓶颈(IPv4的32位地址寻址能力仅为232个或大约43亿个)。而地址耗尽在 IPv4的*初并不是一个问题，但从发展的眼光看，该版本是美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)当初针对 IPv4网络概念测试上的一个设计缺陷。20世纪90年代早期，在使用无类网络模型重新设计寻址系统之后，仍不能防止 IPv4地址耗尽，需要对互联网基础设施进行进一步的更改。
在过去的10～15年间，连至 Internet的网络终端数量每隔不到一年的时间就会增加一倍；同时，由于 IPv4本身存在的安全漏洞和设计缺陷，使其上的应用不断遭受各种攻击，在一定程度上也影响了网络的发展。为了解决这两大类问题，业界推出了下一代互联网的架构体系。特别是近10年来，随着互联网商业化、大数据、人工智能(artificial intelligence，AI)技术、物联网、无人驾驶等的快速发展，接入技术的不断丰富，互联网地址空间短缺问题更加突显；互联网数据体量的剧增及对互联网鲁棒性需求的提高，利用协议方式在传输层实现多路径并发传输的技术也应运而生；抵御各类攻击的安全技术的涌现，这些迫切需要改革的动因一起催生了下一代互联网的两类体系架构的诞生。
从1992年初提出概念，到1996年一系列 RFC(request for comments)定义文档的发表，1998年12月，IPv6(RFC1883)成为 IETF的标准草案，被正式确定为 IPv4的后续协议，并作为下一代互联网的标志性协议而被称为 IPng，即 Internet Protocol Next Generation，也是目前 Internet协议的*新版本，该通信协议为网络上的计算机提供识别和定位功能，并通过 Internet路由进行通信。2003年初，国际互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force， IETF)发布了 IPv6测试性网络，即6bone网络，称为 IPng工程项目，其目的是测试如何将 IPv4网络迁移到 IPv6网络。IPv6使用128位地址，理论上允许2128个地址，或者3.4×1038个地址，其数量之大可以满足为每一粒沙子提供一个地址的需求。实际的数字稍微小一些，因为多个范围被保留用于特殊用途或完全排除在使用之外。 IPv6除了提供更大的寻址空间，还提供了其他技术优势：①它允许使用分层地址分配方法，以促进 Internet上的路由聚合，从而限制路由表的扩展；②组播寻址的使用得到了扩展和简化，并为服务的交付提供了额外的优化；③协议的设计考虑了设备移动性、安全性和配置等方面。2017年7月，IETF将其批准为下一代互联网标准，不再兼容 IPv4。IPv6从标准草案到成为下一代互联网的标准，并非是一夜间能完成的事，其演进的时间跨度已达20多年，IPv4与 IPv6还将在很长时间内共存，所以还推出了从 IPv4向 IPv6过渡的标准，如双栈路由器、隧道及 NAT(network address translation)网络地址翻译等技术标准，以达到渐进、平滑迁移的目的。目前，互联网仍处在迁移过渡的演化的进程之中，20多年过去了，真可谓道阻且长，行则将至，行而不辍，则未来可期。
1.1.1互联网 IP的特点及其局限性
IPv4地址只有4段数字，每一段*大不超过255。由于互联网的蓬勃发展， IP地址的需求量越来越大，使得 IP位址的发放越来越严格，当时各项资料显示全球 IPv4位址可能在2005～2010年间全部发完(实际情况是在2011年2月3日 IPv4地址分配完毕)。
地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过 IPv6重新定义地址空间。 IPv6采用128位地址长度。在 IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题，还考虑了在 IPv4中无法解决的其他部分问题。 IPv4的特点如下所示[1]。
(1) IP是当初热门的技术。与此相关联的一批新名词，如 IP网络、IP交换、IP电话、IP传真等，也相继出现。
(2) IP协议中一个非常重要的内容，那就是给 Internet上的每台计算机和其他设备都规定了一个唯一的地址，称为 IP地址。由于用这种唯一的地址定位，才保证了用户在联网的计算机上操作时，能高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。
(3) IP是如何实现网络互联的？各个厂家生产的网络系统和设备，如以太网、分组交换网等，它们相互之间是不能互通的，而其主要的原因是它们所传送数据的基本单元(技术上称为帧)的格式不同。 IP协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件，它把各种不同类型的网络及设备的帧统一转换成 IP数据报格式，这种转换是 Internet的一个*重要的特点，使所有不同种类的计算机都能在 Internet上实现互联互通，消除各种网络及设备的差异，即实现开放性的特点。
(4)电信网与IP网的融合，以 IP为基础的新技术也是热门的技术，如当时用 IP网络传送语音的技术[即 VoIP(voice over internet protocol)]，其他如 IP over ATM(asynchronous transfer mod，异步传输模式)、IP over SDH(synchronous digital hierarchy，同步数字体系)、IP over WDM(wavelength division multiplexing，波分复用)等，都是 IP技术的研究重点。
经过多年的发展，人们发现了基于 IPv4的 Internet在技术上的局限性，主要可归纳为如下几点。
(1)网络带宽不够，性能低下。
(2)地址空间面临枯竭。
(3)路由表急剧膨胀，路由器表过长，表现为几点：①地址结构缺乏层次化；②路由器安全性差；③路由器端口少(10～50个)；
(4)网络结构混乱，服务质量差，安全性差。
1.1.2 IPv4和 IPv6比较
现有的互联网是在 IPv4协议的基础上运行的。 IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的关键协议，它提出的动因是随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，而地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过 IPv6重新定义地址空间。 IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，已在2011年2月3日被分配完毕，而 IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。在 IPv6的设计过程中除了解决地址短缺问题，还考虑了在 IPv4中无法解决的一些问题，主要有端到端 IP连接、服务质量(quality of service，QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。
与 IPv4相比，IPv6主要有如下一些优势[1]。
(1) IPv6明显地扩大了地址空间。 IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供 IP地址，从而确保了端到端连接的可能性。
(2) IPv6提高了网络的整体吞吐量。由于 IPv6的数据包可以远远超过64KB，应用程序可以利用*大传输单元(maximum transmission unit，MTU)获得更快、更可靠的数据传输，同时在设计上改进了选路结构，采用简化的报头定长结构和更合理的分段方法，使路由器加快了数据包的处理速度，提高了转发效率，从而提高了网络的整体吞吐量。
(3) IPv6使整个服务质量得到很大改善。报头中的业务级别和流标记通过路由器的配置可以实现优先级控制和 QoS保障，极大地改善了 IPv6的服务质量。
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