【摘 要】 本文介绍了计算机网络的支撑技术与关键技术，论述了当前计算机网络所面临的主要问题，并在此基础上，简要说明了近年来计算机网络演进与发展的主要趋势。
【关键词】 计算机网络 应用现状 面临问题 发展趋势
中图分类号： Ｇ62 文献标识码： Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2016）11-0088-03
一、前言
计算机网络在短短几十年之间经历了一个从无到有、从简单到复杂的飞速发展过程,特别是作为计算机网络典型代表的互联网,已经呈现出一种遍布全球的、开放集成的、可承载多种网络应用的异构网络互联格局,并且对于世界各国的政治、经济、科技和文化等诸方面都产生了巨大的影响。
然而近年来,随着互联网商业化趋势的进一步加剧、新兴网络技术的大量涌现、互联网应用的飞速发展、各种新的应用需求的不断提出,现行互联网及其体系结构所存在的一些缺陷也开始变得日益明显和突出。
种种迹象表明,现阶段以互联网为代表的计算机网络在表现出从未有过的兴盛和繁荣的同时,其相应体系结构也表现出从未有过的脆弱和不足。正确认识当前计算机网络的现状,深刻洞悉计算机网络发展的趋势,全方位重新审视计算机网络体系结构的涵义,对于研究和建立满足下一代网络发展需求的新一代网络体系结构,具有重要的参考价值和指导意义。
二、计算机网络的支撑技术与关键技术
从系统的观点看，计算机网络是由单个结点和连结这些结点的链路所组成。单个结点主要是连入网内的计算机以及负责通信功能的结点交换机、路由器，这些设备的物理组成主要是集成电路，而集成电路的一个重要支撑就是微电子技术。网络的另一个组成部分就是通信链路，负责所有结点间的通信，通信链路的一个重要支撑就是光电子技术。为了对计算机网络的发展有所把握，我们首先要对计算机网络的两个重要的支撑技术，即微电子技术和光电子技术进行简要介绍。
支撑技术 微电子技术的发展是信息产业发展的基础，也是驱动信息革命的基础。其发展速度可用摩尔定理来预测，即微电子芯片的计算功能每18个月提高一倍。这一发展趋势在2010年趋于成熟，那时芯片最多可包含1010个元件，理论上的物理极限是每个芯片可包含1011个元件。对于典型的传统逻辑电路，每个芯片可包含的元件数少于108到109个。每个芯片的实际元件数可能因经济上的限制而低于物理上的极限值。自1980年以来，微处理器的速度一直以每5年10倍的速度增长。PC的处理能力在2000年达1000MIPS（Million Instructions Per Second）。
关键技术 计算机网络的发展方向将是IP技术+光网络，光网络将会演进为全光网络。从网络的服务层面上看将是一个IP的世界；从传送层面上看将是一个光的世界；从接入层面上看将是一个有线和无线的多元化世界。因此，从计算机网络系统的结构上看，目前比较关键的技术主要有软交换技术、光交换与智能光网络技术、宽带接入技术、3G以上的移动通信系统技术等。
软交换技术 从广义上讲，软交换是指一种体系结构。利用该体系结构建立下一代网络框架，主要包含软交换设备、信令网关、媒体网关、应用服务器、综合接入设备等等。从狭义上讲，软交换是指软交换设备，其定位是在控制层。它的核心思想是硬件软件化，通过软件的方式来实现原来交换机的控制、接续和业务处理等功能。各实体之间通过标准的协议进行连接和通信，以便于在下一代网络中更快地实现有关协议及更方便地提供服务。
光交换与智能光网络技术 其主要特点是：允许将网络资源动态的分配给路由；缩短业务层升级扩容的时间；显著增大业务层结点的业务量负荷，快速的业务提供和拓展；降低运营维护管理费用；具备光层的快速反应和业务恢复能力；也减少了人为出错的机会；还可以引入新的业务类型，例如按带宽需求分配业务，波长批发和出租，动态路由分配，光层虚拟专用网等；还具有可扩展的信令能力，提高了用户的自助性；提高了网络的可扩展性和可靠性等；总之，智能光网络将成为今后光通信网的发展方向和市场机遇。
宽带接入技术 计算机网络必须要有宽带接入技术的支持，各种宽带服务与应用才有可能开展。因为只有接入网的带宽瓶颈问题被解决，核心网和城域网的容量潜力才能真正发挥。尽管当前宽带接入技术有很多种，但只要是不和光纤或光结合的技术，就很难在下一代网络中应用。目前光纤到户（FTTH，Fiber To The Home）的成本已下降至每户100～200美元，即将为多数用户接受。这里涉及两个新技术，一个是基于以太网的无源光网络（EPON，Ethernet Passive Optical Network）的光纤到户技术，一个是自由空间光系统（FSO，Free Space Optical）
3G以上的移动通信系统技术 3G系统比现用的2G和2.5G系统传输容量更大，灵活性更高，它以多媒体业务为基础，已形成很多的标准，并将引入新的商业模式。3G以上包括后3G，4G，乃至5G系统，它们将更是以宽带多媒体业务为基础，使用更高更宽的频带，传输容量会更上一层楼。它们可在不同的网络间无缝连接，提供满意的服务；同时网络可以自行组织，终端可以重新配置和随身携带，是一个包括卫星通信在内的端到端的IP系统，可与其它技术共享一个IP核心网。它们都是构成下一代移动互联网的基础设施。
三、当前计算机网络所面临的主要问题
今天的互联网不仅具有规模巨大、用户众多、影响深远和应用基本成功等诸多优点,而且它也是目前唯一的一个可供参考的、覆盖全球的、成功运行的、现实的计算机网络,因此对于当前计算机网络所面临现状的讨论主要以互联网作为研究对象(同时也兼顾考虑了OSI/ RM 等较具代表性的网络体系结构参考模型) 。
如果从Klernrock 在1961年首次发表论及"分组交换"理论的博士论文算起,互联网已经走过了50年的研究、建设和发展历程。互联网之所以能够取得成功,除了在其发展过程中所采取的一系列重大决策的正确与及时,以及其管理机构的相对健全和运营机制的比较合理等非技术因素以外,一个非常重要的原因就是得益于其体系结构的支持:灵活的分组交换技术、简单的分层模型和开放的协议标准等。
这些特点较好地适应了在互联网发展初期主要以传送离散型正文数据为基础的各种简单应用的需求,因而有效地支持和促进了E-mail 、Telnet 、FTP 等传统互联网应用类型的快速发展和广泛普及。
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互联网性能的瓶颈 在网络资源的控制和管理方面,传统互联网体系结构并没有引起高度重视,也没有建立起在全网范围内实施高效资源控制的可行方案和技术,因此它能够为上层应用提供的服务质量支持相当有限,也非常简单。
然而,近年来由于人们日益增长的多样化应用需求的驱动,在线点播、视频会议、远程教育等实时多媒体应用迅速发展,这就要求网络必须能够为这些实时多媒体应用系统提供在带宽、时延、抖动和差错等方面QoS 保证,这时传统互联网就显得越来越难以胜任。
尽管人们先后提出了IntServ 模型、DiffServ 模型、流量工程( TrafficEngineering) 等服务质量保证方案,并且展开了关于资源预留、接纳控制、拥塞控制、流量整形、QoS 路由、主动队列管理AQM 等多种服务质量实现机制的研究,然而这些在理论上看似非常完美、在试验床上运行良好的方案,在互联网广域范围内的实际部署却并没有像人们所预期的那样完全取得成功,离真正解决传统互联网因缺乏高效资源控制能力而导致的服务质量问题尚有差距。
1.互联网薄弱的服务定制能力已不能满用户的需求
传统的计算机网络研究比较偏重于将计算机网络视为能够满足互连、互通和互操作的通信基础设施,研究的重点大多是围绕网络系统的连接、传输等相关的功能展开。但是,随着互联网自身发展步伐的逐渐加快,互联网在人类社会中所扮演的角色也正在逐渐发生改变,它已经超越了传统计算机网络单纯作为通信基础设施的原初意义,而变成了支撑人类社会全面信息化的一个重要载体。
但现在互联网所能提供的少数几种固定不变的服务,已经不能满足人们日益增长的多样化应用和服务需求,人们迫切希望互联网能够按照他们的个性化需求快速、灵活、高效、动态地提供各种网络服务。但是,传统的互联网体系结构本身却存在着许多缺点和不足,比如:协议栈比较固定、应用和服务模式相对单一、难以根据用户的需求进行动态变化等,因而已经不能适应在商业化运营环境中的互联网发展要求。针对传统互联网体系结构在服务定制方面所存在的种种缺陷与不足,近年来研究人员们虽然已经开展了主动网、可编程网、Grid、Web Services 等相关研究工作,但仍然还存在很多问题尚待解决。
3.在互联网无信用的环境中提供用户管理越来越困难
早期的互联网(即ARPANET) 是一个具有浓厚军方背景的科研性质的网络,其建设者和使用者多是一些高校或科研机构中受过良好教育的科研人员,彼此之间比较容易在信任关系、安全制度等方面达成共识和默契。因此在DARPA关于互联网的早期设计目标中几乎没有考虑到关于用户管理的问题,也没有制定出合理的全局性网络安全保障方案。
但是,随着网络规模的不断扩大、用户人数的不断增多和应用领域的广泛普及,互联网的安全薄弱和信任缺失问题也日益彰显。在无信用约束且没有安全保障的现今互联网环境中,各种各样的问题(如垃圾邮件、网络病毒、不良信息等) 都开始暴露无遗,严重影响和干扰了网络的正常运行。
如何在当前信用普遍丧失的互联网中重构完整的网络安全体系,以及如何建立起传统互联网中所欠缺的完备的用户管理体系,从而为网络安全、网络计费、个人移动管理等提供良好的支持,是当前计算机网络研究所面临的巨大挑战。
四、近年来计算机网络演进与发展的主要趋势
网络三大难题(即资源控制、服务定制和用户管理) 的长期困扰以及扭斗现象的日渐凸现,一直是近年来互联网在演进与发展之路上极不和谐的伴音。
研究表明,传统的网络体系结构参考模型(包括OSI/ RM 和TCP/ IP) 基本成型于上个世纪70 、80 年代,而由WWW 技术所引发的计算机网络应用热潮却开始于上个世纪90 年代,这必然导致传统网络体系结构在设计时所考虑的情况与具体的应用环境之间存在不一致性,这种不一致性恰恰是导致今天的互联网面临种种困境和挑战的根源所在。
于是,研究人员在千方百计弥补传统网络体系结构的缺陷与不足的同时,也开始展望和着手研究一些新型网络体系结构。纵观近年来国际和国内网络研究界在改造传统网络体系结构和探索新型网络体系结构这两方面所做的种种努力,这些研究工作实质上已经反映出了当前关于互联网演进与发展的两个崭新趋势。
1.传统互联网中过于简单的网络核心功能应该得到适当增强
随着分组交换技术基础地位的确立及TCP/ IP 协议的设计成功和广泛实现,早期互联网便基本上奠定了"核心简单,边缘智能"的体系结构格局。尤其是20 世纪80 年代初"端到端原则"( End to End Argument) 的提出,进一步强化了"互联网的核心应该尽量保持简单,而把复杂的处理都放到端系统上去实现"的观念。
应该引起注意的是,试图仅仅通过改造核心网络来直接满足所有网络上层应用需求的做法,已被实践证明并不可行。另外,还应该注意到,如果所采取的措施不恰当或眼光不够长远,不但不太可能解决眼前所遇到的问题,而且可能妨碍到网络将来的发展,进而影响到整个互联网演进过程的持续性和连贯性。
2.从服务角度来研究下一代网络为互联网带来新的发展契机
像互联网这样规模十分庞大的分布式系统,将不可避免地面临异构性、开放性、安全性、并发性、可缩放性等方面的诸多挑战,因此从位于核心网络之上且分布于网络边缘的互联网端系统入手,致力于研究互联网如何为用户提供各种各样的服务,以及如何用这些服务来支持和开发各种特定网络应用的分布计算技术,便逐渐成为了互联网研究中的一个重要分支和领域。
在过去的二三十年中,逐步发展起来了诸如进程间通信、远程调用、分布式命名、分布式文件系统、容错和备份、分布式事务处理等一系列与分布式系统有关的理论和技术,从而大大增强了互联网的服务能力和丰富了互联网的服务类型。
随着分布计算领域研究的逐渐深入以及相关支持技术的日趋成熟,网络研究人员继续沿着从网络端系统入手来增强互联网服务提供能力的思路,将研究视野和研究方法进行了更加充分地拓展,相关研究工作基本上涵盖了近年来计算机网络领域一些重要的研究热点,包括覆盖网(OverlayNetworks) 、Grid、Web Services 等。
总之，虽然计算机和通信系统在计算机网络系统中都是非常重要的基本要素，但计算机网络并不是计算机和通信系统的简单结合，也不是计算机或通信系统的简单扩展或延伸，而是融合了信息采集、存储、传输、处理和利用等一切先进信息技术的，具有新质和新功能的新系统。对于现代计算机网络的研究和分析，用系统科学和信息科学的理论和方法来指导，才有可能使我们能够站在一个较高的高度来重新认识计算机网络系统结构、性能及网络工程技术和网络实际应用中的许多重要问题，也更便于把握计算机网络系统的发展趋向;这对研究网络新技术、开发网络新应用和设计制造网络新产品都具有重要意义。
论文作者:程飞
论文发表刊物:《科学教育前沿》2016年11期
论文发表时间:2016/12/7
标签：互联网论文; 计算机网络论文; 网络论文; 体系结构论文; 技术论文; 系统论文; 传统论文; 《科学教育前沿》2016年11期论文;