互联网协议 — 概览

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TCP/IP 协议族

在 Internet 还未问世之前，ARPANET 一枝独秀，这是一个采用包交换机制的网络。在 ARPANET 早期阶段，采用的是一种叫 “网络控制协议” 的网络协议。随着网络的发展和用户对网络需求的不断提高，设计者们发现 NCP 协议存在着很多的缺点，比如 NCP 仅能用于同构环境中（指网络上的所有计算机都运行着相同的操作系统）。研究者们认为一个分布广泛的网络上不应该有 “同构” 这种限制的存在。

1972 年，温顿·瑟夫与罗伯特·卡恩（Robert Elliot Kahn）一起合作，首次提出 “传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）” 的概念。

1974 年 12 月，卡恩与瑟夫正式发表关于 TCP/IP 协议详细说明。同时，为了验证 TCP/IP 协议的可用性，他们试验将一个数据包由一端发出，在经过近 10 万 km 的旅程后到达服务端。在这次传输中，数据包没有丢失一个字节，这充分验证了 TCP/IP 协议的可行性，一度引起相关领域的广泛关注。

1982 年，ARPANET 开始采用 TCP/IP 协议，NCP 逐渐被摒弃。
1983 年元旦，TCP/IP 协议正式替代 NCP，这意味着 TCP/IP 成为大部分因特网共同遵守的一种网络规则。
1984 年， TCP/IP 协议得到美国国防部的肯定，成为计算机领域共同遵守的一个主流标准。

到今天，这两个协议已经成为全世界因特网传输资料所用到的最重要的技术，瑟夫和卡恩因此被誉为 “互联网之父”。随后瑟夫不断加强传输和安全协议，努力完善 TCP/IP，使其有更为深远和广阔的应用空间。

《互联网协议 — ARP 地址解析协议》
《互联网协议 — MPLS 多协议标签交换协议》
《互联网协议 — IPv4 互联网协议第4 版》
《互联网协议 — VRRP 虚拟路由器冗余协议》
《互联网协议 — TCP 传输控制协议》
《互联网协议 — UDP 用户数据报协议》
《互联网协议 — QUIC 快速的 UDP 网络连接协议》
《互联网协议 — HTTP 超文本传输协议》
《互联网协议 —HTTPS 安全的超文本传输协议》
《互联网协议 — HTTP/2 超文本传输协议第 2 版》
《互联网协议 — DNS 域名系统》

New IP

华为与中国联通和中国电信以及工信部在联合国国际电信联盟（ITU）的会议上共同提议采用一种新的核心网络技术新标准，名为 “New IP”。提案已获得了俄罗斯的支持，可能会获得沙特阿拉伯的支持。

一位不愿透露姓名的 ITU 英国代表说：“究其深层，如今正围绕互联网将来的面貌上演一场激烈的较量。眼下有两种相互竞争的愿景：一种愿景是高度崇尚自由和开放。另一种愿景是大大加强控制和监管。”

华为曾表示，在多个国家政府和公司的帮助下，新网络架构技术的一些部分已经在建造中，但不方便透露那些参与者的身份。华为还表示，相关部分准备好在 2021 年初之前进行测试。

华为声称：支撑全球网络的现有互联网基础设施（名为 TCP/IP）“不稳定”且“效率严重低下”，到 2030 年无法满足数字世界的要求，包括自动驾驶汽车、无处不在的物联网和“全息感知的隐形传态”。

华为表示，开发 New IP 纯粹是为了满足快速发展的数字世界的技术要求，它并没有将任何一种控制机制做入到设计中。华为称，它在 ITU 领导的一个小组专注于未来网络技术。

华为发言人补充说：“New IP 的研究和创新向全世界的科学家和工程师开放，他们可以参与进来，并为之贡献。”

New IP 有何不同？

互联网的结构是半个世纪前设计的，其运行方式类似邮政系统。为了解决在全球范围内发送信息的问题，工程师们将消息分解为多个小数据包，这些小数据包可以在计算机之间传递，直至抵达目的地。每个数据包都标有它要抵达的那台计算机的地址（即 IP），该计算机收到数据包后，以正确的顺序重新组装数据包。

John Naughton 在《未来简史：互联网的起源》一书中写道：“你可以说，TCP/IP 之于有线世界，犹如 DNA 之于生物世界。”

New IP 被华为称作是 “更加动态的 IP 寻址系”。华为的工程师描述了互联网如何日益演变成几个独立的网络，比如专用通信网络和卫星传送信号的网络。该论文称：“由于不相兼容的寻址机制，这些网络之间的互连是一大挑战。”论文补充道，新兴技术需要一种更高效的寻址系统。New IP 将提供这种寻址系统，从而使同一网络中的设备可以彼此直接通信，而不必在互联网上发送信息。

New IP 方面的担忧来自运营商到时对 IP 地址可能拥有多大的控制权。批评人士称，新提案将要求网络具有 “跟踪功能”，这种功能负责对添加到网络的新地址、另一头的人员以及在互联网上发送的信息数据包进行验证和授权。

据消息人士声称，华为在 ITU 做报告时还明确表示，New IP 会有所谓的 “关闭命令”，即网络中的中心点实际上可以切断与特定地址之间的通信。这项功能与目前的网络模型 “背道而驰”，目前的网络模型充当“独立的邮递员，只是移动信箱而已。”

国际互联网技术和标准组织 IETF 主席于 3 月 30 日发表声明。ETF 主席表示，消除不必要的延迟是 IETF 和 ITU 长期共同关注的工程目标。IETF 在这个领域的研究历史可以追溯到上世纪 90 年代，先后提出了多种技术，例如集成服务（IntServ），资源保留协议（RSVP），多协议标签交换（MPLS），差异化服务（DiffServ）和主动队列管理（AQM）。

在过去的五年中，又实现了更多新技术的进展：定向 HTTP、传输层安全（TLS）、QUIC、确定性网络（DetNet），以及其他低延迟、低损耗、可扩展吞吐量（L4S）技术。

那些对网络抖动、延迟和吞吐量等属性有严格要求的应用程序如今已部署在互联网上，同时并没有使用设想的中的紧密跨层链接，而都是部署在现有协议和设计约束之下。这些应用程序，包括会议、增强现实和游戏，都是为改进网络协议的特性提供了市场动力。

IETF 正在多个领域中开展网络组件或协议层次之间的协调工作。希望能满足新型实时应用的需要，包括全息通信，而无需新的网络体系结构。

2018 年，ITU 成立了 Network 2030 焦点组（ITU-T FG on Network 2030），该焦点组旨在探索面向2030年及以后的网络技术发展，探索网络新概念、新构架、新协议、新解决方案和新应用。当时，Network 2030 焦点组主席，华为 2012 网络技术实验室首席科学家 Richard Li以一篇《迈向 2030 年及以后的新互联网》对 Network 2030 愿景进行了介绍，其中指出：移动网络 ≈ 3GPP 构架 + IP 协议，但面向未来需求，当前的移动网络存在如下问题：

• 在应用层，当前的 TCP/IP 无法保证吞吐量和时延。
• 在 PDCP 层存在时延差异，由于无线重传与 TCP 流控（flow control）不同步，导致 TCP 浪费地重传数据包。
• GTP 复杂性：包括隧道建立/拆除处理、隧道报头开销、额外的 C-P 信令。
• 协议的低效使用：“隧道”加“隧道”；某些头字段相互重复；头开销很高，有时高达 90％。

由于时延和速率受限，当前的网络难以保障未来新应用的交付，比如VR、全息、工业互联网、触觉互联网等。并提出了 “New IP”，以解锁未来新机遇。

Non-IP

2020 年 4 月 7 日，欧洲电信标准化协会（ETSI）宣布成立新的行业规范工作组 “ Non-IP Networking”（ISG NIN）。

Non-IP 网络行业规范工作组（ISG NIN）在 3 月底召开了一次启动会议，但是这家标准化组织本周才对外宣布。新工作组将取代现有的 ETSI 下一代协议（ISG NGP）工作组，原来的工作组于 2015 年成立，旨在研究即将到来的 5G 时代的网络技术需求，目标是为 5G 网络研究开发新的网络协议，以替代 TCP/IP。

2015 年，一些移动运营商发现在 4G 网络中使用的基于 TCP/IP 的技术存在一些问题。由于 TCP/IP 协议最初是为互联网设计，而非为移动通信网络而生，当移动通信网络引入 TCP/IP 后，增加了移动性、安全性、QoS 等功能，这使得网络更复杂，频谱使用效率较低。为了解决这些问题，后续的修补和替代方案又导致了成本、时延和功耗增加。

因此，一段时间以来，业界已认识到新服务与目前网络技术之间脱节的问题，包括 “复杂且低效地使用频谱，这个现象归咎于为一种根本就不是为新要求而设计的协议添加移动、安全、服务质量及其他功能特性。后来陆续推出了旨在克服这些问题的解决方案和变通办法，不过它们本身增加了成本、延迟以及功耗”。

对于更高级的 5G 服务，TCP/IP 被认为不是最佳的。

为了解决这些问题，ETSI 于 2015 年（当时仍处于 4G 时代）成立了 ISG NGP 工作组，新的 ISG NIN 正有条不紊地推进这项工作。该工作组声称其使命是 “开发相关标准，以便技术更高效地使用网络容量、设计当初就注重安全，并为实时媒体提供更低的延迟”，而这些都是 5G 承诺的几大优点。

BSI 的 John Grant 被当选为 ISG NIN 组长，他说：“我很荣幸出任该工作组的组长。为互联网找到更适合 5G 时代的新协议至关重要。如果使用目前基于 TCP/IP 的网络，就无法最有效地支持大数据和关键任务系统，比如工业控制、智能车辆和远程医疗”。

在工作组中被称为 TCP/IP 的 Internet 协议族其实包括数据包数据标识标准（IP）和传输标准（TCP），是上世纪 70 年代在美国国防部内部开发而成的，用于在固定计算机之间传输基于文本的数据。当互联网开始广泛用于民用时，人们开始讨论开发新的网络技术以应对互联网使用日益增加的情形。不过最终，工程师们还是决定在现有的 TCP/IP 基础架构上添加新技术。

国际电信联盟（ITU）负责审批技术标准的研究组负责人 Bilel Jamoussi 在接受《金融时报》采访时说：“许多设计和开发恰好在某种程度上可以拯救老式 TCP/IP。我认为我们现在处于另一个转折点：这么做够了吗？还是说我们需要新的东西？”

基于一个类似的前提：目前的 TCP/IP 基础架构再也无力支持新技术和新服务的需求，来自华为、中国移动、中国联通和中国信息通信技术研究院（CAICT）的代表们在国际电信联盟日内瓦总部的闭门会议上提出了一项名为 “New IP” 的中国提案。《金融时报》近日获得相关文件后，New IP 才被外界所知。

虽然细节寥寥，但中国提案的基本方案是采用一种自上而下的互联网管理方法，以取代目前开放式、扁平化、全球化、几乎 “处于蛮荒状态” 的互联网。按照新的管理方法，互联网服务提供商（ISP）、运营商以及最终主权国家拥有全面控制权。

至于闭门会议召开两周后 ETSI 宣布新的 ISG NIN 是不是对媒体报道中国方案作出回应，谁也说不准。新工作组关注的重点有别于中国的提案：它是特定性的（针对支持 5G 服务），分阶段的（先从专用网络入手，然后部署到公共网络，先从核心网络入手，然后扩展到接入网），并且着眼于底层技术，而不是着眼于互联网的控制。

不过从积极的角度看待当下情形，至少中国方面和 ETSI 乃至 ITU-T 都一致认为，TCP/IP 基础架构变得过时了。

沃达丰的 Kevin Smith 担任过 ISG NGP 组长，并当选为 ISG NIN 副组长。他说：“不可否认，IP 协议栈和 OSI 层模型实现了全球互连，但是自从上世纪 70 年代问世以来，它们的设计反映了那个时代的需求和功能。重新评估网络协议的基本设计原理带来了大好机会，可以为 2020 年接入网和使用场景带来性能、安全和效率等方面的提升，而且可以通过简化而不是添加昂贵的附件来实现。ETSI ISG NIN 与众多行业组织齐心协力开展合作，可以为运营商提供最先进的协议族，以便添加到服务组合中。”

ISG NGP 已确定了可以直接解决这些问题的候选技术，从而显著减少了报头大小、每数据包处理复杂度和实时媒体流的延迟，同时仍与当前的 Internet 以及 SDN、MPLS 等新技术兼容。另外，ISG NGP 还发布了一组 KPI，可以客观评估网络协议满足运营商需求的能力。

今天，继 ISG NGP 之后，ETSI新成立了 ISG NIN 工作组，意味着替代 TCP/IP 的工作进入了一个新的阶段。下一步，ISG NIN 工作组的任务是更好的服务 5G 新应用，并致力于更低成本、更高效的管理新应用。

ETSI 表示，ISG NIN的 工作将首先应用于移动专网，然后再扩展到移动公网，覆盖范围包括核心网和无线接入网。

事实上，关于 “下一代协议” 这事并不新鲜，业界从 2016 年开始就不断有声音发出，表示 TCP/IP 制约了移动网络发展。专家们认为，TCP/IP 协议发明于上世纪 70 年代，其初衷是为固定网络和网络互连而设计，尽管几十年来连接了无数计算机，推动了互联网蓬勃发展，但它不是为移动通信网络而生。

互联网连接的终端是固定的，网络架构是分布式的；而移动通信网络连接的终端是移动性的，架构是集中式的。两者基因本不同，两者结合，不免会带来网络低效、成本高昂等问题。以 4G 网络端到端用户面协议栈为例，基于 IP 协议的 GTP 隧道需层层封装、解封、IPSec 加密、ROHC 压缩等，这无疑增加了传输时延，也增加了处理成本。这种低效组合花费了更高的成本，也使得网络的性能、安全性、移动性和规模性等受到了制约，未来将影响移动通信网络拓展新业务，拓展垂直市场。

专家们认为，面向未来，5G 时代将催生 AR/VR、自动驾驶、远程医疗等各种应用，而 TCP/IP 协议难以适应未来，我们需要重新定义新的协议。