2010年,苹果iPhone 4发布,它的设计理念远远领先业界:视频通话功能、玻璃机身、500万像素摄像头、视网膜级别显示屏、主动降噪麦克风。在过去的十年中,随着各个厂家之间的竞争越来越激烈,智能手机支持的功能也越来越多,远远超越了通话本身。大浪淘沙,从操作系统上看,微软的Windows Mobile和诺基亚的塞班系统已经退出了移动互联网舞台。安卓与苹果的iOS是手机操作系统领域竞争的胜利者。在智能手机市场,中国厂商(华为,OPPO,小米等)在近几年里的份额越来越多,成为了三星苹果之后强劲的竞争对手。如今,在5G时代的大门前,各家手机厂商又蓄势待发,进行下一轮的竞争。
2.1.4 其他方面
除了上述几个方面,互联网物理与数据链路层的其他一些方面却基本保持了十年前的样子。虽然光纤的速度正在不断增加,黄色同轴电缆也已经消失,但是以太网分组帧的格式却意外的保留了下来。更加令人惊奇的是,以太网定义的64字节和1500字节的最小和最大数据包大小仍然被现在的设备广泛使用。在过去十年中,这一基本不变分组大小必然促使网络设备处理分组能力上限的增加。在这段时间里,分组的处理速度增加了大约100倍,这与设备的传输速度从2.5Gbps增加到400Gbps的倍数一致。然而在过去十年中,处理器的时钟频率和内存的周期时间却并没有改变。因此,为了使路由交换设备获得更高的分组处理速率,人们越来越依赖于并行处理。现在网络设备使用多核处理器和高度并行存储系统来实现单线程处理模型中不可能实现的性能。
2.2 网络层与网络管理
2.2.1 IPv4与IPv6
为每台联网设备分配一个全球唯一的IPv4地址,将这一基本逻辑称为互联网的支柱也毫不过分。这根支柱拥有232个(约43亿)IPv4地址的巨大空间,过去绝大多数人都未曾想过这根支柱会有折断的一天,然而在互联网诞生不到50年的时间里,这件事的确发生了。2011年2月3日,互联网地址分配机构(The Internet Assigned Numbers Authority,IANA)宣布IPv4地址空间段的最后2个“/8”前缀已经分配出去。尽管当时各地区的分配机构还保留着一些IPv4地址库存,但从全球意义上讲,这正式宣告了IPv4地址空间的耗尽。目前,全球五大地区分配机构的IPv4地址库存也已基本用完。2011年4月,亚太互联网信息中心(Asia-Pacific Network Information Center,APNIC)所拥有的IPv4地址资源除少量保留地址外全部耗尽。2014年4月,负责美洲及非洲撒哈拉地区IPv4地址分配的美国互联网号码注册机构(American Registry for Internet Numbers,ARIN)开始分配其最后的“/8”前缀。
然而在过去的十年中,可以认为互联网最显著的特征就是仍然运行着IPv4。尽管IPv4受到了来自于多方的质疑与压力,也经历了地址空间不足的严重问题,但它还是顽强地坚持了下来。根据统计,截止至2019年3月底,全球互联网的用户人数大约为44亿[3]。2018年底,全球联网的设备数量约为220亿台[4]。令人感到震惊的是,支撑这一庞大数量的仅仅是30亿个全球IPv4地址(不包括私有地址)。实现这一奇迹的关键技术主要有两个:IPv6和网络地址翻译器(Network Address Translators,NAT)。
早在1990年代,人们就意识到IPv4地址不足的问题,并提出了IPv6的构想。IPv6地址128比特的长度提供了IPv4地址数量296倍大小的空间,使得人们再也不用担心地址耗尽问题。然而从IPv4互联网过渡到IPv6互联网是一件极具挑战的任务。IPv6不具备向后兼容性[5],所有的端设备(主机、手机)和网络设备(路由器、交换机)都需要支持IPv6,所有的相关协议、基础设施都要进行全面的更新,必然带来巨大的开销。为了节约开销,多数人选择了使用NAT。NAT对IPv4地址进行了时分复用,即一台设备只有在需要联网的时候才占用一个地址。互联网中广泛使用的一种NAT变体是网络地址端口翻译(NetworkAddress Port Translation,NAPT),NAPT使网络内部的多个设备通过同一个公共IP地址访问互联网。NAT广泛部署于互联网边缘,其作用甚至对互联网体系结构产生了影响。例如,考虑到不同NAT内部的用户之间建立连接较为困难,更多的互联网应用选择了客户端-服务器(client/server)模式以取代对等(peer-to-peer)模式。
在IPv6方面,当前部署了IPv6的网络相比十年前已经有了很大的增长。目前互联网用户的大约五分之一都可以通过IPv6上网,占了全球总人口数的约十分之一。这一增长主要都发生在过去的十年里[6]。然而与十年前一样,人们在是否应当立即部署IPv6这一问题上的争议仍然没有定论,互联网何时才能全面部署IPv6也还没有得出答案。为了回答为什么剩下的五分之四的互联网用户没有部署IPv6,文献[7]基于统计数据和经济学原理进行分析,发现了一个有趣的现象:IPv6在某种意义上是“富人的游戏”。一般的服务提供商(Internet ServiceProvider,ISP)在面临多种选择时,更愿意把有限的预算用于比部署IPv6更加紧迫的需求,主要是提升用户体验,例如带宽扩容、购置更多内容和服务等,因此IPv6的部署就被无限期延后了,直到IPv4地址的紧缺成为不得不解决的问题。