1.1 互联网的起源与发展

人类进入文明社会以来，经历了三次工业革命。第一次工业革命又叫产业革命，18世纪60年代首先发生在英国，是指资本主义由工场手工业过渡到大机器生产，在生产领域和社会关系上引起了根本性变化，其标志是蒸汽机的广泛应用，因此也称为蒸汽技术革命[3]；第二次工业革命，自19世纪70年代开始，几乎同时发生在德国、美国、英国、法国等国家，出现了新兴工业，如电力工业、化学工业、石油工业和汽车工业等，推动了生产力的迅猛发展，其最显著的标志是电器的广泛应用，因此也称为电力技术革命[4]；第三次工业革命，是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃，自20世纪40年代以来，以美国、苏联为首的国家引领了科学技术的发展，这是一次以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命[5]。

第三次工业革命的重大突破之一是电子计算机技术的发明和利用，逐步推动了互联网的产生和发展。有人认为，互联网是第三次工业革命的重大发明之一，也有观点认为，第三次工业革命就是“互联网+行业”。不管怎么说，互联网这一举世瞩目的重大技术发明，通过改变人的思维方式、人的生活方式、人与人之间的关系，重新构建了社会生活和商业规则，目前仍在以迅猛的速度推动着人类社会的发展进步。

1.1.1 互联网的起源

1957年，前苏联发射第一颗人造地球卫星Sputnik。作为对重大历史事件的直接反应以及由前苏联的卫星技术潜在的军事用途所导致的恐惧，美国国防部组建了高级研究项目局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）。当时，美国国防部为了保证美国本土防卫力量和海外防御武装在受到前苏联第一次核打击以后仍然具有一定的生存和反击能力，认为有必要设计出一种分散的指挥系统，它由多个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后，其他点仍能正常工作，并且这些点之间，能够绕过那些已被摧毁的指挥点而继续保持联系。

为了对这一构思进行验证，1969年美国国防部委托开发ARPANET（ARPA Network）[6,7]，进行联网研究。同年，美军在ARPA制定的协定下将美国加利福尼亚大学、斯坦福大学研究学院、加利福尼亚大学和犹他州大学的4台主要计算机连接起来，连接方式非常简单，如图1-1所示。这个协定由剑桥大学的BBN和MA 执行，在 1969年12月开始联机，当时的网络传输能力只有50kBit/s。其目的就是重新树立美国在军事科技应用开发方面的领导地位，从互联网的诞生历程可以发现，促使互联网最初起源的推动力是冷战时期的军备角力思维。

从1970年开始，加入ARPANET的节点数不断增加。当时ARPANET使用的协议是NCP（Network Control Protocol，网络控制协议），它允许计算机相互交流。最初的NCP下ARPANET上连接了15个节点共23台主机。

1972年，ARPANET的网络节点数已经达到40个，这40个节点彼此之间可以发送小文本文件（当时称这种文件为电子邮件，也就是现在的E-mail）以及利用文件传输协议发送大文本文件，包括数据文件（即现在Internet中的FTP），同时也发现了通过把一台电脑模拟成另一台电脑的终端，远程使用该电脑资源的方法，这种方法被称为Telnet。由此可见，E-mail、FTP和Telnet是Internet上较早出现的重要工具，特别是E-mail，仍然是目前Internet上最主要的应用。但在NCP下，目的地之外的网络和计算机不分配地址，限制了未来增长的机会。无论如何，ARPANET成了第一个简单的、纯文字系统的Internet。

随后，ARPANET以平均每20天就增加一个节点的速度发展，图1-2是1977年的网络拓扑图。

互联网节点和链路的爆发式增长，导致随后的网络拓扑难以用简单、清晰的拓扑图来表示网络的连接。为此，很多研究机构专门开展互联网的拓扑探测和研究工作。图1-3是AT&T公司在2007年8月绘制的互联网骨干网络拓扑结构图[8]，可以看到，经过多年的发展，互联网已经长成一张巨型蜘蛛网。

1.1.2 互联网的发展演进

互联网诞生后，经历了脱胎换骨式的发展演进过程[9]，以TCP/IP、NSFNET、WWW、IPv6 以及下一代互联网等为代表的里程碑式的重大事件，标志着互联网的滚动式发展、螺旋式上升，特别是近20年，以势不可挡之势迅速在全球广泛普及，已经成为人类生产、生活的必需品。

1.TCP/IP协议的产生

由于最初的通信协议对于节点以及用户机数量的限制，建立一种能保证计算机之间进行通信的标准规范（即通信协议）显得尤为重要。1973年，美国国防部也开始研究如何实现各种不同网络之间的互联问题。作为Internet的早期骨干网，ARPANET的试验奠定了Internet存在和发展的基础，ARPANET在技术上的另一个重大贡献是TCP/IP（传输控制协议/网际协议）协议簇的开发和利用，图1-4表示的是TCP/IP协议体系。1972年Robert E.Kahn（罗伯特·卡恩）来到ARPA，并提出了开放式网络框架，进而出现了大家熟知的TCP/IP[10～13]。1983年1月1日，所有连入ARPANET的主机实现了从NCP向TCP/IP协议的转换。为了将这些网络连接起来，美国人Vinton Cerf（温顿·瑟夫）提出一个想法：在每个网络内部各自使用自己的通信协议，在和其他网络通信时使用TCP/IP协议。这个设想最终导致了Internet的诞生，并确立了TCP/IP协议在网络互联方面不可动摇的地位，基于TCP/IP协议的公网发展推动了互联网的发展。

2.Internet的基础——NSFNET

Internet的第一次快速发展源于美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）的介入，即建立NSFNET[14]。

1984年，NSF决定组建NSFNET。通过56kBit/s的通信线路将美国6个超级计算机中心连接起来，实现资源共享。NSFNET采取的是一种具有三级层次结构的广域网络，整个网络系统由主干网、地区网和校园网组成。各大学的主机可连接到本校的校园网，校园网可就近连接到地区网，每个地区网又连接到主干网，主干网再通过高速通信线路与ARPANET连接。这样一来，学校中的任一主机可以通过NSFNET来访问任何一个超级计算机中心，实现用户之间的信息交换。后来，NSFNET所覆盖的范围逐渐扩大到全美的大学和科研机构，NSFNET和ARPANET就是美国乃至世界Internet的基础。

随着NSFNET的广泛流行，NSF不断升级它的骨干网络。1990年，NSFNET代替了原来的慢速ARPANET，成为互联网的骨干网络，图1-5是1992年的NSFNET骨干网，骨干网速率达到45MBit/s。而ARPANET在1989年被关闭，在1990年正式退役。

Internet的扩张不仅带来量的改变，同时也带来某些质的变化。由于多种学术团体、企业研究机构，甚至个人用户的进入，Internet的使用者不再限于纯计算机专业人员。新的使用者发现计算机相互间的通信对他们来讲更有吸引力。于是，他们逐步把Internet当作一种交流与通信的工具，而不仅是共享NSF巨型计算机的运算能力。NSFNET对Internet的最大贡献是使Internet向全社会开放，而不像以前的那样仅供计算机研究人员和政府机构使用。更多的非计算机专业人员希望通过使用广域网得到他们希望得到的信息。

3.万维网的出现

万维网（World Wide Web，WWW）[15]常简称为Web，它是一个结构性的框架，其目的是访问遍布在整个Internet上所有机器中相互链接的文档，形成世界性的信息库，使用户可以方便、快捷地获得全球范围的重要信息。

1989年3月，欧洲原子核研究组织（CERN）物理学家Tim Berners Lee（蒂姆·伯纳斯·李）撰写了《关于信息化管理的建议》一文，提出了最初的链接文档网的建议。1990年11月12日，他和Robert Cailliau（罗伯特·卡里奥）合作提出了一个更加正式的、关于万维网的建议，随后他在一台NeXT工作站上写了第一个网页以实现他文中的想法，第一个基于文本的原型系统投入运行。

1991年8月，伯纳斯·李在alt.hypertext新闻组上贴了万维网项目简介的文章，标志着Internet上万维网公共服务的首次亮相；12月，他在德克萨斯州的圣安东尼奥举行的Hypertext'91会议上，进行了一次公开演示。

1993年4月30日，欧洲原子核研究组织宣布万维网对任何人免费开放，并不收取任何费用。两个月后，Gopher 宣布不再免费，造成大量用户从 Gopher 转向万维网。

1994年6月，北美的中国新闻计算机网络（China News Digest，CND），在其电子出版物《华夏文摘》上将World Wide Web称为“万维网”，其中文名称汉语拼音也是以WWW开始。万维网这一名称后来被广泛采用。

1994年10月，万维网联盟（World Wide Web Consortium，W3C）在拥有“世界理工大学之最”称号的麻省理工学院（MIT）计算机科学实验室成立，其创建者和领导人正是万维网的发明者蒂姆·伯纳斯·李，这个组织的作用是使计算机能够在万维网上实现不同形式信息间更有效的存储和通信。

万维网的主要组件是Web客户端和Web服务器程序，可以让Web客户端（常用浏览器）访问浏览Web服务器上的页面。

在万维网中，网页是网站的基本信息单位，是WWW的基本文档。它由文字、图片、动画、声音等多种媒体信息以及链接组成，是用HTML（Hyper Text Markup Lauguage，超文本标记语言）编写的，通过链接实现与其他网页或网站的关联和跳转。网页文件可在WWW上传输，是能被浏览器识别显示的文本文件，其扩展名是.htm和.html。网站由众多不同内容的网页构成，网页的内容可体现网站的全部功能。通常把进入网站首先看到的网页称为首页或主页（Homepage），例如，新浪、网易、搜狐就是国内比较知名的大型门户网站。

通过万维网在网页间冲浪，使用的是超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）[16,17]。顾名思义，HTTP提供了访问超文本信息的功能，是WWW浏览器和WWW服务器之间的应用层通信协议。HTTP是用于分布式协作超文本信息系统的、通用的、面向对象的协议。

4.IPv6

以IPv4为核心的互联网技术，在全球范围取得巨大成功的同时，受限于 32位地址长度和A、B、C这3类编址方式，网络地址资源有限，以致IP地址已于2011年2月3日分配完毕。地址的不足严重地制约了互联网的进一步发展，特别是中国及其他发展中国家互联网的应用和发展。

一方面是地址资源数量的限制；另一方面是随着电子技术及网络技术的发展，计算机网络进入了人们的日常生活，可能身边的每一样东西都需要连入Internet。在这样的环境下，IPv6应运而生。

1995年起，IETF制定了一系列IPv6标准，并不断发展完善[18～23]，用于替代现行IPv4协议。IPv6地址长度128位，因此，新的地址空间支持2128（约3.4×1038）个地址，号称“全世界连一粒沙子都可以有自己的IP地址”。这不但解决了网络地址资源数量的问题，同时，也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。此外，IPv6还能在移动性、安全性、多播和服务质量保证等方面提供更强的能力。因此，各国政府、科研机构、标准化组织和各大公司都将 IPv6 视为下一代互联网的重要关键技术。近几年，我国每年都举办全球IPv6下一代互联网高峰会议，交流在IPv6研究、开发、测试和应用中的最新进展。

5.下一代互联网

互联网产生后迅速发展和广泛普及，成为人类社会重要的信息基础设施。但是，随着互联网上应用的不断发展变化，基于TCP/IP的现有互联网也逐渐暴露出许多的不适应。当前，互联网上暴露出的主要问题有：移动性差、灵活性差、服务质量难以保障、安全性不强、可管可控能力弱等。另一方面，互联网的规模远远超出当初的设想，骨干路由表超线性增长，网络扩容速度赶不上流量增长的速度，互联网正坍塌于自身规模的庞大，轻载网络的设想难以成为现实的选择。

为了解决这些问题，多年来，业界开展了一系列下一代互联网（也称未来网络）的研究工作。下一代互联网的演进，一直有“革命路线”与“渐进路线”之争。革命路线指全新打造，从头再来；渐进路线指改进完善，兼容过渡。简单地说，凡是不改变互联网IP的主体地位，则属于改良范畴，为渐进路线；而想要替代IP主体地位的网络就叫革命性网络。渐进路线的典型代表是基于IPv6逐步演进过渡的下一代网络，而革命路线的代表有全球网络创新环境（Global Environment for Network Innovations，GENI）[24]计划以及当前炙手可热的软件定义网络（Software Defined Network，SDN）[25,26]架构。

为彻底改变我国第一代互联网落后于人的现状，抓住下一代互联网的发展机遇，自20世纪90年代末开始，我国一直高度重视未来网络的研究。2003年，由国家发展和改革委员会主导，中国工程院、科技部、教育部、中国科学院等八部委联合开展了中国下一代互联网示范工程（CNGI）[27]项目，在下一代互联网研究与产业化方面获得重大突破，建成包括6个核心网络、22个城市、59个节点以及北京和上海两个国际交换中心的网络、273个驻地网的IPv6示范网络。CNGI项目成立了由中国工程院牵头的专家委员会，参与单位包括五大电信运营商和教育科研网、100多所高校和研究单位以及几十家设备制造商，产、学、研、用合作对我国下一代互联网技术和产业的发展产生了深刻影响。

近几年，国家发改委又启动了我国第二期下一代互联网工程（CNGI2）项目的研讨、论证，推动我国在下一代互联网领域的深化研究和产业化发展，对未来网络的发展、从IPv4向IPv6网络演进的过渡技术方案以及下一阶段项目部署等都提出了建议。

同时，相关部委和科研机构都纷纷推出未来网络的研究计划，如科技部在2012～2016年度启动“面向服务的未来互联网体系结构与机制”项目。2011年，中国工程院和南京市政府共同组织了“2011中国未来网络发展与创新论坛”，并举办了“中国（南京）未来网络创新中心”、“南京未来网络产业有限公司”揭牌仪式，前者为产业型研究院，后者为学科型公司，两者共同组成了未来网络谷（Future Network Valley），力求形成从芯片设计、设备制造、系统集成到应用服务的完整产业链。

值得指出的是，互联网之所以能有今天的发展，有两个因素功不可没：一是IP和TCP简单易用的接口；二是设备之间无需有十分紧密的联系。这样一来，不同的公司、组织以及不同的人都可以参与建设互联网。要想建立技术上可行、同时商业环境上友好的网络，唯一的途径是各自为政，没有人独揽大权。联系过于紧密的事物是难以测度的。一个相反的例子就是电话网络最初的发展。所有的电话网络都由一个组织包揽建网、设立标准、技术研发的全部工作。互联网从未按照这种模式发展。从一开始大家就各自为政，十分灵活。这是互联网之所以成长壮大并如此多样的原因之一。