從2015年起，我們就把區(qū)塊鏈定義為將來的一種計(jì)算或者通訊的一種基礎(chǔ)設(shè)施，如果把區(qū)塊鏈當(dāng)做是一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，這代表以后的計(jì)算機(jī)服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從上面到下面都會(huì)有改變。在2017年5月，筆者在貴陽數(shù)博會(huì)演講提出區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)(鏈網(wǎng))的大框架，講到區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)將支持“鏈滿天下”并且將改變互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議 [1, 2, 3]。

鏈網(wǎng)將會(huì)是什么協(xié)議呢?首先鏈網(wǎng)協(xié)議必須兼容現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議，但是又能支持區(qū)塊鏈服務(wù)。但是互聯(lián)網(wǎng)是40年前的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)實(shí)在太舊了，今天任何2、3年前的技術(shù)，我們都可能是認(rèn)為舊了必須更改，何況40年前的技術(shù)?在正常情形下，這應(yīng)該已經(jīng)換代10多次。

有人說我們不需要取代TCP/IP，因?yàn)楝F(xiàn)在大部分網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在TCP/IP上。我們不同意，因?yàn)門CP/IP當(dāng)初的勝出主要原因是技術(shù)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，但是它的理論基礎(chǔ)不強(qiáng)大。何況鏈網(wǎng)還會(huì)帶來新的研究問題， 許多區(qū)塊鏈服務(wù)不能在TCP/IP上高速運(yùn)行。這個(gè)鏈網(wǎng)表示新一代的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議需要出現(xiàn)。

作為區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)系列文章***篇，我們討論到現(xiàn)在TCP協(xié)議到底是不是一個(gè)好的協(xié)議。即使只是支持互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，和區(qū)塊鏈服務(wù)沒有一點(diǎn)關(guān)系，我們?nèi)匀豢梢钥吹竭@個(gè)協(xié)議可以有很大的進(jìn)步空間。只有我們了解這個(gè)協(xié)議的問題，我們的眼界才能打開。

TCP采取端到端的模式

最初設(shè)計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)在歷史上的特定時(shí)期和特定情況下發(fā)揮了它的作用?；ヂ?lián)網(wǎng)經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，已經(jīng)成為世界上每個(gè)國家的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。然而，最初的端到端設(shè)計(jì)原則已失去其實(shí)用性，并且成為更加高效實(shí)用的基礎(chǔ)設(shè)施的主要障礙。

區(qū)塊鏈將顛覆目前的互聯(lián)網(wǎng)。這是一個(gè)大好機(jī)會(huì)，這將是創(chuàng)建新互聯(lián)網(wǎng)的***時(shí)機(jī)。 

端到端互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)黑箱

端到端(E2E)互聯(lián)網(wǎng)的問題在于，它被設(shè)計(jì)成一個(gè)黑箱。在黑箱模型中，終端系統(tǒng)無法了解黑箱的狀態(tài)，所有反饋都來自黑箱外部，即來自連接到黑箱的終端系統(tǒng)。

互聯(lián)網(wǎng)采用黑箱模式,可以使非軍工企業(yè)與軍事供應(yīng)商合作建立通信基礎(chǔ)設(shè)施。最初的APARNET雛形就是一個(gè)國防資料網(wǎng);通過使用黑箱模型，許多非軍事供應(yīng)商也參與到互聯(lián)網(wǎng)的共建工作中。作為回報(bào)，他們有權(quán)使用網(wǎng)絡(luò)。端到端網(wǎng)絡(luò)的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

• 系統(tǒng)的可生存性;
• 多種多樣的服務(wù)類型;
• 多種多樣的網(wǎng)絡(luò)種類。

當(dāng)今的軍事網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)都具備上述這些屬性。雖然這些屬性造就了互聯(lián)網(wǎng)的迅速擴(kuò)張，是其成功的原因，但它也在許多方面阻礙互聯(lián)網(wǎng)成為更有用和更高效的網(wǎng)絡(luò)。

我們在以前已經(jīng)提出鏈網(wǎng)會(huì)有不同的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，例如交易網(wǎng)，監(jiān)管網(wǎng)。以后還會(huì)有許多不同的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)出來支持“鏈滿天下”， 鏈和鏈之間有跨鏈協(xié)議， 并且跨鏈協(xié)議有共識(shí)機(jī)制來保證跨鏈交易的資產(chǎn)是真實(shí)的。這表示鏈網(wǎng)的需求和40年前互聯(lián)網(wǎng)的需求完全不一樣。40年前設(shè)計(jì)是提供軍事和非軍事應(yīng)用的共享平臺(tái)，所以需要黑箱作業(yè);現(xiàn)在是鏈滿天下，資產(chǎn)上鏈，各主體需要對(duì)資產(chǎn)有共識(shí)后才能交易， 交易也要通過共識(shí)機(jī)制。這需要一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以前黑箱作業(yè)的協(xié)議不能夠支持鏈網(wǎng)的需求。

端到端互聯(lián)網(wǎng)的五大缺點(diǎn)

互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)。因此，應(yīng)根據(jù)經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的控制理論進(jìn)行構(gòu)建。控制理論告訴我們，控制系統(tǒng)包括兩個(gè)基本方面：系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)和對(duì)特定控制目標(biāo)的控制。

黑箱模型的缺點(diǎn)包括(但不限于)以下幾點(diǎn)：

• 1. 缺乏及時(shí)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)反饋;2. 缺乏及時(shí)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)控制;
• 3. 缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的系統(tǒng)化估計(jì);
• 4. 缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)化控制;
• 5. 盲視終端系統(tǒng)操作引起的噪聲和干擾。

缺乏及時(shí)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)反饋

根據(jù)控制理論，控制操作質(zhì)量的關(guān)鍵取決于控制器接收到的反饋。在黑箱設(shè)計(jì)中，反饋只能從終端系統(tǒng)接收。因此，當(dāng)來自發(fā)送端的資料包流在網(wǎng)絡(luò)中遇到擁塞時(shí)，發(fā)送系統(tǒng)無法收到擁塞點(diǎn)的擁塞情況。當(dāng)路徑的另一端檢測到擁塞時(shí)，它只能對(duì)所發(fā)生的事情進(jìn)行推測。從另一端系統(tǒng)反饋給發(fā)送端系統(tǒng)的質(zhì)量，***也不過是對(duì)路徑擁塞的延遲和粗略估計(jì)，甚至可能是對(duì)路徑情況完全錯(cuò)誤的估計(jì)。

缺乏及時(shí)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)控制

根據(jù)控制理論，***控制操作是無延遲的; 然而一個(gè)簡單的延遲會(huì)導(dǎo)致被控制的系統(tǒng)從有限維變?yōu)?**維。對(duì)于黑盒模型，控制只能在網(wǎng)絡(luò)外部的終端系統(tǒng)啟動(dòng)。這意味著無論控制做得多好，它在擁塞點(diǎn)的影響都將被延遲。眾所周知，這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，假設(shè)正確的控制操作是降低發(fā)送端系統(tǒng)的發(fā)送速率。當(dāng)流量減少的影響到達(dá)擁塞點(diǎn)時(shí)，擁塞可能已經(jīng)消失，或者路徑的瓶頸可能已轉(zhuǎn)移到另一個(gè)點(diǎn)。

缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的系統(tǒng)化估計(jì)

黑盒模型另一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)是阻礙了對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的系統(tǒng)化估計(jì)。今天的互聯(lián)網(wǎng)是由相關(guān)元件組成的連接網(wǎng)絡(luò)。因此，為了估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)，有必要在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。例如，如果不觀察與***條路徑具有相同連結(jié)的其他路徑上的交通狀況，就無法預(yù)測路徑上的交通狀況。采用端到端的設(shè)計(jì)，很難觀察和估計(jì)互聯(lián)網(wǎng)中真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。但是，移動(dòng)運(yùn)營商或內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)運(yùn)營商等都認(rèn)識(shí)到需要進(jìn)行全網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控。典型的運(yùn)營商設(shè)施通常設(shè)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制中心，允許運(yùn)營商監(jiān)控其網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分。然而，運(yùn)營商無法估計(jì)自己的網(wǎng)絡(luò)所連接的互聯(lián)網(wǎng)的真實(shí)狀態(tài)。對(duì)運(yùn)營商而言，連接到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)是無法用系統(tǒng)方法來進(jìn)行估計(jì)的。

缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)化控制

以同樣的方式，黑盒模型也阻礙了對(duì)互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的系統(tǒng)化控制。為了優(yōu)化對(duì)一小部分網(wǎng)絡(luò)的控制以達(dá)到特定控制目標(biāo)，通常需要對(duì)與這一小部分網(wǎng)絡(luò)有交互流量的互聯(lián)網(wǎng)的其他部分施加控制。在幾乎所有情況下，都有必要以系統(tǒng)化協(xié)調(diào)的方式在互聯(lián)網(wǎng)的多點(diǎn)上實(shí)施控制。例如，假設(shè)控制目標(biāo)是充分利用用戶所購買的100 Mbps的互聯(lián)網(wǎng)連接。但是，由于互聯(lián)網(wǎng)是共享的，除非沒有其他流量共享用戶占用頻寬，否則無法獲得100 Mbps的速度。瓶頸處的其他流量可能導(dǎo)致用戶可用的頻寬下降到100 Mbps以下。端到端設(shè)計(jì)阻礙兩個(gè)或更多獨(dú)立方協(xié)調(diào)其控制行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立各方所需達(dá)到的控制目標(biāo)。因此，在通常情況下，企業(yè)(如銀行或證券交易系統(tǒng))會(huì)建立一個(gè)完全私有的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其控制目標(biāo)。

終端系統(tǒng)的噪聲和干擾

端到端設(shè)計(jì)其實(shí)是互聯(lián)網(wǎng)本身表現(xiàn)不佳的根源。在網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)上，每個(gè)自治系統(tǒng)(AS)不考慮其他AS的操作，除非有協(xié)定或合同的要求。因此，每個(gè)AS都各行其事，并常成為其他AS和用戶的噪音和干擾源。一個(gè)簡單的例子就是TCP眾所周知的低性能。每個(gè)TCP發(fā)送方都受TCP標(biāo)準(zhǔn)的約束，從而在發(fā)送端維持所謂的“公平共享”輸送量。在TCP模型中，共享同一瓶頸鏈路的其他發(fā)送方發(fā)送的所有通信都是自然發(fā)生的。因此，每個(gè)發(fā)送者都可以按自己的節(jié)奏自由地發(fā)送資料包，而沒有流量控制機(jī)制來進(jìn)行協(xié)調(diào)或調(diào)節(jié)。因此，今天的互聯(lián)網(wǎng)流量是突發(fā)性的，具有高度隨機(jī)性。由于在互聯(lián)網(wǎng)上沒有系統(tǒng)化的流量調(diào)節(jié)，在幾乎整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)上任何的應(yīng)用都經(jīng)歷了不同的RTT(往返時(shí)間)。當(dāng)RTT變化較大時(shí)，TCP輸送量可能會(huì)崩潰;今天，這種崩潰在互聯(lián)網(wǎng)上仍然很常見。 

本文所提的分析，也應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)。鏈網(wǎng)會(huì)有新的協(xié)議，架構(gòu)，會(huì)是下一代的互聯(lián)網(wǎng)[4]。

參考文獻(xiàn)

• [1]. 蔡維德等，“區(qū)塊鏈的中國夢之一： 區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)***中國科技進(jìn)步”, 2018.8.7 https://mp.weixin.qq.com/s/NtM7jHfxq1rsIAO0i7cEBg
• [2]. 蔡維德等，“區(qū)塊鏈的中國夢之二：鏈滿天下打造數(shù)字社會(huì)”, 2018.9.11 https://mp.weixin.qq.com/s/WCIMDUSrCueJyNAMpAn8hA
• [3]. Mathis, Semke, Mahdavi & Ott, “The Macroscopic Behavior of TCP Congestion Avoidance Algorithm,” Computer Communication Review,27(3), July 1997
• https://www.slac.stanford.edu/comp/net/wan-mon/thru-vs-loss.html
• [4]. 蔡維德等，“區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)”, 2017.6.3
• https://mp.weixin.qq.com/s/7cTVxvGVPZeax0zuUAhWmg

作者簡介：

蔡維德：北航數(shù)字社會(huì)與區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)室，天德科技 ，國家大數(shù)據(jù)(貴州)綜合試驗(yàn)區(qū)區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室， 天民(青島)國際沙盒研究院， 賽迪(青島)區(qū)塊鏈研究院

Kevin Tsai：University of California at Irvine 名譽(yù)教授，美國麻省理工學(xué)院本碩博，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)專家