互联网的成功和端到端原则

Posted 2022-03-25 dog250

本文很短，就几句话。

互联网之所以发展迅速，得益于端到端原则：

• 保持一个极简的核心，将复杂留在端。

道理很简单。

核心若不极简，互联网将无法适应变化。随着接入节点的增加，核心的负担将指数增加，互联网规模终将停滞。

全文完。以下是后序。

写在后面

网络是分布式的，要实现一个网络功能时，需要选一个部署它的位置，换言之，是在转发节点实现还是在端节点实现。

计算机技术的发展让端越发智能，各类应用的蓬勃是迟早的事，它们对网络的需求各自不一。

以可靠传输为例，若在网络中心实现逐跳可靠传输，必然需要在每一跳记录状态，随着新节点的接入，状态记录将指数增长，转发节点终将不堪重负而崩溃。在中心实现其它需求，结果亦然。

简言之，在中心实现网络需求，没有可扩展性，无法适应变化，而唯一不变的是变化本身。

拥抱变化的取向迫使端到端的需求在端到端实现。否则，互联网甚至无法起步，更别提发展。

就这一点足以确定互联网的架构，其余的都是结果。

先看成本因素，遵循端到端原则是最划算的。

网络核心实现的任何功能，其代价均是全局的。网络核心是所有通信必经之处，任何一个功能，均会对途径的所有数据包进行额外操作，哪怕改功能并不是所有应用必须的。无论该功能软硬件设施所需的金钱，还是额外操作所损耗的时间，都是净损耗。不划算。

再看完备性，遵循端到端原则最完备。

网络核心实现的所有功能，必须满足所有端到端需求的全集，但端到端需求是不断变化的，因此在任何时间点均不存在完备的全集。若实现一个子集，那么实现谁忽略谁将造成不公平。网络核心无法满足全集，又不能简化实现功能子集，端到端需求在端到端满足便是必然。

最后看透明性，遵循端到端原则是保持端到端透明的唯一方式。

网络核心实现的功能，必然涉及对数据包的写操作，比如逐跳的可靠性保证，数据包的目的地永远是下一跳，源则是当前节点，源和目标在网络传输路径上不断变化，端到端的源和目标不再保持。若将功能实现在端，对于应用而言，就好像网络根本不存在一样。因此，端到端原则保持了最佳的透明性。

最终，网络核心只保留不得已而必须的传输功能，它极简，无状态，因此只能“尽力而为”，“逐跳传输”。无论是尽力而为还是逐跳传输，都是端到端原则的必然结果，现实中，这个核心就是IP协议。IP一点也不多，一点也不少，它是系着两个罐子的那根细绳子。

简单说说TCP/IP分层。它也是端到端原则的结果。

TCP/IP一开始并不是分层协议族，它是一个端到端的TCP协议，按照端到端的原则做了减法之后，IP协议分离了出来，这个分离来自于一个减法原则：“网关在搬移数据包时是否需要这个信息，若不需要，那这个信息就不该放入IP”。

这个减法将TCP变成了一个双层协议，TCP/IP。所有使用TCP/IP的上层，便生成了TCP/IP协议族。

IP是个极简协议，它只读(TTL字段只是一个增强)，无状态，路由器只看目标地址即可完成转发。

分层协议族的演化表明互联网不是设计规划出来的，而是进化出来的，这个和近乎完备的ISO/OSI完全不同。

端到端原则的核心产物便是分布式路由了。

极简的IP协议唯一特征是全局编址，互联网所有节点组成了一张图，每个节点由一个IP地址标识，所有节点通过与邻居交换信息执行分布式算法，每个节点均会生成一张路由表，节点依照这张路由表执行数据包转发，由于IP是无状态的，转发必然是逐跳的，每个节点均无全局信息，却能将数据包按照最短路径送达目标，大雅。

端到端原则似乎是绝对正确的，事实果真如此吗？

回顾从阿帕网经TCP/IP诞生到现代互联网的历史，我注意到一个转折点。我在之前的文章中也提到过：

• 让网关作为一个信使而不是一个代理是一个好主意，这使网关的工作变得简单，只需转发数据包而无需拆解它。

仔细一想，这个说法是依赖拓扑的。早期对网络的假设和现在完全不同。早期的假设是，所有节点组成一个P2P对等网络。所有节点是平等的。然而现代互联网却并非如此。

我们来看CDN，CDN网络的cache节点，它既不是源节点，也不是目标节点，逻辑上，它位于网络核心，“让网关作为一个信使而不是一个代理是一个好主意”便错了，cache节点显然要理解数据，它不仅仅要做信使，还要做代理把信拆开。

这属于对端到端原则的补充还是破坏？

早期的P2P假设将网络视为一个对等通信的场所，类似于朋友之间的交流，直到现在我们的社交应用依然符合这种假设，除此之外，人们还将网络视为获取资源的场所，类似于卖场购物，图书馆借书，CDN网络便应运而生。在CDN网络中，中间节点变复杂了，这属实是一种对端到端原则的补充。

然而如何将源站的端到端特征透明传输到客户终端，给中间cache节点带来很大的挑战。cache节点因此变得复杂无比，它需要理解各类源站的端到端特征，似乎它正朝向端到端原则的反面。

除了CDN，数据中心网络亦是端到端原则的反动。各类源抑制，反压机制在交换机上完成精细化的加速，拥塞控制，端主机反而变得简单，省下本应该处理端到端逻辑的资源用于计算业务。数据中心网络核心越发复杂，而端主机越发简单，就像一根玉米棒子两端沾着两粒玉米粒。

想多了，哪有什么普适原则。

端到端原则的最佳实践就是可扩展性，适应变化，它制造了互联网的繁荣。CDN也好，数据中心也好，均是领域网络，它们并没有全球繁荣的所需，CDN仅调度资源到用户家门口，数据中心仅局限在百米范围，与全球互联网完全不同。

因此，适应的才是最好的。

最后，我做一个对比，铁路和公路。本来我想用TCP/IP网络和传统电信网络直接说的，可最终觉得还是铁路和公路最合适。

铁路属于中心控制，复杂性在路网而不在火车，火车只保有启动，加速，刹车，鸣笛等简单功能即可。

公路属于分布式控制，复杂性在汽车而不在公路，公路只保持平整的路面即可。

试问，哪一种路更容易扩展，更适应变化？

先看铁路，新加入一列火车，或者新接入一段铁路，必须对既有牵扯到的时间表调度做完全的调整，每次铁路新增列车，提速，都伴随着巨大的调整，所谓牵一发而动全身。

再看公路，无论是经理新买了一辆新车上路，还是某处新修了一条路，什么都不用改变。汽车属于端到端逻辑，而公路只是一个极简的通道。

铁路对变化的反应是强烈的，随着列车和路网的扩张，反应烈度是指数级增加的。

公路对变化是无感的，各类新车在增加，各类旧车在淘汰，路有新修和拥堵，但几乎不会有任何感觉。

浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。