蔡维德：TCP 端到端设计又旧又多毛病

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如果区块链被视为一个基础设施，这意味着未来的计算机服务器和网络协议将从上而下发生变化

连锁互联网系列(1)

自2015年以来，我们将区块链定义为未来计算或通信的基础设施。如果区块链被视为一个基础设施，这意味着计算机服务器和网络协议将在未来从上到下发生变化。2017年5月，作者在贵阳数字博览会上发表演讲，提出了区块链互联网(连锁网络)的大框架，称区块链互联网将支持“全球连锁”，并将改变互联网协议[1，2，3]。

链式网络将是什么协议？首先，链式网络协议必须与当前的互联网协议兼容，但它也可以支持区块链服务。然而，互联网是40年前的一项技术，这项技术太老了。今天，任何2或3年前的技术，我们可能认为它必须改变，更不用说40年前的技术了？在正常情况下，本应更换10次以上。

有人说我们不需要取代tcp/ip，因为现在大多数网络都是基于tcp/ip的。我们不同意，因为tcp/ip之所以在一开始胜出，主要是因为它的技术简单，实现方便，但是它的理论基础并不牢固。此外，连锁网络将带来新的研究问题，许多区块链服务不能在tcp/ip上高速运行。这个链式网络表明需要出现新一代的互联网协议。

作为区块链互联网系列的第一篇文章，我们讨论了tcp目前是否是一个好的协议。即使它只支持互联网操作，与区块链服务无关，我们仍然可以看到这个协议可以取得很大的进步。只有当我们理解了这个协议的问题，我们才能睁开眼睛。

Tcp采用端到端模式

最初设计的互联网在特定的历史时期和特定的环境下发挥了作用。互联网经历了许多发展阶段，已经成为世界各国的数字基础设施。然而，原有的端到端设计原则已经失去了实用性，成为更高效、更实用的基础设施的主要障碍。

区块链将颠覆当前的互联网。这是一个很好的机会，也是创造新互联网的最佳时机。

图1:现在互联网是一个黑匣子

端到端互联网是一个黑箱

端到端(e2e)互联网的问题在于它被设计成一个黑匣子。在黑盒模型中，终端系统不能知道黑盒的状态，所有的反馈都来自黑盒外部，即来自连接到黑盒的终端系统。

互联网采用黑箱模式，使非军事企业能够与军事供应商合作建立通信基础设施。最初的aparnet原型是一个国防数据网络；通过使用黑箱模型，许多非军事供应商也参与了互联网的共同建设。作为回报，他们有权使用互联网。端到端网络的初始设计目标如下:

1.系统的生存能力；

2.各种服务类型；

3.各种类型的网络。

今天的军事网络和商业网络具有这些属性。虽然这些属性有助于互联网的快速发展，也是其成功的原因，但它们也在许多方面阻止了互联网成为一个更有用、更高效的网络。

我们之前已经提出，连锁网络将有不同的应用网络，如交易网络和监管网络。未来，将会有许多不同的应用网络来支持“链满世界”。链与链之间有跨链协议，跨链协议有一个共识机制来确保跨链交易的资产是真实的。这意味着连锁网络的需求与40年前互联网的需求完全不同。40年前，设计是为军事和非军事应用提供一个共享平台，因此需要黑盒操作；现在，链条遍布全球，资产也在链条上。所有主体在交易前都需要对资产达成共识，交易必须通过共识机制。这就需要一个全新的网络基础设施，以前的黑盒协议不能支持链式网络的需求。

端到端互联网的五大缺点

互联网是一个复杂的控制系统。因此，它应该根据经得起时间考验的控制理论来构建。控制理论告诉我们，控制系统包括两个基本方面:系统状态估计和特定控制目标的控制。

黑盒模型的缺点包括(但不限于)以下几点:

1.网络内部缺乏及时反馈；

2.缺乏及时的网络控制；

3.缺乏对网络状态的系统评估；

4.缺乏对网络的系统控制；

5.盲终端系统运行引起的噪声和干扰。

网络内部缺乏及时反馈

根据控制理论，控制运行质量的关键取决于控制器收到的反馈。在黑盒设计中，只能从终端系统接收反馈。因此，当来自发送方的分组流在网络中遇到拥塞时，发送系统不能在拥塞点接收到拥塞。当路径的另一端检测到拥塞时，它只能猜测发生了什么。从另一端系统反馈到发送端系统的质量仅仅是路径拥塞的延迟和粗略估计，甚至可能是对路径状况的完全错误的估计。

缺乏及时的网络内控制

根据控制理论，最好的控制操作是没有延迟的。然而，一个简单的延迟将导致受控系统从有限维变化到无限维。对于黑盒模式，只能在网络外部的终端系统中启动控制。这意味着无论控制做得多好，它在拥塞点的影响都会被延迟。众所周知，这种设计会导致系统性能严重下降。在网络环境中，假设正确的控制操作是降低发送系统的发送速率。当流量减少的影响到达拥塞点时，拥塞可能已经消失，或者路径的瓶颈可能已经转移到另一个点。

缺乏对网络状态的系统评估

黑盒模型的另一个严重缺点是它阻碍了网络状态的系统估计。今天的互联网是由相关组件组成的互联网络。因此，为了估计网络的真实状态，有必要在网络中的多个点收集网络状态信息。例如，如果您没有观察到与第一条路线具有相同链接的其他路线上的交通状况，您就无法预测该路线上的交通状况。采用端到端设计，很难观察和估计互联网中的真实网络状态。然而，移动运营商或内容分发网络(cdn)运营商意识到需要网络范围的状态监控。典型的运营商设施通常有一个网络控制中心，允许运营商监控其网络的最重要部分。然而，运营商无法估计连接到自己网络的互联网的真实状态。对于运营商来说，连接到运营商网络的互联网不能通过系统方法来估计。

缺乏对网络的系统控制

同样，黑箱模式也阻碍了对互联网状态的系统控制。为了优化对少数网络的控制以实现特定的控制目标，通常有必要控制与这少数网络具有交互流量的互联网的其他部分。几乎在所有情况下，都有必要以系统和协调的方式在互联网上的多个点实施控制。例如，假设控制目标是充分利用用户购买的100兆位/秒的互联网连接。但是，由于互联网是共享的，除非没有其他流量共享用户占用带宽，否则无法获得100兆位/秒的速度。瓶颈处的其他流量可能会导致用户可用带宽降至100 mbps以下。端到端设计阻止两个或多个独立方协调他们的控制行动，以实现独立方需要实现的控制目标。因此，在正常情况下，企业(如银行或证券交易系统)将建立一个完全私有的网络来实现其控制目标。

终端系统的噪声和干扰

端到端设计实际上是互联网本身性能不佳的根源。在互联网上，每个自治系统不考虑其他自治系统的运行，除非有协议或合同的要求。因此，每个as都有自己的方式，经常成为其他as和用户的噪音和干扰源。一个简单的例子就是众所周知的tcp的低性能。每个tcp发送者都受tcp标准的约束，从而在发送者处保持所谓的“公平共享”吞吐量。在tcp模型中，由共享同一瓶颈链路的其他发送方发送的所有通信都是自然发生的。因此，每个发送者可以按照自己的速度自由发送数据包，并且没有流量控制机制来协调或调整。因此，今天的互联网流量是突然和高度随机的。由于互联网上没有系统的交通规则，几乎所有的互联网应用都经历不同的往返时间。当rtt变化很大时，tcp吞吐量可能会崩溃。如今，这种崩溃在互联网上仍然非常普遍。

图2:当端到端往返时间rtt增加时，tcp吞吐量降低[3]

本文的分析也适用于互联网的基本架构。链式网络将有新的协议和架构，并将成为下一代互联网[4]。

参考

[1]。蔡等，“的中国梦之一:互联网引领中国科技进步”，2018年8月7日

[2]。蔡等，“积木链的中国梦二:与全世界一起构建数字社会”，2018年9月11日

[3]。mathis，semke，mahdaviott，“tcp拥塞避免算法的宏观行为”，《计算机通信评论》，27(3)，1997年7月

https://www.slac.stanford.edu/comp/net/wan-mon/thru-vs-loss

[4]。蔡，等，“块状链互联网”，2017.6.3

https://mp.weixin.qq/s/7ctvxvgvpzeax0zuuahwmg

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