從固定互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng) - 全文

　　前言

　　移動互聯(lián)網(wǎng)是移動通信網(wǎng)和（固定）互聯(lián)網(wǎng)相互融合的產(chǎn)物。移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)原來各自在其領(lǐng)域，都取得了巨大的成功，但從商業(yè)模型到技術(shù)架構(gòu)，從終端、網(wǎng)絡(luò)到應(yīng)用都存在很多的差異性。二者不同的文化背景和資源優(yōu)勢，導(dǎo)致以移動電話公司為代表的、以移動話音為主業(yè)的移動通信業(yè)，與以互聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)廠家為代表的、以數(shù)據(jù)通信為中心的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)對移動互聯(lián)網(wǎng)的理解在諸多方面有所不同。加之最近兩年，隨著美國蘋果公司以終端為中心在iPhone、 iTouch、App Store等商業(yè)和技術(shù)方面創(chuàng)新所取得的巨大成功，使得對移動互聯(lián)網(wǎng)的理解出現(xiàn)了“三足鼎立”的局面。

　　1） 以移動網(wǎng)為中心的定義

　　采用智能手機(jī)/手持?jǐn)?shù)字助理、筆記本電腦和上網(wǎng)本等移動終端，通過移動網(wǎng)接入開放互聯(lián)網(wǎng)、無線接入?yún)f(xié)議（WAP）、IP多媒體協(xié)議（IMS）等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。這個理解主要來自移動通信業(yè)，認(rèn)為移動互聯(lián)網(wǎng)是“移動網(wǎng)”的發(fā)展，只是所提供的服務(wù)從傳統(tǒng)移動通信業(yè)務(wù)發(fā)展到了“互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)”，終端從手機(jī)發(fā)展到了多種智能終端。這種定義試圖在與3GPP等提出的“移動分組網(wǎng)”加以區(qū)別的同時，引入了兩個含糊不清的概念：“移動網(wǎng)”和“互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)”。廣義的講，移動網(wǎng)可以是鏈路層或網(wǎng)絡(luò)層，甚至是應(yīng)用層和內(nèi)容層的，而這里似乎僅指蜂窩移動網(wǎng)。另外，把IMS等也納入到“互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)”，而IMS是對應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的技術(shù)性描述，與“互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)”不是一個層面的事情。

　　2） WEB為中心的定義

　　通過移動設(shè)備（如PDA、手機(jī)）或其他便攜設(shè)備（如上網(wǎng)本等）連接到公眾網(wǎng)絡(luò)上，訪問萬維網(wǎng)（WWW）。這種理解來自互聯(lián)網(wǎng)界，認(rèn)為移動互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，只突出強(qiáng)調(diào)了手持終端在WEB層面帶來的差異性。當(dāng)然這里的差異性可以是限制性的（如接入速率慢、終端屏幕小等），也可以是優(yōu)勢性的（更好的便攜性、具有位置信息等）。雖然目前互聯(lián)網(wǎng)上絕大多數(shù)的應(yīng)用類型是WEB方式的，但也有一些應(yīng)用不是（如需要下載客戶端軟件），因此該定義不能涵蓋一些非WEB方式的移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如部分短消息，地圖等移動應(yīng)用）。另外，手持終端和無線接入鏈路對移動互聯(lián)網(wǎng)的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的影響也未考慮在內(nèi)。

　　3） 以終端為中心的定義

　　以移動終端為中心（注意，不是以手機(jī)為中心），通過用戶界面、開發(fā)工具、硬件、分布式處理以及3G+WLAN等無線接入能力，對互聯(lián)網(wǎng)和移動產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提供了全新的用戶體驗(yàn)和定價方式。1990年微軟針對個人電腦推出Windows 3.0的創(chuàng)新，徹底改變了PC時代;1995年網(wǎng)景瀏覽器（及其首次公開募股）針對互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新，讓（固定）互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)了爆炸式增長;蘋果公司從2007 年開始的基于移動終端的創(chuàng)新

　?。╥Phone 、iTouch和App Store），引領(lǐng)了移動互聯(lián)網(wǎng)的新時代。

　　本文從固定互聯(lián)網(wǎng)開始，介紹了互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)及所面臨的移動性支持等挑戰(zhàn)，闡述了為應(yīng)對移動性的挑戰(zhàn)，互聯(lián)網(wǎng)目前所做的一些工作以及存在的問題等。文章的最后認(rèn)為從互聯(lián)網(wǎng)的外部看，移動互聯(lián)網(wǎng)仍然采用的是互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，只是在網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等增加了一些移動性支持功能而已。而從互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)部看，移動互聯(lián)網(wǎng)增加的這些功能，雖然對互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)都是演進(jìn)性改變，但因?yàn)榻K端的便攜性和網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋等，這些變化將對上層應(yīng)用產(chǎn)生“革命性”的影響，傳導(dǎo)后對整個人類社會將產(chǎn)生重大影響。

　　1 互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

　　與移動通信網(wǎng)集中控制、層次化路由的體系架構(gòu)不同，互聯(lián)網(wǎng)倡導(dǎo)的是一種建立在“自律”基礎(chǔ)之上的“開放”、“平等”和“創(chuàng)新”，讓人人都可以參與建設(shè)和發(fā)展的精神理念。在這一精神理念的指導(dǎo)下，互聯(lián)網(wǎng)工程界提出了“端到端透明性”的核心設(shè)計理念。RFC3439等所描述的“端到端透明性”是互聯(lián)網(wǎng)少有的、一直堅持的體系架構(gòu)的核心設(shè)計原則。所謂“端到端透明性”，就是在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）的設(shè)計中，將互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中與通信相關(guān)的部分（IP網(wǎng)絡(luò)）與高層應(yīng)用（端點(diǎn)）分離，最大限度地簡化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，將盡可能多的復(fù)雜性和控制放在用戶終端上。有些文獻(xiàn)也稱其為“沙漏”模型，如圖1。今天所看到互聯(lián)網(wǎng)的所有特征（包括移動方面外部和內(nèi)部的優(yōu)點(diǎn)及問題），幾乎都與其“端到端透明性”的核心設(shè)計理念有關(guān)。

　　這一核心設(shè)計理念后來隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展得到了延伸，被擴(kuò)展為：TCP/IP協(xié)議設(shè)計中應(yīng)盡可能地將狀態(tài)信息維護(hù)在端點(diǎn)上，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不維護(hù)與特定應(yīng)用相關(guān)的任何狀態(tài)信息，因?yàn)橹挥羞@樣，才可能在網(wǎng)絡(luò)中的某部分發(fā)生故障時不會中斷通信，除非通信端點(diǎn)自身出現(xiàn)故障。根據(jù)這一擴(kuò)展后的理念，出現(xiàn)了下面大家熟知的推論：

　　1） （無連接的）分組交換技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榉纸M交換網(wǎng)絡(luò)中不維護(hù)狀態(tài)信息，因此只有通信終端發(fā)生故障時才會中斷通信;

　　2） 業(yè)務(wù)與承載分離，IP網(wǎng)絡(luò)中不保存與業(yè)務(wù)和應(yīng)用相關(guān)的信息，終端智能化而網(wǎng)絡(luò)傻瓜化。

　　互聯(lián)網(wǎng)的這一核心設(shè)計思想，很明顯是基于固定網(wǎng)絡(luò)的：

　　1） “端到端透明”，意味著互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)為無論是有線的還是無線的，無論鏈路層屬性差異如何巨大，網(wǎng)絡(luò)層都會“盡力而為”地提供服務(wù)，即端到端通信的服務(wù)能力很可能是受限于最差性能段的那段無線鏈路;

　　2） 希望把復(fù)雜性放在終端上，意味著終端必須具有很強(qiáng)的計算和存儲能力，網(wǎng)絡(luò)傳輸這種計算任務(wù)的能力也要相對較強(qiáng);

　　3） 網(wǎng)絡(luò)中最大限度地不保留狀態(tài)信息，意味著網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為移動性支持不是必須的功能，不屬于體系架構(gòu)要考慮的問題，而是“增值”服務(wù)。

　　2 移動性帶來的挑戰(zhàn)

　　端到端透明性具有很多優(yōu)點(diǎn)，為后來互聯(lián)網(wǎng)從實(shí)驗(yàn)室走向社會，商用化的蓬勃發(fā)展起到了決定性的作用。但這種設(shè)計有兩個基本假設(shè)：第一，互聯(lián)網(wǎng)最初是由具有共同愛好的技術(shù)專家設(shè)計開發(fā)的，他們之間相互信任;第二，互聯(lián)網(wǎng)是由科研團(tuán)體或政府研究機(jī)構(gòu)管理下的非商用網(wǎng)絡(luò)。這兩個假設(shè)滲透到了互聯(lián)網(wǎng)初期的設(shè)計中，尤其是用戶之間的相互信任機(jī)制?；ヂ?lián)網(wǎng)由教育科研的應(yīng)用環(huán)境向社會化應(yīng)用場景的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了很多與體系架構(gòu)密切相關(guān)的問題，使得原來理想化的“端到端透明性”的互聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)計思想遇到了極大的挑戰(zhàn)。

　　商用化時代的互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)遇到的第一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是商業(yè)模型的問題，這直接導(dǎo)致了互聯(lián)網(wǎng)“端到端透明性”遭到嚴(yán)重破壞。上世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP）的出現(xiàn)，標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)商用化的開始。但是互聯(lián)網(wǎng)的開放接口只是IP包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，而不是高層業(yè)務(wù)和應(yīng)用的接口，因此ISP只能提供所謂的 “比特管道”業(yè)務(wù)，很難提供可盈利的高層業(yè)務(wù)和應(yīng)用。因此，最近幾年導(dǎo)致大量ISP的倒閉、破產(chǎn)和兼并，沒有一個純粹意義上的ISP能夠活下來，因?yàn)橹惶峁﹩我坏摹氨忍毓艿馈狈?wù)是無法生存的。于是，一些ISP開始想辦法利用自己的“比特管道”提供一些增值服務(wù)，把他們的IP網(wǎng)絡(luò)圈起來，增加一些邊界節(jié)點(diǎn) （Middlebox，中間結(jié)點(diǎn)），即所謂的“圍墻花園”模式，但這些邊界節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用明顯違反了互聯(lián)網(wǎng)端到端透明性的理念。典型的“中間體”包括緩存、防火墻和網(wǎng)絡(luò)地址翻譯（NAT）等設(shè)備類型。

　　第二個挑戰(zhàn)是用戶群的變化?；ヂ?lián)網(wǎng)最初是由具有共同愛好的彼此信任的技術(shù)專家設(shè)計開發(fā)的，只是為了在一個關(guān)系密切的“小城鎮(zhèn)”內(nèi)多臺電腦之間的相互通信設(shè)計的，因此互聯(lián)網(wǎng)的用戶彼此之間相互信任是其非常重要的一個設(shè)計假設(shè)。如今隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和用戶的日益增加，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)演變成了在一個開放的社區(qū)中任何人相互之間的通信方式，這個社區(qū)從地域上說是全球化的，不存在什么管制規(guī)則，用戶彼此之間不再相互信任。另外，用戶之間的利益也不再是相互一致的了，但假設(shè)用戶相互信任的互聯(lián)網(wǎng)“端到端透明性”設(shè)計原則方便了安全攻擊、病毒和其他有害信息的傳播。最后，現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)用戶已經(jīng)從原來的技術(shù)人員發(fā)展到了可能不懂技術(shù)，用戶希望互聯(lián)網(wǎng)終端像電話終端那么“傻”和容易使用，導(dǎo)致智能性被迫從終端向網(wǎng)絡(luò)中遷移。

　　第三個挑戰(zhàn)是移動性支持。互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計是基于固定（有線）方式的接入、終端是計算機(jī)的環(huán)境考慮的，未能考慮移動應(yīng)用環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)和小型終端可能帶來的問題，這直接體現(xiàn)在WWW/TCP/IP等協(xié)議的設(shè)計上：

　　1） IP技術(shù)。在設(shè)計任何通信網(wǎng)絡(luò)時，必須首先回答的三個核心問題是：WHO（身份），對通信中的網(wǎng)絡(luò)和終端節(jié)點(diǎn)做明確的標(biāo)識;WHERE（在哪里），標(biāo)識一個通信節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置;HOW，如何把一個通信節(jié)點(diǎn)的信息傳遞到指定的地方去。為了簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)計，在互聯(lián)網(wǎng)中IP地址同時具有定位 （Locator）和身份標(biāo)識（IdenTIty）的作用。而在移動互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，一個實(shí)體連接到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)附著點(diǎn)發(fā)生變化時，意味著位置信息已經(jīng)改變了（路由也就同時需要改變），但身份信息卻沒法改變，于是IP地址的雙重作用出現(xiàn)了沖突，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)無法直接支持移動性。

　　2） TCP技術(shù)。TCP是一種端到端協(xié)議，其設(shè)計也沒有考慮到移動性的支持問題，尤其是無線環(huán)境和有線環(huán)境的巨大差異性。比如，TCP假設(shè)會話建立時兩點(diǎn)之間的帶寬是固定的，流量控制只是由于多個應(yīng)用共享資源時流量變化引起的，這在移動環(huán)境下顯然存在問題，因?yàn)檫@時兩點(diǎn)之間的寬帶不一定是固定的。另外，TCP 假設(shè)丟包是由于“擁塞””引起的，但在無線環(huán)境下兩個TCP端點(diǎn)之間的帶寬可能是變化的，信號強(qiáng)弱和距離都會影響到帶寬資源，丟包很可能不是網(wǎng)絡(luò)擁塞而是電磁干擾造成的比特錯誤引起的。

　　3） WWW技術(shù)。WWW相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的設(shè)計，都假設(shè)終端是PC方式的，因此在設(shè)計時對終端的信息輸入能力、顯示能力、計算能力、存儲能力和能耗等沒有考慮在內(nèi)，導(dǎo)致目前多數(shù)移動終端無法直接訪問互聯(lián)網(wǎng)上上千億的、豐富的網(wǎng)頁和內(nèi)容。另外，移動終端新帶來的位置和身份信息等有價值的信息，目前的WWW技術(shù)和很多移動應(yīng)用也還沒能夠充分加以利用，也缺乏有效保護(hù)。

　　3 移動性支持方法

　　互聯(lián)網(wǎng)對移動性的支持方案，都是后來打補(bǔ)丁實(shí)現(xiàn)的，主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)層

　　網(wǎng)絡(luò)層對移動性支持的工作，直接體現(xiàn)在移動IP技術(shù)上，間接反映在身份與位置分離等技術(shù)上。移動IP是一種在互聯(lián)網(wǎng)中提供移動性支持的特殊路由協(xié)議，可以將IP包路由到不斷改變位置的移動節(jié)點(diǎn)去，并且上層TCP連接不會感知到IP地址的改變。相比而言，移動IPv6更具有一些優(yōu)勢，克服了移動 IPv4的三角路由和源地址過濾等問題。但自1996年推出移動IP技術(shù)以來，一直沒能得到成功應(yīng)用，原因不僅是技術(shù)方面的（比如切換速度慢），更重要的是缺乏明確清晰的應(yīng)用需求和商業(yè)模式。

　　另外一個對移動性支持有明顯好處的就是身份與位置技術(shù)，包括基于網(wǎng)絡(luò)的和基于終端的兩種。比如IETF剛開始標(biāo)準(zhǔn)化的基于網(wǎng)絡(luò)的位置身份分離協(xié)議（LISP），邏輯上是把企業(yè)通過其邊緣路由器向全球互聯(lián)網(wǎng)播出的IP地址塊分為兩部分，分別用于識別使用的IP地址和這些系統(tǒng)在什么地方連接到互聯(lián)網(wǎng)，旨在減少保存在ISP核心路由器的路由表項(xiàng)，也可以改善互聯(lián)網(wǎng)對移動性的支持。而基于終端的主機(jī)身份協(xié)議（HIP），在協(xié)議棧中增加了“名字”層，也可以改善移動性支持。但目前無論是LISP和HIP，還都停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段。

　　3.2 傳輸層

　　業(yè)界針對無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對TCP技術(shù)也已經(jīng)做了一些改進(jìn)，大致可以分為三類。第一類是利用本地?zé)o線鏈路層的重傳機(jī)制做一些性能優(yōu)化，如基站參與探測TCP包、引入時間戳和利用IP頭中的信息等。這種方式容易出現(xiàn)單點(diǎn)故障，并且要求IP/TCP載荷是直接封裝在鏈路層幀中的，并且不能加密。第二種技術(shù)通過設(shè)置中間代理結(jié)點(diǎn)，將性能差異巨大的無線和有線部分分開處理，如Indirect-TCP。這種方法的缺點(diǎn)是破壞了TCP端到端的屬性，基站等中間代理結(jié)點(diǎn)必須保留TCP通信中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，移動終端中的相關(guān)應(yīng)用也必須二次建立連接。第三種方式是增加和利用TCP協(xié)議等的一些消息字段，顯式通知真正的丟包原因。如利用網(wǎng)際差錯消息協(xié)議（ICMP），顯式丟包通知和局部通知等。

　　3.3 應(yīng)用層

　　除了通過無線接入?yún)f(xié)議（WAP）和.mobi等方式，為移動終端設(shè)計專門的網(wǎng)頁和內(nèi)容的方法外，另外一種典型做法是把（固定）互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)頁和內(nèi)容適配到移動終端上。移動適配技術(shù)通過在網(wǎng)絡(luò)上的不同位置（服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)和終端三種）部署專門的網(wǎng)關(guān)或代理服務(wù)器，對網(wǎng)頁和多媒體資源進(jìn)行轉(zhuǎn)換以適應(yīng)移動終端的特征，確保正常使用并改善用戶體驗(yàn)。

　　從內(nèi)容上來看，移動內(nèi)容適配涉及WEB頁面內(nèi)容和音視頻內(nèi)容兩大類。WEB頁面內(nèi)容適配技術(shù)目前已經(jīng)有一些實(shí)際案例，如與Opera公司提供的與Opera Mini瀏覽器配合的Web適配系統(tǒng)，Bytemobile公司提供由運(yùn)營商部署的Web Fidelity系統(tǒng)等。W3C正在制定更長期的WEB內(nèi)容適配的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括WEB內(nèi)容適配需求（Content TransformaTIon Landscape 1.0）、WEB內(nèi)容轉(zhuǎn)換代理指南（Guidelines for Web Content Transformation Proxies）以及設(shè)備描述容器API（Device Description Repository Simple API）等。

　　音視頻內(nèi)容的適配技術(shù)則復(fù)雜得多，目前還沒有成熟的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。音視頻內(nèi)容適配需要解決編解碼格式兼容問題，需要進(jìn)行分辨率適配。同時，音視頻內(nèi)容視頻的實(shí)時性、服務(wù)質(zhì)量要求很高。這些都增加了適配技術(shù)的難度。