5G时代已经到来,TCP/IP老矣,尚能饭否?

本文已同时发布于我的“即时通讯技术圈”公众号。

1、引言

哈罗,大家好,我是Jack Jiang。。。(一股浓浓的自媒体视频旁白味道)。

对于经常看我文章的即时通讯开发者来说,今天要讨论的这个话题,貌似有点不着边际。

是的,自从我整理完《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章之后,对于网络编程的理解,开始有点飘了。

言归正传。现在,5G技术离我们的生活越来越近了,号称网络延迟1ms、下行速度10Gb/s的5G,在这样逆天的网络性能指标下,老骥伏枥的TCP/IP是否仍能Hold的住?带着这个思考,便有了本文的内容。

▲ 5G网速有多快?看图感受一下(图自《零基础,史上最强5G技术扫盲》)

(本文已同步发布于:http://www.52im.net/thread-2976-1-1.html

2、学好TCP/IP够用吗?

对于即时通讯技术的开发者,从技术栈来说,一条最普通的聊天消息的送达,肯定要涉及到网络编程技术,而网络编程最核心的也就是TCP/IP协议(准确的说是TCP/IP协议簇,见《TCP/IP详解》),毫无疑问深入的学习TCP/IP协议肯定是非常有必要了。

基本上,对于普通的IM或消息推送系统开发来说,对TCP/IP相关的计算机网络基础比较熟悉的话,完全够用了。

▲ 这本书很多人都读过

3、移动网络问题,只能赖我代码烂?

亲手写过即时通讯的网络通信层的同学都很清楚,在移动网络中(我说的移动网络具体指的是运营商的2g/3g/4g/5g这些),因为无线通信的介质和技术实现特殊性,出现了很多传统有线互联网不曾有过的网络通信问题。

就拿IM在移动弱网中出现的各种问题来说,多数开发者都不自信的认为这应该是自已的网络层代码写的不够优秀,是的,很多时候也确实是这样。

我收集整理的下面这几篇资料,就讨论的是这些,有兴趣可以读一下:

现代移动端网络短连接的优化手段总结:请求速度、弱网适应、安全保障
百度APP移动端网络深度优化实践分享(三):移动端弱网优化篇
微信移动端应对弱网络情况的探索和实践PPT [附件下载]
YY直播在移动弱网环境下的深度优化实践分享(视频+PPT)[附件下载]

其实,很少有人会去思考,在TCP/IP协议被发明出来的50年后,对于现代的移动网络来说,是否仍然能工作的好?以弱网问题为例,难道我写的IM总是丢消息、掉线就仅仅是“我”的代码太烂? 

没错,这不仅仅是应用层的代码编写问题,它或许涉及到TCP/IP的设计局限,甚至移动网络的底层设计也并不是最完美的。

下面这两篇文章,对于弱网问题思考,已经深入到运营商的通信技术这一层,强烈建议读一读:

移动端IM开发者必读(一):通俗易懂,理解移动网络的“弱”和“慢”
移动端IM开发者必读(二):史上最全移动弱网络优化方法总结

如果你的认知,已经开始对底层的网络通信技术有所困惑,下面这几篇就是为你准备的:

IM开发者的零基础通信技术入门(六):移动终端的接头人——“基站”技术
IM开发者的零基础通信技术入门(七):移动终端的千里马——“电磁波”
IM开发者的零基础通信技术入门(八):零基础,史上最强“天线”原理扫盲
IM开发者的零基础通信技术入门(九):无线通信网络的中枢——“核心网”
IM开发者的零基础通信技术入门(十):零基础,史上最强5G技术扫盲
IM开发者的零基础通信技术入门(十一):为什么WiFi信号差?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十二):上网卡顿?网络掉线?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十三):为什么手机信号差?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十四):高铁上无线上网有多难?一文即懂!

4、简单复习一下TCP/IP

从字面意义上讲,有人可能会认为 TCP/IP 是指 TCP 和 IP 两种协议。实际生活当中有时也确实就是指这两种协议。

然而在很多情况下,它只是利用 IP 进行通信时所必须用到的协议簇的统称。

具体来说,IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都属于 TCP/IP 协议。他们与 TCP 或 IP 的关系紧密,是互联网必不可少的组成部分。TCP/IP 一词泛指这些协议,因此,有时也称 TCP/IP 为网际协议簇。

互联网进行通信时,需要相应的网络协议,TCP/IP 原本就是为使用互联网而开发制定的协议簇。因此,互联网的协议就是 TCP/IP,TCP/IP 就是互联网的协议。 

▲ 上图反映了TCP/IP协议族的关系(图片引用自《计算机网络通讯协议关系图》)

5、TCP/IP或许太老了

对于现代移动网络来说,TCP/IP或许太老了。我们简单了解一下TCP/IP协议的产生过程。

1973年:卡恩与瑟夫开发出了TCP/IP协议中最核心的两个协议:TCP协议和IP协议。

1974年:卡恩与瑟夫正式发表了TCP/IP协议并对其进行了详细的说明。同时,为了验证TCP/IP协议的可用性,使一个数据包由一端发出,在经过近10万km的旅程后到达服务端。在这次传输中,数据包没有丢失一个字节,这充分说明了TCP/IP协议的成功。

1983年:TCP/IP协议正式替代NCP,从此以后TCP/IP成为大部分因特网共同遵守的一种网络规则。

1984年:TCP/IP协议得到美国国防部的肯定,成为多数计算机共同遵守的一个标准。 

是的,你没有看错,TCP/IP协议设计于距今50年前!

▲ 罗伯特·卡恩(左者)与文特·瑟夫(右者)(图片引用自《技术往事:改变世界的TCP/IP协议》)

6、TCP/IP原本是为固定网络设计的

虽然TCP/IP自上世纪70年代发明以来,连接了无数的计算机,推动了互联网的蓬勃发展。

但不可回避的现实是,基于TCP/IP的互联网,它的初衷是为固定网络和网络互连而设计,而今天我们已经发展到了移动互联时代。

再往后看,未来5G将面临AR/VR、超高清视频、物联网、车联网等各种应用、用例纷呈,加之网络安全的紧迫性越发凸显,TCP/IP或许难以适应未来。

7、TCP/IP或许并不适合移动网络

7.1 TCP/IP设计之初无法预见高速移动网时代

在TCP/IP刚被设计的年代,即传统固定互联网的公元元年,主机是固定的,用于编址的IP也是固定的,世界是平的。

可是随着应用程序以及芯片技术的活力涌现,设备越来越小,App越来越丰富,当你觉得浑身憋得慌的时候,移动互联网时代来了。

但传统的TCP/IP并不适合移动网络,以TCP/IP协议簇中我们最常用的TCP协议来说,传统的TCP基于TCP/IP协议头字段的五元组,而标识设备的IP地址仅仅标识了设备位置,并没有标识设备本身(实际上不管到了什么年代,IP地址都不应该标识设备本身,它就是标识位置的!问题是,TCP不应该用一个标识位置的元素来标识设备)。

而对于移动互联网来说,一旦移动设备(比如智能手机)换了位置(通信基站切换了),其IP地址也会改变,进而既有的TCP连接将全部中断。

▲ 运营商的基站是有覆盖范围的,而且覆盖范围并不大

对于底层的移动网络通信技术有所了解的开发人员或许知道,手机的通信是由基站进行代理的,而基站是固定的。换句话说,当你移动到下一个基站的位置时,手机就得自动切换到新的基站,进而重新进行一系列的跟运营商的无线体系进行连接建立的过程。

这在日常生活中使用并没有什么问题,但在时速达到350公里每小时的复兴号高铁上用手机上网时,这就会导致严重的问题。因为基站的信号覆盖范围有限,在手机移动速度如此之快的情况下,基站的切换也将频繁到让网络工程师们崩溃(有兴趣可以读一下《IM开发者的零基础通信技术入门(十四):高铁上无线上网有多难?一文即懂!》)。

TCP/IP和网络的关系,可以作个有趣的类比。

假设互联网是公路,那么TCP/IP这就是这条公路上的一套交通规则。这套规则在制定时,可能考虑到的只是普通的市场内道路(最多是高速公路使用),而现在的5G时代,就好比时速350公里的高速铁路,试想普通的市内交通规则套用在高速铁路上,那难道不算是灾难吗。

必竟普通的市内交通速度不会很快,各种规则的制定误差和余量可以比较大,但高速铁路上,速度飞快、交通信号控制精确无比的情况下,这套规则,对于开高铁的司机来说,肯定是胆颤心惊。而TCP/IP对于5G来说,就好比这套老的交通规则,用它来驾驭这么快速的5G快车,是不是很疯狂?

7.2 TCP/IP与电信网的基因不同

基于TCP/IP的互联网原本是为固定网络和网络互联设计,而运营商的移动网络是为移动性连接而生。互联网的连接是分布式的,而移动通信网络是集中控制的。

这两者的技术基因确实有很大不同,在早期移动网络网络性能较慢的情况下,这两者的结合,矛盾似乎并不突出。

实际上,在传统电信网(就是大家最常用的电话、短信网络)与IT互联网是两拨人各自有玩耍(电信网为代表的就是3GPP标准化组织,互联网为代表的就是IETF标准化组织)。

在那个移动网还不发达的年代,这两拨人各自玩各自的,大家谁也不用鸟谁。

随着人们对移动上网需求越来越旺盛,搞电信网的这拨人只能想办法接入传统的互联网,必竟在当时传统互联网太强势,而移动网的应用场景还在摸索阶段,为了能快速解决移动上网的问题,与是也不好麻烦IETF这拨人,所有痛苦默默承受——虽然TCP/IP在移动网上的实施并不合适,但只能想办法缝缝补补,把移动网的标准制定,往它上面靠。

这就好比,TCP/IP这辆车已经造好了,至于你搞移动网的人,是修一条普通马路(2G)、还是一条高速公司路(3G)、或者是现在的高速铁路(5G),反正你只能将就这辆车。原本应该是什么路上跑什么车,而现在是不管你什么路,只能跑这辆车。反正车子跑不好,不怪车子,怪路。。。

好奇葩的逻辑,而这个逻辑就好比是现在的TCP/IP跟移动网的关系。

所以,在5G,甚至未来的6G、7G时代,这种“勉强”的结合,抛必带来网络低效、基础设施成本高昂等问题。

8、移动运营商们已经意识到问题

是的,大佬们已经意识到了问题的严重性,正在着手解决。

2020年4月初,欧洲电信标准协会(ETSI)已成立了一个新的行业规范工作组“Non-IP Networking”(ISG NIN),以解决新服务、尤其是5G服务面临的老式网络协议所存在的问题。

▲ 详细新闻内容《点此查看

该工作组的目标是为5G网络研究开发新的网络协议,以替代TCP/IP。

是的,这些移动运营商已经发现在4G、甚至5G网络中使用的基于TCP/IP的技术存在一些问题。

由于TCP/IP协议最初是为互联网设计,而非为移动通信网络而生,当移动通信网络引入TCP/IP后,增加了移动性、安全性、QoS等功能,这使得网络更复杂,频谱使用效率较低。为了解决这些问题,后续的修补和替代方案又导致了成本、时延和功耗增加。

大佬们终于承认,对于5G的某些高级服务,TCP/IP确实被认为不是最佳的。

9、移动网络未来会怎样?

虽然TCP/IP可能越来越难以适应移动网络的发展,但不可否认,短期内TCP/IP的不可替代性。

必竟,基于TCP/IP的传统互联网所构建的软件和硬件世界(尤其是硬件)并不是一朝一夕的事,而替换掉这些,无论是从成本还是各方利益来说,都是个需要反复权衡和博弈的事。

一个很好的例子是,IPv4和IPv6,虽然谁都知道IPv4的困境,但IPv6喊了这么多年目前想要普及,仍然还比较遥远,要知道IPv6已经喊了10年了。因为这小小的IP地址,牵涉的是互联网从硬到软几乎所有环节,影响之大,无出其右。

对于IM开发者来说,因为移动网络的特殊性,而技术改朝换代也并不鲜见。

比如众所周之的XMPP协议,设计之初也是野心勃勃——“要让上IM就像打开网页一样简单!”。确实,XMPP无论是肉眼可读性,还是数据结构的优雅,都非常优秀,但悲剧的是,设计者们从来没有想过移动网会发展成今天这样,或者说设计者们从未考虑过XMPP在移动网下的使用。于是,后面的故事,大家都很清楚——每个人都在抱怨XMPP臃肿、冗余(是的,这里我收集了一大堆这样的文章),这算个是把优点做成缺点的典型案例了。

或许,未来会有那么一天,移动网络终有属于为自已定制的网络协议标准。而对于搞网络通信的程序员来说,如果这套新的标准让能基于移动网络的代码编写,变的愉快起来,那真是谢天谢地了!

10、参考资料

[1] TCP/IP 已完 ?New IP 之后,又来一个 Non-IP

[2] 5G:再见,TCP/IP

[3] 重新设计TCP/IP协议栈以支持设备移动性

[4] 5G要抛弃TCP/IP?

[5] ETSI LAUNCHES NEW GROUP ON NON-IP NETWORKING ADDRESSING 5G NEW SERVICES

附录:更多网络编程基础资料

TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议
TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议
TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止
TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传
技术往事:改变世界的TCP/IP协议(珍贵多图、手机慎点)
通俗易懂-深入理解TCP协议(上):理论基础
通俗易懂-深入理解TCP协议(下):RTT、滑动窗口、拥塞处理
理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解
理论联系实际:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程
计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)
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P2P技术详解(二):P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解(基本原理篇)
P2P技术详解(三):P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解(进阶分析篇)
P2P技术详解(四):P2P技术之STUN、TURN、ICE详解
通俗易懂:快速理解P2P技术中的NAT穿透原理
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高性能网络编程(三):下一个10年,是时候考虑C10M并发问题了
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