阿基米德說：“給我一(yī)個杠杆我能翹起整個地(dì)球！”
曾有(yǒu)人說：“給我一(yī)台OpenBox設備，我能改變整個網絡！”
今天，我們嘗試講講如(rú)何構建一(yī)個全新理(lǐ)念的(de)未來網絡，這當然是在兼容現有(yǒu)網絡的(de)基礎之上，不然這個網絡是無法演進的(de)。未來網絡不應該受困于ETH、IP、TCP、UDP！P4是目前可(kě)支持網絡架構創新、演進、部署和(hé)實施最可(kě)行(xíng)的(de)軟硬件聯合解決方案。
确定性混式模網（Deterministic mix-Multmodal Network，DMN）是一(yī)種可(kě)以支持不同模态數據進行(xíng)混合處理(lǐ)、轉發和(hé)通信，并具備确定性、可(kě)靠性傳輸屬性的(de)網絡。
A）網絡本質
網絡的(de)本質是聯通和(hé)傳遞，是兩個以上不同時空節點的(de)信息交流。網絡能夠将不同的(de)節點聯通起來，通過有(yǒu)線、無線或其他媒體介質互聯互通。節點是任何可(kě)以産生數據或消費數據的(de)對象，節點也可(kě)以具備傳遞功能，即數據分發能力，涉及對數據的(de)相關行(xíng)為(wèi)處理(lǐ)。傳遞的(de)網絡信息由某個時刻在某個位置産生，在另一(yī)時間的(de)另一(yī)位置接收。節點間通過收發和(hé)傳遞網絡信息來完成交流。
B）網絡屬性
網絡信息具備的(de)屬性有(yǒu)長(cháng)度、收發時間、傳輸時長(cháng)、抖動和(hé)路徑等。網絡節點的(de)屬性有(yǒu)端口、速率、轉發延時、抖動和(hé)緩存大小等。
C）網絡行(xíng)為(wèi)
完成一(yī)次網絡信息交互，可(kě)能包含多方面的(de)行(xíng)為(wèi)描述。描述內(nèi)容攜帶的(de)網絡信息內(nèi)部，有(yǒu)結構有(yǒu)層次的(de)存儲。具體行(xíng)為(wèi)的(de)執行(xíng)在包括在生産節點、傳輸節點和(hé)消費節點發生，主要包括信息查詢、修改、丢棄和(hé)轉發等。
D）網絡模态
具有(yǒu)同質結構的(de)網絡信息模式稱為(wèi)一(yī)種網絡模态，即就是通常理(lǐ)解的(de)一(yī)種具體的(de)網絡協議格式。網絡模态的(de)定義通常由一(yī)組标向量描述，記為(wèi)M{V}。M表示一(yī)種模态，V表示描述模态的(de)标向量合集。标向量可(kě)分為(wèi)兩種類型，一(yī)種是域類型，标記為(wèi)Vf（俗稱協議字段），另一(yī)種為(wèi)标向量合集類型，也稱為(wèi)子(zǐ)模态，标記為(wèi)Vv（俗稱協議負載）。當V的(de)集合中隻有(yǒu)一(yī)個Vf的(de)時候，即為(wèi)協議的(de)淨負載（俗稱消息內(nèi)容體）。V的(de)集合中Vf的(de)定義，确定了一(yī)個網絡模态的(de)具體形态，這些Vf的(de)值序列稱為(wèi)該模态的(de)特征向量，類似生物的(de)基因編碼序列。看個例子(zǐ)：
ETH子(zǐ)模态（俗稱協議頭）表示為(wèi)：
M{eth} = M{48,48,16}，特征向量表示為(wèi)V（48，48，16）。
ARP子(zǐ)模态表示為(wèi)：
M{arp} = M{16，16，8，8，16，48，32，48，32}，特征向量表示為(wèi)V（16，16，8，8，16，48，32，48，32）。
ARP協議模态（完整協議分組）表示為(wèi)：
M{Parp} = M{M{eth},M{arp}}。此處ARP協議模态由兩個Vv組成。
ARP與IPv4屬于不同協議模态，但它們共模ETH子(zǐ)模态。
TCP與UDP屬于不同協議模态，但它們共模ETH和(hé)IPv4子(zǐ)模态。
以上描述純屬瞎扯，這不就是協議頭與協議負載的(de)內(nèi)容與關系嗎？
是的(de)，我們想通過這種描述引出多模态、混模态的(de)一(yī)般定義。一(yī)種獨特的(de)模态網絡就是一(yī)組該模态的(de)特征向量序列（擁有(yǒu)各自(zì)的(de)基因編碼），那不同的(de)特征向量序列便是不同的(de)網絡模态。混合多模态網絡就是能支持一(yī)系列這樣的(de)模态特征向量序列的(de)網絡信息獨立通信與交互的(de)網絡。
混式多模态網絡不應該全建立在以太網基礎上，MAC地(dì)址也不是必須的(de)字段，模态信息交互網絡可(kě)以根據自(zì)身的(de)特點來構建和(hé)适應。在混合多模态網絡中，ARP協議模态、TCP或UDP僅是三種不同模态的(de)具體表現形式，或者可(kě)以統稱為(wèi)以太網模态合集。
除了以太網模态合集，我們還可(kě)以将工業總線以此定義引入到混合多模态網絡中，也可(kě)以将無線通信、光纖通信等各種一(yī)切可(kě)數字化交互的(de)場景抽象為(wèi)混合多模态網絡中的(de)一(yī)種具體模态。
E）模态轉換
每個模态都是由一(yī)組獨特的(de)特征向量定義，并具有(yǒu)自(zì)己的(de)獨特屬性和(hé)行(xíng)為(wèi)。在不同模态之間存在某些域類型數據的(de)交互，可(kě)以通過模态轉換的(de)功能來實現。實現前提是必須相互遵守各自(zì)模态的(de)必要約束。
D）網絡模态
通過以上幾個概念，定義一(yī)種模态網絡要把模态特征向量定義出來，行(xíng)為(wèi)動作規劃出來，需要符合的(de)網絡屬性提取出來。比如(rú)TSN網絡是一(yī)種具備時間敏感屬性的(de)以太網模态網絡。
全新理(lǐ)念的(de)未來網絡構想應該是：可(kě)以支持不同網絡模态的(de)獨立通信，每個模态數據具有(yǒu)其獨特的(de)網絡屬性與模态行(xíng)為(wèi)，在遵守模态約束條件下，可(kě)以實現多模态之間的(de)數據互轉互通。
說人話概括就是：萬物互聯互通！不僅聯通，還可(kě)通信。
混式模網即是實現萬物互聯互通，但萬物皆有(yǒu)個性，如(rú)何一(yī)一(yī)滿足？
首先，從模态行(xíng)為(wèi)考慮，模态數據的(de)主要處理(lǐ)功能主要包括封裝、拆裝、查表匹配、修改數據，丢棄、轉發等等。通過P4可(kě)編程的(de)指令或擴展其他模态特有(yǒu)指令可(kě)以實現對各種模塊數據的(de)行(xíng)為(wèi)處理(lǐ)。
其次，從模态的(de)屬性考慮，模态數據的(de)傳輸有(yǒu)時延、抖動、限速與保速、高(gāo)可(kě)靠（冗餘與消除）和(hé)多路徑傳輸等要求。通過确定性網絡的(de)保障機(jī)制可(kě)以實現這些要求。
确定性網絡的(de)保障機(jī)制有(yǒu)多種方式，TTE、TSN、DIP等都可(kě)以作為(wèi)選擇方案。确定性的(de)網絡保障機(jī)制是整個網絡通信中的(de)一(yī)種屬性保障手段，不能影響混合多模态數據的(de)處理(lǐ)與轉發。
我們選擇的(de)技術路線是：FAST架構、P4可(kě)編程、TSN确定時間機(jī)制和(hé)SDN控制器。提供一(yī)種支持不同模态內(nèi)和(hé)之間的(de)數據進行(xíng)混合處理(lǐ)、轉發和(hé)通信，并具備确定性、可(kě)靠性傳輸屬性的(de)網絡。
混式模網目前顯然還不适合放到核心網使用，我們建議大家在邊緣網進行(xíng)測試和(hé)驗證。一(yī)是邊緣網絡相對封閉，不易對其他網絡造成影響；二是小規模網絡可(kě)以自(zì)建、自(zì)毀，自(zì)主可(kě)控；
由于以太網、IP是目前所有(yǒu)網絡的(de)基礎，故在構建混式模網的(de)第一(yī)步是将标準以太網和(hé)IP等模态的(de)網絡業務進行(xíng)加載，确保所有(yǒu)傳統網絡的(de)互聯互通正常，也方便對其他設備節點進行(xíng)管理(lǐ)和(hé)配置。然後再根據科(kē)研和(hé)學(xué)習的(de)目的(de)，有(yǒu)針對性的(de)開發和(hé)配置設備模态，進行(xíng)各種模态的(de)網絡驗證。比如(rú)在如(rú)下網絡：
A）企業網
在正常加載IPv4和(hé)IPv6模态的(de)網絡後，大家的(de)互聯網通信正常。企業內(nèi)部的(de)生産網絡、科(kē)研網絡均可(kě)以采用不同模态網絡來構建，如(rú)此可(kě)以有(yǒu)效防止外網入侵攻擊。
B）校園網
網絡專業或安全專業的(de)各年(nián)級學(xué)生可(kě)以利用現有(yǒu)校園網規模，構建較大的(de)真實網絡驗證實驗床，進行(xíng)新型協議設計與驗證和(hé)網絡攻防演練。
C）物聯網
可(kě)将不同形态、不同廠商(shāng)和(hé)不同協議模态的(de)各類設備相互連通，并通過P4編程的(de)方式提取不同模态業務的(de)有(yǒu)效數據進行(xíng)分析處理(lǐ)，有(yǒu)效減輕不同類型、型号設備間的(de)組網難度和(hé)控制器管理(lǐ)難度。
D）工業互聯網
将傳統以太網與工業總線進行(xíng)混模互聯，可(kě)在交彙處設置混模設備，支持不同模态功能及轉換功能。辦公司網絡依然是傳統以太網，工廠設備間依然是總線或實時以太網。原有(yǒu)架構的(de)設備、應用等均不發生改變。（當然，我們認為(wèi)總線向實時以太網轉化是一(yī)種必然）
可(kě)以想象，現在的(de)IPv4和(hé)IPv6隻是兩種不同的(de)網絡模态，我們隻需要為(wèi)設備加載了該模态行(xíng)為(wèi)的(de)功能，即可(kě)實現v4與v6網絡的(de)互通。在此基礎上，我們還可(kě)以任意發布自(zì)己設計的(de)不同模态網絡，交互不同的(de)消息內(nèi)容。有(yǒu)了模态轉換，可(kě)以實現模态隔離(lí)和(hé)互通，網絡的(de)安全性也就變得更高(gāo)。從網絡演進與網絡自(zì)主架構創新角度來看，這無疑是一(yī)條非常可(kě)行(xíng)的(de)道(dào)路。
A）FAST架構
FAST架構是一(yī)種支持交換與端系統的(de)通用架構。其IO框架模型中可(kě)包含多個IO接口和(hé)CPU的(de)DMA接口，基于硬件底層IO進行(xíng)交換功能開發即可(kě)滿足交換需求。旁路交換功能并引入DMA接口即可(kě)實現多端口網卡功能需求。FAST架構提供了一(yī)套完備的(de)外圍IO收發框架（FPGA OS）和(hé)業務相關核心邏輯處理(lǐ)（UM）。
B）P4多模态處理(lǐ)轉發
協議無關意味着可(kě)以處理(lǐ)任何網絡模态的(de)數據，并能根據不同模态的(de)模态行(xíng)為(wèi)與特征進行(xíng)相應的(de)動作處理(lǐ)，達到混合多模态業務的(de)處理(lǐ)轉發能力。基于FPGA架構實現的(de)P4功能可(kě)根據模态特征擴展開發不同的(de)動作指令。
基于P4的(de)編程，可(kě)讓用戶非常方便的(de)在軟件層面設計模态網絡，并對設計代碼進行(xíng)編譯、下發與配置。可(kě)支持動态加載模态功能、動态卸載模态功能和(hé)動态配置模态參數等。各模态的(de)加載與卸載不影響其他模态數據處理(lǐ)。
C）TSN同步與調度
面對不同模态數據的(de)時間、帶寬和(hé)可(kě)靠性等特征要求，比如(rú)對時間傳輸延時、抖動等具備較高(gāo)和(hé)敏感特性的(de)模态業務，在設備中增加時間确定性保障功能。并與P4編程相結合，允許用戶在模态編程中引入時間特征控制，如(rú)獲取模态數據的(de)時間字段，編程配置模态數據的(de)輸出調度隊列，控制模态數據進行(xíng)冗餘複制和(hé)消除處理(lǐ)等。通過确定性時間屬性的(de)加持，确保用戶對時間屬性有(yǒu)較高(gāo)要求的(de)模态業務傳輸得到有(yǒu)效保障。
D）SDN控制器
通過SDN控制器對全網各個節點進行(xíng)拓撲構建、為(wèi)不同模态網絡提供在線編譯、配置和(hé)為(wèi)節點加載和(hé)卸載模态行(xíng)為(wèi)功能，為(wèi)時間确定性模态業務配置TSN相關屬性參數。
A）OpenBox平台
混式模網的(de)原型建構依然采用OpenBox平台，包括端系統（含網卡）和(hé)交換設備。在基于原來軟件定義時間敏感網絡的(de)基礎上，将硬件SDN交換功能流表與動作處理(lǐ)模塊替換為(wèi)P4可(kě)編程模塊，增加P4編譯與配置。原有(yǒu)TSN屬性功能與配置功能依然保持。
B）混合多模态交互（待驗證）
拟構建一(yī)種混合多模态傳輸示例場景——将富文本頁面內(nèi)的(de)不同類型數據劃分到不同網絡模态進行(xíng)交互傳輸。
在服務器一(yī)側構建WEB服務器，頁面內(nèi)容包括HTML文本內(nèi)容、圖片、音視(shì)頻和(hé)文件等4種不同類型數據。該四種類型數據分配通過4種不同模态網絡進行(xíng)傳輸，其中文本內(nèi)容采用IPv4模态，圖片采用IPv6模态，音視(shì)頻采用自(zì)定義标簽分發模态，文件采用自(zì)定義端口轉發鏈模态。在客戶端請求該網頁內(nèi)容時，将首先通過文本內(nèi)容的(de)IPv4獲取全部HTML頁面內(nèi)容，然後根據內(nèi)容檢索，向其他幾個不同模态獲取各自(zì)所需要的(de)數據。文件的(de)內(nèi)容由用戶點擊後觸發獲取。
在此驗證場景中，文本內(nèi)容量小，對網頁構建至關重要，可(kě)以将該數據引入時間保障特性，确定及時響應，快速構建顯示頁面。音視(shì)頻內(nèi)容對傳輸延時和(hé)抖動都有(yǒu)較高(gāo)要求，可(kě)以走非IP化的(de)單獨分發方式模态網絡進行(xíng)傳輸。文件內(nèi)容的(de)實時性要求不高(gāo)，并不需要實時保證，采用一(yī)種自(zì)定義模态的(de)網絡傳輸使其以較小網絡開銷的(de)方式下載到本地(dì)。既快速高(gāo)效的(de)下載了數據，又有(yǒu)效節約了網絡帶寬資源。
C）實時模态保障（移植中）
由于混合模态傳輸中文本傳輸延時要求高(gāo)，故将其通過流表映射到TSN的(de)最高(gāo)優先級隊列。若要進一(yī)步提供可(kě)靠性，可(kě)将該數據開啓CB功能，由控制器下發CB指令和(hé)路徑規則到節點，實現模态數據的(de)冗餘複制和(hé)消除操作。
D）多模仿真驗證環境（等完善）
用軟件方式模拟不同網絡模态的(de)行(xíng)為(wèi)交互（随機(jī)生成網絡模态特征向量，生成随機(jī)處理(lǐ)指令，并根據特征向量生成測試數據）。可(kě)用戶定義一(yī)個拓撲結構，并為(wèi)不同節點賦能多種模态行(xíng)為(wèi)功能，然後構建不同模塊的(de)測試數據，從不同節點位置輸入和(hé)輸出，用軟件計算測試數據每流經節點的(de)內(nèi)容，并将數據記錄保存。可(kě)通過保存數據分析不同模塊的(de)處理(lǐ)行(xíng)為(wèi)是否正确，最終可(kě)将測試數據導入真實環境進行(xíng)驗證，通過抓取不同節點的(de)測試內(nèi)容與軟件仿真模拟的(de)數據進行(xíng)比對，驗證真實環境的(de)模态行(xíng)為(wèi)是否完全正确。
A）确定性多模設備（可(kě)定制）
确定性多模設備支持交換設備與端網卡，設備形态和(hé)接口可(kě)根據用戶要求定制。目前可(kě)以支持的(de)接口包括：1G、10G、40G和(hé)100G類型。FPGA和(hé)CPU可(kě)以用非國(guó)産與國(guó)産（複旦微、飛(fēi)騰）。
B）确定性多模系統（待開發）
開發适配多模系統的(de)相關驅動、內(nèi)核模态處理(lǐ)應用和(hé)用戶模态處理(lǐ)應用。
C）确定性多模控制器（待開發）
自(zì)研輕量級SDN控制器，更好适配多模編譯、配置、加載與卸載、拓撲構建、TSN配置等功能。
原型驗證中的(de)部分功能還尚未完成，未來規劃中的(de)多模系統與控制器也隻是初步規劃，具體實施思路與可(kě)行(xíng)性分析已經完成。整個大環境還需要一(yī)定的(de)時間開發和(hé)驗證，如(rú)果有(yǒu)感興趣的(de)朋(péng)友，歡迎聯系我們(15116127200微信同号）。
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