阿基米德說：“給我一個杠杆我能(néng)翹起整個地球！”
曾有人說：“給我一台OpenBox設備，我能(néng)改變整個網絡！”
今天，我們嘗試講講如何構建一個全新理(lǐ)念的未來(lái)網絡，這(zhè)當然是在兼容現(xiàn)有網絡的基礎之上(shàng)，不然這(zhè)個網絡是無法演進的。未來(lái)網絡不應該受困于ETH、IP、TCP、UDP！P4是目前可支持網絡架構創新、演進、部署和(hé)實施最可行的軟硬件聯合解決方案。
确定性混式模網（Deterministic mix-Multmodal Network，DMN）是一種可以支持不同模态數據進行混合處理(lǐ)、轉發和(hé)通信，并具備确定性、可靠性傳輸屬性的網絡。
A）網絡本質
網絡的本質是聯通和(hé)傳遞，是兩個以上(shàng)不同時(shí)空(kōng)節點的信息交流。網絡能(néng)夠将不同的節點聯通起來(lái)，通過有線、無線或其他(tā)媒體介質互聯互通。節點是任何可以産生數據或消費數據的對(duì)象，節點也(yě)可以具備傳遞功能(néng)，即數據分發能(néng)力，涉及對(duì)數據的相關行爲處理(lǐ)。傳遞的網絡信息由某個時(shí)刻在某個位置産生，在另一時(shí)間的另一位置接收。節點間通過收發和(hé)傳遞網絡信息來(lái)完成交流。
B）網絡屬性
網絡信息具備的屬性有長度、收發時(shí)間、傳輸時(shí)長、抖動和(hé)路徑等。網絡節點的屬性有端口、速率、轉發延時(shí)、抖動和(hé)緩存大(dà)小(xiǎo)等。
C）網絡行爲
完成一次網絡信息交互，可能(néng)包含多方面的行爲描述。描述内容攜帶的網絡信息内部，有結構有層次的存儲。具體行爲的執行在包括在生産節點、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
具有同質結構的網絡信息模式稱爲一種網絡模态，即就是通常理(lǐ)解的一種具體的網絡協議(yì)格式。網絡模态的定義通常由一組标向量描述，記爲M{V}。M表示一種模态，V表示描述模态的标向量合集。标向量可分爲兩種類型，一種是域類型，标記爲Vf（俗稱協議(yì)字段），另一種爲标向量合集類型，也(yě)稱爲子模态，标記爲Vv（俗稱協議(yì)負載）。當V的集合中隻有一個Vf的時(shí)候，即爲協議(yì)的淨負載（俗稱消息内容體）。V的集合中Vf的定義，确定了(le)一個網絡模态的具體形态，這(zhè)些(xiē)Vf的值序列稱爲該模态的特征向量，類似生物的基因編碼序列。看(kàn)個例子：
ETH子模态（俗稱協議(yì)頭）表示爲：
M{eth} = M{48,48,16}，特征向量表示爲V（48，48，16）。
ARP子模态表示爲：
M{arp} = M{16，16，8，8，16，48，32，48，32}，特征向量表示爲V（16，16，8，8，16，48，32，48，32）。
ARP協議(yì)模态（完整協議(yì)分組）表示爲：
M{Parp} = M{M{eth},M{arp}}。此處ARP協議(yì)模态由兩個Vv組成。
ARP與IPv4屬于不同協議(yì)模态，但(dàn)它們共模ETH子模态。
TCP與UDP屬于不同協議(yì)模态，但(dàn)它們共模ETH和(hé)IPv4子模态。
以上(shàng)描述純屬瞎扯，這(zhè)不就是協議(yì)頭與協議(yì)負載的内容與關系嗎？
是的，我們想通過這(zhè)種描述引出多模态、混模态的一般定義。一種獨特的模态網絡就是一組該模态的特征向量序列（擁有各自(zì)的基因編碼），那不同的特征向量序列便是不同的網絡模态。混合多模态網絡就是能(néng)支持一系列這(zhè)樣的模态特征向量序列的網絡信息獨立通信與交互的網絡。
混式多模态網絡不應該全建立在以太網基礎上(shàng)，MAC地址也(yě)不是必須的字段，模态信息交互網絡可以根據自(zì)身的特點來(lái)構建和(hé)适應。在混合多模态網絡中，ARP協議(yì)模态、TCP或UDP僅是三種不同模态的具體表現(xiàn)形式，或者可以統稱爲以太網模态合集。
除了(le)以太網模态合集，我們還可以将工(gōng)業總線以此定義引入到(dào)混合多模态網絡中，也(yě)可以将無線通信、光纖通信等各種一切可數字化交互的場景抽象爲混合多模态網絡中的一種具體模态。
E）模态轉換
每個模态都是由一組獨特的特征向量定義，并具有自(zì)己的獨特屬性和(hé)行爲。在不同模态之間存在某些(xiē)域類型數據的交互，可以通過模态轉換的功能(néng)來(lái)實現(xiàn)。實現(xiàn)前提是必須相互遵守各自(zì)模态的必要約束。
D）網絡模态
通過以上(shàng)幾個概念，定義一種模态網絡要把模态特征向量定義出來(lái)，行爲動作(zuò)規劃出來(lái)，需要符合的網絡屬性提取出來(lái)。比如TSN網絡是一種具備時(shí)間敏感屬性的以太網模态網絡。
全新理(lǐ)念的未來(lái)網絡構想應該是：可以支持不同網絡模态的獨立通信，每個模态數據具有其獨特的網絡屬性與模态行爲，在遵守模态約束條件下(xià)，可以實現(xiàn)多模态之間的數據互轉互通。
說人話(huà)概括就是：萬物互聯互通！不僅聯通，還可通信。
混式模網即是實現(xiàn)萬物互聯互通，但(dàn)萬物皆有個性，如何一一滿足？
首先，從(cóng)模态行爲考慮，模态數據的主要處理(lǐ)功能(néng)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可編程的指令或擴展其他(tā)模态特有指令可以實現(xiàn)對(duì)各種模塊數據的行爲處理(lǐ)。
其次，從(cóng)模态的屬性考慮，模态數據的傳輸有時(shí)延、抖動、限速與保速、高(gāo)可靠（冗餘與消除）和(hé)多路徑傳輸等要求。通過确定性網絡的保障機制可以實現(xiàn)這(zhè)些(xiē)要求。
确定性網絡的保障機制有多種方式，TTE、TSN、DIP等都可以作(zuò)爲選擇方案。确定性的網絡保障機制是整個網絡通信中的一種屬性保障手段，不能(néng)影響混合多模态數據的處理(lǐ)與轉發。
我們選擇的技術路線是：FAST架構、P4可編程、TSN确定時(shí)間機制和(hé)SDN控制器。提供一種支持不同模态内和(hé)之間的數據進行混合處理(lǐ)、轉發和(hé)通信，并具備确定性、可靠性傳輸屬性的網絡。
混式模網目前顯然還不适合放(fàng)到(dào)核心網使用(yòng)，我們建議(yì)大(dà)家在邊緣網進行測試和(hé)驗證。一是邊緣網絡相對(duì)封閉，不易對(duì)其他(tā)網絡造成影響；二是小(xiǎo)規模網絡可以自(zì)建、自(zì)毀，自(zì)主可控；
由于以太網、IP是目前所有網絡的基礎，故在構建混式模網的第一步是将标準以太網和(hé)IP等模态的網絡業務進行加載，确保所有傳統網絡的互聯互通正常，也(yě)方便對(duì)其他(tā)設備節點進行管理(lǐ)和(hé)配置。然後再根據科研和(hé)學習的目的，有針對(duì)性的開(kāi)發和(hé)配置設備模态，進行各種模态的網絡驗證。比如在如下(xià)網絡：
A）企業網
在正常加載IPv4和(hé)IPv6模态的網絡後，大(dà)家的互聯網通信正常。企業内部的生産網絡、科研網絡均可以采用(yòng)不同模态網絡來(lái)構建，如此可以有效防止外(wài)網入侵攻擊。
B）校園網
網絡專業或安全專業的各年級學生可以利用(yòng)現(xiàn)有校園網規模，構建較大(dà)的真實網絡驗證實驗床，進行新型協議(yì)設計(jì)與驗證和(hé)網絡攻防演練。
C）物聯網
可将不同形态、不同廠(chǎng)商和(hé)不同協議(yì)模态的各類設備相互連通，并通過P4編程的方式提取不同模态業務的有效數據進行分析處理(lǐ)，有效減輕不同類型、型号設備間的組網難度和(hé)控制器管理(lǐ)難度。
D）工(gōng)業互聯網
将傳統以太網與工(gōng)業總線進行混模互聯，可在交彙處設置混模設備，支持不同模态功能(néng)及轉換功能(néng)。辦公司網絡依然是傳統以太網，工(gōng)廠(chǎng)設備間依然是總線或實時(shí)以太網。原有架構的設備、應用(yòng)等均不發生改變。（當然，我們認爲總線向實時(shí)以太網轉化是一種必然）
可以想象，現(xiàn)在的IPv4和(hé)IPv6隻是兩種不同的網絡模态，我們隻需要爲設備加載了(le)該模态行爲的功能(néng)，即可實現(xiàn)v4與v6網絡的互通。在此基礎上(shàng)，我們還可以任意發布自(zì)己設計(jì)的不同模态網絡，交互不同的消息内容。有了(le)模态轉換，可以實現(xiàn)模态隔離和(hé)互通，網絡的安全性也(yě)就變得更高(gāo)。從(cóng)網絡演進與網絡自(zì)主架構創新角度來(lái)看(kàn)，這(zhè)無疑是一條非常可行的道(dào)路。
A）FAST架構
FAST架構是一種支持交換與端系統的通用(yòng)架構。其IO框架模型中可包含多個IO接口和(hé)CPU的DMA接口，基于硬件底層IO進行交換功能(néng)開(kāi)發即可滿足交換需求。旁路交換功能(néng)并引入DMA接口即可實現(xiàn)多端口網卡功能(néng)需求。FAST架構提供了(le)一套完備的外(wài)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(yì)無關意味着可以處理(lǐ)任何網絡模态的數據，并能(néng)根據不同模态的模态行爲與特征進行相應的動作(zuò)處理(lǐ)，達到(dào)混合多模态業務的處理(lǐ)轉發能(néng)力。基于FPGA架構實現(xiàn)的P4功能(néng)可根據模态特征擴展開(kāi)發不同的動作(zuò)指令。
基于P4的編程，可讓用(yòng)戶非常方便的在軟件層面設計(jì)模态網絡，并對(duì)設計(jì)代碼進行編譯、下(xià)發與配置。可支持動态加載模态功能(néng)、動态卸載模态功能(néng)和(hé)動态配置模态參數等。各模态的加載與卸載不影響其他(tā)模态數據處理(lǐ)。
C）TSN同步與調度
面對(duì)不同模态數據的時(shí)間、帶寬和(hé)可靠性等特征要求，比如對(duì)時(shí)間傳輸延時(shí)、抖動等具備較高(gāo)和(hé)敏感特性的模态業務，在設備中增加時(shí)間确定性保障功能(néng)。并與P4編程相結合，允許用(yòng)戶在模态編程中引入時(shí)間特征控制，如獲取模态數據的時(shí)間字段，編程配置模态數據的輸出調度隊列，控制模态數據進行冗餘複制和(hé)消除處理(lǐ)等。通過确定性時(shí)間屬性的加持，确保用(yòng)戶對(duì)時(shí)間屬性有較高(gāo)要求的模态業務傳輸得到(dào)有效保障。
D）SDN控制器
通過SDN控制器對(duì)全網各個節點進行拓撲構建、爲不同模态網絡提供在線編譯、配置和(hé)爲節點加載和(hé)卸載模态行爲功能(néng)，爲時(shí)間确定性模态業務配置TSN相關屬性參數。
A）OpenBox平台
混式模網的原型建構依然采用(yòng)OpenBox平台，包括端系統（含網卡）和(hé)交換設備。在基于原來(lái)軟件定義時(shí)間敏感網絡的基礎上(shàng)，将硬件SDN交換功能(néng)流表與動作(zuò)處理(lǐ)模塊替換爲P4可編程模塊，增加P4編譯與配置。原有TSN屬性功能(néng)與配置功能(néng)依然保持。
B）混合多模态交互（待驗證）
拟構建一種混合多模态傳輸示例場景——将富文(wén)本頁面内的不同類型數據劃分到(dào)不同網絡模态進行交互傳輸。
在服務器一側構建WEB服務器，頁面内容包括HTML文(wén)本内容、圖片、音(yīn)視(shì)頻和(hé)文(wén)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傳輸，其中文(wén)本内容采用(yòng)IPv4模态，圖片采用(yòng)IPv6模态，音(yīn)視(shì)頻采用(yòng)自(zì)定義标簽分發模态，文(wén)件采用(yòng)自(zì)定義端口轉發鏈模态。在客戶端請(qǐng)求該網頁内容時(shí)，将首先通過文(wén)本内容的IPv4獲取全部HTML頁面内容，然後根據内容檢索，向其他(tā)幾個不同模态獲取各自(zì)所需要的數據。文(wén)件的内容由用(yòng)戶點擊後觸發獲取。
在此驗證場景中，文(wén)本内容量小(xiǎo)，對(duì)網頁構建至關重要，可以将該數據引入時(shí)間保障特性，确定及時(shí)響應，快(kuài)速構建顯示頁面。音(yīn)視(shì)頻内容對(duì)傳輸延時(shí)和(hé)抖動都有較高(gāo)要求，可以走非IP化的單獨分發方式模态網絡進行傳輸。文(wén)件内容的實時(shí)性要求不高(gāo)，并不需要實時(shí)保證，采用(yòng)一種自(zì)定義模态的網絡傳輸使其以較小(xiǎo)網絡開(kāi)銷的方式下(xià)載到(dào)本地。既快(kuài)速高(gāo)效的下(xià)載了(le)數據，又有效節約了(le)網絡帶寬資源。
C）實時(shí)模态保障（移植中）
由于混合模态傳輸中文(wén)本傳輸延時(shí)要求高(gāo)，故将其通過流表映射到(dào)TSN的最高(gāo)優先級隊列。若要進一步提供可靠性，可将該數據開(kāi)啓CB功能(néng)，由控制器下(xià)發CB指令和(hé)路徑規則到(dào)節點，實現(xiàn)模态數據的冗餘複制和(hé)消除操作(zuò)。
D）多模仿真驗證環境（等完善）
用(yòng)軟件方式模拟不同網絡模态的行爲交互（随機生成網絡模态特征向量，生成随機處理(lǐ)指令，并根據特征向量生成測試數據）。可用(yòng)戶定義一個拓撲結構，并爲不同節點賦能(néng)多種模态行爲功能(néng)，然後構建不同模塊的測試數據，從(cóng)不同節點位置輸入和(hé)輸出，用(yòng)軟件計(jì)算(suàn)測試數據每流經節點的内容，并将數據記錄保存。可通過保存數據分析不同模塊的處理(lǐ)行爲是否正确，最終可将測試數據導入真實環境進行驗證，通過抓取不同節點的測試内容與軟件仿真模拟的數據進行比對(duì)，驗證真實環境的模态行爲是否完全正确。
A）确定性多模設備（可定制）
确定性多模設備支持交換設備與端網卡，設備形态和(hé)接口可根據用(yòng)戶要求定制。目前可以支持的接口包括：1G、10G、40G和(hé)100G類型。FPGA和(hé)CPU可以用(yòng)非國産與國産（複旦微、飛(fēi)騰）。
B）确定性多模系統（待開(kāi)發）
開(kāi)發适配多模系統的相關驅動、内核模态處理(lǐ)應用(yòng)和(hé)用(yòng)戶模态處理(lǐ)應用(yòng)。
C）确定性多模控制器（待開(kāi)發）
自(zì)研輕量級SDN控制器，更好(hǎo)适配多模編譯、配置、加載與卸載、拓撲構建、TSN配置等功能(néng)。
原型驗證中的部分功能(néng)還尚未完成，未來(lái)規劃中的多模系統與控制器也(yě)隻是初步規劃，具體實施思路與可行性分析已經完成。整個大(dà)環境還需要一定的時(shí)間開(kāi)發和(hé)驗證，如果有感興趣的朋友，歡迎聯系我們(15116127200微信同号）。
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