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FAST-DMN:确定性混式模网
发布时间:2022-11-04
     阿基米德说:“给我一个杠杆我能(néng)翘起整个地球!” 曾有(yǒu)人说:“给我一台OpenBox设备,我能(néng)改变整个网络!” 今天,我们尝试讲讲如何构建一个全新(xīn)理(lǐ)念的未来网络,这当然是在兼容现有(yǒu)网络的基础之上,不然这个网络是无法演进的。未来网络不应该受困于ETH、IP、TCP、UDP!P4是目前可(kě)支持网络架构创新(xīn)、演进、部署和实施最可(kě)行的软硬件联合解决方案。
     确定性混式模网(Deterministic mix-Multmodal Network,DMN)是一种可(kě)以支持不同模态数据进行混合处理(lǐ)、转发和通信,并具备确定性、可(kě)靠性传输属性的网络。
     A)网络本质
     网络的本质是联通和传递,是两个以上不同时空节点的信息交流。网络能(néng)够将不同的节点联通起来,通过有(yǒu)線(xiàn)、无線(xiàn)或其他(tā)媒體(tǐ)介质互联互通。节点是任何可(kě)以产生数据或消费数据的对象,节点也可(kě)以具备传递功能(néng),即数据分(fēn)发能(néng)力,涉及对数据的相关行為(wèi)处理(lǐ)。传递的网络信息由某个时刻在某个位置产生,在另一时间的另一位置接收。节点间通过收发和传递网络信息来完成交流。
     B)网络属性
     网络信息具备的属性有(yǒu)長(cháng)度、收发时间、传输时長(cháng)、抖动和路径等。网络节点的属性有(yǒu)端口、速率、转发延时、抖动和缓存大小(xiǎo)等。
     C)网络行為(wèi)
     完成一次网络信息交互,可(kě)能(néng)包含多(duō)方面的行為(wèi)描述。描述内容携带的网络信息内部,有(yǒu)结构有(yǒu)层次的存储。具體(tǐ)行為(wèi)的执行在包括在生产节点、传输节点和消费节点发生,主要包括信息查询、修改、丢弃和转发等。
     D)网络模态
     具有(yǒu)同质结构的网络信息模式称為(wèi)一种网络模态,即就是通常理(lǐ)解的一种具體(tǐ)的网络协议格式。网络模态的定义通常由一组标向量描述,记為(wèi)M{V}。M表示一种模态,V表示描述模态的标向量合集。标向量可(kě)分(fēn)為(wèi)两种类型,一种是域类型,标记為(wèi)Vf(俗称协议字段),另一种為(wèi)标向量合集类型,也称為(wèi)子模态,标记為(wèi)Vv(俗称协议负载)。当V的集合中只有(yǒu)一个Vf的时候,即為(wèi)协议的净负载(俗称消息内容體(tǐ))。V的集合中Vf的定义,确定了一个网络模态的具體(tǐ)形态,这些Vf的值序列称為(wèi)该模态的特征向量,类似生物(wù)的基因编码序列。看个例子:
     ETH子模态(俗称协议头)表示為(wèi):
     M{eth} = M{48,48,16},特征向量表示為(wèi)V(48,48,16)。
     ARP子模态表示為(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协议模态(完整协议分(fēn)组)表示為(wèi):
     M{Parp} = M{M{eth},M{arp}}。此处ARP协议模态由两个Vv组成。
     ARP与IPv4属于不同协议模态,但它们共模ETH子模态。
     TCP与UDP属于不同协议模态,但它们共模ETH和IPv4子模态。
     以上描述纯属瞎扯,这不就是协议头与协议负载的内容与关系吗?
     是的,我们想通过这种描述引出多(duō)模态、混模态的一般定义。一种独特的模态网络就是一组该模态的特征向量序列(拥有(yǒu)各自的基因编码),那不同的特征向量序列便是不同的网络模态。混合多(duō)模态网络就是能(néng)支持一系列这样的模态特征向量序列的网络信息独立通信与交互的网络。
     混式多(duō)模态网络不应该全建立在以太网基础上,MAC地址也不是必须的字段,模态信息交互网络可(kě)以根据自身的特点来构建和适应。在混合多(duō)模态网络中,ARP协议模态、TCP或UDP仅是三种不同模态的具體(tǐ)表现形式,或者可(kě)以统称為(wèi)以太网模态合集。
     除了以太网模态合集,我们还可(kě)以将工业总線(xiàn)以此定义引入到混合多(duō)模态网络中,也可(kě)以将无線(xiàn)通信、光纤通信等各种一切可(kě)数字化交互的场景抽象為(wèi)混合多(duō)模态网络中的一种具體(tǐ)模态。
     E)模态转换
     每个模态都是由一组独特的特征向量定义,并具有(yǒu)自己的独特属性和行為(wèi)。在不同模态之间存在某些域类型数据的交互,可(kě)以通过模态转换的功能(néng)来实现。实现前提是必须相互遵守各自模态的必要约束。
     D)网络模态
     通过以上几个概念,定义一种模态网络要把模态特征向量定义出来,行為(wèi)动作规划出来,需要符合的网络属性提取出来。比如TSN网络是一种具备时间敏感属性的以太网模态网络。
     全新(xīn)理(lǐ)念的未来网络构想应该是:可(kě)以支持不同网络模态的独立通信,每个模态数据具有(yǒu)其独特的网络属性与模态行為(wèi),在遵守模态约束条件下,可(kě)以实现多(duō)模态之间的数据互转互通。
说人话概括就是:万物(wù)互联互通!不仅联通,还可(kě)通信。
     混式模网即是实现万物(wù)互联互通,但万物(wù)皆有(yǒu)个性,如何一一满足?
     首先,从模态行為(wèi)考虑,模态数据的主要处理(lǐ)功能(néng)主要包括封装、拆装、查表匹配、修改数据,丢弃、转发等等。通过P4可(kě)编程的指令或扩展其他(tā)模态特有(yǒu)指令可(kě)以实现对各种模块数据的行為(wèi)处理(lǐ)。
     其次,从模态的属性考虑,模态数据的传输有(yǒu)时延、抖动、限速与保速、高可(kě)靠(冗余与消除)和多(duō)路径传输等要求。通过确定性网络的保障机制可(kě)以实现这些要求。
     确定性网络的保障机制有(yǒu)多(duō)种方式,TTE、TSN、DIP等都可(kě)以作為(wèi)选择方案。确定性的网络保障机制是整个网络通信中的一种属性保障手段,不能(néng)影响混合多(duō)模态数据的处理(lǐ)与转发。
     我们选择的技术路線(xiàn)是:FAST架构、P4可(kě)编程、TSN确定时间机制和SDN控制器。提供一种支持不同模态内和之间的数据进行混合处理(lǐ)、转发和通信,并具备确定性、可(kě)靠性传输属性的网络。
     混式模网目前显然还不适合放到核心网使用(yòng),我们建议大家在边缘网进行测试和验证。一是边缘网络相对封闭,不易对其他(tā)网络造成影响;二是小(xiǎo)规模网络可(kě)以自建、自毁,自主可(kě)控;
     由于以太网、IP是目前所有(yǒu)网络的基础,故在构建混式模网的第一步是将标准以太网和IP等模态的网络业務(wù)进行加载,确保所有(yǒu)传统网络的互联互通正常,也方便对其他(tā)设备节点进行管理(lǐ)和配置。然后再根据科(kē)研和學(xué)习的目的,有(yǒu)针对性的开发和配置设备模态,进行各种模态的网络验证。比如在如下网络:
     A)企业网
      在正常加载IPv4和IPv6模态的网络后,大家的互联网通信正常。企业内部的生产网络、科(kē)研网络均可(kě)以采用(yòng)不同模态网络来构建,如此可(kě)以有(yǒu)效防止外网入侵攻击。
     B)校园网
      网络专业或安全专业的各年级學(xué)生可(kě)以利用(yòng)现有(yǒu)校园网规模,构建较大的真实网络验证实验床,进行新(xīn)型协议设计与验证和网络攻防演练。
     C)物(wù)联网
      可(kě)将不同形态、不同厂商(shāng)和不同协议模态的各类设备相互连通,并通过P4编程的方式提取不同模态业務(wù)的有(yǒu)效数据进行分(fēn)析处理(lǐ),有(yǒu)效减轻不同类型、型号设备间的组网难度和控制器管理(lǐ)难度。
     D)工业互联网
      将传统以太网与工业总線(xiàn)进行混模互联,可(kě)在交汇处设置混模设备,支持不同模态功能(néng)及转换功能(néng)。办公司网络依然是传统以太网,工厂设备间依然是总線(xiàn)或实时以太网。原有(yǒu)架构的设备、应用(yòng)等均不发生改变。(当然,我们认為(wèi)总線(xiàn)向实时以太网转化是一种必然)
     可(kě)以想象,现在的IPv4和IPv6只是两种不同的网络模态,我们只需要為(wèi)设备加载了该模态行為(wèi)的功能(néng),即可(kě)实现v4与v6网络的互通。在此基础上,我们还可(kě)以任意发布自己设计的不同模态网络,交互不同的消息内容。有(yǒu)了模态转换,可(kě)以实现模态隔离和互通,网络的安全性也就变得更高。从网络演进与网络自主架构创新(xīn)角度来看,这无疑是一条非常可(kě)行的道路。
     A)FAST架构
     FAST架构是一种支持交换与端系统的通用(yòng)架构。其IO框架模型中可(kě)包含多(duō)个IO接口和CPU的DMA接口,基于硬件底层IO进行交换功能(néng)开发即可(kě)满足交换需求。旁路交换功能(néng)并引入DMA接口即可(kě)实现多(duō)端口网卡功能(néng)需求。FAST架构提供了一套完备的外围IO收发框架(FPGA OS)和业務(wù)相关核心逻辑处理(lǐ)(UM)。

     B)P4多(duō)模态处理(lǐ)转发
     协议无关意味着可(kě)以处理(lǐ)任何网络模态的数据,并能(néng)根据不同模态的模态行為(wèi)与特征进行相应的动作处理(lǐ),达到混合多(duō)模态业務(wù)的处理(lǐ)转发能(néng)力。基于FPGA架构实现的P4功能(néng)可(kě)根据模态特征扩展开发不同的动作指令。
     基于P4的编程,可(kě)让用(yòng)户非常方便的在软件层面设计模态网络,并对设计代码进行编译、下发与配置。可(kě)支持动态加载模态功能(néng)、动态卸载模态功能(néng)和动态配置模态参数等。各模态的加载与卸载不影响其他(tā)模态数据处理(lǐ)。
     C)TSN同步与调度
     面对不同模态数据的时间、带宽和可(kě)靠性等特征要求,比如对时间传输延时、抖动等具备较高和敏感特性的模态业務(wù),在设备中增加时间确定性保障功能(néng)。并与P4编程相结合,允许用(yòng)户在模态编程中引入时间特征控制,如获取模态数据的时间字段,编程配置模态数据的输出调度队列,控制模态数据进行冗余复制和消除处理(lǐ)等。通过确定性时间属性的加持,确保用(yòng)户对时间属性有(yǒu)较高要求的模态业務(wù)传输得到有(yǒu)效保障。
     D)SDN控制器
     通过SDN控制器对全网各个节点进行拓扑构建、為(wèi)不同模态网络提供在線(xiàn)编译、配置和為(wèi)节点加载和卸载模态行為(wèi)功能(néng),為(wèi)时间确定性模态业務(wù)配置TSN相关属性参数。
     A)OpenBox平台
     混式模网的原型建构依然采用(yòng)OpenBox平台,包括端系统(含网卡)和交换设备。在基于原来软件定义时间敏感网络的基础上,将硬件SDN交换功能(néng)流表与动作处理(lǐ)模块替换為(wèi)P4可(kě)编程模块,增加P4编译与配置。原有(yǒu)TSN属性功能(néng)与配置功能(néng)依然保持。
     B)混合多(duō)模态交互(待验证)
     拟构建一种混合多(duō)模态传输示例场景——将富文(wén)本页面内的不同类型数据划分(fēn)到不同网络模态进行交互传输。
     在服務(wù)器一侧构建WEB服務(wù)器,页面内容包括HTML文(wén)本内容、图片、音视频和文(wén)件等4种不同类型数据。该四种类型数据分(fēn)配通过4种不同模态网络进行传输,其中文(wén)本内容采用(yòng)IPv4模态,图片采用(yòng)IPv6模态,音视频采用(yòng)自定义标签分(fēn)发模态,文(wén)件采用(yòng)自定义端口转发链模态。在客户端请求该网页内容时,将首先通过文(wén)本内容的IPv4获取全部HTML页面内容,然后根据内容检索,向其他(tā)几个不同模态获取各自所需要的数据。文(wén)件的内容由用(yòng)户点击后触发获取。
     在此验证场景中,文(wén)本内容量小(xiǎo),对网页构建至关重要,可(kě)以将该数据引入时间保障特性,确定及时响应,快速构建显示页面。音视频内容对传输延时和抖动都有(yǒu)较高要求,可(kě)以走非IP化的单独分(fēn)发方式模态网络进行传输。文(wén)件内容的实时性要求不高,并不需要实时保证,采用(yòng)一种自定义模态的网络传输使其以较小(xiǎo)网络开销的方式下载到本地。既快速高效的下载了数据,又(yòu)有(yǒu)效节约了网络带宽资源。
     C)实时模态保障(移植中)
     由于混合模态传输中文(wén)本传输延时要求高,故将其通过流表映射到TSN的最高优先级队列。若要进一步提供可(kě)靠性,可(kě)将该数据开启CB功能(néng),由控制器下发CB指令和路径规则到节点,实现模态数据的冗余复制和消除操作。
     D)多(duō)模仿真验证环境(等完善)
     用(yòng)软件方式模拟不同网络模态的行為(wèi)交互(随机生成网络模态特征向量,生成随机处理(lǐ)指令,并根据特征向量生成测试数据)。可(kě)用(yòng)户定义一个拓扑结构,并為(wèi)不同节点赋能(néng)多(duō)种模态行為(wèi)功能(néng),然后构建不同模块的测试数据,从不同节点位置输入和输出,用(yòng)软件计算测试数据每流经节点的内容,并将数据记录保存。可(kě)通过保存数据分(fēn)析不同模块的处理(lǐ)行為(wèi)是否正确,最终可(kě)将测试数据导入真实环境进行验证,通过抓取不同节点的测试内容与软件仿真模拟的数据进行比对,验证真实环境的模态行為(wèi)是否完全正确。
     A)确定性多(duō)模设备(可(kě)定制)
     确定性多(duō)模设备支持交换设备与端网卡,设备形态和接口可(kě)根据用(yòng)户要求定制。目前可(kě)以支持的接口包括:1G、10G、40G和100G类型。FPGA和CPU可(kě)以用(yòng)非國(guó)产与國(guó)产(复旦微、飞腾)。
     B)确定性多(duō)模系统(待开发)
     开发适配多(duō)模系统的相关驱动、内核模态处理(lǐ)应用(yòng)和用(yòng)户模态处理(lǐ)应用(yòng)。
     C)确定性多(duō)模控制器(待开发)
     自研轻量级SDN控制器,更好适配多(duō)模编译、配置、加载与卸载、拓扑构建、TSN配置等功能(néng)。
     原型验证中的部分(fēn)功能(néng)还尚未完成,未来规划中的多(duō)模系统与控制器也只是初步规划,具體(tǐ)实施思路与可(kě)行性分(fēn)析已经完成。整个大环境还需要一定的时间开发和验证,如果有(yǒu)感兴趣的朋友,欢迎联系我们(15116127200微信同号)。
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