FAST-DMN：确定性混式模网

一、引言

阿基米德说：“给我一个杠杆我能翘起整个地球！”

曾有人说：“给我一台OpenBox设备，我能改变整个网络！”

今天，我们尝试讲讲如何构建一个全新理念的未来网络，这当然是在兼容现有网络的基础之上，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是目前可支持网络架构创新、演进、部署和实施最可行的软硬件联合解决方案。

二、名称

确定性混式模网（Deterministic mix-Multmodal Network，DMN）是一种可以支持不同模态数据进行混合处理、转发和通信，并具备确定性、可靠性传输属性的网络。

三、定义

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。网络能够将不同的节点联通起来，通过有线、无线或其他媒体介质互联互通。节点是任何可以产生数据或消费数据的对象，节点也可以具备传递功能，即数据分发能力，涉及对数据的相关行为处理。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长度、收发时间、传输时长、抖动和路径等。网络节点的属性有端口、速率、转发延时、抖动和缓存大小等。

C）网络行为

完成一次网络信息交互，可能包含多方面的行为描述。描述内容携带的网络信息内部，有结构有层次的存储。具体行为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

具有同质结构的网络信息模式称为一种网络模态，即就是通常理解的一种具体的网络协议格式。网络模态的定义通常由一组标向量描述，记为M{V}。M表示一种模态，V表示描述模态的标向量合集。标向量可分为两种类型，一种是域类型，标记为Vf（俗称协议字段），另一种为标向量合集类型，也称为子模态，标记为Vv（俗称协议负载）。当V的集合中只有一个Vf的时候，即为协议的净负载（俗称消息内容体）。V的集合中Vf的定义，确定了一个网络模态的具体形态，这些Vf的值序列称为该模态的特征向量，类似生物的基因编码序列。看个例子：

ETH子模态（俗称协议头）表示为：

M{eth} = M{48,48,16}，特征向量表示为V（48，48，16）。

ARP子模态表示为：

M{arp} = M{16，16，8，8，16，48，32，48，32}，特征向量表示为V（16，16，8，8，16，48，32，48，32）。

ARP协议模态（完整协议分组）表示为：

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。混合多模态网络就是能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以根据自身的特点来构建和适应。在混合多模态网络中，ARP协议模态、TCP或UDP仅是三种不同模态的具体表现形式，或者可以统称为以太网模态合集。

除了以太网模态合集，我们还可以将工业总线以此定义引入到混合多模态网络中，也可以将无线通信、光纤通信等各种一切可数字化交互的场景抽象为混合多模态网络中的一种具体模态。

E）模态转换

每个模态都是由一组独特的特征向量定义，并具有自己的独特属性和行为。在不同模态之间存在某些域类型数据的交互，可以通过模态转换的功能来实现。实现前提是必须相互遵守各自模态的必要约束。

F）回到网络

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，行为动作规划出来，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。

全新理念的未来网络构想应该是：可以支持不同网络模态的独立通信，每个模态数据具有其独特的网络属性与模态行为，在遵守模态约束条件下，可以实现多模态之间的数据互转互通。

说人话概括就是：万物互联互通！不仅联通，还可通信。

四、确定性混式模网

混式模网即是实现万物互联互通，但万物皆有个性，如何一一满足？

首先，从模态行为考虑，模态数据的主要处理功能主要包括封装、拆装、查表匹配、修改数据，丢弃、转发等等。通过P4可编程的指令或扩展其他模态特有指令可以实现对各种模块数据的行为处理。

其次，从模态的属性考虑，模态数据的传输有时延、抖动、限速与保速、高可靠（冗余与消除）和多路径传输等要求。通过确定性网络的保障机制可以实现这些要求。

确定性网络的保障机制有多种方式，TTE、TSN、DIP等都可以作为选择方案。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，不能影响混合多模态数据的处理与转发。

我们选择的技术路线是：FAST架构、P4可编程、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、转发和通信，并具备确定性、可靠性传输属性的网络。

五、应用场景

混式模网目前显然还不适合放到核心网使用，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，不易对其他网络造成影响；二是小规模网络可以自建、自毁，自主可控；

由于以太网、IP是目前所有网络的基础，故在构建混式模网的第一步是将标准以太网和IP等模态的网络业务进行加载，确保所有传统网络的互联互通正常，也方便对其他设备节点进行管理和配置。然后再根据科研和学习的目的，有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、科研网络均可以采用不同模态网络来构建，如此可以有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学生可以利用现有校园网规模，构建较大的真实网络验证实验床，进行新型协议设计与验证和网络攻防演练。

C）物联网

可将不同形态、不同厂商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务的有效数据进行分析处理，有效减轻不同类型、型号设备间的组网难度和控制器管理难度。

D）工业互联网

将传统以太网与工业总线进行混模互联，可在交汇处设置混模设备，支持不同模态功能及转换功能。办公司网络依然是传统以太网，工厂设备间依然是总线或实时以太网。原有架构的设备、应用等均不发生改变。（当然，我们认为总线向实时以太网转化是一种必然）

可以想象，现在的IPv4和IPv6只是两种不同的网络模态，我们只需要为设备加载了该模态行为的功能，即可实现v4与v6网络的互通。在此基础上，我们还可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。有了模态转换，可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角度来看，这无疑是一条非常可行的道路。

六、实现方案

A）FAST架构

FAST架构是一种支持交换与端系统的通用架构。其IO框架模型中可包含多个IO接口和CPU的DMA接口，基于硬件底层IO进行交换功能开发即可满足交换需求。旁路交换功能并引入DMA接口即可实现多端口网卡功能需求。FAST架构提供了一套完备的外围IO收发框架（FPGA OS）和业务相关核心逻辑处理（UM）。

B）P4多模态处理转发

协议无关意味着可以处理任何网络模态的数据，并能根据不同模态的模态行为与特征进行相应的动作处理，达到混合多模态业务的处理转发能力。基于FPGA架构实现的P4功能可根据模态特征扩展开发不同的动作指令。

基于P4的编程，可让用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。可支持动态加载模态功能、动态卸载模态功能和动态配置模态参数等。各模态的加载与卸载不影响其他模态数据处理。

C）TSN同步与调度

面对不同模态数据的时间、带宽和可靠性等特征要求，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务，在设备中增加时间确定性保障功能。并与P4编程相结合，允许用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等。通过确定性时间属性的加持，确保用户对时间属性有较高要求的模态业务传输得到有效保障。

D）SDN控制器

通过SDN控制器对全网各个节点进行拓扑构建、为不同模态网络提供在线编译、配置和为节点加载和卸载模态行为功能，为时间确定性模态业务配置TSN相关属性参数。

七、验证原型

A）OpenBox平台

混式模网的原型建构依然采用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交换功能流表与动作处理模块替换为P4可编程模块，增加P4编译与配置。原有TSN属性功能与配置功能依然保持。

B）混合多模态交互（待验证）

拟构建一种混合多模态传输示例场景——将富文本页面内的不同类型数据划分到不同网络模态进行交互传输。

在服务器一侧构建WEB服务器，页面内容包括HTML文本内容、图片、音视频和文件等4种不同类型数据。该四种类型数据分配通过4种不同模态网络进行传输，其中文本内容采用IPv4模态，图片采用IPv6模态，音视频采用自定义标签分发模态，文件采用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，向其他几个不同模态获取各自所需要的数据。文件的内容由用户点击后触发获取。

在此验证场景中，文本内容量小，对网页构建至关重要，可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较高要求，可以走非IP化的单独分发方式模态网络进行传输。文件内容的实时性要求不高，并不需要实时保证，采用一种自定义模态的网络传输使其以较小网络开销的方式下载到本地。既快速高效的下载了数据，又有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。若要进一步提供可靠性，可将该数据开启CB功能，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）多模仿真验证环境（等完善）

用软件方式模拟不同网络模态的行为交互（随机生成网络模态特征向量，生成随机处理指令，并根据特征向量生成测试数据）。可用户定义一个拓扑结构，并为不同节点赋能多种模态行为功能，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。可通过保存数据分析不同模块的处理行为是否正确，最终可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为是否完全正确。

八、未来规划

A）确定性多模设备（可定制）

确定性多模设备支持交换设备与端网卡，设备形态和接口可根据用户要求定制。目前可以支持的接口包括：1G、10G、40G和100G类型。FPGA和CPU可以用非国产与国产（复旦微、飞腾）。

B）确定性多模系统（待开发）

开发适配多模系统的相关驱动、内核模态处理应用和用户模态处理应用。

C）确定性多模控制器（待开发）

自研轻量级SDN控制器，更好适配多模编译、配置、加载与卸载、拓扑构建、TSN配置等功能。

九、合作共赢

原型验证中的部分功能还尚未完成，未来规划中的多模系统与控制器也只是初步规划，具体实施思路与可行性分析已经完成。整个大环境还需要一定的时间开发和验证，如果有感兴趣的朋友，欢迎联系我们。