阿基米德說：“給我一個杠桿我能翹起整個地球！”
曾有人說：“給我一臺OpenBox設備，我能改變整個網絡！”
今天，我們嘗試講講如何構建一個全新理念的未來網絡，這當然是在兼容現有網絡的基礎之上，不然這個網絡是無法演進的。未來網絡不應該受困于ETH、IP、TCP、UDP！P4是目前可支持網絡架構創新、演進、部署和實施最可行的軟硬件聯合解決方案。
確定性混式模網（Deterministic mix-Multmodal Network，DMN）是一種可以支持不同模態數據進行混合處理、轉發和通信，并具備確定性、可靠性傳輸屬性的網絡。
A）網絡本質
網絡的本質是聯通和傳遞，是兩個以上不同時空節點的信息交流。網絡能夠將不同的節點聯通起來，通過有線、無線或其他媒體介質互聯互通。節點是任何可以產生數據或消費數據的對象，節點也可以具備傳遞功能，即數據分發能力，涉及對數據的相關行為處理。傳遞的網絡信息由某個時刻在某個位置產生，在另一時間的另一位置接收。節點間通過收發和傳遞網絡信息來完成交流。
B）網絡屬性
網絡信息具備的屬性有長度、收發時間、傳輸時長、抖動和路徑等。網絡節點的屬性有端口、速率、轉發延時、抖動和緩存大小等。
C）網絡行為
完成一次網絡信息交互，可能包含多方面的行為描述。描述內容攜帶的網絡信息內部，有結構有層次的存儲。具體行為的執行在包括在生產節點、傳輸節點和消費節點發生，主要包括信息查詢、修改、丟棄和轉發等。
D）網絡模態
具有同質結構的網絡信息模式稱為一種網絡模態，即就是通常理解的一種具體的網絡協議格式。網絡模態的定義通常由一組標向量描述，記為M{V}。M表示一種模態，V表示描述模態的標向量合集。標向量可分為兩種類型，一種是域類型，標記為Vf（俗稱協議字段），另一種為標向量合集類型，也稱為子模態，標記為Vv（俗稱協議負載）。當V的集合中只有一個Vf的時候，即為協議的凈負載（俗稱消息內容體）。V的集合中Vf的定義，確定了一個網絡模態的具體形態，這些Vf的值序列稱為該模態的特征向量，類似生物的基因編碼序列。看個例子：
ETH子模態（俗稱協議頭）表示為：
M{eth} = M{48,48,16}，特征向量表示為V（48，48，16）。
ARP子模態表示為：
M{arp} = M{16，16，8，8，16，48，32，48，32}，特征向量表示為V（16，16，8，8，16，48，32，48，32）。
ARP協議模態（完整協議分組）表示為：
M{Parp} = M{M{eth},M{arp}}。此處ARP協議模態由兩個Vv組成。
ARP與IPv4屬于不同協議模態，但它們共模ETH子模態。
TCP與UDP屬于不同協議模態，但它們共模ETH和IPv4子模態。
以上描述純屬瞎扯，這不就是協議頭與協議負載的內容與關系嗎？
是的，我們想通過這種描述引出多模態、混模態的一般定義。一種獨特的模態網絡就是一組該模態的特征向量序列（擁有各自的基因編碼），那不同的特征向量序列便是不同的網絡模態。混合多模態網絡就是能支持一系列這樣的模態特征向量序列的網絡信息獨立通信與交互的網絡。
混式多模態網絡不應該全建立在以太網基礎上，MAC地址也不是必須的字段，模態信息交互網絡可以根據自身的特點來構建和適應。在混合多模態網絡中，ARP協議模態、TCP或UDP僅是三種不同模態的具體表現形式，或者可以統稱為以太網模態合集。
除了以太網模態合集，我們還可以將工業總線以此定義引入到混合多模態網絡中，也可以將無線通信、光纖通信等各種一切可數字化交互的場景抽象為混合多模態網絡中的一種具體模態。
E）模態轉換
每個模態都是由一組獨特的特征向量定義，并具有自己的獨特屬性和行為。在不同模態之間存在某些域類型數據的交互，可以通過模態轉換的功能來實現。實現前提是必須相互遵守各自模態的必要約束。
D）網絡模態
通過以上幾個概念，定義一種模態網絡要把模態特征向量定義出來，行為動作規劃出來，需要符合的網絡屬性提取出來。比如TSN網絡是一種具備時間敏感屬性的以太網模態網絡。
全新理念的未來網絡構想應該是：可以支持不同網絡模態的獨立通信，每個模態數據具有其獨特的網絡屬性與模態行為，在遵守模態約束條件下，可以實現多模態之間的數據互轉互通。
說人話概括就是：萬物互聯互通！不僅聯通，還可通信。
混式模網即是實現萬物互聯互通，但萬物皆有個性，如何一一滿足？
首先，從模態行為考慮，模態數據的主要處理功能主要包括封裝、拆裝、查表匹配、修改數據，丟棄、轉發等等。通過P4可編程的指令或擴展其他模態特有指令可以實現對各種模塊數據的行為處理。
其次，從模態的屬性考慮，模態數據的傳輸有時延、抖動、限速與保速、高可靠（冗余與消除）和多路徑傳輸等要求。通過確定性網絡的保障機制可以實現這些要求。
確定性網絡的保障機制有多種方式，TTE、TSN、DIP等都可以作為選擇方案。確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，不能影響混合多模態數據的處理與轉發。
我們選擇的技術路線是：FAST架構、P4可編程、TSN確定時間機制和SDN控制器。提供一種支持不同模態內和之間的數據進行混合處理、轉發和通信，并具備確定性、可靠性傳輸屬性的網絡。
混式模網目前顯然還不適合放到核心網使用，我們建議大家在邊緣網進行測試和驗證。一是邊緣網絡相對封閉，不易對其他網絡造成影響；二是小規模網絡可以自建、自毀，自主可控；
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將標準以太網和IP等模態的網絡業務進行加載，確保所有傳統網絡的互聯互通正常，也方便對其他設備節點進行管理和配置。然后再根據科研和學習的目的，有針對性的開發和配置設備模態，進行各種模態的網絡驗證。比如在如下網絡：
A）企業網
在正常加載IPv4和IPv6模態的網絡后，大家的互聯網通信正常。企業內部的生產網絡、科研網絡均可以采用不同模態網絡來構建，如此可以有效防止外網入侵攻擊。
B）校園網
網絡專業或安全專業的各年級學生可以利用現有校園網規模，構建較大的真實網絡驗證實驗床，進行新型協議設計與驗證和網絡攻防演練。
C）物聯網
可將不同形態、不同廠商和不同協議模態的各類設備相互連通，并通過P4編程的方式提取不同模態業務的有效數據進行分析處理，有效減輕不同類型、型號設備間的組網難度和控制器管理難度。
D）工業互聯網
將傳統以太網與工業總線進行混模互聯，可在交匯處設置混模設備，支持不同模態功能及轉換功能。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。原有架構的設備、應用等均不發生改變。（當然，我們認為總線向實時以太網轉化是一種必然）
可以想象，現在的IPv4和IPv6只是兩種不同的網絡模態，我們只需要為設備加載了該模態行為的功能，即可實現v4與v6網絡的互通。在此基礎上，我們還可以任意發布自己設計的不同模態網絡，交互不同的消息內容。有了模態轉換，可以實現模態隔離和互通，網絡的安全性也就變得更高。從網絡演進與網絡自主架構創新角度來看，這無疑是一條非常可行的道路。
A）FAST架構
FAST架構是一種支持交換與端系統的通用架構。其IO框架模型中可包含多個IO接口和CPU的DMA接口，基于硬件底層IO進行交換功能開發即可滿足交換需求。旁路交換功能并引入DMA接口即可實現多端口網卡功能需求。FAST架構提供了一套完備的外圍IO收發框架（FPGA OS）和業務相關核心邏輯處理（UM）。
B）P4多模態處理轉發
協議無關意味著可以處理任何網絡模態的數據，并能根據不同模態的模態行為與特征進行相應的動作處理，達到混合多模態業務的處理轉發能力。基于FPGA架構實現的P4功能可根據模態特征擴展開發不同的動作指令。
基于P4的編程，可讓用戶非常方便的在軟件層面設計模態網絡，并對設計代碼進行編譯、下發與配置。可支持動態加載模態功能、動態卸載模態功能和動態配置模態參數等。各模態的加載與卸載不影響其他模態數據處理。
C）TSN同步與調度
面對不同模態數據的時間、帶寬和可靠性等特征要求，比如對時間傳輸延時、抖動等具備較高和敏感特性的模態業務，在設備中增加時間確定性保障功能。并與P4編程相結合，允許用戶在模態編程中引入時間特征控制，如獲取模態數據的時間字段，編程配置模態數據的輸出調度隊列，控制模態數據進行冗余復制和消除處理等。通過確定性時間屬性的加持，確保用戶對時間屬性有較高要求的模態業務傳輸得到有效保障。
D）SDN控制器
通過SDN控制器對全網各個節點進行拓撲構建、為不同模態網絡提供在線編譯、配置和為節點加載和卸載模態行為功能，為時間確定性模態業務配置TSN相關屬性參數。
A）OpenBox平臺
混式模網的原型建構依然采用OpenBox平臺，包括端系統（含網卡）和交換設備。在基于原來軟件定義時間敏感網絡的基礎上，將硬件SDN交換功能流表與動作處理模塊替換為P4可編程模塊，增加P4編譯與配置。原有TSN屬性功能與配置功能依然保持。
B）混合多模態交互（待驗證）
擬構建一種混合多模態傳輸示例場景——將富文本頁面內的不同類型數據劃分到不同網絡模態進行交互傳輸。
在服務器一側構建WEB服務器，頁面內容包括HTML文本內容、圖片、音視頻和文件等4種不同類型數據。該四種類型數據分配通過4種不同模態網絡進行傳輸，其中文本內容采用IPv4模態，圖片采用IPv6模態，音視頻采用自定義標簽分發模態，文件采用自定義端口轉發鏈模態。在客戶端請求該網頁內容時，將首先通過文本內容的IPv4獲取全部HTML頁面內容，然后根據內容檢索，向其他幾個不同模態獲取各自所需要的數據。文件的內容由用戶點擊后觸發獲取。
在此驗證場景中，文本內容量小，對網頁構建至關重要，可以將該數據引入時間保障特性，確定及時響應，快速構建顯示頁面。音視頻內容對傳輸延時和抖動都有較高要求，可以走非IP化的單獨分發方式模態網絡進行傳輸。文件內容的實時性要求不高，并不需要實時保證，采用一種自定義模態的網絡傳輸使其以較小網絡開銷的方式下載到本地。既快速高效的下載了數據，又有效節約了網絡帶寬資源。
C）實時模態保障（移植中）
由于混合模態傳輸中文本傳輸延時要求高，故將其通過流表映射到TSN的最高優先級隊列。若要進一步提供可靠性，可將該數據開啟CB功能，由控制器下發CB指令和路徑規則到節點，實現模態數據的冗余復制和消除操作。
D）多模仿真驗證環境（等完善）
用軟件方式模擬不同網絡模態的行為交互（隨機生成網絡模態特征向量，生成隨機處理指令，并根據特征向量生成測試數據）。可用戶定義一個拓撲結構，并為不同節點賦能多種模態行為功能，然后構建不同模塊的測試數據，從不同節點位置輸入和輸出，用軟件計算測試數據每流經節點的內容，并將數據記錄保存。可通過保存數據分析不同模塊的處理行為是否正確，最終可將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內容與軟件仿真模擬的數據進行比對，驗證真實環境的模態行為是否完全正確。
A）確定性多模設備（可定制）
確定性多模設備支持交換設備與端網卡，設備形態和接口可根據用戶要求定制。目前可以支持的接口包括：1G、10G、40G和100G類型。FPGA和CPU可以用非國產與國產（復旦微、飛騰）。
B）確定性多模系統（待開發）
開發適配多模系統的相關驅動、內核模態處理應用和用戶模態處理應用。
C）確定性多模控制器（待開發）
自研輕量級SDN控制器，更好適配多模編譯、配置、加載與卸載、拓撲構建、TSN配置等功能。
原型驗證中的部分功能還尚未完成，未來規劃中的多模系統與控制器也只是初步規劃，具體實施思路與可行性分析已經完成。整個大環境還需要一定的時間開發和驗證，如果有感興趣的朋友，歡迎聯系我們(15116127200微信同號）。
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