胡宇翔，崔子熙，李子勇，董永吉，崔鵬帥，鄔江興

（信息工程大學(xué)信息技術(shù)研究所，河南 鄭州 450001）

0 引言

近年來，信息網(wǎng)絡(luò)已逐漸成為與國家發(fā)展、人民生活息息相關(guān)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，海量內(nèi)容獲取、高清視頻直播、低時(shí)延控制等新興業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)以變長分組交換、盡力而為傳送和TCP/IP 等為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)功能單一僵化，且對網(wǎng)絡(luò)體系的演進(jìn)式修補(bǔ)使系統(tǒng)工程復(fù)雜度失控，廣義安全危機(jī)凸顯，在應(yīng)對人-機(jī)-物大規(guī)模智能組網(wǎng)、全時(shí)空隨遇接入、服務(wù)性能可確保、安全性能可量化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證度量、網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)或分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等多元化應(yīng)用的靈活性/擴(kuò)展性、差異化/定制化服務(wù)、移動(dòng)性支持、全域運(yùn)維管理、安全可信等方面面臨諸多困境[1]。

為此，國內(nèi)外研究人員提出了以信息/內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)、地球剖分網(wǎng)絡(luò)、身份標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)等為代表的多種新型路由尋址技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并已經(jīng)在不同的網(wǎng)絡(luò)場景中得到部署，顯示出強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用價(jià)值。面向未來典型應(yīng)用場景需求，鄭秀麗等[2]對IP 技術(shù)進(jìn)行繼承式發(fā)展，提出了一種新型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系——NewIP，構(gòu)造未來網(wǎng)絡(luò)“新腰”。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（NDN,named data networking）[3]是一種基于內(nèi)容標(biāo)識的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”的通信模式構(gòu)建去IP 化的內(nèi)容分發(fā)邏輯。文獻(xiàn)[4]提出了一種面向多源信息采集的地理位置路由尋址機(jī)制，驗(yàn)證了位置信息編碼路由機(jī)制在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中的有效性。文獻(xiàn)[5]提出了一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)、存儲和計(jì)算新融合架構(gòu)，引入全網(wǎng)能耗度量解決多維資源容量分配問題，最終實(shí)現(xiàn)以信息內(nèi)容為中心的“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”通信模式。

面對“人-機(jī)-物”萬物智聯(lián)時(shí)代的多元化、個(gè)性化網(wǎng)絡(luò)能力需求，我國鄔江興院士[6]自主創(chuàng)新提出了“技術(shù)體系與支撐環(huán)境分離”的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展范式，將現(xiàn)有或?qū)淼母鞣N網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系以“網(wǎng)絡(luò)模態(tài)”的形態(tài)在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（PINE,polymorphic network environment）中動(dòng)態(tài)加載和運(yùn)行，按照模態(tài)自定義的軟硬件組態(tài)、報(bào)文格式、路由協(xié)議、交換方式、轉(zhuǎn)發(fā)邏輯、業(yè)務(wù)特點(diǎn)、運(yùn)維規(guī)范和安全策略等進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)模態(tài)在同一技術(shù)物理環(huán)境內(nèi)的共生共存、獨(dú)立演進(jìn)與變革，由多元化技術(shù)體系滿足垂直行業(yè)的多樣化需求。文獻(xiàn)[7]提出了多模態(tài)智慧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其運(yùn)行邏輯，支持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的全維可定義和各層功能的多模態(tài)呈現(xiàn)，為網(wǎng)絡(luò)智能化、多樣化、個(gè)性化、高穩(wěn)健性和高效率發(fā)展提供了一種解決方案。

在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展范式中，PINE 是支撐網(wǎng)絡(luò)模態(tài)共生共存、動(dòng)態(tài)并發(fā)、演進(jìn)變革融合的運(yùn)行邏輯和資源實(shí)體，它通過網(wǎng)絡(luò)全維可定義等技術(shù)手段和標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)功能即插即用接口，基于面向各種領(lǐng)域?qū)Ｓ玫能浻布Y源如多核、專用集成電路（ASIC,application specific integrated circuit）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA,field programmable gate array）等，構(gòu)建出可靈活定義和編排的網(wǎng)絡(luò)基線功能，并通過網(wǎng)絡(luò)基線元素再定義和服務(wù)自動(dòng)編排來靈活適配多元化網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的需求，從而為多模態(tài)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系提供柔性化組織的可靠“底座網(wǎng)絡(luò)”支撐。

本文從多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的上述目標(biāo)出發(fā)，提出基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)造技術(shù)。具體來說，本文工作主要包括以下2 個(gè)方面。

1) 在架構(gòu)設(shè)計(jì)層面，結(jié)合基于多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的垂直行業(yè)應(yīng)用方案，提出了一種基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)計(jì)，討論了多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)造的關(guān)鍵技術(shù)，為多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù)研究提供架構(gòu)支撐。

2) 在資源分配層面，針對多樣化網(wǎng)絡(luò)模態(tài)對網(wǎng)元內(nèi)異構(gòu)資源競爭的問題，提出了一種存算轉(zhuǎn)一體的異構(gòu)軟硬件資源分配方法，可根據(jù)模態(tài)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配和置換策略，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的高效利用。

1 多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)

1.1 基于多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的垂直行業(yè)應(yīng)用

面對確定性時(shí)延、低功耗等更加精細(xì)化的垂直行業(yè)應(yīng)用場景，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系表現(xiàn)出無所適從的窘境，只能通過虛擬專網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等方案作為過渡或者補(bǔ)充，很難從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力上滿足行業(yè)應(yīng)用需求。例如，在以微秒為量化單位的金融交易市場中，網(wǎng)絡(luò)通信的低時(shí)延意味著行情商能夠獲得更多的交易機(jī)會(huì)與更大的決策空間，需要設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)Ｓ玫腡CP/IP 引擎[8]。特別是在“摩爾定律”和“登納德縮比定律”陷入困境的今天，源于消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的IP 網(wǎng)絡(luò)無法單純地依靠增加各種傳輸資源擴(kuò)展傳輸帶寬、無節(jié)制堆砌軟硬件代碼量、提升CPU 性能來滿足產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新的發(fā)展要求[6]。

面對上述挑戰(zhàn)，多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提出構(gòu)建多樣化新型尋址路由技術(shù)及其工程實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧，支持在各個(gè)協(xié)議棧“通道”內(nèi)的數(shù)據(jù)協(xié)議格式、查表轉(zhuǎn)發(fā)方式、運(yùn)行組織邏輯等由網(wǎng)絡(luò)模態(tài)自定義處理，由多元化網(wǎng)絡(luò)模態(tài)承載復(fù)雜、定制化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)處理，支撐起網(wǎng)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)、位置敏感網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜的應(yīng)用場景，從根本上滿足網(wǎng)絡(luò)智慧化、多元化、個(gè)性化、高穩(wěn)健、高效能的業(yè)務(wù)需求。

基于多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的垂直行業(yè)應(yīng)用如圖1 所示[6]。在該方案中，多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境由多個(gè)多模態(tài)網(wǎng)元互聯(lián)而成，使各種網(wǎng)絡(luò)模態(tài)屏蔽底層異構(gòu)平臺的技術(shù)細(xì)節(jié)，向上支持多種模態(tài)在運(yùn)行時(shí)共生共存，既能實(shí)現(xiàn)多元網(wǎng)絡(luò)的智能、高效、安全一體化部署和管理，又能保障各類業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制自持發(fā)展、相互隔離。其中，多模態(tài)網(wǎng)元專注于網(wǎng)絡(luò)基線能力的提供，對網(wǎng)元設(shè)備內(nèi)部的計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等異構(gòu)軟硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一抽象，將不同的資源組合映射到網(wǎng)絡(luò)模態(tài)對應(yīng)的特定網(wǎng)絡(luò)功能。在初始化階段，多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境依據(jù)可用資源總量與模態(tài)能力請求求解最佳的資源分配，保障網(wǎng)絡(luò)多元化性能指標(biāo)；在運(yùn)行過程中，各模態(tài)之間的處理邏輯相互獨(dú)立、分配資源相互隔離，同時(shí)模態(tài)的資源配比依據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與業(yè)務(wù)流負(fù)載率的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖1 基于多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的垂直行業(yè)應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的智能加載和部署，多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境從協(xié)議處理靈活性和資源屬性2 個(gè)方面進(jìn)行支撐。

一方面，針對傳統(tǒng)網(wǎng)元設(shè)備的功能固化、協(xié)議不可定制等問題，面向各種網(wǎng)絡(luò)模態(tài)對協(xié)議解析和處理邏輯的深度可編程需求，進(jìn)行面向數(shù)據(jù)報(bào)文全域的可編程解析與處理，并通過規(guī)范的編程接口實(shí)現(xiàn)自定義的報(bào)文處理邏輯配置。在該方面，業(yè)界已經(jīng)開展了諸多工作，例如，Pat 等[9]推出可編程協(xié)議無關(guān)報(bào)文處理（P4,programming protocol-independent packet processors）語言，進(jìn)一步開放底層轉(zhuǎn)發(fā)流水線，通過統(tǒng)一的編程語言控制報(bào)文處理邏輯，支持網(wǎng)絡(luò)功能按需重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與物理設(shè)備的解耦。Broadcom 公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)編程語言同樣可用于定義和編譯其產(chǎn)品線中具有不同硬件架構(gòu)（如Trident 4 和Jericho 2）的可編程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[10]，提供一個(gè)編譯器驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)平面，具有高功能容量和功能并發(fā)性。

另一方面，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面的資源空間，將計(jì)算、存儲甚至安全相關(guān)處理資源引入多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，面向各種網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的定制化處理邏輯，協(xié)同調(diào)度各種軟硬件異構(gòu)資源實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)功能處理，將面向特定網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的流量計(jì)算處理/加密、內(nèi)容緩存等操作在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中卸載實(shí)現(xiàn)。在該方面，業(yè)界也已經(jīng)開展了諸多工作。Scholz 等[11]分別在3 個(gè)不同的P4 目標(biāo)平臺（CPU、SmartNIC、NetFPGA）中實(shí)現(xiàn)了一種加密哈希函數(shù)的原型方案，以減少針對哈希沖突的潛在攻擊。Mahmood等[12]基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完成一種面向NDN 的實(shí)施方案，通過網(wǎng)內(nèi)緩存機(jī)制實(shí)現(xiàn)交換節(jié)點(diǎn)的帶狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

1.2 基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)計(jì)

近年來，各種領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布映霾桓F，如面向高速報(bào)文處理的FPGA、面向可編程報(bào)文交換的ASIC、面向復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)功能邏輯的網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU,network processing unit），以及面向復(fù)雜報(bào)文處理的數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件（DPDK,data plane development kit）等。這些面向特定領(lǐng)域?qū)Ｓ玫能浻布δ芴厣黠@，適配領(lǐng)域聚焦，為面向特定應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)模態(tài)需求提供了更豐富的資源支撐。為了快速加載各種網(wǎng)絡(luò)模態(tài)、有效釋放端系統(tǒng)和應(yīng)用處理資源，需要將面向領(lǐng)域?qū)Ｓ玫母鞣N算力和緩存等資源部署至多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，形成計(jì)算存儲轉(zhuǎn)發(fā)一體化的多模態(tài)網(wǎng)元。例如，以內(nèi)容為中心的NDN 依賴一定的存儲空間對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行緩存，以便針對后續(xù)相同興趣報(bào)文進(jìn)行快速響應(yīng)[12]。因此，多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)造的核心就是設(shè)計(jì)基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)元，完成網(wǎng)元系統(tǒng)內(nèi)部的異質(zhì)資源的統(tǒng)一表征與置換，支持快速構(gòu)建面向給定網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的處理邏輯，為實(shí)現(xiàn)“支撐環(huán)境與技術(shù)體制分離”奠定基礎(chǔ)。

本文提出一種基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。該網(wǎng)元由高性能轉(zhuǎn)發(fā)功能模組、基于異構(gòu)軟硬加資源協(xié)同的軟件定義功能模組和網(wǎng)元邏輯配置模組組成。

圖2 基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)計(jì)方案

1) 高性能轉(zhuǎn)發(fā)功能模組構(gòu)建在基于ASIC 或網(wǎng)絡(luò)處理機(jī)（NP,network processor）的高性能可編程交換芯片之上，具備可編程的模態(tài)識別、協(xié)議解析和報(bào)文處理等功能，并對指定類型的網(wǎng)絡(luò)模態(tài)進(jìn)行標(biāo)記以及向后端軟件定義功能模組的數(shù)據(jù)分發(fā)，完成相應(yīng)的協(xié)議報(bào)文輸入/輸出功能。

2) 軟件定義功能模組由一系列面向網(wǎng)絡(luò)處理領(lǐng)域?qū)Ｓ玫漠悩?gòu)軟硬件資源組成，如各種CPU、FPGA、ASIC 器件等。這些異構(gòu)軟硬件資源經(jīng)內(nèi)部物理鏈路與硬件轉(zhuǎn)發(fā)功能模組互通。各功能實(shí)例是由網(wǎng)絡(luò)模態(tài)依據(jù)特定策略定義的模態(tài)處理邏輯，能夠靈活組合平臺資源以完成特定的流處理機(jī)制。該模組中，調(diào)度模塊用于統(tǒng)一管理計(jì)算存儲轉(zhuǎn)發(fā)資源，通過資源隔離技術(shù)使同一功能實(shí)例服務(wù)于多種模態(tài)流水線。

3) 網(wǎng)元邏輯配置模組用于承載多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)編譯套件，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模態(tài)需求完成網(wǎng)元系統(tǒng)內(nèi)部異構(gòu)資源的協(xié)同編譯，并將資源處理邏輯配置到軟硬件功能模組中。在網(wǎng)元運(yùn)行過程中，該模組監(jiān)視各功能實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)和資源利用率，并對資源協(xié)同處理邏輯進(jìn)行動(dòng)態(tài)編譯和配置。

可以看出，多模態(tài)網(wǎng)元中各種網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的構(gòu)建過程是一種面向異構(gòu)軟硬件資源的協(xié)同調(diào)度和組合過程，所有網(wǎng)絡(luò)基線能力都已融入模態(tài)處理流水線邏輯中，它與目前網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)中的服務(wù)功能鏈編排有著本質(zhì)不同。

2 多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于高級抽象模型的網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)

基于高級抽象模型的網(wǎng)絡(luò)開放可編程技術(shù)及多元化異構(gòu)平臺技術(shù)的發(fā)展，為構(gòu)造異構(gòu)資源一體化編譯的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了重要支撐?，F(xiàn)有可編程的各種處理平臺包括CPU、ASIC、FPGA、NP等，在成本、功耗、吞吐量、靈活度、功能性等方面各有優(yōu)勢，豐富了網(wǎng)絡(luò)功能向數(shù)據(jù)平面卸載的載體對象。為了實(shí)現(xiàn)編程標(biāo)準(zhǔn)化，P4 僅僅定義出“匹配+動(dòng)作”的流水線模型，允許各平臺在抽象的協(xié)議無關(guān)交換架構(gòu)（PISA,protocol independent switch architecture）概念之上構(gòu)建具體的、與底層架構(gòu)耦合的單元布局[13]。雖然這種語言設(shè)計(jì)可以靈活地適應(yīng)一系列目標(biāo)平臺，但也使數(shù)據(jù)平面針對報(bào)文的操作原語限定于字段修改、協(xié)議重組等基本轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)增加了編寫、組織和重構(gòu)多模態(tài)功能程序的難度[14]。

多模態(tài)網(wǎng)元將用戶編程的維度由“匹配+動(dòng)作”擴(kuò)展至計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等多個(gè)維度，本質(zhì)上是一種面向模態(tài)的新型輕量級的“異質(zhì)編程架構(gòu)”，將該架構(gòu)抽象出通用的高級語言表示，對異構(gòu)的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源組合、重構(gòu)和編排等提供了細(xì)粒度的操作原語和交互接口。其核心思想是將報(bào)文處理流程提煉為功能邏輯本質(zhì)，并從硬件層結(jié)構(gòu)中抽象出來。在可定義的粒度方面，既支持用戶定義完整的控制模塊實(shí)現(xiàn)特定網(wǎng)絡(luò)功能，又支持各功能模塊之間通過良好的接口交互元數(shù)據(jù)信息；在可定義的靈活性方面，既支持常用的、平臺提前定義的函數(shù)功能和代碼庫，又支持將用戶自定義的計(jì)算/存儲/安全操作以外部擴(kuò)展對象進(jìn)行調(diào)用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的智能生成與部署

在多資源共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可移植性、可擴(kuò)展性和組合性問題從根本上破壞了大規(guī)模可編程網(wǎng)絡(luò)的可管理性，網(wǎng)絡(luò)模態(tài)加載容易陷入無休止的程序重構(gòu)和硬件配置[15]。針對網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的生成、部署與隔離，需要形成標(biāo)準(zhǔn)的多平臺協(xié)同編譯工作流，向上屏蔽冗余的底層硬件細(xì)節(jié)，降低網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜度。

為了構(gòu)建高效的計(jì)算存儲轉(zhuǎn)發(fā)一體化編譯工作環(huán)境，PINE 全面推進(jìn)異構(gòu)資源平臺的硬件抽象描述及配套的編譯套件，支持網(wǎng)絡(luò)模態(tài)功能快速、按需加載至異構(gòu)平臺。面向異構(gòu)軟硬件資源的網(wǎng)絡(luò)模態(tài)編譯流程如圖3 所示，編譯套件接受以下3 個(gè)方面的信息作為輸入：1) 基于高級網(wǎng)絡(luò)編程的模態(tài)程序（2.1 節(jié)）；2) 異構(gòu)平臺配置信息；3) 特定網(wǎng)絡(luò)功能與目標(biāo)平臺的映射關(guān)系。前端編譯模組由輸入生成一個(gè)上下文感知的中間表示，其中包括指令依賴性、部署約束等重要信息。后端編譯模組將上述中間表示編碼為可滿足性模理論（SMT,satisfiability modulo theory）下的各種約束，通過對一組約束進(jìn)行求解，最終分別獲得各模態(tài)在異構(gòu)功能平臺的流水線配置。

圖3 面向異構(gòu)軟硬件資源的網(wǎng)絡(luò)模態(tài)編譯流程

在根據(jù)平臺相關(guān)的后端編譯器生成初始化配置之后，多模態(tài)網(wǎng)元操作系統(tǒng)通過容器化技術(shù)將自定義流水線加載至對應(yīng)的承載平臺。因此，單個(gè)模態(tài)功能的重構(gòu)不會(huì)對系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性構(gòu)成影響，服務(wù)維護(hù)與升級能夠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，不影響底層網(wǎng)絡(luò)流量的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 多樣化異構(gòu)軟硬件資源的可編程調(diào)度與互聯(lián)

在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)備可通過動(dòng)態(tài)編程、重構(gòu)等構(gòu)造方式，實(shí)現(xiàn)特定功能的模態(tài)實(shí)現(xiàn)。在此過程中，多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)備需協(xié)同調(diào)度內(nèi)部的計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)甚至是安全處理等資源，通過對資源的狀態(tài)進(jìn)行細(xì)粒度感知，在異構(gòu)資源間形成可編程的調(diào)度和互聯(lián)通道，從而構(gòu)建出滿足模態(tài)需要的數(shù)據(jù)處理邏輯。構(gòu)建上述可編程互聯(lián)通道的基礎(chǔ)，不是各種異構(gòu)資源間使用傳統(tǒng)的固定線路連接方式，而是采用可編程的方式構(gòu)建靈活、動(dòng)態(tài)的連接通道，通過在資源間流轉(zhuǎn)帶有標(biāo)識的報(bào)文來滿足消息交互需求。

為此，多模態(tài)網(wǎng)元配置模組向硬件轉(zhuǎn)發(fā)功能模組配置路由，通過軟件定義功能模組的互聯(lián)通道完成復(fù)雜的報(bào)文處理邏輯。如圖4 所示，各異構(gòu)資源之間可編程互聯(lián)機(jī)制通過封裝數(shù)據(jù)報(bào)頭的方式體現(xiàn)。當(dāng)報(bào)文到達(dá)后，各資源實(shí)體根據(jù)報(bào)頭語義進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成后更新報(bào)頭內(nèi)容傳遞給下一個(gè)資源實(shí)體進(jìn)行后續(xù)處理。該機(jī)制的優(yōu)勢在于可以通過定義報(bào)頭格式引入新的控制語義，以適應(yīng)資源實(shí)體的替換，支撐節(jié)點(diǎn)功能的改變。

多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)備通過構(gòu)建靈活可變的異構(gòu)資源連接關(guān)系，使網(wǎng)絡(luò)模態(tài)在安裝部署時(shí)只需要關(guān)注所需資源的類型、能力等，而不再受平臺靈活性限制，甚至可以動(dòng)態(tài)調(diào)整資源的配置狀態(tài)，增加或刪減平臺內(nèi)部資源，從而實(shí)現(xiàn)模態(tài)的動(dòng)態(tài)、靈活部署。

2.4 融合異構(gòu)資源的內(nèi)生安全數(shù)據(jù)流處理

PINE 充分實(shí)踐“軟件定義”的思想來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面功能的全維可定義，但數(shù)控分離與網(wǎng)絡(luò)可編程給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境帶來了新的安全問題——開放的技術(shù)組件堆疊極易導(dǎo)致網(wǎng)元設(shè)備遭到軟硬件漏洞、故障導(dǎo)致的蓄意攻擊，無法提供正常的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。為此，多模態(tài)網(wǎng)元從報(bào)文流水線層面引入內(nèi)生安全構(gòu)造技術(shù)[16]，針對單個(gè)模態(tài)流水線任務(wù)的關(guān)鍵功能，在保持功能等價(jià)的條件下分別在多個(gè)異構(gòu)平臺上構(gòu)建冗余執(zhí)行體；在此基礎(chǔ)上，通過負(fù)反饋控制機(jī)制賦予執(zhí)行體結(jié)構(gòu)表征的不確定性，以抵御開放式產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境下的已知/未知漏洞、后門，為多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的長效運(yùn)行提供穩(wěn)固保障。

圖5 展示了融合異構(gòu)資源的內(nèi)生安全數(shù)據(jù)流處理模型，主要包括解析分發(fā)器、逆解析裁決器、單模態(tài)流水線結(jié)構(gòu)、負(fù)反饋控制器等模塊。其中，解析分發(fā)器、逆解析裁決器均對應(yīng)于多模態(tài)網(wǎng)元的高性能轉(zhuǎn)發(fā)功能模組，而負(fù)反饋控制器對應(yīng)于多模態(tài)網(wǎng)元邏輯配置模組。該模型將網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的功能部署到不同的軟硬件資源上，從而構(gòu)建出多條處理邏輯完全相同的模態(tài)處理流水線。在數(shù)據(jù)流進(jìn)入多模態(tài)網(wǎng)元后，解析分發(fā)器根據(jù)負(fù)反饋控制指令（即內(nèi)部處理邏輯控制）將解析后的數(shù)據(jù)分發(fā)至多個(gè)流水線。每個(gè)流水線完成對報(bào)文處理流程后，逆解析裁決器再次對報(bào)文進(jìn)行整合，依出端口配置轉(zhuǎn)發(fā)流量。

圖5 融合異構(gòu)資源的內(nèi)生安全數(shù)據(jù)流處理模型

在上述過程中，若逆解析裁決器發(fā)現(xiàn)某一流水線發(fā)生非正常擾動(dòng)，則報(bào)告至負(fù)反饋控制器。負(fù)反饋控制器根據(jù)裁決結(jié)果對流水線資源池中輸出結(jié)果異常的流水線進(jìn)行清洗，并上報(bào)至控制器完成進(jìn)一步的模態(tài)重構(gòu)機(jī)制。因此，基于動(dòng)態(tài)異構(gòu)冗余的融合異構(gòu)資源的內(nèi)生安全數(shù)據(jù)流處理機(jī)制，從根本上抑制了抑制隨機(jī)性失效和人為蓄意擾動(dòng)，構(gòu)建了“高可靠、高可信、高可用”的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3 異構(gòu)軟硬件資源分配方法

在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，針對多元化業(yè)務(wù)構(gòu)建的模態(tài)流水線，其資源需求呈現(xiàn)差異化特征。具體到單個(gè)多模態(tài)網(wǎng)元中，相同的物理資源在多種模態(tài)配置之間可能存在競爭關(guān)系。例如，多核CPU 平臺執(zhí)行基于哈希加密函數(shù)的計(jì)算任務(wù)和基于深度報(bào)文檢測的字符搜索任務(wù)時(shí)均消耗大量的內(nèi)存資源。對于任意軟件功能實(shí)例，構(gòu)建不同模態(tài)流水線的所需計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)功能容量均不能超越片上資源總和。因此，給定資源總量，多模態(tài)網(wǎng)元需針對網(wǎng)絡(luò)模態(tài)對異質(zhì)資源的需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)、高效的資源分配。

3.1 多模態(tài)網(wǎng)元資源分配建模

多模態(tài)網(wǎng)元v所能提供的物理資源集合可表示為Av，其中，在多模態(tài)網(wǎng)元v中內(nèi)嵌類型r的資源集合為,?r∈Av。以計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)（網(wǎng)絡(luò)）資源為例，為建模方便，這里將異質(zhì)異構(gòu)的同類型資源視作等效的，則多模態(tài)網(wǎng)元v中資源圖譜可以抽象為，其中，分別表示計(jì)算資源、存儲資源、轉(zhuǎn)發(fā)資源。不同模態(tài)間的資源保障根據(jù)不同類型資源（計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等）提供多種資源組合調(diào)度方案，這里假設(shè)模態(tài)i存在m種資源決策，其 中，表示每種資源決策均可保障模態(tài)正常提供服務(wù)所需要的計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等組合資源。表示模態(tài)i是否選擇第m個(gè)資源保障方案

針對多模態(tài)網(wǎng)元的資源約束條件如下。

1) 所有模態(tài)的計(jì)算資源不超過網(wǎng)元的最大計(jì)算能力，包括運(yùn)行模態(tài)運(yùn)維邏輯需要的計(jì)算資源和處理對應(yīng)模態(tài)業(yè)務(wù)所需要的計(jì)算資源。

2) 所有模態(tài)的存儲資源不超過網(wǎng)元的存儲資源，包括運(yùn)行模態(tài)運(yùn)維邏輯需要的存儲資源和處理對應(yīng)模態(tài)業(yè)務(wù)所需要的存儲資源。

上述約束條件具體可表示為

其中，(t)表示模態(tài)服務(wù)請求到達(dá)率，k表示相應(yīng)的業(yè)務(wù)，表示模態(tài)i服務(wù)業(yè)務(wù)請求k所需要的計(jì)算資源，表示模態(tài)i服務(wù)業(yè)務(wù)請求k所需要的存儲資源。式(2)和式(3)相加的因子中前者是運(yùn)行模態(tài)運(yùn)維邏輯需要的計(jì)算資源和存儲資源，后者是處理對應(yīng)模態(tài)業(yè)務(wù)所需要的計(jì)算資源和存儲資源。

這里，以模態(tài)的處理時(shí)延作為衡量模態(tài)服務(wù)性能的一個(gè)指標(biāo)，每個(gè)模態(tài)的服務(wù)請求到達(dá)率為λi(t)，在多模態(tài)網(wǎng)元中，各模態(tài)的服務(wù)請求相互獨(dú)立。應(yīng)用Little 原理[17]，模態(tài)i的服務(wù)處理時(shí)延為

本文將多模態(tài)網(wǎng)元看作一個(gè)計(jì)算-存儲-轉(zhuǎn)發(fā)融合的系統(tǒng)，其運(yùn)維成本和服務(wù)性能由其內(nèi)嵌的異質(zhì)異構(gòu)的計(jì)算資源、存儲資源、轉(zhuǎn)發(fā)資源的融合協(xié)調(diào)能力綜合體現(xiàn)。需要特別說明的是，網(wǎng)絡(luò)中的存儲、計(jì)算與轉(zhuǎn)發(fā)資源具備能力補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，例如，緩存在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或位置的部署策略，以及緩存的存取速率和容量，均會(huì)對相關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)資源開銷產(chǎn)生影響；同樣，計(jì)算資源的部署位置和能力也會(huì)對轉(zhuǎn)發(fā)資源產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)發(fā)策略的不同也會(huì)導(dǎo)致不同帶寬的流量被分配到具備差異化計(jì)算能力的資源上。因此，網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的資源分配情況不僅會(huì)在業(yè)務(wù)流量變化時(shí)調(diào)整，也會(huì)在異構(gòu)資源間置換時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

綜上，本文通過分析計(jì)算-存儲-轉(zhuǎn)發(fā)資源的內(nèi)在轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)資源的一體化調(diào)度研究多模態(tài)網(wǎng)元系統(tǒng)的效用函數(shù)和服務(wù)性能，其優(yōu)化目標(biāo)旨在確定多模態(tài)網(wǎng)元中所有模態(tài)的資源保障決策變量，在保證確保模態(tài)業(yè)務(wù)時(shí)延約束的同時(shí)盡可能減少網(wǎng)絡(luò)資源消耗。其中，資源消耗和計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的資源使用量有關(guān)，可表示為。因此，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可表示為

3.2 算法描述

多樣化網(wǎng)絡(luò)模態(tài)的共生共存，本質(zhì)上是NP 難問題。隨著模態(tài)業(yè)務(wù)規(guī)模的增加，如何在較短時(shí)間內(nèi)得到最優(yōu)解是需要考慮的問題。本文設(shè)計(jì)面向多模態(tài)業(yè)務(wù)流的計(jì)算-存儲-轉(zhuǎn)發(fā)一體化資源優(yōu)化算法Integrated-CSN，該算法借助模擬退火算法[18]進(jìn)行模型求解，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：初始溫度T0為900 K，終止溫度Tend為1 K，迭代次數(shù)N為80，降溫速度R為每80 次降溫0.95 K。需要說明的是，本文重點(diǎn)關(guān)注的是如何對多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的異構(gòu)軟硬件資源進(jìn)行分配建模，求解算法并不局限于本文所采用的算法，也可采用其他求解邏輯或數(shù)據(jù)空間不同的算法，如粒子群算法、增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法等。

Integrated-CSN 算法流程如下。

1) 初始資源分配策略

Integrated-CSN 算法首先產(chǎn)生初始的資源分配策略φinit。Integrated-CSN 算法的求解速率與初始狀態(tài)有關(guān)，部署時(shí)的初始解設(shè)置為針對每種模態(tài)運(yùn)維邏輯隨機(jī)選擇一種資源保障方案，每種模態(tài)的業(yè)務(wù)處理資源初始權(quán)重設(shè)為平均分配。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)再次改變時(shí)，Integrated-CSN 算法的初始資源分配策略即上一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的穩(wěn)定解。

2) 新的資源分配策略的產(chǎn)生

Integrated-CSN 算法的求解迭代速率取決于新的資源分配策略的產(chǎn)生方式，由于解空間的維度較多，傳統(tǒng)的完全隨機(jī)產(chǎn)生新解方式效率較低。為了提高求解效率，這里針對Integrated-CSN 算法的優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種新的搜索策略，每次產(chǎn)生新解僅針對一種模態(tài)隨機(jī)選擇一種保障方案，同時(shí)，為了保障每種模態(tài)的服務(wù)質(zhì)量，根據(jù)模態(tài)業(yè)務(wù)流的處理時(shí)延為每種模態(tài)分配相應(yīng)的權(quán)重值，每個(gè)模態(tài)的權(quán)重是相對，每個(gè)模態(tài)權(quán)重的比值作為模態(tài)處理業(yè)務(wù)的計(jì)算資源的分配方案。

3) 按Metropolis 準(zhǔn)則接受新解

Integrated-CSN 算法基于模擬退火算法，按照Metropolis 準(zhǔn)則[18]判斷新解是否應(yīng)該接受。該解的接受概率為

Integrated-CSN 算法通過改進(jìn)模擬退過算法來求解最優(yōu)的資源調(diào)度策略，算法運(yùn)行過程中，在每個(gè)溫度下運(yùn)行N次，根據(jù)步驟2)中設(shè)計(jì)的搜索策略產(chǎn)生隨機(jī)解，并按Metropolis 準(zhǔn)則以一定概率接受新解，防止陷入局部最優(yōu)解，當(dāng)算法溫度降至Tend以下時(shí)，輸出搜索的最優(yōu)的資源分配策略。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源量設(shè)為2 000 MIPS（每秒執(zhí)行百萬指令數(shù)），存儲資源量設(shè)為10 TB，交換帶寬容量設(shè)為1 Gbit/s。網(wǎng)元內(nèi)部支持3 種模態(tài)數(shù)據(jù)處理邏輯，參照網(wǎng)絡(luò)中一些典型的服務(wù)功能參數(shù)[19]對每種模態(tài)數(shù)據(jù)處理邏輯的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：每種模態(tài)數(shù)據(jù)處理邏輯所需計(jì)算資源為20～80 MIPS，存儲資源設(shè)置為1～100 GB。為了體現(xiàn)算法靈活調(diào)度資源的能力，實(shí)驗(yàn)過程中，隨機(jī)產(chǎn)生服務(wù)請求強(qiáng)度范圍為200～2 200 個(gè)，各模態(tài)業(yè)務(wù)量比例按3:2:1 注入網(wǎng)元，每個(gè)模態(tài)業(yè)務(wù)請求的計(jì)算資源在2～8 MIPS 服從均勻分布，請求帶寬在0.4～0.7 Mbit/s 服從均勻分布，請求存儲資源在0.5～5 GB 服從均勻分布。

4.2 對比方案

Static-CSN[20]是一種靜態(tài)的資源分配算法，參照基于容器的操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)預(yù)先分配固定資源給每種模態(tài)以實(shí)現(xiàn)物理資源隔離，這里網(wǎng)元內(nèi)部計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)資源均平均分配，不會(huì)隨網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變而改變。

DRF-CSN[21]針對每種模態(tài)的主導(dǎo)資源執(zhí)行DRF（dominant resource fairness）算法（DRF 是一種通用的多資源的max-min fairness 分配策略），支持異構(gòu)環(huán)境下多種類型資源的調(diào)度。其核心思想是一個(gè)模態(tài)的資源分配由該模態(tài)的主導(dǎo)資源（或計(jì)算或存儲或帶寬）決定。

Integrated-CSN 是本文提出的計(jì)算存儲轉(zhuǎn)發(fā)資源的一體化調(diào)度算法，同時(shí)對計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)資源進(jìn)行聯(lián)合分配和置換優(yōu)化。

4.3 仿真結(jié)果

本文針對異構(gòu)資源融合系統(tǒng)中的多資源分配算法進(jìn)行對比，記錄網(wǎng)元的平均處理時(shí)延和網(wǎng)元資源開銷，仿真結(jié)果如下。

1) 不同服務(wù)請求強(qiáng)度測試

不同服務(wù)請求強(qiáng)度下3 種算法性能對比如圖6所示。從圖6(a)可以看出，所提Integrated-CSN 算法的網(wǎng)元平均處理時(shí)延最小，DRF-CSN 次之，Static-CSN 的平均處理時(shí)延最大。當(dāng)服務(wù)請求強(qiáng)度較小時(shí)，3 種資源保障方案的平均處理時(shí)延差距較小。隨著服務(wù)請求強(qiáng)度的增加，Static-CSN 由于其采用資源平均分配，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求強(qiáng)度的改變而變化，當(dāng)每種模態(tài)達(dá)到資源瓶頸時(shí)，其平均處理時(shí)延隨著服務(wù)強(qiáng)度增大而快速增加。DRF-CSN算法對每種模態(tài)的主導(dǎo)資源（計(jì)算資源或存儲資源或轉(zhuǎn)發(fā)資源）分別展開資源優(yōu)化分配，相較于Static-CSN，減少了處理時(shí)延，但其難以更好地適應(yīng)不同模態(tài)的業(yè)務(wù)強(qiáng)度從而有針對性地部署資源。Integrated-CSN 通過計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)資源的聯(lián)合優(yōu)化，通過不同資源的融合彌補(bǔ)，可實(shí)現(xiàn)各模態(tài)的最佳資源保障，降低了平均處理時(shí)延。

圖6 不同服務(wù)請求強(qiáng)度下3 種算法性能對比

從圖6(b)中可以看出，隨著服務(wù)請求強(qiáng)度的增加，3 種算法的資源開銷都在升高。Static-CSN 采用固定的資源保障策略，不能隨模態(tài)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整資源，其資源開銷較高。DRF-CSN 雖然能較大限度地滿足模態(tài)業(yè)務(wù)主導(dǎo)資源的需求，但仍會(huì)造成其他資源的利用率較低，其資源開銷也偏高。Integrated-CSN 可根據(jù)模態(tài)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)選擇多種資源保障策略，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲資源和轉(zhuǎn)發(fā)資源的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，其資源利用率最高，因此，相同的業(yè)務(wù)量其資源開銷最小。

2) 相同服務(wù)請求強(qiáng)度對比

相同服務(wù)請求強(qiáng)度下3 種算法性能對比如圖7所示。實(shí)驗(yàn)過程中，在每一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，向網(wǎng)元注入的服務(wù)請求總數(shù)相等，但各模態(tài)業(yè)務(wù)比例隨機(jī)變化。從圖7 中可以看出，相同的業(yè)務(wù)強(qiáng)度下，Integrated-CSN 算法的平均處理時(shí)延和資源開銷最低。Static-CSN 和DRF-CSN 算法的時(shí)延較高且抖動(dòng)較大，這是由于Static-CSN 采用固定的資源分配難以保障不同模態(tài)業(yè)務(wù)的資源需求，導(dǎo)致網(wǎng)元性能不穩(wěn)定，造成較大的資源開銷；DRF-CSN 以模態(tài)主導(dǎo)資源為依據(jù)在一定程度上可均衡網(wǎng)元資源，適應(yīng)模態(tài)業(yè)務(wù)變化，但當(dāng)某一模態(tài)業(yè)務(wù)量占比較大時(shí)，其仍會(huì)導(dǎo)致其他資源的瓶頸效應(yīng)。Integrated-CSN 算法可以根據(jù)不同模態(tài)的業(yè)務(wù)量對計(jì)算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)資源聯(lián)合優(yōu)化，能更充分地利用資源，保障了各模態(tài)處理時(shí)延需求的同時(shí)，降低了資源開銷。

圖7 相同服務(wù)請求強(qiáng)度下3 種算法性能對比

5 結(jié)束語

以“技術(shù)體系與支撐環(huán)境分離”的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展范式為指導(dǎo)，本文圍繞基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)造技術(shù)開展研究。首先，對面向領(lǐng)域?qū)Ｓ玫母鞣N異構(gòu)存儲、計(jì)算、轉(zhuǎn)發(fā)資源進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)、利用和組合，從基于多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的垂直行業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)，提出了一種基于領(lǐng)域?qū)Ｓ密浻布f(xié)同的多模態(tài)網(wǎng)元設(shè)計(jì)方案，討論了多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)造關(guān)鍵技術(shù)，為多元化網(wǎng)絡(luò)模態(tài)共生共存提供環(huán)境架構(gòu)設(shè)計(jì)支撐。之后，針對多樣化網(wǎng)絡(luò)模態(tài)對網(wǎng)元內(nèi)異構(gòu)資源競爭的問題，提出了一種存算轉(zhuǎn)一體的異構(gòu)軟硬件資源分配方法，可根據(jù)模態(tài)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配和置換策略，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的高效利用。