存轉算一體的多模態網絡共性平臺技術研究

董永吉 胡宇翔 崔鵬帥

摘要：面向多模態網絡需求，提出了一種存轉算一體化的數據平面共性網絡平臺，并介紹了該平臺的框架組成及關鍵技術。通過軟硬件協同、異構融合的設計優勢，該平臺充分發揮了數據平面的靈活性與可擴展性，支持多樣化業務可定義的轉發和處理，滿足多模態網絡發展中存儲、轉發與計算融合的需求。

關鍵詞：多模態網絡;可編程數據平面;異構融合

Abstract： For the multimodal network requirements， a data plane platform integrating storage， forwarding， and computing is proposed， and the framework composition and key technology are introduced . The platform further releases the flexibility and scalability of the data plane through the coordination of software processing and hardware processing . The advantages of heterogeneousness and integration support di? versified network applications with definable forwarding and processing， which can cope with the urgent needs of integration of storage， for? warding， and computing in the polymorphic networks .

Keywords： polymorphic network; programmable data plane; heterogeneous fusion

當前互聯網發展進入了新時代，隨路計算、確定性網絡、低時延網絡等新型網絡技術的出現加速了工業生產、社會生活與網絡的深層次融合。當前互聯網的基礎架構與技術體系，在智慧化、多元化、個性化、高魯棒、高效能等方面面臨重大挑戰，亟須變革網絡基礎架構并構建全維可定義的多模態智慧網絡[1]。

然而，傳統單一面向盡力而為轉發功能的網元設備結構，既無法滿足5G、物聯網等的業務流量多樣化處理需求，也無法滿足低時延網絡、確定時延網絡等細粒度服務需求，以及網絡新業務的快速部署，更無法支持網絡體系創新，所以網元設備的困局成為網絡發展的瓶頸[2]。

為了應對這一挑戰，學術界和工業界不斷推出新技術和新理念。 2008年，斯坦福大學提出了軟件定義網絡（SDN）及 OpenFlow 技術[3]，將傳統剛性封閉網元設備結構中的數據平面與控制平面解耦。分離出的應用平面和控制平面通過編程化來應對不同場景的需求，并采用標準化的 OpenFlow 協議對網元設備進行配置和管理，提升了網絡管控的靈活性，一定程度上增強了部署新業務的能力。但由于 OpenFlow 協議定義能力有限，導致為了支持新協議或新業務，該協議需要向下兼容地擴展內容。于是該協議從最早的1.0版本的12個匹配域，不斷擴充到1.5版本的45個匹配域。這種剛性補丁擴容式的協議支持方式，無法滿足靈活可定義的新協議需求。同時，每一次協議版本的升級和擴展，都會導致數據平面和控制平面設備的重新研制。這樣一來，新技術的應用時間和開發成本則無法有效縮減。

針對 SDN 數據平面網元設備協議處理可擴展性差的問題，協議無關轉發（POF）研究引起業內的廣泛關注， POF[4]、? P4語言及協議無關的交換機架構（PISA） [5]先后被提出。其中， P4具有與協議無關、可重配置性和平臺無關性三大特點，緩解了 SDN 編程能力不足以及可拓展性差的狀況。尤其是數據平面的可編程性，推動了虛擬擴展局域網（VxLAN）、基于用戶數據報協議（UDP）的低時延的互聯網傳輸層協議（QUIC）、網絡帶內遙測等新協議與功能的快速定制與部署，但 P4技術規范[6]僅僅描述了數據轉發的模型。雖然支持面向轉發的功能可定義，但仍無法滿足數據包的存儲、轉發、計算協同處理復雜場景應用需求。因此，為了提供更好的網絡傳輸服務，業界開始在數據平面上整合現場可編程門陣列（FPGA）、圖形處理器（GPU）等異構加速單元[7]，通過本地的硬件加速技術實現業務功能的卸載，通過網元實現數據的加速，從而實現整個網絡性能和服務質量。

雖然數據平面在硬件可編程方面不斷發展，但網元設備的設計卻依舊停留在封閉結構上，沒有發揮可編程硬件靈活可擴展的能力。針對此，底層可編程硬件與上層軟件功能和管理配置解耦的白盒結構被廣泛采納。白盒設備的硬件兼容多種轉發芯片的接口，并遵循開放計算項目（OCP）標準化規范設計。同時，軟件的平臺操作系統及承載的各種網絡應用也采用規范化的接口，實現底層硬件與軟件的獨立設計。例如，微軟打造的開源網絡交換機操作系統 SONIC[8]，采用的交換機抽象接口（SAI），解耦了軟硬件的實現細節，但是該系統接口與協議緊耦合，無法適配和部署新的業務。為了解決這個問題，谷歌提出了 Stratum 系統[9]，旨在配合硬件的可編程特性，實現一個完全可編程的數據平面網元設備。為此，該系統集成了一個協議無關轉發接口 P4Runtime，在開放網絡操作系統（ONOS）控制器的管理下，可以靈活轉發部署新型協議;但是當前網元操作系統僅可以實現對交換芯片的抽象，硬件異構的加速單元沒有納入其管理范疇。

與此同時，為了更好地支持數據平面的可編程，業界開展了多種編譯器的研究工作，尤其針對交換芯片、FPGA 或軟件交換機的 P4語言編程，以及多種異構芯片的整體硬件編譯方法設計[10]。? Intel 公司的tonifo芯片[11]支持基于商用的軟件開發環境（SDE）開發，但是由于其不開源的特性，無法支持用戶可擴展的、定制化的功能編譯。在基于 FPGA 的編譯器及結構設計方面，業界提出了多種解決方案[12-13]，但這些方案主要集中在轉發功能的實現上，沒有充分利用 FPGA 的可編程特性。另外，面向交換機軟件模型（BMv2）的軟件編譯結果限于性能瓶頸[14]，無法直接應用于高速流量場景。而當一個網元設備同時包含多樣的可編程目標器件時，由于缺乏一個統一調度的協同編譯環境，編譯器無法有效糅合異構資源的優勢，因此不能達到高效、靈活的編譯效果。

1多模態網絡的提出

針對現有網絡架構存在的結構僵化、IP 單一承載、難以抑制未知威脅等問題，我們從網絡構造的角度來提升網絡的功能、性能、效能、安全等，將“結構可定義”貫穿網絡的各個層面。鄔江興院士提出了一種網絡各層功能多模態呈現的網絡架構——全維可定義的多模態智慧網絡（PINet） [2]。PINet是一種技術體制與物理平臺分離的網絡發展范式，如圖 1所示，PINet將各種網絡技術體制以模態的形式在多模態網絡環境上動態加載并運行，按照模態自定義的報文格式、路由協議、交換方式、轉發邏輯等進行處理，實現多種模態在同一物理網絡平臺上的共存、演進或變革發展。

在多模態網絡邏輯框架中，多模態網絡環境是多模態網絡的核心，而網元設備是支撐多模態網絡環境的基石。然而，當前網元設備卻無法滿足多模態網絡環境的構建需求。因此，我們需要一個共性平臺來重新整合數據平面中存儲、轉發和計算，支持自定義模態報文的解析、轉發及交換處理。

2多模態網絡共性平臺的技術特征

為應對新協議和應用部署的挑戰，推動新型網絡結構的演進發展，網元設備需要提供靈活可擴展、高性能和安全的服務支撐。本文梳理出面向存轉算一體化的數據平面共性網絡平臺的技術特征，如圖2 所示。

（1）新型標識和報文的自定義解析與處理

面向定制化、個性化服務承載的需求，共性網絡平臺需要支持用戶自定義接入標識結構和數據報文結構，并按照自定義邏輯進行報文處理，進而支撐傳輸協議、尋址路由等的全維度可定義。其中，尋址路由體現為基于互聯網協議（IP）、身份、內容、地理空間等標識的多種尋址路由方式與機制，傳輸協議體現為面向功能、場景、業務等需求的各種網絡協議。通過支持各種新型網絡機制的互聯互通、協同組合，可以提高網絡服務的多元化能力和對于用戶需求的個性化適應能力。

（2）存儲、轉發與計算一體設計

網絡超融合、邊緣計算、隨路計算等日益多樣化的業務功能需求對共性網絡平臺提出了更大的挑戰。在滿足共性網絡平臺支持靈活轉發能力的基礎上，在數據平面引入存儲、轉發與計算一體的、可定義的復合流水線結構設計，實現存儲、轉發、計算3種資源在數據轉發的過程中靈活組合、調用，適配不同應用場景下特質化的處理需求。

（3）內生安全構造

在由內生安全構造的共性網絡平臺中，“動態異構冗余”的設計思想已被引入數據平面。該平臺以異構處理組件構成的元功能池為基礎，生成多種等價異構執行體，并通過多模裁決和負反饋調度機制，實現內生防御的安全機制，以應對平臺在軟硬件設計過程中不可避免的后門及漏洞等安全威脅。該平臺能夠有效抵御各種病毒/木馬等已知或未知的威脅，并通過將網絡空間安全能力由“外掛”轉變為“內生”，從而實現“高可信、高可用、高可靠”三位一體的網絡安全服務。

（4）面向異構軟硬件資源的協同編譯

為了提供共性網絡平臺上多種異構資源的可編程性和通用性，降低設備開發的難度，縮短面向特定場景的應用部署時間，我們需要提供一個“自頂向下”的由高級編程語言和編譯器組成的編譯環境。該編譯環境能夠面向多種異構軟硬件功能組件構建統一編程模型，提供用戶高級語言編程接口，屏蔽底層硬件支持協同調度各類型軟硬件資源的細節，并通過單純的數據包存儲、轉發、計算等處理邏輯的形式化描述，實現網絡處理性能和功能靈活性之間的平衡。

（5）多模態混合交換調度

在差異化的應用場景下，特定業務流的突發性、包長度、流量大小和速率特性有所不同。與此同時，不同的確定時延網絡、低時延網絡等新型網絡技術體制的數據報文交換指標也不盡相同。每一種新型網絡技術體制可被視為一種新型的模態。多模態混合調度技術可以為每一種模態提供定制化服務與質量保障，還可以均衡多種模態間的公平/優先級交換的策略，提升交換帶寬資源利用率，保障網絡交換服務質量。

3共性網絡平臺的分層結構

共性網絡平臺的分層結構模型如圖3 所示，整體上分為硬件層、系統層和編譯層。 3 個層面相互依存、相互支撐。其中，硬件層是整個平臺的底層支撐，通過多種異構資源的疊加，支撐數據包存儲、轉發和計算的一體化處理;系統層實現異構資源的協同，以及各種網絡功能的控制和管理;編譯層實現對整個共性網絡平臺功能的編譯，通過將高級語言描述的自定義功能映射到平臺上，實現多樣化業務的異構接入、交換和傳輸。

3.1硬件層邏輯設計

硬件層的處理邏輯如圖4 所示，主要分為5 個組件：可定義解析、入口流水線、調度器、出口流水線和可定義逆解析。 5個組件都引入可編程能力，可根據高級語言形式化描述的編譯結果，靈活重構出定制化的服務功能。

可定義解析/逆解析組件可通過編譯器接口進行配置。可定義解析組件支持按照用戶定義的任意協議字段進行解析，并提取對應的字段作為入口/出口流水線中流表的關鍵詞進行多域匹配;可定義逆解析組件支持按照用戶自定義的任意數據格式進行封裝，實現協議包頭內容的增添、修改和轉換功能。

入口/出口流水線組件采用融合異構處理資源的多級流水線設計，在支持類似 P4可定義的轉發流水線的基礎上，將計算和存儲功能掛載到并行的流水線上，再通過流水線的調用支持多種處理能力的融合，并采用協議無關的配置接口轉發流表和動作信息，為不同的模態和協議流分配不同的流水線資源。這樣可使得不同的模態和協議相對獨立、并行地在平臺上運行，而每種流表都可以基于用戶定義的關鍵詞進行構建，其匹配的動作集為存儲、轉發以及計算3 種類別的操作集合。

調度器可以通過調度接口配置，實現面向流表的定制化的調度，并通過配置平臺流水線上各個隊列的屬性、帶寬保障、優先級和調度策略，實現精細化、差異化的交換能力服務。

3.2系統層邏輯設計

系統層實現對硬件層異構資源的管理，以及與控制器間的互通，系統邏輯如圖5 所示，主要包括編譯接口、北向接口、系統管理和南向接口4 個部分。編譯接口為編譯層與系統層的接口，支持編譯結果的配置與下發，實現異構資源的可定義重構。北向接口為共性網絡平臺與控制器之間的配置管理接口，用于接收控制平面的控制器生成的各種流表信息，引導和決定共性網絡平臺的數據處理行為，并采用協議無關的協議交互機制，支持用戶自定義結構和流表信息的傳遞。系統管理是形成共性網絡平臺能力的功能集，采用內生安全構造核心節點功能，以動態、隨機改變核心功能的靜態性、確定性，進而提供內生安全的防護能力。系統管理由運維管理和異構多維資源管理兩部分功能組成，通過容器化構建、模塊間聯動解耦的方式，實現了對硬件層異構多維資源的管理，以及控制器配置信息的維護。南向接口為硬件層和系統層的接口，是對交換芯片、FPGA、多核等異構芯片接口的統一抽象，對上提供一系列標準化的應用程序編程接口（API），使系統層功能不再關心硬件層中異構芯片的硬件細節，并采用統一的方式接口進行管理和配置。

3.3編譯層邏輯設計

編譯層邏輯組成如圖6 所示，主要包括存儲、轉發、計算一體化的編譯器框架和高級可編程語言設計兩部分。針對存儲、轉發、計算一體化的異構特點，編譯層對數據平面關鍵要素進行提取，抽象出一套融合存儲、轉發和計算的數據平面操作指令集，用于定義和描述數據平面的行為（包括控制原語、存儲原語、計算原語、轉發原語），更加靈活地描述數據平面，實現數據平面與控制平面的解耦和接口的標準化。

基于開放式結構設計，編譯器框架參考了 P4編譯器前后端解耦分離的設計。前端編譯器擴展支持存儲、轉發和計算功能的統一編譯;而后端編譯器支持多樣化的編譯目標，以及可擴展的目標結構，并能設計編譯流程與仿真驗證環境，更好地支持編譯器的發展與演進。前端編譯器側重于通用基礎的編譯功能，主要實現編譯過程的結構詞法分析、文件語法分析以及段落語義分析3 個功能：詞法分析主要將待編譯的源文件按照語法分割為獨立的標記和單詞，而源文件中的制表符、空格等編碼無效字符會被替換并刪除，并根據注釋中的相關輔助類語法將語法標記或詞組分類;根據語法模板，語法分析可以從語法角度判斷不同分組間代碼結構的正確性，并生成抽象表達;語義分析針對整個源文件的含義進行分析，排查邏輯漏洞，展開嵌套循環，并生成中間表達形式（IR）。后端編譯器面向獨立目標器件構建，基于前端生成的中間表達形式，結合具體的芯片屬性生成最終的目標文件。后端編譯器支持多種芯片類型，如 ASIC 交換芯片、 FPGA 芯片、x86多核芯片、ARM 多核芯片等。所有類型的后端編譯器采用共享通用可擴展的接口，支持新型編程器件的可擴展和現有功能器件的可演進。

面向該框架設計，高級可編程語言統一抽象描述異構編程對象的功能特征，主要包含5 個要素：解析器、查找表、匹配動作、逆解析器和控制流程。其中，解析器通過定義并有序描述協議的特征，指導硬件層中可定義解析組件按照一定的邏輯解析數據報文;查找表用于構建硬件層中入口/出口流水線組件流表的匹配關鍵詞和掩碼的長度以及匹配模式方法，如最長匹配、精確匹配范圍匹配等;匹配動作定義查找表匹配之后的動作模式，分別包括面向數學運算的計算類動作、面向本地存儲的存儲類動作、面向可定義流轉的轉發類動作;逆解析器通過定義有序的協議字段組合，指導可定義逆解析組件實現數據報文的協議的重組和封裝;控制流程定義數據報文在硬件層的順序及判斷跳轉執行邏輯，進而指導硬件層完成對進入系統中數據報文的處理流程。

4結束語

本文提出了一種支持存儲、轉發、計算一體的多模態共性網絡平臺結構。該結構通過融合異構芯片功能構建數據平面的處理能力，采用可擴展的操作系統管理異構資源，從而提供統一的軟硬件協同編譯環境，形成存儲、轉發、計算一體的系統平臺能力，支撐多模態網絡中新型模態、協議和業務的融合、演進與發展。

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作者簡介

董永吉，解放軍戰略支援部隊信息工程大學副研究員;長期從事路由與交換技術、網絡安全和新型網絡體系結構方面的研究工作;先后主持了1項國家重點研發課題，參與多項國家重點研發計劃、“863”“973”項目，獲得3項科研成果獎;發表論文10余篇，申請國家發明專利14項，出版專著2部。

胡宇翔，解放軍戰略支援部隊信息工程大學教授、博士生導師;主要研究方向為新型網絡體系結構、路由與交換技術。

崔鵬帥（通信作者），解放軍戰略支援部隊信息工程大學副研究員;主要研究方向為新型網絡體系結構、可編程數據平面。