CN116962220A - 一种全维可定义智信网络装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全维可定义智信网络装置，属于计算机通信技术领域，包括CPU子系统、网络交换子系统、FPGA子系统；其中，CPU子系统用于实现对网络交换子系统和FPGA子系统的控制和报文的交互；网络交换子系统用于受控制实现数据的交换和转发；FPGA子系统基于自定义功能实现对网络交换子系统不能处理数据的自定义处理和转发，该装置通过打破传统网络刚性架构，将结构可定义贯穿网络的各个层面，支持网络功能的动态加载和演进发展，实现网络结构按照功能、性能、安全等需求定义，提供可定制的高带宽、低时延、高可靠等数据传输服务。
Description
技术领域
本发明属于计算机通信技术领域，具体涉及一种全维可定义智信网络装置。
背景技术
分布式计算（Distributed Computation）通过聚集海量处理单元的计算能力来快速求解各领域的复杂问题，已经广泛应用于人工智能、工业制造、政府电信、国防建设等国民经济的各个领域。在分布式计算系统中，网络的作用是在各类异构的计算单元和存储单元之间提供高带宽、低时延、高可靠等数据传输服务。然而，当前分布式计算系统内网络互联能力已严重滞后于计算与存储单元的创新发展，成为影响分布式计算系统性能、功耗和规模等的主要障碍。
同时，随着网络技术和应用的不断发展，特别是大数据、云计算、人工智能等的出现和应用，互联网迎来了加速裂变式的新一轮革命，促使社会各方面发生颠覆性变化，并深刻改变着人类世界的空间轴、时间轴和思想维度。然而，面对互联网与经济社会深度融合发展带来的专业化服务承载需求，互联网技术内涵的发展却未能充分支撑网络应用外延的拓展，现有网络基础架构及由此构建的技术体系存在网络结构僵化、IP 单一承载、未知威胁难以抑制等基础性问题，对质量、安全、融合、扩展、可管可控、效能、移动等的支持能力低下，无法通过有限的资源动态灵活地满足泛在场景下各类型、各层次用户对智慧化、多元化、个性化、高顽健、高效能等高质量用网的需求。
近年来，以内容标识、空间坐标标识、身份标识等为中心的新型寻址路由等技术发展迅速，已在部分行业网络中初步应用并取得良好效果，显示出了多样化寻址与路由的强大生命力。Clark 等人提出的网络“知识平面”概念，意图基于人工智能与认知系统来实现网络的自配置、自适应、自修复。Mestres 等人提出了知识定义网络的概念，通过动态监测网络状态并基于机器学习算法进行分析决策，进而优化网络配置和性能，一系列利用网络以及人工智能（AI, artificial intelligence）和机器学习（ML, machine learning）等整合的认知技术，向自动化性能管理和功能维护的“零接触”网络发展。
为打破上述网络发展困境、创新网络技术，世界各国均已在新型网络领域开展基础研究和关键技术攻研布局。在此背景下，目前学术界和产业界也在不断努力探索未来网络架构。通过 SDN/NFV 技术将网络基础设施从“以硬件为中心”转向“以软件为中心”，实现了基于云架构的开放网络，也验证软件定义转发、软件定义互连、软件定义硬件等理念和技术，可实现对基础网络的拓扑、协议、软硬件、接口等进行全维度定义。通过一种协议无关、目标设备无关和具备现场可重配置能力的数据平面编程语言 P4，通过转发与控制分离机制，对计算、存储、网络资源进行灵活调度和管理，基于功能可重构可编程等方法实现了网络开放、可扩展和自演化能力。但是仍然不能满足应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种全维可定义智信网络装置，以解决当前的分布式计算网络的发展面临着网络结构僵化，弹性协同能力不足，安全可信无法得到充分保证等技术问题。
实施例提供的一种全维可定义智信网络装置，包括CPU子系统、网络交换子系统、FPGA子系统；
所述CPU子系统用于实现对网络交换子系统和FPGA子系统的控制和报文的交互；
所述网络交换子系统用于受控制实现数据的交换和转发；
所述FPGA子系统基于自定义功能实现对网络交换子系统不能处理数据的自定义处理和转发。
在一个实施例中，所述FPGA子系统包括可编程协议无关解析单元、出/入流水线处理单元以及可定义调度单元；
所述可编程协议无关解析单元提供自定义配置功能，基于通过自定义配置功能配置的类型域识别数据包的协议类型，并根据数据包的协议类型得到所需的匹配域并将匹配域组合成包头域后，向入流水线处理单元输出；
所述出/入流水线处理单元用于实现对数据包的匹配、查找以及动作操作；
所述可定义调度单元用于多种业务流量的交换调度，支持多种模态业务流混合模式下的流量公平、优先级调度的需求。
在一个实施例中，所述可编程协议无关解析单元包括类型域提取模块、匹配查找模块、匹配域提取模块和匹配域组合模块，
所述类型域提取模块用于基于解析编程逻辑所定义的报文格式以及解析编程逻辑所定义的匹配关键词的偏移量和关键词长度信息，提取出编程逻辑所定义的一个或多个类型域；
所述匹配查找模块用于基于匹配编程逻辑所定义的匹配属性，从多个类型域中选择一个或多个类型域，组成一个新的匹配类型域，作为查表关键词；
所述匹配域提取模块用于提取匹配域；
所述匹配域组合模块用于将提取的匹配域组合成包头域后输出至入流水线处理单元。
在一个实施例中，所述出/入流水线处理单元包括匹配域选择器、流表匹配模块、动作执行器，
所述匹配域选择器用于从多个类型域中为每一级数据包处理单元选择出所需的匹配域，组成匹配关键词，进入流表匹配模块；
所述流表匹配模块用于实现匹配和查找操作，匹配表是按照匹配关键词的格式构成的一条条匹配表项的集合，匹配表中存储了关键词的具体内容，并将匹配表与操作域进行匹配后从匹配表中查找得到动作字段的地址；
所述动作执行器用于接收动作字段后根据动作字段进行数据包的处理以及元数据的修改。
在一个实施例中，所述可定义调度单元通过采用多并发数据存储队列的模式，为不同模态业务流量分配独立的交换队列，以网络服务最大化为目标，综合采用权重/信贷轮询、虚时钟方法，对多种异构标识的报文进行混合转发调度，兼顾各种网络模态的公平性和转发性能。
在一个实施例中，所述CPU子系统通过PCIe接口实现对网络交换子系统的控制以及报文的交互，对外输出一个千兆管理以太网口和一个调试串口，外接一个USB接口方便系统升级和log文件的记录。
在一个实施例中，所述CPU子系统采用标准尺寸且支持Type6和Type7的COM-E模块，COM-E模块的CPU为x86处理器或ARM处理器。
在一个实施例中，所述网络交换子系统采用CTC8180芯片。
在一个实施例中，所述FPGA子系统包括4颗FPGA芯片，每颗FPGA芯片上连接2个DDR3 SODIMM插槽，1个SPI Flash和1个BPI Flash存储FPGA 逻辑，其中2颗FPGA连接2个QSFP+到后面板，连接一组PCIe x2到COM-E连接器，通过Gearbox连接4个100G接口到网络交换子系统。
在一个实施例中，所述装置还包括时钟子系统和电源子系统，
所述时钟子系统用于为各子系统提供参考时钟；
所述电源子系统用于为各子系统提供电能。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
基于CPU子系统、网络交换子系统、FPGA子系统组合的全维可定义智信网络装置，打破传统网络刚性架构，将结构可定义贯穿网络的各个层面，支持网络功能的动态加载和演进发展，提供可定制的高带宽、低时延、高可靠等数据传输服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是实施例提供的全维可定义智信网络装置的结构示意图；
图2是实施例提供的全维可定义智信网络装置的硬件总体设计架构图；
图3是实施例提供的CPU子系统中CPU模块使用的接口示意图；
图4是实施例提供的全维可定义智信网络装置的运行逻辑图；
图5实施例提供的全维可定义智信网络装置的运行具体流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，实施例提供的全维可定义智信网络装置包括CPU子系统、网络交换子系统、FPGA子系统、时钟子系统以及电源子系统。其中，CPU子系统用于实现对网络交换子系统和FPGA子系统的控制和报文的交互，网络交换子系统用于受控制实现数据的交换和转发，FPGA子系统基于自定义功能实现对网络交换子系统不能处理数据的自定义处理和转发，时钟子系统用于为各子系统提供参考时钟，电源子系统用于为各子系统提供电能。
图2是全维可定义智信网络装置的硬件总体设计架构图，如图2所示，装置的前面板端口采用48*10G/25G的SFP28光模块接口和8*100G的QSFP28光模块接口，其中，SFP28光模块接口传输速率达25Gbps，主要用于数据中心服务器和交换机的互连。SFP28光模块接口与SFP/SFP+接口具有相同结构定义和接口标准，只是SFP28光模块接口速率达到25Gbps，传输效率比SFP+接口提高2.5倍。QSFP28光模块接口跟40G QSFP+接口具有相同的结构定义和接口标准，4个独立的传输通道，每通道传输速率为25Gbps，主要用于数据中心服务器和交换机的互连。传输效率比QSFP+接口提高2.5倍。装置的后面板端口采用2*40G的QSFP+接口，一个调试网口和一个调试串口，标准1U机架设备，8个100G接口支持Flexe功能。
装置的交换底板使用Type6的COM-E模块作为CPU子系统来对系统管理和配置，具体CPU子系统主要功能为通过PCIe接口对CTC8180交换芯片和FPGA芯片进行配置和报文处理，Type6的COM-E模块当前选用研华SOM-5992(Intel D-1527 CPU，Type6)模块和兆芯x86CPU模块（Type6），CPU模块使用的接口如图3所示。交换底板还为COM-E模块提供3个SATAM.2 SSD接口，2个NVMe M.2 SSD接口，SSD标准尺寸为80mm x 22mm x 2.38mm。
装置的交换底板采用盛科CTC8180交换芯片作为网络交换子系统， CTC8180交换芯片共有100对serdes，CTC8180芯片支持2.4T I/O带宽，提供从1000M到400G的全速率端口能力，并具备如下领先的业务特性能力：智能网络可视化技术芯片采用硬件对芯片、流量状态进行学习、记录和上报，为5G和云计算提供更精准、更详尽的可视化信息，并大幅度降低CPU进行流量分析的负载，支撑智能化技术的全面落地。面向5G的确定性技术，芯片针对5G承载等场景，可以提供最大800G FlexE交换能力，支持50G/100G/200G/400G FlexE接口以及灵活FlexE Group绑定。CTC8180芯片支持SCL L1交叉、FlexE OAM、PTP功能，并支持业务和FlexE的叠加保护功能以及确定性超低时延，满足5G时代时延敏感的网络需求。
CTC8180交换芯片与前面板出的48个SFP28光模块端口(48x25G)和8个QSFP28光模块端口（8x100GbE）连接，同时CTC8180交换芯片通过另外16对SerDes配置为4个100G端口连接2颗Gearbox芯片，通过4对PCIE3.0连接COM-E 模块，实现CTC8180交换芯片的初始化和报文交互。本次使用100对中的96对SerDes，分为12个SmartPortTM，每个SmartPortTM包含8对连续的SerDes。其中8个SmartPortTM（HS0/1:S0-S3）由64对最高速率支持25Gbps的SerDes组成，连接SFP28光模块接口和Gearbox芯片，另外4个SmartPortTM（CS0/1:S0-S1）由32对最高速率支持56Gbps的SerDes组成，连接QSFP28光模块接口。
交换底板上还放置4颗复旦微JFM7VX690T36 FPGA组成FPGA子系统，该4颗FPGA芯片和CTC8180交换芯片协同叠加，实现对网络数据平面的高性能、可扩展、可编程处理。每颗FPGA芯片上连接2个DDR3 SODIMM插槽，1个SPI Flash和1个BPI Flash存储FPGA 图像，其中2颗FPGA芯片连接2个QSFP+接口到后面板，连接一组PCIe x2到COM-E模块，FPGA芯片之间采用100G Aurora接口顺序互连，每颗FPGA通过1个100G CAUI接口与Gearbox模块互连，Gearbox模块实现10x10G到4x25G的通道转换，转换为100G（4x25G）与CTC8180交换芯片互连。FPGA进行数据处理和交互，主要使用GTH SerDes进行。
时钟子系统主要为各子系统中各模块提供参考时钟。电源子系统主要为各子系统中各模块提供电源。
为了实现网络内功能结构对资源分配和业务适配的映射调度，建立灵活定义、智能适配、安全可信的全维度可定义智信网络运行逻辑，如图4所示。
对于网络中的异构资源，首先建立全维可定义的数据层，对基础网络的拓扑、协议、软/硬件、接口等进行全维度定义，实现协议无关转发、异构资源互连和网络功能的硬件加速，并引入快速高带宽的全光交换技术，针对大流量业务建立光层数据交换连接，降低功耗和延迟，从而为多元化、个性化应用提供了精细化、可定义的网络组件和服务，为实现未来网络智慧化、高鲁棒、灵活性、多样性等特性提供基础支撑。
在此基础上，建立全维可定义的控制层，对上承载服务层，对下控制数据层。控制层融合了现实应用中多样、多变的路由服务并进行抽象归纳，建立由多模态异构标识空间寻址与路由模型，针对不同路由的服务特性灵活承载服务层需求，从而实现上层业务不同网络状态、用户需求、服务类型和安全等需求的自主智能网络标识空间模态切换方法。通过网络操作系统实现对CPU、存储、FPGA、TPU等资源的统一管理与调度，根据功能、性能需求，建立多模态异构标识与各类资源的动态映射方法。建立具有内生安全属性的多模态异构标识协议栈，构建具有高安全特性的平台固件抵御未知安全威胁，将加密认证的算法集成于智能网卡，按需为数据提供透明高效的安全传输，以点面结合的形式实现端网融合的安全可信。通过智能控制系统完成网络资源调度，基于图神经网络完成通信任务逻辑建模，采用基于策略梯度的深度增强学习框架进行模型的自主优化和动态拟合，实现网络资源与计算任务的高效适配。
面向多样化的网络业务，建立全维可定义的服务层，主要实施用户业务需求与网络服务能力之间的拟合，实现网络运行、功能编排等自适应的承载。具体来说，服务层首先将用户网络业务需求进行抽象化建模，依据业务基本参数与效益期望等指标对用户发起的业务进行详细规划，并依赖业务与服务之间的拟合关系实现业务需求到智慧化服务策略的映射，采用服务动态编排与业务自适应承载等机制，形成智慧化网络服务策略并下发给智能控制系统。
全维可定义智信网络装置的主要运行流程由FPGA子系统中每个FPGA芯片完成。如图5所示，FPGA子系统中每个FPGA芯片可编程协议无关解析单元、出/入流水线处理单元以及可定义调度单元，其中，可编程协议无关解析单元提供自定义配置功能，基于通过自定义配置功能配置的类型域识别数据包的协议类型，并根据数据包的协议类型得到所需的匹配域并将匹配域组合成包头域后，向入流水线处理单元输出；出/入流水线处理单元用于实现对数据包的匹配、查找以及动作操作；可定义调度单元用于多种业务流量的交换调度，支持多种模态业务流混合模式下的流量公平、优先级调度的需求。
具体地，可编程协议无关解析单元是实现对新型数据包格式支持的关键功能，具体包括类型域提取模块、匹配查找模块、匹配域提取模块和匹配域组合模块，其中，类型域提取模块基于解析编程逻辑所定义的报文格式以及解析编程逻辑所定义的匹配关键词的偏移量和关键词长度等信息，提取出编程逻辑所定义的一个或多个类型域；匹配查找模块基于匹配编程逻辑所定义的匹配属性，从多个类型域中选择一个或多个类型域，组成一个新的匹配类型域，作为查表关键词；匹配域提取模块用于提取匹配域；匹配域组合模块用于将提取的匹配域组合成包头域后输出至入流水线处理单元。
具体地，出/入流水线处理单元是最基本的数据包处理单元，可抽象为匹配+查找+动作的处理过程，具体包括匹配域选择器、流表匹配模块、动作执行器，其中，匹配域选择器从多个类型域中为每一级数据包处理单元选择出所需的匹配域，组成匹配关键词，进入流表匹配模块；流表匹配模块用于实现匹配和查找操作，匹配表是按照匹配关键词的格式构成的一条条匹配表项的集合，匹配表中存储了关键词的具体内容，并将匹配表与操作域进行匹配后从匹配表中查找得到动作字段的地址；动作执行器用于接收动作字段后根据动作字段进行数据包的处理以及元数据的修改。
具体地，可定义调度单元是实现数据包交换功能的核心单元，数据流量包进入分类器之后，可定义调度单元根据定义的n种模态，对分类器的数据流量进行分类调度，进入不同的模态里。通过采用多并发数据存储队列的模式，为不同模态业务流量分配独立的交换队列，以网络服务最大化为目标，综合采用权重/信贷轮询、虚时钟方法，对多种异构标识的报文进行混合转发调度，兼顾各种网络模态的公平性和转发性能。该可定义调度单元能够解决在不同业务流量的突发性、包长度、流量大小和速率特性不同的情况下，如何满足调度服务提供质量保障的同时,均衡公平/优先级交换的策略,并充分利用交换带宽资源。
上述实施例提供的全维可定义智信网络装置，硬件架构设计以白盒化为基础，采用OCP(Open Compute Project, 开放计算项目)硬件开放平台架构，充分融合专用集成电路（ASIC）、x86处理器、ARM处理器、现场可编辑门阵列（FPGA）等多种异构处理芯片能力，以高效率为基本要求，从而达到动态可重构的目的，构建起整个全维可定义的智信网络装置。
开放架构下的全维可定义智信网络装置具有良好的稳定性，首先，装置的相关子系统能够在保持新的网络协议或应用增量部署的同时也能够保证原有应用的正常运行；同时，子系统具有可变化的内在结构，也就是说包处理的方式以及网络协议的运行方式可以动态改变；最后，在子系统结构可变的基础上，子系统能够以柔性的方式对其结构进行调整，其中，柔性是FPGA子系统针对应用要求对其内在结构、资源做出隐性调整，以实现网络服务效果对应用需求的动态、紧密跟随。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全维可定义智信网络装置，其特征在于，包括CPU子系统、网络交换子系统、FPGA子系统；
所述CPU子系统用于实现对网络交换子系统和FPGA子系统的控制和报文的交互；
所述网络交换子系统用于受控制实现数据的交换和转发；
所述FPGA子系统基于自定义功能实现对网络交换子系统不能处理数据的自定义处理和转发。
2.根据权利要求1所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述FPGA子系统包括可编程协议无关解析单元、出/入流水线处理单元以及可定义调度单元；
所述可编程协议无关解析单元提供自定义配置功能，基于通过自定义配置功能配置的类型域识别数据包的协议类型，并根据数据包的协议类型得到所需的匹配域并将匹配域组合成包头域后，向入流水线处理单元输出；
所述出/入流水线处理单元用于实现对数据包的匹配、查找以及动作操作；
所述可定义调度单元用于多种业务流量的交换调度，支持多种模态业务流混合模式下的流量公平、优先级调度的需求。
3.根据权利要求2所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述可编程协议无关解析单元包括类型域提取模块、匹配查找模块、匹配域提取模块和匹配域组合模块，
所述类型域提取模块用于基于解析编程逻辑所定义的报文格式以及解析编程逻辑所定义的匹配关键词的偏移量和关键词长度信息，提取出编程逻辑所定义的一个或多个类型域；
所述匹配查找模块用于基于匹配编程逻辑所定义的匹配属性，从多个类型域中选择一个或多个类型域，组成一个新的匹配类型域，作为查表关键词；
所述匹配域提取模块用于提取匹配域；
所述匹配域组合模块用于将提取的匹配域组合成包头域后输出至入流水线处理单元。
4.根据权利要求2所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述出/入流水线处理单元包括匹配域选择器、流表匹配模块、动作执行器，
所述匹配域选择器用于从多个类型域中为每一级数据包处理单元选择出所需的匹配域，组成匹配关键词，进入流表匹配模块；
所述流表匹配模块用于实现匹配和查找操作，匹配表是按照匹配关键词的格式构成的一条条匹配表项的集合，匹配表中存储了关键词的具体内容，并将匹配表与操作域进行匹配后从匹配表中查找得到动作字段的地址；
所述动作执行器用于接收动作字段后根据动作字段进行数据包的处理以及元数据的修改。
5.根据权利要求2所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述可定义调度单元通过采用多并发数据存储队列的模式，为不同模态业务流量分配独立的交换队列，以网络服务最大化为目标，综合采用权重/信贷轮询、虚时钟方法，对多种异构标识的报文进行混合转发调度，兼顾各种网络模态的公平性和转发性能。
6.根据权利要求1所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述CPU子系统通过PCIe接口实现对网络交换子系统的控制以及报文的交互，对外输出一个千兆管理以太网口和一个调试串口，外接一个USB接口方便系统升级和log文件的记录。
7.根据权利要求1所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述CPU子系统采用标准尺寸且支持Type6和Type7的COM-E模块，COM-E模块的CPU为x86处理器或ARM处理器。
8.根据权利要求1所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述网络交换子系统采用CTC8180芯片。
9.根据权利要求1所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述FPGA子系统包括4颗FPGA芯片，每颗FPGA芯片上连接2个DDR3 SODIMM插槽，1个SPI Flash和1个BPI Flash存储FPGA 逻辑，其中2颗FPGA连接2个QSFP+到后面板，连接一组PCIe x2到COM-E连接器，通过Gearbox连接4个100G接口到网络交换子系统。
10.根据权利要求1所述的全维可定义智信网络装置，其特征在于，所述装置还包括时钟子系统和电源子系统，
所述时钟子系统用于为各子系统提供参考时钟；
所述电源子系统用于为各子系统提供电能。
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