網(wǎng)絡架構驅(qū)動下針對性軟硬件技術開源的思考

李永俊

（山西警官職業(yè)學院 山西省太原市 030006）

過去，信息化最突出的特點就是在不同層面上都有自身的需求，傳統(tǒng)的計算以信息量為基礎，工商業(yè)的信息化以穩(wěn)定性和實時性為基礎，而新興的物聯(lián)網(wǎng)則以安全性為基礎，與人類的生產(chǎn)息息相關，融為一體。顯然，將信息自然分離到上述不同領域，將不利于整個信息技術的發(fā)展，為了達到整個信息化的目標，必須突破信息的界限，把信息融合起來，以前的 TCP/IP、TSN、MQTT 等協(xié)議都是在互聯(lián)網(wǎng)上領先的，也有一些產(chǎn)業(yè)已經(jīng)建立了專用的網(wǎng)絡，可以兼容多種互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。而安全的需求，往往需要廠商自己去保障，這樣的結果，要么是標準不足，要么就是效率太低，尤其是在人類即將面臨的虛擬世界和元宇宙的時候，信息技術已經(jīng)不能滿足這個時代的需要了，所以必須進行一次全面的信息化建設，以確保信息的標準化和高效率。

1 賦予設備角色屬性

（1）主控，一般是計算節(jié)點。

（2）裝備內(nèi)建角色既是人控的需求，又是安全需求。

世界上的人物命名體系分為十個等級，每一個等級都用“.”來劃分，如果缺少任意一個等級，就必須空出來，因為每一個等級的主控是最小標號名稱，這意味著，任意一個等級的主控全部都是1，如果要表示一個級別的主控設備，名稱標題就是#1.而在這個標題名稱后面則是標題的定義，任意一個名稱可以用來表達這個角色的意思。由一級公司主控的全球動態(tài)展示信息系統(tǒng)進行管理，其定義如下：#13895.54736........23567:#.........電機23，若將每個等級的名字全部聯(lián)系到一起，則可以是：世界企業(yè)信息中心.中國企業(yè)信息中心.中國煙草信息中心.云南省煙草公司信息中心.云南省煙葉復烤公司信息中心.瀘西復烤廠信息中心.生產(chǎn)加工車間信息中心，一個預處理單元，包括三個分布I/O 站點（例如，控制面板是：預處理部分的PLC）。電機23，引擎的標題是動態(tài)決策系統(tǒng)決定，說明它是由人決定的，雖然不同等級有平級的信息中心，而不同級的1 則是整個信息中心，主控就是整個信息中心，如果將控制來分類的話，只有主控和被控之分?？刂泣c的作用只是掌握和控制，主控功能要求控制器的硬件選擇撥號開關，被控角色不需要選擇對應的一級撥號開關，也就是所有撥號開關的默認值，都是零值，而主控功能，則要求選擇對應的1 級撥號開關，代表著主控角色在某個級別。如果定義的每一級設備數(shù)量為216=65536，共10 級，那么一共有6553610=1.4615016330902918e48 個設備。

2 賦予設備時間屬性

信息CPU 另外一項重要的設計目標是集成，即與其他機器進行穩(wěn)定、實時的通訊，或許是與其他CPU 進行穩(wěn)定、實時的通訊，這個是相對的實時概念。但是在實踐中，需要100 ms 地對時和人的響應探測計時鐘，可能要求1ms 的機器高速動作計時鐘，可能需要10ms 的計算機實時通訊時鐘，以及其他較大的時間時鐘和以供機器之間的系統(tǒng)級通訊時鐘，還有人與人溝通交流的時間。在定時電路中的應用，通常可以根據(jù)需要設置不同的時鐘產(chǎn)生器，其中時鐘周期為100μs,1ms,10ms,100ms,1s,1min，1 小時，1 天，1月，1年，通常定時電路從1ms 開始起步，每1ms 輸出100μs 的定時時間，以此類推，比如，計時時間為1ms，每10ms 輸出1ms，但是100ms 是一個特殊的數(shù)字，它不單單僅限于要在10ms 內(nèi)輸出，而且還在開始處或重啟或重新啟動其他時鐘發(fā)生器。

當這些計時器運行時，有必要同步發(fā)送信息，在此期間，各個系統(tǒng)的信息CPU 檢查（開啟）網(wǎng)絡，以便在非定時的時候，將正常的數(shù)據(jù)自由地進行交換。很顯然，同步數(shù)據(jù)的數(shù)量不會很多，但是普通的數(shù)據(jù)量卻是無限的，此外，不同級別的數(shù)據(jù)傳輸需要不同的數(shù)據(jù)，如對工業(yè)周邊裝置的共用控制，有一臺高速計算機(1ms)，以及經(jīng)常進行的少量數(shù)據(jù)(10ms)，在更高的層次，可以是在工業(yè)現(xiàn)場控制器間切換頻率的降低（100ms），在以上數(shù)據(jù)是遠程控制與顯示間的數(shù)據(jù)交流頻率進一步降低的數(shù)據(jù)（1 秒），而在這些數(shù)據(jù)中，有一種是實時的數(shù)據(jù)，比如云端游戲，又或是虛擬現(xiàn)實中的虛擬操作，這些都是元宇宙通用的數(shù)據(jù)，所以，如果將這些數(shù)據(jù)的同步時間設定為正確的時間（100 毫秒），則存在著一個大的計時器中含有小計時器的問題，例如，100 毫秒的計時器持續(xù)時間是10 毫秒，也就是說，每個100 毫秒中有10 毫秒是由信息CPU 專門傳送數(shù)據(jù)的，而在剩余的90 毫秒（這里的情況）中，用來傳送常規(guī)數(shù)據(jù)的，所以100 毫秒的起始時間與10 毫秒計時器的起始時間同時存在，那么10毫秒計時器就在100ms 之內(nèi)，為了確保這兩種數(shù)據(jù)的正確性，就必須犧牲一定的時間間隔。具體地說，就是在這個計時器的輸出范圍之內(nèi)，在不允許大的計時器的輸出的情況下，在10 毫秒計時器工作的連續(xù)1 毫秒中，100 毫秒計時器工作的連續(xù)10 毫秒內(nèi)不使用該計時器的持續(xù)10 毫秒的起始1ms，僅利用最后9 毫秒（這里的情形）來發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 融合信息及其軟硬件實現(xiàn)

異構信息CPU 包括安全信息CPU（安全信息CPU 本身的安全要求必須由硬件來完成），融合（實時）信息CPU，通用信息CPU，通過一個被稱作融合硬件的硬件來實現(xiàn)叫做融合硬件，該硬件獨立于處理器的其他核心功能，僅有的關聯(lián)是融合寄存器。可以通過合并的硬件來讀取，也只有處理器才能讀懂。融合硬件獨立于單一CPU，在各個CPU 之間共享。主控制信號源必須配備準確的時鐘，或者連接到一個精確的時鐘服務器。第一級主控制器可以在一定時間內(nèi)設置一定時刻（比如使用自己的時鐘），在啟動階段，一級控制應該在首次觸發(fā)時，檢查一個具體的時間標記（如利用自己的鐘表時間），則進行首次啟動，當下一個100 毫秒到達時，將合并（時間）開始信號發(fā)送給同級控制，例如，若在各個級別中，地址數(shù)目為216=65536，則定義的廣播地址為65537.0.0.0.0.0.0.0.0.0，每個被控制的融合硬件接收此融合的觸發(fā)信號，隨機數(shù)字發(fā)生器產(chǎn)生從1 到65537 的一個隨機數(shù)字，并對所生成的隨機數(shù)進行延遲，然后由交換機向主控制器發(fā)送其響應信號。需要指出的是，交換器是受控制的，因此，除了向其他控制裝置發(fā)送信號之外，它還會發(fā)出自己的應答信號（自己也有自己的硬件和接口），主控系統(tǒng)在接收到融合觸發(fā)信號后，根據(jù)所確定的相同設備數(shù)目和最大通訊距離來確定一段時間融合閾值，在等待期間，主控制器收到每個被控地址的響應信息，并記錄每個被控地址的起始地址，在等待期結束時，主控制器首先按照這個順序?qū)Ρ槐O(jiān)測地址（不是所有地址）進行排序，隨后，在下一個100ms（在這個時刻為對時間）到達時，根據(jù)一個固定的間隔，即對時分辨率（例如1 微秒），將定時信號（對時間）按順序發(fā)送信號，每個被控的融合設備都接受一對這樣的時間信號，不做任何操作，并立即返回這些信號。唯一不同的是，融合設備被專門設計為精密時鐘發(fā)生器，該設備可以生成精密時鐘并存儲在融合設備的寄存器中。當收到反饋信號時，它首先被打上時間戳，并將其保存到合適的地址。當達到一個固定的時間（融合實現(xiàn)），也就是兩倍的融合時間，再加上設備數(shù)目（裝置數(shù)目乘以時間分辨率），就停止時間信號，通信通道長度就是相應裝置的來回時間除以2 的結果。將時序數(shù)據(jù)整理完后，設備地址再次被排序，但這次是按通信路徑長度排序，而通信路徑時間則按序列號加校準分辨率時間排序，這與時間分辨率（傳輸延遲后的實際時間加上校準延遲后的實際時間）是同一個概念。要處理的兩個實際時間（通訊傳輸和標定延時）被分別標記，事實上，主控能夠精確地設定時鐘的時間，更準確地說，精確時間=目前的時刻+（精確的時鐘回傳值-精確時間點-通訊行程控制時間-返回時間戳值的精確值）=（目前的時刻-返回時間戳值的精確值-由通訊行程時間控制的精確時間）=（目前的時刻-返回時間戳值的精確值-由通訊行程時間控制的精確時間）+精確的時鐘回傳值。當下一個100ms 來臨時，可以根據(jù)每個控制器的分類，將校準時間發(fā)送到每個控制器。發(fā)送過程類似于發(fā)送時間信號，只是只能發(fā)送一個時間信號，標定時間傳送對應的通訊和校正延遲時間（當然要有確切的校準時間）。每個可驗證地接收到校準信息，收到一個時間戳，能夠計算出校正時間，校正時間=校正時間-通訊行程時間-校正延遲時間-目前和收到的時間標記的差異（如果現(xiàn)在就進行運算，這一點可以忽略不計），和基于修正時間實時更新的融合硬件時間。

第一次等時同步通訊是在完成了修正工作之后，內(nèi)容是每一個受控對象都可以為下一步執(zhí)行對時。首先，每個驗被控收到一個同步通訊的信號，啟動了首次等時同步通訊（包括在通信協(xié)議中，在信號出現(xiàn)的關鍵時刻），然后，每個受控對象都能自己計算出100ms 的同步開始信號，在該信號結束時，當下次合并臨界點到來時，全部驗證程序都開始（已校正）100 毫秒合并。在下一次合并臨界時刻，所有的被控開始他們（校準的）100 毫秒的融合時間，接著，開始下一階段的相應的融合時間，以及下一個100ms 的調(diào)整。僅僅從二級開始的主設備應該有兩個網(wǎng)絡編碼，一個連接到上級主設備，表示此裝置為受控裝置，而另一種裝置則與低端控制裝置相連，即此裝置為主要控制裝置。兩套融合的硬件可以同時控制兩種網(wǎng)絡接口，由一個獨立的信息處理器進行處理，每個硬件都有自己的角色設定交換機，融合硬件數(shù)據(jù)可以通過不同的融合設備進行傳送。當首次配對和校準時間減少被啟用時，第一次數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生。HET 芯片中的合并信息處理器之所以得名，就是在100 毫秒的合并通信期間，此處理器必須處理資料傳送的特性（與融合信息分開），而在合并和修正完成后，合并的信息就會出現(xiàn)，得到了一個角色地表達，其功能是將角色名稱（地址）與有意義的人物"描述"（所謂的角色表示）相匹配，并將其匯合發(fā)送到每個相應的設備。在確認了整個網(wǎng)絡的時間信息融合之后，就可以進行人物信息的融合，在接下來的100 毫秒內(nèi)，主控設備就會向同級被控設備發(fā)出信號，融合（角色）可以開始。在接收到該信號之后，該設備在下一個100ms 的時間里被傳輸?shù)较乱粋€位置。當最后一級的信號被接收時，人物代表角色從CPU 整合資訊的角色效能寄存器中讀?。ㄈ绻撔盘柋恢概山o最后一級）。從CPU 角色效能寄存器（如果人為指派已完成）中讀出代表人物的融合信息，以及從融合資訊寄存器中讀出人物的名字，進行編譯，并將該級別的地址（角色名稱）延遲到下一個100 毫秒（可視的時間單位里），以保證主控設備能夠?qū)ζ溥M行操作，并確保所有可控物在10毫秒與主控制器的通訊（合并窗口時間），并將它送回主控器，當下一個100ms 即將到來的時候進行編譯。如角色所代表層被選中，這個過程重復進行，直到到達第一層。當一級的主控制器完成了這個階段的任務，在下一個100ms 到達之后，將其所收集的全部裝備的角色表達連同其自身的角色表達方式，同時發(fā)送至上級的所有控制部門，在接到直屬上級的命令之后，在隨后的100ms 中，再次進行此操作，直到上一級最后一個控制機構收到這一信息。

然后，每個人都會得到自己想要的人物信息，也會知道其他裝備的角色信息，更會知道自己的最高一級的角色代表信息，以及除了自己的上一級以外的其他下級的信息，也知道直接下級的角色代表訊息，這相當于任何設備根據(jù)其所在的位置，可以由同級別或直接上級的角色特征來確定，因此，通過角色特征的互相識別，可以傳遞這種關系，將角色信息與設備關聯(lián)起來。一旦完成了人物信息的整合流程，下一次信息合并將在接下來的100 毫秒內(nèi)開始，以此類推，隨著設備的增加或減少，繼續(xù)進行動態(tài)合并，當?shù)谝粋€裝置位址有沖突時，必須重建裝置位址，然后再進行一次合并。關于第一次加入的角色信息，這就是校準和角色信息的提供，對于已經(jīng)納入地來說，這就是修正。還有一個問題是，融合這些信息需要相對強大的硬件，配備能夠存儲65536x2+1 信息框的內(nèi)存。在設備正常運行后，可以通過正常通信將所有網(wǎng)絡角色信息匯總到第一級基本控制處。還應注意的是，盡管每個設備的角色表示在正常操作后呈現(xiàn)在融合信息處理器的專用寄存器中，但角色表示值仍必須從異構信息芯片中讀入融合信息硬件，由主控設備驗證并作為單一實時值輸出，以確保角色融合信息的一致性。為了確保融合信息處理器和安全信息處理器之間的實時處理，基于實時變更的工業(yè)信息系統(tǒng)，有兩個關鍵問題：冗余的必要和隔離時間的需求。由于融合資訊處理機與安全性資訊處理機所用的硬件相同，有相同的時鐘控制，并且可以存取同一個內(nèi)存，所以硬件需要更改，設置一個用于將處理器內(nèi)部寄存器進行比較的硬件周期，并且在每次指令完成后請求中斷之前，對兩個處理器的寄存器進行比較，當發(fā)生變化時，會觸發(fā)其中一個中斷，然后對它進行重新排序。

將中斷的優(yōu)先權提升到能夠使一個中斷程序在一個硬件測試程序上工作，例如將所有的寄存器都設置為一個已知的數(shù)值，并執(zhí)行一個指示，例如一個加法，并查看它的結果是否符合缺?。贿€應注意任何差異，并在下次重新復檢，以查看硬件的狀況?！案綦x時間”是指不使用與處理器隔離的MMU（Memory Management Unit）硬件，不分離該處理器，不抽象存儲地址，使用真正的地址，但具體的應用程序需要相互分離，并且所有的應用都來自一個具體的應用，硬件與外部設備是獨立的，無法直接調(diào)用硬件和外部設備，而硬件則通常是由安全信道來訪問的。一般是軟件被抽象化，只有從安全軟件中提取的軟件可以為特定的程序所使用，而非由硬件來直接使用。這主要的目的都是為了維持實時運行狀態(tài)，同時確保系統(tǒng)穩(wěn)定。安全信息處理不僅需要將信息CPU 與冗余的安全信息處理CPU 相結合，而且還要處理冗余的信息的檢索、傳輸和執(zhí)行。

4 算力網(wǎng)絡架構

4.1 算力感知網(wǎng)絡

算力感知網(wǎng)絡是一種新的網(wǎng)絡架構，旨在連接運營商網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡。通過計算與網(wǎng)絡資源的聯(lián)合調(diào)度，來自不同應用的服務請求被安排在一個最佳的計算節(jié)點上，以在保證最優(yōu)的網(wǎng)絡和計算資源的使用的前提下，獲得最優(yōu)的用戶體驗。該網(wǎng)絡基于已有的網(wǎng)絡技術，將分散的運算結點連接到一個整體網(wǎng)絡上，建立一種全新的運算感知網(wǎng)架構，以保證網(wǎng)絡在不同位置即時處理運算資源，提升網(wǎng)絡與計算資源的使用效率。這會讓互聯(lián)網(wǎng)變得無所不達，讓無處不在的計算能力成為現(xiàn)實。

為實現(xiàn)計算機與網(wǎng)絡的發(fā)現(xiàn)、連接規(guī)劃和協(xié)作，從邏輯上和功能上來說，它分為五個主要的功能模塊。計算機應用程序?qū)樱嬎愎芾韺?，計算資源層，計算轉發(fā)層，以及網(wǎng)絡資源層.計算資源層和網(wǎng)絡資源層是一種新型的算術網(wǎng)絡架構層；算術服務層、算術路由層和算術網(wǎng)絡管理層作為三個主要功能模塊，能夠構建可感知、可監(jiān)控和可管理的算術網(wǎng)絡。根據(jù)五個定義的功能模塊，可以實現(xiàn)感知、控制、管理計算機和網(wǎng)絡資源。

（1）計算應用層用于各種計算函數(shù)和應用程序，并將用戶向SLA 業(yè)務的請求發(fā)送到計算路由層，其中包含了計算請求。

（2）計算路由層在抽象資源被發(fā)現(xiàn)的基礎上收集用戶服務請求、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和計算資源信息，根據(jù)需要靈活地將服務分配給不同的計算資源節(jié)點，并將計算結果傳輸給計算應用層。

（3）在計算資源層，它可以將CPU+GPU+FPGA 等多種運算能力結合起來，以滿足不同的邊緣計算要求。針對不同的應用，設計了異質(zhì)資源層和網(wǎng)絡資源層為網(wǎng)絡服務提供。

（4）網(wǎng)絡資源層包括接入網(wǎng)絡、城域網(wǎng)和主干網(wǎng)，是為網(wǎng)絡的基本結構信息傳送而設計的。

（5）算力管理層必須在統(tǒng)一的算力指標體系基礎上完成對算力資源的統(tǒng)一描述，實現(xiàn)算力資源的檢測、指標和OAM 管理功能，用來支持算力資源的網(wǎng)絡監(jiān)測、指標、管理和控制。

基于各層功能模塊之間的互動，定義了接口I1、I2 和I3，用于傳輸各種管理、控制和數(shù)據(jù)信息。I1 接口是算力路由層和算力服務層的接口，它能夠提供對應用信息的感知，并在業(yè)務和算力網(wǎng)絡間實現(xiàn)“服務需求”和“計算關聯(lián)資源”的映射和協(xié)商，從而使網(wǎng)絡可編程，可編程運算，可自動提供服務。I2 接口是計算路由層和計算資源層之間的接口，傳遞來自計算資源層的計算資源信息和從計算路由層推斷出的管理信息，支持計算資源和計算服務信息的識別和計算資源/服務網(wǎng)絡管理的實現(xiàn)。I3 接口是計算網(wǎng)絡管理和其他層之間的接口，負責設備注冊、績效監(jiān)控、故障處理與賬單管理。它提供設備注冊、績效監(jiān)控、故障處理與賬單管理等運行管理功能，以及成功進行網(wǎng)絡管理在合理計算服務層、計算資源層、網(wǎng)絡資源層、計算路徑層。算力感知網(wǎng)絡是一種能夠提供無處不在的網(wǎng)絡連接、高分布的計算節(jié)點的新型融合計算網(wǎng)絡，使用自動化服務，新的基于計算的網(wǎng)絡體系結構，優(yōu)化路由與負載均衡，它將最終確保最佳的用戶體驗、最佳的計算資源使用和最佳的網(wǎng)絡效率。

算力感知網(wǎng)絡架構圖如圖1所示。

圖1：算力感知網(wǎng)絡架構圖

4.2 低碳感知網(wǎng)絡

計算機網(wǎng)絡中的點對點分配計算，增加了許多新的任務，如任務減法、數(shù)據(jù)分配和數(shù)據(jù)聚合，這不可避免地增加了網(wǎng)絡資源的使用，消耗了大量能源。首先，作業(yè)分配要求附加的運算及儲存資源。其次，向多個分布的數(shù)據(jù)中心傳送分布數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡資源的需求較大。最后，上述計算、存儲和網(wǎng)絡資源的收集和處理都是必要的。這些額外的工作負載導致了高能耗，這對算術網(wǎng)絡的環(huán)境友好和低碳發(fā)展構成了嚴重挑戰(zhàn)。需要找到適當?shù)慕鉀Q方案和戰(zhàn)略，以避免計算機網(wǎng)絡的發(fā)展導致能源消耗的迅速增加，這與東西方國家的目標相悖，并對“30/60 戰(zhàn)略”產(chǎn)生負面影響。能耗感知的網(wǎng)絡架構對于能源/內(nèi)容分配和電網(wǎng)的識別、互連和聯(lián)合規(guī)劃是必要的。高能效電網(wǎng)結構從邏輯上劃分為六大功能單元：電網(wǎng)-能源合作應用層、能效管理層、能耗/能源路由層、能源資源層、能源提取和控制層以及電網(wǎng)傳輸層。能源資源層作為具有不同特點的算術電網(wǎng)基礎設施層提供能源；能源采集和管理層、電網(wǎng)傳輸層、能耗/能源路由層、電網(wǎng)節(jié)能協(xié)同應用層與節(jié)能管理是低碳電網(wǎng)中應用、分析和控制能源消耗的五個主要功能模塊。能源消耗和使用的收集、分析、控制和管理將在計量網(wǎng)絡中的六個確定的功能模塊基礎上實施。

（1）能源計算合作應用層。一方面，收集能源消耗/能源路由層的信息，并與計算機網(wǎng)絡的資源相結合，進行能源效率分析，并與計算機網(wǎng)絡的資源合作確定節(jié)能路由。另一方面，它從外部轉發(fā)所有可能的請求和應用，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡計算資源和能源資源的調(diào)度，并將請求轉發(fā)給路由層，其結果反饋給請求和應用。

（2）能效管理層。有必要在共同能源消費/能源核算框架的基礎上，對公共能源的抽象進行說明，并進行能量消耗/能量來源的收集、核算和ODS 管理功能，為收集能源/能源資源提供資助、核算、管理與控制，管理碳排放和能源利用，并為未來的碳交易提供支持。

（3）能源資源層。識別、測量和收集網(wǎng)絡使用的能量以提交給路由層，同時配置路由層定義的能量要求?；诟鲗庸δ苣K之間的合作，I1、I2 和I3 接口被定義為用于傳輸不同的控制、管理和數(shù)據(jù)信息?！敖涌贗2”是能源計算路由層和能源消耗/能源資源層之間的接口，它支持能源消耗/能源信息的檢測，并通過傳輸來自能源消耗/能源資源層的信息和能源計算路由層發(fā)出的管理信息來執(zhí)行能源計算資源/服務網(wǎng)絡的檢測和管理。接口I3 是能源管理層與其他執(zhí)行能源登記、能耗建模、PUE 管理和碳管理等運行管理功能的層之間的接口，并通過能源管理層確保對能源資源層、能源管理層、電網(wǎng)運輸層、能源消耗/能源路由層和能源計算交互應用層的管理。

低碳感知網(wǎng)絡架構圖如圖2所示。

圖2：低碳感知網(wǎng)絡架構圖

5 結束語

這樣的信息系統(tǒng)需要有指令輸入硬件，以便向不同的處理器輸入不同的指令，而且在應用軟件的設計中必須分配通信時間，這個通信時間包括什么時候和多長時間的通信，也就是說，通信時間是有明確規(guī)定和嚴格控制的。一般來說，溝通的作用也有明確的規(guī)定，并受到嚴格的控制。