蔡维德：链网应考虑采用路径模型

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在当今世界，出于经济和国家战略原因，建设各种类型的网络是一个优先项目。几乎所有国家都在努力建设各种类型的网络:区块链网络、移动5g网络等等。思科甚至创造了“物联网”这个术语。当我们完成时，我们期望得到什么样的网络？或者，我们对这些网络有什么样的期望？

连锁互联网系列(5)

2019年2月26日

在当今世界，出于经济和国家战略原因，建设各种类型的网络是一个优先项目。几乎所有国家都在努力建设各种类型的网络，包括:区块链网络、移动5g网络、内容/媒体网络、智能交通网络/汽车网络(ITS:智能交通网络；广域网(Vanet):车联网(vehicle area network)，物联网/信息技术:工业物联网、智能城市/建筑/家庭网络、医疗物联网、智能电网、自动化工厂网络、云网络等。这一点得到了所有国家的广泛认可，因此思科甚至创造了“互联网即一切的互联网”这一术语。

在这些建设中，需要投入巨大的资金，所以我们必须问一个问题:当我们完成时，我们期望得到什么样的网络？或者，我们对这些网络有什么样的期望？

所有这些网络实际上都是信通技术基础设施。上层(第5层及以上)适用于特定的应用，这些设施通常不能由不同的应用共享；而较低层(第4层及以下)可以由不同的应用程序共享。在上层，关键问题是qoa(应用程序的质量；；应用质量)；在较低层，关键问题是qon(网络质量；；网络质量)。

那么网络的质量是什么？我们如何衡量或描述qon？

高网络质量就是高连通性、高传输容量和低延迟

最常用的qon衡量标准包括连通性、传输容量、延迟、通信错误率、可用性和能耗。在这些衡量标准中，连通性是最基本的，也是一个零一的衡量标准:有(1)没有，没有(0)。在大多数情况下，通信速率与通信错误率成反比。因此，传输量和通信错误率不是独立的衡量标准。通常，可用性和能耗被认为是不可避免的要求。例如，电信设备通常需要99.999%的可用性，而无线设备可能需要24小时甚至10年的电池能耗。因此，在本文中，我们将重点关注三个指标:连通性、吞吐量(传输)和延迟。

我们的选择与国际电联一致；他们的5g设计目标可以概括为三个方面，如图1所示:三角形的顶部是超高传输容量(1-20 gbps)，而右上角是超低延迟(；；；；1毫秒)，而左上角是巨大的连通性。

图1国际电联5g网络质量

在这三个指标中，连接性在实践中通常是自动的，或者需要最少的工作。更难实现的是高传输容量和低延迟。对于大多数网络，高传输容量和低延迟通常是昂贵的。一些应用需要没有低延迟的高传输容量，而另一些应用需要没有高传输容量的低延迟。虽然不同的应用对传输容量和延迟有不同的要求，但是从网络设计的角度来看，高质量网络必须同时具有高传输容量和低延迟才能得到最广泛的应用。

在ITU文件中，ITU列出了大量高频段、低延迟的用例。例如，自动驾驶汽车有以下三个要求[1]:

速度高达500公里/小时(310英里/小时)，1毫秒时的超低延迟

峰值数据速率为20千兆位/秒，速度高达500公里/小时(310英里/小时)

非常高的密度，可以连接多达100万辆汽车和设备

在其他应用领域，如金融区块链，高传输容量和低延迟也非常重要或关键。许多金融交易都有时间限制，如交易、清算和银行结算。目前，金融系统的清算应该在一天内完成。虽然一些金融系统在现场完成结算，但许多系统仅在交易后要求结算，以便回滚并允许监管单位有时间核实资金来源。数字令牌系统在那时结算，但交易可能需要一个小时才能完成。与目前的金融系统相比，交易可以在一秒钟内完成，但结算必须等待监管机构和银行的批准。因为交易所、证券公司、监管机构、银行、清算所和注册中心都是不同的单位，它们都通过网络相互交流。因此，网络路由时间控制(低延迟)非常重要。许多金融机构使用特殊的网络来解决这个问题。但是，由于机构太多，这个方案不能适应用户，必须使用互联网或未来的区块链互联网。

两种互联网:路径或链接模式

为了设计一个高质量的未来互联网，我们必须面对一个基本问题，即这种新的网络是基于路径模型还是基于链接模型？

今天的互联网是基于数据报模型(或链接链接模型)，链接链接模型是更大的端到端模型的一部分。在本文中，我们将不区分数据包和数据报。在过去的几篇文章[2-4]中，我们讨论了端到端原则的优缺点。在本文中，我们比较了数据报模型和路径模型。

起初，互联网的设计者认为开放的、独立于应用的分布式体系结构最适合高性能、高扩展性和易配置。他们认为，因为每个节点可以对每个数据包做出决策，所以网络可以实现可靠性和可扩展性；相反，路径模型，也称为虚拟电路模型，不能。当数据报模型被提出时，路径模型已经在传统电话公司中使用了50年。然而，在20世纪90年代后期，路径模型被数据报模型所取代。

20多年后，很明显，端到端数据报模型的预期优势已经实现。然而，他们没有告诉我们这个模型隐藏的缺点。事实上，在互联网蓬勃发展之后不久，这些缺点迫使一些实际系统违背了端到端模式:例如，网络地址转换(nat)违反了端到端原则。各种代理的部署(如http代理、tcp代理等。)也违反了端到端原则。

最初的互联网设计师并不认为qon很重要。为此，他们声称互联网的设计是基于尽力而为的模式。这种设计通常会导致最差的性能，因为互联网的设计没有考虑任何提高质量的措施。它们注重可伸缩性和健壮性，这两个属性旨在实现连接性。但这只是最基本的qon。如果未来互联网能提供更高的生活质量，我们必须重新考虑链接模式的选择，即路径模式。原因是在链接模式接管互联网之前，路径模式已经为传统电话公司提供了50年的服务质量。

可控性和qon可扩展性

数据报模型有一个根本的弱点，即它不能有效地控制路径上的流量分布。在数据报模型下，路由基于下一条链路。设置路由表非常简单:只需查看目标节点，并为转发准备一个链接。这是路由器的基本操作。然而，这个简单的程序缺乏对数据包路由的有效控制。这种设计就像事先没有做好足够的准备，却陷入了困境。

这是因为在数据报模型中没有路径的概念。改善路径上的流量状况的唯一方法是改善路径中所有链路的流量分布。但是，路径中的每条链路都与其他流量共享，并且路径会实时动态变化。因此，在数据报模型中，单个路径几乎不可能在不受其他流量影响的情况下改善其流量分布。

因为没有有效的路径控制，所以不可能为单个应用提供高qon。要解决这个问题，您必须使用昂贵的解决方案，例如专用路径(与其他流量隔离)或过度配置(共享该路径的所有流量也会受益)。但是一旦昂贵的方案被采用，互联网(共享)的好处将基本消失。

相比之下，vc网络的流量很容易控制。控制vc的流量间接控制链接的流量。通过对vc流量进行整形，我们可以很容易地在所有链路和所有路径上进行流量整形。

在路径模型中扩展qon相对容易。进入vc网络后，增加或扩展每个应用的qon都很简单:只要路径中的所有链路都有足够的带宽，路径qon就会相应提高。因此，很容易为每个路径或用户或应用程序完成扩展qon所需的设置。主要原因是vc模式允许任何硬件或软件的改进在很大程度上局限于特定路径的流量。

错误传播和网络问题

如今，网络工程已经成为一种黑色技术:一些常见的网络问题异常困难，但只有少数有能力的网络工程师能够解决它们。主要原因在于数据报模型。数据报模型的一个问题是错误传播。当路由表中出现错误时，路由器处理的数据包可能会受到影响。在数据报模型中，没有路径的概念，路由器根据链路盲目转发数据包，转发的选择与数据包的路径无关。当路由器处理不同路径的数据包时，数据包很可能会偏离预期路径，因此数据包无法到达目的地或到达错误的节点。这种现象称为数据包泄漏。在我的职业生涯中，我们经常需要设计隔离网络，以确保数据包不会进入意外区域。

问题源于不同路径中的所有数据包都遵循路由表指定的链路。如果网络中的所有路由表都正确，数据包将被正确地传输到正确的目的地。然而，没有人能做到这一点，即使是最好的网络工程师也不能完全保证。随着新的应用程序和配置被添加到系统中，几乎不可能确保所有数据包都被传送到正确的目的地。

因此，实际上不可能保证路由表的正确性。这是路由网络成为黑色技术的根本原因。根据我的经验，路由或网络导致的额外时间约占项目总时间的20%甚至40%。这是巨大的浪费。如果所有的技术公司都能节省20%-40%的项目开发时间，收益将是巨大的。

相反，vc配置中的错误不容易传播。原因是，每一个vc，如果设置正确，将没有循环，从起点到目的地。如果发生错误，该错误仅限于vc中的数据包，不会影响其他数据包。这样，vc配置表中的错误将不会传播。调试vc配置比调试ip路由要简单得多，因为VC中的每个下一个节点对网络工程师来说都是清晰可见的。一旦vc被大规模部署，ip路由中的问题将大大减少。技术公司的工程开发节约将是巨大的。

路径计算成本

对于每个应用程序，总是有一组接收节点和一组发送节点，因此路径总是很重要。数据报推动者认为，在所有路径中选择最佳(从某种意义上说，最短)路径的计算成本很高。然而，选择最佳路径与选择下一条链路一样昂贵。许多人认为，为了保持优化的路由，一个庞大的网络系统需要维护大量的路径。他们认为在每台路由器上，可选链路的数量是有限的。事实证明这是一场误会。当路线优化时，每个od(始发地和目的地)对通常不超过2条路径[5]。从计算成本的角度来看，路径模式实际上优于链接模式[6]。

路由稳定性

在未来的区块链互联网，另一个重要的问题是可靠性。特别是，监管者的核心价值是网络基础设施的稳定性和安全性。在这方面，数据报模型是不够的，因为重要流量的路径是不确定和动态的。相反，在vc模型中，路径只能从几条固定路径中选择，路径流量分布的动态变化处于准静态。从控制和管理的角度来看，vc网络更容易管理，所以更安全、更稳定。许多顶级金融机构，包括许多中央银行、dtcc和swift，都遵守pfmi制定的严格要求。他们想要的不是速度，而是合规性、可靠性(稳定性)、安全性、成本效益、可操作性和最优性。

路径设置成本

与数据报模型相比，有必要在路径模型中建立虚拟电路。然而，设置(或配置)虚拟电路的成本并不太高。首先，设置是一次性事件。一旦设置了虚电路，它就可以永久使用(直到路径被设备改变)。设置成本可以在vc的整个生命周期中分摊。从这个角度来看，成本很低。

事实上，设置vc是一项成熟的技术:在MPLS(多协议标签交换)、atm(异步传输模式)或fr(帧中继)网络中设置vc。如今，在许多运营商的网络中(如移动运营商、isp运营商、cdn运营商等。)，由于对qon的需求，已经使用ip路由配置了许多固定路径(相当于vc)。因此，配置虚拟电路只是为了更大规模地应用现有算法。

相比之下，设置路由表的成本非常高。如前所述，很难确保节点上一个路由表中的错误不会对根据另一个路由表路由的数据包的正确路由产生不利影响。当存在数据包泄漏、数据包循环或数据包未能到达预期目的地时，调试路由表的成本将远远高于调试vc配置表的成本。

低延迟成本

低延迟是许多重要应用的关键属性:例如，金融市场交易、实时监控、汽车联网、工业互联网和触摸互联网。其中，一些应用，如自动车辆、自动化工厂和远程医疗，要求极低的延迟。如今，大多数内容分发网络(cdn)运营商花费大量资金来确保内容和用户之间的延迟小于5毫秒。在部署5g时，一些运营商的目标是使从内容到用户的延迟少于5毫秒，甚至1毫秒。为了实现这样一个困难的目标，运营商依靠移动边缘计算(MEC)来最小化延迟。

然而，这种解决方案非常昂贵。为了减少延迟，运营商将内容移至边缘，这大大增加了服务器和存储的成本。为了降低成本，他们依靠云计算来分担计算和存储成本。然而，随着云计算对共享资源的虚拟化，当硬件机器从一个软件切换到另一个软件时，延迟将会增加。当延迟增加时，tcp吞吐量也会降低，这将部分抵消mec的好处。因此，这种解决方案不经济。

但是有一个基于vc模型的更好的解决方案。劳伦斯·罗伯茨是互联网的四大创始人之一。他是少数几个大力提倡vc模式而不是数据报模式的人之一。他在网站上保持了20页不变:“显式流量控制可以将tcp性能提高100倍”[5]。他的基本论点是，基于vc模型，通过使用来自网络的显式反馈信息，可以极大地改进tcp。他的方法与控制理论的预测是一致的:根据控制理论，当系统是可控制和可观测的，它可以被极大地优化，并且是稳定和鲁棒的。

过去，他预测tcp可以提高100倍。如今，这一预测已经被一些公司超越，如filecatalyst和aspera(ibm)。新记录是1000次，见[4]。他的论点可以通过下面的图片来理解:

图2: tcp传输可以增加100倍以上

基本上，tcp在可控性和可观察性方面存在缺陷。使用vc模式，新的区块链互联网应该至少是10-100的1000倍，甚至比旧的(现有的)互联网好1000倍。正如我们在上一篇文章[4]中所讨论的，这个数字是控制时间和时间尺度对于优化互联网性能非常重要的另一个证据。

如果在vc模式下使用优化的tcp，对边缘计算的需求将大大消失。这是因为用户会发现tcp吞吐量不会根据往返时间(rtt)而降低。当这个目标实现时，路径中增加的延迟不会影响吞吐量，只会影响初始延迟。这样，对于以吞吐量为中心的应用程序，就不需要将内容移动到边缘。这将大大降低向用户提供内容的成本。

比较概要

下表显示了数据报/链路模型和虚拟电路/路径模型之间的权衡差异。