2024年超融合网络架构研究与实践报告

Superconverged Network Architecture, SoNA 邬江兴 国家数字交换系统工程技术研究中心（NDSC）嵩山实验室、紫金山实验室、之江实验室2024.12.12北京 理想网络愿景 支持“空天地一体化”“存算通感智体化”“人机物网一体化”“安全可信多元融合 必须探索全维度多自目标可持续协同发展的新视角、新方法论和新的实践规范 当前网络架构面临前所未有的理论和技术挑战 必须化解或转化全维度多自标协同发展需求与统一基础设施的矛盾 现有通信、计算分离的架构难以满足大数据/智能服务时代“存算通感一体”计算力、存储力、传送力的要求。 缺芝能同时满足“空天地一体”“通感算存一体”、人机物网”深度融合等多样化服务需求的统一基础设施 网络架构发展模式和技术路线困境 PartI技术挑战 理论研究困境：理想网络存在与否、当前发展道路正确吗？ 长期以来，网络技术体制研究始终缺乏理论方向和系统预见性 “过河”想法很明确，前几块“石头”既能看得见也能踏得上（新一代或下一代等等），然而始终为 PartI技术挑战 网络架构发展的“分段函数曲线 一切事物发展轨迹通常不是连续的，总是存在间断或转折点需要用分段函数来表达人类既往的网络架构实践已出现过多个转折点和发展阶段 Partl 网络架构发展第一范式 技术挑战 以网络业务为中心，网络即业务 思维视角：端到端转发，网络即业务，业务由网络提供： 二段式方法论：1.不同种类业务采用不同架构网络；2.基于定义明确的多媒体业务设计综合业务网络（ATM）： 二个发展阶段：a.用多种网络分别提供电话或电报或电视等多种业务：b.用五种顿结构（AAL1～5）承载四类多媒体业务（ATM） 天花板问题 网络与业务强绑定，严重制约业务可扩展性或经济性部署 Part I 网络架构发展第二范式 技术挑战 以业务数据透明转发为中心，网络即管道 一个思维视角：网络只是负责业务数据端到端转发，不关心数据表达的业务是什么： 2.控制与转发分离，数据转发模式onebyone可编程更新（SDN)）： b.控制平面通过下发流表方式管控数据转发平面（SDN） 天花板问题 无法确保业务承载质量，端到端模式限制功能可扩展性 Part I技术挑战 基于技术经济学视角研究网络架构要素集合关系 可扩展性 一个前提 任何一种网络架构在可扩展性前提下都要研究经济性有效性和包容性三者间的关系10 PartI技术挑战 创立单一体制网络“不可能三角通用解构模型 当扩展性为全生命周期全局变量时，业务特征、业务分布等都是时间的函数静态的Multimode模式无法匹配动态的应用场景及业务变迁 引理1：一个单一网络架构，若能够同时达到S与M的最优能力，则必然舍弃对于V最优的追求 单一体制网络不可能三角定理 现实物理环境和满足全生命周期可扩展性前提下，任何单一网络架构不可能在S、M、iV三极能力上同时达到最优，又称SMV困境 引理2：一个单一网络架构，若能够同时达到S与V的最优能力，则M必然不能达到最优。 引理3：一个单一网络架构，若追求同时达到M与V的最优能力，则必然舍弃对于S最优的追求 Part Il总体构想 证明“SMV空间不可能存在理想网络 基于经济性视角的“不可能三角”通用解构模型可以证明当可扩展性为全生命周期全维变量时S、MV三维空间内不可能存在包括SV、MV、SM、SMV子集的SMV完备交集即不存在理想网络 Part I技术挑战 任何专用网络架构内不存在SMV完全交集 当可扩展性为全生命周期变量条件下，在SMV空间若要满足SM交集域内对确定性业务类型和服务质量的扩展性要求，只能以牺性V的可扩展性为代价 “网络即业务”模式（各种专用网络） 一实现效果：提供有质量诺的服务：满设计的复用（经济）性。 存在问题：可支持的业务种类受限，技术经济上无法为每类业务兴建专用网络基础设施。 综合数字业务网体制内不存在SMV完全交集 Part I技术挑战 当可扩展性为全生命周期变量条件下，在SMV空间若要满足SV交集域内对业务类型多样性和服务质量确定性要求，只能以性M的可扩展性为代价。 “多种网络集成Multimode”模式（ATM） 实现效果：当可扩展性为局部变量时，ATM可视为四类边界清晰业务的一体化集成表达(Multimode) 存在问题：网络架构不支持超越预期业务范畴的可扩展性。14 Part I技术挑战 IEEE网络与业务分离IP架构内不存在SMV完全交集 当可扩展性为全生命周期变量条件下，在SMV空间若要满足MV交集域内业务多样性和服务经济性要求只能以栖性S的可扩展性为代价 “网络与业务分离”模式（IP网络） 实现效果：显著提高了端到端多媒体业务创建的灵活性和多样性； 存在问题：无法支持未来“人机物网”泛在互联深度融合、超越“端到端数据传送”的智能服务、承载性能确保、可信服务等多样化应用场景需求。15 PartI技术挑战 软件定义网络SDN内也不存在SMV完全交集 软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）能够解决数据转发模式被固化的问题，可在相关运营阶段修改或重新定义数据转发模式。但是，实例化目标网络样例仍旧日是“以一种新的模式onebyone更替旧有的转发模式，不能满足多种体制网络共生共存、独立演进变革要求” 功能安全&网络安全&数据安全交织叠加问题挑战 网络安全威胁正从、“信息域”扩大到“信息域+物理域+认知域” 既有的网络架构存在六个基本矛盾 全生命周期可扩展性与SMV完全交集的矛盾2.刚性网络基础设施与应用场景多样化的矛盾3.端到端透明转发与人机物网融合服务的矛盾4.堆叠式复杂网络与新域新质安全问题的矛盾5.全维进化与适应能力与有限软硬件资源矛盾6.存量网络资产利用与新型网络架构部署矛盾 迄今为止的所有努力-违背控制论第一性原理 单一架构+虚拟化：无法突破MSV/EPF困境 刚性架构不能满足多样化应用需求，堆复杂性同样无法解决多样化应用问题 PartI技术挑战 网络架构发展的第一性问题思考 业务发展的不确定性需求及多样化应用网络架构与统一基础设施建设、运营及投资经济性矛盾 不断扩展的垂直行业小众化分众化、个性化应用场景与单一的、端到端的网络架构之矛盾 理想网络”究竟是否存在、网络部署只能遵循onebyone升级换代模式？能否化解基础设施统一性与应用网络多样性需求矛盾？ 超融合网络架构 SuperconvergedNetwork Architecture,SoNA Part Il总体构想 网络架构研究需要开辟“第二曲线 “一切事物的发展都逃不开S型曲线（第一曲线）如果企业或行业能在第一曲线达到巅峰之前，找到二次腾飞的“第二曲线”，并在第一曲线达到顶点之前开始增长，那么，永续增长的愿景就能实现 《第二曲线》英国著名管理大师查尔斯·汉迪（1997年） Partli超融合网络 探索应用网络vs支撑环境分离新发展范式 单调架构无法解决 业务/网络多样性 不同应用场景不同计算环境不同业务种类不同数据类型不同性能要求·不同安全风险..... 三种无法回避的问题 跳出“业务与网络分离、控制与转发分离、onebyone换代”思维定式发展应用网络架构与支撑环境相分离模式，化解多样性与统一性矛盾 Part Il超融合网络 物理学启发--增维求解法则 在问题的原有维度上不能解决问题，只能呈现问题时，只有增加维度，才能解决现有问题 洛伦兹四维空间 洛伦兹变换通过将时间维度引入传统的三维空间坐标系，为相对论提供了时空一体化的思维视角成功破解了笼罩在传统物理学上空的“乌云” Part Il超融合网络 控制论第一性定律--必要多样性定律 1956年，英国神经生理学家及控制论学家，威廉姆·罗斯·艾什比(W·R·Ashby）在《控制论导论》著作中提出：“自然界只有多样性才能摧毁多样性“。换言之，就是只有复杂度更高的多样性，才能胜任摧毁另一个多样性的功能。必要多样性定律也意味着适应和进化能力，以及应对发展过程中不确定因素影响的能力 从必要多样性定律可以导出与SMV困境定理相同的结论：即S、M、V三维空间内，任何单一的网络架构或转发模式都不具备适应业务及应用场景多样化发展过程中不确定性影响的进化能力 必要多样性是“SMV完备交集理论层面存在性不可或缺的前提条件 Part Il超融合网络 物理世界统一性与物质世界多样性机理启示 物质世界生成/进化式多样性 在四维时空，基本元素通过化学键有序连接形成分子生成具有功能属性的分子再合成丰富多彩、千姿百态的有机和无机世界。 物理世界的统一性表达 97种自然存在的基本元素 如果“摆脱网络与业务说不清理还乱”的惯性思维，“用合适的网络承载合适的业务”则第一曲线饱和区问题就可转化为基于自然界启示可破解的统一基础设施与网络多样性矛盾问题 多样化网络体制与统一基础设施矛盾解决之道 Part Il超融合网络 统一性表达 --- F网络基线技术元素化 网络基线技术的本质是当前软硬件资源向边界清晰业务映射的共享表达方式，在SMVT时空上实现SMV完备交集时，不同的网络模态或转发模式应具有不同的软硬件资源映射方式。 PartIl超融合网络 多样性表达--软硬资源动态聚合/编排 SMVT四维时空上，不同时段网络模态或转发模式类型、数量、各模态占据的共享性质的软硬资源会发生动态变化，网络资源的“聚合”方式也应随之动态改变。 变化的服务需求通过服务质量反馈，引起资源聚合方式的重构，记重构方法为L=fL.SBeD 促使资源聚合方式改变的直接原因是网络模态或转发模式的生成式变换超势。 理论证明：理想网络可以等效为多体制网络函数在SMVT空间的投影叠加 Part Il超融合网络 第一发展曲线起点：三多模态网络环境发展范式 生成式多体制网络 思维视角：SMV困境定理和必要多样性定律指出：任何单一网络架构或转发模式，都不可能具备应对发展过程中不确定因素影响的适应与进化能力，唯有在SMVT四维空间上才可能 网络基线基线元素化软硬件资源动态聚合软件定义互连应用网络模态可编排 净态集成表达 弹性设计为基本方法，构建基十云化设施的多样化网络模态生成式支撑环境。 实践规范：多种应用网络及相关业务可以“软件定义或生成式多样化网络模态方式”在“网络之网络”一多模态网络环境上动态加/卸载、共生共存、相互隔离、独立演进或变革。31 借用生物学多态或多形概念（包括时空维度上的演进与变革形态）将第二曲线起点简称为：多模态（智能）网络环境发展范式 Polymorphicintelligence Network Environment paradigm,PNE 超融合网络架构---基于云化设施的多体制网络 统一的网络支撑环境 Part Il超融合网络 超融合网络架构-基于AI的生成式应用网络模态 构建网络领域AI专用模型赋能网络模态生成工具集，精准理解用户用网意图，提供模态设计、模态开发、模态编排模态部署等一体化能力，实现应用网络模态的自动化、智能化生成。 Part Il超融合网络 超融合网络架构基于构造决定的内生安全网络弹性 构造决定安全”赋能功能安全、网络安全、数据安全三位一体“环境加密“支撑环境 基于内生安全理论和DVR完全交集构造，在超融合网络软硬件系统中形成一个内生安全赋能的高可信、高可靠、高可用三位一体网络弹性环境一体化解决网络安全功能安全至信息安全等三重安全问题，实现多体制网元、网络模态、网络控制、领域专用AI模型等超融合网络要素的内生安全。 Part Il超融合网络 超融合网络架构--云原生支撑平台 云化设施将计算、存储、网络等软硬件资源池化用虚拟机虚容器、微服务等方式呈现，与多模态网络环境在实现方法上具有相同/相似性与天然融合性 实现天空地人机物