网络架构驱动下针对性软硬件技术开源的思考

李永俊

（山西警官职业学院 山西省太原市 030006）

过去，信息化最突出的特点就是在不同层面上都有自身的需求，传统的计算以信息量为基础，工商业的信息化以稳定性和实时性为基础，而新兴的物联网则以安全性为基础，与人类的生产息息相关，融为一体。显然，将信息自然分离到上述不同领域，将不利于整个信息技术的发展，为了达到整个信息化的目标，必须突破信息的界限，把信息融合起来，以前的 TCP/IP、TSN、MQTT 等协议都是在互联网上领先的，也有一些产业已经建立了专用的网络，可以兼容多种互联网协议。而安全的需求，往往需要厂商自己去保障，这样的结果，要么是标准不足，要么就是效率太低，尤其是在人类即将面临的虚拟世界和元宇宙的时候，信息技术已经不能满足这个时代的需要了，所以必须进行一次全面的信息化建设，以确保信息的标准化和高效率。

1 赋予设备角色属性

（1）主控，一般是计算节点。

（2）装备内建角色既是人控的需求，又是安全需求。

世界上的人物命名体系分为十个等级，每一个等级都用“.”来划分，如果缺少任意一个等级，就必须空出来，因为每一个等级的主控是最小标号名称，这意味着，任意一个等级的主控全部都是1，如果要表示一个级别的主控设备，名称标题就是#1.而在这个标题名称后面则是标题的定义，任意一个名称可以用来表达这个角色的意思。由一级公司主控的全球动态展示信息系统进行管理，其定义如下：#13895.54736........23567:#.........电机23，若将每个等级的名字全部联系到一起，则可以是：世界企业信息中心.中国企业信息中心.中国烟草信息中心.云南省烟草公司信息中心.云南省烟叶复烤公司信息中心.泸西复烤厂信息中心.生产加工车间信息中心，一个预处理单元，包括三个分布I/O 站点（例如，控制面板是：预处理部分的PLC）。电机23，引擎的标题是动态决策系统决定，说明它是由人决定的，虽然不同等级有平级的信息中心，而不同级的1 则是整个信息中心，主控就是整个信息中心，如果将控制来分类的话，只有主控和被控之分。控制点的作用只是掌握和控制，主控功能要求控制器的硬件选择拨号开关，被控角色不需要选择对应的一级拨号开关，也就是所有拨号开关的默认值，都是零值，而主控功能，则要求选择对应的1 级拨号开关，代表着主控角色在某个级别。如果定义的每一级设备数量为216=65536，共10 级，那么一共有6553610=1.4615016330902918e48 个设备。

2 赋予设备时间属性

信息CPU 另外一项重要的设计目标是集成，即与其他机器进行稳定、实时的通讯，或许是与其他CPU 进行稳定、实时的通讯，这个是相对的实时概念。但是在实践中，需要100 ms 地对时和人的响应探测计时钟，可能要求1ms 的机器高速动作计时钟，可能需要10ms 的计算机实时通讯时钟，以及其他较大的时间时钟和以供机器之间的系统级通讯时钟，还有人与人沟通交流的时间。在定时电路中的应用，通常可以根据需要设置不同的时钟产生器，其中时钟周期为100μs,1ms,10ms,100ms,1s,1min，1 小时，1 天，1月，1年，通常定时电路从1ms 开始起步，每1ms 输出100μs 的定时时间，以此类推，比如，计时时间为1ms，每10ms 输出1ms，但是100ms 是一个特殊的数字，它不单单仅限于要在10ms 内输出，而且还在开始处或重启或重新启动其他时钟发生器。

当这些计时器运行时，有必要同步发送信息，在此期间，各个系统的信息CPU 检查（开启）网络，以便在非定时的时候，将正常的数据自由地进行交换。很显然，同步数据的数量不会很多，但是普通的数据量却是无限的，此外，不同级别的数据传输需要不同的数据，如对工业周边装置的共用控制，有一台高速计算机(1ms)，以及经常进行的少量数据(10ms)，在更高的层次，可以是在工业现场控制器间切换频率的降低（100ms），在以上数据是远程控制与显示间的数据交流频率进一步降低的数据（1 秒），而在这些数据中，有一种是实时的数据，比如云端游戏，又或是虚拟现实中的虚拟操作，这些都是元宇宙通用的数据，所以，如果将这些数据的同步时间设定为正确的时间（100 毫秒），则存在着一个大的计时器中含有小计时器的问题，例如，100 毫秒的计时器持续时间是10 毫秒，也就是说，每个100 毫秒中有10 毫秒是由信息CPU 专门传送数据的，而在剩余的90 毫秒（这里的情况）中，用来传送常规数据的，所以100 毫秒的起始时间与10 毫秒计时器的起始时间同时存在，那么10毫秒计时器就在100ms 之内，为了确保这两种数据的正确性，就必须牺牲一定的时间间隔。具体地说，就是在这个计时器的输出范围之内，在不允许大的计时器的输出的情况下，在10 毫秒计时器工作的连续1 毫秒中，100 毫秒计时器工作的连续10 毫秒内不使用该计时器的持续10 毫秒的起始1ms，仅利用最后9 毫秒（这里的情形）来发送数据。

3 融合信息及其软硬件实现

异构信息CPU 包括安全信息CPU（安全信息CPU 本身的安全要求必须由硬件来完成），融合（实时）信息CPU，通用信息CPU，通过一个被称作融合硬件的硬件来实现叫做融合硬件，该硬件独立于处理器的其他核心功能，仅有的关联是融合寄存器。可以通过合并的硬件来读取，也只有处理器才能读懂。融合硬件独立于单一CPU，在各个CPU 之间共享。主控制信号源必须配备准确的时钟，或者连接到一个精确的时钟服务器。第一级主控制器可以在一定时间内设置一定时刻（比如使用自己的时钟），在启动阶段，一级控制应该在首次触发时，检查一个具体的时间标记（如利用自己的钟表时间），则进行首次启动，当下一个100 毫秒到达时，将合并（时间）开始信号发送给同级控制，例如，若在各个级别中，地址数目为216=65536，则定义的广播地址为65537.0.0.0.0.0.0.0.0.0，每个被控制的融合硬件接收此融合的触发信号，随机数字发生器产生从1 到65537 的一个随机数字，并对所生成的随机数进行延迟，然后由交换机向主控制器发送其响应信号。需要指出的是，交换器是受控制的，因此，除了向其他控制装置发送信号之外，它还会发出自己的应答信号（自己也有自己的硬件和接口），主控系统在接收到融合触发信号后，根据所确定的相同设备数目和最大通讯距离来确定一段时间融合阈值，在等待期间，主控制器收到每个被控地址的响应信息，并记录每个被控地址的起始地址，在等待期结束时，主控制器首先按照这个顺序对被监测地址（不是所有地址）进行排序，随后，在下一个100ms（在这个时刻为对时间）到达时，根据一个固定的间隔，即对时分辨率（例如1 微秒），将定时信号（对时间）按顺序发送信号，每个被控的融合设备都接受一对这样的时间信号，不做任何操作，并立即返回这些信号。唯一不同的是，融合设备被专门设计为精密时钟发生器，该设备可以生成精密时钟并存储在融合设备的寄存器中。当收到反馈信号时，它首先被打上时间戳，并将其保存到合适的地址。当达到一个固定的时间（融合实现），也就是两倍的融合时间，再加上设备数目（装置数目乘以时间分辨率），就停止时间信号，通信通道长度就是相应装置的来回时间除以2 的结果。将时序数据整理完后，设备地址再次被排序，但这次是按通信路径长度排序，而通信路径时间则按序列号加校准分辨率时间排序，这与时间分辨率（传输延迟后的实际时间加上校准延迟后的实际时间）是同一个概念。要处理的两个实际时间（通讯传输和标定延时）被分别标记，事实上，主控能够精确地设定时钟的时间，更准确地说，精确时间=目前的时刻+（精确的时钟回传值-精确时间点-通讯行程控制时间-返回时间戳值的精确值）=（目前的时刻-返回时间戳值的精确值-由通讯行程时间控制的精确时间）=（目前的时刻-返回时间戳值的精确值-由通讯行程时间控制的精确时间）+精确的时钟回传值。当下一个100ms 来临时，可以根据每个控制器的分类，将校准时间发送到每个控制器。发送过程类似于发送时间信号，只是只能发送一个时间信号，标定时间传送对应的通讯和校正延迟时间（当然要有确切的校准时间）。每个可验证地接收到校准信息，收到一个时间戳，能够计算出校正时间，校正时间=校正时间-通讯行程时间-校正延迟时间-目前和收到的时间标记的差异（如果现在就进行运算，这一点可以忽略不计），和基于修正时间实时更新的融合硬件时间。

第一次等时同步通讯是在完成了修正工作之后，内容是每一个受控对象都可以为下一步执行对时。首先，每个验被控收到一个同步通讯的信号，启动了首次等时同步通讯（包括在通信协议中，在信号出现的关键时刻），然后，每个受控对象都能自己计算出100ms 的同步开始信号，在该信号结束时，当下次合并临界点到来时，全部验证程序都开始（已校正）100 毫秒合并。在下一次合并临界时刻，所有的被控开始他们（校准的）100 毫秒的融合时间，接着，开始下一阶段的相应的融合时间，以及下一个100ms 的调整。仅仅从二级开始的主设备应该有两个网络编码，一个连接到上级主设备，表示此装置为受控装置，而另一种装置则与低端控制装置相连，即此装置为主要控制装置。两套融合的硬件可以同时控制两种网络接口，由一个独立的信息处理器进行处理，每个硬件都有自己的角色设定交换机，融合硬件数据可以通过不同的融合设备进行传送。当首次配对和校准时间减少被启用时，第一次数据传输发生。HET 芯片中的合并信息处理器之所以得名，就是在100 毫秒的合并通信期间，此处理器必须处理资料传送的特性（与融合信息分开），而在合并和修正完成后，合并的信息就会出现，得到了一个角色地表达，其功能是将角色名称（地址）与有意义的人物"描述"（所谓的角色表示）相匹配，并将其汇合发送到每个相应的设备。在确认了整个网络的时间信息融合之后，就可以进行人物信息的融合，在接下来的100 毫秒内，主控设备就会向同级被控设备发出信号，融合（角色）可以开始。在接收到该信号之后，该设备在下一个100ms 的时间里被传输到下一个位置。当最后一级的信号被接收时，人物代表角色从CPU 整合资讯的角色效能寄存器中读取（如果该信号被指派给最后一级）。从CPU 角色效能寄存器（如果人为指派已完成）中读出代表人物的融合信息，以及从融合资讯寄存器中读出人物的名字，进行编译，并将该级别的地址（角色名称）延迟到下一个100 毫秒（可视的时间单位里），以保证主控设备能够对其进行操作，并确保所有可控物在10毫秒与主控制器的通讯（合并窗口时间），并将它送回主控器，当下一个100ms 即将到来的时候进行编译。如角色所代表层被选中，这个过程重复进行，直到到达第一层。当一级的主控制器完成了这个阶段的任务，在下一个100ms 到达之后，将其所收集的全部装备的角色表达连同其自身的角色表达方式，同时发送至上级的所有控制部门，在接到直属上级的命令之后，在随后的100ms 中，再次进行此操作，直到上一级最后一个控制机构收到这一信息。

然后，每个人都会得到自己想要的人物信息，也会知道其他装备的角色信息，更会知道自己的最高一级的角色代表信息，以及除了自己的上一级以外的其他下级的信息，也知道直接下级的角色代表讯息，这相当于任何设备根据其所在的位置，可以由同级别或直接上级的角色特征来确定，因此，通过角色特征的互相识别，可以传递这种关系，将角色信息与设备关联起来。一旦完成了人物信息的整合流程，下一次信息合并将在接下来的100 毫秒内开始，以此类推，随着设备的增加或减少，继续进行动态合并，当第一个装置位址有冲突时，必须重建装置位址，然后再进行一次合并。关于第一次加入的角色信息，这就是校准和角色信息的提供，对于已经纳入地来说，这就是修正。还有一个问题是，融合这些信息需要相对强大的硬件，配备能够存储65536x2+1 信息框的内存。在设备正常运行后，可以通过正常通信将所有网络角色信息汇总到第一级基本控制处。还应注意的是，尽管每个设备的角色表示在正常操作后呈现在融合信息处理器的专用寄存器中，但角色表示值仍必须从异构信息芯片中读入融合信息硬件，由主控设备验证并作为单一实时值输出，以确保角色融合信息的一致性。为了确保融合信息处理器和安全信息处理器之间的实时处理，基于实时变更的工业信息系统，有两个关键问题：冗余的必要和隔离时间的需求。由于融合资讯处理机与安全性资讯处理机所用的硬件相同，有相同的时钟控制，并且可以存取同一个内存，所以硬件需要更改，设置一个用于将处理器内部寄存器进行比较的硬件周期，并且在每次指令完成后请求中断之前，对两个处理器的寄存器进行比较，当发生变化时，会触发其中一个中断，然后对它进行重新排序。

将中断的优先权提升到能够使一个中断程序在一个硬件测试程序上工作，例如将所有的寄存器都设置为一个已知的数值，并执行一个指示，例如一个加法，并查看它的结果是否符合缺省；还应注意任何差异，并在下次重新复检，以查看硬件的状况。“隔离时间”是指不使用与处理器隔离的MMU（Memory Management Unit）硬件，不分离该处理器，不抽象存储地址，使用真正的地址，但具体的应用程序需要相互分离，并且所有的应用都来自一个具体的应用，硬件与外部设备是独立的，无法直接调用硬件和外部设备，而硬件则通常是由安全信道来访问的。一般是软件被抽象化，只有从安全软件中提取的软件可以为特定的程序所使用，而非由硬件来直接使用。这主要的目的都是为了维持实时运行状态，同时确保系统稳定。安全信息处理不仅需要将信息CPU 与冗余的安全信息处理CPU 相结合，而且还要处理冗余的信息的检索、传输和执行。

4 算力网络架构

4.1 算力感知网络

算力感知网络是一种新的网络架构，旨在连接运营商网络和计算机网络。通过计算与网络资源的联合调度，来自不同应用的服务请求被安排在一个最佳的计算节点上，以在保证最优的网络和计算资源的使用的前提下，获得最优的用户体验。该网络基于已有的网络技术，将分散的运算结点连接到一个整体网络上，建立一种全新的运算感知网架构，以保证网络在不同位置即时处理运算资源，提升网络与计算资源的使用效率。这会让互联网变得无所不达，让无处不在的计算能力成为现实。

为实现计算机与网络的发现、连接规划和协作，从逻辑上和功能上来说，它分为五个主要的功能模块。计算机应用程序层，计算管理层，计算资源层，计算转发层，以及网络资源层.计算资源层和网络资源层是一种新型的算术网络架构层；算术服务层、算术路由层和算术网络管理层作为三个主要功能模块，能够构建可感知、可监控和可管理的算术网络。根据五个定义的功能模块，可以实现感知、控制、管理计算机和网络资源。

（1）计算应用层用于各种计算函数和应用程序，并将用户向SLA 业务的请求发送到计算路由层，其中包含了计算请求。

（2）计算路由层在抽象资源被发现的基础上收集用户服务请求、网络数据和计算资源信息，根据需要灵活地将服务分配给不同的计算资源节点，并将计算结果传输给计算应用层。

（3）在计算资源层，它可以将CPU+GPU+FPGA 等多种运算能力结合起来，以满足不同的边缘计算要求。针对不同的应用，设计了异质资源层和网络资源层为网络服务提供。

（4）网络资源层包括接入网络、城域网和主干网，是为网络的基本结构信息传送而设计的。

（5）算力管理层必须在统一的算力指标体系基础上完成对算力资源的统一描述，实现算力资源的检测、指标和OAM 管理功能，用来支持算力资源的网络监测、指标、管理和控制。

基于各层功能模块之间的互动，定义了接口I1、I2 和I3，用于传输各种管理、控制和数据信息。I1 接口是算力路由层和算力服务层的接口，它能够提供对应用信息的感知，并在业务和算力网络间实现“服务需求”和“计算关联资源”的映射和协商，从而使网络可编程，可编程运算，可自动提供服务。I2 接口是计算路由层和计算资源层之间的接口，传递来自计算资源层的计算资源信息和从计算路由层推断出的管理信息，支持计算资源和计算服务信息的识别和计算资源/服务网络管理的实现。I3 接口是计算网络管理和其他层之间的接口，负责设备注册、绩效监控、故障处理与账单管理。它提供设备注册、绩效监控、故障处理与账单管理等运行管理功能，以及成功进行网络管理在合理计算服务层、计算资源层、网络资源层、计算路径层。算力感知网络是一种能够提供无处不在的网络连接、高分布的计算节点的新型融合计算网络，使用自动化服务，新的基于计算的网络体系结构，优化路由与负载均衡，它将最终确保最佳的用户体验、最佳的计算资源使用和最佳的网络效率。

算力感知网络架构图如图1所示。

图1：算力感知网络架构图

4.2 低碳感知网络

计算机网络中的点对点分配计算，增加了许多新的任务，如任务减法、数据分配和数据聚合，这不可避免地增加了网络资源的使用，消耗了大量能源。首先，作业分配要求附加的运算及储存资源。其次，向多个分布的数据中心传送分布数据，对网络资源的需求较大。最后，上述计算、存储和网络资源的收集和处理都是必要的。这些额外的工作负载导致了高能耗，这对算术网络的环境友好和低碳发展构成了严重挑战。需要找到适当的解决方案和战略，以避免计算机网络的发展导致能源消耗的迅速增加，这与东西方国家的目标相悖，并对“30/60 战略”产生负面影响。能耗感知的网络架构对于能源/内容分配和电网的识别、互连和联合规划是必要的。高能效电网结构从逻辑上划分为六大功能单元：电网-能源合作应用层、能效管理层、能耗/能源路由层、能源资源层、能源提取和控制层以及电网传输层。能源资源层作为具有不同特点的算术电网基础设施层提供能源；能源采集和管理层、电网传输层、能耗/能源路由层、电网节能协同应用层与节能管理是低碳电网中应用、分析和控制能源消耗的五个主要功能模块。能源消耗和使用的收集、分析、控制和管理将在计量网络中的六个确定的功能模块基础上实施。

（1）能源计算合作应用层。一方面，收集能源消耗/能源路由层的信息，并与计算机网络的资源相结合，进行能源效率分析，并与计算机网络的资源合作确定节能路由。另一方面，它从外部转发所有可能的请求和应用，协调网络计算资源和能源资源的调度，并将请求转发给路由层，其结果反馈给请求和应用。

（2）能效管理层。有必要在共同能源消费/能源核算框架的基础上，对公共能源的抽象进行说明，并进行能量消耗/能量来源的收集、核算和ODS 管理功能，为收集能源/能源资源提供资助、核算、管理与控制，管理碳排放和能源利用，并为未来的碳交易提供支持。

（3）能源资源层。识别、测量和收集网络使用的能量以提交给路由层，同时配置路由层定义的能量要求。基于各层功能模块之间的合作，I1、I2 和I3 接口被定义为用于传输不同的控制、管理和数据信息。“接口I2”是能源计算路由层和能源消耗/能源资源层之间的接口，它支持能源消耗/能源信息的检测，并通过传输来自能源消耗/能源资源层的信息和能源计算路由层发出的管理信息来执行能源计算资源/服务网络的检测和管理。接口I3 是能源管理层与其他执行能源登记、能耗建模、PUE 管理和碳管理等运行管理功能的层之间的接口，并通过能源管理层确保对能源资源层、能源管理层、电网运输层、能源消耗/能源路由层和能源计算交互应用层的管理。

低碳感知网络架构图如图2所示。

图2：低碳感知网络架构图

5 结束语

这样的信息系统需要有指令输入硬件，以便向不同的处理器输入不同的指令，而且在应用软件的设计中必须分配通信时间，这个通信时间包括什么时候和多长时间的通信，也就是说，通信时间是有明确规定和严格控制的。一般来说，沟通的作用也有明确的规定，并受到严格的控制。