链网设计的基要属性之三：可结构性

区块链互联网系列 （8）

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2019年7月29日

为了实现根本上质的提升，新的区块链互联网应该拥有以下3个基要属性：

1.足够可观察性：在适当的系统部件，选择足够的反馈信息，并将其发送给控制器的能力

2.足够可控性：在适当的系统部件，选择足够的控制，并将其发送到控制致动点的能力

3.足够可结构性：变更系统部件的可观察性和可控性，以适应环境的足够能力

可结构性

从系统的角度来看，一个控制系统有4个部件：原始系统，反馈系统，控制器系统，控制驱动系统。原始系统即被控制的原系统；控制器系统即控制的决策者，决定控制动作；反馈系统即观测系统，测量适当的变量并将测量结果转发给控制器系统；控制驱动系统即控制动作的实现装置或机制。

可结构性应该定义如下：在所有可能的输入和外在变量之下，变更系统可控性和可观察性的能力。因之，结构性是指系统对不同操作环境的适应性。

为什么我们要这样定义可结构性？让我们举例说明：SDN和NFV是一种从根本上改变网络结构的新技术。SDN创建目的之一就是加强数据中心适应网络环境的功能。有关SDN的目标，有不同的看法。比如，谷歌认为SDN有5个目标：高可扩展/高调整性，高自动化，高性能接口，自定义配置和管理，直接驱动设计。Raj Jain教授 (互联网的奠基者之一) 认为SDN有10个目标：虚拟化，协调执行，可编程控制，动态扩展性，自动化，高可见性，高性能，多用户，服务集成，和开放性。

根据这些目标，SDN具有适应环境的功能，而环境有3种类型的变化：

1. 规模变化：应对的SDN功能是可扩展性/可调整性，等等

  2. 输入变化：应对的SDN功能是负载平衡，重新配置，可编程控制，和控制器之间的协调，等等

  3. 性能变化：应对的SDN功能是高性能接口，高自动化，等等

适应性也可以解释为修改系统行为，以解决系统中的某瓶颈的能力。对任何通信系统而言，吞吐量和延迟都受限于系统瓶颈。当瓶颈被移除之后，吞吐量将增加，延迟也将减少。但瓶颈会因着系统输入和环境变量而变化；所以系统需要动态适应性。

每个SDN目标都可以解释为SDN克服某瓶颈的能力。比如，负载平衡就是一种重新分配资源的机制，用来消除某系统瓶颈。可编程的配置则提供了重新分配资源的机制，可编程控制提供了一种可操纵的机制，这些都可用来消除某种瓶颈。

从瓶颈的角度来看，系统适应性在调整两种性能，即可控性和可观察性。比如，当资源重新分配后，系统中某些部件可控性下降，而另些部件可控性上升。另一种情况是，在资源重新分配之后，某些部件可观察性降低，另些部件可控性上升。例如，当队列存储资源减少，则队列的可控性也降低。又如，当用于执行某任务的CPU数量增加时，分配给子任务的CPU资源的可控性也增加了。同样地，当反馈资源减少时，系统的可观察性也降低。因此，资源分配对可控性和可观察性具有直接影响力。

从另一个角度来看，可扩展性/可调整性，负载平衡，资源重新配置，可编程控制，自动化，等等都是可控性的概念；而高可见度就是高可观察性或高效率反馈。因此，SDN一个重要目标是：随意调整可控性和可观察性，以适应不同的操作环境。

足够可结构性

提高网络性能的方法当中，有三个共同要素：高可控性，高可观察性，和对网络环境的高应变性。

要适应不同的网络环境，变更系统（或系统部件）的可控性和可观察性至关重要。对某些网络状况而言，要加强的是某部件的可控性；而对另一些网络状况而言，要加强的却是某部件可观察性。

然而，提高系统部件可控性或可观察性都要花钱。正如我们在前文中所说明的，完全可控性和完全可观察性常常太昂贵，或物理上不可能。这就是为什么我们提出足够可控性和足够可观察性的概念。同理，要提高系统的应变性，也需都要花钱，有时也物理上不可能。足够可结构性指调整系统部件的可控性和可观察性在物理上可行，而且成本也在合理范围內。

调整系统可控性和可观察性有两种方法：

（1）对单一系统部件调整可控性或可观察性，（2）对单一系统部件在可控性和可观察性之间做权衡调整（比如提高可控性，而降低可观察性）。第一种调整可称为第一类可结构性调整。第二种调整可称为第二类可结构性调整。第一类调整，最常见的例子是负载平衡，几乎每个现代数据中心都有设置。在第一类调整中，重点是某系统部件的可控性（或可观察性）或多或少之间的权衡。

在第二类调整中，重点是某系统部件的可控性与可观察性之间的权衡。控制理论告诉我们：可控性和可观察性是互补的。当可观察性的成本太高时，我们可以提高可控性来补偿可观察性。同理，当可控性的成本太高时，我们也可以提高可观察性以补偿可控性。所以，我们要考虑结构转换的成本：比如，从相对可控的结构，转变为相对可观察的结构的成本。

SDN 4D模型有局部可结构性

SDN提出了一种新的控制结构模型，称为4D，如下图所示：

图1: 4D网络控制模型4D是SDN的抽像模型

而4D是：决策 (Decision)，传播 (Dissemination)，发现 (Discovery)，和数据 (Data)。从控制的角度来看，4D包含了網絡控制系統中的4個關鍵元素中的3個：Data指向原始系统，Discovery指向反馈系统，Decision指向控制器系统。但4D不看重控制驱动系统，反倒看重通信系统Dissemination。

4D模型的四结构用词都可以翻译为控制语言：比如，决策 = 控制，传播 = 控制驱动和反馈回路，发现 = 观察反馈，数据 = 系统元素。从信息流角度，从系统元素（数据）到控制器的信息流是关于可观察性的; 从控制器到系统元件的信息流是关于可控性的。

從系統科學來看，此模型有2個缺陷。首先，它沒有清楚地阐明網絡控制系統中的3個关鍵，即可控性，可关察性，和可结构性。雖然Decision很容易理解为控制，但Decision并不强调控制系統的能力(可控性)。雖然Discovery明显与與反饋有關，但Discovery的含義只是發現網絡拓撲，設備資源，或網絡流量等。這定义与反饋的通常定义明显不同，而可观察性的技術含义比反饋更广泛，更強。可关察性意味預測系統行為的能力，這概念在Discovery的定义中完全缺失。

第二個缺陷是4D仅显示了4种功能的分离以及它们如何相互作用。這这四种功能的分离，仅通过功能分离的组件来实现。但这模型却没有展示系统资源分配的适应性，即本文所表明可结构性的意义与使用。

4D实现局部可结构性

我们来看看4D模型如何实现某种型式（局部）的可结构性。在传统的OSPF路由算法中，网络拓扑被泛洪到OSPF区域中的所有节点。然后，每个节点必须基于拓扑计算到所有目的地的最短路径，见下图：

图2: OSPF分布式路由计算

OSPF存在两个问题。第一：来自各节点的反馈成本很高，因每当拓扑有变化时，每个节点都必须将新拓扑信息对整个区域进行泛洪。第二：路由是不可控的，因为每个节点计算的最短路径可以随时改变，也没方法来指定某特定路径。

一旦采用4D模型，控制决策，反馈循环，和控制信息传播都可以分开。我们很快就得到一个整体化控制机制：把整个网络信息送到一个中心节点，在中心节点计算所要的最短路径。那么中心化OSPF或4D-OSPF就把上术2个问题解决了，见下图：

图3: 可结构性OSPF

负载平衡实现第一类可结构性调整

数据中心的负载平衡是第一类可结构性调整一个好的例子。

数据中心流量是小老鼠（小延迟的小文件）和大象（大吞吐量的大文件）的混合体。数据中心内部的拥塞经常发生，而拥塞导致小文件和大文件的传输性能大幅下降。因此，负载平衡是每个数据中心的关键任务。

图4: 负载均衡提供可结构性

在图4中，左图显示了2个大象流经过同一链路引起的拥塞。在右图中，负载均衡器将服务器重新分配给2个大象流。在此负载平衡器充当重组控制器。有负载平衡的网络具有可结构性；但如果网络没有负载平衡或如果网络负载平衡性能差，则可结构性将是低的。

路由实现第二类可结构性调整

另一个可结构性问题发在路由上。路由有两种主要技术：IP路由和VC（virtual circuit）交换。IP路由和VC交换之间的争论， 从某个观点来看，是可控性和可观察性之间的权衡问题，这种权衡就是上文称的第二类可结构性调整。

在IP路由中，整个路径很难知道，因为IP路由表仅提供下一个节点的ID。但是，IP路由允许2个端点之间的所有可能路径都可成为IP路径。因此，关于整个路径，IP路由具有弱可观察性，但有强可控性（选择性）。

反过来说，关于路径，VC切换提供强可观察性，因为VC的ID 告知整个路径的链接。然而，由于VC是预先设置的，因此VC切换仅允许在路径选择上仅有弱可控性。

从可结构性角度来看，IP路由与VC切换一样好。但是，从路由性能来看，VC切换明显优于IP路由。原因是IP路由对整个路径只拥有低可观察性，使得在整个路径中维护QoS（服务质量）或高性能变得过于昂贵。另一方面，虽然VC切换在路径选择上只有限量可控性，但是由于对于每个链路有更高的可控性，高路由性能（QoS）变得容易。要获得更高路由性能，高路径可观察性是至关重要的，而VC切换最能提供高可观察性。由于缺乏整体路径可观察性，IP路由只能实现尽力而为（best effort）的性能，这通常造成低性能。这是本系列文章之一（区块链互联网系列（5）[5]）所涵盖的主题之一。

下表总结了IP路由和VC交换的可结构性权衡。

	IP路由	VC交换
可观察性	整个路径可观察性低	整个路径可观察性高
可控性	路径选择明显很多，路由可控（选择）性高；但路径的路由性能可控性低。	路径选择明显很少，路由可控（选择）性低；但路径的路由性能可控性高。
可结构性	藉着强制IP路由中的固定点，路由可控（选择）性降低，而路由可观察性提高。	藉着容许VC中某些链接可变更，路由可控（选择）性提高，而路由可观察性降低。

参考文献

[1].     蔡维德 & Kevin Tsai，“TCP 端到端设计又旧又多毛病：区块链互联网系列（1）”

[2].     蔡维德 & Kevin Tsai，“区块链互联网需要新协议：区块链互联网系列（2）”

[3].     蔡维德 & Kevin Tsai，“区块链互联网需要网内控制和监控：区块链互联网系列（3）”

[4].     蔡维德 & Kevin Tsai，“链网会是复杂网络，掌控时间将是关键技术：区块链互联网系列（4）”

[5].     蔡维德 & Kevin Tsai，“链网应考虑采用路径模型：区块链互联网系列（5）”

[6].     蔡维德 & Kevin Tsai，“链网设计的基要属性之一，可观察性：区块链互联网系列（6）”

[7].     蔡维德 & Kevin Tsai，“链网设计的基要属性之二，可控性：区块链互联网系列（7）”

蔡维德

北航数字社会与区块链实验室，天德科技 ，国家大数据（贵州）综合试验区区块链互联网实验室， 天民（青岛）国际沙盒研究院， 赛迪（青岛）区块链研究院，中国亚洲经济发展协会区块链产业专业委员会，科技部重点项目负责人，北京互联网金融协会区块链专委会

蔡维纲 

University of California at Irvine 荣誉教授，美国麻省理工学院本硕博，区块链网络专家

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