可重构网络设备系统产业化项目可行性研究报告(编辑修改稿)

可重构网络设备系统产业化项目可行性研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

奠定了技术基础。 “十二五“期间，项目成果将广泛应用于各种互联网络设备的研发，促进下一代互联网的可持续良性发展。 同时通过实现可重构网络设备系统的产业化，可以形成多样化的市场，能够很好地带动产业链上下游的发展，增强企业积极性，形成产业经济的良性循环。 2）推动我国的科学研究事业 促进创新资源发展与提升 第三代 XX 网络统一操作系统，为了能够有效降低系统涉及难度、软件模块可重构、硬件平台尽力重用，并根据不断变化的功能需求动态加载不同的处理 构件，满足各种新出现的互联网处理需求，降低设备功耗，延长使用周期和减少电 8 子垃圾，更加节能环保，进一步促进创新资源的发展与提升。 3）推动设备厂商、解决方案厂商产品的产业化 基于第三代 XX 网络统一操作系统，通信设备厂商可以将其设备可重构处理，解决方案厂商可以在系统上进行大型行业解决方案的应用试验，真实的网络环境能加速这些产品的成熟、推广和产业化进程。 4）促进技术产学研用的合作 基于可重构系统产学研用合作，为科研机构与企业之间开展技术成果转化提供了一个孵化平台，创新的成果能够率先在平台上进行很好的验证，然后再 实现商用。 5）帮助海淀科研机构开展高端人才培养 可重构网络设备系统为高校、科研机构、各行业大型互联网技术领域高端技术人才的培养提供了技术资源和环境，从而使得海淀高端人才的本地培养成为现实。 9 2 项目的技术基础 成果来源及知识产权情况 本项目基于 863 重大课题“可重构路由交换开发环境”，在路由交换平台上实现并验证基于构件集的开发平台、体系结构和实现方法，针对网络设备实现报文接收、路由、控制、改写、转发的元构件、构件、组件等功能，已完成元构件支持库，包括存储管理、报文收发及处理、任务通信支持、路由功能扩展等方面的十个以上的元构件；路由处理单元的构件开发；基于第三方构件的组件组装。 项目已完成基于构件开发集成工具平台的构件开发方法规范，构件和组件的仿真、验证和测试技术研究；针对开放式、构件化、可重构通用路由器，提出“开放式、构件化、可重构 T 比特级通用路由器测试技术”；并按照测试规范完成可重构路由器的测试。 863 重大课题“可重构路由交换开发环境”通过立项，目前处于验收阶段，并通过中国电子学会组织进行产品技术鉴定，该项技术目前处于国际先进水平。 XX网络与清华大学共同完成在路由设备进行原型验证。 目前在元构件构成、交互及其 可重构开发环境方面具有拥有一定自主知识产权，目前已申请相关专利列表如下所示： 1) 一种带宽管理方法及装置 2) 一种批量修改网络设备配置的方法和系统 3) 模块化设备及其主从模块连接方法 4) 一种以太环网链路恢复检测方法及以太环网主交换机 5) 一种网络设备堆叠方法及堆叠端口 6) 一种实现进程支持的方法、装置和多线程系统 7) 一种布隆过滤器的生成、更新以及查询元素方法和装置 8) 流量控制设备的测试方法、系统及数据流回放装置 9) 流量控制方法、装置及设备 10) 策略路由实现方法、装置及网络设备 11) 统一资源定位符优化审计的方法、装置和网络侧设备 12) 可重构软件中基 于代理的组件生成方法 13) 针对软件构件的自动化测试方法 14) 路由协议软件中基于构件的组件生成方法 10 15) 可扩展路由器系统控制平面中高性能的节点间通信方法 16) 可扩展路由器系统传输适配子层通信模式的性能评价方法 17) 基于路由信息协议的支持多种域外服务质量的方法 项目技术可行性和成熟性分析 本项目在国内外率先采用可重构理念在网络设备上实现商业化生产，具备国际先进水平，本项目涉及的创新点在于： 1）在国内外上首次提出一种具有可重构特性和可扩展特性的开放式网络设备软件体系结构，对于改变网络通信设备领域产业化系统封闭的局面，具有革命性意义。 可扩展特性支持通信设备的系统功能、结构、安全及性能等多个层面的扩展。 可重构特性支持通信设备系统运行时动态加载卸载功能模块，实现对底层操作系统的屏蔽，支持第三方厂商开发软件，使网络新型服务可灵活增加，有效支撑运营商和内容提供商提供新型网络服务的需求。 2）在网路操作系统领域首次提出并实现一种可重构运行平台，支持链路驱动、数据转发、控制、改写、路由的灵活创新，开创网络操作系统功能模块多方协同开发的新型网络设备研制体系。 针对网络操作系统的特点按照功能分为元构件、构件、组件三个层次划分方法，减少通信设备软硬件开发 成本。 3）实现新型的可扩展网络操作系统，提高网络设备的安全可靠性及系统处理能力。 该平台支持低冗余存储情况下转发表均匀分解存储及数据分组线速转发、内容与关系分离方法和高效的控制平面任务分派算法和节点间消息通信机制，使得整个集群具有负载均衡、附加开销小等特点，大幅提高了系统处理性能和转发效率。 现代化网络设备是由硬件和嵌入式网路操作系统及软件组成的复杂实体，因此仅凭设计高效的硬件平台并不能提供经济高效、持久运行的产品，控制平面在开发特性及确保设备可用性方面发挥着至关重要的作用。 CPU 主板及转发平面的速度提升较 快，而软件的结构变化通常却难以察觉。 网络操作系统迁移到将带来众多挑战，包括特性集不兼容、运行体验不一致，以及软件质量不一致等。 这些潜在挑战使供应商迫切需要构建一款强大的控制平面，以支持现在和将来市场上的硬件产品及其特性。 开发灵活、使用持久、高质量的网络 OS 才能够在将来通过平滑演进来满足新需求，支持扩展和缩减，部署在多个平台上，支持集成丰富的新特性和新功能。 现代化的网络操作系统是满足 POSIX 要求的软件平台中最高级的专业化分支，第一代 OS：单片式架构，通常情况下，面向路由器和交换机 11 的第一代网络操作系统都是运行 在内存空间的专用映像，提供多个进程来支持协议、数据包处理和管理工作。 第一代网络操作系统，降低在嵌入式硬件上运行全规模商用操作系统的风险，主要目标是减少空间占用，加快运行速度。 一个失控进程能够耗尽整个处理器资源或导致整个系统故障停机。 第二代 OS：模块化操作系统，嵌入式平台运行全规模商用操作系统，对控制平面和转发平面实施分割，注意力完全集中在控制平面功能上，能够全面利用多任务处理、多线程、内存管理和内容操作的能力，从而大幅度减少了系统级故障。 第三代 OS：可扩展性和可重构系统，要求网络操作系统足够灵活，与层出不穷 的应用接客，以便能够快速部署在网络设备中，覆盖绝大部分的端到端数据包传输路径；系统还必须支持持续运行，以便模块代码或系统升级期间出现的软件问题不会影响正常运行。 随着网络业务和网络应用的不断丰富，网络设备应用多业务的需求越来越强烈，传统网络设备系统难以满足要求，可重构网络设备应运而生，它能最大程度降低营运的 CAPEX，有效保护现有网络投资。 可重构网络设备平台分为软件平台和硬件平台两部分，作为网络基础设备对未来互联网的发展和应用都具有极其重要的意义。 人们在追求网络设备性能的快速提高和带宽容量的扩展；同时更多地关注网络设备在“功能”方面的灵活扩展问题，实现多业务融合的迫切需要。 传统的网络设备在体系结构上都是封闭，用户只有按照厂家提供的软件对设备进行设置，其可编程特性和按用户需求配置的可重构特性均非常有限。 实现面向新一代网络高度灵活需求的网络基础设备为实现开放性、可编程性和支持多服务的高度可重构性。 “开放”指对网络基础设备底层构件资源充分地向用户开放，同时通过各个模块构件及相互接口的定义和通信协议统一或标准化；“可编程”是指支持对底层资源的编程控制，从操作层面支持按业务需求重组路由器中的模块构件或者改变其属性；“可重构”指在相同的基本平台上对网络设备中的各种底层资源进行重构组合，实现对网络设备服务功能的灵活重组，产生支持不同业务功能或相同业务的不同指标需要的网络节点设备或相应功能、支持多业务融合服务。 可重构是在软件的控 制下，利用可重用资源，重构或重组成另一个计算平台，以适应不同的应用需求。 具有可重构特征的计算系统称为可重构计算系统．重构与重组是可重构计算系统改变其功能的 2种方式，重构是指新计算系统的功能部件，在旧的计算系统中不存在，利用旧计算系统的可重用资源重新构造生成．重组是指新计算系统的功能部件，在旧的计算系统中存在，通过重新组合形成新的计算结构．可重构的基础是可重用资源。 FPGA 和多核架构的出现使得重构方式成为可能，其重用资源是基本门和线，通过配置文件，定义每个门的性质和线的 12 连接，改变硬件的功能．可重构的目的是为解 决硬件结构与应用不匹配．按解决问题的层次不同，可将可重构分为 4类”： (1)门级可重构，从基本门级人手重构计算系统； (2)部件级可重构．早期的重构从功能部件人手，通过对功能部件的重新组台来适应不同的计算需求； (3)指令级可重构．在标准处理器单元的基础上增加专用的计算设备，为通用计算提供特殊的计算支持，以实现大计算量指令和子程序的执行．这种提高通用计算机性能的重构方法称为指令级可重构； (4)芯片级可重构：在多处理器互连的基础上，使处理器位数可变、处理器个数可变或处理器问互连可变的计算机结构，称为芯片级可重构。 嵌入式操作系统在面向控制、通信等领域采用实时操作系统，指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统，其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。 实时多任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系统，首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。 实时操作系统具有如下功能：任务管理（多任务和基于优 先级的任务调度）、任务间同步和通信（信号量和邮箱等）、存储器优化管理（含 rom 的管理）、实时时钟服务、中断管理服务。 实时操作系统具有如下特点：规模小，中断被屏蔽的时间很短，中断处理时间短，任务切换很快。 通过对现有嵌入式操作系统进行分析，提供强大的功能 ,但针对嵌入式系统的特征与特性而言，共同的缺点是缺乏应用的高效性，对应用程序开发支持相对较弱，迫切需要面向应用的、专用特制的新一代嵌入式操作系统。 XX 网络操作系统经历前两代发展，采用实施嵌入式操作系统为基础，已经完成模块化、控制管理与数据相分离的阶段，目前覆盖 网关设备、防火墙、 VPN、内容加速、出口引擎等公司主要设备。 2020 年公司跟进研究可重构系统，并与清华大学一起进行可重构系统的前期预研，建立原型系统进行验证，在构建化的基础上，结合目前网络设备大规模采用多核架构，并在安全加密方面使用 FPGA作为辅助加速的实际情况下，可重构变得更加现实可能，为了能够有效降低系统涉及难度、软件模块可重构、硬件平台尽力重用，并可根据不断变化的功能需求动态加载不同的处理构件，满足各种新出现的互联网处理需求，降低设备功耗，延长使用周期和减少电子垃圾，更加节能环保，从而实现 XX网络在响 应用户需求、降低设备成本方面进一步领先。 项目实施可行性方面， XX 网络的企业价值与员工的个人价值实现了高度统一，公司形成了一支由行业技术领头人、专业技术专家和核心开发人员组成的高 13 端人才梯队，涌现出行业技术带头人和创新领军人物。 XX 网络肥沃的创新土壤，为众多创新人才的脱颖而出创造了良好的环境。 公司自主研发的产品主要涵盖网络管理系统和网络安全设备等领域，具有丰富研发经验的技术骨干，组成公司研发的核心力量，为公司的技术先进性垫定了坚实的基础。 XX 网络建成了网络管理实验室，具有交换机、路由器、防火墙、存储、流控等 基础网络设备，拥有网络专业测试设备、专业测试平台，包括先进的信道测试、网络协议分析、以太网交换设备测试、广域网测试等方面的仪器设备。 网络实验室面积约 300多平米，设备原值 600 余万。 同时，技术中心联合清华大学、北京大学、北京航空航天大学、北京邮电大学建设了云实验室平台，充分利用网络资源，提升了试验能力，通过虚拟资源拓展了企业研究开发的基础条件。 XX 网络 自成立以来，立足 路由交换、 网络安全设备、网络管理系统、安全认证计费系统等系列产品在内的完备的产品线。 先后研发了 RGWALL160 系列防火墙、 RGUSG 系 列统一安全网关、 RGIDS系列入侵检测系统等。 作为国内率先通过 ISO9002/90012020 版国际认证、国家 RoHS 认证的 IT厂商， XX 网络始终将 “品质第一、永续经营 ”作为贯穿整个生产经营过程的品质政策。 目前， XX 网络的主流产品已经全面通过了 EMC、国际安规认证、 FCC、 CE、UL、 VCCI 等世界发达地区的产品准入许可，具备了行销全球的实力。 对行业技术进步的重要意义和作用 随着网络业务和网络应用的不断丰富，网络设备应用多业务的需求越来越强烈，传统网络设备系统难以满足要求，可重构网络设备应运而生，它 能最大程度降低营运的 CAPEX，有效保护现有网络投资。 人们在追求网络设备性能的快速提高和带宽容量的扩展；同时更多地关注网络设备在“功能”方面的灵活扩展问题，实现多业务融合的迫切需要。 传统的网络设备在体系结构上都是封闭，用户只有按照厂家提供的软件对设备进行设置，其可编程特性和按用户需求配置的可重构特性均非常有限。 实现面向新一代网络高度灵活需求的网络基础设备为实。