链网会是复杂网络，掌握时间将是关键技术

来源：巴比特   作者：蔡维德，北航区块链实验室主任

许多人都认为区块链可以使用在金融、工业、以及能源上，但是金融区块链和工业区块链设计不会相同。在金融领域上，区块链互联网又可以分为链网和监网 [1-2]， 而且这2种链网和一般网络设计也会不同。 价值链又可以分为账户链 (ABC) 和交易链 (TBC)。熊猫网络就是账户链和交易链交互而成的链网。但是以后也不会只有价值网（链网）和信息网（传统互联网），还会有工业链网和其他应用例如能源链网。

笔者从2016年讲到今天：

• 一种链设计不能够满足所有应用的需求，不能拿个一个链设计到处使用， 即使在同一个领域里面不同应用都会有不同链设计。例如在金融领域里面，交易链和账户链因为功能不同设计不同，支付链和清算链因为不同需求设计也不同；
• 一条链也不能解决应用需求，而且这思想也从多链扩展到“链满天下”， 就是多种不同的链部署在世界各地成为链网。链和链交互协议成为重要的技术， 也是区块链技术的一个大坑［3］；
• 链网也会是一个复杂链网， 里面有不同种链组成链网支持不同的应用；
• 链网需要新的网络协议和新的基础设施。

例如欧洲央行在2016年的白皮书还是一链通所有金融机构（银行、交易所、 央行、结算所、注册中心、证券商等）的构想，到2018年研究报告已经变成多链通天下， 而且单是在央行里面就需要多链架构。这变化何其大！假如过去的历史可以预测将来，这表示将来的链网架构和现在大家的想像的链网可以会差距非常大。

过去系列几篇文章提到链网新的网络协议， 其实不只是链网，现在互联网也需要新协议。IBM，谷歌和许多高科技公司发现使用40年的传统互联网协议已经不能再支持现在服务需求。以前只有信息互联网，现在有物联网、电网，链网、工业网， 以前只是信息传递，现在还有价值传递和交易、电力传送、和工业控制。突破传统端到端思想的限制是一个重要方向， 网和网交互协议也会是重要的题目。

本文将会讨论另外一个重要技术需要解决，就是如何掌控网络时间，例如时间尺度会是关键因素。不同网络需要不同的时间掌控，我们需要掌控每个相关网络事件的时间，使这个复杂网络能够成为一个有效的网络。这是一个重要技术，因为这会影响到参与的链网、物联网、和工业网、电网的性能和功能。

未来的链网将是异构网络

未来的链网将包含许多不同类型的网络。未来的链网还将包括区块链基础设施，传统的内容和服务网络，信息娱乐的视频和音频流媒体网络，以及IT / OT convergence (OT: operational technology运营技术) 融合网络或物联网 (IoT)。这意味着未来的链网将是一个异构 (heterogeneous) 网络。 这异构网络将包括公有和私有 (企业) 的服务网络， 而数据类型将包括区块链，内容 (流媒体和非流媒体)，和工业控制信令。

在所有这些类型的网络当中， 时间掌控与时间尺度是重要的课题。要讨论这个课题，我们需要介绍一下OT。 OT是支持制造和工业流程的技术。 OT基础设施中的关键组件包括工业控制系统 (ICS: industrial control systems) 和监督控制和数据采集 (SCADA: supervisory control and data acquisition)。

以目前的OT技术，许多用于监视和控制的设备还没有计算机化; 当它们使用计算机时，它们常使用专有协议和可编程逻辑控制器 (PLC: programmable logic controller)。在新的工业流程中，越来越多的传感器(sensor)和执行器 (actuator) 被集成到管理和控制系统中。 常见的例子包括水处理系统，电网，和自动化工厂。IT / OT融合的目的是通过集成的基础设施 (又叫物联网：IoT) 实现自动化，通信和网络连结。

工业系统的稳定性，稳健性，和性能

IT / OT融合为互联网带来了许多新问题。例如，当工业系统的控制系统集成到互联网时，工业系统的稳定性，稳健性，和性能将严重依赖于异构的互联网。在传统互联网中，当数据包丢失时，它们通常由备份机制恢复。然而，

• 在工业系统中，当控制信号丢失或失误时，系统通常会变得不稳定，而不稳定性可能导致生死攸关的情况。例如，在化工厂中，不稳定性可能意味着工厂设施爆炸;
• 在电网中，不稳定性可能意味着大规模的电力损失甚至电网崩溃；
• 金融系统也可是一种特殊的工业系统。在金融市场体系中，交易灾难是一个重要的稳定性问题。例如在金融危机中，一个国家的货币和股市可能会同步崩溃，从而对国家经济造成无法承受的伤害， 比如许多亚洲国家在1997年亚洲金融危机中遭受了如此致命的打击。在即将到来的异构区块链互联网中，由于金融和非金融行业都采用区块链，相联工业系统的稳定性，稳健性，和性能将是关键设计问题。

在即将到来的异构区块链互联网中，由于金融和非金融行业都采用区块链，相联工业系统的稳定性，稳健性，和性能将是关键设计问题。

同步或异步时间掌控

当工业系统与互联网相连时，一个关键问题是时间掌控。当控制系统设计良好时，系统具有高稳定性，高稳健性，和高性能。这些属性都非常依赖于控制过程中的时间掌控。时间掌控有两种基本模式，即同步模式和异步模式。

至於选择同步或异步模式，一般上没有明确的答案。通常，当自然环境以同步方式操作时，同步模式比较合式。然而大多数系统和设备都以同步和异步两种方式同时运行。例如，所有计算机都根据CPU时钟作数字运算，而计算机在自然环境中执行的任务却是异步运行的。即便两台计算机通过网络连在一起，两部计算机的CPU时钟是异步运行的。此外，大多数工业系统是在异步环境中操作的。

同步模式的主要问题是同步的成本过高。同步是一种协调形式，要求所有系统组件同步比异步协调付出更多的代价。真正同步通常是不可能实现的。Freris, Graham 和Kumar [4] 证明，通过网络同步2个时钟甚至是不可能的。为了防止丢失同步，大部份系统添加了队列设备。 然而，当完美同步能实现时，根本不需要队列。这告诉我们完美同步并不可能。

同步模式还有另外的问题：即丢失同步可能导致更大的灾难。比如说，制造工厂丢失同步后可能会使生产线停摆或大量原料损坏，而化学工厂丢失同步后甚至会爆炸。

遗憾的是，在IT/OT融合的领域，IEEE 802.1 TSN (Time Sensitive Networking) 标准选择了时钟同步模式。 这样的设计，不仅维护起来很昂贵， 而且当同步丢失时，工业系统的稳定性，稳健性，和性能都可能下滑。

另外的问题的是设计IoT或IT / OT融合网络的人没有跨领域工业控制和IT知识。缺乏跨领域专业知识导致工业物联网 (IoT) 网络过度设计甚至低效率。例如，在IEEE 802.1 TSN标准中，主要设计目标包括：有限的低延迟和零拥塞丢失。这些要求固然很好，但对于大多数工业系统而言并非必要。问题在于，网络工程师通常不了解添加固定延迟将使简单的有限维系统变成无限维系统。在大多数过程控制系统中，最短的时间是有价值的，但任何固定或任意的延迟通常是有害的。IEEE TSN标准中的强制同步机制可能造成相联接的工业系统变得难以控制，难以稳定，和难以优化。

根据控制理论，当控制系统在每个关键时间范围内，控制器接能收到足够的反馈，并且控制器能及时执行适当的控制动作时，控制系统将会拥有高稳定性，高稳健性和高性能。同步并不重要，因为正确的时间掌控通常并不意味着固定的时间掌控。真正需要的是异步的时间掌控，而不是同步的时间掌控。

因此，所以在将来的异构区块链互联网中，异步时间掌控是最合式的选项，因为它是一个更宽松的模式，需要更少的工作，也更能够拥有高稳定性，高稳健性，和高性能。

掌控时间尺度至关重要

当工业系统与互联网相连时，另一个关键问题是时间尺度的掌控。根据控制理论，掌控适当的时间尺度是优化系统的关键。 分开不同时间尺度的设备是必须的。例如，存储器设备通常以不同层次来分类：从最快的寄存器到最慢的磁盘或远程网络存储器。

当网络设备和协议设计采拥不正确的时间尺度时，系统的稳定性，稳健性，和性能都会下降。例如，TCP依靠端到端反馈来控制发送速率。端到端反馈耗的延迟是很长的时间尺度，这迫使TCP发送器（控制器）用太长时间来计算适当的吞吐速率。由于使用了不当的时间尺度，TCP的吞吐量随着RTT（端到端延迟）的增加而下降 [5]。 TCP和许多网络驱动程序使用多个计时器，这些计时器都有不同的时间尺度，但是TCP 却不严格分别不同时间尺度的计时器。混用这些不同时间尺度的定时器一直是TCP无法实现高吞吐量的一个原因。不仅TCP混用些不同时间尺度的定时器，许多其它网路设备 (比如驱动程序) 也混用些不同时间尺度的定时器，因而导致互联网无法实现高吞吐量。

在金融区块链应用中，时间尺度很重要。例如，PFMI明确区分了不同操作的时间范围（即时间尺度）。在典型的金融应用中，账户注册和设置完成于最长的时间范围，交易清算完成于第二长的时间范围，订单放置完成于第二最短的时间范围，而订单执行完成于最短的时间范围。所有这些时间尺度都不能混合。遗憾的是，大多数现有的金融区块链应用程序都不符合这些时间尺度的要求。在即将到来的异构IoB中，这些金融时间尺度必须与硬件和软件基础设施精确匹配，以便根据规定PFMI时间尺度难完成所有任务。

在电网区块链应用中，时间尺度也是一个关键问题。在电网中，时间尺度通常用时间常数来表示。慢的时间常数通常来自缓慢的发电设施，如水力发电 (10秒以上)。快的时间常数通常来自光伏发电 (可以短至10毫秒)。最慢的时间尺度来自抄表：抄表可以容许在几小时之内完成。为确保电网高性能，高稳定性和高稳健性，控制系统必须具有最快的时间尺度。因此，在电网区块链中，小带宽和大延迟适合于抄表，而大带宽和小延迟适用于自动发电控制系统 (AGC: Automatic Generation Control)

正确的时间掌控可最大化共享，稳定性，稳健性和性能

一旦我们掌控正确的时间模式和时间尺度，未来的异构IoB将能有最佳共享， 最佳稳定性，最佳稳健性，和最佳性能。通过异步共享，任意数字管道（第1-2层通信链路）都可以被各类流量共享。如此区块链，内容，服务，流视频/音频，和工业控制信令都能共享通路。根据控制理论，这样的设计将带来两个好处。

1. 所有IoB基础架构从最高到最低动都拥有最佳稳定性，最佳稳健性，和最佳性能。

2. 任何硬体阮体的投资都能得到最大的共享， 而所有可用带宽和计算基础架构来都能发挥最大化规模经济效应。

最后，我们使用TCP作为示例。通过应用本文中揭示的一些原则，一些公司开始提供TCP替代品。其中之一是FileCatalyst，其TCP替代产品传输文档比TCP快1000倍，如下图所示：

图1：FileCatalyst吞吐量比TCP 快1000 倍 [6]

FileCatalyst的成功代表一个新的网络协议能大幅度改善现有的协议。不只FileCatalyst, 许多其他公司也推出了TCP替代产品：其中出名的包括Signiant [7]，IBM的Aspera [8]和谷歌的BBR [9]。所以连科技界最大的企业如 IBM 和谷歌，都认识到时络掌控和时间尺度的问题的重要性。这方面的进步才刚刚开始。藉着巧妙的时间掌控和时间尺度，我们可以期待互联网技术会有更大幅度的进步， 而将来的网路会和现在的网络会大不相同。

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）”

https://mp.weixin.qq.com/s/AyDG063nq7FKy9MEKZOxfg

[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）”

https://mp.weixin.qq.com/s/vvA4u7LiIMfkzCTI04VSzw

[3].蔡维德等，“区块链的第四大坑（中）—— 区块链分片技术是扩展性解决方案”, 2018.8.2

https://mp.weixin.qq.com/s/mi9sdTCVwW-qMQLgwo_mOQ

[4].N. Freris, S. Graham, P. R. Kumar, “Fundamental limits on synchronizing clocks over networks,” IEEE Transactions on Automatic Control, Volume: 56, Issue: 6 , June 2011

http://cesg.tamu.edu/wp-content/uploads/2012/03/Final-paper-frgrk_clock-synch07IEEE-1.pdf

[5].Mathis, Semke, Mahdavi & Ott, “The Macroscopic Behavior of TCP Congestion Avoidance Algorithm,” Computer Communication Review,27(3), July 1997

https://www.slac.stanford.edu/comp/net/wan-mon/thru-vs-loss.html

[6].FileCatalyst white paper: “Accelerating File Transfers,” Jan 2019

https://filecatalyst.com/wp-content/uploads/2018/07/Accelerating_File_Transfers.pdf

[7].Signiant

https://www.signiant.com/technology/acceleration/

[8].IBM Aspera

https://asperasoft.com/technology/transport/

[9].Google BBR

https://cloud.google.com/blog/products/gcp/tcp-bbr-congestion-control-comes-to-gcp-your-internet-just-got-faster

作者：

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

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