蔡維德：鏈網會是複雜網路，掌控時間將是關鍵技術
區塊鏈網際網路系列 （4）
2019年2月7日
許多人都認為區塊鏈可以使用在金融、工業、以及能源上，但是金融區塊鏈和工業區塊鏈設計不會相同。在金融領域上，區塊鏈網際網路又可以分為鏈網和監網 [1-2]， 而且這2種鏈網和一般網路設計也會不同。 價值鏈又可以分為賬戶鏈 (ABC) 和交易鏈 (TBC)。熊貓網路就是賬戶鏈和交易鏈互動而成的鏈網。但是以後也不會只有價值網（鏈網）和資訊網（傳統網際網路），還會有工業鏈網和其他應用例如能源鏈網。
筆者從2016年講到今天：
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一種鏈設計不能夠滿足所有應用的需求，不能拿個一個鏈設計到處使用， 即使在同一個領域裡面不同應用都會有不同鏈設計。例如在金融領域裡面，交易鏈和賬戶鏈因為功能不同設計不同，支付鏈和清算鏈因為不同需求設計也不同；
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一條鏈也不能解決應用需求，而且這思想也從多鏈擴充套件到“鏈滿天下”， 就是多種不同的鏈部署在世界各地成為鏈網。鏈和鏈互動協議成為重要的技術， 也是區塊鏈技術的一個大坑［3］；
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鏈網也會是一個複雜鏈網， 裡面有不同種鏈組成鏈網支援不同的應用；
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鏈網需要新的網路協議和新的基礎設施。
例如歐洲央行在2016年的白皮書還是一鏈通所有金融機構（銀行、交易所、 央行、結算所、註冊中心、證券商等）的構想，到2018年研究報告已經變成多鏈通天下， 而且單是在央行裡面就需要多鏈架構。這變化何其大！假如過去的歷史可以預測將來，這表示將來的鏈網架構和現在大家的想像的鏈網可以會差距非常大。
過去系列幾篇文章提到鏈網新的網路協議， 其實不只是鏈網，現在網際網路也需要新協議。IBM，谷歌和許多高科技公司發現使用40年的傳統網際網路協議已經不能再支援現在服務需求。以前只有資訊網際網路，現在有物聯網、電網，鏈網、工業網， 以前只是資訊傳遞，現在還有價值傳遞和交易、電力傳送、和工業控制。突破傳統端到端思想的限制是一個重要方向， 網和網互動協議也會是重要的題目。
本文將會討論另外一個重要技術需要解決，就是如何掌控網路時間，例如時間尺度會是關鍵因素。不同網路需要不同的時間掌控，我們需要掌控每個相關網路事件的時間，使這個複雜網路能夠成為一個有效的網路。這是一個重要技術，因為這會影響到參與的鏈網、物聯網、和工業網、電網的效能和功能。
未來的鏈網將是異構網路
未來的鏈網將包含許多不同型別的網路。未來的鏈網還將包括區塊鏈基礎設施，傳統的內容和服務網路，資訊娛樂的視訊和音訊流媒體網路，以及IT / OT convergence (OT: operational technology運營技術) 融合網路或物聯網 (IoT)。這意味著未來的鏈網將是一個異構 (heterogeneous) 網路。 這異構網路將包括公有和私有 (企業) 的服務網路， 而資料型別將包括區塊鏈，內容 (流媒體和非流媒體)，和工業控制信令。
在所有這些型別的網路當中， 時間掌控與時間尺度是重要的課題。要討論這個課題，我們需要介紹一下OT。 OT是支援製造和工業流程的技術。 OT基礎設施中的關鍵元件包括工業控制系統 (ICS: industrial control systems) 和監督控制和資料採集 (SCADA: supervisory control and data acquisition)。
以目前的OT技術，許多用於監視和控制的裝置還沒有計算機化; 當它們使用計算機時，它們常使用專有協議和可程式設計邏輯控制器 (PLC: programmable logic controller)。在新的工業流程中，越來越多的感測器(sensor)和執行器 (actuator) 被整合到管理和控制系統中。 常見的例子包括水處理系統，電網，和自動化工廠。IT / OT融合的目的是通過整合的基礎設施 (又叫物聯網：IoT) 實現自動化，通訊和網路連結。
工業系統的穩定性，穩健性，和效能
IT / OT融合為網際網路帶來了許多新問題。例如，當工業系統的控制系統整合到網際網路時，工業系統的穩定性，穩健性，和效能將嚴重依賴於異構的網際網路。在傳統網際網路中，當資料包丟失時，它們通常由備份機制恢復。然而，
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在工業系統中，當控制訊號丟失或失誤時，系統通常會變得不穩定，而不穩定性可能導致生死攸關的情況。例如，在化工廠中，不穩定性可能意味著工廠設施爆炸;
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在電網中，不穩定性可能意味著大規模的電力損失甚至電網崩潰；
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金融系統也可是一種特殊的工業系統。在金融市場體系中，交易災難是一個重要的穩定性問題。例如在金融危機中，一個國家的貨幣和股市可能會同步崩潰，從而對國家經濟造成無法承受的傷害， 比如許多亞洲國家在1997年亞洲金融危機中遭受了如此致命的打擊。在即將到來的異構區塊鏈網際網路中，由於金融和非金融行業都採用區塊鏈，相聯工業系統的穩定性，穩健性，和效能將是關鍵設計問題。
在即將到來的異構區塊鏈網際網路中，由於金融和非金融行業都採用區塊鏈，相聯工業系統的穩定性，穩健性，和效能將是關鍵設計問題。
同步或非同步時間掌控
當工業系統與網際網路相連時，一個關鍵問題是時間掌控。當控制系統設計良好時，系統具有高穩定性，高穩健性，和高效能。這些屬性都非常依賴於控制過程中的時間掌控。時間掌控有兩種基本模式，即同步模式和非同步模式。
至於選擇同步或非同步模式，一般上沒有明確的答案。通常，當自然環境以同步方式操作時，同步模式比較合式。然而大多數系統和裝置都以同步和非同步兩種方式同時執行。例如，所有計算機都根據CPU時鐘作數字運算，而計算機在自然環境中執行的任務卻是非同步執行的。即便兩臺計算機通過網路連在一起，兩部計算機的CPU時鐘是非同步執行的。此外，大多數工業系統是在非同步環境中操作的。
同步模式的主要問題是同步的成本過高。同步是一種協調形式，要求所有系統元件同步比非同步協調付出更多的代價。真正同步通常是不可能實現的。Freris, Graham 和Kumar [4] 證明，通過網路同步2個時鐘甚至是不可能的。為了防止丟失同步，大部份系統添加了佇列裝置。 然而，當完美同步能實現時，根本不需要佇列。這告訴我們完美同步並不可能。
同步模式還有另外的問題：即丟失同步可能導致更大的災難。比如說，製造工廠丟失同步後可能會使生產線停擺或大量原料損壞，而化學工廠丟失同步後甚至會爆炸。
遺憾的是，在IT/OT融合的領域，IEEE 802.1 TSN (Time Sensitive Networking) 標準選擇了時鐘同步模式。 這樣的設計，不僅維護起來很昂貴， 而且當同步丟失時，工業系統的穩定性，穩健性，和效能都可能下滑。
另外的問題的是設計IoT或IT / OT融合網路的人沒有跨領域工業控制和IT知識。缺乏跨領域專業知識導致工業物聯網 (IoT) 網路過度設計甚至低效率。例如，在IEEE 802.1 TSN標準中，主要設計目標包括：有限的低延遲和零擁塞丟失。這些要求固然很好，但對於大多數工業系統而言並非必要。問題在於，網路工程師通常不瞭解新增固定延遲將使簡單的有限維繫統變成無限維繫統。在大多數過程控制系統中，最短的時間是有價值的，但任何固定或任意的延遲通常是有害的。IEEE TSN標準中的強制同步機制可能造成相聯接的工業系統變得難以控制，難以穩定，和難以優化。
根據控制理論，當控制系統在每個關鍵時間範圍內，控制器接能收到足夠的反饋，並且控制器能及時執行適當的控制動作時，控制系統將會擁有高穩定性，高穩健性和高效能。同步並不重要，因為正確的時間掌控通常並不意味著固定的時間掌控。真正需要的是非同步的時間掌控，而不是同步的時間掌控。
因此，所以在將來的異構區塊鏈網際網路中，非同步時間掌控是最合式的選項，因為它是一個更寬鬆的模式，需要更少的工作，也更能夠擁有高穩定性，高穩健性，和高效能。
掌控時間尺度至關重要
當工業系統與網際網路相連時，另一個關鍵問題是時間尺度的掌控。根據控制理論，掌控適當的時間尺度是優化系統的關鍵。 分開不同時間尺度的裝置是必須的。例如，儲存器裝置通常以不同層次來分類：從最快的暫存器到最慢的磁碟或遠端網路儲存器。
當網路裝置和協議設計採擁不正確的時間尺度時，系統的穩定性，穩健性，和效能都會下降。例如，TCP依靠端到端反饋來控制傳送速率。端到端反饋耗的延遲是很長的時間尺度，這迫使TCP傳送器（控制器）用太長時間來計算適當的吞吐速率。由於使用了不當的時間尺度，TCP的吞吐量隨著RTT（端到端延遲）的增加而下降 [5]。 TCP和許多網路驅動程式使用多個計時器，這些計時器都有不同的時間尺度，但是TCP 卻不嚴格分別不同時間尺度的計時器。混用這些不同時間尺度的定時器一直是TCP無法實現高吞吐量的一個原因。不僅TCP混用些不同時間尺度的定時器，許多其它網路裝置 (比如驅動程式) 也混用些不同時間尺度的定時器，因而導致網際網路無法實現高吞吐量。
在金融區塊鏈應用中，時間尺度很重要。例如，PFMI明確區分了不同操作的時間範圍（即時間尺度）。在典型的金融應用中，賬戶註冊和設定完成於最長的時間範圍，交易清算完成於第二長的時間範圍，訂單放置完成於第二最短的時間範圍，而訂單執行完成於最短的時間範圍。所有這些時間尺度都不能混合。遺憾的是，大多數現有的金融區塊鏈應用程式都不符合這些時間尺度的要求。在即將到來的異構IoB中，這些金融時間尺度必須與硬體和軟體基礎設施精確匹配，以便根據規定PFMI時間尺度難完成所有任務。
在電網區塊鏈應用中，時間尺度也是一個關鍵問題。在電網中，時間尺度通常用時間常數來表示。慢的時間常數通常來自緩慢的發電設施，如水力發電 (10秒以上)。快的時間常數通常來自光伏發電 (可以短至10毫秒)。最慢的時間尺度來自抄表：抄表可以容許在幾小時之內完成。為確保電網高效能，高穩定性和高穩健性，控制系統必須具有最快的時間尺度。因此，在電網區塊鏈中，小頻寬和大延遲適合於抄表，而大頻寬和小延遲適用於自動發電控制系統 (AGC: Automatic Generation Control)
正確的時間掌控可最大化共享，穩定性，穩健性和效能
一旦我們掌控正確的時間模式和時間尺度，未來的異構IoB將能有最佳共享， 最佳穩定性，最佳穩健性，和最佳效能。通過非同步共享，任意數字管道（第1-2層通訊鏈路）都可以被各類流量共享。如此區塊鏈，內容，服務，流視訊/音訊，和工業控制信令都能共享通路。根據控制理論，這樣的設計將帶來兩個好處。
1. 所有IoB基礎架構從最高到最低動都擁有最佳穩定性，最佳穩健性，和最佳效能。
2. 任何硬體阮體的投資都能得到最大的共享， 而所有可用頻寬和計算基礎架構來都能發揮最大化規模經濟效應。
最後，我們使用TCP作為示例。通過應用本文中揭示的一些原則，一些公司開始提供TCP替代品。其中之一是FileCatalyst，其TCP替代產品傳輸文件比TCP快1000倍，如下圖所示：
圖1：FileCatalyst吞吐量比TCP 快1000 倍 [6]
FileCatalyst的成功代表一個新的網路協議能大幅度改善現有的協議。不只FileCatalyst, 許多其他公司也推出了TCP替代產品：其中出名的包括Signiant [7]，IBM的Aspera [8]和谷歌的BBR [9]。所以連科技界最大的企業如 IBM 和谷歌，都認識到時間掌控和時間尺度的問題的重要性。這方面的進步才剛剛開始。藉著巧妙的時間掌控和時間尺度，我們可以期待網際網路技術會有更大幅度的進步， 而將來的網路會和現在的網路會大不相同。
參考文獻
[1].蔡維德 & Kevin Tsai，“ TCP 端到端設計又舊又多毛病：區塊鏈網際網路系列 （1） ”
https://mp.weixin.qq.com/s/AyDG063nq7FKy9MEKZOxfg
[2]. 蔡維德 & Kevin Tsai，“ 區塊鏈網際網路需要新協議：區塊鏈網際網路系列 （2） ”
https://mp.weixin.qq.com/s/vvA4u7LiIMfkzCTI04VSzw
[3].蔡維德等， “區塊鏈的第四大坑（中）—— 區塊鏈分片技術是擴充套件性解決方案 ”, 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
蔡維德
北航數字社會與區塊鏈實驗室，天德科技 ，國家大資料（貴州）綜合試驗區區塊鏈網際網路實驗室， 天民（青島）國際沙盒研究院， 賽迪（青島）區塊鏈研究院
Kevin Tsai
University of California at Irvine 名譽教授，美國麻省理工學院本碩博，區塊鏈網路專家