業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的光子網(wǎng)格關(guān)鍵技術(shù)研究

      信息化建設(shè)的一個(gè)熱點(diǎn)問題是技術(shù)與業(yè)務(wù)的融合，即如何從業(yè)務(wù)需求的角度入手，制訂網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與建設(shè)的目標(biāo)。新一代的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)正在向著大規(guī)模、分布式與密集數(shù)據(jù)應(yīng)用的方向發(fā)展(如計(jì)算網(wǎng)格、并行與分布式業(yè)務(wù)等[1])。電信業(yè)中通過大量基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，使得光網(wǎng)絡(luò)擁有大量的線路和帶寬。為提高網(wǎng)絡(luò)資源的整體效率，使業(yè)務(wù)、資源、技術(shù)三方面彼此促進(jìn)發(fā)展，采用業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)模式對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要意義[2]。因此業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)、面向智能的光網(wǎng)絡(luò)是下一代光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，一旦獲得全面突破，將會(huì)為下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)的發(fā)展提供更大的推動(dòng)力。

      以數(shù)據(jù)密集型為代表的新業(yè)務(wù)需要大量的網(wǎng)絡(luò)資源與動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，而光網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的帶寬資源，因此如何合理地分配資源并充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，有利于推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)發(fā)展的一致性。隨著并行協(xié)作型業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型提出了更高的要求，網(wǎng)格結(jié)合光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能從網(wǎng)絡(luò)資源上滿足具有密集數(shù)據(jù)特性的業(yè)務(wù)(如科學(xué)協(xié)作計(jì)算、天文物理、遠(yuǎn)程醫(yī)療等)需要。為提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展今后將以業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)為主，提供動(dòng)態(tài)資源，如光動(dòng)態(tài)智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、用戶控制與管理的光網(wǎng)絡(luò)、通用多協(xié)議標(biāo)記交換(GMPLS)動(dòng)態(tài)資源分配光網(wǎng)絡(luò)(DRAGON)、業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)(SO-ASTN)等[3-10]，采取業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)模式建立的高性能光網(wǎng)絡(luò)，支持網(wǎng)格服務(wù)體系。

      本文立足于光網(wǎng)絡(luò)具體情況，以應(yīng)用需求為基礎(chǔ)，研究光子網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)光子網(wǎng)格中資源管理、服務(wù)管理、接口、中間件進(jìn)行組織和規(guī)劃，確定各個(gè)組成部分的功能及其相互關(guān)系，提出合理的結(jié)構(gòu)，給出研究與測(cè)試的結(jié)果。

1 業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)
      光子網(wǎng)格能夠?qū)崿F(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)資源(包括光器件、光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、光波分復(fù)用系統(tǒng)、光波長(zhǎng)、光交換、中間件、控制軟件)的協(xié)同工作和共享，即把光網(wǎng)絡(luò)中的資源整合成功能強(qiáng)大的虛擬光資源實(shí)體，向用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)。隨著新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，如電子科學(xué)(E-Science)、電子醫(yī)療(E-Health)等，為滿足不同帶寬服務(wù)的要求，光網(wǎng)絡(luò)需要提供按需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；采取業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分離的模式，可以提供靈活的資源控制方式，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，合理優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的承載能力，支持多種業(yè)務(wù)應(yīng)用。圖1給出的是業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的光子網(wǎng)格資源與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，光網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)資源，包括帶寬與光通道等，是網(wǎng)絡(luò)資源的承載。

      業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)模式以資源為核心，業(yè)務(wù)通過不同方式提供給用戶。它將網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)與服務(wù)分開，從而通過新的資源控制方式，提供靈活的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，最終使得資源利用最大化并滿足用戶的各種服務(wù)需要。

2 光子網(wǎng)格關(guān)鍵技術(shù)
      光子網(wǎng)格要解決的問題是如何構(gòu)建一個(gè)隨意獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與網(wǎng)格資源共享的體系。因此，如何通過改進(jìn)現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、控制層、接口功能等來滿足用戶對(duì)資源的需求是實(shí)現(xiàn)光子網(wǎng)格的關(guān)鍵技術(shù)。在構(gòu)建光子網(wǎng)格功能體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文討論的關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示，內(nèi)容包括：功能結(jié)構(gòu)分析、光子網(wǎng)格資源管理與調(diào)度、光子網(wǎng)格業(yè)務(wù)管理研究、光子網(wǎng)格控制與管理技術(shù)研究、網(wǎng)格用戶網(wǎng)絡(luò)接口(GUNI)研究。

2.1 光子網(wǎng)格功能體系模型
針對(duì)業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個(gè)更為合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅能夠提供寬帶服務(wù)，而且能夠保證更多業(yè)務(wù)的需求(如Internet業(yè)務(wù)接入、高質(zhì)量視頻、計(jì)算網(wǎng)格及E-Science等)。因此，新型的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)模型，需要具有網(wǎng)絡(luò)感知的能力，以便于業(yè)務(wù)能夠根據(jù)需要申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)資源。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，底層網(wǎng)絡(luò)能力可抽象為一系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象提供公共訪問接口，作為業(yè)務(wù)應(yīng)用訪問網(wǎng)絡(luò)資源、感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的渠道。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的分離，提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需要光子網(wǎng)格功能框架模型如圖3所示�？蚣転闈M足數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)的需要，增加了業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)資源控制，并結(jié)合網(wǎng)格服務(wù)框架，為上層服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)。

2.2 光子網(wǎng)格資源管理與調(diào)度
      網(wǎng)格資源管理是指控制網(wǎng)格和服務(wù)怎樣向包括用戶、應(yīng)用或服務(wù)在內(nèi)的其他實(shí)體提供可用資源、執(zhí)行資源共享的一組操作。網(wǎng)格資源管理側(cè)重于控制和描述網(wǎng)格分布式資源，即如何提供可用資源服務(wù)給其他請(qǐng)求者，并不關(guān)心資源的具體表現(xiàn)形式，而偏重于該功能執(zhí)行的方式。光子網(wǎng)格資源管理的核心功能就是識(shí)別資源需求，匹配和分配資源，調(diào)度和監(jiān)測(cè)資源，在資源提供者和資源消費(fèi)者之間建立一種協(xié)商，為前者提供資源管理，為后者提供資源調(diào)度。

2.3 光子網(wǎng)格中間件
      相對(duì)于傳統(tǒng)意義上的中間件，光子網(wǎng)格中間件還需要負(fù)責(zé)對(duì)光資源的管理和調(diào)度，功能更為廣泛，直接面向資源消費(fèi)者。光子網(wǎng)格中間件包括光子網(wǎng)格資源管理部分、光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)控制部分、光子網(wǎng)格業(yè)務(wù)管理部分(包括業(yè)務(wù)服務(wù)協(xié)議、業(yè)務(wù)協(xié)商)、網(wǎng)格用戶網(wǎng)絡(luò)接口、光子網(wǎng)格傳輸控制協(xié)議。

2.4 光子網(wǎng)格信令控制
      由于基于GMPLS的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)協(xié)議加強(qiáng)了對(duì)光網(wǎng)絡(luò)資源的控制功能，使得對(duì)光網(wǎng)絡(luò)資源的使用和調(diào)度更加靈活，網(wǎng)絡(luò)資源的利用率可以更高，服務(wù)質(zhì)量更加可靠，因此引入信令控制到光子網(wǎng)格中，執(zhí)行資源預(yù)留等功能。通用多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)由控制節(jié)點(diǎn)和流量工程鏈路(TE-Link)等構(gòu)成，每個(gè)要素都有節(jié)點(diǎn)地址和接口標(biāo)識(shí)(ID)來實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)控制和管理。

2.5 光子網(wǎng)格用戶網(wǎng)絡(luò)接口
      GUNI在光子網(wǎng)格中的主要作用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格用戶與光網(wǎng)絡(luò)之間的按需接入、網(wǎng)格服務(wù)和可交互的操作，以便進(jìn)行協(xié)議協(xié)商和網(wǎng)格服務(wù)的啟動(dòng)。主要內(nèi)容為：
(1)通過GUNI用戶或者客戶端向光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的中間件或者代理請(qǐng)求網(wǎng)格服務(wù)。
(2)在服務(wù)控制和管理平面的監(jiān)控之下，對(duì)流量執(zhí)行分類和組合。

3 光子網(wǎng)格模擬平臺(tái)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 光子網(wǎng)格模擬平臺(tái)與功能結(jié)構(gòu)
      應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的光子網(wǎng)格模擬平臺(tái)由資源節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和光交換網(wǎng)絡(luò)組成，以光路交換(OCS)體系為例，模擬環(huán)境采取如圖4所示的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫、視頻點(diǎn)播(VoD)服務(wù)器、局域網(wǎng)、GridFTP文件服務(wù)器作為網(wǎng)格的外圍資源，控制層主要是配置網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)管理體系，動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)作為底層支撐網(wǎng)絡(luò)，并采取4節(jié)點(diǎn)的格狀網(wǎng)(Mesh)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

      光子網(wǎng)格模擬平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)分為4個(gè)層面：應(yīng)用層面、中間件、交換網(wǎng)絡(luò)和管理層面，如圖5所示。中間件包括面向網(wǎng)格用戶的服務(wù)接入與管理層次及光網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度與管理的網(wǎng)絡(luò)層次部分。用戶界面通過應(yīng)用程序接口調(diào)用中間件嵌入的功能，通過GUNI獲取資源。

      Java程序開發(fā)的中間件調(diào)用GT4標(biāo)準(zhǔn)文件管理組件，執(zhí)行文件傳輸。光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓�新提供拓�(fù)湟恢滦�，并能供網(wǎng)管執(zhí)行拓?fù)錉顟B(tài)監(jiān)控、資源預(yù)留、執(zhí)行帶寬分配及光資源管理。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)監(jiān)控與維護(hù)，收集各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的日志，顯示網(wǎng)絡(luò)性能；文件資源管理利用GridFTP實(shí)現(xiàn)文件資源管理。

3.2 光子網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)
      (1)資源節(jié)點(diǎn)
      資源節(jié)點(diǎn)的主要作用是部署網(wǎng)格應(yīng)用資源，以作為光資源調(diào)度的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也提供圖形用戶界面(GUI)作為光子網(wǎng)格用戶服務(wù)的窗口。根據(jù)目標(biāo)文件大小選擇服務(wù)的方式，包括單發(fā)單收、多發(fā)并收和并發(fā)并收。

      在資源節(jié)點(diǎn)部署光子網(wǎng)格中間件的服務(wù)模塊，用于光子網(wǎng)格服務(wù)接入和資源的管理，包括資源查詢、請(qǐng)求、發(fā)現(xiàn)及狀態(tài)管理。用戶通過圖形界面，發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求給中間件；中間件查詢服務(wù)列表，優(yōu)化選擇可用光資源最多的節(jié)點(diǎn)。控制層面分配光資源，建立連接。

      (2)控制與管理節(jié)點(diǎn)
      結(jié)合GUNI接口，實(shí)現(xiàn)GUNI接口的上層調(diào)用。光子網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)將虛擬底層網(wǎng)絡(luò)資源，形成光子網(wǎng)格服務(wù)，向客戶廣播網(wǎng)格資源及其服務(wù)，形成網(wǎng)格資源服務(wù)體系，對(duì)光子網(wǎng)格的用戶進(jìn)行認(rèn)證和授權(quán)。模擬平臺(tái)定義了一套網(wǎng)格用戶與GMPLS控制層接口消息，用于光子網(wǎng)格用戶的自動(dòng)接入、激活或去激活標(biāo)簽交換路徑的建立請(qǐng)求、連接建立狀態(tài)上報(bào)、異常處理等。

3.3 光子網(wǎng)格管理系統(tǒng)
      針對(duì)網(wǎng)格系統(tǒng)具有分布性、異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上加以精簡(jiǎn)改進(jìn)完善，引入嵌入式的全新理念。在本平臺(tái)中采用分布式代理，管理站集中監(jiān)控的層次管理模型，同時(shí)包括網(wǎng)絡(luò)資源管理，主要與網(wǎng)格管理模塊交互實(shí)現(xiàn)。光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)可以在Linux操作系統(tǒng)下Java環(huán)境中運(yùn)行。除了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視功能(包括拓?fù)�、流量、鏈路等方�?，同時(shí)具有文件資源管理服務(wù)功能。

4 光子網(wǎng)格模擬平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
      為了驗(yàn)證PGN的5個(gè)特性：(1)光子網(wǎng)格的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)特性；(2)網(wǎng)格與光網(wǎng)絡(luò)資源控制的可結(jié)合性；(3)光資源調(diào)度的并發(fā)性；(4)資源管理的廣泛分布性與共享性；(5)光子網(wǎng)格帶寬服務(wù)的多粒度性。同時(shí)，為說明光子網(wǎng)格對(duì)于密集數(shù)據(jù)服務(wù)的支持，開發(fā)并試驗(yàn)了GridFTP與VoD兩種應(yīng)用系統(tǒng)，并分別運(yùn)行于OCS與光突發(fā)交換(OBS)模擬交換網(wǎng)絡(luò)中，執(zhí)行下述功能：(1)網(wǎng)格資源聯(lián)合管理，包括應(yīng)用資源與光網(wǎng)絡(luò)資源；(2)光網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)與并行調(diào)度；(3)多粒度帶寬分配；(4)應(yīng)用資源驅(qū)動(dòng)的選路。結(jié)合OCS與OBS模擬交換網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)模式，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 基于OCS的網(wǎng)格
      基于OCS的網(wǎng)格(Grid over OCS)運(yùn)行于OCS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，主要選擇波長(zhǎng)選路的方式，通過光通道實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)全光通信鏈路，并在每條從源端到目的端的光通道采用動(dòng)態(tài)路由方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存在滿足條件的可用波長(zhǎng)時(shí)則建立光通道，一旦建立將采用獨(dú)占方式，而且光通道的帶寬以波長(zhǎng)的帶寬為交換粒度。對(duì)于傳輸文件較小的時(shí)候則采用單條光路的模式，其收發(fā)流量如圖6中(a)、(b)所示。對(duì)于更大的文件則自適應(yīng)控制，根據(jù)資源狀態(tài)可引入并行通道，流量狀態(tài)如圖6中(c)、(d)所示。

      在傳送密集數(shù)據(jù)時(shí)，提供波長(zhǎng)層次的帶寬粒度，且具有帶寬永久性占有特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是硬件和控制技術(shù)可結(jié)合當(dāng)前大量應(yīng)用的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)和ASON，適用于大帶寬業(yè)務(wù)。試驗(yàn)及結(jié)果顯示光子網(wǎng)格能夠提供可控的光網(wǎng)絡(luò)資源給用戶，使得網(wǎng)格應(yīng)用資源與光網(wǎng)絡(luò)資源聯(lián)合調(diào)度，建立業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)體系。對(duì)于大文件或者密集數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，并發(fā)調(diào)度的能力將使得網(wǎng)格用戶擁有更多的通信資源，從而滿足海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬要求，并能在更廣泛的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源分布式共享。

4.2 基于OBS的網(wǎng)格
      基于OBS的網(wǎng)格(Grid over OBS)為采取OBS作為光交換模式而去構(gòu)建光子網(wǎng)格的一種方式。GOBS模式下，網(wǎng)格業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流量可以由OBS中的突發(fā)包承載，OBS網(wǎng)絡(luò)中控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，使得由用戶發(fā)起建立高速全光數(shù)據(jù)透明光路。采取OBS作為交換方式，能夠適應(yīng)網(wǎng)格業(yè)務(wù)的突發(fā)特性，特別在大文件傳輸中，提供更為適中的帶寬粒度�？刂茖用媲度牍庾泳W(wǎng)格中間件，應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)優(yōu)化選擇服務(wù)對(duì)象，進(jìn)行數(shù)據(jù)沖突的組裝，由BCP實(shí)現(xiàn)通道與資源的預(yù)留控制。圖7(a)顯示IP業(yè)務(wù)發(fā)送流量特性，通過中間件接入OBS網(wǎng)絡(luò)中。OBS節(jié)點(diǎn)中的突發(fā)流量如圖7(b)所示。

      光子網(wǎng)格用戶在獲取文件服務(wù)或者視頻服務(wù)時(shí)，中間件將自動(dòng)選擇光子網(wǎng)格中可用對(duì)象，并驅(qū)動(dòng)光資源服務(wù)。OBS執(zhí)行光資源預(yù)留，除非網(wǎng)絡(luò)沒有可用的資源存在，否則用戶在某個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)忙的情況下，可選擇其他目標(biāo)，而不必考慮具體的位置，易于得到服務(wù)，而不至于像當(dāng)前的文件傳輸協(xié)議(FTP)服務(wù)，一旦目標(biāo)不可達(dá)，則無法建立服務(wù)。

5 結(jié)束語
      在業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的模式中，將融合包括無線業(yè)務(wù)、IP業(yè)務(wù)、語音視頻等業(yè)務(wù)，重要的是將業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分離。在新一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上建立光子網(wǎng)格應(yīng)用體系，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)開展理論研究和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，將有助于建立光子網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)資源分配模型與應(yīng)用服務(wù)，為今后實(shí)現(xiàn)更廣泛、實(shí)用化的資源服務(wù)體系奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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