業(yè)務驅動的光子網格關鍵技術研究

      信息化建設的一個熱點問題是技術與業(yè)務的融合，即如何從業(yè)務需求的角度入手，制訂網絡發(fā)展與建設的目標。新一代的網絡業(yè)務正在向著大規(guī)模、分布式與密集數(shù)據應用的方向發(fā)展(如計算網格、并行與分布式業(yè)務等[1])。電信業(yè)中通過大量基礎網絡的建設，使得光網絡擁有大量的線路和帶寬。為提高網絡資源的整體效率，使業(yè)務、資源、技術三方面彼此促進發(fā)展，采用業(yè)務驅動模式對未來網絡的發(fā)展具有重要意義[2]。因此業(yè)務驅動、面向智能的光網絡是下一代光網絡的發(fā)展方向，一旦獲得全面突破，將會為下一代網絡(NGN)的發(fā)展提供更大的推動力。

      以數(shù)據密集型為代表的新業(yè)務需要大量的網絡資源與動態(tài)的網絡服務模式，而光網絡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絡帶寬，有利于推動網絡與業(yè)務發(fā)展的一致性。隨著并行協(xié)作型業(yè)務的發(fā)展，對動態(tài)的網絡業(yè)務模型提出了更高的要求，網格結合光網絡技術能從網絡資源上滿足具有密集數(shù)據特性的業(yè)務(如科學協(xié)作計算、天文物理、遠程醫(yī)療等)需要。為提高網絡資源的利用率，光網絡的發(fā)展今后將以業(yè)務驅動為主，提供動態(tài)資源，如光動態(tài)智能網絡服務、用戶控制與管理的光網絡、通用多協(xié)議標記交換(GMPLS)動態(tài)資源分配光網絡(DRAGON)、業(yè)務驅動的自動傳輸網絡(SO-ASTN)等[3-10]，采取業(yè)務驅動模式建立的高性能光網絡，支持網格服務體系。

      本文立足于光網絡具體情況，以應用需求為基礎，研究光子網格的體系結構，對光子網格中資源管理、服務管理、接口、中間件進行組織和規(guī)劃，確定各個組成部分的功能及其相互關系，提出合理的結構，給出研究與測試的結果。

1 業(yè)務驅動的光子網格網絡
      光子網格能夠實現(xiàn)光網絡資源(包括光器件、光網絡節(jié)點、光波分復用系統(tǒng)、光波長、光交換、中間件、控制軟件)的協(xié)同工作和共享，即把光網絡中的資源整合成功能強大的虛擬光資源實體，向用戶提供高質量的服務。隨著新業(yè)務的出現(xiàn)，如電子科學(E-Science)、電子醫(yī)療(E-Health)等，為滿足不同帶寬服務的要求，光網絡需要提供按需的網絡服務；采取業(yè)務與網絡分離的模式，可以提供靈活的資源控制方式，提高網絡資源利用率，合理優(yōu)化網絡的承載能力，支持多種業(yè)務應用。圖1給出的是業(yè)務驅動的光子網格資源與網絡的關系，光網絡提供網絡資源，包括帶寬與光通道等，是網絡資源的承載。

      業(yè)務驅動模式以資源為核心，業(yè)務通過不同方式提供給用戶。它將網絡運營與服務分開，從而通過新的資源控制方式，提供靈活的網絡服務，最終使得資源利用最大化并滿足用戶的各種服務需要。

2 光子網格關鍵技術
      光子網格要解決的問題是如何構建一個隨意獲得網絡服務與網格資源共享的體系。因此，如何通過改進現(xiàn)有的光網絡體系結構、控制層、接口功能等來滿足用戶對資源的需求是實現(xiàn)光子網格的關鍵技術。在構建光子網格功能體系結構的基礎上，本文討論的關鍵技術如圖2所示，內容包括：功能結構分析、光子網格資源管理與調度、光子網格業(yè)務管理研究、光子網格控制與管理技術研究、網格用戶網絡接口(GUNI)研究。

2.1 光子網格功能體系模型
針對業(yè)務驅動的光子網格網絡，構建一個更為合理的網絡架構，不僅能夠提供寬帶服務，而且能夠保證更多業(yè)務的需求(如Internet業(yè)務接入、高質量視頻、計算網格及E-Science等)。因此，新型的業(yè)務驅動的網絡模型，需要具有網絡感知的能力，以便于業(yè)務能夠根據需要申請網絡資源。在具體實現(xiàn)時，底層網絡能力可抽象為一系列標準對象提供公共訪問接口，作為業(yè)務應用訪問網絡資源、感知網絡狀態(tài)的渠道。為實現(xiàn)網絡與業(yè)務的分離，提供更好的網絡服務，需要光子網格功能框架模型如圖3所示。框架為滿足數(shù)據密集型業(yè)務的需要，增加了業(yè)務與網絡資源控制，并結合網格服務框架，為上層服務提供網絡資源服務。

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

2.3 光子網格中間件
      相對于傳統(tǒng)意義上的中間件，光子網格中間件還需要負責對光資源的管理和調度，功能更為廣泛，直接面向資源消費者。光子網格中間件包括光子網格資源管理部分、光子網格網絡控制部分、光子網格業(yè)務管理部分(包括業(yè)務服務協(xié)議、業(yè)務協(xié)商)、網格用戶網絡接口、光子網格傳輸控制協(xié)議。

2.4 光子網格信令控制
      由于基于GMPLS的網絡體系結構及其相關協(xié)議加強了對光網絡資源的控制功能，使得對光網絡資源的使用和調度更加靈活，網絡資源的利用率可以更高，服務質量更加可靠，因此引入信令控制到光子網格中，執(zhí)行資源預留等功能。通用多協(xié)議標記交換網絡由控制節(jié)點和流量工程鏈路(TE-Link)等構成，每個要素都有節(jié)點地址和接口標識(ID)來實現(xiàn)標識控制和管理。

2.5 光子網格用戶網絡接口
      GUNI在光子網格中的主要作用是實現(xiàn)網格用戶與光網絡之間的按需接入、網格服務和可交互的操作，以便進行協(xié)議協(xié)商和網格服務的啟動。主要內容為：
(1)通過GUNI用戶或者客戶端向光子網格網絡中的中間件或者代理請求網格服務。
(2)在服務控制和管理平面的監(jiān)控之下，對流量執(zhí)行分類和組合。

3 光子網格模擬平臺與技術實現(xiàn)

3.1 光子網格模擬平臺與功能結構
      應用驅動的光子網格模擬平臺由資源節(jié)點、控制節(jié)點和光交換網絡組成，以光路交換(OCS)體系為例，模擬環(huán)境采取如圖4所示的結構。數(shù)據庫、視頻點播(VoD)服務器、局域網、GridFTP文件服務器作為網格的外圍資源，控制層主要是配置網格服務環(huán)境和網絡管理體系，動態(tài)光網絡作為底層支撐網絡，并采取4節(jié)點的格狀網(Mesh)網絡結構。

      光子網格模擬平臺的功能結構分為4個層面：應用層面、中間件、交換網絡和管理層面，如圖5所示。中間件包括面向網格用戶的服務接入與管理層次及光網絡資源調度與管理的網絡層次部分。用戶界面通過應用程序接口調用中間件嵌入的功能，通過GUNI獲取資源。

      Java程序開發(fā)的中間件調用GT4標準文件管理組件，執(zhí)行文件傳輸。光子網格網絡拓撲更新提供拓撲一致性，并能供網管執(zhí)行拓撲狀態(tài)監(jiān)控、資源預留、執(zhí)行帶寬分配及光資源管理。網絡拓撲狀態(tài)監(jiān)控與維護，收集各個網格節(jié)點的日志，顯示網絡性能；文件資源管理利用GridFTP實現(xiàn)文件資源管理。

3.2 光子網格節(jié)點
      (1)資源節(jié)點
      資源節(jié)點的主要作用是部署網格應用資源，以作為光資源調度的驅動，同時也提供圖形用戶界面(GUI)作為光子網格用戶服務的窗口。根據目標文件大小選擇服務的方式，包括單發(fā)單收、多發(fā)并收和并發(fā)并收。

      在資源節(jié)點部署光子網格中間件的服務模塊，用于光子網格服務接入和資源的管理，包括資源查詢、請求、發(fā)現(xiàn)及狀態(tài)管理。用戶通過圖形界面，發(fā)送服務請求給中間件；中間件查詢服務列表，優(yōu)化選擇可用光資源最多的節(jié)點�？刂茖用娣峙涔赓Y源，建立連接。

      (2)控制與管理節(jié)點
      結合GUNI接口，實現(xiàn)GUNI接口的上層調用。光子網格控制節(jié)點將虛擬底層網絡資源，形成光子網格服務，向客戶廣播網格資源及其服務，形成網格資源服務體系，對光子網格的用戶進行認證和授權。模擬平臺定義了一套網格用戶與GMPLS控制層接口消息，用于光子網格用戶的自動接入、激活或去激活標簽交換路徑的建立請求、連接建立狀態(tài)上報、異常處理等。

3.3 光子網格管理系統(tǒng)
      針對網格系統(tǒng)具有分布性、異構性和動態(tài)性的特點，在傳統(tǒng)網絡管理系統(tǒng)基礎上加以精簡改進完善，引入嵌入式的全新理念。在本平臺中采用分布式代理，管理站集中監(jiān)控的層次管理模型，同時包括網絡資源管理，主要與網格管理模塊交互實現(xiàn)。光子網格網絡模擬平臺可以在Linux操作系統(tǒng)下Java環(huán)境中運行。除了網絡狀態(tài)實時監(jiān)視功能(包括拓撲、流量、鏈路等方面)，同時具有文件資源管理服務功能。

4 光子網格模擬平臺實驗結果
      為了驗證PGN的5個特性：(1)光子網格的業(yè)務驅動特性；(2)網格與光網絡資源控制的可結合性；(3)光資源調度的并發(fā)性；(4)資源管理的廣泛分布性與共享性；(5)光子網格帶寬服務的多粒度性。同時，為說明光子網格對于密集數(shù)據服務的支持，開發(fā)并試驗了GridFTP與VoD兩種應用系統(tǒng)，并分別運行于OCS與光突發(fā)交換(OBS)模擬交換網絡中，執(zhí)行下述功能：(1)網格資源聯(lián)合管理，包括應用資源與光網絡資源；(2)光網絡資源的動態(tài)與并行調度；(3)多粒度帶寬分配；(4)應用資源驅動的選路。結合OCS與OBS模擬交換網絡的服務模式，給出實驗結果。

4.1 基于OCS的網格
      基于OCS的網格(Grid over OCS)運行于OCS網絡環(huán)境中，主要選擇波長選路的方式，通過光通道實現(xiàn)網絡節(jié)點全光通信鏈路，并在每條從源端到目的端的光通道采用動態(tài)路由方式，當網絡存在滿足條件的可用波長時則建立光通道，一旦建立將采用獨占方式，而且光通道的帶寬以波長的帶寬為交換粒度。對于傳輸文件較小的時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。對于更大的文件則自適應控制，根據資源狀態(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)據時，提供波長層次的帶寬粒度，且具有帶寬永久性占有特點，其優(yōu)點是硬件和控制技術可結合當前大量應用的波分復用網絡和ASON，適用于大帶寬業(yè)務。試驗及結果顯示光子網格能夠提供可控的光網絡資源給用戶，使得網格應用資源與光網絡資源聯(lián)合調度，建立業(yè)務驅動的光子網格網絡體系。對于大文件或者密集數(shù)據等業(yè)務，并發(fā)調度的能力將使得網格用戶擁有更多的通信資源，從而滿足海量數(shù)據業(yè)務的帶寬要求，并能在更廣泛的范圍內實現(xiàn)資源分布式共享。

4.2 基于OBS的網格
      基于OBS的網格(Grid over OBS)為采取OBS作為光交換模式而去構建光子網格的一種方式。GOBS模式下，網格業(yè)務的數(shù)據流量可以由OBS中的突發(fā)包承載，OBS網絡中控制平面和數(shù)據平面分離，使得由用戶發(fā)起建立高速全光數(shù)據透明光路。采取OBS作為交換方式，能夠適應網格業(yè)務的突發(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格中間件，應用驅動下自動優(yōu)化選擇服務對象，進行數(shù)據沖突的組裝，由BCP實現(xiàn)通道與資源的預留控制。圖7(a)顯示IP業(yè)務發(fā)送流量特性，通過中間件接入OBS網絡中。OBS節(jié)點中的突發(fā)流量如圖7(b)所示。

      光子網格用戶在獲取文件服務或者視頻服務時，中間件將自動選擇光子網格中可用對象，并驅動光資源服務。OBS執(zhí)行光資源預留，除非網絡沒有可用的資源存在，否則用戶在某個服務節(jié)點忙的情況下，可選擇其他目標，而不必考慮具體的位置，易于得到服務，而不至于像當前的文件傳輸協(xié)議(FTP)服務，一旦目標不可達，則無法建立服務。

5 結束語
      在業(yè)務驅動的模式中，將融合包括無線業(yè)務、IP業(yè)務、語音視頻等業(yè)務，重要的是將業(yè)務與網絡分離。在新一代光網絡技術基礎上建立光子網格應用體系，對其關鍵技術開展理論研究和技術實現(xiàn)，將有助于建立光子網格的動態(tài)資源分配模型與應用服務，為今后實現(xiàn)更廣泛、實用化的資源服務體系奠定理論和技術基礎。

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