业务驱动的光子网格关键技术研究

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　　摘要：通过对光子网格资源管理新机制、光子网格中间件和光子网格用户网络接口等关键技术的研究，建立业务驱动的光资源动态调度方法，给出大块数据传输及视频点播(VOD)服务在可控光路与基于OBS的网格(Grid over OBS)模式下的业务应用模式。理论与实验证明业务驱动的光子网格关键技术的实现，使得光子网格能很好地为密集数据业务服务。　　信息化建设的一个热点问题是技术与业务的融合，即如何从业务需求的角度入手，制订网络发展与建设的目标。新一代的网络业务正在向着大规模、分布式与密集数据应用的方向发展(如计算网格、并行与分布式业务等[1])。电信业中通过大量基础网络的建设，使得光网络拥有大量的线路和带宽。为提高网络资源的整体效率，使业务、资源、技术三方面彼此促进发展，采用业务驱动模式对未来网络的发展具有重要意义[2]。因此业务驱动、面向智能的光网络是下一代光网络的发展方向，一旦获得全面突破，将会为下一代网络(NGN)的发展提供更大的推动力。
　　以数据密集型为代表的新业务需要大量的网络资源与动态的网络服务模式，而光网络具有广泛的带宽资源，因此如何合理地分配资源并充分利用网络带宽，有利于推动网络与业务发展的一致性。随着并行协作型业务的发展，对动态的网络业务模型提出了更高的要求，网格结合光网络技术能从网络资源上满足具有密集数据特性的业务(如科学协作计算、天文物理、远程医疗等)需要。为提高网络资源的利用率，光网络的发展今后将以业务驱动为主，提供动态资源，如光动态智能网络服务、用户控制与管理的光网络、通用多协议标记交换(GMPLS)动态资源分配光网络(DRAGON)、业务驱动的自动传输网络(SO-ASTN)等[3-10]，采取业务驱动模式建立的高性能光网络，支持网格服务体系。
　　本文立足于光网络具体情况，以应用需求为基础，研究光子网格的体系结构，对光子网格中资源管理、服务管理、接口、中间件进行组织和规划，确定各个组成部分的功能及其相互关系，提出合理的结构，给出研究与测试的结果。
1 业务驱动的光子网格网络
　　光子网格能够实现光网络资源(包括光器件、光网络节点、光波分复用系统、光波长、光交换、中间件、控制软件)的协同工作和共享，即把光网络中的资源整合成功能强大的虚拟光资源实体，向用户提供高质量的服务。随着新业务的出现，如电子科学(E-Science)、电子医疗(E-Health)等，为满足不同带宽服务的要求，光网络需要提供按需的网络服务；采取业务与网络分离的模式，可以提供灵活的资源控制方式，提高网络资源利用率，合理优化网络的承载能力，支持多种业务应用。图1给出的是业务驱动的光子网格资源与网络的关系，光网络提供网络资源，包括带宽与光通道等，是网络资源的承载。

　　业务驱动模式以资源为核心，业务通过不同方式提供给用户。它将网络运营与服务分开，从而通过新的资源控制方式，提供灵活的网络服务，最终使得资源利用最大化并满足用户的各种服务需要。
2 光子网格关键技术
　　光子网格要解决的问题是如何构建一个随意获得网络服务与网格资源共享的体系。因此，如何通过改进现有的光网络体系结构、控制层、接口功能等来满足用户对资源的需求是实现光子网格的关键技术。在构建光子网格功能体系结构的基础上，本文讨论的关键技术如图2所示，内容包括：功能结构分析、光子网格资源管理与调度、光子网格业务管理研究、光子网格控制与管理技术研究、网格用户网络接口(GUNI)研究。

　　2.1 光子网格功能体系模型
　　针对业务驱动的光子网格网络，构建一个更为合理的网络架构，不仅能够提供宽带服务，而且能够保证更多业务的需求(如Internet业务接入、高质量视频、计算网格及E-Science等)。因此，新型的业务驱动的网络模型，需要具有网络感知的能力，以便于业务能够根据需要申请网络资源。在具体实现时，底层网络能力可抽象为一系列标准对象提供公共访问接口，作为业务应用访问网络资源、感知网络状态的渠道。为实现网络与业务的分离，提供更好的网络服务，需要光子网格功能框架模型如图3所示。框架为满足数据密集型业务的需要，增加了业务与网络资源控制，并结合网格服务框架，为上层服务提供网络资源服务。

　　2.2 光子网格资源管理与调度
　　网格资源管理是指控制网格和服务怎样向包括用户、应用或服务在内的其他实体提供可用资源、执行资源共享的一组操作。网格资源管理侧重于控制和描述网格分布式资源，即如何提供可用资源服务给其他请求者，并不关心资源的具体表现形式，而偏重于该功能执行的方式。光子网格资源管理的核心功能就是识别资源需求，匹配和分配资源，调度和监测资源，在资源提供者和资源消费者之间建立一种协商，为前者提供资源管理，为后者提供资源调度
　　2.3 光子网格中间件
　　相对于传统意义上的中间件，光子网格中间件还需要负责对光资源的管理和调度，功能更为广泛，直接面向资源消费者。光子网格中间件包括光子网格资源管理部分、光子网格网络控制部分、光子网格业务管理部分(包括业务服务协议、业务协商)、网格用户网络接口、光子网格传输控制协议。
　　2.4 光子网格信令控制
　　由于基于GMPLS的网络体系结构及其相关协议加强了对光网络资源的控制功能，使得对光网络资源的使用和调度更加灵活，网络资源的利用率可以更高，服务质量更加可靠，因此引入信令控制到光子网格中，执行资源预留等功能。通用多协议标记交换网络由控制节点和流量工程链路(TE-Link)等构成，每个要素都有节点地址和接口标识(ID)来实现标识控制和管理。
　　2.5 光子网格用户网络接口
　　GUNI在光子网格中的主要作用是实现网格用户与光网络之间的按需接入、网格服务和可交互的操作，以便进行协议协商和网格服务的启动。主要内容为：
　　(1)通过GUNI用户或者客户端向光子网格网络中的中间件或者代理请求网格服务。
　　(2)在服务控制和管理平面的监控之下，对流量执行分类和组合。
3 光子网格模拟平台与技术实现
　　3.1 光子网格模拟平台与功能结构
　　应用驱动的光子网格模拟平台由资源节点、控制节点和光交换网络组成，以光路交换(OCS)体系为例，模拟环境采取如图4所示的结构。数据库、视频点播(VoD)服务器、局域网、GridFTP文件服务器作为网格的外围资源，控制层主要是配置网格服务环境和网络管理体系，动态光网络作为底层支撑网络，并采取4节点的格状网(Mesh)网络结构。

　　光子网格模拟平台的功能结构分为4个层面：应用层面、中间件、交换网络和管理层面，如图5所示。中间件包括面向网格用户的服务接入与管理层次及光网络资源调度与管理的网络层次部分。用户界面通过应用程序接口调用中间件嵌入的功能，通过GUNI获取资源。

　　Java程序开发的中间件调用GT4标准文件管理组件，执行文件传输。光子网格网络拓扑更新提供拓扑一致性，并能供网管执行拓扑状态监控、资源预留、执行带宽分配及光资源管理。网络拓扑状态监控与维护，收集各个网格节点的日志，显示网络性能；文件资源管理利用GridFTP实现文件资源管理。
　　3.2 光子网格节点
　　(1)资源节点
　　资源节点的主要作用是部署网格应用资源，以作为光资源调度的驱动，同时也提供图形用户界面(GUI)作为光子网格用户服务的窗口。根据目标文件大小选择服务的方式，包括单发单收、多发并收和并发并收。
　　在资源节点部署光子网格中间件的服务模块，用于光子网格服务接入和资源的管理，包括资源查询、请求、发现及状态管理。用户通过图形界面，发送服务请求给中间件；中间件查询服务列表，优化选择可用光资源最多的节点。控制层面分配光资源，建立连接。
　　(2)控制与管理节点
　　结合GUNI接口，实现GUNI接口的上层调用。光子网格控制节点将虚拟底层网络资源，形成光子网格服务，向客户广播网格资源及其服务，形成网格资源服务体系，对光子网格的用户进行认证和授权。模拟平台定义了一套网格用户与GMPLS控制层接口消息，用于光子网格用户的自动接入、激活或去激活标签交换路径的建立请求、连接建立状态上报、异常处理等。
　　3.3 光子网格管理系统
　　针对网格系统具有分布性、异构性和动态性的特点，在传统网络管理系统基础上加以精简改进完善，引入嵌入式的全新理念。在本平台中采用分布式代理，管理站集中监控的层次管理模型，同时包括网络资源管理，主要与网格管理模块交互实现。光子网格网络模拟平台可以在Linux操作系统下Java环境中运行。除了网络状态实时监视功能(包括拓扑、流量、链路等方面)，同时具有文件资源管理服务功能。
4 光子网格模拟平台实验结果
　　为了验证PGN的5个特性：(1)光子网格的业务驱动特性；(2)网格与光网络资源控制的可结合性；(3)光资源调度的并发性；(4)资源管理的广泛分布性与共享性；(5)光子网格带宽服务的多粒度性。同时，为说明光子网格对于密集数据服务的支持，开发并试验了GridFTP与VoD两种应用系统，并分别运行于OCS与光突发交换(OBS)模拟交换网络中，执行下述功能：(1)网格资源联合管理，包括应用资源与光网络资源；(2)光网络资源的动态与并行调度；(3)多粒度带宽分配；(4)应用资源驱动的选路。结合OCS与OBS模拟交换网络的服务模式，给出实验结果。
　　4.1 基于OCS的网格
　　基于OCS的网格(Grid over OCS)运行于OCS网络环境中，主要选择波长选路的方式，通过光通道实现网络节点全光通信链路，并在每条从源端到目的端的光通道采用动态路由方式，当网络存在满足条件的可用波长时则建立光通道，一旦建立将采用独占方式，而且光通道的带宽以波长的带宽为交换粒度。对于传输文件较小的时候则采用单条光路的模式，其收发流量如图6中(a)、(b)所示。对于更大的文件则自适应控制，根据资源状态可引入并行通道，流量状态如图6中(c)、(d)所示。

　　在传送密集数据时，提供波长层次的带宽粒度，且具有带宽永久性占有特点，其优点是硬件和控制技术可结合当前大量应用的波分复用网络和ASON，适用于大带宽业务。试验及结果显示光子网格能够提供可控的光网络资源给用户，使得网格应用资源与光网络资源联合调度，建立业务驱动的光子网格网络体系。对于大文件或者密集数据等业务，并发调度的能力将使得网格用户拥有更多的通信资源，从而满足海量数据业务的带宽要求，并能在更广泛的范围内实现资源分布式共享。
　　4.2 基于OBS的网格
　　基于OBS的网格(Grid over OBS)为采取OBS作为光交换模式而去构建光子网格的一种方式。GOBS模式下，网格业务的数据流量可以由OBS中的突发包承载，OBS网络中控制平面和数据平面分离，使得由用户发起建立高速全光数据透明光路。采取OBS作为交换方式，能够适应网格业务的突发特性，特别在大文件传输中，提供更为适中的带宽粒度。控制层面嵌入光子网格中间件，应用驱动下自动优化选择服务对象，进行数据冲突的组装，由BCP实现通道与资源的预留控制。图7(a)显示IP业务发送流量特性，通过中间件接入OBS网络中。OBS节点中的突发流量如图7(b)所示。

　　光子网格用户在获取文件服务或者视频服务时，中间件将自动选择光子网格中可用对象，并驱动光资源服务。OBS执行光资源预留，除非网络没有可用的资源存在，否则用户在某个服务节点忙的情况下，可选择其他目标，而不必考虑具体的位置，易于得到服务，而不至于像当前的文件传输协议(FTP)服务，一旦目标不可达，则无法建立服务。
5 结束语
　　在业务驱动的模式中，将融合包括无线业务、IP业务、语音视频等业务，重要的是将业务与网络分离。在新一代光网络技术基础上建立光子网格应用体系，对其关键技术开展理论研究和技术实现，将有助于建立光子网格的动态资源分配模型与应用服务，为今后实现更广泛、实用化的资源服务体系奠定理论和技术基础。