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

　　信息化建設的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)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)展與建設的目標。新一代的網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)正在向著(zhù)大規模、分布式與密集數據應用的方向發(fā)展(如計算網(wǎng)格、并行與分布式業(yè)務(wù)等[1])。電信業(yè)中通過(guò)大量基礎網(wǎng)絡(luò )的建設，使得光網(wǎng)絡(luò )擁有大量的線(xiàn)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)驅動(dòng)模式對未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展具有重要意義[2]。因此業(yè)務(wù)驅動(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。

　　以數據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(zhù)并行協(xié)作型業(yè)務(wù)的發(fā)展，對動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)模型提出了更高的要求，網(wǎng)格結合光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)能從網(wǎng)絡(luò )資源上滿(mǎn)足具有密集數據特性的業(yè)務(wù)(如科學(xué)協(xié)作計算、天文物理、遠程醫療等)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(hù)控制與管理的光網(wǎng)絡(luò )、通用多協(xié)議標記交換(GMPLS)動(dòng)態(tài)資源分配光網(wǎng)絡(luò )(DRAGON)、業(yè)務(wù)驅動(dòng)的自動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò )(SO-ASTN)等[3-10]，采取業(yè)務(wù)驅動(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，以應用需求為基礎，研究光子網(wǎng)格的體系結構，對光子網(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，提出合理的結構，給出研究與測試的結果。

　　1、業(yè)務(wù)驅動(dòng)的光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )

　　光子網(wǎng)格能夠實(shí)現光網(wǎng)絡(luò )資源(包括光器件、光網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、光波分復用系統、光波長(cháng)、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大的虛擬光資源實(shí)體，向用戶(hù)提供高質(zhì)量的服務(wù)。隨著(zhù)新業(yè)務(wù)的出現，如電子科學(xué)(E-Science)、電子醫療(E-Health)等，為滿(mǎn)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)應用。圖1給出的是業(yè)務(wù)驅動(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)驅動(dòng)模式以資源為核心，業(yè)務(wù)通過(guò)不同方式提供給用戶(hù)。它將網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)與服務(wù)分開(kāi)，從而通過(guò)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(mǎn)足用戶(hù)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(wèn)題是如何構建一個(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(guò)改進(jìn)現有的光網(wǎng)絡(luò )體系結構、控制層、接口功能等來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對資源的需求是實(shí)現光子網(wǎng)格的關(guān)鍵技術(shù)。在構建光子網(wǎng)格功能體系結構的基礎上，本文討論的關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示，內容包括：功能結構分析、光子網(wǎng)格資源管理與調度、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(hù)網(wǎng)絡(luò )接口(GUNI)研究。{{分頁(yè)}}

　　2.1　光子網(wǎng)格功能體系模型

　　針對業(yè)務(wù)驅動(dòng)的光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )，構建一個(gè)更為合理的網(wǎng)絡(luò )架構，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、計算網(wǎng)格及E-Science等)。因此，新型的業(yè)務(wù)驅動(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)能夠根據需要申請網(wǎng)絡(luò )資源。在具體實(shí)現時(shí)，底層網(wǎng)絡(luò )能力可抽象為一系列標準對象提供公共訪(fǎng)問(wèn)接口，作為業(yè)務(wù)應用訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )資源、感知網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)的渠道。為實(shí)現網(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(mǎn)足數據密集型業(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(hù)、應用或服務(wù)在內的其他實(shí)體提供可用資源、執行資源共享的一組操作。網(wǎng)格資源管理側重于控制和描述網(wǎng)格分布式資源，即如何提供可用資源服務(wù)給其他請求者，并不關(guān)心資源的具體表現形式，而偏重于該功能執行的方式。光子網(wǎng)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(wǎng)格中間件

　　相對于傳統意義上的中間件，光子網(wǎng)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(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(hù)網(wǎng)絡(luò )接口、光子網(wǎng)格傳輸控制協(xié)議。{{分頁(yè)}}

　　2.4　光子網(wǎng)格信令控制

　　由于基于GMPLS的網(wǎng)絡(luò )體系結構及其相關(guān)協(xié)議加強了對光網(wǎng)絡(luò )資源的控制功能，使得對光網(wǎng)絡(luò )資源的使用和調度更加靈活，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，執行資源預留等功能。通用多協(xié)議標記交換網(wǎng)絡(luò )由控制節點(diǎn)和流量工程鏈路(TE-Link)等構成，每個(gè)要素都有節點(diǎn)地址和接口標識(ID)來(lái)實(shí)現標識控制和管理。

　　2.5　光子網(wǎng)格用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )接口

　　GUNI在光子網(wǎng)格中的主要作用是實(shí)現網(wǎng)格用戶(hù)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)。主要內容為：

　　(1)　通過(guò)GUNI用戶(hù)或者客戶(hù)端向光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )中的中間件或者代理請求網(wǎng)格服務(wù)。

　　(2)　在服務(wù)控制和管理平面的監控之下，對流量執行分類(lèi)和組合。

　　3、光子網(wǎng)格模擬平臺與技術(shù)實(shí)現

　　3.1　光子網(wǎng)格模擬平臺與功能結構

　　應用驅動(dòng)的光子網(wǎng)格模擬平臺由資源節點(diǎn)、控制節點(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所示的結構。數據庫、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節點(diǎn)的格狀網(wǎng)(Mesh)網(wǎng)絡(luò )結構。

　　光子網(wǎng)格模擬平臺的功能結構分為4個(gè)層面：應用層面、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(hù)的服務(wù)接入與管理層次及光網(wǎng)絡(luò )資源調度與管理的網(wǎng)絡(luò )層次部分。用戶(hù)界面通過(guò)應用程序接口調用中間件嵌入的功能，通過(guò)GUNI獲取資源。

　　Java程序開(kāi)發(fā)的中間件調用GT4標準文件管理組件，執行文件傳輸。光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )拓撲更新提供拓撲一致性，并能供網(wǎng)管執行拓撲狀態(tài)監控、資源預留、執行帶寬分配及光資源管理。網(wǎng)絡(luò )拓撲狀態(tài)監控與維護，收集各個(gè)網(wǎng)格節點(diǎn)的日志，顯示網(wǎng)絡(luò )性能；文件資源管理利用GridFTP實(shí)現文件資源管理。{{分頁(yè)}}

　　3.2　光子網(wǎng)格節點(diǎn)

　　(1)　資源節點(diǎn)

　　資源節點(diǎn)的主要作用是部署網(wǎng)格應用資源，以作為光資源調度的驅動(dòng)，同時(shí)也提供圖形用戶(hù)界面(GUI)作為光子網(wǎng)格用戶(hù)服務(wù)的窗口。根據目標文件大小選擇服務(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(xún)、請求、發(fā)現及狀態(tài)管理。用戶(hù)通過(guò)圖形界面，發(fā)送服務(wù)請求給中間件；中間件查詢(xún)服務(wù)列表，優(yōu)化選擇可用光資源最多的節點(diǎn)?？刂茖用娣峙涔赓Y源，建立連接。

　　(2)　控制與管理節點(diǎn)

　　結合GUNI接口，實(shí)現GUNI接口的上層調用。光子網(wǎng)格控制節點(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(hù)廣播網(wǎng)格資源及其服務(wù)，形成網(wǎng)格資源服務(wù)體系，對光子網(wǎng)格的用戶(hù)進(jìn)行認證和授權。模擬平臺定義了一套網(wǎng)格用戶(hù)與GMPLS控制層接口消息，用于光子網(wǎng)格用戶(hù)的自動(dòng)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(wǎng)格管理系統

　　針對網(wǎng)格系統具有分布性、異構性和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，在傳統網(wǎng)絡(luò )管理系統基礎上加以精簡(jiǎn)改進(jìn)完善，引入嵌入式的全新理念。在本平臺中采用分布式代理，管理站集中監控的層次管理模型，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。光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )模擬平臺可以在Linux操作系統下Java環(huán)境中運行。除了網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)實(shí)時(shí)監視功能(包括拓撲、流量、鏈路等方面)，同時(shí)具有文件資源管理服務(wù)功能。

　　4.光子網(wǎng)格模擬平臺實(shí)驗結果

　　為了驗證PGN的5個(gè)特性：

　　(1)　光子網(wǎng)格的業(yè)務(wù)驅動(dòng)特性；
　　(2)　網(wǎng)格與光網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)格帶寬服務(wù)的多粒度性。{{分頁(yè)}}

　　同時(shí)，為說(shuō)明光子網(wǎng)格對于密集數據服務(wù)的支持，開(kāi)發(fā)并試驗了GridFTP與VoD兩種應用系統，并分別運行于OCS與光突發(fā)交換(OBS)模擬交換網(wǎng)絡(luò )中，執行下述功能：

　　(1)網(wǎng)格資源聯(lián)合管理，包括應用資源與光網(wǎng)絡(luò )資源；
　　(2)光網(wǎng)絡(luò )資源的動(dòng)態(tài)與并行調度；
　　(3)多粒度帶寬分配；
　　(4)應用資源驅動(dòng)的選路。結合OCS與OBS模擬交換網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)模式，給出實(shí)驗結果。

　　4.1基于OCS的網(wǎng)格

　　基于OCS的網(wǎng)格(Grid over OCS)運行于OCS網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，主要選擇波長(cháng)選路的方式，通過(guò)光通道實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(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，當網(wǎng)絡(luò )存在滿(mǎn)足條件的可用波長(cháng)時(shí)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(cháng)的帶寬為交換粒度。對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。

　　在傳送密集數據時(shí)，提供波長(cháng)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)可結合當前大量應用的波分復用網(wǎng)絡(luò )和ASON，適用于大帶寬業(yè)務(wù)。試驗及結果顯示光子網(wǎng)格能夠提供可控的光網(wǎng)絡(luò )資源給用戶(hù)，使得網(wǎng)格應用資源與光網(wǎng)絡(luò )資源聯(lián)合調度，建立業(yè)務(wù)驅動(dòng)的光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )體系。對于大文件或者密集數據等業(yè)務(wù)，并發(fā)調度的能力將使得網(wǎng)格用戶(hù)擁有更多的通信資源，從而滿(mǎn)足海量數據業(yè)務(wù)的帶寬要求，并能在更廣泛的范圍內實(shí)現資源分布式共享。

　　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建光子網(wǎng)格的一種方式。GOBS模式下，網(wǎng)格業(yè)務(wù)的數據流量可以由OBS中的突發(fā)包承載，OBS網(wǎng)絡(luò )中控制平面和數據平面分離，使得由用戶(hù)發(fā)起建立高速全光數據透明光路。采取OBS作為交換方式，能夠適應網(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，應用驅動(dòng)下自動(dòng)優(yōu)化選擇服務(wù)對象，進(jìn)行數據沖突的組裝，由BCP實(shí)現通道與資源的預留控制。圖7(a)顯示IP業(yè)務(wù)發(fā)送流量特性，通過(guò)中間件接入OBS網(wǎng)絡(luò )中。OBS節點(diǎn)中的突發(fā)流量如圖7(b)所示。

　　光子網(wǎng)格用戶(hù)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)格中可用對象，并驅動(dòng)光資源服務(wù)。OBS執行光資源預留，除非網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有可用的資源存在，否則用戶(hù)在某個(gè)服務(wù)節點(diǎn)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(wù)，而不至于像當前的文件傳輸協(xié)議(FTP)服務(wù)，一旦目標不可達，則無(wú)法建立服務(wù)。

　　5、結束語(yǔ)

　　在業(yè)務(wù)驅動(dòng)的模式中，將融合包括無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)、IP業(yè)務(wù)、語(yǔ)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)基礎上建立光子網(wǎng)格應用體系，對其關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展理論研究和技術(shù)實(shí)現，將有助于建立光子網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)資源分配模型與應用服務(wù)，為今后實(shí)現更廣泛、實(shí)用化的資源服務(wù)體系奠定理論和技術(shù)基礎。