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作者：Bijan R. Rofoee 高級網絡工程師 Bristol Is Open Bijan.Rofoee@bristol.ac.uk Mayur Channegowda SDN首席科學家 Zeetta Networks www.zeetta.com Shuping Peng 研究員 布里斯托大學 虛擬化首席科學家 Zeetta Networks George Zervas 高性能網絡教授 布里斯托大學 Dimitra Simeonidou Bristol Is Open 的首席技術官 高性能網絡教授 布里斯托大學 英國布里斯托成為智能城市技術試點城市。Bristol Is Open 項目是物聯網發展過程中的生活實驗室。 到 2050 年，世界人口將達到 90 億，城市居民占 75%。英國已經有 80% 左右的人口居住在城市地區，因此英國需要確保城市適應數字時代要求。智能城市有助于打造出高效、可持續發展、更清潔的環境、更高品質的生活以及繁榮昌盛的經濟。 為此，布里斯托大學和布里斯托市共同創辦的 Bristol Is Open (BIO) 合資企業與行業、大學、當地社區及當地和國家政府部門開展通力協作。Bristol Is Open (www.bristolisopen.com)正在推動這座擁有 50 萬人口的英格蘭西南部城市成為世界第一座可編程城市。 布里斯托將成為生機勃勃的全新工業物聯網（即智能城市基礎設施組成部分）市場的開放式測試場。Bristol Is Open 項目在很多開發及部署領域采用賽靈思 All Programmable FPGA 器件。 智能城市的愿景 智能城市利用信息和通信網絡以及互聯網技術來解決城市難題，旨在大幅改善宜居性和資源可持續性。預測顯示[1]，全球智能城市產業到 2020 年市值將超過 4000 億美元，預計英國至少占 10% 的份額，即 400 億美元。英國政府對智能城市的投資包括：為英國研究委員會資助的智能城市研究活動投資的 1.5 億美；五年內為技術戰略委員會在倫敦建立的全新未來城市發展中心指撥的 7900 萬美元；今年年初為未來城市示范項目投資的 5200 萬美元；以及近期為物聯網 (IoT) 研究與示范項目投資的 6300 萬美元。 Bristol Is Open 正在示范構建一個城市規模研究與創新的測試平臺。目標是推動未來智能城市的數字創新：使開放式可編程社區成為 21 世紀后五十年的標準。 BIO 測試平臺配備業界領先的可編程網絡技術，并采用名為 NetOS 的全市范圍操作系統，允許智能城市應用與城市基礎設施進行交互，以針對網絡功能進行編程、虛擬化和量身定制，進而獲得最佳性能。賽靈思器件可作為高性能通用平臺，用在城市中包括有線、無線和 IoT 網絡基礎設施以及仿真設施在內的眾多節點上。 下面我們來了解一下這種新型城市社區，先看看可編程城市的整體愿景。然后，我們將深入了解布里斯托項目如何利用賽靈思器件構建城市“白盒子”并提供各種網絡功能。 未來智能城市 未來十年全世界將產生 100 多座 100 萬人口的城市 [2]，同時，在這十年里，人口向城市的不斷涌入將使城市居民數量每年增長 6000 萬。[2] 因此到 2050 年，世界上將有超過 70% 的人口居住在城市里。另外，考慮到城市只占世界 2% 的陸地面積，卻消耗約四分之三的資源，因此當前的城市化會帶來諸多經濟和社會挑戰，并對城市基礎設施形成壓力。不斷發展的城市將不得不應對各種挑戰，以保持經濟發展、環境可持續性以及社會彈性。 解決方案是讓城市更智能。盡管智能城市沒有絕對性定義，但智能城市的運行卻有幾個被廣泛認可的關鍵方面。[3]它們包括： • 以市民為中心的服務交付，包括優先考慮市民需求。 • 結果/績效的透明度，使市民可以對 每個機構和每個區域的績效進行對比和評判。 • 智能物理基礎設施，使服務提供商能夠高效管理服務交付、數據 收集和數據分析。 • 一個數字安全的開放式現代化軟件基礎設施，可讓市民在需要時訪問 他們所需的信息。 智能城市的技術驅動因素靈感來源于物聯網；Gartner 數據 [4] 顯示，到 2020 年物聯網設備的安裝數量將增長到 260 億臺。相比之下 2009 年的安裝數量為 9 億臺，總數實現了將近 30 倍的增長，技術和服務營收超過 3000 億美元。智能城市大規模部署 IoT 技術，不僅可使從傳感器和設備采集的數據出現在生態系統中，而且還可促進對數據的分析并將命令反饋至控制城市功能的執行設備中。 從感應和分析角度來看，信息可回送到城市基礎設施的執行設備中，以動態控制運行狀況。在這種方式下可以：利用智能交通設施實現無人駕駛汽車；利用智能照明技術獲得更高的能效；針對不同時間（白天和季節性變化）管理網絡資源；根據事件調動資源，例如體育賽事需要高質量廣播及新聞報道；以及有效處理緊急情況(城市疏散)。 可編程城市與智能城市 智能城市意在通過探索網絡、IT 和云技術，以更經濟有效方式改善和加強為市民提供的公共和私有服務。為達此目標，智能城市需要大量使用從市民、環境、汽車以及城市中一切事物中收集到的數據。所提供的數據越多，對城市運行的分析就越準確，從而可以設計并推出智能城市服務。 就網絡基礎設施而言，進行整個城市數據的檢索和處理意味著需要收集、聚合大量傳感器數據并傳送到計算設施(數據中心)中進行存儲和可能的處理。應用情景和類型的多樣化就智能城市中的網絡和計算基礎設施要求方面提出了重大挑戰。城市中原有的信息與通信技術 (ICT) 基礎設施會成為智能城市運行的主要瓶頸，因為它們不具備所需的容量、靈活性和擴展性，因而無法保證高資源要求的新興智能城市技術具備足夠擴展性以滿足未來需求。 可編程網絡技術提供的獨特功能可提高智能城市運行性能。這些技術采用開放的軟件和硬件平臺，用戶可針對不同用例要求對平臺進行編程以量身定制網絡功能。改善網絡中的控制、監控和資源分配是部署可編程網絡的明顯優勢。更為重要的是，可編程技術有助于網絡與 IT 設施的集成，提高應用感知。 軟件定義網絡 (SDN) 是可編程網絡的主要支持因素之一。SDN 的基礎在于將基礎設施控制與數據層進行去耦，這樣不僅可顯著簡化網絡管理和應用開發，同時還允許在網絡中部署用于實現網絡功能的通用硬件。 基于 SDN 的簡化可擴展網絡管理還可為網絡虛擬化提供極大的幫助。網絡虛擬化本質上可幫助相互隔離的多個用戶通過共享物理資源進行工作，從而可減少安裝附加物理硬件的需求。網絡功能虛擬化 (NFV) 是比較新的虛擬化創新技術，可通過軟件實現商業硬件的網絡功能。防火墻、深度數據包檢查、負載平衡等網絡功能以可插拔軟件包的形式在通用機器上部署，從而能夠以特別低的成本加速網絡服務部署。 除了軟件驅動網絡以外，硬件和基礎設施的可編程性也將提高，進而超越固定功能硬件數據層的范疇。向數據層添加高級可編程性以及更高級的功能性，并通過標準軟件 API 進行訪問，這樣能夠更加智能和高效地管理網絡資源，以加快創新速度。 BRISTOL IS OPEN：愿景與架構 2013 年啟動的 Bristol Is Open 項目不僅得到了當地、國家以及歐洲各界政府的資助，而且還得了私營經濟的資助。BIO 已經交付了有助于智能城市和物聯網發展的研發舉措。 BIO 的目標是成為生活實驗室——實現城市數字創新的研發實驗基地。它提供一個用于為信息與通信基礎設施開發和測試全新解決方案的多租戶管理平臺，因此可形成一個核心 ICT 實現平臺，充分滿足未來城市開發日程的需求。在基礎設施層面，BIO 包含五個與眾不同的SDN基礎設施，如圖 1 所示： 
圖 1 – Bristol Is Open 光纖網絡將活動核心節點放在城市中的四個位置。HPC 設施和仿真通過網絡核心訪問。無線技術(802.11ac、802.11ad、LTE、LTE-A)由中心展開。 • 作為光電網絡白盒的活動節點：使用 FPGA 可編程平臺和異構光學 L2/3 網絡基礎設施 • 異構無線基礎設施：包含 Wi-Fi、LTE、LTE-A 和 60GHz 毫米波技術 • IoT 傳感器網格基礎設施 • 網絡仿真器：包含一個服務器群和一個 FPGA-SoC 網絡處理器群 • Blue Crystal 高性能計算 (HPC) 設備 城域網絡上的基礎設施提供可支持多 Tb/s 數據流的動態光學開關、多速率 L2 開關(1 至 100GbE)以及 L3 路由。城域網還配備可編程硬件平臺和高性能服務器，不僅可實現對基礎設施的開放式訪問，而且還可創建全新的軟硬件解決方案并對其進行實驗。基礎設施的有線部分還能夠與 布里斯托的 Blue Crystal HPC 設施連接，支持高級云基礎設施實驗。 網絡接入基礎設施包括疊加、無縫的無線連接解決方案(宏蜂窩和小型蜂窩無線電技術)，其采用蜂窩與 Wi-Fi 兩種技術的組合，并具備毫米波回程以及到光學網絡的直接連接。這套設施還支持針對最新 5G 和更高級接入技術（例如具有波束追蹤功能的毫米波接入解決方案）的實驗平臺，以及大規模 MIMO 這樣的新功能，以實現 2GHz 頻帶的超高密度網絡。 此外，BIO 還可為該區域內額外安裝的傳感器節點提供針對基礎設施(例如路燈柱)的優先訪問，并由適當的數據聚合器、計算和存儲資源提供支持。這些資源可以有選擇性地直接連入有線和無線網絡。BIO 還安裝了低功耗無線傳感器網格網絡。該網絡將為基于物聯網的研究提供支持，采用初始傳感器實現環境監控(溫度、空氣質量、污染等級、照明、噪聲和濕度)和智能路燈。 BIO 還將實現通過合適的安全接口訪問城市中已經安裝的、位于任何地方的物聯網設備，包括停車傳感器、交通信號燈、交通流量傳感器、安全監控攝像機以及公共車輛傳感器。小型傳感器（包括自愿參與者的智能手機和 GPS 設備）將提供關于城市生活的諸多方面的信息，包括能源、空氣質量和交通流量等。生成的所有數據將做匿名處理，并通過“開放數據”門戶向公眾提供。 整個平臺使用 SDN 控制原理，因此實驗人員和最終用戶可對其進行全面編程。BIO 實驗網絡是世界上第一個此類網絡，它將開啟令人激動的新機遇，引領未來通信技術及云網絡軟硬件開發的潮流。 用于城市基礎設施的軟件定義網絡 最近幾年，通信行業基于 SDN 概念的創新解決方案層出不窮，將 IT 技術進步帶到了以硬件為主導的傳統電信行業。通過 SDN 對控制和數據進行去耦，不僅可實現創新的網絡控制方法，同時還可依賴在所有網絡元素中都很普遍的基本數據轉發操作。該方案允許集成新穎的架構概念，例如將以信息為中心的網絡 (ICN) 集成到這種基于軟件的網絡中。此外，SDN 還能促進物理組件成本的降低并使更多運營功能在軟件中完成，從而可對 ICT 設備最底層的智能基礎設施進行持續投資。 SDN 現在正在從 ICT 基礎設施延伸至物聯網平臺，這樣就有可能對計算和通信基礎設施進行完整的適應性調整，以利用感應與真實信息推動網絡操作。反過來，可利用網絡基礎設施及時地向應用和服務提供有意義的傳感器信息。對于 BIO 項目，我們的愿景是通過整個系統各層的可編程性與自適應性最終實現我們稱之為“生活網絡”的理念：在這樣的網絡中，互聯網和物（設備）能夠真正融合到能夠進行一致性管理與操作的計算和通信環境中。 在整個城市范圍內演示基于 SDN 的平臺非常重要。未來互聯網和 5G 技術會出現在 BIO 測試平臺中，特別是使用目前及當代（即 Wi-Fi、LTE 和毫米波）無線電接入技術的 SDN 光主干網基礎設施中。令人興奮的媒體與企業社區貫穿于整個 BIO 測試平臺（圖 1 中的 engine shed 是創業孵化器的主頁，而 watershed 則是布里斯托媒體社區的主頁）。這些社區的成員在用例研究中也作為很好的早期用戶群體。他們參與 BIO 項目，讓我們可以獲取城市社區的見解和要求。 有線、無線和 RF 網格網絡都與技術無關，根據開放式網絡理念，使用可實現網絡功能虛擬化的 SDN 技術構建而成。名為 NetOS 的城市操作系統（圖 2）也基于 SDN 原理，將為智能城市提供所需的可編程性與自適應性。NetOS 是一種包羅萬象的分布式操作系統，跨越終端（甚至更高級的設備，例如移動機器人和無人機）、網絡元素以及云/ IT 資源。這種城域操作系統將基于分布式軟件架構應對底層資源的異構問題。NetOS 將作為邏輯實體，以分層方式用分布式軟件來實現，從而可在基礎設施上映射各種服務。
圖 2 – NetoOS 是一個基于 SDN 的平臺，構建于多層結構之中，可與網絡、IT 和物聯網技術進行通信。該平臺原生支持數據收集、虛擬化、信息建模并可連接第三方應用。 城市基礎設施的虛擬化 需要在城市基礎設施的頂層支持高度多樣化的大量城市應用。例如，有些應用需要大容量和極低的時延。其他應用則消耗非常少的帶寬，但需要支持數量非常多的端點。另外，還有些應用對彈性或安全性以及隱私等有很嚴格的要求。 構建專用基礎設施來支持具體的應用，這種方式既不可行也不經濟。因此，城市基礎設施運營商面臨的重要挑戰之一就是提供定制的專用網絡解決方案代替通用 ICT 基礎設施。當與 SDN 控制平臺集成時，虛擬化就是應對這一挑戰的關鍵技術環節。虛擬化能創建多個共存且隔離的虛擬基礎設施；它們能夠并行運行,充分滿足租戶的應用要求。 通過全面分析每個租戶在社會政策、安全性和資源方面的要求，就可采用某個網絡拓撲組建虛擬基礎設施，指明虛擬節點與虛擬鏈路的互聯方式。在虛擬節點及鏈路中指定性能參數（例如時延）和資源要求（例如網絡帶寬，計算 CPU/存儲器）。一般通過對物理資源進行分區和聚合來獲得虛擬資源(節點和鏈路)。因此，可編程硬件基礎設施對于支持組成具有高精細粒度和高可擴展性的虛擬基礎設施而言非常重要。 在城市環境中，在城市基礎設施中部署的設備是異構型的，包括無線/移動、有線、光網絡、數據中心/云以及功能性家用電器。要實現無縫業務提供，就必須在多技術、多領域城市基礎設施上支持采用虛擬網絡功能強化的聚合虛擬基礎設施，這樣每個租戶才能獲得城市基礎設施中其應有的一部分。不過，目前對這些技術領域的控制與管理都是孤立的。BIO 中具有 SDN 功能的 NetOS 提供一個邏輯集中化的控制平臺，其可打通管理壁壘，將不同技術進行橋接。該操作系統可對異構城市設備進行抽象化，隱藏其復雜的技術細節，統一展示基礎設施。 白盒技術展望 開放網絡設備或網絡白盒，使用非品牌通用模塊化可編程硬件平臺。這類設備不僅可加載定制操作系統，而且還可按需重新定義網絡功能，不受特定廠商設備限制。網絡處理器是實現底層網絡硬件可編程性的第一步，可充分利用通過軟件 API 定義功能的便捷性。網絡處理器是人們所熟知的硬件平臺，不僅可提供類似于通用 CPU (具有更多硬件資源)的一般可編程特性，而且還可通過編程執行各種網絡功能。基于處理器的架構的主要優勢在于能夠利用 C 語言等高級語言快速實現網絡功能，這對于快速原型設計而言非常有必要。不過，網絡處理器沒有針對并行工作優化，其對于構建支持高數據速率傳輸的高性能數據層技術非常重要。 現場可編程門陣列 (FPGA) 是高性能通用處理平臺，可利用從晶體管級到IP功能級的可編程性。因此，對于設計和原型設計必須具備高度靈活性及可編程性的網絡技術而言，它們是非常受歡迎的平臺。 我們正在 BIO 基礎設施的多個點中使用已經演變成片上系統 (SoC) 的賽靈思 FPGA ，這些點包括：作為光電白盒的工作節點(見圖 2)、仿真設施、無線 LTE-A 實驗設備以及物聯網平臺。BIO 使用由現場可編程門陣列 (FPGA) 和光學(交換與處理等)部件構成的可編程、可定制網絡白盒。這些盒子支持高容量數據處理與傳輸、功能可編程性與虛擬化，可通過 SDN 接口進行深度控制。圖 3 是基于 FPGA 的平臺；該平臺不僅能夠以可編程的方式容納多種功能，而且還能夠與可編程光電部件連接。[5] FPGA 具備多種優勢，包括：通過功能的可重編程實現硬件重用，升級更加簡便，而且設計到部署的周期比專用標準產品 (ASSP) 更短。
圖 3 – Bristol Is Open 的網絡白盒圍繞賽靈思 FPGA 構建而成。 網絡白盒的光電部件采用一個光學背板，以便將一系列光電功能模塊插入到諸如放大、多播、波長/光譜選擇、信號添加/丟棄等光學功能中。重要的是，輸入和輸出鏈路要與節點提供的所有功能去耦，以提高靈活性、效率和可擴展性，而且可在服務過程中實現無損重用，從而最大程度減少破壞性的部署周期。 基于 ZYNQ SOC 的仿真平臺 為了擴展 BIO 設施的功能以對更大更現實的情景進行實驗，我們在 BIO 中部署了一個網絡仿真器。該平臺能實現網絡仿真以及資源虛擬化和虛擬基礎設施構成技術，以實施高級網絡、云計算方面的研究。這個仿真平臺還采用本地和遠程實驗室設施以及分布式研究基礎設施(網絡與計算)。圖 4 展示了位于 Bristol Is Open 基礎設施核心的多層、多平臺仿真設施。
圖 4 – Bristol Is Open 中的仿真設施包括以 FPGA 和網絡處理器為主要形式的可編程硬件。 該仿真設施提供一系列功能，用以加強與 BIO 城市網絡和其他遠程互聯實驗室聯合進行的網絡研究： 1. 節點與鏈路仿真：該平臺可仿真多種網絡元素，例如有線和無線領域的路由器和交換機，以及具有各種物理屬性的互聯鏈路。 2. 協議仿真：無論是集中式還是分布式，網絡節點都要依靠協議進行通信。能夠對網絡技術進行精確建模的仿真設施允許用戶或研究人員嘗試不同通信協議并大規模研究其行為。 3. 流量仿真：根據仿真情景(無線網絡、數據中心網絡等)的不同，可以生成具有任意間隔和操作速度（從數 Mb/s 到數 Tb/s不等）的流量模式，并應用于相應的仿真或物理網絡。 4. 拓撲結構仿真：使用 BIO 仿真設施可得到目標節點與鏈路的任何拓撲結構。這樣，用戶就可以在部署和安裝之前對真實網絡結構上相應技術的各個方面進行全面檢查。 與提供計算機主機仿真環境的其他設施不同，BIO 的獨特之處在于包含了可編程硬件(FPGA、網絡處理器)，以及到多技術測試平臺的動態靈活的連接功能，以及豐富的專用連接基礎設施。可編程硬件和外部互聯的使用讓用戶可以大規模精確仿真網絡和計算技術的功能與性能，并用它們來綜合具有代表性的復雜系統。憑借 FPGA 的并行處理能力和高速 I/O， BIO 可以大規模精確仿真當前的或實驗的網絡技術和拓撲結構，有線或無線均可。 網絡仿真器使用大量高級網絡和 IT 技術。FPGA 群、服務器群和 L2/L3 可編程網絡設備是網絡設施的主要構建塊，使用戶可以構建數據層和控制層中的各種網絡技術（如虛擬化、SDN 和 NFV、資源/工作負載分配工具和算法等），并對其進行實驗和使用。 仿真器通過 10、40 和 100Gbps 端口連接到 BIO 城市網絡。仿真網絡可以使用標準數據層協議（例如以太網、OTN 和 Infiniband）或定制的和專有的協議與其他網絡域實現互聯。 仿真器使用賽靈思的 ARM Zynq-7000 All Programmable SoC 平臺，該平臺是一款單芯片的 FPGA 處理器件。算法加速是 Zynq SoC 的目標用例之一，也就是將用于資源分配、路徑計算和負載均衡等的計算密集型任務交給基于 FPGA 的并行處理技術來執行。硬件輔助式網絡功能虛擬化是我們在 BIO 中使用 Zynq SoC 平臺的另一個實例，目的是運行性能要求較高的虛擬網絡功能 (VNF)，例如深度數據包檢測、服務控制與安全等。基于 Xen 的 ARM 內核虛擬化還有助于在相同 SoC 芯片上運行多個操作系統。這樣，BIO 就可讓多個操作人員在相同設備上托管他們的 VNF，并可對并行硬件計算資源實現共享和/或專用訪問，以提高性能。 實驗即服務 城市運行方式日新月異。BIO 使用數字技術創建了一個開放的可編程城市，能為市民提供更多的方式來參與城市生活和促進城市運轉。我們稱之為“城市實驗即服務”。開放的方式能指導我們的采購活動、數據管理以及我們所使用的軟硬件。開放意味著 BIO 利益相關方能主動與其他城市、科技公司、高等學校和市民分享我們學到的知識。 參考資料 1. https://www.gov.uk/government/ne ... ay-for-smart-cities 2.世界城市狀況報告, 2012/13, http://www.unhabitat.org/pmss/ listItemDetails.aspx?publicationID=3387 3 https://www.gov.uk/government/up ... d-paper-digital.pdf 4. http://www.gartner.com/newsroom/id/2636073 5.Bijan Rahimzadeh Rofoee, George Zervas, Yan Yan, Norberto Amaya 和Dimitra Simeonidou, “All Programmable與綜合光網絡：架構與實現”，《光通信與網絡雜志》5, 1096-1110 (2013) |
