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作者：Bijan R. Rofoee 高級網(wǎng)絡(luò)工程師 Bristol Is Open Bijan.Rofoee@bristol.ac.uk Mayur Channegowda SDN首席科學(xué)家 Zeetta Networks www.zeetta.com Shuping Peng 研究員 布里斯托大學(xué) 虛擬化首席科學(xué)家 Zeetta Networks George Zervas 高性能網(wǎng)絡(luò)教授 布里斯托大學(xué) Dimitra Simeonidou Bristol Is Open 的首席技術(shù)官 高性能網(wǎng)絡(luò)教授 布里斯托大學(xué) 英國布里斯托成為智能城市技術(shù)試點城市。Bristol Is Open 項目是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)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(jīng)有 80% 左右的人口居住在城市地區(qū)，因此英國需要確保城市適應(yīng)數(shù)字時代要求。智能城市有助于打造出高效、可持續(xù)發(fā)展、更清潔的環(huán)境、更高品質(zhì)的生活以及繁榮昌盛的經(jīng)濟。 為此，布里斯托大學(xué)和布里斯托市共同創(chuàng)辦的 Bristol Is Open (BIO) 合資企業(yè)與行業(yè)、大學(xué)、當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)及當(dāng)?shù)睾蛧艺块T開展通力協(xié)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)（即智能城市基礎(chǔ)設(shè)施組成部分）市場的開放式測試場。Bristol Is Open 項目在很多開發(fā)及部署領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決城市難題，旨在大幅改善宜居性和資源可持續(xù)性。預(yù)測顯示[1]，全球智能城市產(chǎn)業(yè)到 2020 年市值將超過 4000 億美元，預(yù)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(nèi)為技術(shù)戰(zhàn)略委員會在倫敦建立的全新未來城市發(fā)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(lián)網(wǎng) (IoT) 研究與示范項目投資的 6300 萬美元。 Bristol Is Open 正在示范構(gòu)建一個城市規(guī)模研究與創(chuàng)新的測試平臺。目標(biāo)是推動未來智能城市的數(shù)字創(chuàng)新：使開放式可編程社區(qū)成為 21 世紀后五十年的標(biāo)準(zhǔn)。 BIO 測試平臺配備業(yè)界領(lǐng)先的可編程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并采用名為 NetOS 的全市范圍操作系統(tǒng)，允許智能城市應(yīng)用與城市基礎(chǔ)設(shè)施進行交互，以針對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及仿真設(shè)施在內(nèi)的眾多節(jié)點上。 下面我們來了解一下這種新型城市社區(qū)，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(gòu)建城市“白盒子”并提供各種網(wǎng)絡(luò)功能。 未來智能城市 未來十年全世界將產(chǎn)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(shù)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(dāng)前的城市化會帶來諸多經(jīng)濟和社會挑戰(zhàn)，并對城市基礎(chǔ)設(shè)施形成壓力。不斷發(fā)展的城市將不得不應(yīng)對各種挑戰(zhàn)，以保持經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境可持續(xù)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(guān)鍵方面。[3]它們包括： • 以市民為中心的服務(wù)交付，包括優(yōu)先考慮市民需求。 • 結(jié)果/績效的透明度，使市民可以對 每個機構(gòu)和每個區(qū)域的績效進行對比和評判。 • 智能物理基礎(chǔ)設(shè)施，使服務(wù)提供商能夠高效管理服務(wù)交付、數(shù)據(jù) 收集和數(shù)據(jù)分析。 • 一個數(shù)字安全的開放式現(xiàn)代化軟件基礎(chǔ)設(shè)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(shù)驅(qū)動因素靈感來源于物聯(lián)網(wǎng)；Gartner 數(shù)據(jù) [4] 顯示，到 2020 年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安裝數(shù)量將增長到 260 億臺。相比之下 2009 年的安裝數(shù)量為 9 億臺，總數(shù)實現(xiàn)了將近 30 倍的增長，技術(shù)和服務(wù)營收超過 3000 億美元。智能城市大規(guī)模部署 IoT 技術(shù)，不僅可使從傳感器和設(shè)備采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)中，而且還可促進對數(shù)據(jù)的分析并將命令反饋至控制城市功能的執(zhí)行設(shè)備中。 從感應(yīng)和分析角度來看，信息可回送到城市基礎(chǔ)設(shè)施的執(zhí)行設(shè)備中，以動態(tài)控制運行狀況。在這種方式下可以：利用智能交通設(shè)施實現(xiàn)無人駕駛汽車；利用智能照明技術(shù)獲得更高的能效；針對不同時間（白天和季節(jié)性變化）管理網(wǎng)絡(luò)資源；根據(jù)事件調(diào)動資源，例如體育賽事需要高質(zhì)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(wǎng)絡(luò)、IT 和云技術(shù)，以更經(jīng)濟有效方式改善和加強為市民提供的公共和私有服務(wù)。為達此目標(biāo)，智能城市需要大量使用從市民、環(huán)境、汽車以及城市中一切事物中收集到的數(shù)據(jù)。所提供的數(shù)據(jù)越多，對城市運行的分析就越準(zhǔn)確，從而可以設(shè)計并推出智能城市服務(wù)。 就網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而言，進行整個城市數(shù)據(jù)的檢索和處理意味著需要收集、聚合大量傳感器數(shù)據(jù)并傳送到計算設(shè)施(數(shù)據(jù)中心)中進行存儲和可能的處理。應(yīng)用情景和類型的多樣化就智能城市中的網(wǎng)絡(luò)和計算基礎(chǔ)設(shè)施要求方面提出了重大挑戰(zhàn)。城市中原有的信息與通信技術(shù) (ICT) 基礎(chǔ)設(shè)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(shù)具備足夠擴展性以滿足未來需求。 可編程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供的獨特功能可提高智能城市運行性能。這些技術(shù)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(wǎng)絡(luò)功能。改善網(wǎng)絡(luò)中的控制、監(jiān)控和資源分配是部署可編程網(wǎng)絡(luò)的明顯優(yōu)勢。更為重要的是，可編程技術(shù)有助于網(wǎng)絡(luò)與 IT 設(shè)施的集成，提高應(yīng)用感知。 軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 是可編程網(wǎng)絡(luò)的主要支持因素之一。SDN 的基礎(chǔ)在于將基礎(chǔ)設(shè)施控制與數(shù)據(jù)層進行去耦，這樣不僅可顯著簡化網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用開發(fā)，同時還允許在網(wǎng)絡(luò)中部署用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的通用硬件。 基于 SDN 的簡化可擴展網(wǎng)絡(luò)管理還可為網(wǎng)絡(luò)虛擬化提供極大的幫助。網(wǎng)絡(luò)虛擬化本質(zhì)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(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV) 是比較新的虛擬化創(chuàng)新技術(shù)，可通過軟件實現(xiàn)商業(yè)硬件的網(wǎng)絡(luò)功能。防火墻、深度數(shù)據(jù)包檢查、負載平衡等網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署。 除了軟件驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)以外，硬件和基礎(chǔ)設(shè)施的可編程性也將提高，進而超越固定功能硬件數(shù)據(jù)層的范疇。向數(shù)據(jù)層添加高級可編程性以及更高級的功能性，并通過標(biāo)準(zhǔn)軟件 API 進行訪問，這樣能夠更加智能和高效地管理網(wǎng)絡(luò)資源，以加快創(chuàng)新速度。 BRISTOL IS OPEN：愿景與架構(gòu) 2013 年啟動的 Bristol Is Open 項目不僅得到了當(dāng)?shù)亍乙约皻W洲各界政府的資助，而且還得了私營經(jīng)濟的資助。BIO 已經(jīng)交付了有助于智能城市和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的研發(fā)舉措。 BIO 的目標(biāo)是成為生活實驗室——實現(xiàn)城市數(shù)字創(chuàng)新的研發(fā)實驗基地。它提供一個用于為信息與通信基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)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(xiàn)平臺，充分滿足未來城市開發(fā)日程的需求。在基礎(chǔ)設(shè)施層面，BIO 包含五個與眾不同的SDN基礎(chǔ)設(shè)施，如圖 1 所示： 
圖 1 – Bristol Is Open 光纖網(wǎng)絡(luò)將活動核心節(jié)點放在城市中的四個位置。HPC 設(shè)施和仿真通過網(wǎng)絡(luò)核心訪問。無線技術(shù)(802.11ac、802.11ad、LTE、LTE-A)由中心展開。 • 作為光電網(wǎng)絡(luò)白盒的活動節(jié)點：使用 FPGA 可編程平臺和異構(gòu)光學(xué) L2/3 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 • 異構(gòu)無線基礎(chǔ)設(shè)施：包含 Wi-Fi、LTE、LTE-A 和 60GHz 毫米波技術(shù) • IoT 傳感器網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施 • 網(wǎng)絡(luò)仿真器：包含一個服務(wù)器群和一個 FPGA-SoC 網(wǎng)絡(luò)處理器群 • Blue Crystal 高性能計算 (HPC) 設(shè)備 城域網(wǎng)絡(luò)上的基礎(chǔ)設(shè)施提供可支持多 Tb/s 數(shù)據(jù)流的動態(tài)光學(xué)開關(guān)、多速率 L2 開關(guān)(1 至 100GbE)以及 L3 路由。城域網(wǎng)還配備可編程硬件平臺和高性能服務(wù)器，不僅可實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施的開放式訪問，而且還可創(chuàng)建全新的軟硬件解決方案并對其進行實驗。基礎(chǔ)設(shè)施的有線部分還能夠與 布里斯托的 Blue Crystal HPC 設(shè)施連接，支持高級云基礎(chǔ)設(shè)施實驗。 網(wǎng)絡(luò)接入基礎(chǔ)設(shè)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(shù))，其采用蜂窩與 Wi-Fi 兩種技術(shù)的組合，并具備毫米波回程以及到光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的直接連接。這套設(shè)施還支持針對最新 5G 和更高級接入技術(shù)（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(guī)模 MIMO 這樣的新功能，以實現(xiàn) 2GHz 頻帶的超高密度網(wǎng)絡(luò)。 此外，BIO 還可為該區(qū)域內(nèi)額外安裝的傳感器節(jié)點提供針對基礎(chǔ)設(shè)施(例如路燈柱)的優(yōu)先訪問，并由適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)。BIO 還安裝了低功耗無線傳感器網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將為基于物聯(lián)網(wǎng)的研究提供支持，采用初始傳感器實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控(溫度、空氣質(zhì)量、污染等級、照明、噪聲和濕度)和智能路燈。 BIO 還將實現(xiàn)通過合適的安全接口訪問城市中已經(jīng)安裝的、位于任何地方的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括停車傳感器、交通信號燈、交通流量傳感器、安全監(jiān)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(shè)備）將提供關(guān)于城市生活的諸多方面的信息，包括能源、空氣質(zhì)量和交通流量等。生成的所有數(shù)據(jù)將做匿名處理，并通過“開放數(shù)據(jù)”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(wǎng)絡(luò)是世界上第一個此類網(wǎng)絡(luò)，它將開啟令人激動的新機遇，引領(lǐng)未來通信技術(shù)及云網(wǎng)絡(luò)軟硬件開發(fā)的潮流。 用于城市基礎(chǔ)設(shè)施的軟件定義網(wǎng)絡(luò) 最近幾年，通信行業(yè)基于 SDN 概念的創(chuàng)新解決方案層出不窮，將 IT 技術(shù)進步帶到了以硬件為主導(dǎo)的傳統(tǒng)電信行業(yè)。通過 SDN 對控制和數(shù)據(jù)進行去耦，不僅可實現(xiàn)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)控制方法，同時還可依賴在所有網(wǎng)絡(luò)元素中都很普遍的基本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作。該方案允許集成新穎的架構(gòu)概念，例如將以信息為中心的網(wǎng)絡(luò) (ICN) 集成到這種基于軟件的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備最底層的智能基礎(chǔ)設(shè)施進行持續(xù)投資。 SDN 現(xiàn)在正在從 ICT 基礎(chǔ)設(shè)施延伸至物聯(lián)網(wǎng)平臺，這樣就有可能對計算和通信基礎(chǔ)設(shè)施進行完整的適應(yīng)性調(diào)整，以利用感應(yīng)與真實信息推動網(wǎng)絡(luò)操作。反過來，可利用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施及時地向應(yīng)用和服務(wù)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(tǒng)各層的可編程性與自適應(yīng)性最終實現(xiàn)我們稱之為“生活網(wǎng)絡(luò)”的理念：在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，互聯(lián)網(wǎng)和物（設(shè)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(huán)境中。 在整個城市范圍內(nèi)演示基于 SDN 的平臺非常重要。未來互聯(lián)網(wǎng)和 5G 技術(shù)會出現(xiàn)在 BIO 測試平臺中，特別是使用目前及當(dāng)代（即 Wi-Fi、LTE 和毫米波）無線電接入技術(shù)的 SDN 光主干網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中。令人興奮的媒體與企業(yè)社區(qū)貫穿于整個 BIO 測試平臺（圖 1 中的 engine shed 是創(chuàng)業(yè)孵化器的主頁，而 watershed 則是布里斯托媒體社區(qū)的主頁）。這些社區(qū)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(qū)的見解和要求。 有線、無線和 RF 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)都與技術(shù)無關(guān)，根據(jù)開放式網(wǎng)絡(luò)理念，使用可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的 SDN 技術(shù)構(gòu)建而成。名為 NetOS 的城市操作系統(tǒng)（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(yīng)性。NetOS 是一種包羅萬象的分布式操作系統(tǒng)，跨越終端（甚至更高級的設(shè)備，例如移動機器人和無人機）、網(wǎng)絡(luò)元素以及云/ IT 資源。這種城域操作系統(tǒng)將基于分布式軟件架構(gòu)應(yīng)對底層資源的異構(gòu)問題。NetOS 將作為邏輯實體，以分層方式用分布式軟件來實現(xiàn)，從而可在基礎(chǔ)設(shè)施上映射各種服務(wù)。
圖 2 – NetoOS 是一個基于 SDN 的平臺，構(gòu)建于多層結(jié)構(gòu)之中，可與網(wǎng)絡(luò)、IT 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行通信。該平臺原生支持數(shù)據(jù)收集、虛擬化、信息建模并可連接第三方應(yīng)用。 城市基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化 需要在城市基礎(chǔ)設(shè)施的頂層支持高度多樣化的大量城市應(yīng)用。例如，有些應(yīng)用需要大容量和極低的時延。其他應(yīng)用則消耗非常少的帶寬，但需要支持數(shù)量非常多的端點。另外，還有些應(yīng)用對彈性或安全性以及隱私等有很嚴格的要求。 構(gòu)建專用基礎(chǔ)設(shè)施來支持具體的應(yīng)用，這種方式既不可行也不經(jīng)濟。因此，城市基礎(chǔ)設(shè)施運營商面臨的重要挑戰(zhàn)之一就是提供定制的專用網(wǎng)絡(luò)解決方案代替通用 ICT 基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)與 SDN 控制平臺集成時，虛擬化就是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。虛擬化能創(chuàng)建多個共存且隔離的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施；它們能夠并行運行,充分滿足租戶的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)拓撲組建虛擬基礎(chǔ)設(shè)施，指明虛擬節(jié)點與虛擬鏈路的互聯(lián)方式。在虛擬節(jié)點及鏈路中指定性能參數(shù)（例如時延）和資源要求（例如網(wǎng)絡(luò)帶寬，計算 CPU/存儲器）。一般通過對物理資源進行分區(qū)和聚合來獲得虛擬資源(節(jié)點和鏈路)。因此，可編程硬件基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)施而言非常重要。 在城市環(huán)境中，在城市基礎(chǔ)設(shè)施中部署的設(shè)備是異構(gòu)型的，包括無線/移動、有線、光網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心/云以及功能性家用電器。要實現(xiàn)無縫業(yè)務(wù)提供，就必須在多技術(shù)、多領(lǐng)域城市基礎(chǔ)設(shè)施上支持采用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能強化的聚合虛擬基礎(chǔ)設(shè)施，這樣每個租戶才能獲得城市基礎(chǔ)設(shè)施中其應(yīng)有的一部分。不過，目前對這些技術(shù)領(lǐng)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(shù)進行橋接。該操作系統(tǒng)可對異構(gòu)城市設(shè)備進行抽象化，隱藏其復(fù)雜的技術(shù)細節(jié)，統(tǒng)一展示基礎(chǔ)設(shè)施。 白盒技術(shù)展望 開放網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)白盒，使用非品牌通用模塊化可編程硬件平臺。這類設(shè)備不僅可加載定制操作系統(tǒng)，而且還可按需重新定義網(wǎng)絡(luò)功能，不受特定廠商設(shè)備限制。網(wǎng)絡(luò)處理器是實現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(zhí)行各種網(wǎng)絡(luò)功能。基于處理器的架構(gòu)的主要優(yōu)勢在于能夠利用 C 語言等高級語言快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，這對于快速原型設(shè)計而言非常有必要。不過，網(wǎng)絡(luò)處理器沒有針對并行工作優(yōu)化，其對于構(gòu)建支持高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)母咝阅軘?shù)據(jù)層技術(shù)非常重要。 現(xiàn)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(shè)計和原型設(shè)計必須具備高度靈活性及可編程性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，它們是非常受歡迎的平臺。 我們正在 BIO 基礎(chǔ)設(shè)施的多個點中使用已經(jīng)演變成片上系統(tǒng) (SoC) 的賽靈思 FPGA ，這些點包括：作為光電白盒的工作節(jié)點(見圖 2)、仿真設(shè)施、無線 LTE-A 實驗設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)平臺。BIO 使用由現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 和光學(xué)(交換與處理等)部件構(gòu)成的可編程、可定制網(wǎng)絡(luò)白盒。這些盒子支持高容量數(shù)據(jù)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(yōu)勢，包括：通過功能的可重編程實現(xiàn)硬件重用，升級更加簡便，而且設(shè)計到部署的周期比專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 更短。
圖 3 – Bristol Is Open 的網(wǎng)絡(luò)白盒圍繞賽靈思 FPGA 構(gòu)建而成。 網(wǎng)絡(luò)白盒的光電部件采用一個光學(xué)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(xué)功能中。重要的是，輸入和輸出鏈路要與節(jié)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(wù)過程中實現(xiàn)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(shè)施的功能以對更大更現(xiàn)實的情景進行實驗，我們在 BIO 中部署了一個網(wǎng)絡(luò)仿真器。該平臺能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真以及資源虛擬化和虛擬基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成技術(shù)，以實施高級網(wǎng)絡(luò)、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(shè)施以及分布式研究基礎(chǔ)設(shè)施(網(wǎng)絡(luò)與計算)。圖 4 展示了位于 Bristol Is Open 基礎(chǔ)設(shè)施核心的多層、多平臺仿真設(shè)施。
圖 4 – Bristol Is Open 中的仿真設(shè)施包括以 FPGA 和網(wǎng)絡(luò)處理器為主要形式的可編程硬件。 該仿真設(shè)施提供一系列功能，用以加強與 BIO 城市網(wǎng)絡(luò)和其他遠程互聯(lián)實驗室聯(lián)合進行的網(wǎng)絡(luò)研究： 1. 節(jié)點與鏈路仿真：該平臺可仿真多種網(wǎng)絡(luò)元素，例如有線和無線領(lǐng)域的路由器和交換機，以及具有各種物理屬性的互聯(lián)鏈路。 2. 協(xié)議仿真：無論是集中式還是分布式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都要依靠協(xié)議進行通信。能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行精確建模的仿真設(shè)施允許用戶或研究人員嘗試不同通信協(xié)議并大規(guī)模研究其行為。 3. 流量仿真：根據(jù)仿真情景(無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等)的不同，可以生成具有任意間隔和操作速度（從數(shù) Mb/s 到數(shù) Tb/s不等）的流量模式，并應(yīng)用于相應(yīng)的仿真或物理網(wǎng)絡(luò)。 4. 拓撲結(jié)構(gòu)仿真：使用 BIO 仿真設(shè)施可得到目標(biāo)節(jié)點與鏈路的任何拓撲結(jié)構(gòu)。這樣，用戶就可以在部署和安裝之前對真實網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上相應(yīng)技術(shù)的各個方面進行全面檢查。 與提供計算機主機仿真環(huán)境的其他設(shè)施不同，BIO 的獨特之處在于包含了可編程硬件(FPGA、網(wǎng)絡(luò)處理器)，以及到多技術(shù)測試平臺的動態(tài)靈活的連接功能，以及豐富的專用連接基礎(chǔ)設(shè)施。可編程硬件和外部互聯(lián)的使用讓用戶可以大規(guī)模精確仿真網(wǎng)絡(luò)和計算技術(shù)的功能與性能，并用它們來綜合具有代表性的復(fù)雜系統(tǒng)。憑借 FPGA 的并行處理能力和高速 I/O， BIO 可以大規(guī)模精確仿真當(dāng)前的或?qū)嶒灥木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)，有線或無線均可。 網(wǎng)絡(luò)仿真器使用大量高級網(wǎng)絡(luò)和 IT 技術(shù)。FPGA 群、服務(wù)器群和 L2/L3 可編程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的主要構(gòu)建塊，使用戶可以構(gòu)建數(shù)據(jù)層和控制層中的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（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(wǎng)絡(luò)。仿真網(wǎng)絡(luò)可以使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)層協(xié)議（例如以太網(wǎng)、OTN 和 Infiniband）或定制的和專有的協(xié)議與其他網(wǎng)絡(luò)域?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)。 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(biāo)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(wù)交給基于 FPGA 的并行處理技術(shù)來執(zhí)行。硬件輔助式網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)功能 (VNF)，例如深度數(shù)據(jù)包檢測、服務(wù)控制與安全等。基于 Xen 的 ARM 內(nèi)核虛擬化還有助于在相同 SoC 芯片上運行多個操作系統(tǒng)。這樣，BIO 就可讓多個操作人員在相同設(shè)備上托管他們的 VNF，并可對并行硬件計算資源實現(xiàn)共享和/或?qū)Ｓ迷L問，以提高性能。 實驗即服務(wù) 城市運行方式日新月異。BIO 使用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)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(zhuǎn)。我們稱之為“城市實驗即服務(wù)”。開放的方式能指導(dǎo)我們的采購活動、數(shù)據(jù)管理以及我們所使用的軟硬件。開放意味著 BIO 利益相關(guān)方能主動與其他城市、科技公司、高等學(xué)校和市民分享我們學(xué)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(wǎng)絡(luò)：架構(gòu)與實現(xiàn)”，《光通信與網(wǎng)絡(luò)雜志》5, 1096-1110 (2013) |
