云计算技术在泛在网络中的应用前景分析

2010-06-27朱永庆何晓明

电信科学 2010年6期

欧亮，朱永庆，何晓明，邹洁

（中国电信股份有限公司广东研究院广州 510630）

1 引言

通过无处不在的网络将人类社会和物理世界的所有对象相联系，并利用先进的信息处理技术对人类的生活和生产活动进行精细管理，这个庞大的信息生态环境将使人类步入一个全新的智能化生活空间。与上述愿景紧密相连的技术概念是云计算与泛在网络，由于两者都是未来网络发展的潜在关键技术，在IT与通信领域受到了重点关注。

云计算与泛在网络都包含有革命性的技术理念并涉及广泛的产业链，泛在网络突破了以往单一的人-人及周边环境的通信模式，云计算则体现了因互联网发展而来的计算模式的革新。但是，不同的行业和组织对这两个概念的理解都存在偏差，过去的网格、普适计算、分布式计算与云计算概念间都有着相互包含和相区别的内容，与此类似，泛在网络、物联网、M2M、传感网在概念上也存在交集，严格区分还存在一定困难。本文从技术应用出发，以传统网络运营商的角度前瞻性地讨论云计算技术在未来泛在网络中的应用前景。

2 泛在网络特征与计算资源需求

泛在网络不是一个具体的网络形式，而是以电信网技术、传感网技术、RFID标识技术和各类短距离无线通信等现存和未来技术构成的多种网络形态，由多类终端和业务平台组成的复杂信息系统，它可以包括各种现有的通信网、互联网、广电网络、传感网、自组织网络等各种有线和无线网络。其初期的目标是为各类通信对象提供随时随地的信息存取服务和任意互连，并进一步发展到网元间的具有环境上下文感知能力、协同工作、资源共享和信息综合处理能力的智能化网络形态。

同时，泛在网络也是一个发展中的网络和信息服务形式，其规模将随人类社会的发展和技术进步不断扩大。现有的技术手段和应用模式还处在泛在应用的雏形阶段，尚未进入真正的泛在网络时代。

2.1 泛在网络特征

对未来的泛在网络及其应用，从网络架构和服务形式看，应用的广泛性、网络的异构性、服务对象的海量化是其最重要的三个特征。

（1）应用的广泛性

应用的广泛性表现为泛在网络涵盖了人类生活生产的各个领域，包括生态环境和基础设施等物理世界，存在大量非典型电信业务形式，这决定了其业务模式、信息处理要求、服务能力的多样性，也决定了未来运营级承载网络不仅需要综合承载能力，而且需要加强业务定制能力和快速配置能力，以适应不断扩张的业务部署需要。

（2）网络的异构性

网络的异构性表现为以下几个方面：

·从末梢网络、接入网络到核心网可能采用不同通信协议、通信链路，如IP化网络与非IP化的传感网络、无线网络转至有线网络等；

·存在各种制式的移动通信网和各类短距无线协议，频谱资源不统一，如2G/3G系统、Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等；

·存在各类有线接入链路，如xDSL、xPON、以太网、Cable以及私有通信系统等；

·各网络间在寻址与路由方式、认证方式、QoS能力、业务配置能力、业务系统接口的差异；

·存在大量私有业务网络，业务不透明。

虽然IP化能解决核心网的综合承载问题，但网络的异构性依然会带来如下问题：首先，通信终端类型及其通信方式差异巨大，接入服务和管理维护困难；其次，无法以统一模式管理业务流量，如端到端服务保证、资源管理等；再次，网络异构会加大对所叠加业务和用户服务能力一致性的要求，即网络服务和管理水平需要极大提升。

（3）服务对象的海量化

服务对象的海量化是泛在网络的另一特征。对象的广泛性，从一般意义的普通人－物间的互动，到对微观纳米世界的观察，所有对象都可能是通信发起者或接收者，随着人类活动目的和具体需要的变化，这给对象命名与分类、通信寻址机制设计以及相关的海量数据处理带来困难。一方面，各类对象产生庞大的信息量，使得信息传输、存储与实时处理要求对现有网络和IT系统造成冲击；另一方面，现有网络对海量地址与路由管理、泛在节点接入认证与计费、安全性保证等相关技术目前并未充分考虑。

2.2 泛在应用承载对计算智能的需求

泛在应用可运行于封闭的私有网络和业务系统内，也可能运行于运营商提供的公共网络或业务平台中，如各类接入到互联网的行业应用平台。目前有两种典型的运营方式：一是各行业部门透过运营商网络管道运行自己的业务，终端与业务平台不透明；另一种方式是运营商不仅提供网络服务，还提供通用终端与业务平台，可定制或代维部分业务资源。

无论何种运营方式，要达到协同工作能力，泛在应用从感知节点、终端、网络到业务处理平台的各个环节均需要引入智能化处理手段。节点和通信终端需要对环境的上下文感知能力实现自组织能力；接入与核心网络需要异构管理能力和服务一致性；业务平台需要具备海量信息处理等先进IT技术。同时，不同业务平台间需要能共享信息。

前面的分析还表明，构建一个具有服务协同、环境开放、异构接入的泛在网络需要大量更加先进的智能化IT技术支持，这些需求归纳如下：

·业务平台对来自各类对象的海量数据需进行高效的信息处理，并提高资源利用率；

·业务平台间如何提供可信任的互连能力、资源和信息的共享能力；

·海量对象管理、命名系统和地址管理需要一个高性能的地址解析与分配系统；

·网络和接入服务需提供可视化管理、根据SLA开放网络配置、提供端到端网络OAM以及QoS配置等各项能力；

·需要具备对泛在网关、终端、节点的监控和管理配置能力，具备安全的可开放式接口，包括安全接入、环境上下文感知、频谱与接入类型感知、生存周期、末梢网络管理、路由选择、代理服务等各项管理要求。

上述需求涉及如何设计泛在网络架构和部署计算资源，以满足泛在应用对协同性和智能互连能力的要求。抽象相关计算和网络资源涉及现有IT系统能力和通信网建设理念，因此成为难点。云计算以服务为中心并通过虚拟化的计算资源进行分布式处理的设计理念为上述问题的解决带来了希望。为评估云计算对泛在应用的支持能力，需先对其技术现状和应用潜力进行分析。

3 云计算相关能力分析

3.1 云计算现状

宽带及其无线网络的普及化、存储价格的下降和互联网计算软件的出现成为云计算发展的关键动力。当前，IT界主流的云计算技术包括虚拟化、面向服务的软件、网格技术、基础设施管理技术和节能管理。消费者可以通过按需购买基础设施即服务（infrastructure as a service,IaaS）、平台即服务（platform as a service,PaaS）、软件即服务（software as a service,SaaS）三种服务并向最终用户出售增值服务或构建自己的应用。在云中，不同服务提供商可以通过统计复用方式使用并管理计算资源。目前，网络运营商主要关注 IaaS和 PaaS。

IaaS把计算、存储、网络及搭建应用环境所需的工具作为服务提供给用户，使用户能按需获取IT基础设施，其核心内容是对服务器、存储、网络的虚拟化和相关工具。其中，网络虚拟化有纵向网络分割和横向节点整合两种不同的形式，前者以VC、VLAN、MPLS-VPN等方式进行业务流量隔离，后者将多台设备连接起来通过虚拟化整合为单一逻辑单元和链路聚合，以简化管理、配置，提高可靠性。目前，服务器虚拟化已有VMware等成熟系列产品和XEN、KVM等开源系统，存储虚拟化尚无统一标准，网络虚拟化尚缺乏横向整合标准。

PaaS把分布式软件的开发、测试和部署环境当作服务，通过互联网提供给用户。其核心是分布式计算，有两种处理方法：一种是分割计算，即把应用程序的功能分割成若干个模块，由网络上多台机器协同完成；另一种是分割数据，即把数据集分割成小块，由网络上的多台计算机分别计算。对于海量数据分析等计算密集型问题，通常采取分割数据的分布式计算方法，对于大规模分布式系统则可能同时采取这两种方法。

对PaaS而言，通过在IaaS或其他独立设施上部署分布式存储、分布式数据库、分布式同步机制和分布式计算模式等技术后，平台就具备了分布式软件开发的基本能力，PaaS云服务提供商需要考虑如何将这个开发平台提供给用户，并解决与此相关的一系列问题。App Engine以及微软的Azure也都是典型的PaaS平台。此外，随着Hadoop开源PaaS平台的成熟，越来越多的IaaS企业开始尝试在自己的IaaS平台上部署Hadoop以提供PaaS服务，如Amazon、Yahoo、IBM。虽然分布式处理技术已经发展多年，但是业内并没有形成相关的标准。

3.2 云计算能力评估

目前的云计算技术所提供的云服务能力有如下特点。

·IaaS对主机、存储和网络资源具有初步的集成和抽象能力，并具有可扩展性和统计复用能力，允许用户按需使用，除网络资源外，其他的均可通过虚拟化提供成熟的技术实现方法，为解决泛在应用的海量信息处理提供了途径。

·IaaS对各类内部异构的资源环境提供了统一的服务界面，为资源定制、出让和高效利用提供了可能性，为泛在应用平台获取计算资源提供了统一界面。

·通过PaaS提供的编程方式，可以实现快速业务流程定义，加速新业务部署，包括各类共性的电信业务平台和支撑系统，也为各类泛在应用的快速实现提供了基本能力。

·PaaS实现了对分布式处理技术细节的抽象，可以合理地调度使用由IaaS提供的资源环境，为泛在应用的海量数据提供高效的分布式处理提供了可能性。

由于上述各种可能性的存在，有人将云计算看作是泛在应用的“后端”。然而，作为云计算的核心技术的虚拟化、分布式处理和在线软件技术均源自IT企业，其研究范围尚局限在容易分割的服务器、存储等有限资源上，更适合于IDC业务改造。不仅缺乏统一标准，而且尚未有效定义网络型资源处理机制和电信业务流程，因此，不能简单地将云看作 “后端”，而是要发展和深化云计算的部分技术理念，才能将可能性变为现实性。要构建一个可运营、可管理的泛在网络，云计算在网络管理技术上需要扩展以下几方面。

·对网络资源的管理，不仅要考虑主机（host）的带宽、地址和I/O端口等，还应考虑定义接入类型、设备类型、单段/端到端链路、节点、会话、流向、路由、拓扑、虚拟链路、端口/链路捆绑、QoS水平等多种资源描述方式。

·需加强在PaaS层面对海量用户和终端的管理方式和流程定义，包括接入认证、业务隔离方式、业务配置、末梢网络及设备状态检测、QoS机制、安全机制、地址分配机制、移动性管理、反馈控制机制、业务控制策略等。

·网络基础设施不仅要考虑主机网络端口，还要考虑对大量的网络接入、交换、路由与传输设备、终端设备等各种有线与无线通信设施进一步抽象化描述，并定义协同性策略。

·网络服务能力上需要两方面的提升：一是加强对关键性通信协议的分布式处理能力的研究，如安全协议、Diameter等认证协议的分布式处理能力，突破海量对象信息处理带来的性能瓶颈；二是加强对网络监测与配置能力的抽象和可开放性研究，满足泛在网行业用户对其业务网络的全程监测和智能化配置需要。

·应加强对具有共性和基础性的电信IT类业务平台和支撑系统进行抽象化和资源整合，如IDC改造、认证计费、安全性管理、网络监控、设备与终端管理等，提供统一可开放的服务与管理界面，在降低运营成本的同时向用户开放部分业务环境与资源。

构造一个以服务为中心的开放式、可配置网络环境是云计算需要补充的一个重要环节。现阶段电信业的云计算技术离上述要求尚有距离。实现步骤上，初期可以考虑以IaaS技术整合各种IDC和未饱和业务平台的计算资源；后期，将以PaaS为中心构造高效、开放式的网络服务平台，以支持泛在应用对网络资源的服务需要。

4 基于云计算的泛在网络架构

一般认为，泛在应用初期将以构建封闭、孤立的行业应用平台为主，进而形成统一的行业云，最后发展以公共运营网络为基础承载设施和多个云互连的架构体系。

行业应用的业务具有隐私性特点，在穿越广域网时对业务安全性敏感，由于泛在应用覆盖区域广泛，还存在跨运营商和异构网环境。此外，行业间的业务协同所需要的数据交换也存在信任性问题。鉴于行业应用在泛在网络建设中的先期牵引作用至关重要，泛在网络承载架构需要重点考虑其业务需求。

4.1 需求描述

前面提出封装了网络管理能力的PaaS服务是未来网络对泛在应用的支撑平台，下面将介绍一个基于PaaS理念和互联网的泛在网络架构设计，该架构充分利用网络运营商的网络服务能力，通过提供服务平台、网络设施和用户中间件等机制实现下述3个目标。

·运营商实现对其管理域内的网络资源形成全面描述和能力抽象，形成新型的可开放IaaS网络资源服务云，用户对该云的使用通过SLA(service level agreement)协商。

·提供一个云—云之间跨异构网络和管理域的互连可信网络环境（tursted networking environment,TNE），即可信的云互连环境和网络资源保证，如图1所示。

·用户可按需使用可信环境中各种云的资源，可自动选取符合SLA的云进行服务，也可将应用分布在多个云中执行。

具体设计要求描述如下：

·用户可以是行业用户泛在应用平台、运营商自营业务平台、第三方运营平台。

·可信网络环境应保证不同的行业云间任务的协同，实现跨云资源共享和分布式处理能力。一个行业云可根据配置模板在可信网络环境中选择目标云进行关联。

·SLA包括带宽要求、QoS要求、计费方式、使用时间、链路备份要求、安全性要求等，并保持其业务隐私性。

·运营商提供两类服务云，网络资源服务云和计算资源服务云。前者管理自治域内的网络资源包括网络类型、相关受控网元状态、链路及网络管控配置、资源与流量视图、资源的授权情况、用户状态、路由与拓扑信息、端到端链路状态等。后者为典型的IaaS类IDC业务。

·行业云中的用户可以利用可信网络环境提供的中间件来调用运营商网络服务云获得网络配置能力（包括接入认证服务、网络资源定制与使用、业务流量监测等），还可调用运营商计算资源云提供的计算和存储能力（如IDC服务及其业务定制），以及同时选用不同运营商的多种网络资源服务云和计算资源云。

·海量事件和数据处理需求来自以下3个方面：一是末梢网络节点或网关设备自身的状态信息，该部分信息将交由网络资源服务云提供处理；二是来自末梢网络节点的采集信息或数据流量，即业务流量，该流量将经网络层汇聚送至所归属的行业云处理；三是还存在大量认证流量和安全性维护流量，该部分流量的处理应根据实际业务模型决定其归属。

4.2 架构描述

根据上述需求定义，我们提出了一个基于PaaS的泛在网络架构，它以虚拟路由器（virtual router，VR）技术为核心来构造可信网络环境，如图2所示。参考文献[1]对VR的相关研究和实验表明，该技术具备在云之间构造一个建立在Internet之上的叠加式虚拟网络环境，并可执行分布式处理。其原理为：虚拟网络系统是一个软件系统，并可部署在任何主机上，各个云中的任一台主机运行虚拟网络程序后可变为一台VR，作为该云在物理网络与虚拟网络之间的网关，该网关需要处理归属云中各虚拟机的外流流量，多个网关协同构成一个虚拟网络环境，与物理网络独立并具有组网可编程能力，非该虚拟网内的主机或虚拟机资源不能使用。

定义了三个角色完成该PaaS的可信功能：IaaS平台、上下文代理（CB）、应用提供者（AP）。其中，IaaS平台提供通用内存上下文管理方法管理下属计算资源，在为应用分配资源前，CB将与其协商并对其进行认证；CB提供安全的进程上下文建立方法和基于模板的信息交互，是各类用户程序安全进入虚拟网络的代理程序。AP以模板方式为各类应用提供访问CB的基本方法。用户需要建立一个应用时，将向CB提出申请并提供ID和密码，CB与IaaS协商，如果两者ID与密码一致将获得IaaS访问权限，如虚拟机资源。

上述结构的不足在于：VR本身的网络带宽有限，同时承担归属云中所有虚拟机信息交换的流量，存在性能瓶颈，不适合大容量数据处理和云间信息交换。另外，该技术只适用于传统IaaS的IDC业务。

在泛在应用的云计算架构中，我们进行了以下关键性调整。

·VR的定义将由主机（或虚拟机）外加旁挂的网络设备（如交换机或路由器）一起组成一个逻辑设备，构建二/三层网络，如VLAN或MPLS VPN等。该网络设备完全受控于主机的控制策略，并能完成可变粒度的流量管理能力。此外，设备支持堆叠或集群技术，以保持VR在云之间的弹性部署和满足潜在的容量增加。

·定义了运营商网络资源IaaS平台，相关网络管控和配置能力功能如前面所述，以区别于传统IDC业务中的资源集合定义。

·将CB功能放入VR中，简化功能体，方便部署。

在实际运行中，VR软件可建立标准或由第三方提供。运营商可首先部署自己的计算资源云和网络服务云，构造一个基本的TNE专用虚拟环境并为自营业务提供服务。当行业用户建立自己的泛在业务系统后，可与运营商签订网络租用协议和SLA，随后部署VR设备和相关软件以加入到TNE中，内部业务如需开放服务，还需对原有业务系统按照TNE规范进行升级。此时，行业云对运营商网络的使用变得简单，一方面可通过网络服务IaaS功能实现对网络设备和业务流量的监控和执行经双方约定的网络配置能力，另一方面可使用运营商提供的IT资源IaaS进行海量信息处理。该架构同时也为运营商带来帮助，通过网络服务IaaS可实现对海量泛在设备的管控、接入控制和接入认证，而计算资源的消耗可由自身内部的IT资源IaaS提供。

在保持基本原理不变的情况下，该架构保证了设计目标的基本实现。架构将网络可管可控能力从整个ICT环境中抽象出来，形成行业云、IT资源云和网络服务云等多个独立的云，将独立云运用虚拟化技术构造了一个可信网络环境平台，解决了泛在应用平台跨广域网的分布式处理和安全性问题。此外，对网络资源及其能力的开放不仅体现出智能化管道的优势，而且也为泛在应用的异构接入和协同工作提供了实现基础。