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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(diǎn)城市。Bristol Is Open 項目是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的生活實(shí)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，因此英國需要確保城市適應數字時(shí)代要求。智能城市有助于打造出高效、可持續發(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)、當地社區及當地和國家政府部門(mén)開(kāi)展通力協(xié)作。Bristol Is Open (www.bristolisopen.com)正在推動(dòng)這座擁有 50 萬(wàn)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)（即智能城市基礎設施組成部分）市場(chǎng)的開(kāi)放式測試場(chǎng)。Bristol Is Open 項目在很多開(kāi)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(lái)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(chǎn)業(yè)到 2020 年市值將超過(guò) 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(huì )資助的智能城市研究活動(dòng)投資的 1.5 億美；五年內為技術(shù)戰略委員會(huì )在倫敦建立的全新未來(lái)城市發(fā)展中心指撥的 7900 萬(wàn)美元；今年年初為未來(lái)城市示范項目投資的 5200 萬(wàn)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(wàn)美元。 Bristol Is Open 正在示范構建一個(gè)城市規模研究與創(chuàng )新的測試平臺。目標是推動(dòng)未來(lái)智能城市的數字創(chuàng )新：使開(kāi)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(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，允許智能城市應用與城市基礎設施進(jìn)行交互，以針對網(wǎng)絡(luò )功能進(jìn)行編程、虛擬化和量身定制，進(jìn)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(xiàn)、無(wú)線(xiàn)和 IoT 網(wǎng)絡(luò )基礎設施以及仿真設施在內的眾多節點(diǎn)上。 下面我們來(lái)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(wǎng)絡(luò )功能。 未來(lái)智能城市 未來(lái)十年全世界將產(chǎn)生 100 多座 100 萬(wàn)人口的城市 [2]，同時(shí)，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(cháng) 6000 萬(wàn)。[2] 因此到 2050 年，世界上將有超過(guò) 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(huì )帶來(lái)諸多經(jīng)濟和社會(huì )挑戰，并對城市基礎設施形成壓力。不斷發(fā)展的城市將不得不應對各種挑戰，以保持經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境可持續性以及社會(huì )彈性。 解決方案是讓城市更智能。盡管智能城市沒(méi)有絕對性定義，但智能城市的運行卻有幾個(gè)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。 • 結果/績(jì)效的透明度，使市民可以對 每個(gè)機構和每個(gè)區域的績(jì)效進(jìn)行對比和評判。 • 智能物理基礎設施，使服務(wù)提供商能夠高效管理服務(wù)交付、數據 收集和數據分析。 • 一個(gè)數字安全的開(kāi)放式現代化軟件基礎設施，可讓市民在需要時(shí)訪(fǎng)問(wèn) 他們所需的信息。 智能城市的技術(shù)驅動(dòng)因素靈感來(lái)源于物聯(lián)網(wǎng)；Gartner 數據 [4] 顯示，到 2020 年物聯(lián)網(wǎng)設備的安裝數量將增長(cháng)到 260 億臺。相比之下 2009 年的安裝數量為 9 億臺，總數實(shí)現了將近 30 倍的增長(cháng)，技術(shù)和服務(wù)營(yíng)收超過(guò) 3000 億美元。智能城市大規模部署 IoT 技術(shù)，不僅可使從傳感器和設備采集的數據出現在生態(tài)系統中，而且還可促進(jìn)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(lái)看，信息可回送到城市基礎設施的執行設備中，以動(dòng)態(tài)控制運行狀況。在這種方式下可以：利用智能交通設施實(shí)現無(wú)人駕駛汽車(chē)；利用智能照明技術(shù)獲得更高的能效；針對不同時(shí)間（白天和季節性變化）管理網(wǎng)絡(luò )資源；根據事件調動(dòng)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(guò)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，智能城市需要大量使用從市民、環(huán)境、汽車(chē)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(wù)。 就網(wǎng)絡(luò )基礎設施而言，進(jìn)行整個(gè)城市數據的檢索和處理意味著(zhù)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(jìn)行存儲和可能的處理。應用情景和類(lèi)型的多樣化就智能城市中的網(wǎng)絡(luò )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(shù) (ICT) 基礎設施會(huì )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(wú)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(mǎn)足未來(lái)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(kāi)放的軟件和硬件平臺，用戶(hù)可針對不同用例要求對平臺進(jìn)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 設施的集成，提高應用感知。 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 的基礎在于將基礎設施控制與數據層進(jìn)行去耦，這樣不僅可顯著(zhù)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )管理和應用開(kāi)發(fā)，同時(shí)還允許在網(wǎng)絡(luò )中部署用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能的通用硬件。 基于 SDN 的簡(jiǎn)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(gè)用戶(hù)通過(guò)共享物理資源進(jìn)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(guò)軟件實(shí)現商業(yè)硬件的網(wǎng)絡(luò )功能。防火墻、深度數據包檢查、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。 除了軟件驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )以外，硬件和基礎設施的可編程性也將提高，進(jìn)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(guò)標準軟件 API 進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，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 2013 年啟動(dòng)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(yíng)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 的目標是成為生活實(shí)驗室——實(shí)現城市數字創(chuàng )新的研發(fā)實(shí)驗基地。它提供一個(gè)用于為信息與通信基礎設施開(kāi)發(fā)和測試全新解決方案的多租戶(hù)管理平臺，因此可形成一個(gè)核心 ICT 實(shí)現平臺，充分滿(mǎn)足未來(lái)城市開(kāi)發(fā)日程的需求。在基礎設施層面，BIO 包含五個(gè)與眾不同的SDN基礎設施，如圖 1 所示： 
圖 1 – Bristol Is Open 光纖網(wǎng)絡(luò )將活動(dòng)核心節點(diǎn)放在城市中的四個(gè)位置。HPC 設施和仿真通過(guò)網(wǎng)絡(luò )核心訪(fǎng)問(wèn)。無(wú)線(xiàn)技術(shù)(802.11ac、802.11ad、LTE、LTE-A)由中心展開(kāi)。 • 作為光電網(wǎng)絡(luò )白盒的活動(dòng)節點(diǎn)：使用 FPGA 可編程平臺和異構光學(xué) L2/3 網(wǎng)絡(luò )基礎設施 • 異構無(wú)線(xiàn)基礎設施：包含 Wi-Fi、LTE、LTE-A 和 60GHz 毫米波技術(shù) • IoT 傳感器網(wǎng)格基礎設施 • 網(wǎng)絡(luò )仿真器：包含一個(gè)服務(wù)器群和一個(gè) FPGA-SoC 網(wǎng)絡(luò )處理器群 • Blue Crystal 高性能計算 (HPC) 設備 城域網(wǎng)絡(luò )上的基礎設施提供可支持多 Tb/s 數據流的動(dòng)態(tài)光學(xué)開(kāi)關(guān)、多速率 L2 開(kāi)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(shí)現對基礎設施的開(kāi)放式訪(fǎng)問(wèn)，而且還可創(chuàng )建全新的軟硬件解決方案并對其進(jìn)行實(shí)驗�；A設施的有線(xiàn)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(shí)驗。 網(wǎng)絡(luò )接入基礎設施包括疊加、無(wú)縫的無(wú)線(xiàn)連接解決方案(宏蜂窩和小型蜂窩無(wú)線(xiàn)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(shí)驗平臺，以及大規模 MIMO 這樣的新功能，以實(shí)現 2GHz 頻帶的超高密度網(wǎng)絡(luò )。 此外，BIO 還可為該區域內額外安裝的傳感器節點(diǎn)提供針對基礎設施(例如路燈柱)的優(yōu)先訪(fǎng)問(wèn)，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(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。BIO 還安裝了低功耗無(wú)線(xiàn)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(shí)現環(huán)境監控(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(shí)現通過(guò)合適的安全接口訪(fǎng)問(wèn)城市中已經(jīng)安裝的、位于任何地方的物聯(lián)網(wǎng)設備，包括停車(chē)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(chē)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(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。生成的所有數據將做匿名處理，并通過(guò)“開(kāi)放數據”門(mén)戶(hù)向公眾提供。 整個(gè)平臺使用 SDN 控制原理，因此實(shí)驗人員和最終用戶(hù)可對其進(jìn)行全面編程。BIO 實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )是世界上第一個(gè)此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )，它將開(kāi)啟令人激動(dòng)的新機遇，引領(lǐng)未來(lái)通信技術(shù)及云網(wǎng)絡(luò )軟硬件開(kāi)發(fā)的潮流。 用于城市基礎設施的軟件定義網(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(jìn)步帶到了以硬件為主導的傳統電信行業(yè)。通過(guò) SDN 對控制和數據進(jìn)行去耦，不僅可實(shí)現創(chuàng )新的網(wǎng)絡(luò )控制方法，同時(shí)還可依賴(lài)在所有網(wǎng)絡(luò )元素中都很普遍的基本數據轉發(fā)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(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(jìn)物理組件成本的降低并使更多運營(yíng)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(jìn)行持續投資。 SDN 現在正在從 ICT 基礎設施延伸至物聯(lián)網(wǎng)平臺，這樣就有可能對計算和通信基礎設施進(jìn)行完整的適應性調整，以利用感應與真實(shí)信息推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )操作。反過(guò)來(lái)，可利用網(wǎng)絡(luò )基礎設施及時(shí)地向應用和服務(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(guò)整個(gè)系統各層的可編程性與自適應性最終實(shí)現我們稱(chēng)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（設備）能夠真正融合到能夠進(jìn)行一致性管理與操作的計算和通信環(huán)境中。 在整個(gè)城市范圍內演示基于 SDN 的平臺非常重要。未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)和 5G 技術(shù)會(huì )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(wú)線(xiàn)電接入技術(shù)的 SDN 光主干網(wǎng)基礎設施中。令人興奮的媒體與企業(yè)社區貫穿于整個(gè) BIO 測試平臺（圖 1 中的 engine shed 是創(chuàng )業(yè)孵化器的主頁(yè)，而 watershed 則是布里斯托媒體社區的主頁(yè)）。這些社區的成員在用例研究中也作為很好的早期用戶(hù)群體。他們參與 BIO 項目，讓我們可以獲取城市社區的見(jiàn)解和要求。 有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)和 RF 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )都與技術(shù)無(wú)關(guān)，根據開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )理念，使用可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化的 SDN 技術(shù)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(wàn)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(dòng)機器人和無(wú)人機）、網(wǎng)絡(luò )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(wèn)題。NetOS 將作為邏輯實(shí)體，以分層方式用分布式軟件來(lái)實(shí)現，從而可在基礎設施上映射各種服務(wù)。
圖 2 – NetoOS 是一個(gè)基于 SDN 的平臺，構建于多層結構之中，可與網(wǎng)絡(luò )、IT 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)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(shí)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(diǎn)。另外，還有些應用對彈性或安全性以及隱私等有很?chē)栏竦囊蟆?br /> 構建專(zhuān)用基礎設施來(lái)支持具體的應用，這種方式既不可行也不經(jīng)濟。因此，城市基礎設施運營(yíng)商面臨的重要挑戰之一就是提供定制的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )解決方案代替通用 ICT 基礎設施。當與 SDN 控制平臺集成時(shí)，虛擬化就是應對這一挑戰的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節。虛擬化能創(chuàng )建多個(gè)共存且隔離的虛擬基礎設施；它們能夠并行運行,充分滿(mǎn)足租戶(hù)的應用要求。 通過(guò)全面分析每個(gè)租戶(hù)在社會(huì )政策、安全性和資源方面的要求，就可采用某個(gè)網(wǎng)絡(luò )拓撲組建虛擬基礎設施，指明虛擬節點(diǎn)與虛擬鏈路的互聯(lián)方式。在虛擬節點(diǎn)及鏈路中指定性能參數（例如時(shí)延）和資源要求（例如網(wǎng)絡(luò )帶寬，計算 CPU/存儲器）。一般通過(guò)對物理資源進(jìn)行分區和聚合來(lái)獲得虛擬資源(節點(diǎn)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(huán)境中，在城市基礎設施中部署的設備是異構型的，包括無(wú)線(xiàn)/移動(dòng)、有線(xiàn)、光網(wǎng)絡(luò )、數據中心/云以及功能性家用電器。要實(shí)現無(wú)縫業(yè)務(wù)提供，就必須在多技術(shù)、多領(lǐng)域城市基礎設施上支持采用虛擬網(wǎng)絡(luò )功能強化的聚合虛擬基礎設施，這樣每個(gè)租戶(hù)才能獲得城市基礎設施中其應有的一部分。不過(guò)，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(gè)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(jìn)行橋接。該操作系統可對異構城市設備進(jìn)行抽象化，隱藏其復雜的技術(shù)細節，統一展示基礎設施。 白盒技術(shù)展望 開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )設備或網(wǎng)絡(luò )白盒，使用非品牌通用模塊化可編程硬件平臺。這類(lèi)設備不僅可加載定制操作系統，而且還可按需重新定義網(wǎng)絡(luò )功能，不受特定廠(chǎng)商設備限制。網(wǎng)絡(luò )處理器是實(shí)現底層網(wǎng)絡(luò )硬件可編程性的第一步，可充分利用通過(guò)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(lèi)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(guò)編程執行各種網(wǎng)絡(luò )功能�；谔幚砥鞯募軜嫷闹饕獌�(yōu)勢在于能夠利用 C 語(yǔ)言等高級語(yǔ)言快速實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能，這對于快速原型設計而言非常有必要。不過(guò)，網(wǎng)絡(luò )處理器沒(méi)有針對并行工作優(yōu)化，其對于構建支持高數據速率傳輸的高性能數據層技術(shù)非常重要。 現場(chǎng)可編程門(mén)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(wǎng)絡(luò )技術(shù)而言，它們是非常受歡迎的平臺。 我們正在 BIO 基礎設施的多個(gè)點(diǎn)中使用已經(jīng)演變成片上系統 (SoC) 的賽靈思 FPGA ，這些點(diǎn)包括：作為光電白盒的工作節點(diǎn)(見(jiàn)圖 2)、仿真設施、無(wú)線(xiàn) LTE-A 實(shí)驗設備以及物聯(lián)網(wǎng)平臺。BIO 使用由現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 和光學(xué)(交換與處理等)部件構成的可編程、可定制網(wǎng)絡(luò )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(guò) SDN 接口進(jìn)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(guò)功能的可重編程實(shí)現硬件重用，升級更加簡(jiǎn)便，而且設計到部署的周期比專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP) 更短。
圖 3 – Bristol Is Open 的網(wǎng)絡(luò )白盒圍繞賽靈思 FPGA 構建而成。 網(wǎng)絡(luò )白盒的光電部件采用一個(gè)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(cháng)/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點(diǎn)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(guò)程中實(shí)現無(wú)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(shí)的情景進(jìn)行實(shí)驗，我們在 BIO 中部署了一個(gè)網(wǎng)絡(luò )仿真器。該平臺能實(shí)現網(wǎng)絡(luò )仿真以及資源虛擬化和虛擬基礎設施構成技術(shù)，以實(shí)施高級網(wǎng)絡(luò )、云計算方面的研究。這個(gè)仿真平臺還采用本地和遠程實(shí)驗室設施以及分布式研究基礎設施(網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )和其他遠程互聯(lián)實(shí)驗室聯(lián)合進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò )研究： 1. 節點(diǎn)與鏈路仿真：該平臺可仿真多種網(wǎng)絡(luò )元素，例如有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)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(wú)論是集中式還是分布式，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)都要依靠協(xié)議進(jìn)行通信。能夠對網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)行精確建模的仿真設施允許用戶(hù)或研究人員嘗試不同通信協(xié)議并大規模研究其行為。 3. 流量仿真：根據仿真情景(無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、數據中心網(wǎng)絡(luò )等)的不同，可以生成具有任意間隔和操作速度（從數 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(wǎng)絡(luò )。 4. 拓撲結構仿真：使用 BIO 仿真設施可得到目標節點(diǎn)與鏈路的任何拓撲結構。這樣，用戶(hù)就可以在部署和安裝之前對真實(shí)網(wǎng)絡(luò )結構上相應技術(shù)的各個(gè)方面進(jìn)行全面檢查。 與提供計算機主機仿真環(huán)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(wǎng)絡(luò )處理器)，以及到多技術(shù)測試平臺的動(dòng)態(tài)靈活的連接功能，以及豐富的專(zhuān)用連接基礎設施�？删幊逃布屯獠炕ヂ�(lián)的使用讓用戶(hù)可以大規模精確仿真網(wǎng)絡(luò )和計算技術(shù)的功能與性能，并用它們來(lái)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(shí)驗的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和拓撲結構，有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)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 )設備是網(wǎng)絡(luò )設施的主要構建塊，使用戶(hù)可以構建數據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(jìn)行實(shí)驗和使用。 仿真器通過(guò) 10、40 和 100Gbps 端口連接到 BIO 城市網(wǎng)絡(luò )。仿真網(wǎng)絡(luò )可以使用標準數據層協(xié)議（例如以太網(wǎng)、OTN 和 Infiniband）或定制的和專(zhuān)有的協(xié)議與其他網(wǎng)絡(luò )域實(shí)現互聯(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(lái)執行。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(gè)實(shí)例，目的是運行性能要求較高的虛擬網(wǎng)絡(luò )功能 (VNF)，例如深度數據包檢測、服務(wù)控制與安全等�；� Xen 的 ARM 內核虛擬化還有助于在相同 SoC 芯片上運行多個(gè)操作系統。這樣，BIO 就可讓多個(gè)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(shí)現共享和/或專(zhuān)用訪(fǎng)問(wèn)，以提高性能。 實(shí)驗即服務(wù) 城市運行方式日新月異。BIO 使用數字技術(shù)創(chuàng )建了一個(gè)開(kāi)放的可編程城市，能為市民提供更多的方式來(lái)參與城市生活和促進(jìn)城市運轉。我們稱(chēng)之為“城市實(shí)驗即服務(wù)”。開(kāi)放的方式能指導我們的采購活動(dòng)、數據管理以及我們所使用的軟硬件。開(kāi)放意味著(zhù) BIO 利益相關(guān)方能主動(dòng)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 )：架構與實(shí)現”，《光通信與網(wǎng)絡(luò )雜志》5, 1096-1110 (2013) |
