云計算技術在泛在網絡中的應用前景分析

歐 亮，朱永慶，何曉明，鄒 潔

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

通過無處不在的網絡將人類社會和物理世界的所有對象相聯系，并利用先進的信息處理技術對人類的生活和生產活動進行精細管理，這個龐大的信息生態環境將使人類步入一個全新的智能化生活空間。與上述愿景緊密相連的技術概念是云計算與泛在網絡，由于兩者都是未來網絡發展的潛在關鍵技術，在IT與通信領域受到了重點關注。

云計算與泛在網絡都包含有革命性的技術理念并涉及廣泛的產業鏈，泛在網絡突破了以往單一的人-人及周邊環境的通信模式，云計算則體現了因互聯網發展而來的計算模式的革新。但是，不同的行業和組織對這兩個概念的理解都存在偏差，過去的網格、普適計算、分布式計算與云計算概念間都有著相互包含和相區別的內容，與此類似，泛在網絡、物聯網、M2M、傳感網在概念上也存在交集，嚴格區分還存在一定困難。本文從技術應用出發，以傳統網絡運營商的角度前瞻性地討論云計算技術在未來泛在網絡中的應用前景。

2 泛在網絡特征與計算資源需求

泛在網絡不是一個具體的網絡形式，而是以電信網技術、傳感網技術、RFID標識技術和各類短距離無線通信等現存和未來技術構成的多種網絡形態，由多類終端和業務平臺組成的復雜信息系統，它可以包括各種現有的通信網、互聯網、廣電網絡、傳感網、自組織網絡等各種有線和無線網絡。其初期的目標是為各類通信對象提供隨時隨地的信息存取服務和任意互連，并進一步發展到網元間的具有環境上下文感知能力、協同工作、資源共享和信息綜合處理能力的智能化網絡形態。

同時，泛在網絡也是一個發展中的網絡和信息服務形式，其規模將隨人類社會的發展和技術進步不斷擴大。現有的技術手段和應用模式還處在泛在應用的雛形階段，尚未進入真正的泛在網絡時代。

2.1 泛在網絡特征

對未來的泛在網絡及其應用，從網絡架構和服務形式看，應用的廣泛性、網絡的異構性、服務對象的海量化是其最重要的三個特征。

（1）應用的廣泛性

應用的廣泛性表現為泛在網絡涵蓋了人類生活生產的各個領域，包括生態環境和基礎設施等物理世界，存在大量非典型電信業務形式，這決定了其業務模式、信息處理要求、服務能力的多樣性，也決定了未來運營級承載網絡不僅需要綜合承載能力，而且需要加強業務定制能力和快速配置能力，以適應不斷擴張的業務部署需要。

（2）網絡的異構性

網絡的異構性表現為以下幾個方面：

·從末梢網絡、接入網絡到核心網可能采用不同通信協議、通信鏈路，如IP化網絡與非IP化的傳感網絡、無線網絡轉至有線網絡等；

·存在各種制式的移動通信網和各類短距無線協議，頻譜資源不統一，如2G/3G系統、Wi-Fi、藍牙、Zigbee等；

·存在各類有線接入鏈路，如xDSL、xPON、以太網、Cable以及私有通信系統等；

·各網絡間在尋址與路由方式、認證方式、QoS能力、業務配置能力、業務系統接口的差異；

·存在大量私有業務網絡，業務不透明。

雖然IP化能解決核心網的綜合承載問題，但網絡的異構性依然會帶來如下問題：首先，通信終端類型及其通信方式差異巨大，接入服務和管理維護困難；其次，無法以統一模式管理業務流量，如端到端服務保證、資源管理等；再次，網絡異構會加大對所疊加業務和用戶服務能力一致性的要求，即網絡服務和管理水平需要極大提升。

（3）服務對象的海量化

服務對象的海量化是泛在網絡的另一特征。對象的廣泛性，從一般意義的普通人－物間的互動，到對微觀納米世界的觀察，所有對象都可能是通信發起者或接收者，隨著人類活動目的和具體需要的變化，這給對象命名與分類、通信尋址機制設計以及相關的海量數據處理帶來困難。一方面，各類對象產生龐大的信息量，使得信息傳輸、存儲與實時處理要求對現有網絡和IT系統造成沖擊；另一方面，現有網絡對海量地址與路由管理、泛在節點接入認證與計費、安全性保證等相關技術目前并未充分考慮。

2.2 泛在應用承載對計算智能的需求

泛在應用可運行于封閉的私有網絡和業務系統內，也可能運行于運營商提供的公共網絡或業務平臺中，如各類接入到互聯網的行業應用平臺。目前有兩種典型的運營方式：一是各行業部門透過運營商網絡管道運行自己的業務，終端與業務平臺不透明；另一種方式是運營商不僅提供網絡服務，還提供通用終端與業務平臺，可定制或代維部分業務資源。

無論何種運營方式，要達到協同工作能力，泛在應用從感知節點、終端、網絡到業務處理平臺的各個環節均需要引入智能化處理手段。節點和通信終端需要對環境的上下文感知能力實現自組織能力；接入與核心網絡需要異構管理能力和服務一致性；業務平臺需要具備海量信息處理等先進IT技術。同時，不同業務平臺間需要能共享信息。

前面的分析還表明，構建一個具有服務協同、環境開放、異構接入的泛在網絡需要大量更加先進的智能化IT技術支持，這些需求歸納如下：

·業務平臺對來自各類對象的海量數據需進行高效的信息處理，并提高資源利用率；

·業務平臺間如何提供可信任的互連能力、資源和信息的共享能力；

·海量對象管理、命名系統和地址管理需要一個高性能的地址解析與分配系統；

·網絡和接入服務需提供可視化管理、根據SLA開放網絡配置、提供端到端網絡OAM以及QoS配置等各項能力；

·需要具備對泛在網關、終端、節點的監控和管理配置能力，具備安全的可開放式接口，包括安全接入、環境上下文感知、頻譜與接入類型感知、生存周期、末梢網絡管理、路由選擇、代理服務等各項管理要求。

上述需求涉及如何設計泛在網絡架構和部署計算資源，以滿足泛在應用對協同性和智能互連能力的要求。抽象相關計算和網絡資源涉及現有IT系統能力和通信網建設理念，因此成為難點。云計算以服務為中心并通過虛擬化的計算資源進行分布式處理的設計理念為上述問題的解決帶來了希望。為評估云計算對泛在應用的支持能力，需先對其技術現狀和應用潛力進行分析。

3 云計算相關能力分析

3.1 云計算現狀

寬帶及其無線網絡的普及化、存儲價格的下降和互聯網計算軟件的出現成為云計算發展的關鍵動力。當前，IT界主流的云計算技術包括虛擬化、面向服務的軟件、網格技術、基礎設施管理技術和節能管理。消費者可以通過按需購買基礎設施即服務（infrastructure as a service,IaaS）、平臺即服務（platform as a service,PaaS）、軟件即服務（software as a service,SaaS）三種服務并向最終用戶出售增值服務或構建自己的應用。在云中，不同服務提供商可以通過統計復用方式使用并管理計算資源。目前，網絡運營商主要關注 IaaS和 PaaS。

IaaS把計算、存儲、網絡及搭建應用環境所需的工具作為服務提供給用戶，使用戶能按需獲取IT基礎設施，其核心內容是對服務器、存儲、網絡的虛擬化和相關工具。其中，網絡虛擬化有縱向網絡分割和橫向節點整合兩種不同的形式，前者以VC、VLAN、MPLS-VPN等方式進行業務流量隔離，后者將多臺設備連接起來通過虛擬化整合為單一邏輯單元和鏈路聚合，以簡化管理、配置，提高可靠性。目前，服務器虛擬化已有VMware等成熟系列產品和XEN、KVM等開源系統，存儲虛擬化尚無統一標準，網絡虛擬化尚缺乏橫向整合標準。

PaaS把分布式軟件的開發、測試和部署環境當作服務，通過互聯網提供給用戶。其核心是分布式計算，有兩種處理方法：一種是分割計算，即把應用程序的功能分割成若干個模塊，由網絡上多臺機器協同完成；另一種是分割數據，即把數據集分割成小塊，由網絡上的多臺計算機分別計算。對于海量數據分析等計算密集型問題，通常采取分割數據的分布式計算方法，對于大規模分布式系統則可能同時采取這兩種方法。

對PaaS而言，通過在IaaS或其他獨立設施上部署分布式存儲、分布式數據庫、分布式同步機制和分布式計算模式等技術后，平臺就具備了分布式軟件開發的基本能力，PaaS云服務提供商需要考慮如何將這個開發平臺提供給用戶，并解決與此相關的一系列問題。App Engine以及微軟的Azure也都是典型的PaaS平臺。此外，隨著Hadoop開源PaaS平臺的成熟，越來越多的IaaS企業開始嘗試在自己的IaaS平臺上部署Hadoop以提供PaaS服務，如Amazon、Yahoo、IBM。雖然分布式處理技術已經發展多年，但是業內并沒有形成相關的標準。

3.2 云計算能力評估

目前的云計算技術所提供的云服務能力有如下特點。

·IaaS對主機、存儲和網絡資源具有初步的集成和抽象能力，并具有可擴展性和統計復用能力，允許用戶按需使用，除網絡資源外，其他的均可通過虛擬化提供成熟的技術實現方法，為解決泛在應用的海量信息處理提供了途徑。

·IaaS對各類內部異構的資源環境提供了統一的服務界面，為資源定制、出讓和高效利用提供了可能性，為泛在應用平臺獲取計算資源提供了統一界面。

·通過PaaS提供的編程方式，可以實現快速業務流程定義，加速新業務部署，包括各類共性的電信業務平臺和支撐系統，也為各類泛在應用的快速實現提供了基本能力。

·PaaS實現了對分布式處理技術細節的抽象，可以合理地調度使用由IaaS提供的資源環境，為泛在應用的海量數據提供高效的分布式處理提供了可能性。

由于上述各種可能性的存在，有人將云計算看作是泛在應用的“后端”。然而，作為云計算的核心技術的虛擬化、分布式處理和在線軟件技術均源自IT企業，其研究范圍尚局限在容易分割的服務器、存儲等有限資源上，更適合于IDC業務改造。不僅缺乏統一標準，而且尚未有效定義網絡型資源處理機制和電信業務流程，因此，不能簡單地將云看作 “后端”，而是要發展和深化云計算的部分技術理念，才能將可能性變為現實性。要構建一個可運營、可管理的泛在網絡，云計算在網絡管理技術上需要擴展以下幾方面。

·對網絡資源的管理，不僅要考慮主機（host）的帶寬、地址和I/O端口等，還應考慮定義接入類型、設備類型、單段/端到端鏈路、節點、會話、流向、路由、拓撲、虛擬鏈路、端口/鏈路捆綁、QoS水平等多種資源描述方式。

·需加強在PaaS層面對海量用戶和終端的管理方式和流程定義，包括接入認證、業務隔離方式、業務配置、末梢網絡及設備狀態檢測、QoS機制、安全機制、地址分配機制、移動性管理、反饋控制機制、業務控制策略等。

·網絡基礎設施不僅要考慮主機網絡端口，還要考慮對大量的網絡接入、交換、路由與傳輸設備、終端設備等各種有線與無線通信設施進一步抽象化描述，并定義協同性策略。

·網絡服務能力上需要兩方面的提升：一是加強對關鍵性通信協議的分布式處理能力的研究，如安全協議、Diameter等認證協議的分布式處理能力，突破海量對象信息處理帶來的性能瓶頸；二是加強對網絡監測與配置能力的抽象和可開放性研究，滿足泛在網行業用戶對其業務網絡的全程監測和智能化配置需要。

·應加強對具有共性和基礎性的電信IT類業務平臺和支撐系統進行抽象化和資源整合，如IDC改造、認證計費、安全性管理、網絡監控、設備與終端管理等，提供統一可開放的服務與管理界面，在降低運營成本的同時向用戶開放部分業務環境與資源。

構造一個以服務為中心的開放式、可配置網絡環境是云計算需要補充的一個重要環節。現階段電信業的云計算技術離上述要求尚有距離。實現步驟上，初期可以考慮以IaaS技術整合各種IDC和未飽和業務平臺的計算資源；后期，將以PaaS為中心構造高效、開放式的網絡服務平臺，以支持泛在應用對網絡資源的服務需要。

4 基于云計算的泛在網絡架構

一般認為，泛在應用初期將以構建封閉、孤立的行業應用平臺為主，進而形成統一的行業云，最后發展以公共運營網絡為基礎承載設施和多個云互連的架構體系。

行業應用的業務具有隱私性特點，在穿越廣域網時對業務安全性敏感，由于泛在應用覆蓋區域廣泛，還存在跨運營商和異構網環境。此外，行業間的業務協同所需要的數據交換也存在信任性問題。鑒于行業應用在泛在網絡建設中的先期牽引作用至關重要，泛在網絡承載架構需要重點考慮其業務需求。

4.1 需求描述

前面提出封裝了網絡管理能力的PaaS服務是未來網絡對泛在應用的支撐平臺，下面將介紹一個基于PaaS理念和互聯網的泛在網絡架構設計，該架構充分利用網絡運營商的網絡服務能力，通過提供服務平臺、網絡設施和用戶中間件等機制實現下述3個目標。

·運營商實現對其管理域內的網絡資源形成全面描述和能力抽象，形成新型的可開放IaaS網絡資源服務云，用戶對該云的使用通過SLA(service level agreement)協商。

·提供一個云—云之間跨異構網絡和管理域的互連可信網絡環境（tursted networking environment,TNE），即可信的云互連環境和網絡資源保證，如圖1所示。

·用戶可按需使用可信環境中各種云的資源，可自動選取符合SLA的云進行服務，也可將應用分布在多個云中執行。

具體設計要求描述如下：

·用戶可以是行業用戶泛在應用平臺、運營商自營業務平臺、第三方運營平臺。

·可信網絡環境應保證不同的行業云間任務的協同，實現跨云資源共享和分布式處理能力。一個行業云可根據配置模板在可信網絡環境中選擇目標云進行關聯。

·SLA包括帶寬要求、QoS要求、計費方式、使用時間、鏈路備份要求、安全性要求等，并保持其業務隱私性。

·運營商提供兩類服務云，網絡資源服務云和計算資源服務云。前者管理自治域內的網絡資源包括網絡類型、相關受控網元狀態、鏈路及網絡管控配置、資源與流量視圖、資源的授權情況、用戶狀態、路由與拓撲信息、端到端鏈路狀態等。后者為典型的IaaS類IDC業務。

·行業云中的用戶可以利用可信網絡環境提供的中間件來調用運營商網絡服務云獲得網絡配置能力 （包括接入認證服務、網絡資源定制與使用、業務流量監測等），還可調用運營商計算資源云提供的計算和存儲能力（如IDC服務及其業務定制），以及同時選用不同運營商的多種網絡資源服務云和計算資源云。

·海量事件和數據處理需求來自以下3個方面：一是末梢網絡節點或網關設備自身的狀態信息，該部分信息將交由網絡資源服務云提供處理；二是來自末梢網絡節點的采集信息或數據流量，即業務流量，該流量將經網絡層匯聚送至所歸屬的行業云處理；三是還存在大量認證流量和安全性維護流量，該部分流量的處理應根據實際業務模型決定其歸屬。

4.2 架構描述

根據上述需求定義，我們提出了一個基于PaaS的泛在網絡架構，它以虛擬路由器（virtual router，VR）技術為核心來構造可信網絡環境，如圖2所示。參考文獻[1]對VR的相關研究和實驗表明，該技術具備在云之間構造一個建立在Internet之上的疊加式虛擬網絡環境，并可執行分布式處理。其原理為：虛擬網絡系統是一個軟件系統，并可部署在任何主機上，各個云中的任一臺主機運行虛擬網絡程序后可變為一臺VR，作為該云在物理網絡與虛擬網絡之間的網關，該網關需要處理歸屬云中各虛擬機的外流流量，多個網關協同構成一個虛擬網絡環境，與物理網絡獨立并具有組網可編程能力，非該虛擬網內的主機或虛擬機資源不能使用。

定義了三個角色完成該PaaS的可信功能：IaaS平臺、上下文代理（CB）、應用提供者（AP）。其中，IaaS平臺提供通用內存上下文管理方法管理下屬計算資源，在為應用分配資源前，CB將與其協商并對其進行認證；CB提供安全的進程上下文建立方法和基于模板的信息交互，是各類用戶程序安全進入虛擬網絡的代理程序。AP以模板方式為各類應用提供訪問CB的基本方法。用戶需要建立一個應用時，將向CB提出申請并提供ID和密碼，CB與IaaS協商，如果兩者ID與密碼一致將獲得IaaS訪問權限，如虛擬機資源。

上述結構的不足在于：VR本身的網絡帶寬有限，同時承擔歸屬云中所有虛擬機信息交換的流量，存在性能瓶頸，不適合大容量數據處理和云間信息交換。另外，該技術只適用于傳統IaaS的IDC業務。

在泛在應用的云計算架構中，我們進行了以下關鍵性調整。

·VR的定義將由主機（或虛擬機）外加旁掛的網絡設備（如交換機或路由器）一起組成一個邏輯設備，構建二/三層網絡，如VLAN或MPLS VPN等。該網絡設備完全受控于主機的控制策略，并能完成可變粒度的流量管理能力。此外，設備支持堆疊或集群技術，以保持VR在云之間的彈性部署和滿足潛在的容量增加。

·定義了運營商網絡資源IaaS平臺，相關網絡管控和配置能力功能如前面所述，以區別于傳統IDC業務中的資源集合定義。

·將CB功能放入VR中，簡化功能體，方便部署。

在實際運行中，VR軟件可建立標準或由第三方提供。運營商可首先部署自己的計算資源云和網絡服務云，構造一個基本的TNE專用虛擬環境并為自營業務提供服務。當行業用戶建立自己的泛在業務系統后，可與運營商簽訂網絡租用協議和SLA，隨后部署VR設備和相關軟件以加入到TNE中，內部業務如需開放服務，還需對原有業務系統按照TNE規范進行升級。此時，行業云對運營商網絡的使用變得簡單，一方面可通過網絡服務IaaS功能實現對網絡設備和業務流量的監控和執行經雙方約定的網絡配置能力，另一方面可使用運營商提供的IT資源IaaS進行海量信息處理。該架構同時也為運營商帶來幫助，通過網絡服務IaaS可實現對海量泛在設備的管控、接入控制和接入認證，而計算資源的消耗可由自身內部的IT資源IaaS提供。

在保持基本原理不變的情況下，該架構保證了設計目標的基本實現。架構將網絡可管可控能力從整個ICT環境中抽象出來，形成行業云、IT資源云和網絡服務云等多個獨立的云，將獨立云運用虛擬化技術構造了一個可信網絡環境平臺，解決了泛在應用平臺跨廣域網的分布式處理和安全性問題。此外，對網絡資源及其能力的開放不僅體現出智能化管道的優勢，而且也為泛在應用的異構接入和協同工作提供了實現基礎。

5 結束語

泛在網絡的構建是通向未來智能化信息社會的必經之路，本文對這個技術遠景作了前瞻性研究。通過分析泛在網絡的主要特征和信息處理需求，評估了當前云計算技術對泛在應用的支持能力。作為一項有潛力的IT技術，云計算要在泛在網絡等通信領域發揮海量信息處理的核心作用，還需在網絡資源和相關服務能力抽象方面做大量工作。

根據文中對云計算研究的方向性建議以及泛在應用的特點，本文最后提出了一個基于云計算的泛在網絡架構，該架構的優點是從PaaS層面整合泛在應用的各種資源，在保持電信網固有網絡結構的同時，發揮了云計算通過虛擬化和分布式技術帶來的海量信息處理能力。

1 Katarzyna K,Mauricio T,et al.Sky computing.IEEE Internet Computing,2009

2 International Telecommunication Union UIT.ITU internet reports 2005:the internet of things,2005

3 Akyildiz L F.Wireless sensor networks:a survey.Computer Networks,2002(38):393～422

4 趙雅靜,王峰.互聯網資源命名尋址技術綜述.計算機應用研究,2007,24(7):1～7

5 李蕊，李仁發.上下文感知計算及系統框架綜述.計算機研究與發展，2007，44(2)：269～276