普適計算環境下的網絡管理

劉明菊 王元龍 姬厚濤 魚佳欣

解放軍63898部隊 河南 454650

0 引言

隨著計算機、網絡、移動通信、嵌入式等技術的蓬勃發展，信息技術的軟件和硬件環境均發生了巨大的變化，這種變化使得由通信和計算機構成的信息空間與人們生活和工作的物理空間逐漸融為一體。在這種背景下，普適計算應運而生。與此同時，如何管理普適計算環境下的網絡成為一個亟待解決的難題。

1 普適計算基本概念

“普適計算(Ubiquitous Computing)”思想最早是在1991年由美國施樂公司的Mark Weiser在《Scientific American》的“The Computer for the 21st Century”中提出。他指出“無所不在的計算”就是到處都有計算存在的意思，并認為信息技術將融入并消失在日常生活中。該思想一提出就得到廣泛關注和接受。1999年，IBM進一步提出普適計算(Pervasive Computing)的概念，即無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式，無論何時何地，只要需要，就可以通過某種設備訪問到所需的信息。它是集移動通信技術、計算技術、計算設備軟硬件技術等多種技術于一體，通過將計算設備嵌入到人們生活的各種環境中，使通信、計算和信息訪問在任何時候、任何地點都成為可能，為使用者提供更加人性化的服務。

2 網絡管理模型

隨著計算機網絡規模的擴大和網絡復雜性的增加，網絡管理在計算機網絡系統中的地位越來越重要，在普適計算下，網絡的異構性、設備的復雜多樣性、連接的間斷性等更是對傳統的網絡管理模型提出了更高要求。

2.1 主流的網絡管理模型

(1) 基于TCP/IP的SNMP模型。SNMP由一系列協議組和規范組成，它們提供了一種從網絡上的設備中收集網絡管理信息的方法。SNMP的體系結構分為SNMP Manager和SNMP Agent，每一個支持SNMP的網絡設備中都包含一個網管代理，網管代理隨時記錄網絡設備的各種信息，網絡管理程序再通過SNMP通信協議收集網管代理所記錄的信息。

(2) 基于OSI的CMIP模型。CMIP協議是在OSI制訂的網絡管理框架中提出的網絡管理協議，是一個完全獨立于下層平臺的應用層協議，它的五個特殊管理功能領域由多個系統管理功能(SMF)加以支持。相對來說，CMIP是一個相當復雜和詳細的網絡管理協議。它的設計宗旨與SNMP相同,但用于監視網絡的協議數據報文要相對多一些。迄今為止,還沒有任何一個符合CMIP的網絡管理系統。

2.2 新型網絡管理模型

(1) 基于策略的網絡管理。IETF提出了基于公共開放式策略服務(Common Open Policy Service,COPS)協議和輕量級目錄訪問協議(Lightweight Directory Access Protocol,LDAP)

實現的兩層策略管理的參考模型，如圖1所示。

圖1 基于策略的網絡管理系統結構

由四個核心組件構成：策略管理工具(PMT)，是網絡管理人員定義和編輯策略的一種管理工具；策略庫(PR)，用于保存策略的目錄服務器；策略決策點(PDP)，負責通知交換機和路由器該如何處理不同類型的流量；策略執行點(PEP)，即策略Agent與嵌入式Agent，它是通過訪問列表、隊列管理算法和其他方式執行策略的網絡設備，如被策略激活的交換機或路由器等。盡管PBMN提供了一個相對于傳統方法更為靈活的管理概念，但由于其自身的復雜性并沒有得到廣泛的應用。

(2) 基于Mobile Agent的網絡管理。Mobile Agent可以將個性化的計算移動到資源端的服務器上運行，并能夠自主遷移，具有移動性、自治性、智能性等優點。因此，基于Mobile Agent的網絡管理模型能夠改善網絡管理系統的整體性能和可擴展性，克服了傳統集中式管理的主要缺陷。

(3) 基于CORBA的網絡管理。CORBA(Common Object Request Broker Architecture，公共對象請求代理體系結構)是對象管理組織OMG(Object Management Group)為解決分布式處理環境下硬件和軟件系統的互連互通而提出的一種解決方案。基于CORBA的網絡管理采用的是分布對象技術，將所有的管理應用和被管元素都看作分布對象，它們之間的交互就構成了網絡管理。此方法最大的特點是屏蔽了編程語言、網絡協議和操作系統的差異，提供了多種透明性。它的一般模型如圖2所示。

圖2 基于CORBA服務的網絡管理體系結構的一般模型

(4) 基于Web的網絡管理。基于Web的網絡管理的主要優點有：提供了地理上和系統上的可移動性，具有統一的網絡管理程序界面，網絡管理平臺具有獨立性，網絡管理系統之間可無縫連接。實現Web的技術有多種，最常用的是使用描述WWW頁面的語言HTML，另一個關鍵技術是通過Web瀏覽器訪問數據庫，還有一個重要的技術，即Java語言。

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(5) 基于XML的網絡管理。基于XML的網絡管理的主要思想是，利用XML強大的數據表示能力，使用XML文法描述管理數據和管理操作，使管理信息能為計算機所理解，提高計算機對網絡管理數據的處理能力，從而提高網絡管理能力。

3 普適網絡管理

3.1 網絡特點

普適網絡由上而下可以劃分為業務網絡、核心網絡、接入網絡、末梢網絡等，是網絡設施、業務系統、終端和應用的融合，廣泛采用RFID、人機交互、上下文感知計算、多接入、移動性管理、網絡安全、網絡管理等關鍵新技術。總體來說，普適網絡主要有以下特點：業務豐富多樣；網絡協同、融合；終端普適智能；產業鏈互動增強。

3.2 網絡管理框架

3.2.1 普適網絡管理框架

圖3 普適網絡管理框架

如圖3所示，普適網絡管理框架由三個層面組成：組合管理服務層、管理服務組合層和管理服務層。每一層都有支撐該層功能的相應的功能邏輯實體。

(1) 組合管理服務層位于該管理框架的頂端，它為各種用戶角色提供組合管理服務。當用戶發現滿足管理需求的管理服務時，該層負責對相應的管理服務提供單元調用執行；若用戶通過使用該層提供的管理服務不能滿足其管理需求時，該層將通過管理服務組合層完成服務的組合。

(2) 管理服務組合層完成了服務的組合功能，定義了服務組合中的功能實體，并規定了功能實體間的消息流程。管理服務組合層包括的功能實體有：注冊功能、授權功能、組合策略功能和組合執行功能。

(3) 管理服務層是無線普適網絡管理框架對管理服務組合的支持的基礎。它把開放出來的管理服務能力看成一個整體，根據管理對象的分層結構，劃分為四個單元：市場/產品/客戶管理、業務管理、網絡管理和供應商/合作伙伴管理。這四個單元實際上對應的是四組不同層次的管理功能集。

SOA(Service-Oriented Architecture,面向服務架構)概念模型的核心思想是服務請求者和服務提供者之間的交互，主要角色包括服務請求者、服務提供者和服務代理。

如圖4所示，基于SOA的普適網絡管理參考模型由授權中心、管理服務發現代理、管理服務提供者、管理服務使用者、管理服務注冊中心和X實體組成。

圖4 基于SOA的普適網絡管理參考模型

管理服務都需要在服務注冊中心按照管理服務注冊合約進行登記。管理服務注冊合約除了管理服務合約外，還包括諸如授權、使用條件以及擁有者等信息。管理服務提供者在授權中心取得授權后，向相應的管理服務注冊中心發布合乎質量要求的管理服務，以供管理服務請求者使用。授權中心負責管理授權職能，包括對管理服務注冊中心、管理服務提供者和管理服務使用者進行授權，為普適網絡管理服務提供安全管理保障。

管理服務請求者在運行時可通過管理服務發現代理尋找管理服務注冊中心，以查找所需要的管理服務；在授權中心取得授權后，在管理服務注冊中心獲取進一步的信息，進而使用管理服務提供者所提供的管理服務。

管理服務注冊中心提供查找機制，即對管理服務請求者所提出的管理服務請求，按照服務合約等進行查找，若查找成功且在驗證服務請求者具有相應的權限后，向其提供管理服務的地址等信息，管理服務提供者接到請求后按合約提供服務。

X實體是支持動態協作、管理服務組合的核心，它負責管理服務的組合、發布和提供。它能夠作為管理服務的使用者，利用各個管理服務提供者提供的管理服務，根據需要，組合成豐富的新的管理服務，在授權中心授權后，將其發布在管理服務注冊中心上；同時它也能夠作為管理服務的提供者，當其它管理服務使用者使用組合管理服務時，它便以提供者的方式出現。X實體應能提供上下文信息處理邏輯，能夠根據上下文信息智能地提供管理服務。

參考3GPP的管理模型，定義了四類管理實體，即ES(Enterprise Systems，企業系統)，NM(Network Manager，網絡管理者)，DM(Domain Manager，域管理者)，E-OS(External Operating System，外部運行系統)。ES，NM，DM既是管理服務提供者，也是管理服務使用者。E-OS一般為管理服務使用者，NM還可以同時是X實體的具體實現。

4 研究熱點及發展方向

普適計算的研究受到國內外研究機構和產業界的高度重視。國際上普適計算的里程碑事件：1999年開始的Ubicomp國際會議；2000年開始的Pervasive Computing國際會議；2002年IEEE Pervasive Computing期刊的創刊。從20世紀90年代開始，許多相關的研究計劃紛紛啟動，例如美國麻省理工(MIT)的Oxygen計劃、英國劍橋(Cambridge)大學的Sentient Computing、惠普(HP)的CoolTown、英特爾(Intel)的Guide、歐盟資助的Disappearing Computing等。

國內的研究主要在普適計算環境中間件、普適計算中私有信息保護問題、普適計算環境的協調管理、軟件結構、覺察上下文計算、人機界面幾方面展開。中國科學院軟件研究所正開展“無處不在計算環境下智能人機交互研究”。北京大學成立了普適計算實驗室，目前開展的研究側重在開發和設計通用的信息訪問和傳送平臺，存在論工程和基于存在論的語義網頁，自適應代理系統的結構，應用于科學、工程和國防的基于知識的系統。

普適計算環境下的網絡正在形成以互聯網為核心，以多種無線網以及移動網為接入的更加廣泛的異構集成網絡。網絡協議功能更強，以滿足不同數據通信特點的應用，同時IPv6的應用會大大增加網絡地址范圍，在可預見的未來為每個設備提供網絡地址。從網絡帶寬上來看，有線主干網逐漸采用光纖，802.11、藍牙(Bluetooth)逐漸成為無線局域網的常用標準，移動網正在向3G、4G甚至5G演變。

5 結束語

普適計算是對計算模式的革新，對它的研究還在不斷開展，但是已顯示了巨大的生命力和深遠的影響。在新的計算模式推動下，網絡管理也正向著綜合集中化管理發展，采用分布式結構，有利于運營商業務的快速展開，降低管理成本，提供給高層集中的信息并保證FACPS管理功能有效地完成。因此，綜合、集中、自動、智能化是未來網絡管理發展的方向。

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