（电磁场与微波技术专业论文）基于网格的可重构光网络资源管理与调度技术研究.pdf

知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：岳：翌星 日期：丕! ! ：兰：2 1 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释；本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：型! ：兰：! 量 日期： 丝l 竺：二! 墨 气，：一 北京邮电大学硕士毕业论文 声明 - 专 摘要 随着网络技术的不断发展，计算机网络和光网络融合已经成为下 代网络技术的发展趋势。计算机网络中有非常丰富的应用集合，这 些应用对带宽、时延的需求各不相同，增加了对分散、异构资源的访 问需求与调配难度。而现有光网络大部分是固定的光链路连接模式， 无法根据网络业务的多样性和网络拓扑的实时变化进行动态的资源 分配。可重构光网络就是为了解决这一问题而出现的新型光网络，它 可以动态地改变自己的拓扑结构，对数据资源进行并行调度，从而有 效地提高了现有光网络中资源的利用率。 为了对异构资源进行调度，需要分布式的调度机制，而网格则是 分布式技术中备受关注的一个课题。网格是一个分布式的资源共享系 统，把各种类型的资源都融合到一个公共的、共享的环境中，特点是 资源丰富、结构灵活、范围广泛并且与具体的应用相结合。网格系统 能够将资源集中起来并定义成各种的服务，并对这些服务进行个性化 以满足特定的需求，其全面、强大的资源调度功能与光网络的巨大带 宽结合起来，能够发挥巨大的优势，为用户提供优质的服务。 基于此背景，本文提出了基于网格的可重构光网络，并对其资源 管理与调度技术进行了研究，论文主要围绕以下工作展开： 1 体系结构和网络模型的研究：提出了面向服务的基于网格的可重 构光网络模型，将网络划分为四个层次，简化了层间结构，避免 了层间功能重复，并且在控制平面加入了对跨域业务的支持。 2 多域资源管理和调度机制的研究：设计并开发了异构资源跨域并 行调度功能、分布式多域路由功能、网络接口功能以及网络拓扑 重构机制，实现了并行的跨域异构资源调度。 3 搭建了可重构光子网格平台，对提出的网络体系结构和资源调度 机制进行了实验验证，证明了网络模型的合理性和资源调度的可 行性。 关键词：光子网格可重构光网络资源管理资源调度 北京邮电大学硕士毕业论文 摘要 。， r e s e r c ho nr e s o u r c em a n a g e m e n ta n d s c h e d u l i n go fg r i d b a s e dr e c o n f i g u a b l e o p t i c a ln e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，c o n v e r g e n c eo f c o m p u t e rn e t w o r k sa n do p t i c a ln e t w o r kh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n t t r e n do f n e x t - g e n e r a t i o nn e t w o r k c o m p u t e rn e t w o r k sh a sav e r yr i c hs e t o f a p p l i c a t i o n s ，r e q u i r e m e n t s o fb a n d w i d t ha n d l a t e n c y i nt h e s e a p p l i c a t i o n sa r ev e r yd i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r s oi t sv e r yd i f f i c u l t yt o a c c e s sa n d s c h e d u l i n gd e c e n t r a l i z e d ，h e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e t h el i n ko f m o s te x i s t i n go p t i c a ln e t w o r ki saf i x e dc o n n e c t i o nm o d e ，t h u sc o u l d n t m a k ed y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o na c c o r d i n gt ot h ed i v e r s i t yo fn e t w o r k t r a f f i ca n dr e a l t i m ec h a n g eo fn e t w o r kt o p o l o g y t os o l v et h i sp r o b l e m ， r e c o n f i g u r a b l eo p t i c a l n e t w o r kh a sb e e n p r o p o s e d ，w h i c h c o u l d d y n a m i c a l l yc h a n g et o p o l o g ya n dc o u l dm a k ep a r a l l e ls c h e d u l i n go fd a t a r e s o u r c e s ，t h u se f f e c t i v e l yi m p r o v i n gr e s o u r c eu t i l i z a t i o no fo p t i c a l n e t w o r k d i s t r i b u t e d s c h e d u l i n g m e c h a n i s mi sn e e d e d t o a s s i g n h e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e s ，w h i l eg r i di sat o p i co fc o n c e r ni nd i s t r i b u t e d t e c h n o l o g y g r i di sad i s t r i b u t e dr e s o u r c es h a r i n gs y s t e m ，w i t ht h ef e a t u r e o fv a r i o u sr e s o u r c e s ，f l e x i b l es t r u c t u r a l w i d er a n g ea n dc o m b i n e dw i t h t h e ；p e c i f i ca p p l i c a t i o n g r i d h a , abilitythe s p e c l t i cp l i c a t i o ng r i ds y s t e mh a st h ea b i l i t vt oc e n t r a l i z er e s o u r c e s a n dd e f i n et h e mi n t oav a r i e t yo f s e r v i c e s ，a n dp e r s o n a l i z et h e s es e r v i c e s t om e e tt h es p e c i f i cn e e d so fu s e r s w h e nt h i s c o m p r e h e n s i v e p o w e r f u l r e s o u r c es c h e d u l i n gf u n c t i o nc o m b i n e dw i 【t ht h e h u g eb a n d w i d t ho f o p t i c a ln e t w o r k s ，i tc a np l a yah u g ea d v a n t a g ea n dp r o v i d eu s e r sw i t h q u a l i t ys e r v i c e s 一 北京邮电大学硕士毕业论文 a b s t r a e t b a s e do nt h i s b a c k g r o u n d ，a 西d - b a s e dr e c o n f i g u r a b l eo p t i c a l n e t w o r ki s p r e s e n t e d a n dr e s o u r c e m a n a g e m e n t a n d s c h e d u l i n g m e c h a n i s mo fw h i c ha r es t u d i e di st h i st h e s i s ，t h em a i nw o r k sa r el i s t e d a sf o l l o w s ： 1 a r c h i t e c t u r ea n dn e t w o r km o d e l ：am o d e lo fs e r v i c e o r i e n t e da n d g r i d b a s e dr e c o n f i g u r a b l eo p t i c a ln e t w o r ki sp r o p o s e d ，t h i sm o d e l d i v i d e dt h en e t w o r ki n t of o u rl e v e l s ，w h i c h s i m p l i f y t h e l a y e r s t r u c t u r ea n da v o i do v e r l a p p i n go fl a y e r s ，a n dc r o s s - d o m a i ns u p p o r ti s a d d e di nt h ec o n t r o lp l a n e 2 m e c h a n i s mo fc r o s s - d o m a i nr e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n g ： p a r a l l e l s c h e d u l i n g o fc r o s s - d o m a i n h e t e r o g e n e o u s r e s o u r c e s ， d i s t r i b u t e dm u l t i - d o m a i nr o u t i n gm e c h a n i s m s ，t e c h n o l o g yo fn e t w o r k i n t e r f a c ea n dn e t w o r k t o p o l o g yr e c o n f i g u r a t i o n m e c h a n i s ma r e d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t oa c h i e v e p a r a l l e l a n dc r o s s - d o m a i n s c h e d u l i n go fh e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e 3 p l a t f o r mo fg r i d - b a s e dr e c o n f i g u r a b l eo p t i c a ln e t w o r k ：ap l a t f o r mi s c o n s t r u c t e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dr e s o u r c e s c h e d u l i n gm e c h a n i s m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h er a t i o n a l i t y o fn e t w o r km o d e la n dt h e f e a s i b i l i t y o fr e s o u r c e s c h e d u l i n g m e c h a n i s m k e yw o r d s ：o p t i c a lg r i d ，r e c o n f i g u r a b l eo p t i c a ln e t w o r k ，r e s o u r c e m a n a g e m e n t ，r e s o u r c es c h e d u l i n g 北京邮电大学硕士毕业论文目录 第一章绪论 目录 1 1 引言l 1 2 基于网格的可重构光网络研究意义2 1 3 论文主要工作和结构安排2 1 3 1 论文主要工作。2 1 3 2 论文结构安排3 第二章光子网格与可重构光网络 4 2 1 分布式系统与网格4 2 2 光子网格5 2 3 可重构光网络与网格的融合7 2 4 国际发展动态9 2 5 本章小结l o 第三章基于网格的可重构光网络体系结构 3 1 传统网络体系结构1 l 3 2 网格网络体系结构l l 3 2 1 开放网格服务结构1 2 3 2 2w 曲服务资源框架1 3 3 3 面向服务的可重构光子网格体系结构1 4 3 3 i 应用层l5 3 3 2 服务层1 6 3 3 3 控制层17 3 3 4 资源层1 7 3 4 本章小结。1 8 第四章基于网格的可重构光网络资源管理与调度机制 1 9 4 1 光子网格资源定义及特点1 9 4 2 多域组网方式及资源管理需求2 0 4 3 可重构光子网格多域资源管理和调度模型2 3 4 4 跨域并行资源调度模块2 4 4 4 1 跨域资源发现模块2 5 4 4 2 并行资源调度模块2 8 4 4 3 资源释放模块3 l 4 5 分布式多域路由模块3 l 4 5 1 网格网络服务g n s 3 2 4 5 2 基于g n s 的分布式多域路由3 3 4 6 网络接口模块3 5 4 6 1 网格用户网络接口g u n i 。3 6 北京邮电大学硕士毕业论文目录 4 6 2g u n i 消息的定义及功能3 7 4 7 网络拓扑重构机制3 8 4 7 1 光路的建立与拆除机制3 9 4 7 2 负载均衡机制4 l 4 8 本章小结4 2 第五章基于网格的可重构光网络实验平台 5 1 平台体系结构4 3 5 2 平台功能4 5 5 2 1 支持光路共享的并行分布式光网络4 5 5 2 2 异构资源传输4 7 5 3 实验验证4 7 5 4 本章小结4 9 第六章总结 参考文献 5 0 5 2 附录| 宙略词表5 5 致谢 攻读学位期间发表的学术论文目录 5 7 5 8 第一作者身份发表文章5 8 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 2 l 世纪，并行与分布式系统将成为科学与工程应用的热门技术。在自然科 学中，大量前沿科学问题越来越依靠高性能的并行处理与计算技术，例如大气物 理、生物物理和地球物理等学科的发展；金融计算、大规模集成电路的设计都紧 密地和并行与分布式系统结合在一起。从某种程度上说，并行与分布式系统的发 展极大的影响着自然科学前沿科学技术的发展，同时各种学科和实际应用对并行 与分布式网络的要求也越来越高。未来一旦分布式可重配光网络的关键技术能得 到突破，则有助于新业务的实现，为科学技术发展提供网络基础设施的支持。 在今天的i n t e m e t 中，有非常丰富的应用集合。这些应用可分类如下： 1 在互相已知的用户和位置之间大的文件传输，如：高能物理、存储区域 网络( s a n ) 。 五， 2 匿名的大文件传输，如：音乐和电影文件。 3 小带宽流，如：音频和视频。 4 大带宽流，如：来自于像射电望远镜这种仪器的数据流 5 低带宽的实时交互，如：w e b 、游戏、v o i p 等。 6 高带宽的实时交互，如：大的分布式计算应用。 7 低带宽广泛分散的匿名用户，如w ，e b 页。 这些需求对带宽、时延的需求各不相同，各个资源载体也不尽相同，增加了 对分散、异构资源的访问需求与调配难度。随着科学技术的发展，动态、高带宽、 实时的并行与分布式协作业务已成为目前科学研究及大型网络业务的主要特性， 尤其是大量并行协作型业务与异构资源的调度，成为目前光网络的主要课题，这 些新型业务对目前光网络承载体系提出了挑战或更高的要求。 另一方面，光网络的硬性发展( 如大容量的d w d m 系统、光交换机) 已经 取得很大的成就了，但光网络的柔性发展很慢( 即如何高效利用光网络) 。在现 有光网络中，各种新型业务需要充分的网络资源与动态的网络服务模式，而光网 络具有广泛的带宽资源，如何合理的分配资源并充分利用网络带宽，推动网络与 业务的一致性，已成为光网络发展的主要方向之一。 北京邮电大学硕士生毕业论文 第一章绪论 1 2 基于网格的可重构光网络研究意义 现有光网络大部分是固定的光链路连接模式，无法根据网络业务的多样性和 网络拓扑的实时变化进行动态的资源分配。可重构光网络可以隐藏底部资源，为 用户提供统一的网络接口，并且根据网络拓扑及资源使用情况，动态地为用户建 立和拆除光链路，从而有效地提高了现有光网络中带宽资源的利用率，为下一代 光网络的发展提供了一个方向。 为了对异构资源进行调度，需要分布式的调度机制，而网格则是分布式技术 中备受关注的一个课题。“网格这个名词定义了一个全新的体系结构，该体系 结构提供了非常先进信息技术业务。网格能够支持传统的体系结构所不能支持的 业务。网格体系结构将资源集中起来并定义成各种的服务，并对这些服务进行个 性化以满足特定的需求。网格体系结构把各种类型的资源都融合到一个公共的、 共享的环境中i l 】。 随着广泛资源共享业务的存在，诸如计算网格、远程并行与分布式处理、远 程高清晰视频服务等大规模、高带宽实时业务对于带宽和网络灵活性的要求越来 越高。不同供应商之间的网络需要交互的信息量越来越大，基本可达性信息的交 互已经不能充分满足上述业务的要求。不同管理者之间的网络特征表现是多层多 域，多层的体现是不仅是在光层，还涉及电路层、i p 层等，多域则表现在属于 不同供应商分布式光网络之间的互联，如信令、路由和异构资源的共享等。基于 网格的多层多域分布式光网络是在单一供应商网络的基础上向多供应商异构网 络的广域延伸，对进一步促进网络融合与数据密集型业务的应用具有重要意义。 随着面向服务的体系结构( s o a ) 日益受到重视，将光网络融合到该体系结构中， 寻求解决多层多域光网络之间的互联互通和灵活的资源管理与调度的方法，将对 分布式光网络的体系结构和关键问题的解决产生重要影响。 因此，在可重构光网络中引入网格机制，将面向传输的光网络和面向业务的 网格网络连接起来，并加入对跨域业务的支持，对解决现有光网络中越来越多的 资源调度问题将会有很大帮助，为用户提供灵活、方便的网络平台。同时也为光 网络技术及体系的发展探索新思路和新方法。 1 3 论文主要工作和结构安排 1 3 1 论文主要工作 基于上述对光子网格及可重构光网路的分析，论文对两者技术融合进行了探 讨，研究了基于网格的可重构光网络资源管理与调度机制，主要工作包括： 2 北京邮电大学硕士生毕业论文第一章绪论 1 研究光子网格体系结构，学习已有的相关标准草案和项目，提出了基于网格 的可重构光网络的网络体系结构及组网模型，并在此组网模型上实现资源管 理与分布式的并行资源调度。 2 在基于网格的可重构光网络体系结构基础上，重点研究了资源资源管理与调 度机制，提出了适用于该网络体系结构的资源调度机制、分布式跨域路由与 接口技术和网络拓扑重构机制。 3 搭建了一个基于网格的可重构光网络平台，在其上对网络结构和功能进行部 分验证与测试。 1 3 2 论文结构安排 为了对本论文有一个清楚的了解，将本论文的结构进行简要介绍。论文结构 安排如下： 第一章：绪论。对网格技术的研究与发展、可重构光网络的研究现状进 行分析研究，引出光子网格和可重构光网络融合的必要性，并对本文结构进 行了简介。 第二章：光子网格与可重构光网络。对分布式系统、网格、光子网格、 可重构光网络各自的特点和结构进行了介绍，在此基础上初步介绍光子网格 和可重构光网络融合的方式。 第三章：基于网格的可重构光网络模型及用户接口。本章首先介绍了传 统网格网络的体系结构，在此基础上引出一种面向用户业务基于网格的可重 构光网络四层模型。 第四章：基于网格的可重构光网络资源管理与调度机制。在第三章提出 的组网模型的基础上，对网络中的资源管理与调度机制重点进行了研究，包 括资源调度机制、路由机制、接口技术和拓扑重构机制等。 第五章：基于网格的可重构光网络实验平台。搭建了基于网格的可重构 光网络平台，对提出的网络体系结构及资源调度机制进行了部分功能验证。 第六章：总结，对论文所做的研究工作以及取得的成果的进行简要总结。 3 北京邮电大学硕士毕业论文 第二章光子网格与可重构光网络 第二章光子网格与可重构光网络 2 1 分布式系统与网格 并行与分布式的概念最初来自于计算机之间的并行处理( p a r a l l e l p r o c e s s i n g ) 是计算机系统中能同时执行两个或更多个处理机的一种计算方法 处理机可同时工作于同一程序的不同方面。并行处理的主要目的是节省大型和复 杂问题的解决时间。而并行计算( p a r a l l e lc o m p u t i n g ) 是指同时使用多种计算资 源解决计算问题的过程。为执行并行计算，计算资源应包括一台配有多处理机( 并 行处理) 的计算机、一个与网络相连的计算机专有编号，或者两者结合使用。并 行计算的主要目的是快速解决大型且复杂的计算问题。此外还包括：利用非本地 资源，节约成本使用多个“廉价”计算资源取代大型计算机，同时克服单个计 算机上存在的存储器限制【2 】。 并行处理技术经历了分布主存并行，向量并行，共享主存并行，分布主存和 共享主存并行并存这样一个历程。可以说，分布主存和共享主存并行这两类技术 将继续并存，而这两类技术的结合将是一种有可能获得更高性能计算能力的方 向。随着工作站性能的提高及网络技术的快速发展，基于普通互联网络和高性能 工作站或高档p c 机的机群系统己成为并行处理技术的研究热点。与大规模并行 计算机相比，机群系统具有性能价格比高，可扩展性好目前对并行用户编写程序 方便，系统机构灵活等优点，但其性能较低的网络系统极大地影响了并行处理的 效率，而随着高速网络硬件设备的出现和新型通信协议的研究发展，这一问题会 得到很好的解决。工作站机群系统将会逐渐接近或达到大规模并行处理的性能指 标。 网格是一个分布式的资源共享系统1 3 1 ，其特点是资源异构、结构灵活、范围 广泛、面向应用。网格大可以覆盖整个国家，小可以仅仅面对一个大学校园。网 格从功能结构上，可以简单的划分为应用层、中间层和资源层三个层面，以便于 网格服务的开发。应用层主要是针对为网格用户提供的应用功能，包括分布式计 算、分布式存储、广泛信息共享、网络资源调度、作业信息监视等；中间层是为 了向应用层提供网络资源的透明应用而提供的接口，从而解决网格网络资源的异 构性和用户业务的多样性相匹配的问题；资源层则是网格网络中可以共享的资 源，主要包括网格资源和网络资源两个部分。 网格之父i a nf o s t e r 对网格定义如下d p l ：“计算网格是一个硬件和软件的体系 结构，能够提供可靠的、一致的、普遍的和廉价的到高端计算设备的接入。一这 4 北京邮电大学硕士毕业论文第二章光子网格与可重构光网络 是网格的狭义定义。广义上来讲，网格是一个灵活的、分布式的信息技术环境， 能够从底层支撑基础设施提取特殊属性创建具有自主性的多种服务。先进结构的 基础设施设计使得信息服务不断演进。信息技术设计者的一个主要目的就是提供 一个能够在任何位置的任何设备上发布任何形式信息的环境。网格是数字信息和 服务时代的不可或缺的基础设施之一。 网格这个名词定义了一个全新的体系结构，该体系结构提供了非常先进信息 技术业务。网格能够支持传统的体系结构所不能支持的业务。网格体系结构将资 源集中起来并定义成各种的服务，并对这些服务进行个性化以满足特定的需求。 网格体系结构把各种类型的资源都融合到一个公共的、共享的环境中。 网格被多组基本特性所定义，这些特性通过资源组件来体现，单独的组件聚 合成网格所提供的能力集合。通常来讲，网格的包括以下基本属性：抽象与虚拟、 资源共享、灵活性与可编程性、决定性、非集中式的管理与控制、动态组合、可 扩展性、高性能、安全、普遍性、自定义性【6 l 。 网格为发现、聚集、融合、利用、重配和释放多种异构资源提供了可升级的、 可靠的机制。这些资源包括计算集群、专用计算机、软件、海量存储、数据仓库 和设备。然而，网格环境还不只限于普通的信息技术资源。其结构应该是高度可 扩展的，可以扩展到任何具有通信能力的设备【7 】。 2 2 光子网格 现有网络中，各业务流粒度、特性( 诸如所需的数据处理带宽、可接受的时 延和丢包率) 上各不相同。这里，特别地考虑高带宽需求的应用。这些应用中的 一些对丢包很敏感，并且要求可靠的数据传输。相反地，有的高带宽的应用( 如： 射电天文学) 对丢包的模式很敏感，而不是对丢包本身。也有些特殊的应用可能 需要为数据库备份或负载均衡进行大批的数据传输，因此为增加性能使丢包最小 化是很有必要的。最后，一些新型业务( 例如：视频游戏) 要求实时( 短时延) 、 持久、相对小的带宽但是潜在的用户数量很大。 尽管有上面的不同，但是仍然有两个主要的由大量应用产生的共同需求1 3 1 ： 1 按需提供和调度大量廉价带宽 2 用户或应用对网络资源的管理和控制( 即管理自组织分布式计算资源和 促进大数据传输) 完成这些需求，光技术是最合适的，即提供巨大容量( 理论上单根光纤达到 5 0 刚s ) 和相对低的响应时间。此外，w d m 和结合光交换的可调谐技术能在光 电路、光突发或光分组系统上以光纤、波带、波长、子波长粒度提供动态控制和 带宽分配。今天的光技术支持带宽的快速和动态响应，这种响应提供了每个用户 5 北京邮电大学硕士毕业论文 第二章光子网格与可重构光网络 或应用可以控制动态地提供带宽服务的能力这已经可能通过基于已建立的 i p m p l s 协议的分布式控制平面的发展而实现。基于这个能力，未来的数据密集 型应用将要求光网络在一个私有网络上提供点到点的连接而不是在公共i n t e m e t 上。网络基础设施将可以智能地在i p 网络( 通过i p 包) 上进行连接或者给应用 提供波长( 通路) 。通过开放网格服务基础结构( o g s i ) 提供的波长服务将允许 虚拟组织通过对于数据密集型和计算密集型应用按需使用光带宽来接入丰富的 光带宽。 然而，随着业务需求的升级，传统的电信网已难以满足新型业务的需求，这 类光网络中的普遍需求可总结如下【9 】： 1 可量测、灵活、可重配置网络基础设施 2 在不同的分散点间通过网络短期或长期按需分配带宽的能力。多种机制 将被支持，满足网格服务间的信息的管理与交换( 即点击提供、应用程 序接口和或o g s i o g s a 服务) ，应用可使用这些网格服务来利用灵活 的光网络。 3 及时的可变带宽服务 4 波长和子波长服务( 光分组流突发) 5 广播多播能力 6 硬件灵活性能支持网络中广泛的不同的分布式资源 7 多层高度复原能力。尤其，有弹性的资源层需要许多的特性，包括有弹 性的波长、快速可靠的恢复机制，以及用户可得到的路由选择多样性约 定。 g 增强的网络安全，用户网络层( u n i 安全) 和网络网络层( n n i 和数 据通路安全) 9 给用户或应用提供分布式网络资源的管理和控制的能力( 即组织自组织 分布式计算资源和提供大数据传输) 现有的光网络由于着重传输传统的电信业务，使用的是传统的核心边缘路由 器架构，使用集中式管理，不能满足新型业务的需求，用户无法控制带宽，资源 利用率较低，对数据密集型业务的支持较差等。为了解决以上问题，迫切需要一 种能够提供较高质量数据密集型业务，并且网络各项性能较好的传输系统，因此 光子网格便产生了。 光子网格是将光网络资源进行抽象化，融合其它网格资源，为用户提供动态 可控的网格服务，实现广泛资源共享的一种基础设施。它能够实现光网络资源的 协同工作和共享，即把光网络中的资源整合成功能强大的虚拟光资源实体，向用 户提供高质量的服务。光子网格是由光网络作为网络平台并将智能光网络技术与 6 北京邮电大学硕士毕业论文第二章光子网格与可重构光网络 网格服务结合在一起，网格结合光网络技术能从网络资源上满足具有数据密集型 业务需要，如科学协作计算、天文物理、远程医疗等。为提高网络资源的利用率， 光网络的发展今后将以业务驱动为主，提供动态资源支持。采取业务驱动模式建 立的高性能光网络，支持网格服务体系。 在光子网格中，资源除了传统意义上的各种分布式的资源，还包括了光网络 资源。光子网格的目标是实现资源的协同工作和共享，把光网络中的资源整合成 功能强大的虚拟光网络，向用户提供高质量的服务。 光子网格的目的是融合光的传输优势和网格强大的资源分配能力，灵活调动 光网络资源，使得光层资源能优化分配供网格用户使用，从而提高网络资源的利 用率以，解决现有的网格存在的资源不能合理分配所出现的带宽短缺和带宽闲置 的问题。目前该领域存在的关键问题是如何构建一个随意获得网络带宽服务的网 格体系，在此基础上如何通过改进或者增加光网络和网格技术，使网格资源与用 户应用之无缝结合，在满足已有业务要求的前提下，满足新的诸如分布式计算、 存储等形式的业务，从而满足用户的多样化需求【l 们。总的来说，满足新型业务需 求的光子网格系统应具有以下特点： 1 异构性 由于网格由分布在广域网上不同管理域的各种计算资源组成，怎样实现异构 机器间的合作和转换是首要问题。 2 可扩展性 要在网格资源规模不断扩大、应用不断增长的情况下，不降低性能。 3 动态自适应性 在网格中，某一资源出现故障或失败的可能性较高，资源管理必须能动态监 视和管理网格资源，从可利用的资源中选取最佳资源服务。 4 全面的资源共享性，包括硬件、软件、数据信息等网络上的一切对象。 2 3 可重构光网络与网格的融合 现有的光网络由于着重传输传统的电信业务，使用的是传统的核心边缘路由 器架构，使用集中式管理，不能满足新型业务的需求，用户无法控制带宽，资源 利用率较低，对数据密集型业务的支持较差等。为了解决以上问题，迫切需要一 种能够提供较高质量数据密集型业务，并且网络各项性能较好的传输系统。 可重构光网络的出现，可以有效解决光网络中带宽利用率不足的问题。可重 构光网络是一种具备动态配置控制机制的新型光网络，提供动态拓扑连接，且具 备较高智能化，为异构网络资源间的互访提供网络服务，即在任何指定节点间进 行通信，而不受任何物理网络界限限制的支持通用服务的统一、协作的光网络。 7 北京邮电大学硕士毕业论文 第二章光子网格与可重构光网络 可重构光网络是一种面向用户业务的光网络，这就需要一种机制将用户业务 与光网络资源进行动态适配，从而保证网络的拓扑变化能够适应业务发展的需 求。包括动态智能网络服务、用户控制与管理的光网络等 基于网格的可重构光网络的实现能解决高速、高带宽互联能力( 分布式高性 能数据传输问题) ，光网络的资源、接口、传输控制问题( 如高速数据传输中流 控制、资源控制与管理) ，最终提供高级用户接口和网格业务。在可重构光网络 中，资源除了传统意义上的各种分布式的资源，还包括了光网络资源。可重构光 网络的目标是实现资源的协同工作和共享，把光网络中的资源整合成功能强大的 虚拟光网络，向用户提供高质量的服务。那么，什么是基于网格的可重构光网络 呢? 它应当是借助光传输带宽与传输智能，实现分布式存储、分布式传输、分布 式处理和分布式调度的网格应用网络实体，如图2 1 所示： 图2 - 1基于网格的可重构光网络结构图 基于网格可重构光网络的特征是将网格体系移植到光网络，由此可重构光网 络资源被分为两大部分，一部分为光网络资源，是对于光传输资源进行分配管理， 包括光通道管理，波长分配，标签分配，时隙分配、带宽分配等等；另一部分为 网格应用资源，也是面向用户的可利用的网络资源，比如数据资源，流媒体资源、 计算能力，存储能力等等，对于这部分资源的管理包括了资源抽象、资源查询、 资源分配、资源调度、资源预留等。这种资源管理机制条理清晰，功能完善，结 构合理，充分体现了面向应用的以用户业务为基准的管理理念，将网格资源与光 网络资源有机整合，很好地提升网络的应用能力、适应能力与扩展性能。 8 北京邮电大学硕士毕业论文 第二章光子网格与可重构光网络 2 4 国际发展动态 当今世界各国都在发展网格，建设能用于物理科学、生物科学、远程医疗、 远程教育、高清晰视频等需要大规模计算和数据密集型应用领域的基础设施，并 把昂贵设备、高性能计算机等远程分布式资源连接起来作为共享资源。网格中的 资源共享性、灵活性、分布式控制等特性无疑为可重构光网络的业务驱动提供了 个良好的解决方案。因此，在光上将可重构性与网格结合起来已经成为光网络 的一种发展趋势，基于网格的可重构光网络成为下一代智能光网络的研究热点。 因此，有关的机构、团体和组织等高级研究机构都在就网格与光网络的集成进行 研究，构建大型光子网格平台 荷兰的n e t h e r l i g h t 【1 1 1 【1 2 l ( 2 0 0 3 至今) 项目互联欧洲和美国的试验性的计算 机机群、可视化网站等，目标是组建一个基于多重吉比特以太网交换设备的先进 光网络。将光网络提供的端到端光路径服务和计算机i p 业务在一个共享的光网络 结构融合起来，为新兴网络应用提供数据传输服务，以满足新型网络应用的需求。 北美的d r a g o n t l 3 1 【1 4 】( 2 0 0 4 至今) 项目为科学家们提供先进的网络科学工 作方式，采用g m p l s 对光网络资源动态资源分配，允许网络科学应用动态地请求 网络资源，连接计算集群、资源节点、存储阵列、视频设备和远程传感器等设备， 实现一个覆盖全球的分布式网格应用，这种工作坊式也将用来研究智能光网络的 工作潜力。 美国自然基金资助i 拘g e n i l l 5 】【1 6 l 【1 刀( 2 0 0 5 至今) 旨在基于现有的i n t e m e t 架构， 逐步过渡和创造新的网络系统架构，目的是实现良好的安全性和鲁棒性，建立业 务和应用驱动的全球性网络，实现全网性的动态带宽分配；并对无线链路具有良 好的支持，对关键业务的及时支持，对设施的控制管理能力，以及更好地为i s p 服务的更高层的路由设计等等。 欧盟的p h o s p h o m s 【1 8 】【1 9 1 ( 2 0 0 6 至今) 目的是提供多域环境下提供按需分配 的端到端网络服务。p h o s p h o m s 网络的概念和测试床将使应用意识到完整的网格 资源( 计算和网络) 环境和能力，并能动态、自适应和优化的利用异构网络基础 设施连接各种高端资源。 日本的g l a m b d a l 2 0 1 1 2 1 l ( 2 0 0 5 至今) 项目定义了建立了包括网格资源及网络 资源的体系结构框架，目标是在网格资源调度器和调用网络资源管理系统间定义 标准w r e b 服务接口。面向用户和网络运营商，同时使用于应用服务提供商和网络 运行商，作为一种手段开展新的商业服务。 以上这些网格网络的研究项目其研究内容主要集中在体系结构、新型资源调 度机制、新型传输协议、新型控制平面、新型路由机制、网络安全性、物理设备、 网络设备和网络资源。解决如何建立大规模的试验平台、如何为新型应用优化网 9 北京邮电大学硕士毕业论文 第二章光子网格与可重构光网络 络、如何更加充分地利用现有的光互联网、如何实现非平凡的服务和如何提供更 加丰富的带宽等问题。目前很多大型试验平台已经搭建，在体系结构、资源调度 等方面已经取得了许多进展。但光子网格标准尚无定论，光网络资源的调度已有 各种实现，但是还没有实现各种资源的跨域分布式协同调度，资源调度机理仍需 完善。因而对可重构光子网格研究仍然是一个还需要继续深入和长期进行的课 题。 2 5 本章小结 本章首先介绍了分布式系统与网格系统的概念，接着在此基础上引出了光子 网格的意义，然后介绍可重构光网络的概念、目的和应用，接着引出了光子网格 和可重构光网络融合的意义，并简要介绍了二者的初步融合构想，最后介绍了光 子网格和可重构光网络国际发展动态。 1 0 尹 3 1 传统网络体系结构 传统网络使用的模型是o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 模型1 2 2 1 ，它是一 个垂直堆栈体系结构。其中物理层，数据链路层，网络层属于o s i 模型的低三层， 负责创建网络通信连接的链路，传输层，会话层，表示层和应用层是o s i 模型的 高四层，具体负责端到端的数据通信。每层完成一定的功能，每层都直接为其上 层提供服务，并且所有层次都互相支持，而网络通信则可以自上而下( 在发送端) 或者自下而上( 在接收端) 双向进行。当然，并不是所有通信都是要经过o s i 的 全部七层，如物理接口之间的转接，只需要物理层中进行即可；而路由器与路由 器之间的连接则只需网络层以下的三层。 今天的因特网主要是在这样的传统基础设施上覆盖一层网络实现的。因特网 已经实现了一定程度的抽象，已经可以实现更多功能的通信服务环境，而网格网 络服务则是设计来进一步增强这种环境的灵活性的。 3 2 网格网络体系结构 传统的通信服务、网络基础设施和交换设备的体系结构是基于传送模拟业务 的网络资源进行优化设计建立的，是以传送为核心的服务。这种网络基础设施支 持有限范围的经过精确定义的服务，并且只具有很少的、固定的属性集合。此类 服务基本上是静态的，因为它们是基于非灵活的基础设施，常常需要通过物理指 配来进行改变。此类网络也是通过集中的、分层的系统来进行管理的。 传统通信模型认为服务是在一个固定的分层资源堆栈上部署的，位于不透明 的承载者的网络中，通过它们实现提供材受管服务 。一旦出现新的服务，增强 或者扩展已有的服务，以及定制服务就变得相当困难、