基于無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的分布式輕量云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)

羅濤+楊燦+李勇

編 者 按

云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)在電信行業(yè)的應(yīng)用日臻深入與重要，特別對(duì)擁有海量數(shù)據(jù)的電信運(yùn)營(yíng)商而言，能否深度挖掘大數(shù)據(jù)價(jià)值、構(gòu)建更為完善的云計(jì)算平臺(tái)，關(guān)系到擴(kuò)展新型增值業(yè)務(wù)的方向與成敗。因此，本次專(zhuān)題著力于此，多角度探索了運(yùn)營(yíng)商通過(guò)數(shù)據(jù)變現(xiàn)等手段發(fā)展大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，進(jìn)而推動(dòng)未來(lái)數(shù)字化服務(wù)的策略，以此為運(yùn)營(yíng)商加快業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型提供更多可借鑒性的思路。

【摘 要】針對(duì)無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的典型通信網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種基于無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的分布式輕量云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)，分別對(duì)分布式輕量云計(jì)算平臺(tái)的部署、信息管理、服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)、輕量化等方面進(jìn)行了分析研究，通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了技術(shù)的可行性，滿(mǎn)足典型應(yīng)用場(chǎng)景下的分布式輕量云服務(wù)提供與共享。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算 無(wú)線(xiàn)信道受限條件 分布式 輕量化

[Abstract] According to typical communication network models base on wireless channel restricted conditions， a distributed lightweight cloud computing platform construction technology based on wireless channel restricted conditions was proposed in this paper. The deployment， information management， service access and lightweight of the distributed lightweight cloud computing platform were investigated. The feasibility was verified through practical tests. It can satisfy the provision and sharing of the distributed lightweight cloud service in typical application scenarios.

[Key words]cloud computing wireless channel restricted condition distributed lightweight

1 引言

隨著面向服務(wù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的高速發(fā)展，基于有線(xiàn)環(huán)境構(gòu)建的云計(jì)算平臺(tái)成熟度較高，并已廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)。但是針對(duì)無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的分布式云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)的相關(guān)研究還比較缺乏。本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的典型通信網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種基于無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的分布式輕量云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)，滿(mǎn)足系統(tǒng)的云服務(wù)提供與共享。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

云計(jì)算是一種IT資源的提供和使用模式。用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)“云”，以按需、擴(kuò)展的方式獲得所需的資源（硬件、平臺(tái)、軟件及服務(wù)等），它是一項(xiàng)在業(yè)務(wù)模式方面的創(chuàng)新?！霸啤敝械馁Y源在使用者看來(lái)是可以無(wú)限擴(kuò)展的，并且可以隨時(shí)獲取，按需使用、隨時(shí)擴(kuò)展、按使用付費(fèi)。

2.1 外軍云計(jì)算

（1）聯(lián)合信息環(huán)境

隨著SOA、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在軍事領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，軍事信息系統(tǒng)正在由網(wǎng)絡(luò)中心向數(shù)據(jù)中心、信息中心轉(zhuǎn)變。美國(guó)國(guó)防部早在2011年9月發(fā)布的《信息技術(shù)企業(yè)戰(zhàn)略與路線(xiàn)圖》中就明確提出構(gòu)建JIE（Joint Information Environment，聯(lián)合信息環(huán)境），以實(shí)現(xiàn)各層次、各領(lǐng)域的信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)等資源的全面整合，為美軍在全球范圍內(nèi)的軍事行動(dòng)提供無(wú)縫、可互操作的信息服務(wù)。JIE通過(guò)系統(tǒng)的資源虛擬化和功能服務(wù)化，提供云計(jì)算服務(wù)、統(tǒng)一能力服務(wù)、企業(yè)目錄服務(wù)、身份和訪(fǎng)問(wèn)管理服務(wù)、企業(yè)云代理服務(wù)等各類(lèi)服務(wù)。

（2）作戰(zhàn)云

美國(guó)國(guó)防信息系統(tǒng)局（DISA）從2008年就開(kāi)始進(jìn)行云計(jì)算解決方案的研究，并逐步建立和完善云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，并提出了從“以網(wǎng)絡(luò)為中心”向“以云計(jì)算為中心”發(fā)展的思路。

2013年，美空軍提出“作戰(zhàn)云”（Combat Cloud）概念，核心理念是海、空、天、網(wǎng)絡(luò)層的跨域協(xié)同，強(qiáng)調(diào)多域虛擬存在、高度融合和自然聚散，從網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的作戰(zhàn)思想演進(jìn)為“作戰(zhàn)云”的信息融合理念，實(shí)現(xiàn)各武器平臺(tái)的互操作能力及各軍種間戰(zhàn)場(chǎng)信息的互聯(lián)互通。

“作戰(zhàn)云”具有如下特征：

（1）動(dòng)態(tài)化虛擬資源池，通過(guò)地理分散的各類(lèi)作戰(zhàn)要素的信息鉸鏈，構(gòu)建一個(gè)融合的戰(zhàn)場(chǎng)資源池。

（2）云融合，基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)資源的融合協(xié)同、智能管控，提升戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知和指揮控制效率，縮短“殺傷鏈”周期，提升各戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)要素間的信息協(xié)同與整體殺傷效能。

（3）分布式“云殺傷鏈”，打破作戰(zhàn)平臺(tái)、傳感器、武器系統(tǒng)之間的硬鏈接，以松耦合方式構(gòu)建“探測(cè)-跟蹤-決策-打擊-評(píng)估”的完整“云殺傷鏈”。

2.2 民用云計(jì)算技術(shù)

（1）Amazone的云計(jì)算服務(wù)

亞馬遜提供的云計(jì)算服務(wù)主要側(cè)重于基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），其推出的云計(jì)算產(chǎn)品為Amazon Web Services（亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)），主要包括S3（Simple Storage Service，簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)服務(wù)）、EC2（Elastic ComputeCloud，可伸縮計(jì)算云）、SQS（Simple Queuing Service，簡(jiǎn)單信息隊(duì)列服務(wù)）以及SimpleDB。

（2）谷歌的Google Apps

谷歌公司提供的云計(jì)算服務(wù)主要側(cè)重于PaaS，其推出的云計(jì)算產(chǎn)品主要有Google App Engine（谷歌應(yīng)用引擎）、Google Apps（谷歌應(yīng)用軟件套件）等，其中Google App Engine允許用戶(hù)在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)自己的商業(yè)應(yīng)用，Google Apps則是基于云平臺(tái)為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)協(xié)同的辦公軟件服務(wù)。

3 網(wǎng)絡(luò)模型

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，系統(tǒng)分為骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)，其中骨干網(wǎng)由機(jī)動(dòng)骨干通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)微波網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)等無(wú)線(xiàn)信道設(shè)備連接構(gòu)建，接入網(wǎng)用戶(hù)則通過(guò)超短波等無(wú)線(xiàn)方式一跳接入骨干網(wǎng)，接入網(wǎng)用戶(hù)容量不大于128個(gè)。

本系統(tǒng)中骨干網(wǎng)主要通信鏈路帶寬為2 Mbps～

8 Mbps，接入網(wǎng)接入帶寬約為幾十kbps到幾百kbps，同時(shí)無(wú)線(xiàn)通信鏈路受地形、電磁干擾等影響，丟包率較大、連接不穩(wěn)定、帶寬相對(duì)受限。

4 總體方案

4.1 云計(jì)算平臺(tái)組成

分布式輕量云計(jì)算平臺(tái)主要由物理服務(wù)器、虛擬化平臺(tái)（虛擬化控制器、云平臺(tái)管理中心）、虛擬服務(wù)器組成，其組成關(guān)系如圖2所示：

4.2 云平臺(tái)部署方式

根據(jù)典型網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)鏈路資源評(píng)估和云平臺(tái)的基本業(yè)務(wù)開(kāi)銷(xiāo)，主要考慮在骨干通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)建云平臺(tái)，暫不考慮接入網(wǎng)/用戶(hù)。分布式輕量云平臺(tái)的部署方式主要有以下幾種選擇：

（1）單節(jié)點(diǎn)部署：每個(gè)骨干通信節(jié)點(diǎn)部署多臺(tái)物理服務(wù)器構(gòu)建一個(gè)戰(zhàn)術(shù)云平臺(tái)；

（2）區(qū)域多節(jié)點(diǎn)部署：區(qū)域內(nèi)多個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)分布式部署多臺(tái)物理服務(wù)器構(gòu)建一個(gè)區(qū)域云；

（3）全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署：通信骨干網(wǎng)內(nèi)全部骨干節(jié)點(diǎn)分布式部署多臺(tái)物理服務(wù)器構(gòu)建一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)云。

云平臺(tái)考慮到通信節(jié)點(diǎn)間的鏈路帶寬資源有限且連接不穩(wěn)定，難以支撐全網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)間云平臺(tái)的數(shù)據(jù)同步和遷移，因此不考慮第三種部署方式（全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署）。

考慮無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的應(yīng)用業(yè)務(wù)量相對(duì)較小，骨干通信節(jié)點(diǎn)計(jì)算、存儲(chǔ)能力較強(qiáng)，通信業(yè)務(wù)/信息服務(wù)承載的瓶頸在于骨干節(jié)點(diǎn)間的鏈路傳輸能力（帶寬、丟包、時(shí)延等），因此采用區(qū)域多節(jié)點(diǎn)部署時(shí)，跨節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算和存儲(chǔ)必要性不大。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)跨節(jié)點(diǎn)計(jì)算和存儲(chǔ)時(shí)，若節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量較差、交互信息效率低，將影響業(yè)務(wù)處理效能；若節(jié)點(diǎn)脫網(wǎng)，則脫網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)可能無(wú)法遷移，用戶(hù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)較差，因此也不考慮第二種部署方式（區(qū)域多節(jié)點(diǎn)部署）。

綜上，本方案主要考慮采用單節(jié)點(diǎn)部署方式，每個(gè)骨干通信節(jié)點(diǎn)部署多臺(tái)物理服務(wù)器構(gòu)建分布式輕量云平臺(tái)，為就近接入用戶(hù)提供云服務(wù)，同時(shí)部署多臺(tái)物理服務(wù)器構(gòu)建區(qū)域中心云，為全網(wǎng)用戶(hù)提供融合的信息服務(wù)。

基于分布式輕量云平臺(tái)，骨干通信節(jié)點(diǎn)的云平臺(tái)提供多種通信云服務(wù)，具備按需使用、隨處訪(fǎng)問(wèn)、多租戶(hù)、彈性、可測(cè)量使用、可恢復(fù)性的云特性。當(dāng)云平臺(tái)內(nèi)虛擬服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，支持故障轉(zhuǎn)移，適應(yīng)于典型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。構(gòu)建的區(qū)域中心云支持信息的匯聚融合支撐信息共享與協(xié)同。云平臺(tái)部署方式如圖3所示：

4.3 云平臺(tái)信息管理方式

結(jié)合系統(tǒng)通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用特點(diǎn)，將需要基于分布式輕量云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息共享與協(xié)同的業(yè)務(wù)分為兩類(lèi)：同步類(lèi)信息、聚合類(lèi)信息。

（1）同步類(lèi)信息：主要包括各類(lèi)名錄信息（HSS、

DNS、UDDI、ENUM等）；

（2）聚合類(lèi)信息：主要包括上層應(yīng)用的信息（敵情、我情、氣象、地理、后勤物資、毀傷評(píng)估等信息）。

其中，同步類(lèi)信息可考慮通過(guò)輕量化名錄服務(wù)提供的數(shù)據(jù)同步服務(wù)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信息的同步。針對(duì)典型網(wǎng)絡(luò)模型帶寬資源有限的特點(diǎn)，同步的信息主要采用信息特征值索引表的形式減少同步信息數(shù)據(jù)量。通過(guò)信息同步，各骨干通信節(jié)點(diǎn)部署的分布式輕量云平臺(tái)均有全網(wǎng)的服務(wù)目錄信息，通過(guò)服務(wù)的遠(yuǎn)程/本地的訪(fǎng)問(wèn)可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通信服務(wù)共享。

聚合類(lèi)信息一般是由末端用戶(hù)到固定網(wǎng)用戶(hù)或固定網(wǎng)用戶(hù)之間的端到端數(shù)據(jù)應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)只是作為通信鏈路進(jìn)行應(yīng)用業(yè)務(wù)承載，無(wú)法解析應(yīng)用報(bào)文內(nèi)容，只能作為IP包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。因此考慮構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的區(qū)域中心云，可部署于柵格網(wǎng)，用戶(hù)將各類(lèi)態(tài)勢(shì)等信息上傳至云，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的信息融合中心，構(gòu)建全網(wǎng)的態(tài)勢(shì)共享圖等信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息融合支撐協(xié)同作戰(zhàn)。云平臺(tái)信息管理方式如圖4所示。

4.4 云服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)方式

云服務(wù)提供兩種主要訪(fǎng)問(wèn)方式：發(fā)布/訂閱方式、請(qǐng)求/響應(yīng)方式。

當(dāng)用戶(hù)接入就近的分布式輕量云平臺(tái)時(shí)，可查詢(xún)獲取全網(wǎng)同步的服務(wù)目錄信息，當(dāng)需要訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)時(shí)，可根據(jù)目錄查詢(xún)結(jié)果調(diào)用服務(wù)；同時(shí)本地服務(wù)系統(tǒng)可緩存遠(yuǎn)程靜態(tài)數(shù)據(jù)類(lèi)服務(wù)（地圖數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)等）在本地進(jìn)行封裝，作為本地服務(wù)進(jìn)行注冊(cè)發(fā)布。當(dāng)本地服務(wù)用戶(hù)再次訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)時(shí)，本地服務(wù)系統(tǒng)可直接提供緩存服務(wù)；當(dāng)用戶(hù)需訪(fǎng)問(wèn)區(qū)域中心云的信息服務(wù)，用戶(hù)通過(guò)就近接入骨干網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)面向用戶(hù)的統(tǒng)一服務(wù)接口進(jìn)行服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求獲取服務(wù)信息。

同時(shí)，用戶(hù)可基于信息主題或服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行服務(wù)訂閱。當(dāng)服務(wù)更新或變動(dòng)后，均可根據(jù)訂閱關(guān)系表進(jìn)行信息的推送，采用這種異步式的交互機(jī)制可有效減少服務(wù)共享帶來(lái)的帶寬資源消耗。云服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)方式如圖5所示。

4.5 云平臺(tái)輕量化考慮

云計(jì)算平臺(tái)輕量化主要從以下5個(gè)方面考慮：

（1）平臺(tái)提供能力輕量化（輕量化能力集提供，區(qū)別于固定部署的云平臺(tái)）；

（2）控制協(xié)議輕量化（簡(jiǎn)化協(xié)議流程、輕量化協(xié)議）；

（3）周期性心跳維護(hù)輕量化（根據(jù)應(yīng)用調(diào)整心跳周期）；

（4）數(shù)據(jù)傳輸輕量化（報(bào)文壓縮）；

（5）業(yè)務(wù)同步輕量化（部分業(yè)務(wù)同步，同步機(jī)制的考慮增量更新同步的方式）。

其中平臺(tái)提供能力輕量化主要是根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，考慮到相對(duì)比帶寬受限的無(wú)線(xiàn)傳輸信道，系統(tǒng)用戶(hù)相對(duì)較小，業(yè)務(wù)并發(fā)量不大，將云平臺(tái)的能力進(jìn)行裁剪，將不必要的功能刪除，具體的裁剪評(píng)估如表1所示。

5 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

基于OpenStack平臺(tái)構(gòu)建典型云計(jì)算驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證平臺(tái)由3個(gè)云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)成，代表3個(gè)骨干通信節(jié)點(diǎn)，單個(gè)云計(jì)算平臺(tái)由3臺(tái)物理服務(wù)器組成，其中1臺(tái)物理服務(wù)器為控制節(jié)點(diǎn)，2臺(tái)物理服務(wù)器為計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

5.1 驗(yàn)證平臺(tái)

系統(tǒng)搭建的驗(yàn)證平臺(tái)單節(jié)點(diǎn)組成及軟件部署如圖6所示，設(shè)備連接組成如圖7所示，無(wú)線(xiàn)信道模擬通過(guò)信道模擬器實(shí)現(xiàn)，設(shè)定為鏈路帶寬為2 Mbps，丟包5%，時(shí)延1 ms。

5.2 測(cè)試內(nèi)容

（1）同步類(lèi)信息帶寬占用情況測(cè)試

典型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，同步類(lèi)信息基于增量更新，假定同步信息大小為5 kb（考慮已經(jīng)過(guò)協(xié)議輕量化/格式壓縮），每10 s更新一次。

測(cè)試步驟：

1）云平臺(tái)A發(fā)送5 kb的同步信息；

2）基于同步機(jī)制進(jìn)行全網(wǎng)信息同步（本次測(cè)試采用A分別向B、C發(fā)送同步信息）；

3）當(dāng)B、C均收到A的同步信息，統(tǒng)計(jì)同步消息對(duì)帶寬的消耗。

經(jīng)測(cè)試，同步消息共占用帶寬為10 kb/10 s（10 s為發(fā)送周期），即1 kbps。

考慮到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，同步帶來(lái)的帶寬消耗會(huì)增大，同時(shí)無(wú)線(xiàn)信道受限條件下會(huì)引入丟包，帶寬消耗會(huì)進(jìn)一步增大，可適當(dāng)根據(jù)鏈路質(zhì)量調(diào)整同步周期，降低帶寬消耗。

（2）聚合類(lèi)消息帶寬占用情況測(cè)試

典型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，每個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的云接入用戶(hù)主要的通信鏈路為VHF/UHF，骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)不大于64個(gè)，子網(wǎng)數(shù)不大于128個(gè)，子網(wǎng)用戶(hù)不大于32個(gè)，按以上數(shù)據(jù)評(píng)估，平均每個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)為2個(gè)，接入用戶(hù)不大于64個(gè)用戶(hù)。

假定單個(gè)子網(wǎng)用戶(hù)將聚合類(lèi)信息上傳到云的并發(fā)業(yè)務(wù)鏈路共享帶寬平均為100 kbps，骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間鏈路帶寬平均為2 Mbps（子網(wǎng)、骨干網(wǎng)鏈路帶寬可對(duì)應(yīng)比例提升進(jìn)行計(jì)算），則單個(gè)云的接收的并發(fā)業(yè)務(wù)帶寬消耗不大于200 kbps（100 kbps×2=200 kbps）。

測(cè)試步驟：

1）云平臺(tái)B、C的用戶(hù)各發(fā)送200 kbps的聚合類(lèi)信息，在云平臺(tái)A實(shí)現(xiàn)信息的聚合；

2）統(tǒng)計(jì)云平臺(tái)信息聚合對(duì)帶寬的消耗。

經(jīng)測(cè)試，聚合類(lèi)信息占用帶寬的消耗占用鏈路帶寬的比例不大于10%。

5.3 測(cè)試結(jié)果

受限于驗(yàn)證平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)規(guī)模，信息同步和聚合引入的帶寬消耗評(píng)估只能作為一種參考，但根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估，基于無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的分布式輕量云平臺(tái)構(gòu)建是可行的，同時(shí)可根據(jù)應(yīng)用需求和特點(diǎn)，進(jìn)一步裁剪需同步/聚合的信息內(nèi)容，減少帶寬消耗。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)信道受限條件下的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了一種分布式的輕量云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)，規(guī)定了系統(tǒng)組成、部署、云信息管理、云服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)以及輕量化的實(shí)現(xiàn)方式，同時(shí)基于驗(yàn)證平臺(tái)搭建，驗(yàn)證了分布式輕量云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)的可行性，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

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