智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)與通道系統(tǒng)技術(shù)研究

孫 德 俊

(南京審計(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，南京 211815)

能提供高容量與服務(wù)質(zhì)量保證的網(wǎng)絡(luò)已成為各國(guó)研網(wǎng)基礎(chǔ)建置項(xiàng)目[1]，而在完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架設(shè)后，為了便于通道的配置，亦開始研發(fā)通訊控制層系統(tǒng).

UCLP(User-Controlled LightPath)系統(tǒng)為加拿大CANARIE 與思科公司所贊助研發(fā)，由四個(gè)軟件團(tuán)隊(duì)分別開發(fā)：University of Waterloo、Communications Research Centre of Ottawa University、University of Quebec a Montreal與Carleton University.傳統(tǒng)上通道建立為由管理者檢視是否有足夠的系統(tǒng)頻寬后，再經(jīng)設(shè)定設(shè)備上的線路交換以將可用頻寬串聯(lián)成為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通道；通過UCLP軟件的授權(quán)功能，管理者可以將網(wǎng)絡(luò)頻寬預(yù)先保留給使用者，再由使用者操作UCLP界面自行決定要串聯(lián)的頻寬，以建立適用的通道.目前UCLP為唯一運(yùn)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)上的系統(tǒng)，加上CANARIE于各國(guó)推廣，幾乎已成為配置通道的標(biāo)準(zhǔn).智能亦與CANARIE自2004年開始合作進(jìn)行將SONET版本修改為適用于SDH 技術(shù)系統(tǒng)，并于智能網(wǎng)絡(luò)上完成UCLP系統(tǒng)之建置[2].

DRAGON(Dynamic Resource Allocation viaGMPLS Optical Networks)DRAGON[3-4]為美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)所補(bǔ)助的計(jì)劃，為配合Internet2 的HOPI(The Hybrid Optical and Packet Infrastructure)計(jì)劃的一環(huán)，HOPI為將Abiliene IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)與NLR網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連結(jié)，建立一混合型的新型態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，DRAGON之目標(biāo)為在HOPI 架構(gòu)中配置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連線，以GMPLS技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出統(tǒng)一的應(yīng)用程序界面(Application Programming Interface)供撰寫e-Science程序開發(fā)者使用；建置網(wǎng)絡(luò)資源代理人(Network Aware Resource Broker)以解決跨網(wǎng)域(inter-domain)的連線建立問題；對(duì)于非GMPLS之設(shè)備，以虛擬標(biāo)簽交換路由器(VirtualLabel Switched Router)來協(xié)助配置標(biāo)簽交換路徑(Label Switched Path)[3].

JRA3-BoD(Bandwidth on Demand)GEANT為結(jié)合26個(gè)歐洲研網(wǎng)的大型合作網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，包含了許多的整合研究計(jì)劃(Joint ResearchActivity)，隨選頻寬BoD計(jì)劃即為整合研究計(jì)劃之一[4]，旨在設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，可建立跨越不同網(wǎng)域、不同網(wǎng)絡(luò)層(包括第三層IP網(wǎng)絡(luò)第二層網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò))的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道.

1 智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

1.1 智能骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1為采用所示整合IP與網(wǎng)絡(luò)的單一骨干架構(gòu)，各個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞€服務(wù)均由底層的通道構(gòu)成，在頻寬使用上具有更大的彈性[5].在規(guī)劃上以四個(gè)主節(jié)點(diǎn)間的STM-64線路為主，并各自以STM-64連結(jié)到所屬GigaPOP，為考慮故障備援需求，各GigaPOP 間各以STM-16 或STM-64 線路互連，提高網(wǎng)絡(luò)存活性(survivability)構(gòu)建新一代SDH和DWDM 整合實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

圖1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室

1.2 智能網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建置

本實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用與智能網(wǎng)絡(luò)骨干設(shè)備相同的CISCO ONS15454 交換器.CISCO ONS 15454可同時(shí)使用操作于SDH模式與DWDM模式.在實(shí)驗(yàn)室中的交換器除了SDH之外，并安排Next-Generation SDH與DWDM卡版，可供不同網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)劃出適用的架構(gòu).實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)圖如圖2所示，包含有五個(gè)機(jī)柜，分別放置以下機(jī)器：四部CISCO ONS15454、三部CISCO 7609路由器、兩部RPM電源管理器和HP服務(wù)器.并將四部CISCO ONS15454規(guī)劃成三個(gè)節(jié)點(diǎn)[6]，分別是節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B、節(jié)點(diǎn)C，其中節(jié)點(diǎn)A有兩個(gè)機(jī)柜，分別是shelf A和shelf A2.shelf A安裝DWDM卡版，shelf A2安裝SDH卡版，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C 各有一個(gè)機(jī)柜，同時(shí)安裝SDH 和DWDM卡版.

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖網(wǎng)絡(luò)拓樸圖如圖2所示，四部CISCO ONS15454組成的三個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A、B、C，其下均各自介接一部CISCO 7609 路由器.實(shí)體線路為A─B 和A─C 兩條暗纖(dark fiber).在于此DWDM網(wǎng)絡(luò)上切割A(yù)─B、A─C和B─C 三條10G SDH 線路，以STM-64 線路連接A─B、A─C 和B─C 成為環(huán)狀SDH拓樸[7].CISCO 7609路由器以GE線路介接于環(huán)狀節(jié)點(diǎn)下，形成IP和網(wǎng)絡(luò)的混合架構(gòu).

圖2 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

2 設(shè)備控制界面研究

2.1TL1

Transaction Language 1(TL1)為傳統(tǒng)電信設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)控制語(yǔ)言界面.在制訂TL1之前，各家電信設(shè)備商都有各自的控制語(yǔ)言，彼此互不相通.1984 年，Bellcore(現(xiàn)Telcordia)以Z.300 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，定義了一套人機(jī)互通的控制語(yǔ)言界面TL1，便于管理各種電信設(shè)備[8].由于Telcordia 以TL1作為設(shè)備管理的通訊協(xié)定，各家設(shè)備商均主動(dòng)在設(shè)備上開發(fā)TL1控制界面，TL1遂成為電信設(shè)備控制語(yǔ)言的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).除了傳統(tǒng)電信設(shè)備支援TL1 協(xié)定外，新的設(shè)備如通訊設(shè)備上也多提供TL1界面供管理人員進(jìn)行開發(fā).TL1通過Telnet session傳遞ASCII-Based的命令至設(shè)備，還可以ASCII格式讀取設(shè)備目前的組態(tài)信息，協(xié)助運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)能夠有效管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其資源.TL1是目前北美主要控制電信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)定，也是電信行業(yè)最廣泛使用的管理協(xié)定之一.它管理了世界上數(shù)量眾多的寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，正在不斷廣泛應(yīng)用，成為通訊設(shè)備的一項(xiàng)管理標(biāo)準(zhǔn).

由于TL1為最廣泛使用的管理協(xié)定之一，不用額外花費(fèi)即可開發(fā)管理能.如加拿大研究網(wǎng)絡(luò)CANARIE所贊助的UCLPv2計(jì)劃，就是以TL1為工具，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)上的通道管理系統(tǒng).目前荷蘭研究網(wǎng)絡(luò)SURFNet贊助了一項(xiàng)TL1Toolkit的開發(fā)計(jì)劃，提供一個(gè)較高階層的應(yīng)用程序界面，讓控制層程序開發(fā)更為容易.TL1登出等程序，將繁雜的TL1語(yǔ)法包裝成容易使用的API，有助于運(yùn)營(yíng)人員開發(fā)相關(guān)網(wǎng)管功能.本論文即以此TL1 Toolkit為工具，開發(fā)設(shè)備上的通道控制系統(tǒng)[9].

2.2 CORBA界面

CORBA(Common Object Request BrokerArchitecture)為OMG(Object Management Group)在1991年提出之分散式物件導(dǎo)向工作環(huán)境規(guī)格.OMG是一個(gè)由會(huì)員贊助而成立的非營(yíng)利組織，其目的在推廣物件導(dǎo)向(Object-Oriented)的觀念及使用并致力于加強(qiáng)軟件的可攜性(portability)、再利用性(reusability)以及互通性(interoperability).該組織會(huì)員包括了廠商、學(xué)術(shù)單位及用戶.CORBA發(fā)展的原因是為了解決企業(yè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在整合各種平臺(tái)和作業(yè)系統(tǒng)時(shí)，能夠有一種一致的標(biāo)準(zhǔn)讓這些不同的平臺(tái)、作業(yè)系統(tǒng)、以及程序語(yǔ)言可以互相溝通的技術(shù)[10].OMG在CORBA定義了IDL(Interface Define Language)，可以讓程序撰寫者利用各種不同語(yǔ)言撰寫管理程序，管理程序通過與ORB(Object Request Broker)溝通管理相關(guān)設(shè)備設(shè)定.ORB是連結(jié)服務(wù)器和用戶端的一組服務(wù)，能中介客戶端與服務(wù)器端之間的溝通，讓CORBA的運(yùn)作更加方便.ORB實(shí)作了一些特定服務(wù)，例如命名服務(wù)讓客戶端可以簡(jiǎn)單取得服務(wù)器物件的相關(guān)信息、交易服務(wù)可確保程序間溝通的一致性、安全服務(wù)可以確保已授權(quán)的程序進(jìn)行相關(guān)存取動(dòng)作，這些服務(wù)的實(shí)作處理掉繁雜的細(xì)節(jié)，讓程序間溝通更容易.目前一般設(shè)備亦提供CORBA 界面供管理人員開發(fā)相關(guān)控制程序使用，如CISCO的設(shè)備管理軟件CTM(Cisco Transport Manager)即使用CORBA界面開發(fā)而成.但CORBA中的ORB套件需付費(fèi)才可取得[11]，一般開發(fā)人員需額外購(gòu)置相關(guān)ORB套件才能使用相關(guān)IDL定義檔來開發(fā)相關(guān)網(wǎng)管程序.

3 通道控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)及測(cè)試架構(gòu)

本系統(tǒng)以Linux 為開發(fā)平臺(tái)，主要利PHP程序語(yǔ)言所開發(fā)，結(jié)合Shell Script 控制TL1 Toolkit的Perl模塊，后端數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL Database儲(chǔ)存相關(guān)資料.

測(cè)試架構(gòu)包含網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中三個(gè)SDH節(jié)點(diǎn)A、B、C，彼此間以STM64 channel連接，如圖3所示，在基本的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連線實(shí)驗(yàn)中，B 與C包含了Ethernet 卡板，其余介接點(diǎn)皆以O(shè)C192XFP 或是OC192LR卡板互連，網(wǎng)絡(luò)管控服務(wù)器則以頻帶外(Out-of-Band)線路通過TL1界面與ONS連線[12]，并將通道狀態(tài)記錄并更新于數(shù)據(jù)庫(kù)中.

在管控程序啟動(dòng)之時(shí)，服務(wù)器會(huì)讀取設(shè)定檔以進(jìn)行初始化程序，在使用者提出連線建立需求后，管理界面query Node通道設(shè)定實(shí)時(shí)信息，計(jì)算出目前系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)可用之卡版埠號(hào)與各線路可配置之頻寬，接著利用PHP script做最短路徑算法將欲建立的通道更新至數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)通過TL1 Toolkit設(shè)定通道所經(jīng)ONS的開關(guān)，最后將結(jié)果回傳資料給使用者[13-16].

圖3 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

上述建立連線流程如圖4所示，詳細(xì)步驟如下：

1)利用TL1 Toolkit至每個(gè)Node Query 實(shí)時(shí)狀態(tài)，找出每個(gè)Node上面的slot、port及channel數(shù)之使用狀態(tài);

2)依據(jù)使用者需求建立連線信息.

①初始化檢查，檢查目前使用資源是否足夠及顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

②自動(dòng)依據(jù)要求的channel，找尋Link上是否有足夠的頻寬.

3)執(zhí)行最短路徑算法;

4)找出Free LPO channel并通過TL1-Toolkit做Cross Connect;

5)同步數(shù)據(jù)庫(kù).

圖4 建立連線流程架構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源管理與分配的概念，可以將各資源(如實(shí)體連線、網(wǎng)絡(luò)交換器設(shè)備、界面卡等)利用程序語(yǔ)言將其物件化，再與數(shù)據(jù)庫(kù)搭配做儲(chǔ)存管理與配置，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通道配置與管理的技術(shù).數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方面，我們依據(jù)資源設(shè)備信息和性質(zhì)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的資料表與欄位.以下逐一說明各資料表與欄位明細(xì),表1為紀(jì)錄網(wǎng)絡(luò)拓墣環(huán)境中所有“鏈結(jié)”的信息，包含每一條鏈結(jié)上目前已經(jīng)建立的Virtual Circuit.

表1 Topology(Link)Table

表2為紀(jì)錄網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境中所有“節(jié)點(diǎn)”的信息，包含每個(gè)節(jié)點(diǎn)所相鄰的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以及是否為邊界(下車：Drop)節(jié)點(diǎn).

表2 Topology(Node)Table

表3為建立LPO，并紀(jì)錄每一條在鏈結(jié)上建立的VC使用狀況.

表3 Link Status Table

表4為紀(jì)錄每一次使用者建立連線的需求，包括Request Number，來源到結(jié)束的節(jié)點(diǎn)，所分配的LPO Number.表5代表RO資源建立的相關(guān)信息.

表4 Request Table

表5 Resource Table

表6為TL1所記載卡版的相關(guān)信息.

表6 Card Table

3.3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上，我們建立了一個(gè)測(cè)試環(huán)境，模擬故障繞徑之功能.如圖5所示，假設(shè)Node B 與Node A 之間，有一條STM64線路提供服務(wù)，Node B 另有一備援STM64 連線，可通過Node C連接到Node A，以Node A另一片GE卡板作為備援連線.

圖5 測(cè)試方案示意圖

在系統(tǒng)中在B-A建立一條名稱為”Test_B-A”的STM-4連線，模擬提供服務(wù)的連線，并在B-C間建立一條名稱為”Test_B-C”的STM-4連線，以檢驗(yàn)系統(tǒng)是否能自動(dòng)偵測(cè)尋找可用頻寬來建立備援連線.由系統(tǒng)的查詢界面，可以看到Node B上的設(shè)定信息，在Cross connection處可見已設(shè)定好的兩條Cross connections，見圖6.

圖6 Node B設(shè)備信息查詢結(jié)果

當(dāng)線路B-A間發(fā)生障礙時(shí)，我們只需在系統(tǒng)界面上，執(zhí)行建立連線的指令，系統(tǒng)即會(huì)執(zhí)行以下步驟，見圖7.

圖7 連線建立界面

圖7首先利用TL1 Toolkit到各設(shè)備查詢及時(shí)狀態(tài)，將每個(gè)Node之間的可用資源同步至數(shù)據(jù)庫(kù)，由于我們已將B-A連線拆除，同步之后數(shù)據(jù)庫(kù)已無B-A之連線資源可供使用,檢查目前資源是否能滿足使用者連線需求，由于查詢?nèi)杂蠦C-A連線，連線需求可滿足.檢查B-C、C-A連線中，是否仍有足夠頻寬可供使用由于B-C上目前僅有一條STM-4被使用，C-A上無LightPath占用頻寬，頻寬需求可滿足.執(zhí)行最短路徑算法，程序中以{0}(1)(2)代表NodeA、NodeB、NodeC.因B-A間最短路徑已拆除，故最短路徑演算結(jié)果為(1)(2)(0).找出FreeLPO，利用TL1 Toolkit 至各設(shè)備將Crossconnect建立起來.程序會(huì)判斷Node B上原先Test B-A 連線已不存在[17-21]，先拆除此條Crossconnection，再尋找B-C-A 間可用頻寬，由于channel1-4 已被Test_B-C 使用，故利用channel 5-8建立備援連線.最后程序會(huì)將資料同步至數(shù)據(jù)庫(kù)，并將所建立之備援連線名稱顯示在網(wǎng)頁(yè)上.如圖8所示，連線建立完成后，再登入查詢界面，即可看出Node B上的Cross connection信息已更新，原先建立的Test_B-A連線已被移除，并利用可用channel 5-8建立一個(gè)名為”Req1-0-95”的備援連線，證明故障自動(dòng)繞徑功能可正常運(yùn)作.雖目前系統(tǒng)可完成自動(dòng)繞徑之功能，但是對(duì)于故障異常的發(fā)生，仍須通過人工判斷以觸發(fā)此故障繞徑工作，未來若能結(jié)合網(wǎng)管信息，根據(jù)故障發(fā)生的訊息，針對(duì)受影響連線進(jìn)行自動(dòng)繞徑，將能大幅提升運(yùn)營(yíng)的效率并減少運(yùn)營(yíng)人力的使用.

圖8 Node B設(shè)備信息查詢結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

目前各國(guó)在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研發(fā)均以通訊層為重心，預(yù)期的未來在網(wǎng)絡(luò)實(shí)體環(huán)境運(yùn)作成熟后，還會(huì)遇到維護(hù)和運(yùn)營(yíng)時(shí)管理問題.智能網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)讓學(xué)研界能在混合網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行相關(guān)研究，提升國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)研究的能量.未來若能結(jié)合設(shè)備告警與錯(cuò)誤辨識(shí)系統(tǒng)，擷取來自管理層的網(wǎng)絡(luò)告警訊息，配合本系統(tǒng)控制設(shè)備，自動(dòng)將受影響的通道以動(dòng)態(tài)重建的方式進(jìn)行修復(fù)，將大幅提升智能網(wǎng)絡(luò)的可用率及穩(wěn)定性，并減少人力，提高維護(hù)運(yùn)營(yíng)的效率.