羅濤+楊燦+李勇

編 者 按

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

【摘 要】針對無線信道受限條件下的典型通信網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種基于無線信道受限條件下的分布式輕量云計算平臺構(gòu)建技術(shù)，分別對分布式輕量云計算平臺的部署、信息管理、服務(wù)訪問、輕量化等方面進(jìn)行了分析研究，通過實測驗證了技術(shù)的可行性，滿足典型應(yīng)用場景下的分布式輕量云服務(wù)提供與共享。

【關(guān)鍵詞】云計算 無線信道受限條件 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)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的高速發(fā)展，基于有線環(huán)境構(gòu)建的云計算平臺成熟度較高，并已廣泛運用于各行各業(yè)。但是針對無線信道受限條件下的分布式云計算平臺構(gòu)建技術(shù)的相關(guān)研究還比較缺乏。本文針對無線信道受限條件下的典型通信網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種基于無線信道受限條件下的分布式輕量云計算平臺構(gòu)建技術(shù)，滿足系統(tǒng)的云服務(wù)提供與共享。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

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

2.1 外軍云計算

（1）聯(lián)合信息環(huán)境

隨著SOA、云計算、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。美國國防部早在2011年9月發(fā)布的《信息技術(shù)企業(yè)戰(zhàn)略與路線圖》中就明確提出構(gòu)建JIE（Joint Information Environment，聯(lián)合信息環(huán)境），以實現(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)的軍事行動提供無縫、可互操作的信息服務(wù)。JIE通過系統(tǒng)的資源虛擬化和功能服務(wù)化，提供云計算服務(wù)、統(tǒng)一能力服務(wù)、企業(yè)目錄服務(wù)、身份和訪問管理服務(wù)、企業(yè)云代理服務(wù)等各類服務(wù)。

（2）作戰(zhàn)云

美國國防信息系統(tǒng)局（DISA）從2008年就開始進(jìn)行云計算解決方案的研究，并逐步建立和完善云計算的基礎(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，實現(xiàn)各武器平臺的互操作能力及各軍種間戰(zhàn)場信息的互聯(lián)互通。

“作戰(zhàn)云”具有如下特征：

（1）動態(tài)化虛擬資源池，通過地理分散的各類作戰(zhàn)要素的信息鉸鏈，構(gòu)建一個融合的戰(zhàn)場資源池。

（2）云融合，基于云計算技術(shù)實現(xiàn)戰(zhàn)場資源的融合協(xié)同、智能管控，提升戰(zhàn)場態(tài)勢感知和指揮控制效率，縮短“殺傷鏈”周期，提升各戰(zhàn)場作戰(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、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-跟蹤-決策-打擊-評估”的完整“云殺傷鏈”。

2.2 民用云計算技術(shù)

（1）Amazone的云計算服務(wù)

亞馬遜提供的云計算服務(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，簡單的存儲服務(wù)）、EC2（Elastic ComputeCloud，可伸縮計算云）、SQS（Simple Queuing Service，簡單信息隊列服務(wù)）以及SimpleDB。

（2）谷歌的Google Apps

谷歌公司提供的云計算服務(wù)主要側(cè)重于PaaS，其推出的云計算產(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允許用戶在該平臺上開發(fā)自己的商業(yè)應(yīng)用，Google Apps則是基于云平臺為用戶提供實時協(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)動骨干通信節(jié)點通過微波網(wǎng)絡(luò)電臺等無線信道設(shè)備連接構(gòu)建，接入網(wǎng)用戶則通過超短波等無線方式一跳接入骨干網(wǎng)，接入網(wǎng)用戶容量不大于128個。

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，同時無線通信鏈路受地形、電磁干擾等影響，丟包率較大、連接不穩(wěn)定、帶寬相對受限。

4 總體方案

4.1 云計算平臺組成

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

4.2 云平臺部署方式

根據(jù)典型網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路資源評估和云平臺的基本業(yè)務(wù)開銷，主要考慮在骨干通信節(jié)點構(gòu)建云平臺，暫不考慮接入網(wǎng)/用戶。分布式輕量云平臺的部署方式主要有以下幾種選擇：

（1）單節(jié)點部署：每個骨干通信節(jié)點部署多臺物理服務(wù)器構(gòu)建一個戰(zhàn)術(shù)云平臺；

（2）區(qū)域多節(jié)點部署：區(qū)域內(nèi)多個骨干節(jié)點分布式部署多臺物理服務(wù)器構(gòu)建一個區(qū)域云；

（3）全網(wǎng)節(jié)點部署：通信骨干網(wǎng)內(nèi)全部骨干節(jié)點分布式部署多臺物理服務(wù)器構(gòu)建一個戰(zhàn)場云。

云平臺考慮到通信節(jié)點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)點間云平臺的數(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)點部署）。

考慮無線信道受限條件下的應(yīng)用業(yè)務(wù)量相對較小，骨干通信節(jié)點計算、存儲能力較強(qiáng)，通信業(yè)務(wù)/信息服務(wù)承載的瓶頸在于骨干節(jié)點間的鏈路傳輸能力（帶寬、丟包、時延等），因此采用區(qū)域多節(jié)點部署時，跨節(jié)點實現(xiàn)分布式計算和存儲必要性不大。同時，在實現(xiàn)跨節(jié)點計算和存儲時，若節(jié)點間鏈路質(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)點脫網(wǎng)，則脫網(wǎng)節(jié)點的業(yè)務(wù)可能無法遷移，用戶業(yè)務(wù)體驗較差，因此也不考慮第二種部署方式（區(qū)域多節(jié)點部署）。

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

基于分布式輕量云平臺，骨干通信節(jié)點的云平臺提供多種通信云服務(wù)，具備按需使用、隨處訪問、多租戶、彈性、可測量使用、可恢復(fù)性的云特性。當(dāng)云平臺內(nèi)虛擬服務(wù)器出現(xiàn)故障時，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。云平臺部署方式如圖3所示：

4.3 云平臺信息管理方式

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

（1）同步類信息：主要包括各類名錄信息（HSS、

DNS、UDDI、ENUM等）；

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

其中，同步類信息可考慮通過輕量化名錄服務(wù)提供的數(shù)據(jù)同步服務(wù)實現(xiàn)全網(wǎng)信息的同步。針對典型網(wǎng)絡(luò)模型帶寬資源有限的特點，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。通過信息同步，各骨干通信節(jié)點部署的分布式輕量云平臺均有全網(wǎng)的服務(wù)目錄信息，通過服務(wù)的遠(yuǎn)程/本地的訪問可實現(xiàn)全網(wǎng)通信服務(wù)共享。

聚合類信息一般是由末端用戶到固定網(wǎng)用戶或固定網(wǎng)用戶之間的端到端數(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，無法解析應(yīng)用報文內(nèi)容，只能作為IP包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。因此考慮構(gòu)建一個統(tǒng)一的區(qū)域中心云，可部署于柵格網(wǎng)，用戶將各類態(tài)勢等信息上傳至云，構(gòu)建一個統(tǒng)一的信息融合中心，構(gòu)建全網(wǎng)的態(tài)勢共享圖等信息服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)信息融合支撐協(xié)同作戰(zhàn)。云平臺信息管理方式如圖4所示。

4.4 云服務(wù)訪問方式

云服務(wù)提供兩種主要訪問方式：發(fā)布/訂閱方式、請求/響應(yīng)方式。

當(dāng)用戶接入就近的分布式輕量云平臺時，可查詢獲取全網(wǎng)同步的服務(wù)目錄信息，當(dāng)需要訪問服務(wù)時，可根據(jù)目錄查詢結(jié)果調(diào)用服務(wù)；同時本地服務(wù)系統(tǒng)可緩存遠(yuǎn)程靜態(tài)數(shù)據(jù)類服務(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)行注冊發(fā)布。當(dāng)本地服務(wù)用戶再次訪問服務(wù)時，本地服務(wù)系統(tǒng)可直接提供緩存服務(wù)；當(dāng)用戶需訪問區(qū)域中心云的信息服務(wù)，用戶通過就近接入骨干網(wǎng)訪問面向用戶的統(tǒng)一服務(wù)接口進(jìn)行服務(wù)訪問請求獲取服務(wù)信息。

同時，用戶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)共享帶來的帶寬資源消耗。云服務(wù)訪問方式如圖5所示。

4.5 云平臺輕量化考慮

云計算平臺輕量化主要從以下5個方面考慮：

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

（2）控制協(xié)議輕量化（簡化協(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，考慮到相對比帶寬受限的無線傳輸信道，系統(tǒng)用戶相對較小，業(yè)務(wù)并發(fā)量不大，將云平臺的能力進(jìn)行裁剪，將不必要的功能刪除，具體的裁剪評估如表1所示。

5 實測驗證

基于OpenStack平臺構(gòu)建典型云計算驗證平臺，驗證平臺由3個云計算平臺構(gòu)成，代表3個骨干通信節(jié)點，單個云計算平臺由3臺物理服務(wù)器組成，其中1臺物理服務(wù)器為控制節(jié)點，2臺物理服務(wù)器為計算節(jié)點。

5.1 驗證平臺

系統(tǒng)搭建的驗證平臺單節(jié)點組成及軟件部署如圖6所示，設(shè)備連接組成如圖7所示，無線信道模擬通過信道模擬器實現(xiàn)，設(shè)定為鏈路帶寬為2 Mbps，丟包5%，時延1 ms。

5.2 測試內(nèi)容

（1）同步類信息帶寬占用情況測試

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

測試步驟：

1）云平臺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)計同步消息對帶寬的消耗。

經(jīng)測試，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，同步帶來的帶寬消耗會增大，同時無線信道受限條件下會引入丟包，帶寬消耗會進(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）聚合類消息帶寬占用情況測試

典型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，每個骨干節(jié)點構(gòu)建的云接入用戶主要的通信鏈路為VHF/UHF，骨干網(wǎng)節(jié)點數(shù)不大于64個，子網(wǎng)數(shù)不大于128個，子網(wǎng)用戶不大于32個，按以上數(shù)據(jù)評估，平均每個骨干節(jié)點的子網(wǎng)為2個，接入用戶不大于64個用戶。

假定單個子網(wǎng)用戶將聚合類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)點間鏈路帶寬平均為2 Mbps（子網(wǎng)、骨干網(wǎng)鏈路帶寬可對應(yīng)比例提升進(jìn)行計算），則單個云的接收的并發(fā)業(yè)務(wù)帶寬消耗不大于200 kbps（100 kbps×2=200 kbps）。

測試步驟：

1）云平臺B、C的用戶各發(fā)送200 kbps的聚合類信息，在云平臺A實現(xiàn)信息的聚合；

2）統(tǒng)計云平臺信息聚合對帶寬的消耗。

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

5.3 測試結(jié)果

受限于驗證平臺的節(jié)點規(guī)模，信息同步和聚合引入的帶寬消耗評估只能作為一種參考，但根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的評估，基于無線信道受限條件下的分布式輕量云平臺構(gòu)建是可行的，同時可根據(jù)應(yīng)用需求和特點，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

本文針對無線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算平臺構(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)訪問以及輕量化的實現(xiàn)方式，同時基于驗證平臺搭建，驗證了分布式輕量云計算平臺構(gòu)建技術(shù)的可行性，對實際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

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