英國(guó)布里斯托成為智能城市技術(shù)試點(diǎn)城市。Bristol Is Open 項(xiàng)目是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的生活實(shí)驗(yàn)室。

　　到 2050 年，世界人口將達(dá)到 90 億，城市居民占 75%。英國(guó)已經(jīng)有 80% 左右的人口居住在城市地區(qū)，因此英國(guó)需要確保城市適應(yīng)數(shù)字時(shí)代要求。智能城市有助于打造出高效、可持續(xù)發(fā)展、更清潔的環(huán)境、更高品質(zhì)的生活以及繁榮昌盛的經(jīng)濟(jì)。

　　為此，布里斯托大學(xué)和布里斯托市共同創(chuàng)辦的 Bristol Is Open （BIO） 合資企業(yè)與行業(yè)、大學(xué)、當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)及當(dāng)?shù)睾蛧?guó)家政府部門開(kāi)展通力協(xié)作。Bristol Is Open （www.bristolisopen.com）正在推動(dòng)這座擁有 50 萬(wàn)人口的英格蘭西南部城市成為世界第一座可編程城市。

　　布里斯托將成為生機(jī)勃勃的全新工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（即智能城市基礎(chǔ)設(shè)施組成部分）市場(chǎng)的開(kāi)放式測(cè)試場(chǎng)。Bristol Is Open 項(xiàng)目在很多開(kāi)發(fā)及部署領(lǐng)域采用賽靈思 All Programmable FPGA 器件。

　　智能城市的愿景

　　智能城市利用信息和通信網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)解決城市難題，旨在大幅改善宜居性和資源可持續(xù)性。預(yù)測(cè)顯示［1］，全球智能城市產(chǎn)業(yè)到 2020 年市值將超過(guò) 4000 億美元，預(yù)計(jì)英國(guó)至少占 10% 的份額，即 400 億美元。英國(guó)政府對(duì)智能城市的投資包括：為英國(guó)研究委員會(huì)資助的智能城市研究活動(dòng)投資的 1.5 億美；五年內(nèi)為技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)在倫敦建立的全新未來(lái)城市發(fā)展中心指撥的 7900 萬(wàn)美元；今年年初為未來(lái)城市示范項(xiàng)目投資的 5200 萬(wàn)美元；以及近期為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 研究與示范項(xiàng)目投資的 6300 萬(wàn)美元。

　　Bristol Is Open 正在示范構(gòu)建一個(gè)城市規(guī)模研究與創(chuàng)新的測(cè)試平臺(tái)。目標(biāo)是推動(dòng)未來(lái)智能城市的數(shù)字創(chuàng)新：使開(kāi)放式可編程社區(qū)成為 21 世紀(jì)后五十年的標(biāo)準(zhǔn)。

　　BIO 測(cè)試平臺(tái)配備業(yè)界領(lǐng)先的可編程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并采用名為 NetOS 的全市范圍操作系統(tǒng)，允許智能城市應(yīng)用與城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行交互，以針對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行編程、虛擬化和量身定制，進(jìn)而獲得最佳性能。賽靈思器件可作為高性能通用平臺(tái)，用在城市中包括有線、無(wú)線和 IoT 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及仿真設(shè)施在內(nèi)的眾多節(jié)點(diǎn)上。

　　下面我們來(lái)了解一下這種新型城市社區(qū)，先看看可編程城市的整體愿景。然后，我們將深入了解布里斯托項(xiàng)目如何利用賽靈思器件構(gòu)建城市“白盒子”并提供各種網(wǎng)絡(luò)功能。

　　未來(lái)智能城市

　　未來(lái)十年全世界將產(chǎn)生 100 多座 100 萬(wàn)人口的城市 ［2］，同時(shí)，在這十年里，人口向城市的不斷涌入將使城市居民數(shù)量每年增長(zhǎng) 6000 萬(wàn)。［2］ 因此到 2050 年，世界上將有超過(guò) 70% 的人口居住在城市里。另外，考慮到城市只占世界 2% 的陸地面積，卻消耗約四分之三的資源，因此當(dāng)前的城市化會(huì)帶來(lái)諸多經(jīng)濟(jì)和社會(huì)挑戰(zhàn)，并對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施形成壓力。不斷發(fā)展的城市將不得不應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，以保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境可持續(xù)性以及社會(huì)彈性。

　　解決方案是讓城市更智能。盡管智能城市沒(méi)有絕對(duì)性定義，但智能城市的運(yùn)行卻有幾個(gè)被廣泛認(rèn)可的關(guān)鍵方面。［3］它們包括：

　　? 以市民為中心的服務(wù)交付，包括優(yōu)先考慮市民需求。

　　? 結(jié)果/績(jī)效的透明度，使市民可以對(duì)

　　每個(gè)機(jī)構(gòu)和每個(gè)區(qū)域的績(jī)效進(jìn)行對(duì)比和評(píng)判。

　　? 智能物理基礎(chǔ)設(shè)施，使服務(wù)提供商能夠高效管理服務(wù)交付、數(shù)據(jù)

　　收集和數(shù)據(jù)分析。

　　? 一個(gè)數(shù)字安全的開(kāi)放式現(xiàn)代化軟件基礎(chǔ)設(shè)施，可讓市民在需要時(shí)訪問(wèn)他們所需的信息。

　　智能城市的技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素靈感來(lái)源于物聯(lián)網(wǎng)；Gartner 數(shù)據(jù) ［4］ 顯示，到 2020 年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安裝數(shù)量將增長(zhǎng)到 260 億臺(tái)。相比之下 2009 年的安裝數(shù)量為 9 億臺(tái)，總數(shù)實(shí)現(xiàn)了將近 30 倍的增長(zhǎng)，技術(shù)和服務(wù)營(yíng)收超過(guò) 3000 億美元。智能城市大規(guī)模部署 IoT 技術(shù)，不僅可使從傳感器和設(shè)備采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)中，而且還可促進(jìn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析并將命令反饋至控制城市功能的執(zhí)行設(shè)備中。

　　從感應(yīng)和分析角度來(lái)看，信息可回送到城市基礎(chǔ)設(shè)施的執(zhí)行設(shè)備中，以動(dòng)態(tài)控制運(yùn)行狀況。在這種方式下可以：利用智能交通設(shè)施實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車；利用智能照明技術(shù)獲得更高的能效；針對(duì)不同時(shí)間（白天和季節(jié)性變化）管理網(wǎng)絡(luò)資源；根據(jù)事件調(diào)動(dòng)資源，例如體育賽事需要高質(zhì)量廣播及新聞報(bào)道；以及有效處理緊急情況（城市疏散）。

　　可編程城市與智能城市

　　智能城市意在通過(guò)探索網(wǎng)絡(luò)、IT 和云技術(shù)，以更經(jīng)濟(jì)有效方式改善和加強(qiáng)為市民提供的公共和私有服務(wù)。為達(dá)此目標(biāo)，智能城市需要大量使用從市民、環(huán)境、汽車以及城市中一切事物中收集到的數(shù)據(jù)。所提供的數(shù)據(jù)越多，對(duì)城市運(yùn)行的分析就越準(zhǔn)確，從而可以設(shè)計(jì)并推出智能城市服務(wù)。

　　就網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而言，進(jìn)行整個(gè)城市數(shù)據(jù)的檢索和處理意味著需要收集、聚合大量傳感器數(shù)據(jù)并傳送到計(jì)算設(shè)施（數(shù)據(jù)中心）中進(jìn)行存儲(chǔ)和可能的處理。應(yīng)用情景和類型的多樣化就智能城市中的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施要求方面提出了重大挑戰(zhàn)。城市中原有的信息與通信技術(shù) （ICT） 基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)成為智能城市運(yùn)行的主要瓶頸，因?yàn)樗鼈儾痪邆渌璧娜萘俊㈧`活性和擴(kuò)展性，因而無(wú)法保證高資源要求的新興智能城市技術(shù)具備足夠擴(kuò)展性以滿足未來(lái)需求。

　　可編程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供的獨(dú)特功能可提高智能城市運(yùn)行性能。這些技術(shù)采用開(kāi)放的軟件和硬件平臺(tái)，用戶可針對(duì)不同用例要求對(duì)平臺(tái)進(jìn)行編程以量身定制網(wǎng)絡(luò)功能。改善網(wǎng)絡(luò)中的控制、監(jiān)控和資源分配是部署可編程網(wǎng)絡(luò)的明顯優(yōu)勢(shì)。更為重要的是，可編程技術(shù)有助于網(wǎng)絡(luò)與 IT 設(shè)施的集成，提高應(yīng)用感知。

　　軟件定義網(wǎng)絡(luò) （SDN） 是可編程網(wǎng)絡(luò)的主要支持因素之一。SDN 的基礎(chǔ)在于將基礎(chǔ)設(shè)施控制與數(shù)據(jù)層進(jìn)行去耦，這樣不僅可顯著簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，同時(shí)還允許在網(wǎng)絡(luò)中部署用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的通用硬件。

　　基于 SDN 的簡(jiǎn)化可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)管理還可為網(wǎng)絡(luò)虛擬化提供極大的幫助。網(wǎng)絡(luò)虛擬化本質(zhì)上可幫助相互隔離的多個(gè)用戶通過(guò)共享物理資源進(jìn)行工作，從而可減少安裝附加物理硬件的需求。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 （NFV） 是比較新的虛擬化創(chuàng)新技術(shù)，可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)商業(yè)硬件的網(wǎng)絡(luò)功能。防火墻、深度數(shù)據(jù)包檢查、負(fù)載平衡等網(wǎng)絡(luò)功能以可插拔軟件包的形式在通用機(jī)器上部署，從而能夠以特別低的成本加速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署。

　　除了軟件驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以外，硬件和基礎(chǔ)設(shè)施的可編程性也將提高，進(jìn)而超越固定功能硬件數(shù)據(jù)層的范疇。向數(shù)據(jù)層添加高級(jí)可編程性以及更高級(jí)的功能性，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟件 API 進(jìn)行訪問(wèn)，這樣能夠更加智能和高效地管理網(wǎng)絡(luò)資源，以加快創(chuàng)新速度。

　　Bristol is Open：愿景與架構(gòu)

　　2013 年啟動(dòng)的 Bristol Is Open 項(xiàng)目不僅得到了當(dāng)?shù)?、?guó)家以及歐洲各界政府的資助，而且還得了私營(yíng)經(jīng)濟(jì)的資助。BIO 已經(jīng)交付了有助于智能城市和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的研發(fā)舉措。

　　BIO 的目標(biāo)是成為生活實(shí)驗(yàn)室——實(shí)現(xiàn)城市數(shù)字創(chuàng)新的研發(fā)實(shí)驗(yàn)基地。它提供一個(gè)用于為信息與通信基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)和測(cè)試全新解決方案的多租戶管理平臺(tái)，因此可形成一個(gè)核心 ICT 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，充分滿足未來(lái)城市開(kāi)發(fā)日程的需求。在基礎(chǔ)設(shè)施層面，BIO 包含五個(gè)與眾不同的SDN基礎(chǔ)設(shè)施，如圖 1 所示：

　　? 作為光電網(wǎng)絡(luò)白盒的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)：使用 FPGA 可編程平臺(tái)和異構(gòu)光學(xué) L2/3 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

　　? 異構(gòu)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施：包含 Wi-Fi、LTE、LTE-A 和 60GHz 毫米波技術(shù)

　　? IoT 傳感器網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施

　　? 網(wǎng)絡(luò)仿真器：包含一個(gè)服務(wù)器群和一個(gè) FPGA-SoC 網(wǎng)絡(luò)處理器群

　　? Blue Crystal 高性能計(jì)算 （HPC） 設(shè)備

　　城域網(wǎng)絡(luò)上的基礎(chǔ)設(shè)施提供可支持多 Tb/s 數(shù)據(jù)流的動(dòng)態(tài)光學(xué)開(kāi)關(guān)、多速率 L2 開(kāi)關(guān)（1 至 100GbE）以及 L3 路由。城域網(wǎng)還配備可編程硬件平臺(tái)和高性能服務(wù)器，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的開(kāi)放式訪問(wèn)，而且還可創(chuàng)建全新的軟硬件解決方案并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)設(shè)施的有線部分還能夠與布里斯托的 Blue Crystal HPC 設(shè)施連接，支持高級(jí)云基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)。

　　網(wǎng)絡(luò)接入基礎(chǔ)設(shè)施包括疊加、無(wú)縫的無(wú)線連接解決方案（宏蜂窩和小型蜂窩無(wú)線電技術(shù)），其采用蜂窩與 Wi-Fi 兩種技術(shù)的組合，并具備毫米波回程以及到光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的直接連接。這套設(shè)施還支持針對(duì)最新 5G 和更高級(jí)接入技術(shù)（例如具有波束追蹤功能的毫米波接入解決方案）的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以及大規(guī)模 MIMO 這樣的新功能，以實(shí)現(xiàn) 2GHz 頻帶的超高密度網(wǎng)絡(luò)。

　　此外，BIO 還可為該區(qū)域內(nèi)額外安裝的傳感器節(jié)點(diǎn)提供針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（例如路燈柱）的優(yōu)先訪問(wèn)，并由適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)聚合器、計(jì)算和存儲(chǔ)資源提供支持。這些資源可以有選擇性地直接連入有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。BIO 還安裝了低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將為基于物聯(lián)網(wǎng)的研究提供支持，采用初始傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控（溫度、空氣質(zhì)量、污染等級(jí)、照明、噪聲和濕度）和智能路燈。

　　BIO 還將實(shí)現(xiàn)通過(guò)合適的安全接口訪問(wèn)城市中已經(jīng)安裝的、位于任何地方的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括停車傳感器、交通信號(hào)燈、交通流量傳感器、安全監(jiān)控?cái)z像機(jī)以及公共車輛傳感器。小型傳感器（包括自愿參與者的智能手機(jī)和 GPS 設(shè)備）將提供關(guān)于城市生活的諸多方面的信息，包括能源、空氣質(zhì)量和交通流量等。生成的所有數(shù)據(jù)將做匿名處理，并通過(guò)“開(kāi)放數(shù)據(jù)”門戶向公眾提供。

　　整個(gè)平臺(tái)使用 SDN 控制原理，因此實(shí)驗(yàn)人員和最終用戶可對(duì)其進(jìn)行全面編程。BIO 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)是世界上第一個(gè)此類網(wǎng)絡(luò)，它將開(kāi)啟令人激動(dòng)的新機(jī)遇，引領(lǐng)未來(lái)通信技術(shù)及云網(wǎng)絡(luò)軟硬件開(kāi)發(fā)的潮流。

　　用于城市基礎(chǔ)設(shè)施的軟件定義網(wǎng)絡(luò)

　　最近幾年，通信行業(yè)基于 SDN 概念的創(chuàng)新解決方案層出不窮，將 IT 技術(shù)進(jìn)步帶到了以硬件為主導(dǎo)的傳統(tǒng)電信行業(yè)。通過(guò) SDN 對(duì)控制和數(shù)據(jù)進(jìn)行去耦，不僅可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)控制方法，同時(shí)還可依賴在所有網(wǎng)絡(luò)元素中都很普遍的基本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作。該方案允許集成新穎的架構(gòu)概念，例如將以信息為中心的網(wǎng)絡(luò) （ICN） 集成到這種基于軟件的網(wǎng)絡(luò)中。此外，SDN 還能促進(jìn)物理組件成本的降低并使更多運(yùn)營(yíng)功能在軟件中完成，從而可對(duì) ICT 設(shè)備最底層的智能基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行持續(xù)投資。

　　SDN 現(xiàn)在正在從 ICT 基礎(chǔ)設(shè)施延伸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這樣就有可能對(duì)計(jì)算和通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行完整的適應(yīng)性調(diào)整，以利用感應(yīng)與真實(shí)信息推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)操作。反過(guò)來(lái)，可利用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施及時(shí)地向應(yīng)用和服務(wù)提供有意義的傳感器信息。對(duì)于 BIO 項(xiàng)目，我們的愿景是通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)各層的可編程性與自適應(yīng)性最終實(shí)現(xiàn)我們稱之為“生活網(wǎng)絡(luò)”的理念：在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，互聯(lián)網(wǎng)和物（設(shè)備）能夠真正融合到能夠進(jìn)行一致性管理與操作的計(jì)算和通信環(huán)境中。

　　在整個(gè)城市范圍內(nèi)演示基于 SDN 的平臺(tái)非常重要。未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)和 5G 技術(shù)會(huì)出現(xiàn)在 BIO 測(cè)試平臺(tái)中，特別是使用目前及當(dāng)代（即 Wi-Fi、LTE 和毫米波）無(wú)線電接入技術(shù)的 SDN 光主干網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中。令人興奮的媒體與企業(yè)社區(qū)貫穿于整個(gè) BIO 測(cè)試平臺(tái)（圖 1 中的 engine shed 是創(chuàng)業(yè)孵化器的主頁(yè)，而 watershed 則是布里斯托媒體社區(qū)的主頁(yè)）。這些社區(qū)的成員在用例研究中也作為很好的早期用戶群體。他們參與 BIO 項(xiàng)目，讓我們可以獲取城市社區(qū)的見(jiàn)解和要求。

　　有線、無(wú)線和 RF 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)都與技術(shù)無(wú)關(guān)，根據(jù)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)理念，使用可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的 SDN 技術(shù)構(gòu)建而成。名為 NetOS 的城市操作系統(tǒng)（圖 2）也基于 SDN 原理，將為智能城市提供所需的可編程性與自適應(yīng)性。NetOS 是一種包羅萬(wàn)象的分布式操作系統(tǒng)，跨越終端（甚至更高級(jí)的設(shè)備，例如移動(dòng)機(jī)器人和無(wú)人機(jī)）、網(wǎng)絡(luò)元素以及云/ IT 資源。這種城域操作系統(tǒng)將基于分布式軟件架構(gòu)應(yīng)對(duì)底層資源的異構(gòu)問(wèn)題。NetOS 將作為邏輯實(shí)體，以分層方式用分布式軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而可在基礎(chǔ)設(shè)施上映射各種服務(wù)。

　　城市基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化

　　需要在城市基礎(chǔ)設(shè)施的頂層支持高度多樣化的大量城市應(yīng)用。例如，有些應(yīng)用需要大容量和極低的時(shí)延。其他應(yīng)用則消耗非常少的帶寬，但需要支持?jǐn)?shù)量非常多的端點(diǎn)。另外，還有些應(yīng)用對(duì)彈性或安全性以及隱私等有很嚴(yán)格的要求。

　　構(gòu)建專用基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)支持具體的應(yīng)用，這種方式既不可行也不經(jīng)濟(jì)。因此，城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商面臨的重要挑戰(zhàn)之一就是提供定制的專用網(wǎng)絡(luò)解決方案代替通用 ICT 基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)與 SDN 控制平臺(tái)集成時(shí)，虛擬化就是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。虛擬化能創(chuàng)建多個(gè)共存且隔離的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施；它們能夠并行運(yùn)行，充分滿足租戶的應(yīng)用要求。

　　通過(guò)全面分析每個(gè)租戶在社會(huì)政策、安全性和資源方面的要求，就可采用某個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M建虛擬基礎(chǔ)設(shè)施，指明虛擬節(jié)點(diǎn)與虛擬鏈路的互聯(lián)方式。在虛擬節(jié)點(diǎn)及鏈路中指定性能參數(shù)（例如時(shí)延）和資源要求（例如網(wǎng)絡(luò)帶寬，計(jì)算 CPU/存儲(chǔ)器）。一般通過(guò)對(duì)物理資源進(jìn)行分區(qū)和聚合來(lái)獲得虛擬資源（節(jié)點(diǎn)和鏈路）。因此，可編程硬件基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于支持組成具有高精細(xì)粒度和高可擴(kuò)展性的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施而言非常重要。

　　在城市環(huán)境中，在城市基礎(chǔ)設(shè)施中部署的設(shè)備是異構(gòu)型的，包括無(wú)線/移動(dòng)、有線、光網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心/云以及功能性家用電器。要實(shí)現(xiàn)無(wú)縫業(yè)務(wù)提供，就必須在多技術(shù)、多領(lǐng)域城市基礎(chǔ)設(shè)施上支持采用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)化的聚合虛擬基礎(chǔ)設(shè)施，這樣每個(gè)租戶才能獲得城市基礎(chǔ)設(shè)施中其應(yīng)有的一部分。不過(guò)，目前對(duì)這些技術(shù)領(lǐng)域的控制與管理都是孤立的。BIO 中具有 SDN 功能的 NetOS 提供一個(gè)邏輯集中化的控制平臺(tái)，其可打通管理壁壘，將不同技術(shù)進(jìn)行橋接。該操作系統(tǒng)可對(duì)異構(gòu)城市設(shè)備進(jìn)行抽象化，隱藏其復(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié)，統(tǒng)一展示基礎(chǔ)設(shè)施。

　　白盒技術(shù)展望

　　開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)白盒，使用非品牌通用模塊化可編程硬件平臺(tái)。這類設(shè)備不僅可加載定制操作系統(tǒng)，而且還可按需重新定義網(wǎng)絡(luò)功能，不受特定廠商設(shè)備限制。網(wǎng)絡(luò)處理器是實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)硬件可編程性的第一步，可充分利用通過(guò)軟件 API 定義功能的便捷性。網(wǎng)絡(luò)處理器是人們所熟知的硬件平臺(tái)，不僅可提供類似于通用 CPU （具有更多硬件資源）的一般可編程特性，而且還可通過(guò)編程執(zhí)行各種網(wǎng)絡(luò)功能?；谔幚砥鞯募軜?gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠利用 C 語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，這對(duì)于快速原型設(shè)計(jì)而言非常有必要。不過(guò)，網(wǎng)絡(luò)處理器沒(méi)有針對(duì)并行工作優(yōu)化，其對(duì)于構(gòu)建支持高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)母咝阅軘?shù)據(jù)層技術(shù)非常重要。

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA） 是高性能通用處理平臺(tái)，可利用從晶體管級(jí)到IP功能級(jí)的可編程性。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)必須具備高度靈活性及可編程性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，它們是非常受歡迎的平臺(tái)。

　　我們正在 BIO 基礎(chǔ)設(shè)施的多個(gè)點(diǎn)中使用已經(jīng)演變成片上系統(tǒng) （SoC） 的賽靈思 FPGA ，這些點(diǎn)包括：作為光電白盒的工作節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖 2）、仿真設(shè)施、無(wú)線 LTE-A 實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。BIO 使用由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA） 和光學(xué)（交換與處理等）部件構(gòu)成的可編程、可定制網(wǎng)絡(luò)白盒。這些盒子支持高容量數(shù)據(jù)處理與傳輸、功能可編程性與虛擬化，可通過(guò) SDN 接口進(jìn)行深度控制。圖 3 是基于 FPGA 的平臺(tái)；該平臺(tái)不僅能夠以可編程的方式容納多種功能，而且還能夠與可編程光電部件連接。［5］

　　FPGA 具備多種優(yōu)勢(shì)，包括：通過(guò)功能的可重編程實(shí)現(xiàn)硬件重用，升級(jí)更加簡(jiǎn)便，而且設(shè)計(jì)到部署的周期比專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 （ASSP） 更短。

　　網(wǎng)絡(luò)白盒的光電部件采用一個(gè)光學(xué)背板，以便將一系列光電功能模塊插入到諸如放大、多播、波長(zhǎng)/光譜選擇、信號(hào)添加/丟棄等光學(xué)功能中。重要的是，輸入和輸出鏈路要與節(jié)點(diǎn)提供的所有功能去耦，以提高靈活性、效率和可擴(kuò)展性，而且可在服務(wù)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)損重用，從而最大程度減少破壞性的部署周期。

　　基于 Zynq SoC 的仿真平臺(tái)

　　為了擴(kuò)展 BIO 設(shè)施的功能以對(duì)更大更現(xiàn)實(shí)的情景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們?cè)?BIO 中部署了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真器。該平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真以及資源虛擬化和虛擬基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成技術(shù)，以實(shí)施高級(jí)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算方面的研究。這個(gè)仿真平臺(tái)還采用本地和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室設(shè)施以及分布式研究基礎(chǔ)設(shè)施（網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算）。圖 4 展示了位于 Bristol Is Open 基礎(chǔ)設(shè)施核心的多層、多平臺(tái)仿真設(shè)施。

　　該仿真設(shè)施提供一系列功能，用以加強(qiáng)與 BIO 城市網(wǎng)絡(luò)和其他遠(yuǎn)程互聯(lián)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)研究：

　　1. 節(jié)點(diǎn)與鏈路仿真：該平臺(tái)可仿真多種網(wǎng)絡(luò)元素，例如有線和無(wú)線領(lǐng)域的路由器和交換機(jī)，以及具有各種物理屬性的互聯(lián)鏈路。

　　2. 協(xié)議仿真：無(wú)論是集中式還是分布式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都要依靠協(xié)議進(jìn)行通信。能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行精確建模的仿真設(shè)施允許用戶或研究人員嘗試不同通信協(xié)議并大規(guī)模研究其行為。

　　3. 流量仿真：根據(jù)仿真情景（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等）的不同，可以生成具有任意間隔和操作速度（從數(shù) Mb/s 到數(shù) Tb/s不等）的流量模式，并應(yīng)用于相應(yīng)的仿真或物理網(wǎng)絡(luò)。

　　4. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真：使用 BIO 仿真設(shè)施可得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與鏈路的任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣，用戶就可以在部署和安裝之前對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上相應(yīng)技術(shù)的各個(gè)方面進(jìn)行全面檢查。

　　與提供計(jì)算機(jī)主機(jī)仿真環(huán)境的其他設(shè)施不同，BIO 的獨(dú)特之處在于包含了可編程硬件（FPGA、網(wǎng)絡(luò)處理器），以及到多技術(shù)測(cè)試平臺(tái)的動(dòng)態(tài)靈活的連接功能，以及豐富的專用連接基礎(chǔ)設(shè)施?？删幊逃布屯獠炕ヂ?lián)的使用讓用戶可以大規(guī)模精確仿真網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算技術(shù)的功能與性能，并用它們來(lái)綜合具有代表性的復(fù)雜系統(tǒng)。憑借 FPGA 的并行處理能力和高速 I/O， BIO 可以大規(guī)模精確仿真當(dāng)前的或?qū)嶒?yàn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有線或無(wú)線均可。

　　網(wǎng)絡(luò)仿真器使用大量高級(jí)網(wǎng)絡(luò)和 IT 技術(shù)。FPGA 群、服務(wù)器群和 L2/L3 可編程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的主要構(gòu)建塊，使用戶可以構(gòu)建數(shù)據(jù)層和控制層中的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如虛擬化、SDN 和 NFV、資源/工作負(fù)載分配工具和算法等），并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和使用。

　　仿真器通過(guò) 10、40 和 100Gbps 端口連接到 BIO 城市網(wǎng)絡(luò)。仿真網(wǎng)絡(luò)可以使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)層協(xié)議（例如以太網(wǎng)、OTN 和 Infiniband）或定制的和專有的協(xié)議與其他網(wǎng)絡(luò)域?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)。

　　仿真器使用賽靈思的 ARM? Zynq?-7000 All Programmable SoC 平臺(tái)，該平臺(tái)是一款單芯片的 FPGA 處理器件。算法加速是 Zynq SoC 的目標(biāo)用例之一，也就是將用于資源分配、路徑計(jì)算和負(fù)載均衡等的計(jì)算密集型任務(wù)交給基于 FPGA 的并行處理技術(shù)來(lái)執(zhí)行。硬件輔助式網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化是我們?cè)?BIO 中使用 Zynq SoC 平臺(tái)的另一個(gè)實(shí)例，目的是運(yùn)行性能要求較高的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能 （VNF），例如深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)、服務(wù)控制與安全等?；?Xen 的 ARM 內(nèi)核虛擬化還有助于在相同 SoC 芯片上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。這樣，BIO 就可讓多個(gè)操作人員在相同設(shè)備上托管他們的 VNF，并可對(duì)并行硬件計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)共享和/或?qū)Ｓ迷L問(wèn)，以提高性能。

　　實(shí)驗(yàn)即服務(wù)

　　城市運(yùn)行方式日新月異。BIO 使用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)開(kāi)放的可編程城市，能為市民提供更多的方式來(lái)參與城市生活和促進(jìn)城市運(yùn)轉(zhuǎn)。我們稱之為“城市實(shí)驗(yàn)即服務(wù)”。開(kāi)放的方式能指導(dǎo)我們的采購(gòu)活動(dòng)、數(shù)據(jù)管理以及我們所使用的軟硬件。開(kāi)放意味著 BIO 利益相關(guān)方能主動(dòng)與其他城市、科技公司、高等學(xué)校和市民分享我們學(xué)到的知識(shí)。

　　參考資料

　　1. https://www.gov.uk/government/news/uk-set-to-lead-the-way-for-smart-cities

　　2.世界城市狀況報(bào)告， 2012/13， http://www.unhabitat.org/pmss/ listItemDetails.aspx？publicationID=3387

　　3 https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/246019/bis-13-1209-smart-cities-background-paper-digital.pdf

　　4. http://www.gartner.com/newsroom/id/2636073

　　5.Bijan Rahimzadeh Rofoee， George Zervas， Yan Yan， Norberto Amaya 和Dimitra Simeonidou， “All Programmable與綜合光網(wǎng)絡(luò)：架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)”，《光通信與網(wǎng)絡(luò)雜志》5， 1096-1110 （2013）

　　圖 1 – Bristol Is Open 光纖網(wǎng)絡(luò)將活動(dòng)核心節(jié)點(diǎn)放在城市中的四個(gè)位置。HPC 設(shè)施和仿真通過(guò)網(wǎng)絡(luò)核心訪問(wèn)。無(wú)線技術(shù)（802.11ac、802.11ad、LTE、LTE-A）由中心展開(kāi)。

　　圖 2 – NetoOS 是一個(gè)基于 SDN 的平臺(tái)，構(gòu)建于多層結(jié)構(gòu)之中，可與網(wǎng)絡(luò)、IT 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信。該平臺(tái)原生支持?jǐn)?shù)據(jù)收集、虛擬化、信息建模并可連接第三方應(yīng)用。

　　圖 3 – Bristol Is Open 的網(wǎng)絡(luò)白盒圍繞賽靈思 FPGA 構(gòu)建而成。

　　圖 4 – Bristol Is Open 中的仿真設(shè)施包括以 FPGA 和網(wǎng)絡(luò)處理器為主要形式的可編程硬件。