普適計(jì)算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)管理

劉明菊 王元龍 姬厚濤 魚佳欣

解放軍63898部隊(duì) 河南 454650

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、嵌入式等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，信息技術(shù)的軟件和硬件環(huán)境均發(fā)生了巨大的變化，這種變化使得由通信和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的信息空間與人們生活和工作的物理空間逐漸融為一體。在這種背景下，普適計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，如何管理普適計(jì)算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)亟待解決的難題。

1 普適計(jì)算基本概念

“普適計(jì)算(Ubiquitous Computing)”思想最早是在1991年由美國施樂公司的Mark Weiser在《Scientific American》的“The Computer for the 21st Century”中提出。他指出“無所不在的計(jì)算”就是到處都有計(jì)算存在的意思，并認(rèn)為信息技術(shù)將融入并消失在日常生活中。該思想一提出就得到廣泛關(guān)注和接受。1999年，IBM進(jìn)一步提出普適計(jì)算(Pervasive Computing)的概念，即無所不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計(jì)算的一種方式，無論何時(shí)何地，只要需要，就可以通過某種設(shè)備訪問到所需的信息。它是集移動(dòng)通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、計(jì)算設(shè)備軟硬件技術(shù)等多種技術(shù)于一體，通過將計(jì)算設(shè)備嵌入到人們生活的各種環(huán)境中，使通信、計(jì)算和信息訪問在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)都成為可能，為使用者提供更加人性化的服務(wù)。

2 網(wǎng)絡(luò)管理模型

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的增加，網(wǎng)絡(luò)管理在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地位越來越重要，在普適計(jì)算下，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、設(shè)備的復(fù)雜多樣性、連接的間斷性等更是對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理模型提出了更高要求。

2.1 主流的網(wǎng)絡(luò)管理模型

(1) 基于TCP/IP的SNMP模型。SNMP由一系列協(xié)議組和規(guī)范組成，它們提供了一種從網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備中收集網(wǎng)絡(luò)管理信息的方法。SNMP的體系結(jié)構(gòu)分為SNMP Manager和SNMP Agent，每一個(gè)支持SNMP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中都包含一個(gè)網(wǎng)管代理，網(wǎng)管代理隨時(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各種信息，網(wǎng)絡(luò)管理程序再通過SNMP通信協(xié)議收集網(wǎng)管代理所記錄的信息。

(2) 基于OSI的CMIP模型。CMIP協(xié)議是在OSI制訂的網(wǎng)絡(luò)管理框架中提出的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，是一個(gè)完全獨(dú)立于下層平臺的應(yīng)用層協(xié)議，它的五個(gè)特殊管理功能領(lǐng)域由多個(gè)系統(tǒng)管理功能(SMF)加以支持。相對來說，CMIP是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜和詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。它的設(shè)計(jì)宗旨與SNMP相同,但用于監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文要相對多一些。迄今為止,還沒有任何一個(gè)符合CMIP的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

2.2 新型網(wǎng)絡(luò)管理模型

(1) 基于策略的網(wǎng)絡(luò)管理。IETF提出了基于公共開放式策略服務(wù)(Common Open Policy Service,COPS)協(xié)議和輕量級目錄訪問協(xié)議(Lightweight Directory Access Protocol,LDAP)

實(shí)現(xiàn)的兩層策略管理的參考模型，如圖1所示。

圖1 基于策略的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由四個(gè)核心組件構(gòu)成：策略管理工具(PMT)，是網(wǎng)絡(luò)管理人員定義和編輯策略的一種管理工具；策略庫(PR)，用于保存策略的目錄服務(wù)器；策略決策點(diǎn)(PDP)，負(fù)責(zé)通知交換機(jī)和路由器該如何處理不同類型的流量；策略執(zhí)行點(diǎn)(PEP)，即策略Agent與嵌入式Agent，它是通過訪問列表、隊(duì)列管理算法和其他方式執(zhí)行策略的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如被策略激活的交換機(jī)或路由器等。盡管PBMN提供了一個(gè)相對于傳統(tǒng)方法更為靈活的管理概念，但由于其自身的復(fù)雜性并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

(2) 基于Mobile Agent的網(wǎng)絡(luò)管理。Mobile Agent可以將個(gè)性化的計(jì)算移動(dòng)到資源端的服務(wù)器上運(yùn)行，并能夠自主遷移，具有移動(dòng)性、自治性、智能性等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于Mobile Agent的網(wǎng)絡(luò)管理模型能夠改善網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的整體性能和可擴(kuò)展性，克服了傳統(tǒng)集中式管理的主要缺陷。

(3) 基于CORBA的網(wǎng)絡(luò)管理。CORBA(Common Object Request Broker Architecture，公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu))是對象管理組織OMG(Object Management Group)為解決分布式處理環(huán)境下硬件和軟件系統(tǒng)的互連互通而提出的一種解決方案。基于CORBA的網(wǎng)絡(luò)管理采用的是分布對象技術(shù)，將所有的管理應(yīng)用和被管元素都看作分布對象，它們之間的交互就構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)管理。此方法最大的特點(diǎn)是屏蔽了編程語言、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng)的差異，提供了多種透明性。它的一般模型如圖2所示。

圖2 基于CORBA服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)的一般模型

(4) 基于Web的網(wǎng)絡(luò)管理。基于Web的網(wǎng)絡(luò)管理的主要優(yōu)點(diǎn)有：提供了地理上和系統(tǒng)上的可移動(dòng)性，具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理程序界面，網(wǎng)絡(luò)管理平臺具有獨(dú)立性，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)之間可無縫連接。實(shí)現(xiàn)Web的技術(shù)有多種，最常用的是使用描述WWW頁面的語言HTML，另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是通過Web瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫，還有一個(gè)重要的技術(shù)，即Java語言。

有人敲門，楚墨去開，樓上陳老太太滿臉堆笑地站在門口。老太太捧一個(gè)大湯盆，對楚墨說：“晚上熬了銀耳粥，吃不了，送些給你們。楚墨你煙抽得太兇，得經(jīng)常清清肺。”

(5) 基于XML的網(wǎng)絡(luò)管理。基于XML的網(wǎng)絡(luò)管理的主要思想是，利用XML強(qiáng)大的數(shù)據(jù)表示能力，使用XML文法描述管理數(shù)據(jù)和管理操作，使管理信息能為計(jì)算機(jī)所理解，提高計(jì)算機(jī)對網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的處理能力，從而提高網(wǎng)絡(luò)管理能力。

3 普適網(wǎng)絡(luò)管理

3.1 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

普適網(wǎng)絡(luò)由上而下可以劃分為業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、末梢網(wǎng)絡(luò)等，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、終端和應(yīng)用的融合，廣泛采用RFID、人機(jī)交互、上下文感知計(jì)算、多接入、移動(dòng)性管理、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)管理等關(guān)鍵新技術(shù)。總體來說，普適網(wǎng)絡(luò)主要有以下特點(diǎn)：業(yè)務(wù)豐富多樣；網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、融合；終端普適智能；產(chǎn)業(yè)鏈互動(dòng)增強(qiáng)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)管理框架

3.2.1 普適網(wǎng)絡(luò)管理框架

圖3 普適網(wǎng)絡(luò)管理框架

如圖3所示，普適網(wǎng)絡(luò)管理框架由三個(gè)層面組成：組合管理服務(wù)層、管理服務(wù)組合層和管理服務(wù)層。每一層都有支撐該層功能的相應(yīng)的功能邏輯實(shí)體。

(1) 組合管理服務(wù)層位于該管理框架的頂端，它為各種用戶角色提供組合管理服務(wù)。當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)滿足管理需求的管理服務(wù)時(shí)，該層負(fù)責(zé)對相應(yīng)的管理服務(wù)提供單元調(diào)用執(zhí)行；若用戶通過使用該層提供的管理服務(wù)不能滿足其管理需求時(shí)，該層將通過管理服務(wù)組合層完成服務(wù)的組合。

(2) 管理服務(wù)組合層完成了服務(wù)的組合功能，定義了服務(wù)組合中的功能實(shí)體，并規(guī)定了功能實(shí)體間的消息流程。管理服務(wù)組合層包括的功能實(shí)體有：注冊功能、授權(quán)功能、組合策略功能和組合執(zhí)行功能。

(3) 管理服務(wù)層是無線普適網(wǎng)絡(luò)管理框架對管理服務(wù)組合的支持的基礎(chǔ)。它把開放出來的管理服務(wù)能力看成一個(gè)整體，根據(jù)管理對象的分層結(jié)構(gòu)，劃分為四個(gè)單元：市場/產(chǎn)品/客戶管理、業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理和供應(yīng)商/合作伙伴管理。這四個(gè)單元實(shí)際上對應(yīng)的是四組不同層次的管理功能集。

SOA(Service-Oriented Architecture,面向服務(wù)架構(gòu))概念模型的核心思想是服務(wù)請求者和服務(wù)提供者之間的交互，主要角色包括服務(wù)請求者、服務(wù)提供者和服務(wù)代理。

如圖4所示，基于SOA的普適網(wǎng)絡(luò)管理參考模型由授權(quán)中心、管理服務(wù)發(fā)現(xiàn)代理、管理服務(wù)提供者、管理服務(wù)使用者、管理服務(wù)注冊中心和X實(shí)體組成。

圖4 基于SOA的普適網(wǎng)絡(luò)管理參考模型

管理服務(wù)都需要在服務(wù)注冊中心按照管理服務(wù)注冊合約進(jìn)行登記。管理服務(wù)注冊合約除了管理服務(wù)合約外，還包括諸如授權(quán)、使用條件以及擁有者等信息。管理服務(wù)提供者在授權(quán)中心取得授權(quán)后，向相應(yīng)的管理服務(wù)注冊中心發(fā)布合乎質(zhì)量要求的管理服務(wù)，以供管理服務(wù)請求者使用。授權(quán)中心負(fù)責(zé)管理授權(quán)職能，包括對管理服務(wù)注冊中心、管理服務(wù)提供者和管理服務(wù)使用者進(jìn)行授權(quán)，為普適網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)提供安全管理保障。

管理服務(wù)請求者在運(yùn)行時(shí)可通過管理服務(wù)發(fā)現(xiàn)代理尋找管理服務(wù)注冊中心，以查找所需要的管理服務(wù)；在授權(quán)中心取得授權(quán)后，在管理服務(wù)注冊中心獲取進(jìn)一步的信息，進(jìn)而使用管理服務(wù)提供者所提供的管理服務(wù)。

管理服務(wù)注冊中心提供查找機(jī)制，即對管理服務(wù)請求者所提出的管理服務(wù)請求，按照服務(wù)合約等進(jìn)行查找，若查找成功且在驗(yàn)證服務(wù)請求者具有相應(yīng)的權(quán)限后，向其提供管理服務(wù)的地址等信息，管理服務(wù)提供者接到請求后按合約提供服務(wù)。

X實(shí)體是支持動(dòng)態(tài)協(xié)作、管理服務(wù)組合的核心，它負(fù)責(zé)管理服務(wù)的組合、發(fā)布和提供。它能夠作為管理服務(wù)的使用者，利用各個(gè)管理服務(wù)提供者提供的管理服務(wù)，根據(jù)需要，組合成豐富的新的管理服務(wù)，在授權(quán)中心授權(quán)后，將其發(fā)布在管理服務(wù)注冊中心上；同時(shí)它也能夠作為管理服務(wù)的提供者，當(dāng)其它管理服務(wù)使用者使用組合管理服務(wù)時(shí)，它便以提供者的方式出現(xiàn)。X實(shí)體應(yīng)能提供上下文信息處理邏輯，能夠根據(jù)上下文信息智能地提供管理服務(wù)。

參考3GPP的管理模型，定義了四類管理實(shí)體，即ES(Enterprise Systems，企業(yè)系統(tǒng))，NM(Network Manager，網(wǎng)絡(luò)管理者)，DM(Domain Manager，域管理者)，E-OS(External Operating System，外部運(yùn)行系統(tǒng))。ES，NM，DM既是管理服務(wù)提供者，也是管理服務(wù)使用者。E-OS一般為管理服務(wù)使用者，NM還可以同時(shí)是X實(shí)體的具體實(shí)現(xiàn)。

4 研究熱點(diǎn)及發(fā)展方向

普適計(jì)算的研究受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。國際上普適計(jì)算的里程碑事件：1999年開始的Ubicomp國際會(huì)議；2000年開始的Pervasive Computing國際會(huì)議；2002年IEEE Pervasive Computing期刊的創(chuàng)刊。從20世紀(jì)90年代開始，許多相關(guān)的研究計(jì)劃紛紛啟動(dòng)，例如美國麻省理工(MIT)的Oxygen計(jì)劃、英國劍橋(Cambridge)大學(xué)的Sentient Computing、惠普(HP)的CoolTown、英特爾(Intel)的Guide、歐盟資助的Disappearing Computing等。

國內(nèi)的研究主要在普適計(jì)算環(huán)境中間件、普適計(jì)算中私有信息保護(hù)問題、普適計(jì)算環(huán)境的協(xié)調(diào)管理、軟件結(jié)構(gòu)、覺察上下文計(jì)算、人機(jī)界面幾方面展開。中國科學(xué)院軟件研究所正開展“無處不在計(jì)算環(huán)境下智能人機(jī)交互研究”。北京大學(xué)成立了普適計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，目前開展的研究側(cè)重在開發(fā)和設(shè)計(jì)通用的信息訪問和傳送平臺，存在論工程和基于存在論的語義網(wǎng)頁，自適應(yīng)代理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于科學(xué)、工程和國防的基于知識的系統(tǒng)。

普適計(jì)算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)正在形成以互聯(lián)網(wǎng)為核心，以多種無線網(wǎng)以及移動(dòng)網(wǎng)為接入的更加廣泛的異構(gòu)集成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能更強(qiáng)，以滿足不同數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)的應(yīng)用，同時(shí)IPv6的應(yīng)用會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)地址范圍，在可預(yù)見的未來為每個(gè)設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)地址。從網(wǎng)絡(luò)帶寬上來看，有線主干網(wǎng)逐漸采用光纖，802.11、藍(lán)牙(Bluetooth)逐漸成為無線局域網(wǎng)的常用標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)網(wǎng)正在向3G、4G甚至5G演變。

5 結(jié)束語

普適計(jì)算是對計(jì)算模式的革新，對它的研究還在不斷開展，但是已顯示了巨大的生命力和深遠(yuǎn)的影響。在新的計(jì)算模式推動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)管理也正向著綜合集中化管理發(fā)展，采用分布式結(jié)構(gòu)，有利于運(yùn)營商業(yè)務(wù)的快速展開，降低管理成本，提供給高層集中的信息并保證FACPS管理功能有效地完成。因此，綜合、集中、自動(dòng)、智能化是未來網(wǎng)絡(luò)管理發(fā)展的方向。

[1] ITU.Ubiquitous Network Societies【EB/0C】http://www.itu.int/osg/spu/ni/ubiquitous.

[2] Network Coding-Based Energy Conservation Multicast Routing in Wireless Sensor Networks[A].Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Information Theory and Information Security(ICITIS 2011) VOL02[C].2011.

[3] Lewellyn-Jones D,Merabti M,Shi Q,et al.A security framework for executables in a ubiquitous computing environment. Proceedings of Globecom 2004.

[4] Shirazi B,Kumar M,Sung B Y.QoS middleware support for pervasive computing applications. Proceedings of the37th Annual Hawaii international Conference on System Sciences(HICSS’04).2004.

[5] 王志國,萬曉冬.基于普適環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2010.

[6] 王海濤,宋麗華.普適計(jì)算——新一代計(jì)算模式和理念[J].電信科學(xué).2008.