智能實驗室開發與通道系統技術研究

孫 德 俊

(南京審計大學實驗中心，南京 211815)

能提供高容量與服務質量保證的網絡已成為各國研網基礎建置項目[1]，而在完成實驗平臺的架設后，為了便于通道的配置，亦開始研發通訊控制層系統.

UCLP(User-Controlled LightPath)系統為加拿大CANARIE 與思科公司所贊助研發，由四個軟件團隊分別開發：University of Waterloo、Communications Research Centre of Ottawa University、University of Quebec a Montreal與Carleton University.傳統上通道建立為由管理者檢視是否有足夠的系統頻寬后，再經設定設備上的線路交換以將可用頻寬串聯成為點對點的通道；通過UCLP軟件的授權功能，管理者可以將網絡頻寬預先保留給使用者，再由使用者操作UCLP界面自行決定要串聯的頻寬，以建立適用的通道.目前UCLP為唯一運用于實際網絡上的系統，加上CANARIE于各國推廣，幾乎已成為配置通道的標準.智能亦與CANARIE自2004年開始合作進行將SONET版本修改為適用于SDH 技術系統，并于智能網絡上完成UCLP系統之建置[2].

DRAGON(Dynamic Resource Allocation viaGMPLS Optical Networks)DRAGON[3-4]為美國國家科學基金會所補助的計劃，為配合Internet2 的HOPI(The Hybrid Optical and Packet Infrastructure)計劃的一環，HOPI為將Abiliene IP/MPLS網絡與NLR網絡進行連結，建立一混合型的新型態網絡架構，DRAGON之目標為在HOPI 架構中配置點對點連線，以GMPLS技術為基礎，設計出統一的應用程序界面(Application Programming Interface)供撰寫e-Science程序開發者使用；建置網絡資源代理人(Network Aware Resource Broker)以解決跨網域(inter-domain)的連線建立問題；對于非GMPLS之設備，以虛擬標簽交換路由器(VirtualLabel Switched Router)來協助配置標簽交換路徑(Label Switched Path)[3].

JRA3-BoD(Bandwidth on Demand)GEANT為結合26個歐洲研網的大型合作網絡計劃，包含了許多的整合研究計劃(Joint ResearchActivity)，隨選頻寬BoD計劃即為整合研究計劃之一[4]，旨在設計出一套自動控制系統，可建立跨越不同網域、不同網絡層(包括第三層IP網絡第二層網絡與網絡)的點對點通道.

1 智能網絡架構與網絡實驗室構建

1.1 智能骨干網絡架構

圖1為采用所示整合IP與網絡的單一骨干架構，各個虛擬網絡或專線服務均由底層的通道構成，在頻寬使用上具有更大的彈性[5].在規劃上以四個主節點間的STM-64線路為主，并各自以STM-64連結到所屬GigaPOP，為考慮故障備援需求，各GigaPOP 間各以STM-16 或STM-64 線路互連，提高網絡存活性(survivability)構建新一代SDH和DWDM 整合實驗平臺.

圖1 網絡實驗室

1.2 智能網絡實驗室建置

本實驗環境使用與智能網絡骨干設備相同的CISCO ONS15454 交換器.CISCO ONS 15454可同時使用操作于SDH模式與DWDM模式.在實驗室中的交換器除了SDH之外，并安排Next-Generation SDH與DWDM卡版，可供不同網絡需求規劃出適用的架構.實驗室架構圖如圖2所示，包含有五個機柜，分別放置以下機器：四部CISCO ONS15454、三部CISCO 7609路由器、兩部RPM電源管理器和HP服務器.并將四部CISCO ONS15454規劃成三個節點[6]，分別是節點A、節點B、節點C，其中節點A有兩個機柜，分別是shelf A和shelf A2.shelf A安裝DWDM卡版，shelf A2安裝SDH卡版，節點B和節點C 各有一個機柜，同時安裝SDH 和DWDM卡版.

網絡架構圖網絡拓樸圖如圖2所示，四部CISCO ONS15454組成的三個節點，節點A、B、C，其下均各自介接一部CISCO 7609 路由器.實體線路為A─B 和A─C 兩條暗纖(dark fiber).在于此DWDM網絡上切割A─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 成為環狀SDH拓樸[7].CISCO 7609路由器以GE線路介接于環狀節點下，形成IP和網絡的混合架構.

圖2 網絡實驗室網絡拓樸圖

2 設備控制界面研究

2.1TL1

Transaction Language 1(TL1)為傳統電信設備的標準控制語言界面.在制訂TL1之前，各家電信設備商都有各自的控制語言，彼此互不相通.1984 年，Bellcore(現Telcordia)以Z.300 標準為基礎，定義了一套人機互通的控制語言界面TL1，便于管理各種電信設備[8].由于Telcordia 以TL1作為設備管理的通訊協定，各家設備商均主動在設備上開發TL1控制界面，TL1遂成為電信設備控制語言的統一標準.除了傳統電信設備支援TL1 協定外，新的設備如通訊設備上也多提供TL1界面供管理人員進行開發.TL1通過Telnet session傳遞ASCII-Based的命令至設備，還可以ASCII格式讀取設備目前的組態信息，協助運營系統能夠有效管理網絡設備及其資源.TL1是目前北美主要控制電信網絡的協定，也是電信行業最廣泛使用的管理協定之一.它管理了世界上數量眾多的寬帶網絡設備，正在不斷廣泛應用，成為通訊設備的一項管理標準.

由于TL1為最廣泛使用的管理協定之一，不用額外花費即可開發管理能.如加拿大研究網絡CANARIE所贊助的UCLPv2計劃，就是以TL1為工具，開發網絡上的通道管理系統.目前荷蘭研究網絡SURFNet贊助了一項TL1Toolkit的開發計劃，提供一個較高階層的應用程序界面，讓控制層程序開發更為容易.TL1登出等程序，將繁雜的TL1語法包裝成容易使用的API，有助于運營人員開發相關網管功能.本論文即以此TL1 Toolkit為工具，開發設備上的通道控制系統[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向工作環境規格.OMG是一個由會員贊助而成立的非營利組織，其目的在推廣物件導向(Object-Oriented)的觀念及使用并致力于加強軟件的可攜性(portability)、再利用性(reusability)以及互通性(interoperability).該組織會員包括了廠商、學術單位及用戶.CORBA發展的原因是為了解決企業的計算機系統在整合各種平臺和作業系統時，能夠有一種一致的標準讓這些不同的平臺、作業系統、以及程序語言可以互相溝通的技術[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言撰寫管理程序，管理程序通過與ORB(Object Request Broker)溝通管理相關設備設定.ORB是連結服務器和用戶端的一組服務，能中介客戶端與服務器端之間的溝通，讓CORBA的運作更加方便.ORB實作了一些特定服務，例如命名服務讓客戶端可以簡單取得服務器物件的相關信息、交易服務可確保程序間溝通的一致性、安全服務可以確保已授權的程序進行相關存取動作，這些服務的實作處理掉繁雜的細節，讓程序間溝通更容易.目前一般設備亦提供CORBA 界面供管理人員開發相關控制程序使用，如CISCO的設備管理軟件CTM(Cisco Transport Manager)即使用CORBA界面開發而成.但CORBA中的ORB套件需付費才可取得[11]，一般開發人員需額外購置相關ORB套件才能使用相關IDL定義檔來開發相關網管程序.

3 通道控制系統

3.1 系統及測試架構

本系統以Linux 為開發平臺，主要利PHP程序語言所開發，結合Shell Script 控制TL1 Toolkit的Perl模塊，后端數據庫使用MySQL Database儲存相關資料.

測試架構包含網絡實驗室中三個SDH節點A、B、C，彼此間以STM64 channel連接，如圖3所示，在基本的點對點連線實驗中，B 與C包含了Ethernet 卡板，其余介接點皆以OC192XFP 或是OC192LR卡板互連，網絡管控服務器則以頻帶外(Out-of-Band)線路通過TL1界面與ONS連線[12]，并將通道狀態記錄并更新于數據庫中.

在管控程序啟動之時，服務器會讀取設定檔以進行初始化程序，在使用者提出連線建立需求后，管理界面query Node通道設定實時信息，計算出目前系統各節點可用之卡版埠號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據庫，同時通過TL1 Toolkit設定通道所經ONS的開關，最后將結果回傳資料給使用者[13-16].

圖3 測試系統架構圖

上述建立連線流程如圖4所示，詳細步驟如下：

1)利用TL1 Toolkit至每個Node Query 實時狀態，找出每個Node上面的slot、port及channel數之使用狀態;

2)依據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絡拓撲;

②自動依據要求的channel，找尋Link上是否有足夠的頻寬.

3)執行最短路徑算法;

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

5)同步數據庫.

圖4 建立連線流程架構圖

3.2 數據庫設計

根據網絡資源管理與分配的概念，可以將各資源(如實體連線、網絡交換器設備、界面卡等)利用程序語言將其物件化，再與數據庫搭配做儲存管理與配置，以實現自動通道配置與管理的技術.數據庫設計方面，我們依據資源設備信息和性質，設計了相關的資料表與欄位.以下逐一說明各資料表與欄位明細,表1為紀錄網絡拓墣環境中所有“鏈結”的信息，包含每一條鏈結上目前已經建立的Virtual Circuit.

表1 Topology(Link)Table

表2為紀錄網絡拓撲環境中所有“節點”的信息，包含每個節點所相鄰的各個節點，以及是否為邊界(下車：Drop)節點.

表2 Topology(Node)Table

表3為建立LPO，并紀錄每一條在鏈結上建立的VC使用狀況.

表3 Link Status Table

表4為紀錄每一次使用者建立連線的需求，包括Request Number，來源到結束的節點，所分配的LPO Number.表5代表RO資源建立的相關信息.

表4 Request Table

表5 Resource Table

表6為TL1所記載卡版的相關信息.

表6 Card Table

3.3 測試方案與測試結果

在網絡實驗室設備上，我們建立了一個測試環境，模擬故障繞徑之功能.如圖5所示，假設Node B 與Node A 之間，有一條STM64線路提供服務，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 測試方案示意圖

在系統中在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，以檢驗系統是否能自動偵測尋找可用頻寬來建立備援連線.由系統的查詢界面，可以看到Node B上的設定信息，在Cross connection處可見已設定好的兩條Cross connections，見圖6.

圖6 Node B設備信息查詢結果

當線路B-A間發生障礙時，我們只需在系統界面上，執行建立連線的指令，系統即會執行以下步驟，見圖7.

圖7 連線建立界面

圖7首先利用TL1 Toolkit到各設備查詢及時狀態，將每個Node之間的可用資源同步至數據庫，由于我們已將B-A連線拆除，同步之后數據庫已無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，由于查詢仍有BC-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，故最短路徑演算結果為(1)(2)(0).找出FreeLPO，利用TL1 Toolkit 至各設備將Crossconnect建立起來.程序會判斷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.最后程序會將資料同步至數據庫，并將所建立之備援連線名稱顯示在網頁上.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建立一個名為”Req1-0-95”的備援連線，證明故障自動繞徑功能可正常運作.雖目前系統可完成自動繞徑之功能，但是對于故障異常的發生，仍須通過人工判斷以觸發此故障繞徑工作，未來若能結合網管信息，根據故障發生的訊息，針對受影響連線進行自動繞徑，將能大幅提升運營的效率并減少運營人力的使用.

圖8 Node B設備信息查詢結果

4 結 語

目前各國在網絡領域研發均以通訊層為重心，預期的未來在網絡實體環境運作成熟后，還會遇到維護和運營時管理問題.智能網絡實驗室的開發讓學研界能在混合網絡中進行相關研究，提升國內學術研究的能量.未來若能結合設備告警與錯誤辨識系統，擷取來自管理層的網絡告警訊息，配合本系統控制設備，自動將受影響的通道以動態重建的方式進行修復，將大幅提升智能網絡的可用率及穩定性，并減少人力，提高維護運營的效率.