世界首座基于Xilinx FPGA 的可编程城市问世 技术, 网络, 无线

苹果也疯狂

在整个城市范围内演示基于SDN的平台非常重要。未来互联网和5G技术会出现在BIO测试平台中，特别是使用目前及当代（即Wi-Fi、LTE和毫米波）无线电接入技术的SDN光主干网基础设施中。令人兴奋的媒体与企业社区贯穿于整个BIO测试平台（图1中的engine shed是创业孵化器的主页，而watershed则是布里斯托媒体社区的主页）。这些社区的成员在用例研究中也作为很好的早期用户群体。他们参与BIO项目，让我们可以获取城市社区的见解和要求。

有线、无线和 RF 网格网络都与技术无关，根据开放式网络理念，使用可实现网络功能虚拟化的 SDN 技术构建而成。名为NetOS的城市操作系统（图 2）也基于SDN原理，将为智能城市提供所需的可编程性与自适应性。NetOS是一种包罗万象的分布式操作系统，跨越终端（甚至更高级的设备，例如移动机器人和无人机）、网络元素以及云/IT资源。这种城域操作系统将基于分布式软件架构应对底层资源的异构问题。NetOS将作为逻辑实体，以分层方式用分布式软件来实现，从而可在基础设施上映射各种服务。

城市基础设施的虚拟化
需要在城市基础设施的顶层支持高度多样化的大量城市应用。例如，有些应用需要大容量和极低的时延。其他应用则消耗非常少的带宽，但需要支持数量非常多的端点。另外，还有些应用对弹性或安全性以及隐私等有很严格的要求。

构建专用基础设施来支持具体的应用，这种方式既不可行也不经济。因此，城市基础设施运营商面临的重要挑战之一就是提供定制的专用网络解决方案代替通用ICT基础设施。当与SDN控制平台集成时，虚拟化就是应对这一挑战的关键技术环节。虚拟化能创建多个共存且隔离的虚拟基础设施；它们能够并行运行,充分满足租户的应用要求。

通过全面分析每个租户在社会政策、安全性和资源方面的要求，就可采用某个网络拓扑组建虚拟基础设施，指明虚拟节点与虚拟链路的互联方式。在虚拟节点及链路中指定性能参数（例如时延）和资源要求（例如网络带宽，计算CPU/存储器）。一般通过对物理资源进行分区和聚合来获得虚拟资源(节点和链路)。因此，可编程硬件基础设施对于支持组成具有高精细粒度和高可扩展性的虚拟基础设施而言非常重要。

在城市环境中，在城市基础设施中部署的设备是异构型的，包括无线/移动、有线、光网络、数据中心/云以及功能性家用电器。要实现无缝业务提供，就必须在多技术、多领域城市基础设施上支持采用虚拟网络功能强化的聚合虚拟基础设施，这样每个租户才能获得城市基础设施中其应有的一部分。不过，目前对这些技术领域的控制与管理都是孤立的。BIO中具有SDN功能的 NetOS 提供一个逻辑集中化的控制平台，其可打通管理壁垒，将不同技术进行桥接。该操作系统可对异构城市设备进行抽象化，隐藏其复杂的技术细节，统一展示基础设施。

白盒技术展望  
开放网络设备或网络白盒，使用非品牌通用模块化可编程硬件平台。这类设备不仅可加载定制操作系统，而且还可按需重新定义网络功能，不受特定厂商设备限制。网络处理器是实现底层网络硬件可编程性的第一步，可充分利用通过软件API定义功能的便捷性。网络处理器是人们所熟知的硬件平台，不仅可提供类似于通用CPU(具有更多硬件资源)的一般可编程特性，而且还可通过编程执行各种网络功能。基于处理器的架构的主要优势在于能够利用C语言等高级语言快速实现网络功能，这对于快速原型设计而言非常有必要。不过，网络处理器没有针对并行工作优化，其对于构建支持高数据速率传输的高性能数据层技术非常重要。

现场可编程门阵列 (FPGA) 是高性能通用处理平台，可利用从晶体管级到IP功能级的可编程性。因此，对于设计和原型设计必须具备高度灵活性及可编程性的网络技术而言，它们是非常受欢迎的平台。

我们正在 BIO 基础设施的多个点中使用已经演变成片上系统 (SoC) 的赛灵思 FPGA ，这些点包括：作为光电白盒的工作节点(见图2)、仿真设施、无线LTE-A实验设备以及物联网平台。BIO使用由现场可编程门阵列(FPGA)和光学(交换与处理等)部件构成的可编程、可定制网络白盒。这些盒子支持高容量数据处理与传输、功能可编程性与虚拟化，可通过SDN接口进行深度控制。图3是基于FPGA的平台；该平台不仅能够以可编程的方式容纳多种功能，而且还能够与可编程光电部件连接。[5]

FPGA具备多种优势，包括：通过功能的可重编程实现硬件重用，升级更加简便，而且设计到部署的周期比专用标准产品(ASSP)更短。

网络白盒的光电部件采用一个光学背板，以便将一系列光电功能模块插入到诸如放大、多播、波长/光谱选择、信号添加/丢弃等光学功能中。重要的是，输入和输出链路要与节点提供的所有功能去耦，以提高灵活性、效率和可扩展性，而且可在服务过程中实现无损重用，从而最大程度减少破坏性的部署周期。

基于ZYNQ SOC的仿真平台  
为了扩展BIO设施的功能以对更大更现实的情景进行实验，我们在BIO中部署了一个网络仿真器。该平台能实现网络仿真以及资源虚拟化和虚拟基础设施构成技术，以实施高级网络、云计算方面的研究。这个仿真平台还采用本地和远程实验室设施以及分布式研究基础设施(网络与计算)。图4展示了位于Bristol Is Open基础设施核心的多层、多平台仿真设施。

该仿真设施提供一系列功能，用以加强与 BIO 城市网络和其他远程互联实验室联合进行的网络研究：
1. 节点与链路仿真：该平台可仿真多种网络元素，例如有线和无线领域的路由器和交换机，以及具有各种物理属性的互联链路。

2. 协议仿真：无论是集中式还是分布式，网络节点都要依靠协议进行通信。能够对网络技术进行精确建模的仿真设施允许用户或研究人员尝试不同通信协议并大规模研究其行为。

3. 流量仿真：根据仿真情景(无线网络、数据中心网络等)的不同，可以生成具有任意间隔和操作速度（从数Mb/s到数Tb/s不等）的流量模式，并应用于相应的仿真或物理网络。

4. 拓扑结构仿真：使用 BIO 仿真设施可得到目标节点与链路的任何拓扑结构。这样，用户就可以在部署和安装之前对真实网络结构上相应技术的各个方面进行全面检查。

与提供计算机主机仿真环境的其他设施不同，BIO的独特之处在于包含了可编程硬件(FPGA、网络处理器)，以及到多技术测试平台的动态灵活的连接功能，以及丰富的专用连接基础设施。可编程硬件和外部互联的使用让用户可以大规模精确仿真网络和计算技术的功能与性能，并用它们来综合具有代表性的复杂系统。凭借FPGA的并行处理能力和高速I/O， BIO可以大规模精确仿真当前的或实验的网络技术和拓扑结构，有线或无线均可。

网络仿真器使用大量高级网络和IT技术。FPGA群、服务器群和L2/L3可编程网络设备是网络设施的主要构建块，使用户可以构建数据层和控制层中的各种网络技术（如虚拟化、SDN和NFV、资源/工作负载分配工具和算法等），并对其进行实验和使用。

仿真器通过10、40和100Gbps端口连接到BIO城市网络。仿真网络可以使用标准数据层协议（例如以太网、OTN和Infiniband）或定制的和专有的协议与其他网络域实现互联。

仿真器使用赛灵思的ARM Zynq-7000 All Programmable SoC平台，该平台是一款单芯片的FPGA器件。算法加速是Zynq SoC的目标用例之一，也就是将用于资源分配、路径计算和负载均衡等的计算密集型任务交给基于FPGA的并行处理技术来执行。硬件辅助式网络功能虚拟化是我们在 BIO 中使用Zynq SoC平台的另一个实例，目的是运行性能要求较高的虚拟网络功能(VNF)，例如深度数据包检测、服务控制与安全等。基于Xen的ARM内核虚拟化还有助于在相同SoC芯片上运行多个操作系统。这样，BIO就可让多个操作人员在相同设备上托管他们的VNF，并可对并行硬件计算资源实现共享和/或专用访问，以提高性能。

实验即服务  
城市运行方式日新月异。BIO使用数字技术创建了一个开放的可编程城市，能为市民提供更多的方式来参与城市生活和促进城市运转。我们称之为“城市实验即服务”。开放的方式能指导我们的采购活动、数据管理以及我们所使用的软硬件。开放意味着BIO利益相关方能主动与其他城市、科技公司、高等学校和市民分享我们学到的知识。



图 1 – Bristol Is Open光纤网络将活动核心节点放在城市中的四个位置。HPC设施和仿真通过网络核心访问。无线技术(802.11ac、802.11ad、LTE、LTE-A)由中心展开。



图 2 – NetoOS是一个基于SDN的平台，构建于多层结构之中，可与网络、IT和物联网技术进行通信。该平台原生支持数据收集、虚拟化、信息建模并可连接第三方应用。


图 3 – Bristol Is Open的网络白盒围绕赛灵思FPGA构建而成。


图 4 – Bristol Is Open中的仿真设施包括以FPGA和网络处理器为主要形式的可编程硬件。