普适计算环境下的网络管理

刘明菊 王元龙 姬厚涛 鱼佳欣

解放军63898部队 河南 454650

0 引言

随着计算机、网络、移动通信、嵌入式等技术的蓬勃发展，信息技术的软件和硬件环境均发生了巨大的变化，这种变化使得由通信和计算机构成的信息空间与人们生活和工作的物理空间逐渐融为一体。在这种背景下，普适计算应运而生。与此同时，如何管理普适计算环境下的网络成为一个亟待解决的难题。

1 普适计算基本概念

“普适计算(Ubiquitous Computing)”思想最早是在1991年由美国施乐公司的Mark Weiser在《Scientific American》的“The Computer for the 21st Century”中提出。他指出“无所不在的计算”就是到处都有计算存在的意思，并认为信息技术将融入并消失在日常生活中。该思想一提出就得到广泛关注和接受。1999年，IBM进一步提出普适计算(Pervasive Computing)的概念，即无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式，无论何时何地，只要需要，就可以通过某种设备访问到所需的信息。它是集移动通信技术、计算技术、计算设备软硬件技术等多种技术于一体，通过将计算设备嵌入到人们生活的各种环境中，使通信、计算和信息访问在任何时候、任何地点都成为可能，为使用者提供更加人性化的服务。

2 网络管理模型

随着计算机网络规模的扩大和网络复杂性的增加，网络管理在计算机网络系统中的地位越来越重要，在普适计算下，网络的异构性、设备的复杂多样性、连接的间断性等更是对传统的网络管理模型提出了更高要求。

2.1 主流的网络管理模型

(1) 基于TCP/IP的SNMP模型。SNMP由一系列协议组和规范组成，它们提供了一种从网络上的设备中收集网络管理信息的方法。SNMP的体系结构分为SNMP Manager和SNMP Agent，每一个支持SNMP的网络设备中都包含一个网管代理，网管代理随时记录网络设备的各种信息，网络管理程序再通过SNMP通信协议收集网管代理所记录的信息。

(2) 基于OSI的CMIP模型。CMIP协议是在OSI制订的网络管理框架中提出的网络管理协议，是一个完全独立于下层平台的应用层协议，它的五个特殊管理功能领域由多个系统管理功能(SMF)加以支持。相对来说，CMIP是一个相当复杂和详细的网络管理协议。它的设计宗旨与SNMP相同,但用于监视网络的协议数据报文要相对多一些。迄今为止,还没有任何一个符合CMIP的网络管理系统。

2.2 新型网络管理模型

(1) 基于策略的网络管理。IETF提出了基于公共开放式策略服务(Common Open Policy Service,COPS)协议和轻量级目录访问协议(Lightweight Directory Access Protocol,LDAP)

实现的两层策略管理的参考模型，如图1所示。

图1 基于策略的网络管理系统结构

由四个核心组件构成：策略管理工具(PMT)，是网络管理人员定义和编辑策略的一种管理工具；策略库(PR)，用于保存策略的目录服务器；策略决策点(PDP)，负责通知交换机和路由器该如何处理不同类型的流量；策略执行点(PEP)，即策略Agent与嵌入式Agent，它是通过访问列表、队列管理算法和其他方式执行策略的网络设备，如被策略激活的交换机或路由器等。尽管PBMN提供了一个相对于传统方法更为灵活的管理概念，但由于其自身的复杂性并没有得到广泛的应用。

(2) 基于Mobile Agent的网络管理。Mobile Agent可以将个性化的计算移动到资源端的服务器上运行，并能够自主迁移，具有移动性、自治性、智能性等优点。因此，基于Mobile Agent的网络管理模型能够改善网络管理系统的整体性能和可扩展性，克服了传统集中式管理的主要缺陷。

(3) 基于CORBA的网络管理。CORBA(Common Object Request Broker Architecture，公共对象请求代理体系结构)是对象管理组织OMG(Object Management Group)为解决分布式处理环境下硬件和软件系统的互连互通而提出的一种解决方案。基于CORBA的网络管理采用的是分布对象技术，将所有的管理应用和被管元素都看作分布对象，它们之间的交互就构成了网络管理。此方法最大的特点是屏蔽了编程语言、网络协议和操作系统的差异，提供了多种透明性。它的一般模型如图2所示。

图2 基于CORBA服务的网络管理体系结构的一般模型

(4) 基于Web的网络管理。基于Web的网络管理的主要优点有：提供了地理上和系统上的可移动性，具有统一的网络管理程序界面，网络管理平台具有独立性，网络管理系统之间可无缝连接。实现Web的技术有多种，最常用的是使用描述WWW页面的语言HTML，另一个关键技术是通过Web浏览器访问数据库，还有一个重要的技术，即Java语言。

有人敲门，楚墨去开，楼上陈老太太满脸堆笑地站在门口。老太太捧一个大汤盆，对楚墨说：“晚上熬了银耳粥，吃不了，送些给你们。楚墨你烟抽得太凶，得经常清清肺。”

(5) 基于XML的网络管理。基于XML的网络管理的主要思想是，利用XML强大的数据表示能力，使用XML文法描述管理数据和管理操作，使管理信息能为计算机所理解，提高计算机对网络管理数据的处理能力，从而提高网络管理能力。

3 普适网络管理

3.1 网络特点

普适网络由上而下可以划分为业务网络、核心网络、接入网络、末梢网络等，是网络设施、业务系统、终端和应用的融合，广泛采用RFID、人机交互、上下文感知计算、多接入、移动性管理、网络安全、网络管理等关键新技术。总体来说，普适网络主要有以下特点：业务丰富多样；网络协同、融合；终端普适智能；产业链互动增强。

3.2 网络管理框架

3.2.1 普适网络管理框架

图3 普适网络管理框架

如图3所示，普适网络管理框架由三个层面组成：组合管理服务层、管理服务组合层和管理服务层。每一层都有支撑该层功能的相应的功能逻辑实体。

(1) 组合管理服务层位于该管理框架的顶端，它为各种用户角色提供组合管理服务。当用户发现满足管理需求的管理服务时，该层负责对相应的管理服务提供单元调用执行；若用户通过使用该层提供的管理服务不能满足其管理需求时，该层将通过管理服务组合层完成服务的组合。

(2) 管理服务组合层完成了服务的组合功能，定义了服务组合中的功能实体，并规定了功能实体间的消息流程。管理服务组合层包括的功能实体有：注册功能、授权功能、组合策略功能和组合执行功能。

(3) 管理服务层是无线普适网络管理框架对管理服务组合的支持的基础。它把开放出来的管理服务能力看成一个整体，根据管理对象的分层结构，划分为四个单元：市场/产品/客户管理、业务管理、网络管理和供应商/合作伙伴管理。这四个单元实际上对应的是四组不同层次的管理功能集。

SOA(Service-Oriented Architecture,面向服务架构)概念模型的核心思想是服务请求者和服务提供者之间的交互，主要角色包括服务请求者、服务提供者和服务代理。

如图4所示，基于SOA的普适网络管理参考模型由授权中心、管理服务发现代理、管理服务提供者、管理服务使用者、管理服务注册中心和X实体组成。

图4 基于SOA的普适网络管理参考模型

管理服务都需要在服务注册中心按照管理服务注册合约进行登记。管理服务注册合约除了管理服务合约外，还包括诸如授权、使用条件以及拥有者等信息。管理服务提供者在授权中心取得授权后，向相应的管理服务注册中心发布合乎质量要求的管理服务，以供管理服务请求者使用。授权中心负责管理授权职能，包括对管理服务注册中心、管理服务提供者和管理服务使用者进行授权，为普适网络管理服务提供安全管理保障。

管理服务请求者在运行时可通过管理服务发现代理寻找管理服务注册中心，以查找所需要的管理服务；在授权中心取得授权后，在管理服务注册中心获取进一步的信息，进而使用管理服务提供者所提供的管理服务。

管理服务注册中心提供查找机制，即对管理服务请求者所提出的管理服务请求，按照服务合约等进行查找，若查找成功且在验证服务请求者具有相应的权限后，向其提供管理服务的地址等信息，管理服务提供者接到请求后按合约提供服务。

X实体是支持动态协作、管理服务组合的核心，它负责管理服务的组合、发布和提供。它能够作为管理服务的使用者，利用各个管理服务提供者提供的管理服务，根据需要，组合成丰富的新的管理服务，在授权中心授权后，将其发布在管理服务注册中心上；同时它也能够作为管理服务的提供者，当其它管理服务使用者使用组合管理服务时，它便以提供者的方式出现。X实体应能提供上下文信息处理逻辑，能够根据上下文信息智能地提供管理服务。

参考3GPP的管理模型，定义了四类管理实体，即ES(Enterprise Systems，企业系统)，NM(Network Manager，网络管理者)，DM(Domain Manager，域管理者)，E-OS(External Operating System，外部运行系统)。ES，NM，DM既是管理服务提供者，也是管理服务使用者。E-OS一般为管理服务使用者，NM还可以同时是X实体的具体实现。

4 研究热点及发展方向

普适计算的研究受到国内外研究机构和产业界的高度重视。国际上普适计算的里程碑事件：1999年开始的Ubicomp国际会议；2000年开始的Pervasive Computing国际会议；2002年IEEE Pervasive Computing期刊的创刊。从20世纪90年代开始，许多相关的研究计划纷纷启动，例如美国麻省理工(MIT)的Oxygen计划、英国剑桥(Cambridge)大学的Sentient Computing、惠普(HP)的CoolTown、英特尔(Intel)的Guide、欧盟资助的Disappearing Computing等。

国内的研究主要在普适计算环境中间件、普适计算中私有信息保护问题、普适计算环境的协调管理、软件结构、觉察上下文计算、人机界面几方面展开。中国科学院软件研究所正开展“无处不在计算环境下智能人机交互研究”。北京大学成立了普适计算实验室，目前开展的研究侧重在开发和设计通用的信息访问和传送平台，存在论工程和基于存在论的语义网页，自适应代理系统的结构，应用于科学、工程和国防的基于知识的系统。

普适计算环境下的网络正在形成以互联网为核心，以多种无线网以及移动网为接入的更加广泛的异构集成网络。网络协议功能更强，以满足不同数据通信特点的应用，同时IPv6的应用会大大增加网络地址范围，在可预见的未来为每个设备提供网络地址。从网络带宽上来看，有线主干网逐渐采用光纤，802.11、蓝牙(Bluetooth)逐渐成为无线局域网的常用标准，移动网正在向3G、4G甚至5G演变。

5 结束语

普适计算是对计算模式的革新，对它的研究还在不断开展，但是已显示了巨大的生命力和深远的影响。在新的计算模式推动下，网络管理也正向着综合集中化管理发展，采用分布式结构，有利于运营商业务的快速展开，降低管理成本，提供给高层集中的信息并保证FACPS管理功能有效地完成。因此，综合、集中、自动、智能化是未来网络管理发展的方向。

[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] 王志国,万晓冬.基于普适环境的无线传感器网络研究[J].工业控制计算机.2010.

[6] 王海涛,宋丽华.普适计算——新一代计算模式和理念[J].电信科学.2008.