云计算技术助力智慧无线城市的建设

时间:2019-09-27

 

　　1 背景分析
　　
　　随着移动终端和互联网的迅猛发展，人们对于无线网络的使用需求日益增强，与此同时，我国的智慧城市建设逐步提速，作为智慧城市核心基础之一的城市级无线（Wi-Fi）网络覆盖，也进入大规模建设期，这对无线城市相关的核心技术及方案提出了更高的要求。
　　
　　城市级无线（Wi-Fi）网络覆盖的核心技术组件是无线网络控制器（Wi-Fi Network Access Controller）及相关网络流量控制，该核心组件的产品设计和技术形态是直接影响无线城市建设的关键所在。
　　
　　本文论述了大规模云计算技术在智慧城市无线网络覆盖中的创新应用，技术阐述以及趋势展望。
　　
　　2 行业技术
　　
　　目前行业内建设城市级无线网络覆盖的无线（Wi-Fi）网络产品和技术方案大致可分为两类。
　　
　　2.1 硬件无线控制器（AC）和无线接入点（AP）设备进行无线网络建设
　　
　　此类产品和技术方案采用硬件 AC 设备和 AP 设备进行局端无线网络的搭建（如图 1 所示），依据硬件 AC 接入管理能力不同，单一局端所能搭建的 AP 设备数量从几百到上千台不等，相对于中大型无线城市全覆盖的 50 万 + 台 AP 设备数量级需求，有如下局限性和弊端：
　　
　　（1）网络铺设成本高，硬件 AC 设备售价高，单一局端至少需铺设 2 台以上（主备）；（2）局端所能接入和管理的 AP 设备数量少，较难满足中大型无线城市需求：
　　
　　（3）难以一体化管理，运维和运营；（4）互联网部署可靠性差，单点故障发生率高；（5）扩容难度高，可扩展性差。
　　
　　2.2 安装软件无线控制器（AC）的服务器和无线接入点（AP）设备进行无线网络建设
　　
　　此类产品和技术方案采用软件 AC 服务器和 AP 设备进行跨互联网的无线网络搭建（如图 2 所示），依据服务器硬件配置不同，软件 AC 所能接入的 AP 设备数量从上千至近万台不等，相对于中大型无线城市全覆盖的 50 万 + 台 AP 设备数量级需求，依然有如下弊端和局限性：
　　
　　（1）扩容难度依然较大，可扩展性欠佳；（2）容灾能力较弱；（3）一体化管理，运维和运营依然无法实现。
　　
　　上述两类无线网络产品和技术方案各有弊端以及局限性，均无法很好地满足城市级大规模无线网络的建设，日常运营和运维等需求。行业内需要一种创新的产品和技术方案，兼具低成本、高效率、一体化管理、运维和运营等优势，最大程度降低无线城市建设的资本性支出（CapitalExpenditure,CAPEX） 和 运 营 成 本（Operating Expense,OPEX），为终端用户提供最佳的网络使用体验。
　　
　　3 方案论述
　　
　　结合行业内现有产品和技术方案的分析结果，斐讯创新地将大规模云计算技术（Cloud Computing），以及相关基于云计算的软件定义网络技术（Software-Defined Network,SDN）和智能数据（Data Intelligence）应用于智慧无线城市的建设，运维和运营中。在满足大规模无线城市建设需求的同时，最大程度地降低了资本性支出（CAPEX）和运营成本（OPEX），并提供一体化管理、运维和运营的可能性，实现为终端用户提供最佳网络使用体验的目标。
　　
　　斐讯智慧无线城市网络产品是以标准的分布式云计算模式打造而成，将云计算领域核心技术创新地应用于无线城市中，其中包括多地容灾、计算和网络资源虚拟化、一体化运营等，以及基于云计算技术衍生的软件定义网络和智能数据分析等技术，综合为无线城市提供 50 万 + 的 AP 设备接入和管理能力。本文对上述技术点进行依次论述。
　　
　　3.1 多地容灾
　　
　　稳定性和可靠性是无线城市网络服务的重要基石，特别是对容灾能力方面提出了严格的要求。斐讯无线城市解决方案通过多地数据中心（IDC）的部署架构，在无线网络的容灾能力具有强有力的保障。
　　
　　AP 设备通过基于 TCP/IP 协议的长连接技术（Persistent1为终端用户提供稳定的网络服务（如图 3 所示）。
　　
　　其中：
　　
　　（1）AP 设备主动向云端 AC 系统域名发起连接请求，由智能 DNS 服务转译至所处区域最近的数据中心节点，接入云端 AC 系统（图中实线标识）；（2）在 AP 设备所在区域的数据中心机房发生故障时，智能 DNS 服务将 AP 设备的连接请求转译至临近区域的数据中心节点，达到容灾的效果（图中虚线标识）；（3）智能 DNS 技术感知数据中心故障节点的同时，也具备感知正常运行的数据中心节点的容量信息的能力，包括计算资源容量、网络资源容量等，作为智能转译策略的依据；（4）数据中心节点均配备多条网络线路，进行冗余保障；（5）数据中心节点之间采用高速专线进行数据同步传输，进行数据一致性保障。
　　
　　3.2 虚拟化技术
　　
　　虚拟化技术是现代云计算数据中心普遍采用的灵活和充分利用计算和网络资源的技术手段。斐讯智慧无线城市方案中的云 AC 产品从设计之初即完全基于云计算虚拟化技术特点出发，充分利用虚拟化技术的核心特点和功能，延伸至城市级无线网络应用之中，并在无线网络中的多租户、弹性扩容、负载均衡，网络流量管理和智能预测等方面形成创新型应用，为终端用户实现最佳无线网络体验。
　　
　　云计算数据中心虚拟化技术十分复杂，本文对其仅作概述，如图 4 所示：
　　
　　云计算数据中心虚拟化分别针对计算，存储和网络对象，采用虚拟化软件（例如 VMWare、OpenStack 等），通过虚拟化管理平台，对单一中心的所有资源进行统一管理，实现快速资源分配、批量调度、资源池级保护和跨数据中心协同等功能。
　　
　　斐讯无线网络产品云 AC 的架构设计实现了分布式体系，即系统的不同功能组件可独立部署在不同的（虚拟）服务器之中，这对充分利用云计算虚拟化资源提供了基础，如图 5 所示：
　　
　　长连接服务器。该功能模块通过负载均衡技术，与 AP设备建立长连接通道，并将业务报文分发至上层各类功能模块集群。该服务器集群具备线性扩展能力，可依据实际业务需求动态无缝扩容。
　　
　　设备管理模块。该功能模块管理所有接入的 AP 设备，包括设备状态变更，配置下发等。该服务器集群具备主从保护能力，通过主备切换可实现无缝扩容。
　　
　　数据管理模块。该功能模块管理所有接入 AP 设备上报的业务数据，包含终端相关数据，AP 设备运行数据等。
　　
　　该服务器集群具备主从保护能力，通过主备切换可实现无缝扩容。
　　
　　信令管理模块。该功能模块管理所有接入 AP 设备的信令业务，包括终端漫游、AAA 业务等。该服务器集群具备主从保护能力，通过主备切换可实现无缝扩容。
　　
　　数据库、缓存、日志、消息模块。该功能集包括数据库、全局缓存、分布式日志和高速消息中枢等功能。该服务器集群具备主从保护能力，通过主备切换可实现无缝扩容。
　　
　　Portal Server 模块。该功能模块提供终端用户 Portal 认证服务。
　　
　　该服务器集群具备主从保护能力，通过主备切换可实现无缝扩容。
　　
　　RADIUS 模 块。 该 功 能 模 块 为 AP 设 备 提 供 标 准 的认 证、 授 权 和 计 费 功 能（Authentication,Authorization andAuditing,AAA）。该服务器集群具备主从保护能力，通过主备切换可实现无缝扩容。
　　
　　主控模块。该功能模块为云 AC 的中央计算模块，处理核心业务逻辑以及提供管理页面。该服务器集群具备主从保护能力，通过主备切换可实现无缝扩容。
　　
　　上述云 AC 功能模块集群在斐讯无线城市方案中均以虚拟服务器的方式部署在数据中心的资源池中，其日常监控和管理均由虚拟层管理系统完成。
　　
　　云 AC 基于 Docker 技术对应用依赖封装完整，同一镜像可重复的在测试、集成、生产等环境部署，做到“一次构建，处处运行”,适用于持续集成、持续部署流程。容器的调度由自主研发的 CAP（Cloud APPlication Platform）来控制，并会根据应用配置的策略来进行调度；在创建容器的时候，会根据规格、镜像、机房和交换机等策略来进行创建；创建完容器后，又会根据数据库策略、负载策略、监控策略等来进行注册；在弹性调度中，除了根据容器的资源情况，如CPU和连接数，还会接合应用的TPS性能等等来综合考虑，进行弹性伸缩。调度方面，不仅会考虑容器内进程，容器所在机器以及容器本身当前的实时状况，还会对它们的历史状况进行考察。一旦缓存实例触发内存过大流量过高等扩容条件，系统会立即执行扩容任务创建新的容器分摊容量和流量，为保证服务质量，缓存实例只有在过去一段时间指标要求持续保持低位的情况下才会缩容。在弹性伸缩的过程中，会采用 Linux TC 相关技术保证缓存数据迁移速度。
　　
　　3.3 多租户功能
　　
　　无线城市的实际应用中，会将无线网络租赁给各业务合作方进行管理和运营，这就对无线城市产品提出了多租户的功能需求。斐讯无线城市产品提供了基于云计算虚拟层技术的多租户方案，为无线城市合作各租户提供了操作系统层面的隔离，在保证安全性的同时，最大程度地确保了租户的管理和运营体验，为无线城市相关工作的顺利开展提供支撑。
　　
　　多租户概念如图 6 所示，主要分为三种模式，隔离性由强至弱：
　　
　　3.3.1 独立系统模式
　　
　　该模式各租户完全隔离，独享各自的应用和数据库实例，相互无干扰，但共享网络资源，此为多租户应用场景中隔离性最强的方案。
　　
　　3.3.2 共享应用模块
　　
　　该模式各租户的数据库完全隔离，但共享应用实例，通过应用层逻辑进行隔离，共享网络资源。
　　
　　3.3.3 共享应用和数据库模式
　　
　　该模式各租户完全共享应用，数据库和网络资源，为多租户应用场景中隔离性最弱的方案。
　　
　　斐讯无线城市产品方案采用多租户应用中隔离性最强的系统性隔离方案，为每个租户新增全套系统实例，即 主控模块，信令管理模块，数据管理模块，设备管理模块，数据库，缓存，日志和消息服务集群。通过租户管理系统对全局租户进行统一管理，通过虚拟层管理系统实时新增，调动，回收资源。
　　
　　3.4 负载均衡
　　
　　无线城市对接入和管理的 AP 设备数量有很高的要求，中大型的无线城市项目接入 AP 数量均在几十万的量级，对于这样的需求，负载均衡技术的采用是必然的，也是云计算应用的典型场景之一。斐讯无线城市产品采用多级负载均衡的模式，在有限的计算和网络资源条件下最大程度提升接入和管理的 AP 设备数量。
　　
　　多级负载均衡技术如图 7 所示：
　　
　　其中：
　　
　　AP 设备通过统一域名向云 AC 发起接入请求；通过位于互联网的智能 DNS 设备，将域名转译至具体IP 地址，该转译过程依据智能 DNS 内预置的负载均衡策略；数据中心网络入口配有硬件负载均衡器，将网络请求按需分发至不同的资源池；资源池网络入口配有软件负载均衡器，将网络请求按需最终分发至不同的应用服务器；斐讯无线城市产品使用 F5 作为硬件负载均衡器，以及推荐 Ngnix 作为软件负载均衡器。
　　
　　3.5 网络流量管理和智能预测
　　
　　为了使终端用户体验更高质量的网络服务，斐讯无线城市产品提供了基于软件定义网络技术（SDN）的网络流量监控和按需调度等功能，如图 8 所示：
　　
　　其中：
　　
　　AP 设备将终端接入数，流量信息等数据实时上报给云AC;云AC依据所有接入AP设备上报的实时数据，进行分析，判断 AP 设备群所在的局端对网络流量的实时需求；依据按需分配的原则，云端的 SDN 网络控制器对局端SDN 交换机进行实时流量控制，包括增加带宽分配，限制终端网速等措施，确保终端用户的最佳网络体验；在数据分析和流量管理的基础之上，斐讯无线城市产品提供人工智能模型平台，供无线城市运营者安装所需的网络流量预测模型，进一步提升网络流量管控质量。
　　
　　4 一体化管理
　　
　　除了上述章节论述的产品功能、管理、运维和运营也是无线城市的关键所在。一体化的管理、运维和运营系统不仅可以帮助无线城市运营者更迅速地掌握网络实时状态和信息，更有助于快速排除网络故障等工作，为用户提供更高质量的网络服务。
　　
　　云计算是一体化管理的重要基础，如图 9 所示：
　　
　　其中：
　　
　　斐讯无线城市产品提供基于云端的 Web 页面，基于移动端的 APP 和 H5 一体化管理界面；移动端 APP 具有告警 / 事件推送功能：
　　
　　移动端 APP/H5 同时具备移动运维功能，即工程人员只需携带安装无线网络管理 APP 的智能手机或 Pad,前往故障AP 设备处，通过本地网络连入设备，下载日志，升级版本，排除故障等。
　　
　　斐讯无线城市产品运营和管理系统也实现分级管理模式，如图 10 所示：
　　
　　5 结 语
　　
　　智慧无线城市为广大终端用户提供优质的无线网络服务，使大家畅游互联网享受便捷生活。随着我国智慧城市建设加快步伐，城市的无线网络覆盖需求也日趋增长，行业内现有的产品和解决方案无法很好地满足大规模无线城市的建设和运营需求。
　　
　　斐讯推出的智慧无线城市产品，基于分布式云计算体系打造，将云计算核心技术包括多地容灾、资源虚拟化、弹性扩容、多租户、负载均衡、网络流量管理和预测等应用于无线城市的建设和日常运营之中，为终端用户提供优质无线网络服务的同时，最大程度降低无线城市项目的资本性支出和运营支出，最大程度提升经济效益和社会效益。
　　
　　随着我国 4G、4G+ 和 5G 移动通信网络的逐渐大规模铺设，未来的无线城市将呈现 Wi-Fi 与移动通信技术混合并存的局面，斐讯将不断探索和完善大规模智慧无线城市的产品和解决方案，领先同行，造福社会。
　　
　　参考文献
　　
　　[1] 高峰 , 高泽华 , 文柳 , 等 . 无线城市：电信级 Wi-Fi 网络建设与运营（第二版）[M]. 北京 : 人民邮电出版社 ,2012.
　　
　　[2] 罗军舟 , 金嘉晖 , 宋爱波 , 等 . 云计算 : 体系架构与关键技术 [J]. 通讯学报 ,2011.
　　
　　[3] 张先哲 . 分布式系统中的负载平衡检测与优化策略研究 [D]. 开封 : 河南大学 ,2009.

 

 

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