世界首座基于Xilinx FPGA 的可编程城市问世

　　英国布里斯托成为智能城市技术试点城市。Bristol Is Open 项目是物联网发展过程中的生活实验室。

　　到 2050 年，世界人口将达到 90 亿，城市居民占 75%。英国已经有 80% 左右的人口居住在城市地区，因此英国需要确保城市适应数字时代要求。智能城市有助于打造出高效、可持续发展、更清洁的环境、更高品质的生活以及繁荣昌盛的经济。

　　为此，布里斯托大学和布里斯托市共同创办的 Bristol Is Open （BIO） 合资企业与行业、大学、当地社区及当地和国家政府部门开展通力协作。Bristol Is Open （www.bristolisopen.com）正在推动这座拥有 50 万人口的英格兰西南部城市成为世界第一座可编程城市。

　　布里斯托将成为生机勃勃的全新工业物联网（即智能城市基础设施组成部分）市场的开放式测试场。Bristol Is Open 项目在很多开发及部署领域采用赛灵思 All Programmable FPGA 器件。

　　智能城市的愿景

　　智能城市利用信息和通信网络以及互联网技术来解决城市难题，旨在大幅改善宜居性和资源可持续性。预测显示［1］，全球智能城市产业到 2020 年市值将超过 4000 亿美元，预计英国至少占 10% 的份额，即 400 亿美元。英国政府对智能城市的投资包括：为英国研究委员会资助的智能城市研究活动投资的 1.5 亿美；五年内为技术战略委员会在伦敦建立的全新未来城市发展中心指拨的 7900 万美元；今年年初为未来城市示范项目投资的 5200 万美元；以及近期为物联网 （IoT） 研究与示范项目投资的 6300 万美元。

　　Bristol Is Open 正在示范构建一个城市规模研究与创新的测试平台。目标是推动未来智能城市的数字创新：使开放式可编程社区成为 21 世纪后五十年的标准。

　　BIO 测试平台配备业界领先的可编程网络技术，并采用名为 NetOS 的全市范围 *** 作系统，允许智能城市应用与城市基础设施进行交互，以针对网络功能进行编程、虚拟化和量身定制，进而获得最佳性能。赛灵思器件可作为高性能通用平台，用在城市中包括有线、无线和 IoT 网络基础设施以及仿真设施在内的众多节点上。

　　下面我们来了解一下这种新型城市社区，先看看可编程城市的整体愿景。然后，我们将深入了解布里斯托项目如何利用赛灵思器件构建城市“白盒子”并提供各种网络功能。

　　未来智能城市

　　未来十年全世界将产生 100 多座 100 万人口的城市 ［2］，同时，在这十年里，人口向城市的不断涌入将使城市居民数量每年增长 6000 万。［2］ 因此到 2050 年，世界上将有超过 70% 的人口居住在城市里。另外，考虑到城市只占世界 2% 的陆地面积，却消耗约四分之三的资源，因此当前的城市化会带来诸多经济和社会挑战，并对城市基础设施形成压力。不断发展的城市将不得不应对各种挑战，以保持经济发展、环境可持续性以及社会d性。

　　解决方案是让城市更智能。尽管智能城市没有绝对性定义，但智能城市的运行却有几个被广泛认可的关键方面。［3］它们包括：

　　• 以市民为中心的服务交付，包括优先考虑市民需求。

　　• 结果/绩效的透明度，使市民可以对

　　每个机构和每个区域的绩效进行对比和评判。

　　• 智能物理基础设施，使服务提供商能够高效管理服务交付、数据

　　收集和数据分析。

　　• 一个数字安全的开放式现代化软件基础设施，可让市民在需要时访问他们所需的信息。

　　智能城市的技术驱动因素灵感来源于物联网；Gartner 数据 ［4］ 显示，到 2020 年物联网设备的安装数量将增长到 260 亿台。相比之下 2009 年的安装数量为 9 亿台，总数实现了将近 30 倍的增长，技术和服务营收超过 3000 亿美元。智能城市大规模部署 IoT 技术，不仅可使从传感器和设备采集的数据出现在生态系统中，而且还可促进对数据的分析并将命令反馈至控制城市功能的执行设备中。

　　从感应和分析角度来看，信息可回送到城市基础设施的执行设备中，以动态控制运行状况。在这种方式下可以：利用智能交通设施实现无人驾驶汽车；利用智能照明技术获得更高的能效；针对不同时间（白天和季节性变化）管理网络资源；根据事件调动资源，例如体育赛事需要高质量广播及新闻报道；以及有效处理紧急情况（城市疏散）。

　　可编程城市与智能城市

　　智能城市意在通过探索网络、IT 和云技术，以更经济有效方式改善和加强为市民提供的公共和私有服务。为达此目标，智能城市需要大量使用从市民、环境、汽车以及城市中一切事物中收集到的数据。所提供的数据越多，对城市运行的分析就越准确，从而可以设计并推出智能城市服务。

　　就网络基础设施而言，进行整个城市数据的检索和处理意味着需要收集、聚合大量传感器数据并传送到计算设施（数据中心）中进行存储和可能的处理。应用情景和类型的多样化就智能城市中的网络和计算基础设施要求方面提出了重大挑战。城市中原有的信息与通信技术 （ICT） 基础设施会成为智能城市运行的主要瓶颈，因为它们不具备所需的容量、灵活性和扩展性，因而无法保证高资源要求的新兴智能城市技术具备足够扩展性以满足未来需求。

　　可编程网络技术提供的独特功能可提高智能城市运行性能。这些技术采用开放的软件和硬件平台，用户可针对不同用例要求对平台进行编程以量身定制网络功能。改善网络中的控制、监控和资源分配是部署可编程网络的明显优势。更为重要的是，可编程技术有助于网络与 IT 设施的集成，提高应用感知。

　　软件定义网络 （SDN） 是可编程网络的主要支持因素之一。SDN 的基础在于将基础设施控制与数据层进行去耦，这样不仅可显著简化网络管理和应用开发，同时还允许在网络中部署用于实现网络功能的通用硬件。

　　基于 SDN 的简化可扩展网络管理还可为网络虚拟化提供极大的帮助。网络虚拟化本质上可帮助相互隔离的多个用户通过共享物理资源进行工作，从而可减少安装附加物理硬件的需求。网络功能虚拟化 （NFV） 是比较新的虚拟化创新技术，可通过软件实现商业硬件的网络功能。防火墙、深度数据包检查、负载平衡等网络功能以可插拔软件包的形式在通用机器上部署，从而能够以特别低的成本加速网络服务部署。

　　除了软件驱动网络以外，硬件和基础设施的可编程性也将提高，进而超越固定功能硬件数据层的范畴。向数据层添加高级可编程性以及更高级的功能性，并通过标准软件 API 进行访问，这样能够更加智能和高效地管理网络资源，以加快创新速度。

　　Bristol is Open：愿景与架构

　　2013 年启动的 Bristol Is Open 项目不仅得到了当地、国家以及欧洲各界政府的资助，而且还得了私营经济的资助。BIO 已经交付了有助于智能城市和物联网发展的研发举措。

　　BIO 的目标是成为生活实验室——实现城市数字创新的研发实验基地。它提供一个用于为信息与通信基础设施开发和测试全新解决方案的多租户管理平台，因此可形成一个核心 ICT 实现平台，充分满足未来城市开发日程的需求。在基础设施层面，BIO 包含五个与众不同的SDN基础设施，如图 1 所示：

　　• 作为光电网络白盒的活动节点：使用 FPGA 可编程平台和异构光学 L2/3 网络基础设施

　　• 异构无线基础设施：包含 Wi-Fi、LTE、LTE-A 和 60GHz 毫米波技术

　　• IoT 传感器网格基础设施

　　• 网络仿真器：包含一个服务器群和一个 FPGA-SoC 网络处理器群

　　• Blue Crystal 高性能计算 （HPC） 设备

　　城域网络上的基础设施提供可支持多 Tb/s 数据流的动态光学开关、多速率 L2 开关（1 至 100GbE）以及 L3 路由。城域网还配备可编程硬件平台和高性能服务器，不仅可实现对基础设施的开放式访问，而且还可创建全新的软硬件解决方案并对其进行实验。基础设施的有线部分还能够与布里斯托的 Blue Crystal HPC 设施连接，支持高级云基础设施实验。

　　网络接入基础设施包括叠加、无缝的无线连接解决方案（宏蜂窝和小型蜂窝无线电技术），其采用蜂窝与 Wi-Fi 两种技术的组合，并具备毫米波回程以及到光学网络的直接连接。这套设施还支持针对最新 5G 和更高级接入技术（例如具有波束追踪功能的毫米波接入解决方案）的实验平台，以及大规模 MIMO 这样的新功能，以实现 2GHz 频带的超高密度网络。

　　此外，BIO 还可为该区域内额外安装的传感器节点提供针对基础设施（例如路灯柱）的优先访问，并由适当的数据聚合器、计算和存储资源提供支持。这些资源可以有选择性地直接连入有线和无线网络。BIO 还安装了低功耗无线传感器网格网络。该网络将为基于物联网的研究提供支持，采用初始传感器实现环境监控（温度、空气质量、污染等级、照明、噪声和湿度）和智能路灯。

　　BIO 还将实现通过合适的安全接口访问城市中已经安装的、位于任何地方的物联网设备，包括停车传感器、交通信号灯、交通流量传感器、安全监控摄像机以及公共车辆传感器。小型传感器（包括自愿参与者的智能手机和 GPS 设备）将提供关于城市生活的诸多方面的信息，包括能源、空气质量和交通流量等。生成的所有数据将做匿名处理，并通过“开放数据”门户向公众提供。

　　整个平台使用 SDN 控制原理，因此实验人员和最终用户可对其进行全面编程。BIO 实验网络是世界上第一个此类网络，它将开启令人激动的新机遇，引领未来通信技术及云网络软硬件开发的潮流。

　　用于城市基础设施的软件定义网络

　　最近几年，通信行业基于 SDN 概念的创新解决方案层出不穷，将 IT 技术进步带到了以硬件为主导的传统电信行业。通过 SDN 对控制和数据进行去耦，不仅可实现创新的网络控制方法，同时还可依赖在所有网络元素中都很普遍的基本数据转发 *** 作。该方案允许集成新颖的架构概念，例如将以信息为中心的网络 （ICN） 集成到这种基于软件的网络中。此外，SDN 还能促进物理组件成本的降低并使更多运营功能在软件中完成，从而可对 ICT 设备最底层的智能基础设施进行持续投资。

　　SDN 现在正在从 ICT 基础设施延伸至物联网平台，这样就有可能对计算和通信基础设施进行完整的适应性调整，以利用感应与真实信息推动网络 *** 作。反过来，可利用网络基础设施及时地向应用和服务提供有意义的传感器信息。对于 BIO 项目，我们的愿景是通过整个系统各层的可编程性与自适应性最终实现我们称之为“生活网络”的理念：在这样的网络中，互联网和物（设备）能够真正融合到能够进行一致性管理与 *** 作的计算和通信环境中。

　　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 *** 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 *** 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 *** 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d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 *** 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 *** 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 *** 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。

　　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 处理器件。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 *** 作系统。这样，BIO 就可让多个 *** 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。

　　参考资料

　　1. https://www.gov.uk/government/news/uk-set-to-lead-the-way-for-smart-ciTIes

　　2.世界城市状况报告， 2012/13， http://www.unhabitat.org/pmss/ lisTItemDetails.aspx？publicaTIonID=3387

　　3 https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/246019/bis-13-1209-smart-ciTIes-background-paper-digital.pdf

　　4. http://www.gartner.com/newsroom/id/2636073

　　5.Bijan Rahimzadeh Rofoee， George Zervas， Yan Yan， Norberto Amaya 和Dimitra Simeonidou， “All Programmable与综合光网络：架构与实现”，《光通信与网络杂志》5， 1096-1110 （2013）

　　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。