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四、项目详细内容
  1.1.3 NSFCNET总体设计的基本原则NSFCNET总体设计的基本原则是:

  (1) 先进性本项目的目的是建设一个国家级的高速计算机互连试验网,并依托这个网络开展下一代高速计算机网络及其典型应用的科学研究。因此,这个高速试验网应该保持世界先进的技术水平。应该基本做到与世界先进高速网络试验床,例如:vBNS、NGI等的技术水平相当,研制和建设的高速网络试验系统及其光纤系统,典型网络应用技术应该达到世界先进水平,例如:支持Ipv6、广播路由协议、服务质量控制QoS等等。在可能的情况下,尽快争取成为世界先进高速网络试验网研究组织的成员单位,(2) 开放性计算机网络技术的一个重要特点是它应该具有很好的开放性,尽量做到符合国际标准、Internet RFC等工业标准。选择TCP/IP作为高速网络的协议体系结构。在研制下一代高速网络互连设备和开发典型应用的过程中,积极参与Internet IETF技术组织的相关活动,与国外同行进行广泛的技术交流,并参与相关标准的制定工作,确保在技术路线和标准化上与国际接轨。

  (3) 创新性高速计算机网络及其应用理论研究是目前世界计算机网络研究的热点。人们对目前Internet上存在着许多问题,都期望在下一代高速网络及其典型应用的研究中得到解决。因此,在我们基本具备研究条件的情况下,创新的机会是非常大的。例如:在目前高速交换及其路由技术研究中,完全有可能产生新的网络互连体系结构,以满足下一代高速计算机网络的应用需求;在网络安全的研究中,至今仍然没有提出一种完善的网络安全体系结构,及其有效的理论描述;大型网络的行为细节及其相互关系仍然是人们未知的,更缺乏有效的管理机制和手段。我们应该抓住目前世界高速计算机网络及其典型应用研究刚刚起步的有力时机,解放思想,勇于创新,争取我国在世界高速计算机网络及其应用研究中的一席之地。

  (4) 试验性高速计算机网络试验床的重要作用是它的示范性。建成的"中国高速计算机互连研究试验网NSFCNET"将是我国未来高速信息基础设施的示范基地,也是世界上高速网络及其应用先进技术和产品的演示基地。

  1.1.4 NSFCNET的总体设计的学术思路、主要技术途径NSFCNET的主要学术思路和主要技术途径是,首先引进世界上先进的高速计算机网络互连设备,利用已有的条件,敷设通达北京地区6个高等学校和科研单位的城域光纤,迅速建成中国第一个国家级高速计算机互连网络试验床,为进一步的研究和开发提供较好的基础条件。同时,开始高速计算机网络及其应用理论的研究、和高速计算机网络典型应用的理论研究。经过近一年的努力,建成一个可与世界高速计算机网络相接轨的研究环境,在高速计算机互联网络关键技术理论研究和重大应用研究方面有所突破,有效的应用于建成的这个高速计算机网络试验床。开发出若干个对国民经济具有重大影响的应用演示系统,攻克其中的关键理论和技术,充分反映出高速计算机网络对这些应用的支持力度。

  高速计算机互连试验网包括两个主要组成部分:光纤传输网络和高速计算机网络。其中光纤传输网络部分采用目前国际上先进的密集波分多路复用DWDM技术,使得主干网传输速率达到全双工2.5Gbps以上。经过公开招标,计算机网络选择目前在业界领先的的高性能交换路由器CISCO公司的GSR12008/ GSR12012为核心路由设备。其中,GSR12008的路由交换能力为10-40Gbps,GSR12012的路由交换能力为15-60Gbps。

  高速计算机互连试验网主干网拟连接六个主干结点:清华大学、北京大学、北京邮电大学、北京航空航天大学、中科院和国家自然科学基金委。

  整个系统由四个层次组成。第一个层次是物理光纤;第二个层次是在物理光纤上构造的光纤传输网络;第三个城市是利用光纤传输系统和高性能核心路由器组成的高速计算机互连网络;第四个层次是在高速计算机网络上开发的典型应用系统及其网络关键技术的研究。

  1.1.5 NSFCNET的总体结构为了与国际学术研究接轨,对照NGI和Internet2研究计划的组成和总体结构,"中国高速互连研究试验网络NSFCNET"的总体结构分为相互关联的三个层次,如图所示。

  在NSFCNET的总体结构中,最底层为用传输线路和交换设备搭建的网络基础设施(Infrastructure)。其中包括:基于DWDM的光纤基础传输网络和架构在其上的高速计算机互连网络;中间层为服务(Service)层,利用高速网络的基础环境为网络应用提供组播(Multicast)、服务质量控制(QoS)、IPv6网络编址以及网络管理等网络服务;最上层为应用(Application)层,高速网络的典型应用包括基于数字化视频技术(包括视频会议和视频流)的远程教育、高性能的科学计算、多媒体海量数据查询等。

  根据NSFCNET的总体设计,NSFCNET研究划分为三个重大项目,即:密集波分多路复用光纤传输系统、高速计算机互连网络(包括网络服务)、高速网络环境下典型示范系统及其关键技术。这三个重大项目既相对独立,又有着相互之间的有机联系。密集波分多路复用光纤传输系统是整个高速互联网络的基础通信传输平台,为高速互联网络提供高带宽保证;高速计算机互连网络是架构在通信传输平台之上的网络服务平台,实现带宽管理、路由选择、网络传输服务质量控制等功能。密集波分多路复用光纤传输系统和高速计算机互连网络之间建立起有效的信息通道,共同完成IP /DWDM高速互连网络的网络自愈保护、链路管理、网络管理等任务,为高速互联网络的重大应用系统提供快速、稳定、安全的网络支撑环境,从而实现非高速网络环境下所难以实现的重大网络应用。第三个重大项目包括若干个目前具有较好基础的重大网络应用:实时交互远程多媒体教学和学术研讨系统;用于远程教育的高速互联网络交互式VOD点播试验系统;高速互联网数字地球试验系统;高速互联网科学数据库应用系统。

  NSFCNET按照上述的三个重大项目组织项目研究,分别取得了如下的研究成果。

  1.2 密集波分多路复用光纤传输系统密集波分多路复用光纤传输系统采用了由国内自主研制开发的DWDM设备、掺铒光纤放大器、10Gbps高速光发射和接收端机等设备,为中国高速互连研究试验网组建了一个具有一定规模的、高性能的、实用化的高速宽带密集波分多路复用DWDM光纤传输系统。组建的传输系统连接清华大学、自然科学基金委、中科院、北京大学、北京邮电大学、北京航空航天大学六个节点,以24芯光缆连接形成实用化的本地网,在拓扑上形成以清华大学为汇接点的两个二纤双向光纤环型网。

  其中,由自然科学基金委、北京邮电大学、北京航空航天大学和清华大学四节点构成的环网1采用单路光纤传输技术,单向传输速率为2.5Gbps;由清华大学、北京大学和中科院三点构成二纤双向环网2采用DWDM传输技术,单波长信道速率为10Gbps和2.5Gbps,并具备16个波长复用传输(波长间隔为100GHz)、光通道分插复用和通道段光子层的自愈保护等功能。对于环网2,在实验室用增加G.652光纤长度的方法模拟广域网的运行环境,网络的总传输容量达到200Gbps(16×10Gbps(东向)+16×2.5Gbps(西向)),模拟网络的传输距离为400公里。组建的光传输系统完全兼容IP网络的无连接运行方式,为研究未来光传输网络运行模式以及相关技术提供了良好的试验环境。

  密集波分多路复用光纤传输系统完成以下主要研究内容。

  1.2.1 研制铌酸锂调制器多波长光发射端机光发射机的稳定度直接关系到传输系统及网络的性能。在深入研究偏振扰动对发射端机调制信号强度噪声影响的基础上,除了对光发射源采取温度、输出功率控制外,本项研究采用了铌酸锂光强调制器的偏置点自动控制技术、保偏耦合技术,实验结果证明可以大大提高光发射端机的稳定性。利用研制的16×10Gbps铌酸锂调制器多波长光发射端机,成功实现了16×10Gbps 400km G.652光纤传输系统10小时无误码连续工作。

  1.2.2 建成大容量、长距离DWDM光传输系统建成的DWDM光传输系统传输容量为200Gbps,实验室模拟传输距离为400公里。单信道速率达10Gbps以上的光信号在G.652光纤传输时,光纤色散和非线性会导致光脉冲畸变,使系统传输性能恶化。因此,在单信道速率达10Gbps以上的传输系统中光纤色散和非线性效应成为限制系统传输距离的主要因素,必须综合考虑光纤色散和光纤非线性效应对系统性能的影响,进行色散管理。本传输网络中采用色散补偿光纤(DCF)和自行研制的啁啾光纤光栅两种技术进行色散管理。

  1.2.2.1 利用DCF进行光纤色散管理在深入研究色散补偿光纤(DCF)在系统中的配置、光纤的非线性效应、级联EDFA的ASE噪声积累以及EDFA的增益饱和等因素对系统传输性能影响的基础上,通过在传输网络中采用预补偿、后补偿、欠补偿的色散管理技术;偏振复用技术;光纤链路段的优化配置以及EDFA的增益钳制技术,可以有效提高网络的传输性能。在清华大学、北京大学和中科院三点构成二纤双向环网中成功实现了总容量为200Gb/s(16×10Gb/s(东向)+16×2.5Gb/s(西向))、距离为400公里(G.652光纤)、各个波长信道的传输功率代价均小于2dB(误码率=10-10)的网络传输。

  1.2.2.2 利用啁啾光纤光栅进行色散补偿啁啾光纤光栅色散补偿器具有体积小、成本低、无非线性窜扰、色散补偿量大等优点。本项目在深入研究啁啾光纤光栅色散补偿技术的基础上,克服了光栅制作中的诸多技术难点,成功实现了4个波长信道400公里G.652光纤的色散补偿,补偿后各个波长信道的传输功率代价均小于2dB(误码率=10-10)。

  1.2.3 攻克光层网络自愈保护关键技术难题在光子层实现网络的自愈保护是IP/DWDM技术中的关键,是新一代光传送网络(OTN)中必备的一项重要网络功能。通常,网络的自愈保护方式包括复用段保护和通道段保护两种。复用段保护具有简单、容易实现的特点,是目前光子层保护中主要采用的方式,但是复用段保护在自愈保护的灵活性、支持不同业务类型以及不同的服务质量等方面远不如通道段保护。而通道段保护的主要难点是结构复杂、实现较难,但却能够满足未来网络的需求。考虑到本网络是为未来网络技术研究的试验平台,在本项目研究中提出并开发了一种基于二纤双向环网的波长通道段保护(BWLSR/2)的光子层自愈保护技术。

  其基本方法是在环的东向和西向采用不同的波长,当需要保护时断纤两端的节点将需要保护的信号倒换到相反的方向,实现光信道的自愈保护。光网络层的自愈保护盘负责监视光信道的状态和波长信道的倒换。本保护系统可以在10ms以内检测到光信号的丢失,当确定需要保护时,对相应节点进行信道倒换,完成对业务的自动保护。进入保护状态以后,自愈保护盘会每隔一定时间就进行一次检测,自动测试断纤是否已经修复,当发现断纤已经修复后将自动恢复使用正常的传输线路。整个过程用时控制在50ms以内,达到了光网络最高级别保护时间的要求。

  在波长的分配上本保护系统进行了改进。传统的方法是将波长按顺序分为两组,分别在两个方向传输,这样正常时光纤中只有前一半波长或后一半波长,信道间隔仍为100GHz(以本系统16波100G间隔为例)。本实验中将波长分为奇数和偶数两组,正常时光纤中为奇数波长或偶数波长,这样信道间隔从100G增加到200G,大大改善了系统性能,并有利于系统向更高速率发展,实验数据也有效地说明了这一点。配合最新的interleaver器件还可以在不用增加保护用器件的情况下增加波长数,具有波长模块性。因此,这种方式在旧系统升级或建设新系统时为以后升级留有余地等方面有着很高的灵活性和实用价值。

  在信号的检测机制上考虑并利用了EDFA的自发辐射,有效提高了故障判断的可靠性,并达到了较快的检测速度。其保护和恢复过程都不需要网管系统的支持,不需要在监控信道中传递APS信息。这样,本系统可以加载在任何供应商提供的二纤双向环网设备上,使其具备光子层的自愈保护能力。本系统的CPU系统具有与多种数据接口设备进行通信的能力,在软件中加入通信函数就可以在网管系统中对保护单元进行监控和管理,使此保护单元成为系统的组成部分。同时,采用这种方式可以摆脱自愈保护子系统对网管系统的依赖性,即使网管工作站或网元管理盘死机,保护系统都可以正常工作,从而尽可能高地提高了传输系统的生存能力。而目前国内外的系统采用的多是网管系统管理的保护方式,一旦网管系统或OSC信道出了问题,自愈保护也就无法继续正常工作,系统生存能力受到极大的威胁。

  在自愈保护软件的设计上,整个软件采用了管理者/代理(M/A)的管理模式,负责监视保护倒换光开关的状态,以便对网络进行可视化监控。光开关的状态信息通过盘控器上报给网元管理盘(EMU),后台网管通过轮循EMU得到光开关状态信息。自愈软件是在UNIX操作系统上开发的,界面上的图像采用了兼容WINDOWS下的格式,自愈软件能够完成实时地网络自愈功能(50毫秒以内)。

  本系统所采用的光子层的自愈保护技术具有Э啃愿摺⑺俣瓤臁⑹褂昧榛罘奖恪⒓嫒菪院谩⒖衫┱鼓芰η俊⑸?婺芰η康忍氐悖?撬?嘶分凶酆闲阅芙虾玫囊恢肿杂?;し椒āD壳?该技术的使用在国内外的其它商用或试验网络中均未见报道。

  1.2.4 实现全光波长转换在DWDM光传输系统上构建高速计算机互连网络,需要解决IP路由器光输出转换为DWDM系统标准波长的光波长转换技术问题。光波长转换器是IP路由器接入DWDM系统的必备单元,采用"光-电-光"(O-E-O)实现光波长转换是目前最为成熟的技术,被大多数的商用网使用。而全光波长转换技术则是一种正在研究的技术,代表着该技术的发展方向。在本传输网络中采用了这两种技术实现光波长转换。研制了10Gbps和2.5Gbps的"光-电-光"(O-E-O)光波长转换实用化设备;利用半导体光放大器非线性效应实现了10Gbps的全光波长转换,并在抑制半导体光放大器码型效应、提高信噪比方面取得了创新成果。

  1.2.5 密集波分多路复用DWDM光纤传输系统的创新点本项研究在以下几方面取得创新性研究成果,达到国内领先和国际先进的技术水平:

  (1) 研制成功1.6×10Gbps铌酸锂调制器多波长光发射端机,波长复用能力达到16波、100GHz间隔。

  (2) 建成传输容量为200Gbps、传输距离为400公里的DWDM光传输系统,传输性能达到功率代价小于2dB@BER=10-10。

  (3) 开发一种基于二纤双向环网的波长通道保护(BWLSR/2)的光子层自愈保护技术,系统的自愈恢复时间在50毫秒以内。

  (4) 研制了10Gbps和2.5Gbps的"光-电-光"(O-E-O)光波长转换实用化设备;利用半导体光放大器非线性效应实现了10Gbps的全光波长转换。

  1.3 高速计算机互连网络"高速计算机互连网络"的研究目标是:自主设计并建设我国第一个下一代计算机互联网络示范平台,推动我国下一代互联网关键技术和基础理论的研究,为开展高速互联网络重大应用研究和中国加入国际下一代互联网络研究提供最为关键的支撑环境。

  项目的研究内容涉及网络基础设施和网络服务两个组成部分。在网络基础设施方面,建成了基于密集波分多路复用DWDM光纤传输系统的下一代高速计算机互连网络,最高传输速率达到10Gbps;建成了高速网络互连交换平台DRAGONTAP,实现了与国际下一代互联网络的互连,并与国内其他学术性网络实现了互连。在网络服务方面,开展了组播multicast、服务质量控制QoS、IPv6、开放式网络管理等试验研究,并在此基础上开展了高速互联网络理论体系以及下一代高速计算机互连网络相关基础理论的研究。

  "高速计算机互连网络"项目完成以下主要研究内容。

  1.3.1 建成高速计算机互连网络NSFCNET在网络基础设施方面,采用目前世界最先进的路由器组网技术,利用高速DWDM光纤传输系统,建设高速计算机互连试验网络平台。

  1.3.1.1 建成基于高速DWDM光纤传输系统的主干网在北京地区,利用高速DWDM光纤传输系统,建成了一个由六个结点组成的高速计算机互连研究试验网NSFCNET主干网。该主干网采用以清华大学为中心的两环拓扑结构。

  (1) 组网方案和设备选型在清华大学、国家自然科学基金委、北京邮电大学和北京航空航天大学的环路结构中,采用IP/光纤技术,接口采用IP/SDH技术。设计网络传输带宽为OC-48/STM-16,即2.5Gbps。每个节点设置一台高性能路由器GSR12008,负责主干线路的路由选择并为各个节点的高速局域网提供接入能力,与各个节点的高速局域网的接口为2-3个千兆位以太网接口。

  在清华大学、北京大学和中科院的环路结构中,采用IP/SDH/DWDM技术,主干传输速率部分达2.5Gbps,清华大学和北京大学间传输速率为10Gbps。北大、中科院两个节点各设置一台高性能路由器GSR12016,由于清华大学是单一故障点,又是两个环路的连接点,选择了系统配置相对较高的高性能路由器GSR12016,以增加清华大学节点的可靠性和高效性。这些路由器负责主干线路的路由选择,并为各个节点的高速局域网提供接入能力,与各个节点的高速局域网的接口为2-3个千兆位以太网接口。

  目前,可以获得的支持OC-48速率的高速网络接口技术主要包括POS(Packet over SDH)技术和DPT(Dynamic Packet Transport)技术,其中POS技术为国际标准化技术。SDH(同步数字系列)是目前在通讯领域进行长距离传输普遍采用的一项技术。近年来,在计算机网络上为了实现长距离的设备互连,也开始出现基于该项技术的接口设备。POS技术就是将要进行传输的IP数据分组封装在SDH的数据帧当中,然后以SDH的传输方式进行长距离传输。OC-48(2.5Gbps)是最近几年才出现的高速接口速率标准,目前只有少数几家设备提供商能够提供2.5Gbps的网络接口设备,NSFCNET采用了美国Cisco公司的GSR系列高性能路由器,配置了OC-48(2.5Gbps) POS板。

  (2) 主干网IP地址分配NSFCNET的IP地址分配遵循CIDR(Classless Inter-Domain Routing)分配原则,为主干网络分配一个C类地址用于背靠背连接,为每一个节点单位的高速局域网和高速网络接入设备各分配2-4个C类地址。考虑到今后网络的升级和网络规模扩大的可能,还要为其预留一部分C类地址空间,该网络将会使用连续的32个C类地址。

  1.3.1.2 在我国首次实现了10Gbps高速IP链路在清华大学、北京大学和中科院的环形结构中,在清华大学和北京大学之间试验了OC-192(10Gbps)的接口设备的测试板。CISCO公司的OC-192测试板2000年5月刚刚面世,还并未商用。经过调试实验,实现了OC-192(10Gbps)POS板的背靠背连接,并与DWDM系统的连接,第一次成功地在国内实现了10Gbps的IP链路,并实现了该链路的正常运行。

  1.3.2 研制成功我国下一代高速互联网络交换中心DRAGONTAPNSFCNET是一个相对独立的网络,将其定义为一个独立的自治系统(Autonomous System)。该网络对内运行OSPF、IBGP协议、对外运行EBGP协议。在此路由策略基础上,本项研制成功了我国第一个高速网络互连交换中心DRAGONTAP,以实现NSFCNET与国际下一代互联网建立的高速网络互连,并实现与国内其他非经营性学术互联网的互连。

  与各个主干网所在的自治域系统之间的互联,运行的是BGP4路由协议。为了使各互连网之间的信息能够相互通达,需要配置BGP4的发布和接受路由政策。BGP4的配置是目前高速计算机互联网中最复杂的部分,直接关系到全世界互联网的稳定运行,是使互连网络能够具有可扩展性和可持续发展性的基础。NSFCNET建立了分布式的BGP4政策性描?P停??SFCNET与国际互联网的其他多个主干网的互连建立在高效、安全的平台之上。在BGP的配置上,采用了reflector, BGP community等技术,具有完备的路由政策描述,采用独立的IP地址210.25.128.0/20,具有良好的聚类设计。

  通过我国下一代互连网交换中心DRAGONTAP,在国内,NSFCNET分别以1Gbps的速率实现了与中国教育和科研计算机网CERNET和中国科技网CSTNET的互连。其中,NSFCNET的自治域号为AS9406,CERNET的自治域号为AS4538,CSTNET的自治域号为AS7497;同时连接到国际下一代互连网络交换中心STARTAP和亚太地区高速网APAN的交换中心Tokyo-XP,完成了与国际下一代互联主干网Abilene和vBNS的互连,为我国下一代互联网研究与世界接轨建立了基础条件。

  1.3.3 高速互联网络网络服务试验研究利用NSFCNET,在国内首次完成了一批高水平的高速计算机互联网络服务实验。主要包括:IPv6试验网络,并与国际IPv6试验网连接;支持Native Multicast网络服务试验;开放式高速网络运行管理服务系统实验;多协议标记交换系统MPLS流量控制工程试验。

  1.3.3.1 组播multicast服务组播服务是下一代高速互联网在网络服务方面的主要研究课题之一,并可直接为高速互联网络典型应用:数字化视频提供服务。NSFCNET支持native multicast,运行dense mode的PIM协议,开通这样的组播服务,在国内属首创。在此基础上,组播服务直接为本项研究的应用示范系统之一"实时交互远程多媒体教学和学术研讨系统"提供了网络试验环境,并为我国参加国际Internet2应用研究项目Access Grid(基于multicast)提供了基础条件。此外,NSFCNET提供的Native Multicast服务还为国家863计划通信主题重大项目"基于高速IP网的多媒体远程教育示范系统(863-317-01-04-99)"提供了系统测试的网络实验环境。

  1.3.3.2 IPv6试验网络(1) 结构和过渡策略自然科学基金IPv6试验网络主干网为星形拓扑结构,中心位于清华大学,通过直接链路或者隧道(tunnel)技术同六个主节点相连。

  在网络互连设备(路由器)还不完全支持IPv6的技术之前,需要依靠IPv4已经存在的基础设施来建立IPv6试验网络,一般采用隧道技术实现在IPv4网络基础上的IPv6端到端互连。目前国际IPv6试验网络中使用可配置隧道和6to4两种主流隧道技术。对于可配置隧道技术来说,可以通过隧道代理(tunnel broker)等技术实现快速自动的配置管理;对于6to4来说,利用特殊的地址格式实现免维护的自动配置。

  自然科学基金IPv6试验网络采用6to4技术实现主干网路由所需要的点对点链路,而隧道代理软件系统则可以提供给各主节点用于园区的IPv6互连。在直接链路完全实现以后,将拆除所有隧道链路。

  (2) 地址和路由自然科学基金IPv6试验网络地址由CERNET IPv6试验床提供,并通过CERNET国家网络中心连接到国际6Bone主干网。地址前缀3FFE:320F::/32分配给自然科学基金IPv6试验网络。

  主干网路由采用OSPFng,主节点以下的网络由主节点决定采用静态或者RIPng协议。

  (3) 试验网络上开展的研究活动自然科学基金IPv6试验网络上部署了清华大学同Nokia合作开发的隧道代理系统,提供试验性的自动隧道服务;IPv6和IPv4主干网路由行为分析课题,在自然科学基金IPv6试验网络平台上得以开展;拟议中的IPv6协议栈研究开发项目,通过自然科学基金IPv6试验网络提供试验和信息交流平台。

  1.3.3.3 服务质量控制QoS服务质量控制也是下一代高速网在网络服务方面的主要研究课题之一,本项研究进行了多协议标记交换协议MPLS流量控制工程试验。MPLS流量工程通过指定部分业务的路径,以解决网络的局部拥塞问题。在源和目的两点路由器之间,为两点间的业务同时设置两个隧道,一条隧道设置为active,另一条设置为standby。当路由器获得线路中断的消息后,它将数据切换到standby的隧道上,无需进行数据同步和路由计算等处理,可以大大提高切换速度,实现服务质量控制。

  1.3.3.4 开放式的网络管理系统为了方便科学研究,不同于现有网络的封闭式网络管理模式,NSFCNET采用开放式网络管理模式,为研究人员提供开放式的网络管理界面,通过访问http://www.nsfcnet.net主页,网络用户可以实时察看NSFCNET的网络流量情况,监测网络的运行状态和性能。

  1.3.4 开展高速互连网络理论基础研究NSFCNET为开展高速网络科学研究提供了一个良好的实验环境,使得联网单位可以在试验网上进行各种高速计算机网络理论与关键技术的基础研究,包括高速网络安全体系结构研究、高速网络行为学研究和高速网络跨域服务质量控制研究等。

  1.3.4.1 高速互连网络安全体系结构的理论研究计算机网络已经成为社会基础设施的重要组成部分,而安全问题对网络的应用、管理和发展构成了严重威胁。网络安全体系结构是网络整体安全特性的最高层抽象描述,对于网络安全的理解、设计、实现与管理有重要的意义。它不仅能够保证网络安全功能的完备性,而且降低了安全代价和管理的复杂性。

  该项研究提出了一种基于多视图的网络安全体系结构,从安全服务视图、安全实体视图、安全周期视图描述网络安全的组成部件、连接关系和约束规则;提出了一种通用安全服务的描述方法,并描述了认证服务、访问控制等多种安全服务;提出了一种基于安全服务及其依赖关系的网络分类,研究了安全体系结构框架下的关键技术,包括分布式授权和大规模网络的安全管理问题;提出了一种基于授权证书和属性证书的访问控制模型AABAC,比传统的访问控制模型更适合于多方授权的分布式应用环境;提出了一种基于政策的安全管理框架PBSM,把网络中所有安全组成部件作为一个系统来管理和控制,对于大规模、异构网络环境下的安全管理具有重要意义。

  该项研究还讨论了PBSM中政策的形式化描述、分配与冲突处理等关键问题。

  1.3.4.2 高速互连网络行为学的研究一个大型网络所具有的性能特征不胜枚举,各种性能特征体现在不同协议层次、不同应用上,每一个性能特征从不同程度,不同角度反映网络的性能。用这些性能特征描述网络的综合性能,尤其是给出定量的描述,具有重要意义。

  该项研究提出了一种面向性能的高速互连网络网络行为理论框架,为以测量方法为基础的网络运行性能研究提供理论依据;给出了网络行为的数学定义,并定义了个体行为、群体行为和整体行为;提出了行为监控的概念和体系结构,并从不同角度分别定义多个模型来描述行为监控体系结构,使每个模型着重描述行为监控的某个特定方面(其中,功能模型定义了为实现监控目的而采用的功能;组织模型规定了执行监控的各类实体及其相互关系;结构模型描述了提供监控服务的实体的内部结构和他们的接口;信息模型通过监控信息对行为监控进行了表达和抽象;通信模型规定了实体间的通信接口);提出了基于事件驱动的Internet行为监控模型,把行为理论应用于事件发生机制的设计,而后通过事件驱动机制实现行为的实时监控;提出利用复合事件机制解决行为监控中事件过滤和事件关联问题的方案,等等。

  1.3.4.3 服务质量控制高速互连网络服务质量控制技术的研究已成为当前和今后相当一段时间的一项关键技术,尤其是核心路由器本身的QoS控制机制和核心路由器之间的路由选择问题是解决高速信息网络服务质量控制的两个关键问题。

  本项目对核心路由器上基于IP数据流分类方法进行QoS控制研究已取得重要进展,处于国际先进水平:

  (1) 采用硬件高速查找引擎和大容量CAM存储查找方法实现了512K路由表项的线速IP地址查找(查找速度可以与10Gb/s传输链路接口,即STM-64或OC-192相匹配),单线卡包转发率达到:峰值50Mpps,均值30 Mpps。并且,查找出来的Next Hop结果里面可以包括DiffServe所要求的七种业务流标记(这样,队列调度就可以有所依据)。上述技术实现指标目前就我们所调研的情况来对比处于国际先进水平。

  (2) 提出了一种全分布式输入/输出队列算法,与集中式调度方法或集中与分布式相结合的方法相比,其优点是简化整体设备操作与组成,便于扩展,而性能逼近与集中式调度方法的理想效率。在此基础上,采用150万门的高速FPGA器件实现了WFQ+PIM结合的分布式调度算法,试验结果表明:①可以实现每口8个队列、两级优先级的硬件级调度(意味着这样的高速线性路由器从技术上完全支持按端口交换的DiffServe信息流);②支持QoS的调度算法还可以扩展到以有限个流(如2K,N个规则)为保证的处理。

  此外,提出了实用有效的改进原始多标号路由算法,实现了在多项式级复杂度内寻找到最优路由的初始目标;提出了多路分散路由选择的思想,并给出了具体的路由算法及其演示系统。通过理论分析证明了:服务质量的多径分解过程中,多条路径的综合服务质量的最大偏差不会超过单条路径的最大偏差。因此我们得出了路径的偏差不会随着路径数的增加而增加的重要结论;提出了EPD+缓存管理策略,在改善了网络资源利用率的同时提高了各个业务流之间的公平性。

  1.3.5 高速计算机互联网络、关键技术和理论研究的创新点本项研究在以下几个方面取得创新性研究成果:

  (1)在我国首次建成了传输速率为2.5Gbps~10Gbps的高速计算机互联研究试验网络,实现了高速路由器OC-192(10Gbps)POS板与DWDM系统的连接,开通了传输速率达10Gbps的高速路由器IP链路。

  (2)首次实现了我国学术网络与国际下一代互联网络的连接。自主研制成功中国第一个下一代互连网络交换中心DRAGONTAP,通过DRAGONTAP,分别以1Gbps速率连接我国的学术网络CERNET和CSTNET,同时连接到国际下一代互连网络交换中心STARTAP和亚太地区高速网APAN交换中心Tokyo-XP,完成了与国际下一代互联主干网Abilene和vBNS的互连,为我国下一代互联网研究与世界接轨建立了基础条件。

  (3)在国内首次完成了一批高水平的高速计算机互联网络服务实验。主要包括:IPv6试验网络,并与国际IPv6试验网连接;支持Native Multicast网络服务试验;开放式高速网络运行管理服务系统实验;多协议标记交换系统MPLS流量控制工程试验。

  (4)为高速互联网络基础理论研究提供了实验环境。提出了基于多视图的高速互连网络安全体系结构,面向性能的高速互连网络网络行为理论框架以及基于IP数据流分类的QoS控制方法,在网络安全、网络行为和服务质量控制等方面都获得了一批理论研究成果。

  1.4 高速网络环境下典型示范系统及其关键技术本项目是从事网络环境下典型示范应用系统及关键技术研究。高速网络应用的关键技术研究包括:高速网络上大量多媒体信息交互的远程教学应用结构模型和组播实时通信、同步以及可靠传输技术;高速网络上多媒体教学课件与多态课件信息的组织、存储和处理技术;高速网络环境下的缓存控制与允许控制和资源分配;海量空间数据库对网络带宽的需求与处理策略;宽带网络上基于分布式构件技术的数字地球模型;大规模虚拟场景构建的技术路线以及与数据库的挂接等。

  在此基础上,建成了四个反映高速互联网络能力的、有广泛应用前景的典型示范系统,即实时交互远程多媒体教学和学术研讨系统、用于远程教育的交互式VOD点播试验系统、高速网上的数字地球试验系统和高速网络环境下的科学数据库应用系统。

  1.4.1 实时交互远程多媒体教学和学术研讨系统该示范系统为一个基于IP组播方式(IP Multicasting)、支持网上交互式访问、适用于多学科、多模式、实时的远程教学和学术研讨示范系统。本项目还提出了一个通用的高速网环境下支持大规模用户参与的协同工作平台系统结构框架,设计了可扩展的协同工作控制协议,初步实现多模式、多媒体的交互工作平台,建立了具有持久特性的虚拟网上工作环境。

  1.4.1.1 提出了协同工作平台系统结构框架针对高速网络环境下远程教学和学术研讨中具有大量多媒体信息交互的特点和一点对多点、多点对多点的通信模式,利用先进的软件开发工具,采用分布式对象技术、多媒体实时压缩编码技术、组播实时通信技术和可靠组播传输技术等,设计并实现了一套基于IETF的Mmusic会议框架的通用高速网上大规模多媒体实时交互系统结构框架。

  该框架是一个通用的交互系统,通过与不同的协同工作模式和控制策略配合,该系统不仅适用于远程教学、学术研讨,而且可以用于网上科研协同、远程医疗、远程沉浸等应用场合。目前,本系统针对师生教学和研究讨论的特点,设计了集中控制和自由交流两种协同工作模式和控制策略,分别用于远程教学和科研讨论两种应用场合。

  1.4.1.2 设计并实现了远程教学系统Admire设计并实现了一套综合多种交互工具和会议管理工具的远程教学系统Admire(Advanced Multimedia Interactive Realtime Environment)。该系统包括声音、图像和白板等多种交互工具,以及会议建立与发现、录制与回放以及会议恢频裙芾砉ぞ摺O低车牡撞阃ㄐ欧绞街С?P组播和单播模式;交互能力支持音频、视频、电子白板、屏幕共享、远程计算机控制等;系统管理工具支持大规模用户管理、多媒体会议文档同步实时录制、会后回放管理等功能。该系统为高速网环境中组通讯和交流设计,具有多路音频和视频流和宽大视觉场景,具有海量多媒体信息交互能力,适于大规模用户参与的实时交互场合。

  为了支持在分布网络环境下各部分能够协同工作,在集成运行环境中开发了一套会议总线Mbus通信协议。该协议的功能是在本地的媒体交互工具和会议管理工具之间,以及远程的媒体交互工具与会议管理工具之间实时传递状态与控制信息,以实现分布式对象的互操作功能。

  1.4.1.3 实现交互工作平台,建立虚拟网上工作环境利用Admire系统,本项目在NSFCNET上初步实现组到组的多模式、多媒体实时交互的大规模科学协同工作环境,并在该环境中研制开发、运行和演示高速网络环境下的若干典型示范系统。

  1.4.1.4 取得创新性研究成果(1) 设计并实现了一套基于IETF的Mmusic会议框架的通用高速网上大规模多媒体实时交互系统结构框架。在国内首个在2.5G高速网上同时支持50~100路多媒体流的大规模多媒体实时协同应用。

  (2) 已经与美国阿贡国家实验室的AccessGrid系统通过Internet-2成功实现了互通,从而建立了和包括AG项目组在内的五十多所大学和研究机构的稳定联系。

  (3) SuperComputing2001大会将于2001年11月在全球范围的高速研究试验网上召开首次全球网上大会。本项目组已经成为SC2001在中国的分会场。届时我们将利用Admire系统向全球实时介绍我们的项目。

  1.4.2 用于远程教育的交互式VOD点播试验系统远程教育视频点播系统属于远程教学系统中的非实时授课系统部分,它是指学生通过访问网络课件进行学习的教学子系统,学生可以自己支配时间,不要求在时间和空间上同步。该示范系统为一个交互式网上多媒体录像课件的VOD系统,供远程教育中点播经典、优质课程。

  1.4.2.1 系统组成及关键技术研究 本系统包含多媒体课件点播服务器、多媒体课件管理服务器、基于WWW的客户端视频播放插件和多媒体课件辅助制作模块组成部分,通过高速网络的连接形成一个从课件制作到管理、播放的分布式远程教育视频点播系统。关键技术研究包括高速网络环境下多媒体课件的制作、组织与存储技术;高速网络环境下流式媒体的实时通信、同步传输技术,设计并实现了一套适合高速网络环境的多媒体实时可靠传输机制,图象编码达到MPEG2的高性能质量;高速网络环境下多种信息终端的流式媒体播放技术,等等。

  1.4.2.2 系统试验实现了北航、北大、清华、北邮间的远程教学VOD试验系统,四所高校的任何师生都可以通过NSFCNET点播服务器上提供的交互性视频授课内容。

  1.4.2.3 取得创新性研究成果(1) 支持在IP计算机网络上传送MPEG1、MPEG2等高质量全动态的视频图象、话音和课件数据。

  (2) 不仅支持PC计算机上的纯软件播放外,还支持机顶盒播放。

  1.4.3 高速网上的数字地球试验系统高速网上的数字地球试验系统旨在研究带宽网在数字地球建设中的具体应用及其应用中所面临的各种关键技术,研究在高速网络环境下"数字地球"的数据和技术集成框架,建立分布式对象的数字地球示范原型系统。本项目的研究包括两部分,WebGIS平台Geo-Union和三维地形实时浏览实验系统。

  1.4.3.1 WebGIS平台Geo-UnionGeo-Union是一个依托于高速网环境下的WebGIS开发平台,它具有层次化结构,基于对象关系数据库(ORDB)技术、构件技术(包括COM与DCOM)和Agent技术,在面向对象思想指导下设计与实现,技术先进、结构清晰合理。

  Geo-Union设计了一个适于高速网上应用的地理空间数据模型,既考虑了空间数据数据表达的正确性与合理性,又兼顾了空间分析与网络数据传输的效率;空间索引技术除了应用于空间数据管理和访问之外,还完全融会到各种空间查询、空间分析算法和地图显示算法中去;设计了两种不同的空间数据缓存策略来解决数据库的存取效率和网络的传输效率;设计实现了一个层次化的空间对象组件模型及空间对象组件库,支持WebGIS的全面开发;针对传统空间元数据只能描述一个空间数据库的局限性,设计了一个基于网络的分层空间元数据库框架;支持多种比例尺、多种类型的数据以及矢量数据与栅格数据混合使用;利用立体图以真实的纹理再现实际地貌,具备矢量地图的实时缩放、漫游等功能。

  1.4.3.2 三维地形实时浏览实验系统针对高速网上的WebGIS进行研究,以高吞吐率的分布式海量空间数据库和实时性的三维地形浏览为关键点,开发出了一个独特而有创造性的数字地球实验系统。

  本系统开发了服务器端的数据管理工具、数据服务器和客户端的三维地形浏览器。数据管理工具包括DEM数据管理工具、遥感影像管理工具、人工地物管理工具和三维地形构造工具;数据服务器接收浏览器发送来的视点坐标和观察方向,实时计算出浏览器显示三维地形所需要的多种分辨率的空间数据,发送回浏览器端;三维地形浏览器实现第一人称视角的实时飞行浏览,用户可以通过模拟飞行的操作形式对一个广阔地区的地形进行任意角度、任意高度和任意路径的观察。

  1.4.3.3 取得创新性研究成果采用分布式对象技术,以GIS为平台,建立大型三维空间数据库仓库,作为数字地球的基础数据;并采用虚拟现实(VR)和可视化技术,进行三维空间数据浏览和各种空间数据的交互查询与空间分析。

  1.4.4 高速网络环境下的科学数据库应用系统本示范应用为一个集高速互联网、科学数据库和超级计算机为一体的技术支撑平台,开发基于科学数据库的三个不同专业、不同层次的应用实验原型系统,包括国际核酸序列数据库在高速网络环境下的综合应用、基于高速网络条件下分布式资源环境虚拟科研环境原型研究、基于天文数据库的太阳活动预报研究。

  1.4.4.1 科学数据库应用支撑平台集成高速网络环境、高性能计算环境和科学数据库资源,初步开发完成科学数据库应用支撑平台。在本项目中完成了集群系统数据库管理模块和统计计费模块,并开发了一套"应用开发支持工具"。

  1.4.4.2 国际核酸序列数据库在高速网络环境下的综合应用建立重要生物学数据库的中国映像节点,将国际核酸序列数据库(GENBANK)建立中国映像,使中国科学家可以在不支付国际网络通讯费的情况下获得国际最新的序列信息;建立针对GENBANK数据库的全文检索机制,中国科学家可以通过高速网络对国际核酸序列数据库进行全文检索;对国际核酸序列数据库进行全面的信息共享,对于特殊研究工作的用户(如新药设计和算法研制),通过高速计算机网络以直接FTP下载的方式提供整个国际核酸序列数据库。

  1.4.4.3 分布式资源环境虚拟科研环境原型研究构建反映地表真实状况的虚拟场景,探索大规模虚拟场景构建的技术路线和方法,为未来相应软件或软件组合的开发提供科学依据;虚拟场景与数据库的挂接,探索在虚拟场景中嵌入数据库的可能性和方法,它是虚拟科研环境构建的关键技术之一;高速网络环境下虚拟场景和数据库传输效果试验,为高速网地学应用提供实例。

  1.4.4.4 基于天文数据库的太阳活动预报研究在高速网络条件下,与日本国立天文台实现双方对等交换数据;北京天文台怀柔太阳观测站、美国大熊湖天文台、云南天文台、西班牙坎拉里岛天文观测站组成一个全球太阳色球观测网,可以实现数据共享。

  初步建立了太阳活动预报数据库,可提供网上服务;已经编制图像处理和太阳活动预报程序,正在进行实验性太阳活动预报。2000年总共发生了16次质子事件,我们成功地预报了9次,而国际同行只成功了4至5次。2000年1-10月我们对X射线耀斑进行了205次预报,报准率为73%,虚报率为17%,漏报率为11%,而国际同行的报准率为62%,虚报率为20%,漏报率为19%。

  1.4.4.5 取得创新性研究成果建立了一个集高速互联网络、科学数据库和高性能计算机为一体的科学计算环境,建立分布式资源环境虚拟科研环境原型研究,实现国际核酸序列数据库和基于天文数据库等海量数据库的实时访问于科学计算,成功地进行太阳活动预报研究。

  上述基于NSFCNET的应用研究和演示系统展示了高速互连网络为网络应用的技术支持能力,高速互联网络为数字视频、协同工作和虚拟现实等需要高带宽、高性能网络服务的典型应用提供了网络支撑环境,为我国大规模开展高速互联网络环境下的网络应用、为进一步建立高速互联网络应用国际合作关系奠定了良好的基础。

  2 超过预定目标、进度和内容的研究结果分析经过9个月艰苦努力, NSFCNET项目提前完成原定目标,在以下几个方面超过原定计划:

  (1) 在基础设施的光纤传输网络方面,提前实现了16×10Gbps DWDM长距离传输实验,使网络传输总容量达到200Gbps,提高了本网络作为未来网络试验平台对相关技术研究的支持能力;提前实现了IP路由器光输出与WDM标准光波长的全光波长转换,提高了网络灵活性和可扩展性;光层网络具有自愈保护能力。

  (2) 在基础设施的高速计算机互连网络方面,清华大学和北京大学之间的传输速率达到10Gbps。

  (3) 建成网络互连交换平台DRAGONTAP。在国内率先与美国的下一代互连网交换中心STARTAP及Internet2主干网Abilene的互连,并与亚太地区高速网APAN在日本的Tokyo-XP互连,产生了重大的国际影响。

  (4) 在高速互联网络服务方面开展了一批试验研究。在NSFCNET上建成国内第一个提供Native Multicast服务的MBone试验床;建立了第一个开放的网络管理系统。

  (5) 基于NSFCNET和DRAGONTAP开展高速互连网络理论基础研究,在网络安全、网络行为和服务质量控制等方面获得高水平的理论研究成果。

  (6) 在高速网络应用方面,在涉及数字视频、高性能计算机、协同工作等关键技术的重大应用系统的研究中,也提出了若干新技术、新理论,为今后更大范围的开展基于高速网络的应用研究打下了良好的基础:

  设计并实现了一套基于IETF的Mmusic会议框架的通用高速网上大规模多媒体实时交互系统结构框架,在国内首次实现同时支持50~100路多媒体流的大规模多媒体实时协同应用,并与美国阿贡国家实验室的AccessGrid系统通过Internet2实现了互通;支持在IP计算机网络上传送MPEG1、MPEG2等高质量全动态的视频图象及话音和课件数据,通过多种信息终端实现流式媒体播放;采用分布式对象技术,以GIS为平台,建立大型三维空间数据库仓库,作为数字地球的基础数据;并采用虚拟现实(VR)和可视化技术,进行三维空间数据浏览和各种空间数据的交互查询与空间分析;在集高速互联网络、科学数据库和高性能计算机为一体的科学计算环境下,实现国际核酸序列数据库和基于天文数据库等海量数据库的实时访问与科学计算,成功地进行太阳活动预报研究。

  项目所包含的研究内容非常丰富。在如此短的时间内得以顺利完成,并在项目的许多方面超过了预定计划,除了网络技术本身的飞速发展为项目的完成提供了良好的基础以外,更重要的还是靠项目参加单位的团结协作,努力创新。

  在项目研制过程中,由基金委领导和参加单位的主管校长、主管领导组成的项目管理委员会定期召开会议,对项目实施过程中的重大问题进行决策,协调各方面的关系,定期检查项目进展情况,指导项目的顺利进展。同时,项目的学术领导小组也定期或不定期召开会议,随时解决项目实施过程中遇到的重大技术难题,协调各参加单位在网络建设过程中遇到的各种具体问题。

  此外,项目管理采用项目监理制。项目监理随时检查、督促项目的执行,定期参加管理委员会和学术领导小组会议,从项目监理的角度提出各种建议,协助管理委员会和学术领导小组完成对项目的管理,确保项目各个环节的顺利实施。从而保证了整个项目的执行进度,提前三个月超额完成了本项目,把握住了项目的进度和质量。
  
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