彈性通信網(wǎng)絡智能自主運維管理系統(tǒng)研究

霍永華，曹 毅，韓衛(wèi)占

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.裝備發(fā)展部駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081)

彈性通信網(wǎng)絡智能自主運維管理系統(tǒng)研究

霍永華1，曹 毅2，韓衛(wèi)占1

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.裝備發(fā)展部駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081)

針對彈性通信網(wǎng)絡新的管理需求，對彈性通信網(wǎng)絡運維管理系統(tǒng)架構、管理模型、自主管理流程和自主管理協(xié)議進行了研究。針對彈性通信網(wǎng)絡的動態(tài)跳變，提出了分層分域的管理架構，將彈性通信網(wǎng)絡抽象，研究適合彈性通信網(wǎng)絡管理的管理模型，重點研究物理資源和虛擬資源的映射以及虛擬網(wǎng)絡功能按需編排。在管理的智能自主方面，主要研究實時感知彈性網(wǎng)絡的變化，進而觸發(fā)感知—分析—決策—執(zhí)行的動態(tài)自主管理流程。最后研究了管理協(xié)議及操作原語。研究成果滿足彈性通信網(wǎng)絡管理需求。

分層分域；感知—分析—決策—執(zhí)行；自主協(xié)作；虛擬資源映射；虛擬功能編排

AbstractAiming at the requirement of resilient communication network management,this paper studies the management architecture,management model,autonomous management flow and autonomous management protocols.In view of dynamic hopping of resilient communication network,it proposes the hierarchical and regional management architecture.Based on abstraction of resilient communication network,the management models are developed.In the management models,the mapping between physical resource and virtual resource and on-demand orchestration of virtual network function are mainly studied.For intelligence and autonomy of management,this paper studies the dynamic autonomous management flow in which the variation of resilient network is sensed in real time and the “aware-analyze-decide-act” is activated.Finally,the management protocol and operating primitive are studied.The research findings can meet the requirements of resilient communication network management.

Keywordshierarchical and regional;aware-analyze-decide-act;self-determination cooperation;mapping of virtual resources;virtual function orchestration

0 引言

當今通信網(wǎng)絡虛擬化、功能軟件化技術迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡加速融合和網(wǎng)絡功能彈性化需求持續(xù)增長，使得彈性通信網(wǎng)絡研究成為未來高機動通信網(wǎng)的主要研究方向。彈性通信網(wǎng)絡突破了傳統(tǒng)的垂直分割、剛性網(wǎng)絡和封閉網(wǎng)元架構，成為橫向打通的、向業(yè)務開放的、彈性軟件化的網(wǎng)絡。由于彈性通信網(wǎng)絡改變了現(xiàn)有網(wǎng)絡的部署、操作和管理方法，因此彈性通信網(wǎng)絡的管理、資源調度和監(jiān)視也會面臨相應的挑戰(zhàn)。SDN/NFV[1-3]、云計算、云存儲和大數(shù)據(jù)技術等新技術的驅動、未來通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢、彈性通信網(wǎng)的特點以及彈性通信網(wǎng)絡架構的出現(xiàn)，急需新的網(wǎng)絡運維管理架構的出現(xiàn)，以便解決高動態(tài)環(huán)境下彈性通信網(wǎng)絡運行和用戶行為動態(tài)變化的管理問題。

本文聚焦彈性通信網(wǎng)絡的特點，提出具有自適應能力的分層分域的自主管理架構，在此基礎上，基于ETSI[4-7]的研究成果提出適合彈性通信網(wǎng)絡的管理模型，在智能自主管理方面，圍繞運維管理生命周期，研究感知—分析—決策—執(zhí)行的自主管理流程，提出具有自感知、自配置和自優(yōu)化的自主管理協(xié)議。

1 彈性通信網(wǎng)絡管理需求

彈性通信網(wǎng)絡區(qū)別于普通網(wǎng)絡的環(huán)境可感知、容量可伸縮、屬性可變化、能力可調整和萬物可互聯(lián)[8-9]的特點，決定了普通網(wǎng)絡的運維管理不適用于彈性通信網(wǎng)絡，根據(jù)彈性通信網(wǎng)絡的特點，對運維管理提出的管理需求如下：

實時感知網(wǎng)絡變化：要求運維管理系統(tǒng)能夠實時感知地域環(huán)境、用戶環(huán)境和網(wǎng)絡環(huán)境的變化，以便根據(jù)變化進行實時有效管理。

動態(tài)調整和重構網(wǎng)絡：可根據(jù)通信保障任務和保障任務階段需要，快速動態(tài)增減網(wǎng)絡規(guī)模和傳輸能力，動態(tài)重構網(wǎng)絡，優(yōu)先保障重要業(yè)務的信息傳輸需求。要求運維管理具備對虛擬化網(wǎng)絡功能進行彈性化按需編排和協(xié)同管理能力。

動態(tài)策略生成：根據(jù)地域環(huán)境、網(wǎng)絡環(huán)境和用戶環(huán)境的變化情況，進行網(wǎng)絡拓撲即時變更。要求運維管理系統(tǒng)能夠實時感知網(wǎng)絡環(huán)境變化和拓撲變化，進行動態(tài)管理。

按需動態(tài)資源調控：可根據(jù)外部環(huán)境變化或網(wǎng)絡管理的需要，以人工或自動方式重新配置網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的動態(tài)重組、網(wǎng)絡服務的按需配置以及網(wǎng)絡部署方式的調整。要求運維管理系統(tǒng)能根據(jù)網(wǎng)絡的變化或任務需求，支持網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡功能的虛擬化調度，按需動態(tài)調控配置網(wǎng)絡資源、計算資源和存儲資源。

人機物感知和信息上報：可將分散于天、空、地各層的人機物各類要素有機連通并匯聚在一起，實現(xiàn)人機物各類端節(jié)點隨遇接入網(wǎng)絡，支持人到人、人到物和物到物等多類信息交互方式。要求運維管理系統(tǒng)能感知多源多維信息，并進行信息的融合處理，為網(wǎng)絡資源調控和優(yōu)化管理提供決策依據(jù)。

結合彈性通信網(wǎng)絡的特點，同時緊緊圍繞彈性通信網(wǎng)絡對運維管理提出的新需求，運維管理系統(tǒng)需要在管理架構、管理模型、管理流程、管理協(xié)議等方面進行調整和優(yōu)化，同時將SDN/NFV、云計算、云存儲和大數(shù)據(jù)技術等思想應用于運維管理，使得運維管理能在管理架構、管理模型和管理流程等方面與先進的技術結合，提高管理的智能性和先進性。

2 彈性通信網(wǎng)絡管理模型

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡管理模型是管理者-代理(Manager-Agent,MA)模型。針對彈性通信網(wǎng)絡的管理需求，需要研究彈性通信網(wǎng)絡架構下的管理模型。參考通用NFV[10-11]網(wǎng)絡架構，同時結合彈性通信網(wǎng)絡的特點，將彈性通信網(wǎng)絡抽象為彈性通信網(wǎng)絡基礎設施層、彈性通信網(wǎng)絡功能層和傳統(tǒng)運維管理層[12-14](OSS/BSS)三部分，如圖1所示。其中彈性通信網(wǎng)絡基礎設施層又分為3層：物理計算資源層、虛擬化層和虛擬計算資源層。物理計算資源包括物理計算資源、物理網(wǎng)絡資源和物理存儲資源，虛擬化層對硬件資源進行抽象，提供抽象接口，形成虛擬計算資源、虛擬存儲資源和虛擬網(wǎng)絡資源。

圖1 彈性通信網(wǎng)絡抽象模型

彈性通信網(wǎng)絡抽象模型使得物理資源與虛擬化的網(wǎng)絡功能解耦。在基礎設施之上通過虛擬層提供的API獲取虛擬計算資源、虛擬存儲資源和虛擬網(wǎng)絡資源，在虛擬資源映射的基礎上實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡功能按需編排。

在彈性通信網(wǎng)絡抽象模型[15-16]的基礎上，形成彈性通信網(wǎng)絡管理模型，如圖2所示。針對抽象的3層，相應的彈性通信網(wǎng)絡管理分為彈性通信網(wǎng)絡基礎設施管理實體、彈性管理功能管理實體和網(wǎng)絡功能彈性編排管理實體。彈性通信網(wǎng)絡的管理實體如圖2所示，網(wǎng)絡功能彈性編排管理實體完成虛擬網(wǎng)絡功能按需編排管理，網(wǎng)絡功能管理實體完成網(wǎng)絡功能的實例化管理，網(wǎng)絡基礎設施管理實體完成虛擬資源的管理。

圖2 彈性通信網(wǎng)絡管理模型-管理實體

在彈性通信網(wǎng)絡管理模型中，區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡管理的最重要的就是虛擬資源的管理和虛擬網(wǎng)絡功能編排，也就是虛擬資源和物理資源之間的映射問題[17-18]，物理資源如何最大化利用的問題。根據(jù)不同的通信保障任務需求，需研究不同的虛擬網(wǎng)絡資源映射方法。資源映射優(yōu)化目標有基于優(yōu)先級優(yōu)化的和基于帶寬優(yōu)化的，映射算法有基于鏈路優(yōu)先的快速虛擬網(wǎng)絡映射算法、基于最大獨立鏈路集的快速隨機虛擬網(wǎng)絡映射算法等?？梢愿鶕?jù)任務需求不同選擇不同的虛擬網(wǎng)絡資源映射方法。

3 分層分域的智能自主運維管理架構

針對彈性通信網(wǎng)絡拓撲結構頻繁動態(tài)變化的特點，需要研究高動態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡智能自主運維管理體系結構，研究具備管理規(guī)模自適應的智能自主運維管理架構，以適應動態(tài)變化的拓撲導致的管理體系的變化。

采用分層分域的管理架構如圖3所示。

圖3 分層分域的管理架構

分為運維管理中心、域管理中心和管理代理。管理代理實時感知彈性通信網(wǎng)絡節(jié)點的變化，并上報所在域的域管理中心，域管理中心實現(xiàn)本管理域的管理，對于跨域管理，通過網(wǎng)絡管理中心下發(fā)自主協(xié)作進行管理。

運維管理中心功能：① 網(wǎng)絡自動規(guī)劃：基于任務進行自動規(guī)劃，獲取任務通信保障需求，進行需求分析，根據(jù)任務屬性和用戶屬性生成規(guī)劃策略，進行虛擬資源映射方案和策略的生成，生成網(wǎng)絡規(guī)劃方案；② 管理域劃分和管理：進行管理域的劃分，在彈性通信網(wǎng)絡運行過程中根據(jù)彈性通信網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)變化，進行新的管理域的劃分和拓撲節(jié)點的入域和出域操作；③ 虛擬資源管理：進行物理資源和虛擬資源管理、虛擬資源映射管理；④ 融合態(tài)勢呈現(xiàn)：按需進行多維綜合態(tài)勢融合呈現(xiàn)。

域管理中心功能：① 域間自主協(xié)作：當域管理中心發(fā)現(xiàn)無法獨立完成某一規(guī)劃或管理任務時，啟動協(xié)作模式，確定協(xié)同角色，制定協(xié)作方案，共同完成規(guī)劃或管理任務；② 跨域虛擬資源部署：進行跨域虛擬資源部署和虛擬網(wǎng)絡劃分。

管理代理功能：① 自動感知：基于策略進行多維多粒度態(tài)勢信息采集和感知；② 拓撲管理：拓撲動態(tài)感知和實時呈現(xiàn)；③ 故障管理：進行物理資源和虛擬資源的雙層故障監(jiān)測、告警采集、告警顯示、故障定位和告警統(tǒng)計分析；④ 性能管理：進行流量監(jiān)測、流量統(tǒng)計分析、性能瓶頸監(jiān)測和性能統(tǒng)計分析；⑤ 配置管理：基于策略進行各種策略和配置命令的執(zhí)行和下發(fā)，實現(xiàn)自動規(guī)劃配置、按需資源調控配置和故障處理配置。

4 感知—分析—決策—執(zhí)行的自主管理工作流程

智能自主運維管理能夠隱藏系統(tǒng)的復雜性，使系統(tǒng)在管理策略的指導下智能自主的管理彈性通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)對彈性通信網(wǎng)絡的自感知、自配置、自優(yōu)化、自修復和自保護，對高動態(tài)環(huán)境下的彈性通信網(wǎng)絡具有良好的管理適應性，經(jīng)過感知、分析、決策和執(zhí)行4個過程完成對彈性通信網(wǎng)絡的智能自主管理。自主管理流程如圖4所示，網(wǎng)絡的動態(tài)變化觸發(fā)自主管理的開始。

圖4 感知—分析—決策—執(zhí)行的自主工作原理

4.1 感知

感知彈性節(jié)點的跳變，包括彈性節(jié)點的增加、刪除和移動，彈性通信網(wǎng)絡的拓撲結構變化觸發(fā)自主運維管理的感知，是感知的輸入。感知是彈性通信網(wǎng)絡智能自主運維管理的第一個過程，通過探測站點和探針，從各種信息源采集網(wǎng)絡帶寬、時延、資源利用率、網(wǎng)絡配置參數(shù)、拓撲變化、業(yè)務運行質量和安全態(tài)勢等信息，捕獲被管對象產(chǎn)生的管理數(shù)據(jù)，從而認知被管對象的運行狀態(tài)，實現(xiàn)多方位、多維度數(shù)據(jù)的感知和采集。感知是分析、決策和執(zhí)行的前提和基礎。

4.2 分析

根據(jù)感知到的原始數(shù)據(jù)信息，利用各種推理理論規(guī)則和策略等手段對相關的信息和數(shù)據(jù)進行處理，進行數(shù)據(jù)關聯(lián)分析和數(shù)據(jù)融合，分析的數(shù)據(jù)源包括原始感知數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)、關聯(lián)數(shù)據(jù)，拓撲態(tài)勢信息、流量態(tài)勢信息、告警態(tài)勢信息、資源態(tài)勢信息、業(yè)務態(tài)勢信息和網(wǎng)系/網(wǎng)元運行態(tài)勢信息、物理資源和虛擬資源信息等，對彈性通信網(wǎng)絡的綜合態(tài)勢進行分析和評估，提出規(guī)劃和配置方案，并以此作為決策的基礎和依據(jù)。

4.3 決策

根據(jù)彈性通信網(wǎng)絡當前運行狀態(tài)信息制定策略，將感知到的多維綜合態(tài)勢信息轉化為決策信息，制定重要的決策、任務方案和資源調控方案，進行基于任務的自動規(guī)劃、感知數(shù)據(jù)分析、策略決策、自主協(xié)作決策、資源映射決策、態(tài)勢評估和優(yōu)化策略生成。智能決策是自動感知的輸出。

4.4 執(zhí)行

根據(jù)所選規(guī)劃配置方案，基于策略進行配置，完成網(wǎng)絡配置、虛擬資源映射、虛擬網(wǎng)絡功能編排、資源優(yōu)化和業(yè)務端到端QoS保證，進行各類管理策略、配置命令和規(guī)劃方案的執(zhí)行，上報執(zhí)行結果。

5 智能自主運維管理協(xié)議

針對彈性通信網(wǎng)絡的頻繁變化的特點，需要完成運維管理中心與域管理中心之間、域管理中心之間、域管理中心和管理代理之間基于智能自主運維管理協(xié)議的通信。同時也需要與被管網(wǎng)系進行信息交互，包括與彈性通信節(jié)點和彈性通信鏈路的信息交互。智能自主運維管理協(xié)議具有自感知、自配置、自保護和自優(yōu)化功能。

自感知：管理信息交互采用以事件上報為主、信息輪詢?yōu)檩o相結合的模式，采用事件機制主要是保障被管對象狀態(tài)信息上報的及時性，減少網(wǎng)絡通信負載；輔助信息輪詢機制的目的是保障感知信息的準確性。采用主被動結合實現(xiàn)感知。

自配置：實現(xiàn)對管理域信息、域管理中心、域內(nèi)節(jié)點的初始信息配置，同時能夠基于策略進行各類決策信息和命令的自動配置。

自保護：自保護功能包括動態(tài)分域中的節(jié)點認證、智能代理和管理代理之間的相互認證、管理信息加密和云存儲中心訪問控制。

自優(yōu)化：基于策略進行輪詢參數(shù)的修改，如性能參數(shù)、告警參數(shù)和流量參數(shù)，同時可以根據(jù)網(wǎng)絡運行情況，改變性能閾值、告警閾值和流量閾值的范圍，優(yōu)化網(wǎng)絡性能。

針對彈性通信網(wǎng)絡中的跨域、面向服務化的管理，增加域間自主協(xié)作協(xié)議操作原語：

Csend原語用于域管理中心發(fā)送信息,例如域管理中心向其他域管理中心發(fā)布服務；

CCall原語用于域管理中心調用其他域管理中心的服務；

CQuery原語用于域管理中心查詢服務；

CReply原語用于域管理中心的應答碼，包括調用服務的返回結果。

6 結束語

總結了彈性通信網(wǎng)絡區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的五大特點，同時針對五大特點提取對運維管理的新需求，具備適應高動態(tài)和智能自主兩大特點：一是適應網(wǎng)絡的彈性跳變導致的拓撲頻繁變化，提出分層分域的管理體系架構，以適應網(wǎng)絡的動態(tài)變化，同時研究了彈性通信網(wǎng)絡管理參考模型，在管理模型中重點研究物理資源和虛擬資源的映射問題，以及虛擬網(wǎng)絡功能按需編排問題；二是管理的智能自主性，主要研究基于管理代理實時感知彈性通信網(wǎng)絡的變化進而觸發(fā)的感知—分析—決策—執(zhí)行的動態(tài)自主管理流程。針對彈性通信網(wǎng)絡運維管理的研究，本文僅提出了一種初步的思路，詳盡的研究尚需深入進行。

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ResearchonAutonomousandIntelligentOperation&MaintenanceManagementSystemofResilientCommunicationNetwork

HUO Yong-hua1,CAO Yi2,HAN Wei-zhan1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.MilitaryRepresentativeOfficeofGeneralMilitaryEquipmentDevelopmentDepartmentStationedinShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050081,China)

TP393

A

1003-3106(2017)11-0022-05

霍永華女，(1977—)，高級工程師。主要研究方向：通信網(wǎng)絡管理。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.05

霍永華,曹毅,韓衛(wèi)占.彈性通信網(wǎng)絡智能自主運維管理系統(tǒng)研究[J].無線電工程,2017,47(11):22-26.[HUO Yonghua,CAO Yi,HAN Weizhan.Research on Autonomous and Intelligent Operation & Maintenance Management System of Resilient Communication Network[J].Radio Engineering,2017,47(11):22-26.]

2017-07-14

河北省科技計劃基金資助項目(17210704D)。

曹毅男，(1979—)，工程師。主要研究方向：通信網(wǎng)絡研究。