基于ONAP開(kāi)源架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)研究

王棟，孫瓊，徐洪磊

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 引言

圍繞國(guó)家“新基建”發(fā)展戰(zhàn)略需求，云網(wǎng)資源及其承載的數(shù)字化平臺(tái)已經(jīng)成為新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心底座，網(wǎng)絡(luò)與云的融合發(fā)展成為夯實(shí)“新基建”成果的關(guān)鍵技術(shù)。云網(wǎng)融合是一個(gè)充滿(mǎn)豐富內(nèi)涵、不斷發(fā)展的新興概念，其技術(shù)內(nèi)涵是面向云和網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)資源，通過(guò)一體化的技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、敏捷、開(kāi)放、融合、安全、智能的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施資源供給[1]。目前已商用的云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)[2-6]，現(xiàn)有的云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)研究主要圍繞閉環(huán)自動(dòng)化展開(kāi)[7-9]，對(duì)于智慧內(nèi)生的智能化架構(gòu)思考較少。

未來(lái)云網(wǎng)融合將不斷提升自動(dòng)化和智能化的需求，并針對(duì)多場(chǎng)景差異化服務(wù)等級(jí)協(xié)議（service level agreement，SLA）需求提供保障。在云網(wǎng)融合發(fā)展的技術(shù)嘗試中，現(xiàn)有云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)云網(wǎng)融合的技術(shù)需求，基于云網(wǎng)切片，具備云網(wǎng)大腦功能的新一代云網(wǎng)操作系統(tǒng)呼之欲出。

2 云網(wǎng)融合的技術(shù)需求與演進(jìn)

隨著數(shù)字社會(huì)轉(zhuǎn)型的不斷深入，各類(lèi)用戶(hù)對(duì)于云網(wǎng)融合發(fā)展的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，未來(lái)云網(wǎng)融合系統(tǒng)將不斷提升差異化的SLA保障能力，以便適應(yīng)持續(xù)發(fā)展的各類(lèi)不同場(chǎng)景需求。因此，需要更加靈活、開(kāi)放、智能的新型云網(wǎng)操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)營(yíng)、支撐不斷提升的網(wǎng)絡(luò)能力、云能力和數(shù)字化平臺(tái)能力。

2.1 云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的升級(jí)需求

當(dāng)前正在應(yīng)用的云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)主要面向云網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)，包括云網(wǎng)業(yè)務(wù)開(kāi)通、加載、網(wǎng)絡(luò)端到端SLA以及云資源保障，在云網(wǎng)無(wú)縫鏈接的基礎(chǔ)上初步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維自動(dòng)化、智能化。然而，未來(lái)云網(wǎng)融合的目標(biāo)將是一體化的云網(wǎng)資源提供、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)和閉環(huán)保障。現(xiàn)有的云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)已不具備滿(mǎn)足未來(lái)云網(wǎng)融合需求的能力，云網(wǎng)操作系統(tǒng)是云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)升級(jí)改造的目標(biāo)。云網(wǎng)操作系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的概念，操作（operating）是運(yùn)營(yíng)（operation）一詞的升級(jí)，重點(diǎn)在于突出用戶(hù)交互的靈活性，提升用戶(hù)對(duì)于云網(wǎng)系統(tǒng)的參與度，并增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)差異化SLA需求的保障能力。

2.2 云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)

云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)主要包括3個(gè)層次：云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、云網(wǎng)功能和云網(wǎng)操作系統(tǒng)。如圖1所示，云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施主要包括云網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的各種物理計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；云網(wǎng)功能包括各類(lèi)虛擬化的云資源，以及 SDN/NFV化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；云網(wǎng)操作系統(tǒng)是建立在云網(wǎng)硬件資源和虛擬化資源基礎(chǔ)之上的一體化運(yùn)營(yíng)操作平臺(tái)，可提供智能化的云網(wǎng)資源編排能力。通過(guò)3個(gè)層次的有機(jī)結(jié)合，形成了未來(lái)云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)。

圖1 云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)

2.3 云網(wǎng)資源一體化管控

對(duì)于業(yè)務(wù)應(yīng)用，云網(wǎng)操作系統(tǒng)可以屏蔽各類(lèi)云網(wǎng)軟硬件資源的差異化，將其抽象為通用的業(yè)務(wù)能力和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一操作和統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)，從而支持業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、按需、動(dòng)態(tài)部署。為實(shí)現(xiàn)上述功能，云網(wǎng)“大腦”和云網(wǎng)切片兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)被提出和應(yīng)用，并基于云原生環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2.4 云網(wǎng)操作系統(tǒng)的打造目標(biāo)

融合統(tǒng)一的云網(wǎng)操作系統(tǒng)將用于全面支撐云網(wǎng)融合目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而面向智能社會(huì)提供數(shù)字化云網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，面向數(shù)字經(jīng)濟(jì)提供云網(wǎng)融合開(kāi)放能力、數(shù)字化開(kāi)放運(yùn)行環(huán)境以及多方數(shù)據(jù)共享，服務(wù)全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求。對(duì)于開(kāi)放化的云網(wǎng)操作系統(tǒng)，可以充分借鑒和參與開(kāi)源解決方案研發(fā)，跟蹤最新技術(shù)發(fā)展，進(jìn)而保持技術(shù)領(lǐng)先，引領(lǐng)時(shí)代變革。

3 ONAP功能架構(gòu)

開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化平臺(tái)（open network automation plat+orm，ONAP）是Linux網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)托管的開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)編排運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目，基于開(kāi)源、開(kāi)放的全球統(tǒng)一框架，為運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)編排和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)提供自動(dòng)化綜合操作平臺(tái)[10]?；贠NAP可以快速地自動(dòng)化部署新業(yè)務(wù)，并支持該業(yè)務(wù)的全生命周期管理。

與傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)相比，ONAP在業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)平臺(tái)、開(kāi)放性、閉環(huán)自動(dòng)化和開(kāi)發(fā)-運(yùn)營(yíng)（DevOps）一體化4個(gè)方面進(jìn)行了顯著變革[11]。

（1）ONAP定位于一個(gè)自動(dòng)化的使能平臺(tái)，可以讓不同運(yùn)營(yíng)商根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活定制，不受廠商、業(yè)務(wù)和場(chǎng)景的限制。

（2）ONAP致力于開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放可編程的軟件生態(tài)環(huán)境，其體系結(jié)構(gòu)支持隨時(shí)選用業(yè)界最佳組件模塊，各組件均為可插拔設(shè)計(jì)，可以靈活地進(jìn)行替換和升級(jí)。同時(shí)，通用功能組件按照共享模式開(kāi)發(fā)，具有較強(qiáng)的可復(fù)用性。

（3）閉環(huán)自動(dòng)化是ONAP的典型架構(gòu)創(chuàng)新，其可實(shí)現(xiàn)端到端的全自動(dòng)化流程，且可以動(dòng)態(tài)變更。其最終目標(biāo)是將日常運(yùn)維中的配置管理、計(jì)費(fèi)管理、性能管理、安全管理和故障管理等功能均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（4）ONAP基于開(kāi)發(fā)-運(yùn)營(yíng)一體化架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以方便地實(shí)現(xiàn)敏捷開(kāi)發(fā)、精益部署，增強(qiáng)軟件開(kāi)發(fā)人員于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員的交流互動(dòng)，使軟件開(kāi)發(fā)發(fā)布更加快捷、頻繁和可靠。

4 基于ONAP架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)

4.1 云原生開(kāi)發(fā)環(huán)境

云原生開(kāi)發(fā)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)操作系統(tǒng)靈活開(kāi)發(fā)迭代的核心，ONAP部署環(huán)境基于云原生平臺(tái)進(jìn)行搭建，可根據(jù)云網(wǎng)操作系統(tǒng)的持續(xù)演進(jìn)需求，提供以業(yè)務(wù)應(yīng)用為中心的公共開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)敏捷開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品更新，而無(wú)須關(guān)注云網(wǎng)底層基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)。

4.2 基本架構(gòu)方案

基于ONAP架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)架構(gòu)方案如圖2所示，主要包括設(shè)計(jì)態(tài)組件SDC和運(yùn)行態(tài)組件。設(shè)計(jì)態(tài)組件SDC用于實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)建。運(yùn)行態(tài)組件主要包括用戶(hù)交互組件UUI、服務(wù)編排SO、單域控制器以及閉環(huán)控制相關(guān)組件。

圖2 基于ONAP架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)方案

4.2.1 設(shè)計(jì)態(tài)與運(yùn)行態(tài)框架

ONAP架構(gòu)主要包括設(shè)計(jì)態(tài)和運(yùn)行態(tài)兩部分。設(shè)計(jì)態(tài)框架用于對(duì)平臺(tái)業(yè)務(wù)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)、定義和編程開(kāi)發(fā)，運(yùn)行態(tài)框架則用于執(zhí)行設(shè)計(jì)態(tài)框架所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的運(yùn)營(yíng)管理邏輯。

設(shè)計(jì)態(tài)框架主要包括4個(gè)組件。最核心的組件是服務(wù)設(shè)計(jì)和創(chuàng)建（service 2esign an2 creation，SDC），包括定義多種角色用于負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)資源設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證和資源確認(rèn)等流程。其他設(shè)計(jì)態(tài)組件還包括 VNF需求（VNF requirement，VNF REQS）、VNF驗(yàn)證程序（VNF vali2ation program，VVP）以及VNFSDK。

運(yùn)行態(tài)框架包括業(yè)務(wù)實(shí)例下發(fā)和閉環(huán)控制兩大場(chǎng)景，同時(shí)可劃分為功能有部分重疊的編排層和控制層。編排層核心是跨域業(yè)務(wù)編排器（service orchestrator，SO），控制層則包括多種單域控制器（controller），包括VF-C、SDN-C、APPC等。運(yùn)行態(tài)的其他核心組件還包括活動(dòng)和可用資源庫(kù)（active an2 available inventory，A&AI）、數(shù)據(jù)采集分析和事件觸發(fā)（2ata collection、analysis an2 events，DCAE）和策略（policy）等。

基于 ONAP設(shè)計(jì)態(tài)-運(yùn)行態(tài)框架設(shè)計(jì)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)下發(fā)與用戶(hù)交互以及閉環(huán)自動(dòng)化管理功能。業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員主要在設(shè)計(jì)態(tài)實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)新業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員基于閉環(huán)自動(dòng)化管理功能實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)營(yíng)管理，同時(shí)基于隨愿引擎實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的交互感知。

4.2.2 云網(wǎng)“大腦”（閉環(huán)自動(dòng)化）

隨著云網(wǎng)資源的不斷多樣化，其運(yùn)營(yíng)管理復(fù)雜度持續(xù)增加。云網(wǎng)“大腦”是云網(wǎng)操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)云網(wǎng)資源及運(yùn)營(yíng)信息采集、分析、處理、學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的一體化智能信息組件，是云網(wǎng)操作系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。通過(guò)應(yīng)用包括人工智能、大數(shù)據(jù)在內(nèi)的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理、編排和運(yùn)營(yíng)，并進(jìn)一步提升云網(wǎng)融合系統(tǒng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自糾錯(cuò)和自?xún)?yōu)化能力。

ONAP架構(gòu)在設(shè)計(jì)之初就瞄準(zhǔn)閉環(huán)自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)。閉環(huán)控制功能起始于DCAE模塊，由其接收相應(yīng)的事件觸發(fā)信息，然后經(jīng)過(guò)若干微服務(wù)循環(huán)組件（例如policy等），最后下發(fā)給控制器和編排器執(zhí)行相應(yīng)操作。

基于ONAP閉環(huán)自動(dòng)化組件可實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)“大腦”的主要功能。在DCAE模塊可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的感知和監(jiān)控，以及智能化分析預(yù)測(cè)功能。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)和自愈策略可存儲(chǔ)在policy組件中，觸發(fā)調(diào)取下發(fā)給 SO執(zhí)行，進(jìn)而由控制器完成相應(yīng)故障修復(fù)工作。

4.2.3 云網(wǎng)切片（端到端切片）與編排控制

網(wǎng)絡(luò)切片基于不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)屬性，將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯上相互獨(dú)立的虛擬切片，從而為客戶(hù)提供差異化的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，滿(mǎn)足不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。云網(wǎng)切片在網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)之上，將云資源的彈性、伸縮等特性與不同云網(wǎng)業(yè)務(wù)所需的差異化網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、編排和優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)資源的端到端切片應(yīng)用，為云網(wǎng)“大腦”完成智能化操作運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

云網(wǎng)切片需實(shí)現(xiàn)以下3方面的核心能力。

（1）統(tǒng)一編排是實(shí)現(xiàn)端到端云網(wǎng)切片應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，需通過(guò)將客戶(hù)業(yè)務(wù)需求轉(zhuǎn)換為云網(wǎng)資源的調(diào)度需求，基于統(tǒng)一封裝抽象的虛擬云資源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）云網(wǎng)感知指通過(guò)對(duì)異構(gòu)云網(wǎng)資源多樣化采集的方法，全面獲取客戶(hù)需求、云網(wǎng)業(yè)務(wù)和軟硬件資源的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)云網(wǎng)狀態(tài)和服務(wù)質(zhì)量的全面量化感知。

（3）自主優(yōu)化在云網(wǎng)感知和統(tǒng)一編排的基礎(chǔ)之上，根據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求以及云網(wǎng)資料狀態(tài)情況，實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)切片對(duì)云網(wǎng)服務(wù)的自動(dòng)化調(diào)整優(yōu)化。作為編排運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，ONAP具備強(qiáng)大而統(tǒng)一的服務(wù)編排組件用于支持全域業(yè)務(wù)編排。同時(shí)，為支持單子域快速高效的網(wǎng)絡(luò)編排控制，根據(jù)功能差異，提供了多種不同的網(wǎng)絡(luò)功能控制器。SO負(fù)責(zé)最頂層的網(wǎng)絡(luò)管理編排工作，以及對(duì)下層控制器間的編排，主要包括理順控制器間的數(shù)據(jù)交互、幫助其根據(jù)指定流程和所需信息完成相應(yīng)的動(dòng)作。

目前ONAP發(fā)行版實(shí)現(xiàn)了基于3GPP規(guī)范的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端到端切片功能[12]。云網(wǎng)切片的概念尚未完成標(biāo)準(zhǔn)化工作，因此可借鑒5G承載網(wǎng)切片實(shí)現(xiàn)方案，結(jié)合云切片的設(shè)想，完成云網(wǎng)切片功能的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

4.3 端到端智能云網(wǎng)切片方案驗(yàn)證

參考ONAP現(xiàn)有5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端到端切片方案，本文提出了一種端到端智能云網(wǎng)切片方案，并建立了如圖3所示的閉環(huán)自動(dòng)化保障流程。

圖3 云網(wǎng)操作系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)化流程

如圖3所示，在運(yùn)行態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，DCAE組件不斷從底層網(wǎng)絡(luò)中獲取實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測(cè)分析。當(dāng)預(yù)測(cè)現(xiàn)有云網(wǎng)切片無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)需求時(shí)，選擇基于OOF組件更換切片實(shí)例，或基于policy組件修改切片配置參數(shù)策略的方式對(duì)云網(wǎng)切片進(jìn)行提前修改，以滿(mǎn)足用戶(hù)需求。隨后在服務(wù)編排組件 SO完成編排器對(duì)域控制器的配置下發(fā)，從而提前調(diào)整云網(wǎng)資源以保障用戶(hù)需求。

在仿真驗(yàn)證中，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)時(shí)延和瞬時(shí)抖動(dòng)兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。分別仿真3 600 s，查看并分析云網(wǎng)操作系統(tǒng)和云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的兩項(xiàng)指標(biāo)。

如圖4所示，對(duì)于用戶(hù)10 ms時(shí)延需求，具備閉環(huán)自動(dòng)化保障功能的智能切片可實(shí)現(xiàn)全時(shí)域的保障，而不具備閉環(huán)自動(dòng)化保障功能的傳統(tǒng)云網(wǎng)切片則需要在用戶(hù)報(bào)障（約2 800 s）后進(jìn)行事后恢復(fù)。

圖4 云網(wǎng)切片實(shí)時(shí)時(shí)延性能

如圖5所示，對(duì)于用戶(hù)高可靠性的需求，具備閉環(huán)自動(dòng)化保障功能的智能切片可實(shí)現(xiàn)接近100%的低抖動(dòng)能力（＜±3），而傳統(tǒng)云網(wǎng)切片則不具備高可靠保障能力，抖動(dòng)離散值較大。

圖5 云網(wǎng)切片瞬時(shí)抖動(dòng)性能

對(duì)比具備閉環(huán)自動(dòng)化保障功能的云網(wǎng)操作系統(tǒng)和不具備閉環(huán)自動(dòng)化保障功能的傳統(tǒng)云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，可明顯觀察到云網(wǎng)操作系統(tǒng)的閉環(huán)自動(dòng)化保障功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)需求的高可靠性保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

云網(wǎng)融合是一個(gè)不斷演進(jìn)的過(guò)程[13]。以云網(wǎng)操作系統(tǒng)為典型代表的信息通信技術(shù)創(chuàng)新，將強(qiáng)有力地推動(dòng)未來(lái)信息基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型，特別是以云網(wǎng)大腦、云網(wǎng)切片等為代表的關(guān)鍵核心技術(shù)，是持續(xù)推動(dòng)云網(wǎng)融合目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要保障。云網(wǎng)融合研究的周期進(jìn)展還將與 6G通信技術(shù)的發(fā)展周期相互吻合，并將與6G通信技術(shù)中的ICDT融合技術(shù)相互借鑒。最終，云網(wǎng)融合需要運(yùn)營(yíng)商與設(shè)備廠商、應(yīng)用開(kāi)發(fā)商以及高校科研院所等產(chǎn)業(yè)各方持續(xù)共同努力，形成云網(wǎng)融合開(kāi)放新生態(tài)。而開(kāi)源研究和開(kāi)發(fā)，將為云網(wǎng)融合發(fā)展開(kāi)創(chuàng)新局面，引領(lǐng)行業(yè)邁向新時(shí)代。