數(shù)字孿生網(wǎng)絡接口設計及其協(xié)議分析

陳丹陽 陸璐 孫滔

摘要：探討了數(shù)字孿生網(wǎng)絡南北向接口和孿生層內部接口應具備的不同特性，并給出了當前一些通用接口在數(shù)字孿生網(wǎng)絡中的適用性建議。同時，針對數(shù)字孿生網(wǎng)絡面臨的多協(xié)議問題，提出在孿生網(wǎng)絡層和物理網(wǎng)絡層間引入南向接口協(xié)議適配功能，在孿生網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層間引入北向接口協(xié)議適配功能。借助南向和北向的接口協(xié)議適配功能，分別提出南北向多協(xié)議的識別、解析、轉換方法，實現(xiàn)孿生層內部接口的多協(xié)議協(xié)同，降低構建數(shù)字孿生網(wǎng)絡的協(xié)議處理的復雜度。

關鍵詞：數(shù)字孿生網(wǎng)絡;網(wǎng)絡孿生;多協(xié)議協(xié)同;閉環(huán)控制

Abstract： The different characteristics of the north-south interface and the internal interface of the twin layer in the digital twin network and the applicability suggestions of some general interfaces for the digital twin network in the current network are given . At the same time， aim?ing at the multi-protocol problem of digital twin network， the southbound interface protocol adaptation between the twin network layer and physical network layer， and northbound interface protocol adaptation between the twin network layer and network application layer are intro?duced. Based on the protocol adaptation function of southbound and northbound interfaces， the identification， parsing， and transformation methods of southbound and northbound multi-protocol are proposed to realize the multi-protocol collaboration of interfaces in the twin- layer and reduce the complexity of protocol processing in constructing digital twin network .

Keywords： digital twin network; network twin; multi-protocol collaboration; closed-loop control

1數(shù)字孿生網(wǎng)絡（DTN）發(fā)展概述

2003年，美國密歇根大學的M. GRIEVES教授于產品全生命（00）周期（3年，）管理（美）課（國）程（密）上（歇）提（根）出（大）了（學）數(shù)（的）字（M.）孿（G）生（RI）的（EV）概念[1（ES 教）授]，并（于）將（產）其（品）定（全）義（生）

為包括實體產品、虛擬產品以及二者間聯(lián)系的三維模型。到 2012年，美國空軍研究實驗室和美國國家航空航天局（NASA）合作并提出了構建未來飛行器的數(shù)字孿生體，同時將數(shù)字孿生定義為高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，并且能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應的實體的功能、實時狀態(tài)以及演變趨勢等。近年來，隨著建模仿真技術的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生技術逐漸開始應用在諸如衛(wèi)星、醫(yī)療、能源、交通等各行各業(yè)中[2]。

隨著數(shù)字孿生技術在各行各業(yè)的應用，如何在通信網(wǎng)絡領域中引入數(shù)字孿生技術并構建 DTN成為了新的研究熱點之一。同時， DTN 也逐漸被認為是6G 網(wǎng)絡的關鍵技術之一。文獻[3]中， DTN 被定義為“一個具有物理網(wǎng)絡實體及虛擬孿生體，且二者可進行實時交互映射的網(wǎng)絡系統(tǒng)”，其應當具備4 個核心要素：數(shù)據(jù)、模型、映射和交互，并相應設計了“三層三域雙閉環(huán)”架構。

基于如上所述的架構定義，數(shù)字孿生網(wǎng)絡的各層接口及所處位置如圖1 所示。物理實體網(wǎng)絡中的網(wǎng)元通過孿生南向接口同孿生網(wǎng)絡層交互網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡控制信息。孿生網(wǎng)絡層中含有數(shù)據(jù)共享倉庫、服務映射模型和數(shù)字孿生體管理3 個關鍵子系統(tǒng)，也通過相應的接口協(xié)議，滿足其構建與交互需求，并通過孿生層內部接口實現(xiàn)3 個關鍵子系統(tǒng)之間以及與物理網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層間的交互。網(wǎng)絡應用通過孿生北向接口向孿生網(wǎng)絡層輸入需求，并通過模型化實例在孿生網(wǎng)絡層進行業(yè)務部署。綜上所述， DTN 不同層間，以及孿生層內部的接口協(xié)議需求存在差異性。此外，物理網(wǎng)絡層中的不同設備所支持的協(xié)議也多有不同，因此 DTN 的構建也需要考慮如何實現(xiàn)不同協(xié)議間的高效協(xié)同。

2數(shù)字孿生網(wǎng)絡的接口及協(xié)議

本章依據(jù)文獻[3]所提架構，進一步提出了孿生北向接口、孿生層內部接口和孿生南向接口需具備的能力，總結了各接口應具備的特性，并在此基礎上總結分析了一些現(xiàn)有通信協(xié)議在 DTN 構建中的適用性。

2.1孿生北向接口

孿生北向接口是網(wǎng)絡應用層與孿生網(wǎng)絡層間的接口，網(wǎng)絡應用需求由孿生北向接口輸入到孿生網(wǎng)絡層。孿生北向接口能夠支持網(wǎng)絡運維和優(yōu)化、網(wǎng)絡可視化、意圖驗證、網(wǎng)絡自動駕駛等網(wǎng)絡應用以更低的成本、更高的效率和更小的現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務影響快速部署。因此，孿生北向接口應具備4 個方面的特征。

（1）開放性：孿生北向接口須讓不同網(wǎng)絡應用的業(yè)務需求輸入到孿生網(wǎng)絡層，因此它需要具備良好的開放性與兼容性。

（2）可擴展：網(wǎng)絡應用層內部存在著多種網(wǎng)絡應用，這必然會導致更新?lián)Q代的發(fā)生。同時，網(wǎng)絡的不斷發(fā)展勢必引入新的網(wǎng)絡應用。隨著網(wǎng)絡應用的升級和新應用的產生，孿生北向接口應能及時地擴展，以滿足新網(wǎng)絡的應用需求。

（3）可移植：孿生網(wǎng)絡層中存在大小不一、功能不同的孿生體，網(wǎng)絡應用層中各類應用的相同或相似需求可能部署在不同的孿生體上，因此，孿生北向接口應能夠較方便地移植、部署到不同的孿生體上。

（4）靈活易部署：為減少部署時間，降低部署成本，孿生北向接口須能靈活部署。

2.2孿生層內部接口

孿生網(wǎng)絡層內部包含數(shù)據(jù)共享倉庫、服務映射模型和數(shù)字孿生體管理3 個關鍵子系統(tǒng)，它們是數(shù)字孿生網(wǎng)絡最關鍵的部分。孿生層內部接口指的是這3 個子系統(tǒng)內部及其之間的接口。為支持這3 個子系統(tǒng)各自的功能及其交互，孿生層內部接口應具備如下4 個功能。

（1）統(tǒng)一性：孿生網(wǎng)絡層中任一子系統(tǒng)應能通過孿生層內部接口為其他子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)服務，即接口應具備統(tǒng)一性。

（2）適配性：孿生網(wǎng)絡層須與網(wǎng)絡應用層和物理網(wǎng)絡層交互，應能很好地適應于各種網(wǎng)絡設備，并與多種接口適配，因此孿生層內部接口也需要具備適配性。

（3）可移植：服務映射模型子系統(tǒng)為不同應用提供的數(shù)據(jù)模型實例可能存在極高的相似度，為提高效率，數(shù)據(jù)模型實例須能通過不同的孿生層內部接口提供及部署。

（4）靈活可擴展：孿生網(wǎng)絡層須能對不同的網(wǎng)絡新業(yè)務進行驗證，為縮短功能實現(xiàn)時間，孿生層內部的功能實現(xiàn)應盡可能簡化，因此孿生網(wǎng)絡層內部接口須做到靈活可擴展。

2.3孿生南向接口

孿生南向接口是孿生網(wǎng)絡層與物理實體網(wǎng)絡間的接口?？刂聘掠蓪\生南向接口下發(fā)至物理實體網(wǎng)絡，同時物理實體網(wǎng)絡中的各種網(wǎng)元通過孿生南向接口同孿生網(wǎng)絡層交互網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡控制信息。因此，孿生南向接口應具備3 個功能。

（1）信息交互能力：孿生南向接口應能收集不同物理網(wǎng)元或網(wǎng)絡設備的信息，同時將孿生網(wǎng)絡中的配置信息下發(fā)給物理網(wǎng)絡來執(zhí)行，即能實現(xiàn)孿生網(wǎng)絡層與物理實體網(wǎng)絡間的信息交互。

（2）實時性：孿生網(wǎng)絡配置驗證等功能的實現(xiàn)須具備一定的實時性，因此從物理實體網(wǎng)絡中采集并上傳的信息以及從孿生網(wǎng)絡下發(fā)給物理網(wǎng)絡的配置信息均須具備一定的實時性，以滿足數(shù)字孿生網(wǎng)絡的實時性要求。

（3）可兼容：不同廠商生產的網(wǎng)絡設備及網(wǎng)元所使用的接口及協(xié)議千差萬別，孿生南向接口應具備良好的兼容性，保證信息采集與配置下發(fā)的可靠性。

2.4通用協(xié)議

目前網(wǎng)絡中存在多種多樣的南北向及網(wǎng)絡內部協(xié)議，如 RESTCONF[4]、NETCONF[5]、? OpenFlow[6]、可擴展消息處理線程協(xié)議（XMPP） [7]、East-West Bridge[8]等。不同協(xié)議適用于不同的孿生網(wǎng)絡接口，如表1 所示。表 1給出了目前適合 DTN 的一些通用協(xié)議的適用性建議。

3多協(xié)議協(xié)同的接口實現(xiàn)機制

如上所述， DTN 中的物理網(wǎng)絡涵蓋移動接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)等多種網(wǎng)絡類型，因此網(wǎng)元設備種類繁多，各廠家設備所支持的協(xié)議存在差異性。同時， DTN 中的網(wǎng)絡應用層也須支持不同網(wǎng)絡應用的多樣化協(xié)議。因此，孿生層內部接口須能實現(xiàn)多協(xié)議協(xié)同，以滿足不同廠家的網(wǎng)元或網(wǎng)絡設備所支持的多樣化協(xié)議，以及差異化的數(shù)據(jù)格式。此外，孿生層內部接口也須支持不同應用、應用升級等帶來的需求改變和接口協(xié)議的適配變化。同時，由于孿生網(wǎng)絡層的構建并非簡單的、 1 ∶1 的完全復制物理網(wǎng)絡，而是通過模型抽象的方式實現(xiàn)物理網(wǎng)絡的映射，因此在孿生層內部通過多協(xié)議協(xié)同實現(xiàn)協(xié)議轉換等處理，既能實現(xiàn)孿生層內部協(xié)議簡單化，又不會影響 DTN 原系統(tǒng)構建。

當前，針對網(wǎng)絡中存在的協(xié)議類別多的問題，業(yè)界也展開了相關研究。例如，文獻[10]對窄帶物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)關處不同協(xié)議的轉換問題進行了探討;文獻[11]研究了基于 OpenFlow 協(xié)議實現(xiàn)的支持多業(yè)務融合和多協(xié)議轉發(fā)的網(wǎng)絡架構設計;文獻[12]結合了簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）等多協(xié)議，用于網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn);文獻[13]提出了一種使用元數(shù)據(jù)以抽象方式指定變量和消息的多代理協(xié)議組合方法，實現(xiàn)相同協(xié)議配置的多次調用，提升了協(xié)議組合的效率。由此可見，多協(xié)議轉換、融合的研究已有一定基礎，但在 DTN 中如何實現(xiàn)多協(xié)議協(xié)同仍有待研究。另外，由于孿生北向接口與孿生南向接口所需處理的協(xié)議不同，南北向接口協(xié)議適配功能存在一定的差異性。

3.1孿生南向接口協(xié)議適配功能

基于上述相關協(xié)議融合與協(xié)議轉換的研究，為實現(xiàn)孿生網(wǎng)絡層與物理網(wǎng)絡層間協(xié)議的轉換，保證協(xié)議處理的高效性，配置信息分發(fā)的準確可執(zhí)行，并盡可能地降低協(xié)議處理的復雜度，本文在孿生網(wǎng)絡層與物理網(wǎng)絡層交互處引入了南向接口協(xié)議適配功能。如圖2 所示，南向接口協(xié)議適配功能由協(xié)議配置管理、協(xié)議解析及轉換、協(xié)議識別及匹配和數(shù)據(jù)管理4 個模塊組成。

（1）協(xié)議配置管理模塊：對物理網(wǎng)絡層發(fā)給孿生網(wǎng)絡層的所有數(shù)據(jù)包進行處理并得到相應的配置信息，為協(xié)議識別及匹配模塊和協(xié)議解析及轉換模塊提供所需的配置信息。

（2）協(xié)議識別及匹配模塊：通過孿生南向接口實現(xiàn)與物理網(wǎng)絡層的交互，根據(jù)網(wǎng)元設備標識、終端設備信息、接入控制攜帶的網(wǎng)元信息等，識別并記錄物理網(wǎng)絡層設備所支持的協(xié)議類別，形成相應的終端協(xié)議表，具體形式如表2 所示。此外，協(xié)議識別及匹配模塊在孿生網(wǎng)絡層完成相應的功能驗證并生成相應的網(wǎng)絡配置，再將網(wǎng)絡配置信息下發(fā)至物理網(wǎng)絡的具體設備。這時協(xié)議識別及匹配模塊會根據(jù)終端協(xié)議表，確保命令傳輸協(xié)議為相應設備所支持的協(xié)議類型。

（3）協(xié)議解析及轉換模塊：對從物理網(wǎng)絡上傳的信息等進行解析并轉換為孿生網(wǎng)絡層內部數(shù)據(jù)共享倉庫、服務映射模型和數(shù)字孿生體管理3 個子系統(tǒng)支持的協(xié)議類型;或做逆處理，即將孿生層內部3 個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息、模型信息、配置信息等解析并轉換為外部應用和物理設備支持的協(xié)議類型。同時，孿生網(wǎng)絡層內部不同子系統(tǒng)功能各不相同，協(xié)議解析及轉換模塊須在孿生層內部將協(xié)議轉換為統(tǒng)一的且孿生網(wǎng)絡層3 個子系統(tǒng)均支持的協(xié)議格式，以簡化孿生網(wǎng)絡層內部協(xié)議轉發(fā)及信息交互流程。

（4）數(shù)據(jù)管理模塊：將物理網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層所用的不同協(xié)議的不同數(shù)據(jù)格式轉換成孿生網(wǎng)絡層內部所用協(xié)議適用的數(shù)據(jù)格式。

孿生層內部南向接口協(xié)議適配功能對物理網(wǎng)絡層中不同終端、設備用到的多種協(xié)議進行識別、解析和轉換等操作，簡化了孿生網(wǎng)絡層內部3 個子系統(tǒng)間以及孿生網(wǎng)絡層與物理網(wǎng)絡層間的信息交互，實現(xiàn)了孿生層內部協(xié)議無關的信息處理和數(shù)據(jù)轉發(fā)等功能。南向接口協(xié)議適配功能簡化流程如圖3 所示。通過引入南向接口協(xié)議適配單元，無須過多修改底層物理網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡設備，協(xié)議轉換、適配等工作就可以全部由南向多協(xié)議適配單元完成。這使得孿生網(wǎng)絡層的功能更容易實現(xiàn)，數(shù)字孿生網(wǎng)絡的構建復雜度進一步降低。

3.2孿生北向接口協(xié)議適配功能

與物理層網(wǎng)元設備等支持的協(xié)議種類繁多相比，在當前網(wǎng)絡應用層中，應用所使用的協(xié)議種類數(shù)量較少，采用基于 Rest 應用程序編程接口（API）實現(xiàn)方式的應用占絕大多數(shù)。因此，相比于南向接口協(xié)議適配功能，孿生北向接口協(xié)議適配功能相對要簡單一些。類似于南向接口協(xié)議適配功能，北向接口協(xié)議適配功能同樣需要有協(xié)議解析及轉換模塊，實現(xiàn)將基于 Rest API 接口的網(wǎng)絡應用的業(yè)務需求轉換成網(wǎng)絡孿生層可執(zhí)行的協(xié)議類型。

此外，近年來隨著意圖網(wǎng)絡[14]的發(fā)展，意圖北向接口（Intent NBI）概念及部署逐漸興起。Intent NBI 作為一種與具體網(wǎng)絡實現(xiàn)無關的北向接口，僅關注應用相關的內容，而不關注具體的網(wǎng)絡協(xié)議及網(wǎng)絡技術。不同于 Rest API 類接口的實現(xiàn)方式， Intent NBI 采用聲明式的表達形式，僅關注實現(xiàn)結果而不指定具體的操作方式。獨特的設計理念使 Intent NBI 在一定程度上具備了協(xié)議處理功能，與北向接口協(xié)議適配功能高度吻合。目前業(yè)界已有關于 Intent NBI 的一些設計實現(xiàn)工作。因此，我們考慮將 Intent NBI 作為孿生北向接口協(xié)議適配功能的一部分，以簡化部分孿生北向接口多協(xié)議協(xié)同的實現(xiàn)。孿生北向接口協(xié)議適配功能的設計如圖4 所示。

如上所述，網(wǎng)絡應用層目前主流的北向接口為基于Rest API 的實現(xiàn)方式。該方式多采用 RESTCONF 協(xié)議，其他協(xié)議占比較少。同時，考慮到隨著意圖網(wǎng)絡的發(fā)展，以及 Intent NBI 設計理念的契合性，在北向接口協(xié)議適配功能中，設計引入 Intent NBI，同時面向 Rest API 等接口設置協(xié)議解析及轉換功能模塊和數(shù)據(jù)管理功能模塊，在降低協(xié)議處理的復雜度的同時，完成北向接口和孿生層內部接口間的協(xié)議轉換和統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式等工作。

4結束語

數(shù)字孿生網(wǎng)絡作為網(wǎng)絡智能化、自治化、 6G 網(wǎng)絡演進的技術支撐，越來越多地受到專家學者的關注。但由于通信網(wǎng)絡與其他行業(yè)存在明顯不同，數(shù)字孿生網(wǎng)絡的構建不能單純照搬其他行業(yè)中的應用方案，必須考慮通信網(wǎng)絡本身的各種特性。本文中，我們從數(shù)字孿生網(wǎng)絡構建的不同接口應具備的特性出發(fā)，給出了當前一些協(xié)議在數(shù)字孿生網(wǎng)絡中的適用性建議。同時，針對孿生網(wǎng)絡層如何實現(xiàn)多協(xié)議共存和協(xié)調的問題，我們提出在孿生網(wǎng)絡層面向物理網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層處分別引入南北向接口協(xié)議適配功能，以實現(xiàn)南北向多協(xié)議的識別、解析與轉換，簡化孿生網(wǎng)絡層內部信息傳遞、數(shù)據(jù)轉發(fā)等功能，并降低對網(wǎng)絡現(xiàn)有設備的影響和數(shù)字孿生網(wǎng)絡構建的復雜度。多協(xié)議協(xié)調的接口實現(xiàn)只是構建數(shù)字孿生網(wǎng)絡所面臨的諸多問題中的一個，未來我們將繼續(xù)探討并研究數(shù)字孿生網(wǎng)絡構建中所面臨的其他問題與挑戰(zhàn)。

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作者簡介

陳丹陽，中國移動研究院研究員;研究方向為數(shù)字孿生網(wǎng)絡和意圖網(wǎng)絡。

陸璐，中國移動研究院基礎網(wǎng)絡技術研究所副所長、中國通信標準化協(xié)會 TC5核心網(wǎng)組組長;長期從事移動核心網(wǎng)策略、演進、標準和技術研究工作，主要涉及未來網(wǎng)絡架構、智能管道、邊緣計算等領域。

孫滔，中國移動研究院首席專家，正高級工程師， 3GPP SA2副主席;主要從事移動通信網(wǎng)絡架構、網(wǎng)絡融合、網(wǎng)絡智能化、 5G/6G 等網(wǎng)絡新技術的研發(fā)工作;從2009年開始代表中國移動參加3GPP 會議，作為報告人完成5G 架構的研究和標準制訂的工作。