多樣化業(yè)務(wù)需求與全維網(wǎng)絡(luò)能力的映射

范琮珊 周旭 任勇毛

摘要：提出一種通用的業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)能力自組織和業(yè)務(wù)需求自映射靈活適配業(yè)務(wù)發(fā)展需求。構(gòu)建全維可定義網(wǎng)絡(luò)能力模型，抽象和分解網(wǎng)絡(luò)各層能力，并從通信主體、網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)安全4 個(gè)維度以及30多種具體元素實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放可定義和動(dòng)態(tài)演進(jìn)發(fā)展。針對(duì)復(fù)雜的綜合性業(yè)務(wù)需求，“動(dòng)態(tài)地”選擇和組合網(wǎng)絡(luò)能力，對(duì)比業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力間匹配度，采用最優(yōu)能力組合重構(gòu)復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，設(shè)計(jì)直觀的0-1 映射矩陣形式，支撐映射實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：業(yè)務(wù)需求;全維可定義網(wǎng)絡(luò)能力;映射;網(wǎng)絡(luò)能力組合

Abstract： A general mapping method between service requirements and network capabilities is proposed， which can flexibly adapt to service developing requirements through network capability self-organization and service requirement self-mapping . By abstracting and decom ‐ posing the capabilities of each layer of the network， a full-dimensional definable network capability model is constructed to realize the opening definition and dynamic evolutionary development of network capabilities from four dimensions， including communication subjects， network functions， network resources， and network security， with more than 30 specific elements. The proposed mapping method "dy ‐ namically" selects and combines network capabilities for complex and comprehensive service requirements . Based on the matching degree calculated between service requirements and network capabilities， the optimal combination of network capabilities is selected to reconstruct composite network functions. An intuitive 0-1 mapping matrix form is designed to support mapping realization .

Keywords： service requirement; full-dimensional definable network capability; mapping; network capabilities combination

近年來(lái)，電子、計(jì)算機(jī)和人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展催生了大量新型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，遠(yuǎn)程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、全息通信、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR） /增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、智慧家庭等業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。全新業(yè)務(wù)隨著技術(shù)的成熟和升級(jí)將逐漸普及，并將改變社會(huì)形態(tài)與人們的生活方式。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)大不相同，新型業(yè)務(wù)對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)提出更高的要求，是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。以遠(yuǎn)程手術(shù)為例，醫(yī)師在遠(yuǎn)程操作多個(gè)協(xié)同的醫(yī)療設(shè)備對(duì)患者進(jìn)行治療時(shí)，需要與用戶的身體直接交互。這對(duì)安全性提出極高的要求。治療過(guò)程需要手、眼、耳、鼻等多個(gè)器官同時(shí)參與控制與反饋。不同類型的信息傳輸及傳輸性能也要求精準(zhǔn)同步。醫(yī)療影像視頻傳輸和手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)畫面的實(shí)時(shí)觀察要求分辨率在4K 以上，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延及可靠性要求也很高。未來(lái)業(yè)務(wù)包含的信息維度逐步增加，協(xié)同性逐漸增強(qiáng)，性能要求也越來(lái)越高。因此，只有實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)能力的編排組合，才能夠有效支撐更精、更尖、更高的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）。

與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的能力也隨著技術(shù)的進(jìn)步和硬件的升級(jí)不斷完善。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）網(wǎng)絡(luò)的盡力而為轉(zhuǎn)發(fā)能力基礎(chǔ)上，源路由、多標(biāo)識(shí)尋址、智能路由、確定性轉(zhuǎn)發(fā)、內(nèi)生安全等全新網(wǎng)絡(luò)能力先后出現(xiàn)，打破已有網(wǎng)絡(luò)能力的單一架構(gòu)，不斷擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的能力維度，豐富網(wǎng)絡(luò)能力的實(shí)現(xiàn)形式，提高網(wǎng)絡(luò)能力支撐業(yè)務(wù)的力度。

面向多樣化業(yè)務(wù)需求和差異化網(wǎng)絡(luò)的能力，如何實(shí)現(xiàn)兩者之間的匹配，并通過(guò)組合優(yōu)化選擇合適的網(wǎng)絡(luò)能力為業(yè)務(wù)需求提供高效的支撐是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。運(yùn)營(yíng)商通過(guò)端到端服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理完成對(duì)業(yè)務(wù)關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)（KQI）的監(jiān)測(cè)和控制，將上層的用戶感受折射到業(yè)務(wù)質(zhì)量模型，再映射到反映特定網(wǎng)絡(luò)能力屬性的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI），調(diào)整和優(yōu)化各項(xiàng)指標(biāo)，滿足業(yè)務(wù)需求，提升QoE[1]。文獻(xiàn)[2]定義視頻流和長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）語(yǔ)音服務(wù)影響 QoS 和QoE的 KPI 與KQI，并分析 QoS 和QoE之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò) QoS 和QoE的關(guān)聯(lián)關(guān)系預(yù)測(cè)達(dá)到規(guī)定QoE級(jí)別的概率，以衡量用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。文獻(xiàn)[3]利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法分析 KQI 與 KPI 之間的關(guān)系，得到影響 KQI 的 KPI，以及 KPI 劣化導(dǎo)致 KQI 劣化的概率，完成 KPI 劣化小區(qū)感知，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題定位，提升網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主動(dòng)化、事先化、自動(dòng)化。在大型網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射關(guān)系時(shí)，我們可以采用數(shù)學(xué)建模的方式，即通過(guò)系統(tǒng)抽象和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出映射函數(shù)，解決實(shí)際問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]以網(wǎng)絡(luò)效用最大化為目標(biāo)構(gòu)建從服務(wù)到連接和從連接到路徑的多對(duì)多映射數(shù)學(xué)模型，將路徑帶寬合理分配給各個(gè)服務(wù)，使得所有服務(wù)的效用之和達(dá)到最優(yōu)。

已有網(wǎng)絡(luò)映射的研究主要針對(duì)特定場(chǎng)景下局部業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射，缺乏普遍適用的業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射方法。局部業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射的方式操作簡(jiǎn)單，但適用性差，且只考慮單一的業(yè)務(wù)需求。隨著業(yè)務(wù)形態(tài)的豐富和多樣化，業(yè)務(wù)需求迅速增長(zhǎng)且不斷復(fù)雜化。當(dāng)前有限數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)能力形式單一、動(dòng)態(tài)性差、效能低、運(yùn)維僵化，直接導(dǎo)致業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力之間的差距日益擴(kuò)大，難以采用靈活的網(wǎng)絡(luò)能力組合匹配未來(lái)多元化業(yè)務(wù)的需求。因此，人們急需一種普遍適用的映射機(jī)制，以全面覆蓋單一化和復(fù)雜化業(yè)務(wù)需求的映射。本文提出一種通用的業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射模型，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)能力自組織和業(yè)務(wù)需求自映射靈活適配業(yè)務(wù)發(fā)展需求，基于“以網(wǎng)絡(luò)為核心”的設(shè)計(jì)理念，抽象和分解網(wǎng)絡(luò)各層能力，從通信主體、網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)安全4 個(gè)維度進(jìn)行細(xì)粒度劃分，獲得30多種網(wǎng)絡(luò)能力元素，實(shí)現(xiàn)全維度網(wǎng)絡(luò)能力可定義。靈活地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)能力類型能夠支持全維度可定義網(wǎng)絡(luò)能力模型的動(dòng)態(tài)加載和演進(jìn)發(fā)展。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求“動(dòng)態(tài)地”選擇網(wǎng)絡(luò)能力，靈活地組合網(wǎng)絡(luò)能力，分析對(duì)比業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力之間的匹配度，采用最優(yōu)能力組合重構(gòu)復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以有效支撐未來(lái)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)化、多樣化業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)能力的映射。

1多樣化業(yè)務(wù)需求

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)張以及經(jīng)濟(jì)、政治、教育、醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，新型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景開(kāi)始涌現(xiàn)。新業(yè)務(wù)場(chǎng)景可以分為消費(fèi)類業(yè)務(wù)場(chǎng)景和生產(chǎn)類業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如圖1 所示。消費(fèi)類業(yè)務(wù)場(chǎng)景目標(biāo)是為用戶提供極致的服務(wù)體驗(yàn)，滿足人類社會(huì)智慧化需求，包括 AR/VR、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧家庭、全息通信等;生產(chǎn)類業(yè)務(wù)場(chǎng)景是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施融合的產(chǎn)物，該場(chǎng)景的目標(biāo)是促進(jìn)生產(chǎn)力的大力發(fā)展，包括車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等。業(yè)務(wù)類型的豐富對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了多樣化功能性需求和性能性需求，具體反映為不同維度、類型的網(wǎng)絡(luò)能力。新型的業(yè)務(wù)需求推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)能力的動(dòng)態(tài)演進(jìn)。

新型業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的功能性需求不斷增加，不僅體現(xiàn)在已有功能的全面增強(qiáng)，同時(shí)也體現(xiàn)在新的功能性需求。大量的人、手機(jī)、傳感器、醫(yī)療設(shè)備，甚至數(shù)據(jù)、計(jì)算作為通信主體接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)需要支持?jǐn)?shù)目巨大且類型各異的連接。不同的業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量有不同的需求。例如，安全可靠的遠(yuǎn)程醫(yī)療需要確定性的時(shí)延和傳輸抖動(dòng)保證，全息通信要求網(wǎng)絡(luò)支持高通量傳輸。網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)業(yè)務(wù)的特性提供定制化、可預(yù)測(cè)的接入和傳輸服務(wù)，以保證服務(wù)質(zhì)量的確定性和差異化。處于動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，例如車聯(lián)網(wǎng)，對(duì)移動(dòng)性支持有超高的要求。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展融入了存儲(chǔ)和計(jì)算，需要實(shí)時(shí)感知業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，進(jìn)行高效全局的資源管控和編排，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)利用率，提升QoE。未來(lái)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的復(fù)雜化導(dǎo)致更多的安全漏洞，無(wú)法通過(guò) IP 網(wǎng)絡(luò)“補(bǔ)丁式”的安全方案保障，需要設(shè)計(jì)內(nèi)生安全機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)具備內(nèi)在自免疫、可進(jìn)化的安全能力，提供高可靠性和隱私性服務(wù)。

業(yè)務(wù)的專業(yè)化、智能化使得業(yè)務(wù)的性能需求更加精準(zhǔn)和高效。典型的性能需求包括帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)及丟包率等。業(yè)務(wù)超高通量傳輸需要超大帶寬的支持。 4K 視頻的傳輸需要 12 Gbit/s 的帶寬。大規(guī)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)帶寬的需求已達(dá)到100 Gbit/s 。抖動(dòng)是與時(shí)延密切相關(guān)的業(yè)務(wù)需求。降低時(shí)延、保證有界抖動(dòng)有助于提供高準(zhǔn)確性和高可靠性服務(wù)。遠(yuǎn)程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)有明確的端到端時(shí)延、抖動(dòng)的需求：遠(yuǎn)程手術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕A(chǔ)時(shí)延控制在 200 ms以內(nèi);車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛要求端到端時(shí)延小于5 ms;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的控制業(yè)務(wù)要求微秒級(jí)的時(shí)延抖動(dòng)。精細(xì)化控制類業(yè)務(wù)，比如工業(yè)控制、智能電網(wǎng)繼電保護(hù)等，對(duì)丟包率敏感。關(guān)鍵指令的丟失將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，精細(xì)化控制類業(yè)務(wù)要求丟包率控制在10-3以下[5]。

2全維可定義網(wǎng)絡(luò)能力

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)豐富的網(wǎng)絡(luò)能力。網(wǎng)絡(luò)維度不斷擴(kuò)

展，能力逐步增強(qiáng)。然而，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)能力結(jié)構(gòu)僵化、提供方式單一、協(xié)調(diào)性差，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)對(duì)新型業(yè)務(wù)的支持能力低下。為此，本文打破傳統(tǒng)面向終端設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)能力的方式，以網(wǎng)絡(luò)為中心，構(gòu)建全維可定義網(wǎng)絡(luò)能力模型，抽象分解網(wǎng)絡(luò)各層能力，細(xì)粒度劃分網(wǎng)絡(luò)能力的維度和類別，支持網(wǎng)絡(luò)能力的靈活擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多元化網(wǎng)絡(luò)能力的開(kāi)放可定義和動(dòng)態(tài)演進(jìn)發(fā)展，為業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力的映射奠定基礎(chǔ)[6]。

全維可定義網(wǎng)絡(luò)能力模型構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)能力空間，如圖2 所示。整體空間劃分通信主體、網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)安全 4個(gè)維度。每個(gè)維度包括不同網(wǎng)絡(luò)能力類型，一種能力類型支持多種實(shí)現(xiàn)形式的能力元素（共30多種）。每個(gè)維度的網(wǎng)絡(luò)能力可以隨時(shí)更新新型的網(wǎng)絡(luò)能力，并能及時(shí)刪除舊網(wǎng)絡(luò)能力，以保持網(wǎng)絡(luò)能力模型的動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展性。下面我們對(duì)每個(gè)維度做具體說(shuō)明。

（1）通信主體

通信主體是指網(wǎng)絡(luò)中參與數(shù)據(jù)傳輸行為的主體，包括數(shù)據(jù)發(fā)送方、轉(zhuǎn)發(fā)方和接收方。不同的通信主體采用不同的身份標(biāo)識(shí)（ID）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)采用 IP地址作為尋址標(biāo)識(shí)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)等多元化網(wǎng)絡(luò)融合與互聯(lián)需求的發(fā)展，通信主體的種類不斷豐富，支持人（身份）、位置（經(jīng)緯度、速度、方向）、服務(wù)（應(yīng)用）、物（物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽）、內(nèi)容（視頻、文件、圖片）等多樣化標(biāo)識(shí)并存，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和元素的互通。

（2）網(wǎng)絡(luò)功能

網(wǎng)絡(luò)功能是指數(shù)據(jù)在通信主體間完成傳遞轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備所承載的功能，包括尋址（定長(zhǎng)尋址、變長(zhǎng)尋址）、路由（距離矢量路由、鏈路狀態(tài)路由）、轉(zhuǎn)發(fā)（盡力而為轉(zhuǎn)發(fā)、約束路徑轉(zhuǎn)發(fā)）、 QoS 隊(duì)列（先進(jìn)先出、優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、加權(quán)公平隊(duì)列）、擁塞控制（基于顯示擁塞反饋、量化擁塞通知）等能力。隨著技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)功能不斷優(yōu)化和完善。面對(duì)海量的異構(gòu)通信主體，網(wǎng)絡(luò)支持多模式接入和連接。為滿足專業(yè)化、精細(xì)化及差異化的業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)提供可規(guī)劃、可預(yù)期和可定制的數(shù)據(jù)傳輸，以保障時(shí)延、吞吐量、抖動(dòng)、丟包率等性能指標(biāo)，提升用戶體驗(yàn)。

（3）網(wǎng)絡(luò)資源

網(wǎng)絡(luò)資源是指數(shù)據(jù)傳輸依賴的資源，包括鏈路（無(wú)線、光纖、電纜）、計(jì)算（邊緣計(jì)算、云計(jì)算）、存儲(chǔ)（內(nèi)存、硬盤）、地址（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第4 版、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6 版）等。報(bào)文中分配的地址占用地址空間資源，數(shù)據(jù)在通信主體間傳輸時(shí)占用帶寬形式的鏈路資源。轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)處理器及片上內(nèi)存的計(jì)算和存儲(chǔ)資源處理報(bào)文。硬件升級(jí)與軟件優(yōu)化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)生了巨大的變化：資源類型不斷豐富，多種異構(gòu)資源并存。資源在網(wǎng)絡(luò)中的部署位置比較靈活，適合協(xié)同調(diào)度。資源容量得到提升，體積變小，便于處理。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全

網(wǎng)絡(luò)安全維度的網(wǎng)絡(luò)能力能夠保障網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、信息和傳輸?shù)陌踩?，包括可信性（源地址?yàn)證、身份驗(yàn)證）、隱私性（加密）、可靠性（完整性校驗(yàn)）和可溯源性（概率包標(biāo)記法、日志記錄）。可信性保證網(wǎng)絡(luò)信息能夠被授權(quán)實(shí)體訪問(wèn)并合法使用;隱私性保護(hù)能夠防止信息泄露及非法利用;可靠性通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決網(wǎng)絡(luò)異常，保證高效正常運(yùn)行;可溯源性在面對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)能夠快速定位和追蹤攻擊的源頭。隨著業(yè)務(wù)場(chǎng)景的復(fù)雜化，外掛式安全技術(shù)無(wú)法應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不統(tǒng)一、終端多樣化帶來(lái)的安全隱患，亟須采用內(nèi)生安全機(jī)制[7]。

3業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)能力的映射

業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射是映射概念在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù)中的具體化。在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，不同業(yè)務(wù)面臨差異化需求。單個(gè)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)需要滿足的所有條件形成業(yè)務(wù)需求集合，集合中的每個(gè)元素代表一項(xiàng)具體的業(yè)務(wù)需求。相應(yīng)地，網(wǎng)絡(luò)的快速演進(jìn)不斷豐富網(wǎng)絡(luò)能力，聚集網(wǎng)絡(luò)具備的全部能力并構(gòu)成全維網(wǎng)絡(luò)能力集合。集合中的每個(gè)元素代表一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)支持能力。業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射是為了利用特定網(wǎng)絡(luò)能力支持業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，需要在業(yè)務(wù)需求集合和網(wǎng)絡(luò)能力集合兩者的元素之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系體現(xiàn)在：一項(xiàng)業(yè)務(wù)需求需要通過(guò)一系列網(wǎng)絡(luò)能力才能得到滿足，同時(shí)一種網(wǎng)絡(luò)能力能夠支持多種業(yè)務(wù)需求。通過(guò)選擇和組合適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)能力，依據(jù)合理的順序執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)能力，可滿足業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)能力的映射。

從業(yè)務(wù)使用者（用戶）的角度看，多樣化業(yè)務(wù)需求需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)能力。通過(guò)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)能力映射，用戶從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的可選網(wǎng)絡(luò)能力方案中選擇一種，并為相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)能力付費(fèi)，支持業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的角度，網(wǎng)絡(luò)具備全維能力。不同的網(wǎng)絡(luò)能力對(duì)業(yè)務(wù)需求的支持度不同。通過(guò)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)能力映射，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為用戶提供滿足業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)能力方案和定價(jià)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力商品化。

3. 1映射要素

業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射的3 個(gè)要素是原象、象和映射法則。其中，原象是業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)該滿足的需求元素，象是網(wǎng)絡(luò)具備的能力元素，映射法則是指原象和象之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的生成原則。映射法則的產(chǎn)生包括映射形式和映射機(jī)制兩部分。映射形式包括原象與象一對(duì)一、多對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多 4種映射關(guān)系。相較于原始的映射定義，映射形式擴(kuò)展了一對(duì)多、多對(duì)多兩種。映射機(jī)制可解決如何將原象和象代表的業(yè)務(wù)需求元素與網(wǎng)絡(luò)能力元素進(jìn)行合理對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。

3.2映射形式

假設(shè)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn) D具備 M項(xiàng)業(yè)務(wù)需求，采用集合表示為D =d1 ，d2 ， …，dM。網(wǎng)絡(luò)具備 N項(xiàng)能力，采用集合表示為 R =r1 ，r2 ， …，rN。定義矩陣 A =Adr，d∈D，r∈ R為業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)能力的映射矩陣。Adr = 1表示網(wǎng)絡(luò)能力 r能夠支持業(yè)務(wù)需求 d;Adr =0 表示網(wǎng)絡(luò)能力 r不能支持業(yè)務(wù)需求 d。業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力間對(duì)應(yīng)關(guān)系也可以描述為： D = A × RT 。

圖3 表示業(yè)務(wù)需求 D =D1 ，D2 ，D3與網(wǎng)絡(luò)能力 R =R1 ，R2 ，R3 ，R4映射關(guān)系的示例。對(duì)應(yīng)的0-1映射矩陣為：

0-1矩陣形式能夠直觀地表示業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)能力之間的復(fù)雜映射關(guān)系，為靈活的網(wǎng)絡(luò)能力組合滿足業(yè)務(wù)需求提供有效支撐。矩陣的行代表映射的原象，矩陣的列代表映射的象。矩陣中“1”在行向量和列向量的位置（由下標(biāo)決定）決定了映射函數(shù)的原象和象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。0-1映射矩陣行向量或列向量中“1”的總數(shù)量反映了不同的映射形式。當(dāng)映射矩陣列向量中“1”的總數(shù)量多于一個(gè)時(shí)，映射形式為多對(duì)一，表示一項(xiàng)業(yè)務(wù)需求需要多種網(wǎng)絡(luò)能力才能夠滿足;當(dāng)映射矩陣行向量中“1”的總數(shù)量多于一個(gè)時(shí)，映射形式為一對(duì)多，表示一種網(wǎng)絡(luò)能力能夠支撐多項(xiàng)業(yè)務(wù)需求;當(dāng)映射矩陣中所有列向量和行向量的“1”總量都為一個(gè)時(shí)，映射形式為一對(duì)一，表示業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力是一一對(duì)應(yīng)的;當(dāng)映射矩陣列向量和行向量中的“1”的總數(shù)量均多于一個(gè)時(shí)，映射形式為多對(duì)多，表示多項(xiàng)業(yè)務(wù)需求需要多種網(wǎng)絡(luò)能力才能夠滿足。

3.3映射機(jī)制

本文基于業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力間的匹配度設(shè)計(jì)映射機(jī)制。當(dāng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)規(guī)定需求指標(biāo)時(shí)，業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力間的匹配度被定義為：在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，給定網(wǎng)絡(luò)能力所獲得的業(yè)務(wù)需求指標(biāo)與規(guī)定需求指標(biāo)間的差值。針對(duì)功能性業(yè)務(wù)需求，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行業(yè)務(wù)需求規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)能力時(shí)，定義指標(biāo)的差值為0，否則差值為1;針對(duì)性能性業(yè)務(wù)需求，定義指標(biāo)的差值為可達(dá)性能指標(biāo)值與規(guī)定性能指標(biāo)值間的差值。

假設(shè)業(yè)務(wù)? D 規(guī)定的需求指標(biāo)為? Ind =[ Ind1 ，Ind2 ，Ind3 ， …，IndM]。支持業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)能力集合共有 K種，表示為Rk， 1≤ k ≤ K。采用Rk獲得的業(yè)務(wù)需求指標(biāo)為 Ind Rk=[ Ind1Rk，Ind2Rk，Ind3Rk， …，IndMRk]。閔可夫斯基距離可用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)需求指標(biāo)向量間的相似度，即業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力的匹配度：

Gk =? p ，其中 W =α1 ，α2 ， …，αM 是業(yè)務(wù)需求集合 D對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)權(quán)重系數(shù)集合。αl 數(shù)值越大，優(yōu)先級(jí)越高，且滿足 α l? = 1。對(duì)比 K個(gè)閔可夫斯基距離值，最小值 k*? = mink Gk對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)能力為與業(yè)務(wù)需求匹配度最高的網(wǎng)絡(luò)能力Rk*。利用業(yè)務(wù)需求集合 D 和網(wǎng)絡(luò)能力集合Rk* 生成映射矩陣。

3.4映射步驟

基于映射三要素，業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力的映射步驟包括原象生成、象生成和映射法則生成3 個(gè)步驟，如圖4 所示。

第1 步：原象生成

針對(duì)用戶側(cè)提交的業(yè)務(wù)需求，拆分復(fù)合型業(yè)務(wù)需求，聚類相似的業(yè)務(wù)需求，形成業(yè)務(wù)需求集合 D;根據(jù)業(yè)務(wù)的特性，生成業(yè)務(wù)需求指標(biāo)集合 Ind 以及需求權(quán)重因子集合 W。

第2 步：象生成

網(wǎng)絡(luò)能力隨著業(yè)務(wù)執(zhí)行而動(dòng)態(tài)變化，為了更加準(zhǔn)確地匹配業(yè)務(wù)需求，需要提供實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)能力狀態(tài)。利用場(chǎng)景感知

等方式，獲得動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)能力空間 Spa;利用集合標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)

能力 C =C 1 ; C2 ; …; CI，其中 Ci 表示第i種維度的網(wǎng)絡(luò)能

力，包括通信主體、網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)安全等多個(gè)維度。每個(gè)維度的網(wǎng)絡(luò)能力具體包括多種網(wǎng)絡(luò)能力元素。

第3 步：映射法則生成

映射法則的生成主要包括網(wǎng)絡(luò)能力組合、業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力匹配度計(jì)算和映射矩陣的生成。

（1）網(wǎng)絡(luò)能力編排

網(wǎng)絡(luò)能力組合過(guò)程包括：依次分析業(yè)務(wù)需求 dm，從網(wǎng)絡(luò)能力空間的各維度中選擇支持業(yè)務(wù)需求的單個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)能力，形成網(wǎng)絡(luò)能力組合 Rm = rj ，rj∈ Spa;遍歷業(yè)務(wù)需求集合，將M 項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)能力組合合并，保留具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)能力，刪除具有互斥關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)能力，形成全新的網(wǎng)絡(luò)能力集合Rk = ∪ Rm 。由于存在不同類型的網(wǎng)絡(luò)能力均支持同一業(yè)務(wù)需求的情況，因此網(wǎng)絡(luò)能力組合 Rm 的數(shù)量可能大于1。通過(guò)靈活編排，可最終獲得 K 個(gè)網(wǎng)絡(luò)能力組合Rk，1 ≤ k ≤ K。

（2）業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力匹配度計(jì)算

假設(shè)業(yè)務(wù)? D? 規(guī)定的需求指標(biāo)為

Ind =Ind 1 ，Ind2 ， …， IndM，網(wǎng)絡(luò)能力組合Rk獲得的業(yè)務(wù)需求指標(biāo)為 Ind Rk，我們利用閔可夫斯基距離Gk來(lái)衡量需求指標(biāo)向量 Ind Rk和 Ind 間的距離。

（3）映射矩陣生成

對(duì)比 K個(gè)閔可夫斯基距離值，選擇最小值 k*? = mink Gk對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)能力為與業(yè)務(wù)需求匹配度最高的網(wǎng)絡(luò)能力Rk*?? =r 1 ，r2 ， …，rN。利用業(yè)務(wù)需求集合 D 和網(wǎng)絡(luò)能力集合Rk* 生成 M行、N列的映射矩陣A。矩陣元素Am，n = 1 表示網(wǎng)絡(luò)能力rn支持業(yè)務(wù)需求 dm，Am，n = 0表示網(wǎng)絡(luò)能力rn不支持業(yè)務(wù)需求 dm。

4映射實(shí)例

本節(jié)以邊緣計(jì)算場(chǎng)景下任務(wù)卸載調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源維度的網(wǎng)絡(luò)能力來(lái)分析業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力映射。任務(wù)卸載主要涉及計(jì)算資源和鏈路資源。其中，計(jì)算資源支持邊緣計(jì)算、云計(jì)算和云邊協(xié)同計(jì)算3 種網(wǎng)絡(luò)能力元素，鏈路資源包括無(wú)線前向鏈路和光纖回程鏈路2 種網(wǎng)絡(luò)能力元素。

如圖5 所示，部署區(qū)域中共有1 個(gè)云服務(wù)中心和4 個(gè)基站。基站通過(guò)光纖回程鏈路連接到云中心，并且回程容量為Rbac=10 Mbit/s。基站具備邊緣計(jì)算能力，用戶均勻地分布在基站覆蓋范圍中。由于用戶側(cè)計(jì)算容量有限，任務(wù)將被卸載至邊緣服務(wù)器或者云中心執(zhí)行。規(guī)定數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生傳輸均以時(shí)隙 TS? = 1× 10-3? s 為單位。用戶在時(shí)隙 TS 以概率δ 產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小為 F=20 kbit 。任務(wù)到達(dá)邊緣服務(wù)器或云服務(wù)器的過(guò)程服從泊松分布，到達(dá)率為λmec和λC。

邊緣服務(wù)器和云服務(wù)器具備不同的計(jì)算容量。數(shù)據(jù)包在服務(wù)器中的服務(wù)時(shí)間服從均值為1/μ的指數(shù)分布，其中μ 表示服務(wù)速率，并滿足μC = 2μmec? =3 packet/slot 。服務(wù)時(shí)間的概率密度函數(shù)（PDF）表示為：fTsv，x （t）= μx exp -μxt，x∈{ mec ，C }。

任務(wù)卸載的開(kāi)銷與數(shù)據(jù)包到達(dá)率有關(guān)。設(shè)置邊緣服務(wù)器與云服務(wù)器的單位開(kāi)銷系數(shù)為εx ，x ∈{ mec ，C }，并且滿足ε C = ε mec? =2 unit/packet 。用戶側(cè)提出業(yè)務(wù)需求：以最小化時(shí)延和最小化開(kāi)銷為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包處理，并且業(yè)務(wù)需求以最小時(shí)延為主，規(guī)定優(yōu)先級(jí)權(quán)重系數(shù)α =0.7。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為用戶的業(yè)務(wù)需求提供了3 種網(wǎng)絡(luò)能力組合。

（1）邊緣計(jì)算：用戶通過(guò)無(wú)線鏈路將數(shù)據(jù)包傳輸至邊緣服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)包處理;

（2）云計(jì)算：用戶通過(guò)無(wú)線鏈路將數(shù)據(jù)包傳輸至基站，基站通過(guò)回程鏈路將數(shù)據(jù)包上傳至云服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)包處理;

（3）云邊協(xié)同計(jì)算：用戶通過(guò)無(wú)線鏈路將數(shù)據(jù)包傳輸至基站，同時(shí)數(shù)據(jù)包以協(xié)同概率θ 選擇邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理，并以概率（1- θ） 選擇通過(guò)回程鏈路上傳至云服務(wù)器進(jìn)行處理[8]。

采用隨機(jī)幾何理論和排隊(duì)論分析任務(wù)卸載的時(shí)延和開(kāi)銷性能，通過(guò)仿真對(duì)比3 種網(wǎng)絡(luò)能力組合的匹配度，可實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景下業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力的映射。

邊緣服務(wù)器和云服務(wù)器的數(shù)據(jù)包處理符合 M/M/1的隊(duì)列系統(tǒng)。數(shù)據(jù)包處理時(shí)延包括排隊(duì)時(shí)延和服務(wù)時(shí)延。根據(jù)排隊(duì)論理論[9]，平均處理時(shí)延為1/（μ- λ），其中λ 和μ分別表示數(shù)據(jù)包到達(dá)率和服務(wù)速率。

相應(yīng)地，第1 種網(wǎng)絡(luò)能力方式的總時(shí)延等于邊緣計(jì)算的平均處理時(shí)延：

第2 種網(wǎng)絡(luò)能力方式的總時(shí)延等于云計(jì)算的平均處理時(shí)延與回程鏈路傳輸時(shí)延之和。任務(wù)到達(dá)云服務(wù)器的速率服從泊松過(guò)程，滿足λC = 4λ mec?？倳r(shí)延表示為：

第3 種網(wǎng)絡(luò)能力方式的總時(shí)延包括邊緣計(jì)算時(shí)延和云計(jì)算時(shí)延兩種情況，具體可表示為：

計(jì)算卸載的開(kāi)銷與服務(wù)器的數(shù)據(jù)包到達(dá)率有關(guān)，第1 種網(wǎng)絡(luò)能力方式的開(kāi)銷等于邊緣計(jì)算的開(kāi)銷：

第2 種網(wǎng)絡(luò)能力方式的開(kāi)銷等于云計(jì)算的開(kāi)銷：

第3 種網(wǎng)絡(luò)能力方式的開(kāi)銷等于邊緣計(jì)算開(kāi)銷和云計(jì)算開(kāi)銷之和：

用戶的業(yè)務(wù)需求是保證最小化時(shí)延和開(kāi)銷。以時(shí)延和開(kāi)銷為指標(biāo)，基于兩者的優(yōu)先級(jí)關(guān)系設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力的匹配函數(shù) G （z ）= αT（z ）+ （1- α）C （z ）。將公式（1）和（4）、（2）和（5），以及（3）和（6）分別代入匹配函數(shù)，以仿真分析3 種網(wǎng)絡(luò)能力方式在不同數(shù)據(jù)包到達(dá)率設(shè)置下的匹配函數(shù)。

圖6 對(duì)比了時(shí)延指標(biāo)需求優(yōu)先級(jí)權(quán)重系數(shù)分別為α =1 和α =0.7的匹配函數(shù)。α= 1是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能力滿足單一業(yè)務(wù)需求的方法，只關(guān)注時(shí)延指標(biāo)。從圖6 中可以看出，只有在數(shù)據(jù)包達(dá)到率極低的情況下，選擇邊緣計(jì)算獲得的匹配函數(shù)最小，即λ mec ≤ 0.2 packet/slot。當(dāng)增加數(shù)據(jù)包達(dá)到率時(shí)，λ mec> 0.2 packet/slot，選擇云計(jì)算獲得的匹配函數(shù)最小;由于大量數(shù)據(jù)包卸載到中心云服務(wù)器會(huì)增加服務(wù)開(kāi)銷，同時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包堆積，因此云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)能力組合不適用于業(yè)務(wù)密集和負(fù)載均衡的場(chǎng)景。

綜合考慮時(shí)延和開(kāi)銷的需求指標(biāo)，在α =0.7的情況下，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)率增加時(shí)，匹配度值會(huì)隨著時(shí)延和開(kāi)銷的增加而不斷增加。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)率較小時(shí)，? λ mec<

0.5 packet / slot，選擇邊緣計(jì)算獲得的匹配函數(shù)最小。原因在于邊緣服務(wù)器距離用戶近，服務(wù)器計(jì)算容量足夠支撐少量的計(jì)算任務(wù)，并且邊緣服務(wù)器的開(kāi)銷遠(yuǎn)小于云中心服務(wù)器。在稀疏業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，用戶可以選擇第1 種網(wǎng)絡(luò)能力方式，就近采用邊緣服務(wù)器卸載計(jì)算任務(wù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)率逐漸增大時(shí)，即λmec? ≥0.5 packet/slot，將數(shù)據(jù)包卸載到計(jì)算容量較小的邊緣服務(wù)器會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包處理堆積，排隊(duì)等待時(shí)長(zhǎng)增加，從而導(dǎo)致總時(shí)延增加。當(dāng)選擇將數(shù)據(jù)包卸載到云服務(wù)器時(shí)，雖然回程鏈路傳輸會(huì)帶來(lái)額外的時(shí)延，并且中心云服務(wù)器的開(kāi)銷大，但是云服務(wù)器的大計(jì)算容量能夠補(bǔ)償回程鏈路帶來(lái)的時(shí)延，減輕開(kāi)銷的影響。在密集業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，用戶可以選擇第2 種網(wǎng)絡(luò)能力方式，采用中心云服務(wù)器卸載計(jì)算任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的生成和處理都處于動(dòng)態(tài)變化中，服務(wù)器的負(fù)載也隨之變化。圖 6中，云邊協(xié)同計(jì)算方式的匹配度位于邊緣計(jì)算和云計(jì)算兩者中間。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中云中心服務(wù)器負(fù)載較大，并且數(shù)據(jù)包的到達(dá)率高時(shí)，可以選擇云邊協(xié)同計(jì)算的方式，滿足用戶最小化時(shí)延和開(kāi)銷的要求，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)協(xié)同概率θ，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。

以負(fù)載均衡場(chǎng)景下的任務(wù)卸載為例，業(yè)務(wù)需求集合表示為 D={時(shí)延最小化，開(kāi)銷最小化}，網(wǎng)絡(luò)能力組合表示為 R={邊緣計(jì)算，云計(jì)算，前向鏈路，回程鏈路}，業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力的映射矩陣表示為：

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種普遍適用的業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力的映射方法。該方法可構(gòu)建全維可定義網(wǎng)絡(luò)能力模型，從通信主體、網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)安全等多個(gè)維度細(xì)粒度劃分和定義網(wǎng)絡(luò)能力，支持網(wǎng)絡(luò)能力的擴(kuò)展演進(jìn);針對(duì)多樣化業(yè)務(wù)需求，通過(guò)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)能力組合、業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力匹配度計(jì)算和映射矩陣生成3 個(gè)具體步驟形成業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)能力的映射，以靈活適配業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

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作者簡(jiǎn)介

范琮珊，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心助理研究員;主要研究領(lǐng)域?yàn)槲磥?lái)網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算;已發(fā)表論文10余篇。

周旭，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心研究員、先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)發(fā)展部主任;主要研究領(lǐng)域?yàn)槲磥?lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、 5G、邊緣計(jì)算等;主持科技部、工信部、發(fā)改委、中科院等重大項(xiàng)目10余項(xiàng);獲得部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1 次、二等獎(jiǎng)1 次;發(fā)表論文 60余篇，申請(qǐng)專利50余項(xiàng)，主持或參與制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5 項(xiàng)。

任勇毛，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心研究員、先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)部網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任;主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及體系結(jié)構(gòu);主持國(guó)家自然科學(xué)基金2 項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金2 項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題等10余項(xiàng)科研項(xiàng)目;發(fā)表論文70余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利10余項(xiàng)，提交 ITU-T 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案2 項(xiàng)。