5G 行業(yè)專網自管理系統(tǒng)的設計及實現*

許曉偉，林 鋒，劉廣達，王 亮

（北京首信科技股份有限公司，北京 100015）

0 引言

隨著國家新基建戰(zhàn)略的持續(xù)推進，各行業(yè)對利用5G 技術實現轉型升級的需求愈發(fā)迫切，但由于不同行業(yè)的信息化特征差異明顯，5G 公共網絡無法很好滿足行業(yè)內不同應用場景的差異化需求。移動通信運營商針對政企客戶在安全隔離等級、低時延等不同層面的行業(yè)數字化轉型需求，積極推動5G 行業(yè)專網服務發(fā)展，為行業(yè)應用提供更高質量、更加靈活的信息基礎設施能力支撐[1]。

隨著當前5G 行業(yè)專網建設的深入發(fā)展，政企客戶希望5G 行業(yè)專網網絡能夠和自己的業(yè)務更加緊密地結合起來，并解決網絡資源、終端設備業(yè)務狀態(tài)的“不可見、不掌握”問題，對5G 行業(yè)專網的自主管理的需求越來越強烈[2]。鑒于此，本文提出一種解決方案，設計開發(fā)5G 行業(yè)專網自管理系統(tǒng)，支持5G 行業(yè)專網政企客戶快速掌握行業(yè)專網網絡，并通過該系統(tǒng)達到對行業(yè)專網中設備的自管理、自服務和自定制配置的能力。同時通過該系統(tǒng)提供的業(yè)務監(jiān)控、數據分析等能力，達到對行業(yè)專網可視、可管、可控的目的，幫助政企客戶解決在使用5G 行業(yè)專網過程中遇到的各類痛點問題。

1 5G 行業(yè)專網自管理的需求分析

通過研究分析發(fā)現，5G 行業(yè)專網的客戶在使用過程中遇到的主要痛點問題為：首先是運營保障能力不足，沒有統(tǒng)一的信息管理系統(tǒng)，5G 行業(yè)專網的業(yè)務操作需要在各業(yè)務系統(tǒng)中完成；其次是可視化能力不足，缺少5G 行業(yè)專網的網絡、業(yè)務等可視化的能力；最后存在故障預警不及時、自主管理維護手段缺乏等問題。因此不管是政企客戶還是運營商，都亟需一個能夠自主管理5G 行業(yè)專網的系統(tǒng)。

對于政企客戶，系統(tǒng)需提供客戶業(yè)務配置、性能可視化監(jiān)控運維等平臺能力，需求主要包括：可實時監(jiān)控網絡、切片的資源占用情況和設備的運行情況；可根據網絡、業(yè)務情況，及時調整網絡資源，從而適應業(yè)務需要的場景化網絡管理；可對終端設備和告警規(guī)則進行配置，結合具體業(yè)務對設備進行差異化管理；可對卡設備的連接實現控制和感知，并結合自動化規(guī)則、增值服務實現自助運營；具有開放網絡能力，實現行業(yè)客戶系統(tǒng)對接，便于應用和業(yè)務的深度結合和創(chuàng)新的能力開發(fā)。

對于運營商，系統(tǒng)需滿足：通過統(tǒng)一門戶，對外展示行業(yè)專網相關產品和解決方案；支持5G 行業(yè)專網的日常運營和不同客戶類型的差異化運營；支持原散落在各個系統(tǒng)的包括切片、數據網絡名稱（Data Network Name，DNN）、人聯網卡、物聯網卡等業(yè)務受理；既可以按要求提供給行業(yè)客戶自運維的能力，又可以方便運營商對于區(qū)域中的行業(yè)專網進行運維。

2 5G 行業(yè)專網自管理系統(tǒng)的設計

考慮到5G 行業(yè)專網自管理系統(tǒng)應當能夠持續(xù)支撐業(yè)務需求，以先進的軟件框架和技術，確保平臺穩(wěn)定且高性能，保證前端業(yè)務感知，達成敏捷和高效的目標，本文設計了由視圖層、業(yè)務層、領域層和接口適配層組成的系統(tǒng)。視圖層分為客戶自管理平臺門戶和運營商后臺配置門戶，構成面向不同用戶的web 展示界面；業(yè)務層、領域層和接口適配層由多個功能模塊組成，構成系統(tǒng)的核心后端微服務集，向上為web 展示界面提供數據和能力，向下實現與移動通信運營商其他支撐平臺的互聯互通。系統(tǒng)組成、邏輯結構及層次如圖1 所示。

圖1 5G 行業(yè)專網自管理系統(tǒng)的組成、邏輯結構及層次

2.1 系統(tǒng)功能設計

2.1.1 前端展示界面

系統(tǒng)前端web 界面包括面向政企客戶的客戶自管理平臺門戶和面向運營商的運營商后臺配置門戶。

客戶自管理平臺門戶的大屏功能支持集中展示基站、用戶面功能（User Plane Function，UPF）、DNN 等概覽信息，號卡數量、套餐流量在內的在線規(guī)模信息，無線資源控制協(xié)議（Radio Resource Control，RRC）連接成功率等多個指標的行業(yè)專網質量信息，網絡拓撲結構、UPF/協(xié)議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）會話數趨勢等信息。物聯網卡[3]模塊包括號卡自服務、電子圍欄[4]等功能。網絡資源模塊展示5G 基站的UPF 和小區(qū)無線性能列表數據，以及5G-SA 核心網下接入和移動性管理功能（Access and Mobility management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）等網元信息、物理線路等信息[5]。行業(yè)專網監(jiān)控模塊包括對網元和電子圍欄的告警查詢和告警統(tǒng)計功能。系統(tǒng)還支持對業(yè)務感知和行業(yè)專網運維進行分析統(tǒng)計的功能。系統(tǒng)管理模塊展示企業(yè)的賬號信息、賬號綁定情況及web 資源權限分配管理等功能[6]。

運營商后臺配置門戶是為運營商服務的，提供企業(yè)客戶管理、5G 行業(yè)專網維度配置、系統(tǒng)公告管理、平臺全局配置等多個功能。通過客戶管理功能模塊完成企業(yè)管理員用戶的注冊、綁定南向接口賬號、綁定DNN 信息等流程操作。另外還包括對基站和小區(qū)進行管理的跟蹤區(qū)域碼（Trace Area Code，TAC）配置、網元配置、基站小區(qū)編碼（gNodeB Cell ID，GCI）配置等多個5G 業(yè)務維度的管理功能。系統(tǒng)支持針對企業(yè)的系統(tǒng)公告內容的生成、撤銷、狀態(tài)管理等多項操作。系統(tǒng)具備對平臺基礎信息、告警定時任務周期、郵件發(fā)送服務等多個基礎屬性值的全局配置能力。

2.1.2 后端微服務

系統(tǒng)的后端微服務設計為3 層邏輯架構，自上而下依次為業(yè)務層、領域層和接口適配層。

業(yè)務層負責組合領域層服務提供的數據并實現具體業(yè)務邏輯處理，系統(tǒng)中涉及卡管理、網絡資源、行業(yè)專網監(jiān)控、分析報表、系統(tǒng)管理等業(yè)務模塊?？ü苣K包括對物聯卡進行機卡綁定、停復機操作、自動限速、達量斷網等操作，包含查看號卡的業(yè)務變更訂單數據，以及操作電子圍欄等業(yè)務處理邏輯，還包括對人聯卡[7]進行行業(yè)專網號碼管理、IP 溯源查詢等業(yè)務處理[8]。網絡資源模塊包括對基站、UPF 等指標統(tǒng)計概覽，對網絡資源拓撲節(jié)點數據以及提供網絡異常告警和質量分析等業(yè)務處理。行業(yè)專網監(jiān)控模塊包括對網元和電子圍欄等監(jiān)控數據進行業(yè)務處理。分析報表模塊對業(yè)務感知分析、行業(yè)專網運維報表等統(tǒng)計業(yè)務進行處理。系統(tǒng)管理模塊包括web 系統(tǒng)權限分級管控、數據域分組管理、操作日志審計、系統(tǒng)全局維度信息配置等業(yè)務處理。

領域層負責抽取、梳理和封裝第三方支撐平臺接口提供的核心數據，為業(yè)務層中的各業(yè)務應用提供數據服務支持。領域層包含卡管服務、網絡資源服務、行業(yè)專網監(jiān)控服務、賬號服務等多種數據服務能力?？ü芊肇撠熓占袠I(yè)專網內SIM 卡、訂單、DNN 等信息；網絡管理服務負責收集網元列表、網絡狀態(tài)、基站數據等信息；行業(yè)專網監(jiān)控系統(tǒng)負責設備運維，針對獨享UPF 設備、數通設備進行監(jiān)控，獲取其告警信息；賬號服務負責獲取5G 用戶的賬號信息以及賬號關聯套餐使用信息等。

接口適配層完成系統(tǒng)與外部第三方支撐平臺數據源及數據接口打通的任務。

2.2 技術架構設計

系統(tǒng)整體技術架構分為前端展示層、網關層、后端微服務層、基礎設施層等多層架構[9]，具體如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)技術架構設計

展示層整體設計采用Vue+Element 框架實現兩個門戶下的各功能組件，使用WebGL 引擎框架[10]實現3D 首頁效果，采用最新一代構建工具Vite 完成前端項目的快速構建打包等。網關層使用Nginx、Keepalived 保證服務的高可用。后端服務層使用Spring Cloud 技術棧，包括應用程序接口（Application Programming Interface，API）網關、服務監(jiān)控、服務治理等相關框架。微服務具體實現采用了SpringBoot 快速開發(fā)框架，使用HikariCP 連接池技術管理數據庫連接緩存，基礎設施層設計采用MySQL、Redis、Kafka、Nacos 等中間件的集群化處理。系統(tǒng)使用Prometheus 完成各微服務的告警監(jiān)控信息的采集和視圖展示。

2.3 系統(tǒng)交互設計

系統(tǒng)支持運營商和企業(yè)兩類用戶使用，運營商管理員只能登錄運營商管理后臺配置門戶，該賬號能夠創(chuàng)建企業(yè)管理員賬號。企業(yè)管理員只能登錄客戶自管理平臺門戶，擁有本企業(yè)自管理平臺的全部權限，并能夠創(chuàng)建企業(yè)子賬號。企業(yè)子賬號只能登錄客戶自管理平臺門戶，根據企業(yè)管理員分配的web 資源權限進行系統(tǒng)操作。系統(tǒng)功能交互設計如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能交互設計

3 5G 行業(yè)專網自管理系統(tǒng)的實現

3.1 關鍵技術應用

3.1.1 微服務治理

5G 行業(yè)專網客戶自管理系統(tǒng)使用Spring Cloud 2.0 微服務治理框架[11]，將其中的Nacos 組件作為微服務注冊中心和遠程配置中心，業(yè)務層和領域層各微服務向其登記注冊，通過配置的服務名稱實現對具體服務實例的訪問。微服務集群部署時，內部使用Ribbon 組件[12]完成進程內的客戶端負載均衡。系統(tǒng)采用的API 網關解決方案是Spring Cloud Gateway，其內置了轉發(fā)、監(jiān)控、限流等強大功能。系統(tǒng)使用Sleuth 聯合Zipkin[13]實現了在微服務互相調用時，由于各種原因導致跨進程調用失敗的情況下，可通過查看詳細鏈路日志和服務之間的調用關系來快速定位問題，以及實現功能調優(yōu)。系統(tǒng)服務治理框架結構如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)服務治理框架結構

3.1.2 數據治理

系統(tǒng)采用了高效穩(wěn)定的數據治理機制。首先在數據持久化方面，系統(tǒng)采用MyBatis+Java 持久層應用接口（Java Persistence API，JPA）聯合作為微服務的持久層框架[14]，其中MyBatis 在系統(tǒng)中作為操作如電子圍欄管理、機卡綁定等復雜數據模型處理場景的持久化工具。而針對類似維度信息管理、報表查詢等常規(guī)的數據處理場景，使用封裝了增刪改查（Create、Read、Update、Delete，CRUD）操作的JPA，通過直接調用接口，極大提高了開發(fā)效率。同時系統(tǒng)采用分布式讀寫鎖機制，使用Sharding-Sphere實現數據庫部分數據模型分表和讀寫分離，保證了數據查詢和更新操作的雙向提速。此外，在分布式場景下，通過采用分布式緩存中間件中存儲，讓有狀態(tài)的業(yè)務服務數據變?yōu)闊o狀態(tài)，解決了在服務運行時，動態(tài)增刪節(jié)點導致的緩存數據不同步的問題。

3.1.3 分布式任務調度

系統(tǒng)后臺領域層服務采用分布式任務調度框架[15]，其基于xxl-job 實現，將任務觸發(fā)與任務本身分離開，通過HTTP/HTTPS 等方式調用第三方支撐平臺提供的接口，獲取并封裝數據，為系統(tǒng)后續(xù)業(yè)務層接口應用能力提供數據支持。

3.2 系統(tǒng)實現及效果

通過對用戶進行定位分析，系統(tǒng)最終采用B/S結構，并且為了系統(tǒng)良好的擴展性和獨立性，采用前后端分離的方式進行功能開發(fā)實現。

研發(fā)團隊通過拆解和分析需求規(guī)格說明書，依次生成系統(tǒng)概要設計說明書、詳細設計說明書，結合系統(tǒng)技術架構設計方案，將各業(yè)務模塊分解構建成為多個微服務，并通過服務治理模塊完成各服務的通信。系統(tǒng)前置網關采用虛擬化技術實現web 容器的高可用，同時使用Cloud API 網關，作為系統(tǒng)開放能力的統(tǒng)一入口；前端系統(tǒng)使用Vue 框架搭建前端項目，聯合UI 庫、可視化圖表庫、開源GIS API 等組件完成前端頁面功能開發(fā)。門戶效果如圖5 所示。

圖5 門戶效果

后端各微服務之間使用遠程過程調用（Remote Procedure Call，RPC）方式完成通信[16]，最大化降低資源調用響應延遲，同時以HTTPS 方式暴露RESTful API，向web 視圖及外部系統(tǒng)提供統(tǒng)一規(guī)范的接口。同時，微服務使用連接池技術緩存數據庫的訪問連接；業(yè)務層使用基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型的統(tǒng)一登錄認證服務組件為系統(tǒng)提供健壯的權限管控能力；領域層使用分布式定時任務方案實現易擴展的數據采集；基礎服務層還使用了眾多中間件技術，完成數據持久化存儲、熱數據緩存以及高吞吐的消息訂閱發(fā)布。系統(tǒng)的前端和后端項目使用標準JSon報文格式完成功能接口高效對接。

4 結語

綜上所述，本文根據提出的解決方案，設計并實現了針對5G 行業(yè)專網的客戶自管理系統(tǒng)，確保5G 行業(yè)專網政企客戶通過該系統(tǒng)能夠屏蔽復雜的組網、專業(yè)的設備，并且達到對5G 行業(yè)專網資源、性能、告警等網絡信息的可視、可管和可控，有助于政企客戶通過5G 行業(yè)專網更加及時、有效地支撐業(yè)務開展。