面向6G的新型可編程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

王旭亮，全碩，劉增義，章軍

面向6G的新型可編程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

王旭亮，全碩，劉增義，章軍

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209）

從業(yè)界對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)的多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景入手，深入分析了各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景中對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所需要的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)整需求。提出了一種具備根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理進(jìn)行閉環(huán)自優(yōu)化特點(diǎn)的可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)架構(gòu)。通過該架構(gòu)設(shè)計(jì)可以最大化利用與SDN、NFV以及網(wǎng)絡(luò)AI相關(guān)的已有技術(shù)體系，同時(shí)可以讓網(wǎng)絡(luò)管理者基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)聲明的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的生命周期管理。該平臺(tái)設(shè)計(jì)在未來可以為數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)以及隨愿網(wǎng)絡(luò)提供一種新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路和方法。

6G；可編程網(wǎng)絡(luò)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)

1 引言

6G網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建橫跨天地的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)從人口覆蓋走向地理全覆蓋，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)方式向跨界協(xié)同和智能互聯(lián)方向邁進(jìn)。6G應(yīng)用場(chǎng)景將比5G更為廣泛，將傳統(tǒng)的eMBB、mMTC、uRLLC場(chǎng)景進(jìn)行融合[1]，將涵蓋極高吞吐量和極低時(shí)延需求的全息通信及擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)；超高實(shí)時(shí)性及可靠性需求的人體數(shù)字孿生；超高移動(dòng)性及全覆蓋需求的空中高速上網(wǎng)；智能超連通性、內(nèi)生智能以及安全需求的新型智慧城市；基于AI自主運(yùn)行需求的聯(lián)網(wǎng)無人駕駛；超高帶寬、超低時(shí)延和超可靠等需求的高精度智能工業(yè)；全覆蓋需求的全域應(yīng)急通信搶險(xiǎn)等。以上所有對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)要求都需要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)，可編程網(wǎng)絡(luò)作為6G網(wǎng)絡(luò)的三大關(guān)鍵能力技術(shù)之一[2]，是滿足上述網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。通過網(wǎng)絡(luò)可編程技術(shù)可以把超大帶寬、超低時(shí)延以及超大并發(fā)與可靠性的具體指標(biāo)組合技術(shù)要求，通過網(wǎng)絡(luò)可編程的技術(shù)[3]把上述指標(biāo)組合通過逐層拆解和建模的方式下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)的控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)6G端到端網(wǎng)絡(luò)對(duì)上述應(yīng)用的綜合承載。

6G可編程網(wǎng)絡(luò)最終是為數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)自治體系服務(wù)的[4]。數(shù)字孿生技術(shù)是指通過數(shù)字化手段將物理世界實(shí)體在數(shù)字世界建立一個(gè)虛擬實(shí)體，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界實(shí)體實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觀察、分析、仿真、控制與優(yōu)化。數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括功能需求建模、網(wǎng)元建模、網(wǎng)絡(luò)建模、網(wǎng)絡(luò)仿真、參數(shù)與性能模型閉環(huán)優(yōu)化、自動(dòng)化測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、故障預(yù)測(cè)以及拓?fù)渑c路由調(diào)優(yōu)等，從而把網(wǎng)絡(luò)每個(gè)階段遇到的難題轉(zhuǎn)換到數(shù)字世界求解，通過監(jiān)控、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、仿真實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自治能力。其中，在網(wǎng)絡(luò)建模、網(wǎng)元建模、參數(shù)與性能模型閉環(huán)優(yōu)化以及拓?fù)渑c路由調(diào)優(yōu)等環(huán)節(jié)都需要可編程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)模型與參數(shù)偏差的自我調(diào)整。例如，通過數(shù)字孿生建立一個(gè)虛擬的自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的走勢(shì)提前預(yù)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的性能劣化提前干預(yù)，同時(shí)該數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)持續(xù)地對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和仿真驗(yàn)證，提前下發(fā)對(duì)應(yīng)的運(yùn)維操作自動(dòng)地對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校正。自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)首先基于人工智能對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能的演進(jìn)路徑進(jìn)行分析和決策，包括既有網(wǎng)絡(luò)功能的優(yōu)化增強(qiáng)和新功能的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證和實(shí)施。

6G可編程網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型、網(wǎng)元模型、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知、網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)調(diào)整以及網(wǎng)絡(luò)故障快速處理，是連接數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的重要橋梁。6G可編程網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型的可編程、各類網(wǎng)元設(shè)備的可編程、端到端網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)精確感知、網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整以及網(wǎng)絡(luò)故障的快速定位與處理。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型的可編程是通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器（network function virtualization orchestrator，NFVO）承載和實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)元設(shè)備的可編程包括控制面的可編程以及轉(zhuǎn)發(fā)面的可編程。網(wǎng)元控制面可編程主要由軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）控制器實(shí)現(xiàn)，SDN控制器接收到NFVO的業(yè)務(wù)編排指令后，會(huì)把相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置、拓?fù)渑渲?、路由配置、運(yùn)維策略等參數(shù)下發(fā)到已注冊(cè)到該控制器的網(wǎng)元設(shè)備上。其中，虛擬網(wǎng)元的場(chǎng)景還需要NFVO配合虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理器（virtual network function manager，VNFM）和虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理器（virtual infrastructure manager，VIM）完成其創(chuàng)建和初始化過程[5]。網(wǎng)元設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面的可編程分為兩種情況：第一，虛擬網(wǎng)元設(shè)備主要承載在x86芯片和ARM芯片平臺(tái)上，以開源設(shè)備FD.io里的矢量包處理機(jī)（vector packet processor，VPP）為例，主要是通過開發(fā)相應(yīng)芯片的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)芯片SDK的調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的各類轉(zhuǎn)發(fā)操作；第二，物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即白盒交換機(jī)，主要是通過設(shè)備廠商或第三方開發(fā)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)程序調(diào)度可編程交換芯片[6]在硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)流水線的定制化開發(fā)。端到端網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)精確感知當(dāng)前主要依賴Telemetry技術(shù)[7]對(duì)端到端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行逐個(gè)的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。虛擬網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整依賴NFV MANO技術(shù)，物理網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)整依賴SDN控制器根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載進(jìn)行多設(shè)備間的流量調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)故障定位與處理可以通過SDN控制器實(shí)現(xiàn)，更多的情況下仍需要大量依賴網(wǎng)元設(shè)備廠商提供的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

為了系統(tǒng)化地實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的可編程網(wǎng)絡(luò)總體目標(biāo)，本文提出一個(gè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)全要素具備靈活感知、由真實(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模型驅(qū)動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)閉環(huán)控制的可編程網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)。該架構(gòu)包括三大部分內(nèi)容：第一，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)聲明和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)真實(shí)狀態(tài)。通過循環(huán)比較這兩個(gè)狀態(tài)的信息，實(shí)現(xiàn)可編程網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)閉環(huán)控制。目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)由管理員手動(dòng)填寫模板生成或由數(shù)字孿生模擬系統(tǒng)下發(fā)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)真實(shí)狀態(tài)由可編程網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)生成。第二，可編程網(wǎng)絡(luò)的管控系統(tǒng)包括4個(gè)基本模塊，負(fù)責(zé)把當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，分別為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)編排器、網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集器以及網(wǎng)絡(luò)故障分析與處理器。第三，各類網(wǎng)元設(shè)備，主要包括虛擬網(wǎng)元設(shè)備和物理網(wǎng)元設(shè)備。

通過本文在網(wǎng)絡(luò)全要素感知、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模型驅(qū)動(dòng)以及全自動(dòng)閉環(huán)控制的可編程網(wǎng)絡(luò)框架方面的研究探索，希望在6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)探索等方面提供技術(shù)參考。

2 相關(guān)研究

本文提出的面向聲明式的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，由可編程網(wǎng)絡(luò)框架中的多組件互相配合實(shí)現(xiàn)的思想借鑒了部分云原生技術(shù)中的聲明式應(yīng)用程序接口（application programming interface，API）的理念，同時(shí)考慮到業(yè)界也有相關(guān)的研究成果，下面將通過舉例類比的方式，分析本研究與其他相關(guān)研究的區(qū)別。

NetEgg[8]是一種面向網(wǎng)絡(luò)管理員期望策略由SDN控制器自動(dòng)化生成網(wǎng)絡(luò)控制策略的編程框架。該文重點(diǎn)介紹了在防火墻場(chǎng)景中，根據(jù)管理員提出的網(wǎng)絡(luò)訪問控制策略由控制器自動(dòng)生成防火墻相應(yīng)配置代碼并配置下發(fā)的全實(shí)現(xiàn)流程。這與本文提出的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)狀態(tài)，通過可編程的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自治的目標(biāo)是有一定關(guān)聯(lián)性的，但是NetEgg更側(cè)重于某個(gè)管理員期望的具體網(wǎng)絡(luò)行為如何轉(zhuǎn)化為網(wǎng)元的具體配置命令，且屬于一種不具備閉環(huán)自動(dòng)化的代碼生成工具，相比本文提到的可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在端到端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自治存在較大的差異。

YANG認(rèn)為，為了可編程開發(fā)無數(shù)個(gè)面向特定領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)控制器[9]，不如在已有的各類控制器之上做統(tǒng)一的能力擴(kuò)展。提出在多種控制器系統(tǒng)之上建立一個(gè)分布式的抽象文件系統(tǒng)，通過該文件系統(tǒng)把網(wǎng)絡(luò)的配置和狀態(tài)通過文件的形式提供給上層應(yīng)用（用戶空間進(jìn)程、cron作業(yè)、命令行實(shí)用程序等）讀寫調(diào)用。從而讓研究者投入更多的精力到上層的高價(jià)值應(yīng)用開發(fā)上。本文提出的可編程框架中，為了進(jìn)一步擺脫以Netconf/YANG等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的束縛，最大化挖掘可編程網(wǎng)絡(luò)的維度和潛力，控制器與虛擬網(wǎng)元之間也采用基于數(shù)據(jù)庫(kù)文件方式的管理方式。通過在虛擬網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)面與控制器之間編寫NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)一步提升控制器對(duì)集群化的虛擬網(wǎng)元并發(fā)管理能力以及管控指令的執(zhí)行效率等。

本文提出的可編程網(wǎng)絡(luò)框架與平臺(tái)與業(yè)界的意圖網(wǎng)絡(luò)存在一定的聯(lián)系，但側(cè)重于不同的領(lǐng)域。根據(jù)最新的關(guān)于意圖網(wǎng)絡(luò)的調(diào)研[10]，在過去的十年時(shí)間內(nèi)業(yè)界主要通過深度學(xué)習(xí)的相關(guān)技術(shù)試圖進(jìn)一步推進(jìn)意圖網(wǎng)絡(luò)在意圖定義、意圖分解、意圖建模以及意圖執(zhí)行等方面的學(xué)術(shù)意義上的進(jìn)展。本文提到的可編程網(wǎng)絡(luò)框架只需要網(wǎng)絡(luò)管理員通過模板人工填寫或由意圖網(wǎng)絡(luò)給出一個(gè)聲明式的意圖網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)描述?？删幊叹W(wǎng)絡(luò)框架的總體控制器會(huì)協(xié)調(diào)不同控制模塊以及這些控制模塊間接控制的網(wǎng)元設(shè)備把網(wǎng)絡(luò)初始化，并持續(xù)調(diào)整真實(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)到期望的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，因此可編程網(wǎng)絡(luò)可以為意圖網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但不必然屬于意圖網(wǎng)絡(luò)自身的一部分。按照當(dāng)前技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)關(guān)注度來看，6G是可編程網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，且可編程網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)理論已經(jīng)相對(duì)完備，目前比較缺乏整體性的原型試驗(yàn)驗(yàn)證可編程網(wǎng)絡(luò)的理論完備性和工業(yè)方面的可行性。

3 新型可編程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文提出的面向6G的新型可編程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)借鑒了云原生領(lǐng)域關(guān)于聲明式API的設(shè)計(jì)思想。網(wǎng)絡(luò)管理員只需要一定的格式定義期望的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)聲明，由可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自動(dòng)化閉環(huán)迭代控制真實(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述狀態(tài)。通過該可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，能夠快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)按需編排、部署、資源彈性伸縮、動(dòng)態(tài)路由規(guī)劃與下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)故障自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與修復(fù)，使能6G網(wǎng)絡(luò)滿足多種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)承載需求。

可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1所示，包括目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)聲明、實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)元編排器、網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器、故障分析處理器、網(wǎng)元設(shè)備等模塊。可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)接收到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)聲明通過閉環(huán)自優(yōu)化機(jī)制協(xié)調(diào)網(wǎng)元編排器和網(wǎng)絡(luò)控制器管理網(wǎng)元設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路的生命周期及配置，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器和故障分析處理器實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障處理和優(yōu)化，協(xié)同網(wǎng)元設(shè)備完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，使網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)聲明始終保持一致。

可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)最核心的部分來源于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的閉環(huán)自優(yōu)化機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)閉環(huán)自優(yōu)化機(jī)制架構(gòu)如圖2所示，該機(jī)制分為4個(gè)層級(jí)，分別是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)管理層、協(xié)調(diào)與控制服務(wù)抽象層、協(xié)調(diào)與控制服務(wù)執(zhí)行層以及網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)管理層的目標(biāo)是驅(qū)動(dòng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)不間斷地向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)過渡。協(xié)調(diào)與控制服務(wù)抽象層的目標(biāo)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)自優(yōu)化控制器的指令，把一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)整體拆分為網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)資源關(guān)系以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略，分別由3類控制器負(fù)責(zé)具體的執(zhí)行。協(xié)調(diào)與控制服務(wù)執(zhí)行層的目標(biāo)是根據(jù)抽象層的指令，由網(wǎng)元編排器實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)元和虛擬網(wǎng)元的生命周期管理，由網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路的生命周期管理，由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)元設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的實(shí)時(shí)監(jiān)控、觸發(fā)并上報(bào)網(wǎng)絡(luò)故障告警以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)結(jié)果進(jìn)行反饋，由故障分析處理器根據(jù)抽象層事先定義的網(wǎng)絡(luò)故障與調(diào)優(yōu)處理策略進(jìn)行相關(guān)故障和調(diào)優(yōu)處理。網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層主要是指支持可編程交換芯片的白盒物理轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備以及基于虛擬機(jī)或容器的虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。

圖1 可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的整體架構(gòu)

3.1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)管理層

可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理員聲明的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自動(dòng)化地指導(dǎo)并調(diào)整真實(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，即系統(tǒng)會(huì)周期性地對(duì)比網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)際狀態(tài)和預(yù)期狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)服務(wù)向預(yù)期狀態(tài)過渡，從而保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)的最終一致性。在這一過程中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)自優(yōu)化控制器起到了管理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)和過渡過程的關(guān)鍵作用。

圖2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)閉環(huán)自優(yōu)化機(jī)制架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)自優(yōu)化控制器定義了一個(gè)框架，根據(jù)具體的功能可以再劃分為網(wǎng)絡(luò)資源控制器、網(wǎng)絡(luò)資源關(guān)系控制器、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略控制器等，當(dāng)需要增加新的控制器時(shí)，只需要按照網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)自優(yōu)化控制器定義的流程和規(guī)范實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的接口，即可將控制器納入框架。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)自優(yōu)化控制器處理流程如圖3所示，主要包括以下幾個(gè)步驟。

圖3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)自優(yōu)化控制器處理流程

（1）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)初始化時(shí)，控制器對(duì)服務(wù)配置進(jìn)行校驗(yàn)，并記錄網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的配置和預(yù)期狀態(tài)。

（2）經(jīng)過校驗(yàn)后，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行實(shí)際的部署操作，控制器對(duì)操作結(jié)果及狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化。

（3）控制器啟動(dòng)監(jiān)聽服務(wù)，定時(shí)同步網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

（4）控制器將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)時(shí)適配及狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化，更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（5）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)持久化中的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，控制器接收狀態(tài)變更的通知。

（6）控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)期狀態(tài)，判斷網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署的調(diào)整策略，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)逐漸達(dá)到預(yù)期狀態(tài)。

在以上各步驟中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)狀態(tài)自優(yōu)化控制器僅定義各個(gè)階段的接口規(guī)范，而不定義具體的參數(shù)及實(shí)現(xiàn)，這種開放式的設(shè)計(jì)提高了控制器的可擴(kuò)展性。

3.2 協(xié)調(diào)與控制服務(wù)抽象層

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的聲明式特性，關(guān)鍵的一環(huán)就是網(wǎng)絡(luò)資源的抽象化和模板化，將網(wǎng)絡(luò)資源的配置、關(guān)聯(lián)關(guān)系、運(yùn)行狀態(tài)等通過統(tǒng)一、規(guī)范的語言描述，從而達(dá)到整體網(wǎng)絡(luò)可編程的效果。在本文提出的可編程網(wǎng)絡(luò)框架中，將網(wǎng)絡(luò)抽象為3種資源：節(jié)點(diǎn)、關(guān)系和策略。

“節(jié)點(diǎn)”是網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)體的抽象，包含多種類型。它可以是一臺(tái)物理交換機(jī)、一個(gè)虛擬網(wǎng)元，甚至任何暴露操作接口的黑盒設(shè)備，可以通過更改“節(jié)點(diǎn)”的狀態(tài)部署和更改網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。“節(jié)點(diǎn)”通過以下關(guān)鍵屬性描述和操作底層設(shè)備。

· 配置：每種類型的節(jié)點(diǎn)都有各自的配置，用于對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。例如，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)具有“管理IP地址”這樣的配置。

· 生命周期：節(jié)點(diǎn)從創(chuàng)建到銷毀的狀態(tài)變化過程，一般包括創(chuàng)建、實(shí)例化、更新、自愈、銷毀等，節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)可以自定義生命周期及其實(shí)現(xiàn)方式。

· 控制器：節(jié)點(diǎn)在生命周期操作中會(huì)發(fā)生狀態(tài)的改變，控制器用于維護(hù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化過程，保證節(jié)點(diǎn)狀態(tài)符合預(yù)期。

“關(guān)系”是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆I(yè)務(wù)邏輯的抽象，用于描述節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系、業(yè)務(wù)操作的先后順序等。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的下發(fā)通常涉及多個(gè)物理或虛擬網(wǎng)元及鏈路，僅通過節(jié)點(diǎn)難以定義這種稍微復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。引入“關(guān)系”后，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)拓?fù)涞拿枋?、?jié)點(diǎn)依賴關(guān)系的維護(hù)、節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)傳遞。此外，還可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)自定義關(guān)系，例如，自定義一個(gè)納管關(guān)系，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)例化后將設(shè)備連接到對(duì)應(yīng)的管理系統(tǒng)并提交設(shè)備信息。

“策略”是針對(duì)一組節(jié)點(diǎn)在滿足指定條件時(shí)執(zhí)行的操作，用于節(jié)點(diǎn)控制的自動(dòng)化。對(duì)于需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況而調(diào)整的業(yè)務(wù)，通過節(jié)點(diǎn)和關(guān)系無法定義其調(diào)整邏輯，策略的引入可以解決這類問題。策略包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、觸發(fā)條件、執(zhí)行動(dòng)作3個(gè)要素，通過三要素的組合可以實(shí)現(xiàn)諸如網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)優(yōu)等自動(dòng)化和智能化的業(yè)務(wù)。

基于以上3個(gè)基本元素，可以將任意網(wǎng)絡(luò)服務(wù)拆解成節(jié)點(diǎn)、關(guān)系、策略的組合，即服務(wù)模板。系統(tǒng)通過服務(wù)模板描述、操作和維護(hù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可編程。

3.3 協(xié)調(diào)與控制服務(wù)執(zhí)行層

網(wǎng)絡(luò)資源經(jīng)過模板化定義后，在協(xié)調(diào)與控制服務(wù)執(zhí)行層完成指令的具體執(zhí)行操作，使網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際狀態(tài)達(dá)到聲明狀態(tài)。協(xié)調(diào)與控制服務(wù)執(zhí)行層主要分為4個(gè)模塊，分別是網(wǎng)元編排器、網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器和故障分析處理器。

（1）網(wǎng)元編排器

網(wǎng)元編排器實(shí)現(xiàn)了物理網(wǎng)元和虛擬網(wǎng)元設(shè)備的生命周期管理，包括網(wǎng)元資源的創(chuàng)建、分配、回收、銷毀等，根據(jù)協(xié)調(diào)與控制服務(wù)抽象層中網(wǎng)元資源以及網(wǎng)元資源關(guān)系的聲明情況，按照順序執(zhí)行相應(yīng)的操作。

網(wǎng)元資源的創(chuàng)建：對(duì)于物理網(wǎng)元主要是將其納管，可以分配給用戶使用；對(duì)于虛擬網(wǎng)元，需要根據(jù)資源需求、網(wǎng)元與虛擬機(jī)的親和性與反親和性關(guān)系、優(yōu)先級(jí)等調(diào)度策略，選擇物理機(jī)/虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建。

網(wǎng)元資源的分配：如果是共享網(wǎng)元資源聲明，則根據(jù)聲明中網(wǎng)元資源的要求以及可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)各共享網(wǎng)元的負(fù)載情況，按照一定的編排策略分配資源；如果是獨(dú)享網(wǎng)元資源聲明，則按需創(chuàng)建后分配。

網(wǎng)元資源的回收：將運(yùn)行在網(wǎng)元上的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)刪除，釋放資源；如果是獨(dú)享網(wǎng)元資源，在終止業(yè)務(wù)后，還需要進(jìn)行資源的銷毀。

網(wǎng)元資源的銷毀：對(duì)于物理網(wǎng)元將其從資源可用列表刪除；對(duì)于虛擬網(wǎng)元，刪除網(wǎng)元并將資源歸還給物理機(jī)/虛擬機(jī)。

（2）網(wǎng)絡(luò)控制器

網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路的生命周期管理。根據(jù)協(xié)調(diào)與控制服務(wù)抽象層定義的網(wǎng)絡(luò)鏈路資源以及相關(guān)連接依賴包含關(guān)系，依次給網(wǎng)元設(shè)備下發(fā)配置，完成網(wǎng)絡(luò)鏈路的創(chuàng)建、更新、優(yōu)化、刪除等。網(wǎng)絡(luò)控制器架構(gòu)如圖4所示，分為3個(gè)層級(jí)：北向API層、控制層和南向下發(fā)層。

圖4 網(wǎng)絡(luò)控制器架構(gòu)

北向API接收業(yè)務(wù)編排器下發(fā)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求；控制層包含內(nèi)置應(yīng)用、數(shù)據(jù)共享和邏輯抽象模塊，內(nèi)置應(yīng)用模塊負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請(qǐng)求分解成二層、三層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對(duì)象，并進(jìn)行拓?fù)溥B接、路徑計(jì)算等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)管理。數(shù)據(jù)共享模塊通過定義標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型，使其在不同協(xié)議、不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。抽象邏輯模塊實(shí)現(xiàn)南向接口層和北向數(shù)據(jù)共享層之間的解耦，保證設(shè)備的適配和數(shù)據(jù)的建?？梢元?dú)立演進(jìn)，互不影響；南向下發(fā)層主要將網(wǎng)元設(shè)備能理解的配置和表項(xiàng)下發(fā)到網(wǎng)元設(shè)備。

（3）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器通過采集網(wǎng)元設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路、網(wǎng)絡(luò)流量等關(guān)鍵指標(biāo)、告警、日志數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制及事件響應(yīng)，將其反饋到網(wǎng)絡(luò)故障分析處理器，保證故障的快速解決和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的快速恢復(fù)，是實(shí)現(xiàn)可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自愈自治能力的基礎(chǔ)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器把網(wǎng)元設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路等資源的使用情況實(shí)時(shí)反饋給網(wǎng)絡(luò)編排控制器，為網(wǎng)絡(luò)編排器進(jìn)行資源編排、網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)配置下發(fā)提供依據(jù)。

（4）故障分析處理器

網(wǎng)絡(luò)故障分析處理器是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)閉環(huán)自優(yōu)化機(jī)制的關(guān)鍵模塊。根據(jù)協(xié)調(diào)與控制服務(wù)抽象層預(yù)先定義的網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)和調(diào)優(yōu)策略，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，能夠快速進(jìn)行故障處理和優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)逐漸回到預(yù)期狀態(tài)。

上述策略可以根據(jù)故障節(jié)點(diǎn)的配置迅速拉起一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)替代故障節(jié)點(diǎn)工作，也可以利用AI大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過自動(dòng)化智能化運(yùn)維的方式快速解決故障。

3.4 網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層

網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層主要指物理網(wǎng)元和虛擬網(wǎng)元設(shè)備。物理網(wǎng)元設(shè)備是指基于可編程交換芯片的白盒設(shè)備[11]，優(yōu)點(diǎn)是能夠保證超高的吞吐量和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)速度，缺點(diǎn)是不夠靈活、過度依賴硬件廠商；虛擬網(wǎng)元設(shè)備是指在ARM或x86服務(wù)器平臺(tái)上用虛擬機(jī)或容器的形態(tài)部署的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能[12]。通過虛擬化的方式把網(wǎng)元軟件功能與具體部署所需要的物理硬件平臺(tái)解耦，可以實(shí)現(xiàn)快速部署、彈性擴(kuò)展、業(yè)務(wù)單元的可編程迭代以及多個(gè)功能單元的靈活編排等特性。

雖然虛擬網(wǎng)元網(wǎng)絡(luò)擁有上述諸多的優(yōu)勢(shì)，但是相比傳統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在單個(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)性能、專業(yè)硬件級(jí)可靠性能力以及設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性等方面仍然存在較大的差距，這也是長(zhǎng)期阻礙虛擬網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用部署的關(guān)鍵因素。針對(duì)虛擬網(wǎng)元設(shè)備在性能、可靠性、穩(wěn)定性方面的劣勢(shì)，通過本文提出的可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用統(tǒng)一的網(wǎng)元管控面高并發(fā)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬網(wǎng)元集群化部署以及按需預(yù)配置的不同業(yè)務(wù)單元的多副本機(jī)制不僅可以彌補(bǔ)一般虛擬網(wǎng)元的劣勢(shì)，還可以實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)元的高性能、高可靠以及高穩(wěn)定的電信級(jí)指標(biāo)要求。

網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層的整體架構(gòu)如圖5所示，由虛擬網(wǎng)元集群和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)組成。虛擬網(wǎng)元集群根據(jù)虛擬網(wǎng)元和代理的承載方式可以分為虛機(jī)集群和容器集群，其中，虛擬網(wǎng)元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，代理負(fù)責(zé)編程數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)功能；分布式數(shù)據(jù)庫(kù)用于實(shí)現(xiàn)配置的持久化存儲(chǔ)。當(dāng)控制器下發(fā)配置時(shí)不直接調(diào)用虛擬網(wǎng)元的北向API，而是寫入分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，代理通過實(shí)時(shí)監(jiān)聽分布式數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn)配置的改動(dòng)，將最新配置應(yīng)用到虛擬網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)配置的下發(fā)。

上述架構(gòu)通過引入分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步解耦控制面和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型語言約束（如YANG模型），簡(jiǎn)化了控制器管理虛擬網(wǎng)元的方式，提升了管控指令的執(zhí)行效率和運(yùn)維效率。當(dāng)網(wǎng)元因故障、負(fù)載需要遷移、擴(kuò)容時(shí)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中持久化存儲(chǔ)的配置內(nèi)容快速拉起虛擬網(wǎng)元實(shí)例，提高轉(zhuǎn)發(fā)層的可用性和穩(wěn)定性；同時(shí)，利用虛擬網(wǎng)元集群化部署帶來的彈性伸縮、靈活部署等特點(diǎn)，結(jié)合分布式數(shù)據(jù)庫(kù)高并發(fā)特性，通過多實(shí)例的方式提高轉(zhuǎn)發(fā)層的整體轉(zhuǎn)發(fā)性能，通過多副本的方式提高網(wǎng)元的可靠性。

圖5 網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層的整體架構(gòu)

4 結(jié)束語

本文從當(dāng)前業(yè)界提出的6G網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)場(chǎng)景入手，根據(jù)上各種場(chǎng)景中對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)多維度的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)需求出發(fā)，提出了一種面向網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理具備閉環(huán)自優(yōu)化能力的可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)架構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案，基于此平臺(tái)研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更容易滿足未來對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多維度網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的要求。經(jīng)過初步邏輯推理論證，該平臺(tái)除了有效地整合SDN、NFV以及網(wǎng)絡(luò)智能化運(yùn)維的能力之外，基于云原生聲明式狀態(tài)管理的理念，使用面向網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的管理方式驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)自優(yōu)化處理，使能未來6G網(wǎng)絡(luò)的編排與實(shí)現(xiàn)具備復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)多維度協(xié)調(diào)、自動(dòng)化調(diào)整以及自我進(jìn)化的能力。

未來筆者會(huì)根據(jù)這套可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念，深入探索并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的原型系統(tǒng)。結(jié)合運(yùn)營(yíng)商在邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及家庭云方面的場(chǎng)景化需求，驗(yàn)證并補(bǔ)足可編程網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與方法。在可預(yù)計(jì)的未來希望這套可編程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以為隨愿網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)可編程服務(wù)。

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Research on architecture of novel programmable networks for 6G

WANG Xuliang, QUAN Shuo, LIU Zengyi, ZHANG Jun

Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China

Starting from the industry’s various business scenarios for 6G networks, and the dynamic network capability adjustment requirements for 6G network equipment were deeply analyzed. A programmable network platform architecture with the characteristics of closed-loop self-optimization based on network state management was proposed. Through this architecture design, the existing technology systems related to SDN, NFV, and network AI can be maximized and network administrators can perform network lifecycle management based on network status statements. This platform can provide a new technical realization idea and method for the digital twin network and on-demand network in the future.

6G, programmable network, software defined network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021266

2021?10?20；

2021?12?10

王旭亮（1986?），男，中國(guó)電信股份有限公司研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樵凭W(wǎng)融合、云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算等。

全碩（1991? ），男，中國(guó)電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向?yàn)樵凭W(wǎng)融合、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)和云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)等。

劉增義（1992? ），男，中國(guó)電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向?yàn)檫吘売?jì)算、云網(wǎng)融合。

章軍（1973? ），男，中國(guó)電信股份有限公司研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樵凭W(wǎng)融合技術(shù)、5G運(yùn)營(yíng)管理、5G無線控制器技術(shù)、邊緣計(jì)算。