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在自組織網(wǎng)絡(luò)中的自動化和SDN

2020-01-10 01:06:06鄧春華饒經(jīng)緯
通信電源技術(shù) 2020年18期
關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)管理度量平面

鄧春華,饒經(jīng)緯

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430050;2.阿里巴巴高德軟件有限公司,北京 100102)

0 引 言

SON(Self-Organizing Network,自組織網(wǎng)絡(luò))是伴隨LTE發(fā)展而引出的一套完整的網(wǎng)絡(luò)理念和規(guī)范。SON主要由運(yùn)營商提出,其主要思路是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的一些自主功能,減少人工參與,降低運(yùn)營成本。

自動化網(wǎng)絡(luò)管理(ANM)是在高效網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一個有效的自動化方式。在現(xiàn)代的無線接入網(wǎng)(RAN)有高度的可管理性與復(fù)雜性,所以人們需要利用ANM和SONs。一方面由于缺少可用性,花費(fèi)時間容易出錯。所以RAN很難用來管理被部署的技術(shù)。另一方面,和人工的技術(shù)專家想必,自適應(yīng)的ANM和SONs存在高度的響應(yīng)能力和自動化的計(jì)算機(jī)制。為了解決異質(zhì)性,統(tǒng)一的管理網(wǎng)絡(luò)(UMF)被歐盟提出EU EP7 工程網(wǎng)絡(luò)賦能機(jī)制(NEMs)是一個未來的SON的關(guān)于如何管理ANM系統(tǒng)的主題。他能被抽象化的理解為一個功能,通過API可以控制控制器的功能。這個工程給出特性和自動化的程序來完善自動化的接口。

當(dāng)前的SON由設(shè)備供應(yīng)商(供應(yīng)商域SON)和NMS/OSS(運(yùn)營商域SON)提供。由于缺乏規(guī)范和封閉的接口,操作員經(jīng)常陷入所謂的供應(yīng)商鎖定情況。供應(yīng)商域中的運(yùn)營商通常被迫從同一制造商那里升級其基礎(chǔ)架構(gòu)。在運(yùn)營商域中不會發(fā)生這種情況。在此域中,SON功能是開放接口。NMS/OSS(運(yùn)營支持系統(tǒng))提供了全球網(wǎng)絡(luò)視圖。但是由于缺乏響應(yīng)能力,這意味著無法靈活地調(diào)用SON功能,以及元素管理系統(tǒng)(EMS)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS)之間的互操作性,因此運(yùn)營商努力整合這些系統(tǒng)[1]。

OpenFlow建立了連接EMS和NMS的橋梁,并為人們提供了一種應(yīng)用軟件定義的SON的方法。OpenFlow定義每個轉(zhuǎn)發(fā)元素(交換機(jī)、路由器、接入點(diǎn)或基站)的低級轉(zhuǎn)發(fā)行為。在這種基于流的分組交換中,可以部署軟件定義的SON。人們使用兩個參數(shù)來表示SON的性能,即關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)和配置參數(shù),KPI是指標(biāo)的一個子集。AutoSDN控制器提供了控制數(shù)據(jù)平面的接口。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)和自動化網(wǎng)絡(luò)管理

1.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

在過去的幾年中,軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)改變了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同,SDN將控制平面與數(shù)據(jù)平面解耦,這使得控制數(shù)據(jù)平面和提供服務(wù)變得更加容易。人們可以直接使用可編程軟件來控制復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

SDN的發(fā)展分為3個階段。在1990年代中期至2000年代初,主動網(wǎng)絡(luò)被引入網(wǎng)絡(luò)。這些主動網(wǎng)絡(luò)使減少計(jì)算和可編程網(wǎng)絡(luò)成為可能。第二階段是在2000年代初期。在此階段,控制平面與數(shù)據(jù)平面分離,以釋放諸如調(diào)試配置問題并控制路由行為。實(shí)現(xiàn)了諸如控制面和數(shù)據(jù)面之間的開放接口和網(wǎng)絡(luò)邏輯控制之類的新創(chuàng)新。服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的管理變得越來越重要。工程師專注于網(wǎng)絡(luò)管理??删幊陶Z言是在控制平面而不是數(shù)據(jù)平面上實(shí)現(xiàn)的。SDN發(fā)展的第三階段是實(shí)施OpenFlow和網(wǎng)絡(luò)OS。OpenFlow最初部署在校園網(wǎng)絡(luò)中,以研究“干凈的”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在2000年代后期,斯坦福大學(xué)的OpenFlow小組在許多園區(qū)中實(shí)施了OpenFlow,從那時起,已經(jīng)部署了真正的SDN。OpenFlow是控制器和硬件之間的橋梁。OpenFlow API的創(chuàng)建提供了一種設(shè)計(jì)類似于NOX的控制器平臺的方法,其中可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用程序。OpenFlow實(shí)現(xiàn)了SDN原型的想法,促進(jìn)了SDN的發(fā)展,強(qiáng)制供應(yīng)商打開其網(wǎng)絡(luò)源。

1.2 自動化網(wǎng)絡(luò)管理

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜。因此,必須考慮由異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)引起的控制問題,如異構(gòu)服務(wù)需求、異構(gòu)襯底網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)平面上的異構(gòu)協(xié)議。為了構(gòu)建更靈活的網(wǎng)絡(luò)并在SDN中提供多種服務(wù),提出了自動化網(wǎng)絡(luò)管理(ANM)。使用SDN的ANM可以解決這些復(fù)雜的管理問題。

使用ANM范例的第一個實(shí)現(xiàn)是IBM。它被用于自主計(jì)算。從那以后,許多研究團(tuán)體做出了努力,以將自主權(quán)納入網(wǎng)絡(luò)管理領(lǐng)域。

自主系統(tǒng)可能是管理SDN的重要方法。自配置、自修復(fù)、自優(yōu)化和自保護(hù)是自治系統(tǒng)中的一系列自治特性。根據(jù)[3]中的“監(jiān)視分析計(jì)劃和執(zhí)行-知識(MAPE-K)”循環(huán),自治系統(tǒng)還可以監(jiān)視其環(huán)境和配置文件,從其對一系列策略的觀察和決策中學(xué)習(xí)。

ETSI AFI小組引入了稱為GANA(通用自主網(wǎng)絡(luò)架構(gòu))的整體架構(gòu)參考模型并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。在歐洲項(xiàng)目UNIVERSELF中,提出了UMF的自我管理體系結(jié)構(gòu),以提供一個自治控制環(huán)和一個邏輯上集中的核心,負(fù)責(zé)它們的治理(GOV)、協(xié)調(diào)(COORD)和知識交換(KNOW)。為了顯示結(jié)果信息,已經(jīng)開發(fā)了TeleManagement論壇(TMF)的共享信息/數(shù)據(jù)(SID)框架的擴(kuò)展。

1.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

不僅提出了OpenFlow,而且還提出了其他方法來為人們提供一種開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的方法。例如,OpenRoads專注于移動性問題,OpenRadio使對在MAC和物理層實(shí)現(xiàn)的無線協(xié)議進(jìn)行編程成為可能。人們專注于SoftRAN,它提供了一種使用軟件定義的RAN將基站抽象為虛擬基站的方法。SoftRAN提供了邏輯上集中的控制器,可為人們提供應(yīng)用程序的全局網(wǎng)絡(luò)視圖。

2 自動化軟件定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在開始討論AutoSDN之前,必須了解AutoSDN的體系結(jié)構(gòu)。下文這些元素在AutoSDN中起著重要作用。

(1)UMF核心:NMS/OSS級別管理網(wǎng)絡(luò)并提供全局網(wǎng)絡(luò)視圖。UMF核心通過SON功能控制操作員。通過使用UMF NEM,可以實(shí)現(xiàn)、測試、模塊化和可重復(fù)使用這些組件。UMF核心使用治理功能塊來部署,控制和跟蹤NEM的進(jìn)度。協(xié)調(diào)功能塊旨在識別和避免沖突并確保穩(wěn)定性。知識功能塊可以查找、制定和共享相關(guān)信息,以實(shí)現(xiàn)或改善其功能。

(2)NEMS:網(wǎng)絡(luò)授權(quán)機(jī)制(NEM)可以抽象為自主功能。NEM通過使用北向(NB)API進(jìn)行部署,盡管如此,NEM可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)元素和拓?fù)?,檢索或配置參數(shù)值,監(jiān)視KPI或訂閱與API值更改有關(guān)的事件。還可以捕獲與其他NEM的交互作用和關(guān)系。

(3)NB:SDN控制器上的北向API使應(yīng)用程序可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程并向網(wǎng)絡(luò)請求服務(wù)。由于使用NB,人們不必使用設(shè)備供應(yīng)商提供的應(yīng)用程序,這使創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)變得更加容易。

(4)AutoSDN:AutoSDN控制器是邏輯上集中的實(shí)體。提議將其作為即插即用功能的執(zhí)行環(huán)境,例如為它們提供指標(biāo)數(shù)據(jù),評估并將其輸出參數(shù)配置應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)元素。

(5)SB:向南(SB)接口也是一個API。網(wǎng)絡(luò)元素,度量,參數(shù)及其關(guān)聯(lián),但可以應(yīng)用于控制平面。度量和參數(shù)值可以異步和同步發(fā)送到控制器,SB會定期更新這些值。

2.1 度量、系數(shù)和元素模型

AutoSDN中的度量標(biāo)準(zhǔn)是所有可測量,可排序,只讀和在實(shí)現(xiàn)方面可訪問的數(shù)據(jù)類型。它被定義為三元組規(guī)范,上下文(在其中應(yīng)用)和源(從中獲取其值)[2,4]。它們之間的關(guān)系是,一個規(guī)范用于多個源和上下文對。度量是全球標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范,這意味著它具有靜態(tài)且唯一的類型描述。它具有名稱、度量單位、最小值、最大值和默認(rèn)值。度量上下文可以是度量所關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)元素,也可以是某種抽象描述,如子網(wǎng)單元群集。度量源是獲取度量值的終端。它不僅可以存在于數(shù)據(jù)平面,還可以存在于控制平面。該源的最初意圖是提供一種通用的數(shù)據(jù)檢索接口,而不管度量的類型是什么。如果實(shí)體要調(diào)用它,則它們必須訪問控制器,該控制器使用一個特定的度量規(guī)范存儲源地址。

度量標(biāo)準(zhǔn)源以范圍、時間間隔或先前值的形式生成這些不同類型的事件。參數(shù)的結(jié)構(gòu)與指標(biāo)相似。它也由規(guī)范和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素組成。但是與度量標(biāo)準(zhǔn)不同,它具有適配器,該適配器提供了用于讀取和寫入?yún)?shù)值的接口。該元素是參數(shù)和其他元素的集合,這使重用規(guī)范數(shù)據(jù)成為可能。

2.2 SON的功能模型

可以將網(wǎng)絡(luò)功能的結(jié)構(gòu)視為一個盒子,其中有自己的代碼。通過函數(shù)的輸入和輸出,可以指定在何處應(yīng)用此函數(shù)。AutoSDN定義了與調(diào)用相關(guān)的所有功能的列表,該列表使用輸入和輸出指定參數(shù)/度量的元素/上下文。通過應(yīng)用功能,已經(jīng)定義了觸發(fā)器,以便指定何時應(yīng)用該功能。在SON網(wǎng)絡(luò)中,該功能稱為SONFunction。函數(shù)的屬性封裝在此函數(shù)框中。該功能可以通過NB API應(yīng)用于控制器,也可以用于SON NEM。在這種情況下,NB只是作為獲取和設(shè)置值的接口。

2.3 組成和功能化概覽

推入批量將數(shù)據(jù)平面中的數(shù)據(jù)推入度量收集器。正如上一段介紹的那樣,度量標(biāo)準(zhǔn)源已向一個規(guī)范注冊,以便實(shí)體可以通過NB發(fā)現(xiàn)它。配置管理器與參數(shù)適配器連接。 它提供了到適配器的接口,并確保了NB實(shí)體的訪問限制。函數(shù)鏈接器是一個編譯,并通過它連接SONFunction。 通過此連接,功能鏈接器可以指定輸入,輸出和觸發(fā)器。從功能鏈接器獲取輸入和輸出,以便可以使用功能沙箱執(zhí)行SONFunction。

3 應(yīng) 用

通過實(shí)現(xiàn)SON函數(shù)的兩種算法,首先可以優(yōu)化小型小區(qū)的覆蓋范圍。 其次,可以使來自宏BS的傳輸靜音并減輕干擾。下一步是實(shí)現(xiàn)這兩種算法。

通過SB API將所有度量、參數(shù)數(shù)據(jù)以及小型小區(qū)和宏小區(qū)的信息注冊到控制器。正如我們之前介紹的那樣,NEM可以抽象為函數(shù),可以通過NB API將這些LB SON函數(shù)和ABS SON函數(shù)部署到控制器。指標(biāo)、參數(shù)和元素與SON函數(shù)一起被編譯到鏈接器。然后可以通過SONFunction沙箱執(zhí)行功能。UMF核心和儀表板提供了網(wǎng)絡(luò)視圖,并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序來管理整個系統(tǒng)。使用Matlab來模擬具有宏單元和小型單元的異構(gòu)比率環(huán)境。因此,可以實(shí)例化AutoSDN和這兩個算法功能。

4 結(jié) 果

在每個宏中設(shè)置4個小單元格。結(jié)果,在實(shí)施LB SON之后,顯著增加了小蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍。在對宏小區(qū)實(shí)施LB SON之前,宏小區(qū)為80%的流量提供服務(wù)。由于這種實(shí)施方式,小型小區(qū)通過增加CIO來接管流量。使用ABS SON后,系統(tǒng)中的平均用戶數(shù)將減少。這意味著網(wǎng)絡(luò)中的利用率已得到優(yōu)化,傳輸速率已提高。

5 結(jié) 論

AutoSDN將數(shù)據(jù)平面和控制平面分開。這樣一來,解決了當(dāng)前的供應(yīng)商鎖定問題。通過使用SON功能,可以控制AutoSDN控制器以實(shí)現(xiàn)多種功能。NB、SB及NEM為人們提供了構(gòu)建API的界面,從而使網(wǎng)絡(luò)管理更加直觀。度量、參數(shù)和元素為人們在AutoSDN中提供了一種利用控制平面和數(shù)據(jù)平面的新方法。SON函數(shù)可以在AutoSDN中調(diào)用和執(zhí)行。因?yàn)樗鼈兪欠庋b的,所以重用這些功能變得非常方便和靈活。實(shí)例化SoftRAN,其靈感來自O(shè)penFlow,旨在使用SDN機(jī)制管理比率訪問網(wǎng)絡(luò)。使用實(shí)例化來介紹SON功能如何控制4G LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)。在初始狀態(tài)下,宏將為80%的流量提供服務(wù)。實(shí)施AutoSDN后,小型小區(qū)將接管流量,并減少了該系統(tǒng)中的平均用戶數(shù)。從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),這種AutoSDN不僅簡化了網(wǎng)絡(luò)管理,而且還為進(jìn)一步的創(chuàng)新打開了大門。

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