基于ONAP開源架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)研究

王棟，孫瓊，徐洪磊

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 引言

圍繞國家“新基建”發(fā)展戰(zhàn)略需求，云網(wǎng)資源及其承載的數(shù)字化平臺已經(jīng)成為新型信息基礎設施的核心底座，網(wǎng)絡與云的融合發(fā)展成為夯實“新基建”成果的關鍵技術(shù)。云網(wǎng)融合是一個充滿豐富內(nèi)涵、不斷發(fā)展的新興概念，其技術(shù)內(nèi)涵是面向云和網(wǎng)絡的基礎資源，通過一體化的技術(shù)架構(gòu)，實現(xiàn)簡潔、敏捷、開放、融合、安全、智能的新型信息基礎設施資源供給[1]。目前已商用的云網(wǎng)運營系統(tǒng)尚未實現(xiàn)閉環(huán)自動化運營[2-6]，現(xiàn)有的云網(wǎng)運營系統(tǒng)研究主要圍繞閉環(huán)自動化展開[7-9]，對于智慧內(nèi)生的智能化架構(gòu)思考較少。

未來云網(wǎng)融合將不斷提升自動化和智能化的需求，并針對多場景差異化服務等級協(xié)議（service level agreement，SLA）需求提供保障。在云網(wǎng)融合發(fā)展的技術(shù)嘗試中，現(xiàn)有云網(wǎng)運營系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足未來云網(wǎng)融合的技術(shù)需求，基于云網(wǎng)切片，具備云網(wǎng)大腦功能的新一代云網(wǎng)操作系統(tǒng)呼之欲出。

2 云網(wǎng)融合的技術(shù)需求與演進

隨著數(shù)字社會轉(zhuǎn)型的不斷深入，各類用戶對于云網(wǎng)融合發(fā)展的需求愈發(fā)強烈，未來云網(wǎng)融合系統(tǒng)將不斷提升差異化的SLA保障能力，以便適應持續(xù)發(fā)展的各類不同場景需求。因此，需要更加靈活、開放、智能的新型云網(wǎng)操作系統(tǒng)同時運營、支撐不斷提升的網(wǎng)絡能力、云能力和數(shù)字化平臺能力。

2.1 云網(wǎng)運營系統(tǒng)的升級需求

當前正在應用的云網(wǎng)運營系統(tǒng)主要面向云網(wǎng)一體化運營，包括云網(wǎng)業(yè)務開通、加載、網(wǎng)絡端到端SLA以及云資源保障，在云網(wǎng)無縫鏈接的基礎上初步實現(xiàn)運維自動化、智能化。然而，未來云網(wǎng)融合的目標將是一體化的云網(wǎng)資源提供、業(yè)務運營和閉環(huán)保障?，F(xiàn)有的云網(wǎng)運營系統(tǒng)已不具備滿足未來云網(wǎng)融合需求的能力，云網(wǎng)操作系統(tǒng)是云網(wǎng)運營系統(tǒng)升級改造的目標。云網(wǎng)操作系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)的概念，操作（operating）是運營（operation）一詞的升級，重點在于突出用戶交互的靈活性，提升用戶對于云網(wǎng)系統(tǒng)的參與度，并增強系統(tǒng)對用戶差異化SLA需求的保障能力。

2.2 云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)

云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)主要包括3個層次：云網(wǎng)基礎設施、云網(wǎng)功能和云網(wǎng)操作系統(tǒng)。如圖1所示，云網(wǎng)基礎設施主要包括云網(wǎng)業(yè)務運營的各種物理計算、存儲和網(wǎng)絡設備；云網(wǎng)功能包括各類虛擬化的云資源，以及 SDN/NFV化的網(wǎng)絡設備；云網(wǎng)操作系統(tǒng)是建立在云網(wǎng)硬件資源和虛擬化資源基礎之上的一體化運營操作平臺，可提供智能化的云網(wǎng)資源編排能力。通過3個層次的有機結(jié)合，形成了未來云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)。

圖1 云網(wǎng)融合的技術(shù)架構(gòu)

2.3 云網(wǎng)資源一體化管控

對于業(yè)務應用，云網(wǎng)操作系統(tǒng)可以屏蔽各類云網(wǎng)軟硬件資源的差異化，將其抽象為通用的業(yè)務能力和服務，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一操作和統(tǒng)一運營，從而支持業(yè)務應用實現(xiàn)實時、按需、動態(tài)部署。為實現(xiàn)上述功能，云網(wǎng)“大腦”和云網(wǎng)切片兩項關鍵技術(shù)被提出和應用，并基于云原生環(huán)境進行開發(fā)。

2.4 云網(wǎng)操作系統(tǒng)的打造目標

融合統(tǒng)一的云網(wǎng)操作系統(tǒng)將用于全面支撐云網(wǎng)融合目標的實現(xiàn)，進而面向智能社會提供數(shù)字化云網(wǎng)應用平臺，面向數(shù)字經(jīng)濟提供云網(wǎng)融合開放能力、數(shù)字化開放運行環(huán)境以及多方數(shù)據(jù)共享，服務全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求。對于開放化的云網(wǎng)操作系統(tǒng)，可以充分借鑒和參與開源解決方案研發(fā)，跟蹤最新技術(shù)發(fā)展，進而保持技術(shù)領先，引領時代變革。

3 ONAP功能架構(gòu)

開放網(wǎng)絡自動化平臺（open network automation plat+orm，ONAP）是Linux網(wǎng)絡基金會托管的開源網(wǎng)絡編排運營項目，基于開源、開放的全球統(tǒng)一框架，為運營商網(wǎng)絡編排和業(yè)務運營提供自動化綜合操作平臺[10]?；贠NAP可以快速地自動化部署新業(yè)務，并支持該業(yè)務的全生命周期管理。

與傳統(tǒng)的運營系統(tǒng)相比，ONAP在業(yè)務無關平臺、開放性、閉環(huán)自動化和開發(fā)-運營（DevOps）一體化4個方面進行了顯著變革[11]。

（1）ONAP定位于一個自動化的使能平臺，可以讓不同運營商根據(jù)自身業(yè)務需求進行靈活定制，不受廠商、業(yè)務和場景的限制。

（2）ONAP致力于開發(fā)一個開放可編程的軟件生態(tài)環(huán)境，其體系結(jié)構(gòu)支持隨時選用業(yè)界最佳組件模塊，各組件均為可插拔設計，可以靈活地進行替換和升級。同時，通用功能組件按照共享模式開發(fā)，具有較強的可復用性。

（3）閉環(huán)自動化是ONAP的典型架構(gòu)創(chuàng)新，其可實現(xiàn)端到端的全自動化流程，且可以動態(tài)變更。其最終目標是將日常運維中的配置管理、計費管理、性能管理、安全管理和故障管理等功能均實現(xiàn)自動化。

（4）ONAP基于開發(fā)-運營一體化架構(gòu)設計，可以方便地實現(xiàn)敏捷開發(fā)、精益部署，增強軟件開發(fā)人員于網(wǎng)絡運維人員的交流互動，使軟件開發(fā)發(fā)布更加快捷、頻繁和可靠。

4 基于ONAP架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)

4.1 云原生開發(fā)環(huán)境

云原生開發(fā)環(huán)境是實現(xiàn)云網(wǎng)操作系統(tǒng)靈活開發(fā)迭代的核心，ONAP部署環(huán)境基于云原生平臺進行搭建，可根據(jù)云網(wǎng)操作系統(tǒng)的持續(xù)演進需求，提供以業(yè)務應用為中心的公共開發(fā)平臺，使開發(fā)者輕松實現(xiàn)敏捷開發(fā)和產(chǎn)品更新，而無須關注云網(wǎng)底層基礎設施狀態(tài)。

4.2 基本架構(gòu)方案

基于ONAP架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)架構(gòu)方案如圖2所示，主要包括設計態(tài)組件SDC和運行態(tài)組件。設計態(tài)組件SDC用于實現(xiàn)具體業(yè)務的設計和創(chuàng)建。運行態(tài)組件主要包括用戶交互組件UUI、服務編排SO、單域控制器以及閉環(huán)控制相關組件。

圖2 基于ONAP架構(gòu)的云網(wǎng)操作系統(tǒng)方案

4.2.1 設計態(tài)與運行態(tài)框架

ONAP架構(gòu)主要包括設計態(tài)和運行態(tài)兩部分。設計態(tài)框架用于對平臺業(yè)務功能進行設計、定義和編程開發(fā)，運行態(tài)框架則用于執(zhí)行設計態(tài)框架所設計開發(fā)的運營管理邏輯。

設計態(tài)框架主要包括4個組件。最核心的組件是服務設計和創(chuàng)建（service 2esign an2 creation，SDC），包括定義多種角色用于負責業(yè)務資源設計、測試驗證和資源確認等流程。其他設計態(tài)組件還包括 VNF需求（VNF requirement，VNF REQS）、VNF驗證程序（VNF vali2ation program，VVP）以及VNFSDK。

運行態(tài)框架包括業(yè)務實例下發(fā)和閉環(huán)控制兩大場景，同時可劃分為功能有部分重疊的編排層和控制層。編排層核心是跨域業(yè)務編排器（service orchestrator，SO），控制層則包括多種單域控制器（controller），包括VF-C、SDN-C、APPC等。運行態(tài)的其他核心組件還包括活動和可用資源庫（active an2 available inventory，A&AI）、數(shù)據(jù)采集分析和事件觸發(fā)（2ata collection、analysis an2 events，DCAE）和策略（policy）等。

基于 ONAP設計態(tài)-運行態(tài)框架設計的云網(wǎng)操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)業(yè)務設計、業(yè)務下發(fā)與用戶交互以及閉環(huán)自動化管理功能。業(yè)務設計開發(fā)人員主要在設計態(tài)實現(xiàn)云網(wǎng)新業(yè)務的設計開發(fā)。網(wǎng)絡運維人員基于閉環(huán)自動化管理功能實現(xiàn)智慧運營管理，同時基于隨愿引擎實現(xiàn)與用戶的交互感知。

4.2.2 云網(wǎng)“大腦”（閉環(huán)自動化）

隨著云網(wǎng)資源的不斷多樣化，其運營管理復雜度持續(xù)增加。云網(wǎng)“大腦”是云網(wǎng)操作系統(tǒng)中負責云網(wǎng)資源及運營信息采集、分析、處理、學習、預測和優(yōu)化的一體化智能信息組件，是云網(wǎng)操作系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”。通過應用包括人工智能、大數(shù)據(jù)在內(nèi)的智能化技術(shù)，實現(xiàn)云網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理、編排和運營，并進一步提升云網(wǎng)融合系統(tǒng)的自適應、自學習、自糾錯和自優(yōu)化能力。

ONAP架構(gòu)在設計之初就瞄準閉環(huán)自動化功能的實現(xiàn)。閉環(huán)控制功能起始于DCAE模塊，由其接收相應的事件觸發(fā)信息，然后經(jīng)過若干微服務循環(huán)組件（例如policy等），最后下發(fā)給控制器和編排器執(zhí)行相應操作。

基于ONAP閉環(huán)自動化組件可實現(xiàn)云網(wǎng)“大腦”的主要功能。在DCAE模塊可實現(xiàn)網(wǎng)絡狀態(tài)的感知和監(jiān)控，以及智能化分析預測功能。相關網(wǎng)絡故障檢測和自愈策略可存儲在policy組件中，觸發(fā)調(diào)取下發(fā)給 SO執(zhí)行，進而由控制器完成相應故障修復工作。

4.2.3 云網(wǎng)切片（端到端切片）與編排控制

網(wǎng)絡切片基于不同的網(wǎng)絡參數(shù)屬性，將物理網(wǎng)絡劃分為多個邏輯上相互獨立的虛擬切片，從而為客戶提供差異化的網(wǎng)絡產(chǎn)品，滿足不同的業(yè)務場景需求。云網(wǎng)切片在網(wǎng)絡切片的基礎之上，將云資源的彈性、伸縮等特性與不同云網(wǎng)業(yè)務所需的差異化網(wǎng)絡需求進行整合，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、編排和優(yōu)化，進而實現(xiàn)云網(wǎng)資源的端到端切片應用，為云網(wǎng)“大腦”完成智能化操作運營奠定基礎。

云網(wǎng)切片需實現(xiàn)以下3方面的核心能力。

（1）統(tǒng)一編排是實現(xiàn)端到端云網(wǎng)切片應用的關鍵技術(shù)，需通過將客戶業(yè)務需求轉(zhuǎn)換為云網(wǎng)資源的調(diào)度需求，基于統(tǒng)一封裝抽象的虛擬云資源和網(wǎng)絡服務來實現(xiàn)。

（2）云網(wǎng)感知指通過對異構(gòu)云網(wǎng)資源多樣化采集的方法，全面獲取客戶需求、云網(wǎng)業(yè)務和軟硬件資源的相關信息，實現(xiàn)對云網(wǎng)狀態(tài)和服務質(zhì)量的全面量化感知。

（3）自主優(yōu)化在云網(wǎng)感知和統(tǒng)一編排的基礎之上，根據(jù)業(yè)務服務質(zhì)量要求以及云網(wǎng)資料狀態(tài)情況，實現(xiàn)云網(wǎng)切片對云網(wǎng)服務的自動化調(diào)整優(yōu)化。作為編排運營系統(tǒng)，ONAP具備強大而統(tǒng)一的服務編排組件用于支持全域業(yè)務編排。同時，為支持單子域快速高效的網(wǎng)絡編排控制，根據(jù)功能差異，提供了多種不同的網(wǎng)絡功能控制器。SO負責最頂層的網(wǎng)絡管理編排工作，以及對下層控制器間的編排，主要包括理順控制器間的數(shù)據(jù)交互、幫助其根據(jù)指定流程和所需信息完成相應的動作。

目前ONAP發(fā)行版實現(xiàn)了基于3GPP規(guī)范的5G移動網(wǎng)絡端到端切片功能[12]。云網(wǎng)切片的概念尚未完成標準化工作，因此可借鑒5G承載網(wǎng)切片實現(xiàn)方案，結(jié)合云切片的設想，完成云網(wǎng)切片功能的設計開發(fā)工作。

4.3 端到端智能云網(wǎng)切片方案驗證

參考ONAP現(xiàn)有5G移動網(wǎng)絡端到端切片方案，本文提出了一種端到端智能云網(wǎng)切片方案，并建立了如圖3所示的閉環(huán)自動化保障流程。

圖3 云網(wǎng)操作系統(tǒng)閉環(huán)自動化流程

如圖3所示，在運行態(tài)網(wǎng)絡中，DCAE組件不斷從底層網(wǎng)絡中獲取實時網(wǎng)絡監(jiān)控數(shù)據(jù)，并進行網(wǎng)絡性能預測分析。當預測現(xiàn)有云網(wǎng)切片無法滿足用戶需求時，選擇基于OOF組件更換切片實例，或基于policy組件修改切片配置參數(shù)策略的方式對云網(wǎng)切片進行提前修改，以滿足用戶需求。隨后在服務編排組件 SO完成編排器對域控制器的配置下發(fā)，從而提前調(diào)整云網(wǎng)資源以保障用戶需求。

在仿真驗證中，針對網(wǎng)絡實時時延和瞬時抖動兩項關鍵指標進行驗證。分別仿真3 600 s，查看并分析云網(wǎng)操作系統(tǒng)和云網(wǎng)運營系統(tǒng)的兩項指標。

如圖4所示，對于用戶10 ms時延需求，具備閉環(huán)自動化保障功能的智能切片可實現(xiàn)全時域的保障，而不具備閉環(huán)自動化保障功能的傳統(tǒng)云網(wǎng)切片則需要在用戶報障（約2 800 s）后進行事后恢復。

圖4 云網(wǎng)切片實時時延性能

如圖5所示，對于用戶高可靠性的需求，具備閉環(huán)自動化保障功能的智能切片可實現(xiàn)接近100%的低抖動能力（＜±3），而傳統(tǒng)云網(wǎng)切片則不具備高可靠保障能力，抖動離散值較大。

圖5 云網(wǎng)切片瞬時抖動性能

對比具備閉環(huán)自動化保障功能的云網(wǎng)操作系統(tǒng)和不具備閉環(huán)自動化保障功能的傳統(tǒng)云網(wǎng)運營系統(tǒng)，可明顯觀察到云網(wǎng)操作系統(tǒng)的閉環(huán)自動化保障功能可實現(xiàn)對用戶需求的高可靠性保障。

5 結(jié)束語

云網(wǎng)融合是一個不斷演進的過程[13]。以云網(wǎng)操作系統(tǒng)為典型代表的信息通信技術(shù)創(chuàng)新，將強有力地推動未來信息基礎設施轉(zhuǎn)型，特別是以云網(wǎng)大腦、云網(wǎng)切片等為代表的關鍵核心技術(shù)，是持續(xù)推動云網(wǎng)融合目標實現(xiàn)的重要保障。云網(wǎng)融合研究的周期進展還將與 6G通信技術(shù)的發(fā)展周期相互吻合，并將與6G通信技術(shù)中的ICDT融合技術(shù)相互借鑒。最終，云網(wǎng)融合需要運營商與設備廠商、應用開發(fā)商以及高校科研院所等產(chǎn)業(yè)各方持續(xù)共同努力，形成云網(wǎng)融合開放新生態(tài)。而開源研究和開發(fā)，將為云網(wǎng)融合發(fā)展開創(chuàng)新局面，引領行業(yè)邁向新時代。