在自組織網絡中的自動化和SDN

鄧春華，饒經緯

（1.武漢船舶職業技術學院，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，自組織網絡）是伴隨LTE發展而引出的一套完整的網絡理念和規范。SON主要由運營商提出，其主要思路是實現無線網絡的一些自主功能，減少人工參與，降低運營成本。

自動化網絡管理（ANM）是在高效網絡系統中一個有效的自動化方式。在現代的無線接入網（RAN）有高度的可管理性與復雜性，所以人們需要利用ANM和SONs。一方面由于缺少可用性，花費時間容易出錯。所以RAN很難用來管理被部署的技術。另一方面，和人工的技術專家想必，自適應的ANM和SONs存在高度的響應能力和自動化的計算機制。為了解決異質性，統一的管理網絡（UMF）被歐盟提出EU EP7 工程網絡賦能機制（NEMs）是一個未來的SON的關于如何管理ANM系統的主題。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。

當前的SON由設備供應商（供應商域SON）和NMS/OSS（運營商域SON）提供。由于缺乏規范和封閉的接口，操作員經常陷入所謂的供應商鎖定情況。供應商域中的運營商通常被迫從同一制造商那里升級其基礎架構。在運營商域中不會發生這種情況。在此域中，SON功能是開放接口。NMS/OSS（運營支持系統）提供了全球網絡視圖。但是由于缺乏響應能力，這意味著無法靈活地調用SON功能，以及元素管理系統（EMS）和網絡管理系統（NMS）之間的互操作性，因此運營商努力整合這些系統[1]。

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

1 軟件定義網絡和自動化網絡管理

1.1 軟件定義網絡

在過去的幾年中，軟件定義網絡（SDN）改變了網絡體系結構。與傳統網絡架構不同，SDN將控制平面與數據平面解耦，這使得控制數據平面和提供服務變得更加容易。人們可以直接使用可編程軟件來控制復雜的網絡系統。

SDN的發展分為3個階段。在1990年代中期至2000年代初，主動網絡被引入網絡。這些主動網絡使減少計算和可編程網絡成為可能。第二階段是在2000年代初期。在此階段，控制平面與數據平面分離，以釋放諸如調試配置問題并控制路由行為。實現了諸如控制面和數據面之間的開放接口和網絡邏輯控制之類的新創新。服務提供商網絡內的管理變得越來越重要。工程師專注于網絡管理。可編程語言是在控制平面而不是數據平面上實現的。SDN發展的第三階段是實施OpenFlow和網絡OS。OpenFlow最初部署在校園網絡中，以研究“干凈的”網絡架構。在2000年代后期，斯坦福大學的OpenFlow小組在許多園區中實施了OpenFlow，從那時起，已經部署了真正的SDN。OpenFlow是控制器和硬件之間的橋梁。OpenFlow API的創建提供了一種設計類似于NOX的控制器平臺的方法，其中可以實現多種應用程序。OpenFlow實現了SDN原型的想法，促進了SDN的發展，強制供應商打開其網絡源。

1.2 自動化網絡管理

隨著網絡的發展，網絡的結構變得越來越復雜。因此，必須考慮由異構網絡引起的控制問題，如異構服務需求、異構襯底網絡及數據平面上的異構協議。為了構建更靈活的網絡并在SDN中提供多種服務，提出了自動化網絡管理（ANM）。使用SDN的ANM可以解決這些復雜的管理問題。

使用ANM范例的第一個實現是IBM。它被用于自主計算。從那以后，許多研究團體做出了努力，以將自主權納入網絡管理領域。

自主系統可能是管理SDN的重要方法。自配置、自修復、自優化和自保護是自治系統中的一系列自治特性。根據[3]中的“監視分析計劃和執行-知識（MAPE-K）”循環，自治系統還可以監視其環境和配置文件，從其對一系列策略的觀察和決策中學習。

ETSI AFI小組引入了稱為GANA（通用自主網絡架構）的整體架構參考模型并進行了標準化。在歐洲項目UNIVERSELF中，提出了UMF的自我管理體系結構，以提供一個自治控制環和一個邏輯上集中的核心，負責它們的治理（GOV）、協調（COORD）和知識交換（KNOW）。為了顯示結果信息，已經開發了TeleManagement論壇（TMF）的共享信息/數據（SID）框架的擴展。

1.3 軟件定義網絡在無線網絡中的應用

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網絡應用程序的方法。例如，OpenRoads專注于移動性問題，OpenRadio使對在MAC和物理層實現的無線協議進行編程成為可能。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，可為人們提供應用程序的全局網絡視圖。

2 自動化軟件定義網絡結構

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

（1）UMF核心：NMS/OSS級別管理網絡并提供全局網絡視圖。UMF核心通過SON功能控制操作員。通過使用UMF NEM，可以實現、測試、模塊化和可重復使用這些組件。UMF核心使用治理功能塊來部署，控制和跟蹤NEM的進度。協調功能塊旨在識別和避免沖突并確保穩定性。知識功能塊可以查找、制定和共享相關信息，以實現或改善其功能。

（2）NEMS：網絡授權機制（NEM）可以抽象為自主功能。NEM通過使用北向（NB）API進行部署，盡管如此，NEM可以發現現有的網絡元素和拓撲，檢索或配置參數值，監視KPI或訂閱與API值更改有關的事件。還可以捕獲與其他NEM的交互作用和關系。

（3）NB：SDN控制器上的北向API使應用程序可以對網絡進行編程并向網絡請求服務。由于使用NB，人們不必使用設備供應商提供的應用程序，這使創新網絡變得更加容易。

（4）AutoSDN：AutoSDN控制器是邏輯上集中的實體。提議將其作為即插即用功能的執行環境，例如為它們提供指標數據，評估并將其輸出參數配置應用于網絡元素。

（5）SB：向南（SB）接口也是一個API。網絡元素，度量，參數及其關聯，但可以應用于控制平面。度量和參數值可以異步和同步發送到控制器，SB會定期更新這些值。

2.1 度量、系數和元素模型

AutoSDN中的度量標準是所有可測量，可排序，只讀和在實現方面可訪問的數據類型。它被定義為三元組規范，上下文（在其中應用）和源（從中獲取其值）[2,4]。它們之間的關系是，一個規范用于多個源和上下文對。度量是全球標準化規范，這意味著它具有靜態且唯一的類型描述。它具有名稱、度量單位、最小值、最大值和默認值。度量上下文可以是度量所關注的網絡元素，也可以是某種抽象描述，如子網單元群集。度量源是獲取度量值的終端。它不僅可以存在于數據平面，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據檢索接口，而不管度量的類型是什么。如果實體要調用它，則它們必須訪問控制器，該控制器使用一個特定的度量規范存儲源地址。

度量標準源以范圍、時間間隔或先前值的形式生成這些不同類型的事件。參數的結構與指標相似。它也由規范和相關的網絡元素組成。但是與度量標準不同，它具有適配器，該適配器提供了用于讀取和寫入參數值的接口。該元素是參數和其他元素的集合，這使重用規范數據成為可能。

2.2 SON的功能模型

可以將網絡功能的結構視為一個盒子，其中有自己的代碼。通過函數的輸入和輸出，可以指定在何處應用此函數。AutoSDN定義了與調用相關的所有功能的列表，該列表使用輸入和輸出指定參數/度量的元素/上下文。通過應用功能，已經定義了觸發器，以便指定何時應用該功能。在SON網絡中，該功能稱為SONFunction。函數的屬性封裝在此函數框中。該功能可以通過NB API應用于控制器，也可以用于SON NEM。在這種情況下，NB只是作為獲取和設置值的接口。

2.3 組成和功能化概覽

推入批量將數據平面中的數據推入度量收集器。正如上一段介紹的那樣，度量標準源已向一個規范注冊，以便實體可以通過NB發現它。配置管理器與參數適配器連接。 它提供了到適配器的接口，并確保了NB實體的訪問限制。函數鏈接器是一個編譯，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行SONFunction。

3 應 用

通過實現SON函數的兩種算法，首先可以優化小型小區的覆蓋范圍。 其次，可以使來自宏BS的傳輸靜音并減輕干擾。下一步是實現這兩種算法。

通過SB API將所有度量、參數數據以及小型小區和宏小區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，可以通過NB API將這些LB SON函數和ABS SON函數部署到控制器。指標、參數和元素與SON函數一起被編譯到鏈接器。然后可以通過SONFunction沙箱執行功能。UMF核心和儀表板提供了網絡視圖，并實現了應用程序來管理整個系統。使用Matlab來模擬具有宏單元和小型單元的異構比率環境。因此，可以實例化AutoSDN和這兩個算法功能。

4 結 果

在每個宏中設置4個小單元格。結果，在實施LB SON之后，顯著增加了小蜂窩小區的覆蓋范圍。在對宏小區實施LB SON之前，宏小區為80%的流量提供服務。由于這種實施方式，小型小區通過增加CIO來接管流量。使用ABS SON后，系統中的平均用戶數將減少。這意味著網絡中的利用率已得到優化，傳輸速率已提高。

5 結 論

AutoSDN將數據平面和控制平面分開。這樣一來，解決了當前的供應商鎖定問題。通過使用SON功能，可以控制AutoSDN控制器以實現多種功能。NB、SB及NEM為人們提供了構建API的界面，從而使網絡管理更加直觀。度量、參數和元素為人們在AutoSDN中提供了一種利用控制平面和數據平面的新方法。SON函數可以在AutoSDN中調用和執行。因為它們是封裝的，所以重用這些功能變得非常方便和靈活。實例化SoftRAN，其靈感來自OpenFlow，旨在使用SDN機制管理比率訪問網絡。使用實例化來介紹SON功能如何控制4G LTE-Advanced網絡。在初始狀態下，宏將為80%的流量提供服務。實施AutoSDN后，小型小區將接管流量，并減少了該系統中的平均用戶數。從結果中可以發現，這種AutoSDN不僅簡化了網絡管理，而且還為進一步的創新打開了大門。