面向任務的網絡自動規劃與重配置技術研究*

牛作元，張鋒軍，李慶華，許 杰，石 凱

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

網絡規劃與配置作為通信網絡管理中的重要組成部分，需要從全局角度考慮網絡需求，完成網絡資源精準配置，是保證通信網絡能夠充分發揮其效能的基礎。

但是，隨著網絡規模的擴大，網絡資源數據龐大，底層物理網絡設備多樣，網絡情況復雜，尤其是新型網絡技術如ASON、SDN 的使用，增加了網絡動態性和網絡管理的復雜性。此外，虛擬資源的應用、業務種類的繁多以及業務實現技術的融合，使得通過傳統人工方式進行網絡規劃與配置變得不現實，而根據任務動態優化調整資源及配置更加不可能。

面向任務的網絡規劃與業務配置的難點在于其不確定性和業務資源的虛擬性。由于面向服務的業務系統屏蔽了物理網絡，而是以虛擬資源的形式為業務及業務管理提供服務，因而需要查找與匹配可以完成業務配置的最優服務、最優路徑以及最佳網元資源。此外，當創建新任務或對已有任務配置進行改變時，如何實時感知當前網絡狀態和任務資源、對任務所需資源進行自動化重配置也是需要研究的內容。因此，亟待提出并突破相關技術來解決上述問題，網絡自動規劃與重配置具有重要的研究價值。

本文將自主計算[1-2]和網絡資源的運行效能評估[3]引入到網絡規劃與重配置中，充分考慮網絡資源的動態性，通過智能化自主管理的決策支持，提高網絡在聚焦任務需求下的精準規劃能力和快速精確的重配置能力，提升用戶體驗。

1 管理架構

應急保障任務中，為了保障用戶與前線人員的通信需求，將充分調動各種移動、無線、有線以及安全等各類資源，運用微波、短波、超短波、散射以及衛星等各類通信手段。此外，隨著各種突發情況的不斷涌現，網絡規模、網絡成員以及網絡拓撲時刻處于變化中。此時，面向用戶的保障需求，如何快速完成網絡規劃，形成網絡組織預案，實現網絡資源的分配與部署，從而保證網絡動態變化情況下多種通信手段能夠自適應切換，并始終滿足用戶的QoS 需求是必須解決的問題。針對該需求，本文提出了面向任務的網絡自動規劃及重配置架構。

面向任務的網絡自動規劃及重配置架構是以任務為驅動，通過分析任務獲得通信保障需求，然后根據通信保障需求，基于實時感知的資源綜合態勢和輔助決策數據，完成各種移動、無線、有線以及安全等資源的網絡拓撲規劃、通信資源分配和管理策略制定等，從而滿足用戶的使用需求。之后通過網絡仿真對規劃方案進行評估，反饋調整規劃中存在的問題，對評估通過的方案進行資源的具體配置，從而實現感知、分析、決策以及執行的閉環過程。配置完成后，基于用戶任務需求和網絡資源實時運行狀態數據決定是否進行網絡資源重配置，從而實現再感知、再分析、再決策、再執行的閉環迭代自主控制過程，完成網絡規劃任務的最優。

面向任務的網絡自動規劃及重配置架構[4-5]如圖1 所示。

圖1 面向任務的網絡自動規劃及重配置架構

1.1 架構組成

面向任務的網絡自動規劃及重配置架構主要包括策略管理、網絡規劃、仿真評估、重配置管理、運行效能評估、學習推理以及自主管理。

策略管理主要是對各種策略進行管理和一致性驗證，為基于策略的自動智能管理提供策略支持。

網絡規劃主要是基于用戶的任務需求、QoS 指標等，根據被管資源的占用情況和需求情況，基于策略和規劃模板生成規劃預案。

仿真評估主要是利用仿真手段對網絡規劃預案進行仿真評估，根據仿真結果對網絡規劃預案形成反饋，提高網絡規劃成功率。

重配置管理用于基于規劃方案或重配置策略生成各網絡元素的具體配置信息，完成對各網絡元素的配置。

運行效能評估主要是對任務的實際運行情況進行感知和分析，當無法滿足任務要求的性能時，觸發網絡規劃的調整和重配置過程。

學習推理用于基于信息模型、本體模型、知識庫等，利用機器學習、模式識別、數據挖掘等技術生成各種規則數據，對智能化自主管理提供數據依據。

自主管理用于基于感知的任務運行信息和分析結果進行各類決策，并控制和調整各種策略。

面向任務的網絡自動規劃及重配置架構在傳統網絡規劃與配置過程中增加了運行效能評估和自主管理能力，通過實時運行信息的反饋，可動態生成管理策略，提高網絡規劃及配置的精準化、自動化水平。一方面，在整個運行過程中，需要及時根據業務執行情況、當前態勢數據、歷史數據等信息評估業務的保障情況，給出針對當前的業務規劃方案優化的調整建議。另一方面，通過對上下文信息、環境信息等進行學習和推理，在知識庫的支撐下，通過自主管理進行智能決策，必要時觸發網絡規劃的調整，使系統進入下一輪的閉環反饋，實現系統自優化。

1.2 管理流程

面向任務的網絡自動規劃及重配置可實現流程化、自動化的業務規劃及配置功能。具體流程如下。

（1）接收用戶的任務，獲取用戶任務目標，對規劃需求進行匯總分析，進行規劃方案的制定。

（2）生成規劃方案后，對規劃方案中的資源分配和策略配置進行可行性、完整性的仿真評估驗證，生成規劃方案評估報告。

（3）網絡重配置根據評估后的規劃方案，完成策略映射，并下發策略到被管對象執行。

（4）配置完成后，業務開通測試檢查根據上報的業務資源配置信息對業務的SLA、業務的運行情況、業務需求進行測試檢查，保證業務提供滿足用戶需求。

（5）在業務運行過程中，實時獲取面向任務的各類態勢數據，基于面向任務的保障需求，根據反饋數據發現規劃方案中可能存在的缺陷并進行改進完善，優化規劃方案，動態調整資源策略，進行網絡重配置，保證業務性能相對最優。

2 網絡自動規劃

統籌規劃和合理調度資源，并基于業務管理知識、規劃策略實現資源控制的流程化、集中化和自動化，是網絡規劃要達到的目標。而自動規劃技術作為網絡規劃的重要核心，是智能運維的關鍵，其有效性和合理性直接影響到系統的自動化程度。基于策略的管理是自動化、智能化管理的一種典型工程化解決方案，通過將業務規則自動轉換成待執行的特有指令，并支持指令高效自動執行，從而實現智能化、自動化的高效管理，解決大型信息系統配置復雜、配置效率低、業務控制困難等問題。

因此，網絡自動規劃就是將任務需求轉換成管理策略的過程。但是，由于任務需求可能有多個衡量指標，且網絡資源是動態的，因此在規劃過程中需要對周圍環境進行認知與分析，根據目標任務的多個指標，對若干可供選擇的動作及所提供的資源限制進行推理，從而綜合制定出實現目標任務的規劃[6]。網絡自動規劃在數學上可看做一個多目標的組合優化問題，在求解時需要進行多次的迭代完善。目前使用的最優求解算法主要是啟發式或元啟發式算法，如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法和迭代搜索算法等。較為流行的求解方法是在用戶任務關注的指標驅動下將多種啟發式或元啟發式結合使用，如微分進化算法和局部搜索算法的結合、遺傳算法與局部搜索算法的結合等，使算法的性能達到最優。

與傳統網絡規劃是基于人工經驗分析任務并調度資源相比，自動規劃在規劃過程中將引入信息認知。在調度資源的過程中，它將結合知識庫中的歷史規劃方案、歷史業務運行信息、優化建議信息以及相關資源當前態勢信息等，通過業務數據挖掘、分析、學習以及相關資源的運行趨勢、性能狀況等，給出一個相對更加完善的業務規劃方案或者規劃建議，避免人工在規劃過程中對資源狀態掌握不足、資源細節掌握不全等問題。

面向任務的網絡規劃過程涉及以下關鍵要素，包括實現什么樣的目標、如何達到目標、達到目標具體需要做什么。因此，網絡規劃過程包含需求定義、目標設置、規劃管理策略3 個關鍵步驟。需求是面向用戶層面；目標是實施層面的；面向任務的網絡自動規劃需要實現用戶需求到設置目標的映射，而規劃管理策略通過提供完整的模型來實現設置的目標。

碲雖然在蒸餾段能夠有效脫除，但其混雜于鉛鉍合金中，在后續的鉛、鉍電解回收上造成嚴重的干擾，同時因碲價值較高，鉛、鉍、碲的復雜合金難以得到有效分離，降低了浮選尾礦綜合回收的價值。

需求定義用于以規范化、標準化的方式完整、準確地記錄形成任務需求，為將任務需求轉化成資源和業務需求奠定基礎。以任務為核心是本階段應遵循的重要原則，核心任務是確定清晰的用戶期望、工作流程以及對特定環境下的功能性能約束等，并按照需求模板完成需求輸入，根據指定的解析規則解析需求，提取其中的關鍵要素，為后續的目標設置和策略管理管理提供參考依據。

在實施時，需要準確表達需要解決的問題，也就是系統的目標設置。但是，不管采用什么方法，定義和準確構建面向任務的信息模型是根本。它與滿足任務需求的業務、業務功能、提供業務功能服務的虛擬資源、物理資源、構成網絡及其具體配置的節點、節點可能的類型、網絡運行的物理環境和通信的信息交換要求有關。本文依據HTN 規劃建模思想建立頂層信息框架，構建以任務模型、業務模型、資源模型為核心的信息模型體系，如圖2所示。

圖2 信息模型體系

任務模型是指在一定的環境和時空約束下，面向用戶為完成特定的目標而進行的一系列相互關聯的活動的集合，主要因素包括任務名稱、用戶需求、任務權重、任務環境以及約束條件等信息。業務模型用于描述一個業務功能所需要的資源信息以及資源之間的關系。資源模型用于描述信息系統各類物理、虛擬資源的相關實體，可進一步細化為物理資源、邏輯資源與復合資源等。

一旦信息模型體系被建立，需要將任務需求到虛擬資源規劃再到物理設備規劃的逐級映射成各種可以具體落地執行的策略來支撐任務的實施。采取的主要設計思路是將網絡規劃的業務需求作為輸入，根據任務需求、當前資源信息、任務QoS 目標等，在滿足時間要求和資源約束等條件下，通過有效的推理和分解，利用最優化算法，在參數配置空間中尋找滿足任務需求的最優或次優的參數配置，自主選擇一系列有序的活動集合形成規劃方案，以完成特定的規劃任務。

3 運行效能評估

網絡實時運行狀態反映了網絡資源的整體利用狀況、運行性能、故障狀態等，是進行網絡資源調整及優化的重要依據。傳統的網絡資源調整及優化在于缺少對網絡整體運行狀況的精確掌控及網絡運維態勢的有效評估，缺少從網絡全局的角度調整優化網絡資源。本文在網絡自動規劃完成后全面感知網絡運行、安全威脅事件、態勢數據等海量歷史和實時運維數據，通過建立網絡綜合態勢指標體系和評估模型對網絡運行態勢進行綜合分析評估，從而為網絡重配置提供決策依據。

在網絡多維綜合態勢表征中，為了使所選取指標具有較強的完整性，在態勢指標選取上應該盡可能反映網絡整體運行狀態，考慮多方面來源的數據對網絡多維綜合態勢評估結果產生的影響。傳輸資源的多樣性（信道屬性、通道屬性）是通信網絡的基本數據；網絡流量能夠反映網絡元素的狀態，而流量的不同特征可揭示各種網絡事件；拓撲結構能夠建立網絡元素和整個網絡之間的聯系，同時綜合考慮網絡穩定性指標。因此，本文采用將網絡穩定性、傳輸資源、網絡拓撲和網絡流量相結合的網絡綜合態勢指標體系，如圖3 所示。

圖3 網絡綜合態勢指標體系

通過將傳輸資源特征識別、拓撲推理與流量分析挖掘相結合，構建網絡元素的基本信息、運行狀態以及網絡元素之間的關系，建立高度概括的完整的網絡視圖，從整體上展現網絡運行情況，實現全局態勢綜合認知。

為了對網絡多維綜合態勢進行評估，在建立網絡綜合態勢指標體系后，通過建立效能評估模型和算法進一步進行數據挖掘，根據業務相關的態勢評估值及業務的權重，通過加權綜合評價的方法，評估網絡當前多維綜合態勢值，為網絡重配置提供決策依據。

4 網絡重配置

網絡重配置技術借鑒認知無線電中的重配置技術[7-8]，以資源的最優化使用和用戶業務的最優化體驗為目標，基于資源的配置實施數據、資源態勢感知數據、當前業務執行保障情況、環境變化情況等，通過執行適當的學習推理機制，利用感知到的網絡環境和狀態信息，獲取網絡自主決策策略，并基于策略完成業務需求到網絡資源、計算資源、存儲資源的自動映射和自動配置。在業務需求無法滿足的情況，需要生成資源動態調整策略或資源重配置策略，完成資源動態調整或資源重配置，從而實現網絡參數自動優化配置，實現各類網絡資源對業務的動態自適應，有效處理由于業務變更、資源變化引起的網絡規劃適應性變更問題，達到“局部調整、總體優化、業務持續”的良好管控效能。

在面向任務的網絡自動規劃與重配置系統中，為更好地滿足不斷變化的用戶業務需求，將從端到端的角度將業務、網絡和終端的重配置納入到整個管理和控制框架，動態、自適應地配置網絡的各個部分。基于自主管理的網絡重配置基本框架如圖4所示。

圖4 采用自主管理實現重配置的基本過程

圖4 中包括狀態及上下文環境信息感知模塊、自主管理決策模塊、重配置執行模塊和學習模塊。其中：狀態及上下文環境信息感知模塊感知周圍環境，獲取上下文信息和內部數據；采用自主管理作為智能決策的重要手段，自主確定合適的重配置行為；依據網絡資源和網元的調節來執行重配置策略。

與圖2 的信息模型體系相適應，面向任務的重配置根據重配置范圍的不同可分為網元重配置、網絡重配置和業務重配置。

網元重配置的調整范圍局限在特定網元設備，通過設備重啟、板卡替換、基于預置策略的設備配置完成設備功能的恢復。在網元重配置中，采用的重配置策略較為明確，一般多為靜態策略。

網絡重配置的調整范圍上升到網絡層或資源層，通過多個設備、多種資源的調整或重配置完成對某些業務功能的支撐，如鏈路切換、通信方式調整、計算存儲資源重分配等。在網絡重配置中，為了實現對業務的智能支撐和靈活適應，采用的重配置策略無法提前預置，因此可根據環境感知和上下文感知的態勢信息，結合任務需求，通過動態生成的策略對網絡進行重配置。

業務重配置的調整范圍則上升到支撐任務需求的業務功能甚至某個業務層面，需要對業務、業務相關的資源等進行端到端的重配置，以滿足任務的功能需求或QoS 需求。重配置的方式包括業務功能的替換、業務功能鏈的重組等。在業務重配置中，需要面向任務需求對業務、業務之間、業務與相關資源之間的關聯關系、資源狀態、運行趨勢等進行全面學習和掌握，通過自主學習和自主計算動態生成策略并執行，以提高用戶的透明性，保持良好的用戶體驗。

在面向任務的重配置過程中，終極目標是將自動生成的策略作為策略輸入到基于策略的管理系統中，使系統能夠實施策略，保證網絡在各種條件下充分運行。管理策略的自主動態生成是其中的難點。本文的策略動態生成是以任務為驅動，以網絡資源運行效能評估為基礎，在認知計算的支撐下，基于信息模型、本體模型、知識庫等，利用機器學習、模式識別、數據挖掘等技術，動態生成各種規則或策略數據，保證用戶服務質量滿足用戶需求。

5 結語

自動化、智能化已成為當前運維管理的主流技術特征。面向任務的網絡自動規劃及重配置架構支持上下文驅動的網絡規劃及重配置方案，最小化人為干預，將知識嵌入到框架內部，以及時應對業務目標或者應用環境的變化。在此基礎上，該架構能夠根據已有策略動態產生新策略重新進行網絡規劃及自動動態配置網絡元素，可有效提高運維管理自動化管理能力，顯著降低通信保障人員的工作強度，提高系統的工作效率和保障效能。