基于ONAP開源架構的云網操作系統研究

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”發展戰略需求，云網資源及其承載的數字化平臺已經成為新型信息基礎設施的核心底座，網絡與云的融合發展成為夯實“新基建”成果的關鍵技術。云網融合是一個充滿豐富內涵、不斷發展的新興概念，其技術內涵是面向云和網絡的基礎資源，通過一體化的技術架構，實現簡潔、敏捷、開放、融合、安全、智能的新型信息基礎設施資源供給[1]。目前已商用的云網運營系統尚未實現閉環自動化運營[2-6]，現有的云網運營系統研究主要圍繞閉環自動化展開[7-9]，對于智慧內生的智能化架構思考較少。

未來云網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議（service level agreement，SLA）需求提供保障。在云網融合發展的技術嘗試中，現有云網運營系統已經無法滿足未來云網融合的技術需求，基于云網切片，具備云網大腦功能的新一代云網操作系統呼之欲出。

2 云網融合的技術需求與演進

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

2.1 云網運營系統的升級需求

當前正在應用的云網運營系統主要面向云網一體化運營，包括云網業務開通、加載、網絡端到端SLA以及云資源保障，在云網無縫鏈接的基礎上初步實現運維自動化、智能化。然而，未來云網融合的目標將是一體化的云網資源提供、業務運營和閉環保障。現有的云網運營系統已不具備滿足未來云網融合需求的能力，云網操作系統是云網運營系統升級改造的目標。云網操作系統不同于傳統計算機操作系統的概念，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，提升用戶對于云網系統的參與度，并增強系統對用戶差異化SLA需求的保障能力。

2.2 云網融合的技術架構

云網融合的技術架構主要包括3個層次：云網基礎設施、云網功能和云網操作系統。如圖1所示，云網基礎設施主要包括云網業務運營的各種物理計算、存儲和網絡設備；云網功能包括各類虛擬化的云資源，以及 SDN/NFV化的網絡設備；云網操作系統是建立在云網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資源編排能力。通過3個層次的有機結合，形成了未來云網融合的技術架構。

圖1 云網融合的技術架構

2.3 云網資源一體化管控

對于業務應用，云網操作系統可以屏蔽各類云網軟硬件資源的差異化，將其抽象為通用的業務能力和服務，實現統一管理、統一操作和統一運營，從而支持業務應用實現實時、按需、動態部署。為實現上述功能，云網“大腦”和云網切片兩項關鍵技術被提出和應用，并基于云原生環境進行開發。

2.4 云網操作系統的打造目標

融合統一的云網操作系統將用于全面支撐云網融合目標的實現，進而面向智能社會提供數字化云網應用平臺，面向數字經濟提供云網融合開放能力、數字化開放運行環境以及多方數據共享，服務全行業數字化轉型需求。對于開放化的云網操作系統，可以充分借鑒和參與開源解決方案研發，跟蹤最新技術發展，進而保持技術領先，引領時代變革。

3 ONAP功能架構

開放網絡自動化平臺（open network automation plat+orm，ONAP）是Linux網絡基金會托管的開源網絡編排運營項目，基于開源、開放的全球統一框架，為運營商網絡編排和業務運營提供自動化綜合操作平臺[10]。基于ONAP可以快速地自動化部署新業務，并支持該業務的全生命周期管理。

與傳統的運營系統相比，ONAP在業務無關平臺、開放性、閉環自動化和開發-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自身業務需求進行靈活定制，不受廠商、業務和場景的限制。

（2）ONAP致力于開發一個開放可編程的軟件生態環境，其體系結構支持隨時選用業界最佳組件模塊，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，具有較強的可復用性。

（3）閉環自動化是ONAP的典型架構創新，其可實現端到端的全自動化流程，且可以動態變更。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自動化。

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

4 基于ONAP架構的云網操作系統

4.1 云原生開發環境

云原生開發環境是實現云網操作系統靈活開發迭代的核心，ONAP部署環境基于云原生平臺進行搭建，可根據云網操作系統的持續演進需求，提供以業務應用為中心的公共開發平臺，使開發者輕松實現敏捷開發和產品更新，而無須關注云網底層基礎設施狀態。

4.2 基本架構方案

基于ONAP架構的云網操作系統架構方案如圖2所示，主要包括設計態組件SDC和運行態組件。設計態組件SDC用于實現具體業務的設計和創建。運行態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控制相關組件。

圖2 基于ONAP架構的云網操作系統方案

4.2.1 設計態與運行態框架

ONAP架構主要包括設計態和運行態兩部分。設計態框架用于對平臺業務功能進行設計、定義和編程開發，運行態框架則用于執行設計態框架所設計開發的運營管理邏輯。

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

運行態框架包括業務實例下發和閉環控制兩大場景，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）、數據采集分析和事件觸發（2ata collection、analysis an2 events，DCAE）和策略（policy）等。

基于 ONAP設計態-運行態框架設計的云網操作系統，可實現業務設計、業務下發與用戶交互以及閉環自動化管理功能。業務設計開發人員主要在設計態實現云網新業務的設計開發。網絡運維人員基于閉環自動化管理功能實現智慧運營管理，同時基于隨愿引擎實現與用戶的交互感知。

4.2.2 云網“大腦”（閉環自動化）

隨著云網資源的不斷多樣化，其運營管理復雜度持續增加。云網“大腦”是云網操作系統中負責云網資源及運營信息采集、分析、處理、學習、預測和優化的一體化智能信息組件，是云網操作系統的“神經中樞”。通過應用包括人工智能、大數據在內的智能化技術，實現云網資源的統一管理、編排和運營，并進一步提升云網融合系統的自適應、自學習、自糾錯和自優化能力。

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

基于ONAP閉環自動化組件可實現云網“大腦”的主要功能。在DCAE模塊可實現網絡狀態的感知和監控，以及智能化分析預測功能。相關網絡故障檢測和自愈策略可存儲在policy組件中，觸發調取下發給 SO執行，進而由控制器完成相應故障修復工作。

4.2.3 云網切片（端到端切片）與編排控制

網絡切片基于不同的網絡參數屬性，將物理網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絡產品，滿足不同的業務場景需求。云網切片在網絡切片的基礎之上，將云資源的彈性、伸縮等特性與不同云網業務所需的差異化網絡需求進行整合，實現統一管理、編排和優化，進而實現云網資源的端到端切片應用，為云網“大腦”完成智能化操作運營奠定基礎。

云網切片需實現以下3方面的核心能力。

（1）統一編排是實現端到端云網切片應用的關鍵技術，需通過將客戶業務需求轉換為云網資源的調度需求，基于統一封裝抽象的虛擬云資源和網絡服務來實現。

（2）云網感知指通過對異構云網資源多樣化采集的方法，全面獲取客戶需求、云網業務和軟硬件資源的相關信息，實現對云網狀態和服務質量的全面量化感知。

（3）自主優化在云網感知和統一編排的基礎之上，根據業務服務質量要求以及云網資料狀態情況，實現云網切片對云網服務的自動化調整優化。作為編排運營系統，ONAP具備強大而統一的服務編排組件用于支持全域業務編排。同時，為支持單子域快速高效的網絡編排控制，根據功能差異，提供了多種不同的網絡功能控制器。SO負責最頂層的網絡管理編排工作，以及對下層控制器間的編排，主要包括理順控制器間的數據交互、幫助其根據指定流程和所需信息完成相應的動作。

目前ONAP發行版實現了基于3GPP規范的5G移動網絡端到端切片功能[12]。云網切片的概念尚未完成標準化工作，因此可借鑒5G承載網切片實現方案，結合云切片的設想，完成云網切片功能的設計開發工作。

4.3 端到端智能云網切片方案驗證

參考ONAP現有5G移動網絡端到端切片方案，本文提出了一種端到端智能云網切片方案，并建立了如圖3所示的閉環自動化保障流程。

圖3 云網操作系統閉環自動化流程

如圖3所示，在運行態網絡中，DCAE組件不斷從底層網絡中獲取實時網絡監控數據，并進行網絡性能預測分析。當預測現有云網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策略的方式對云網切片進行提前修改，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，從而提前調整云網資源以保障用戶需求。

在仿真驗證中，針對網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，查看并分析云網操作系統和云網運營系統的兩項指標。

如圖4所示，對于用戶10 ms時延需求，具備閉環自動化保障功能的智能切片可實現全時域的保障，而不具備閉環自動化保障功能的傳統云網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，具備閉環自動化保障功能的智能切片可實現接近100%的低抖動能力（＜±3），而傳統云網切片則不具備高可靠保障能力，抖動離散值較大。

圖5 云網切片瞬時抖動性能

對比具備閉環自動化保障功能的云網操作系統和不具備閉環自動化保障功能的傳統云網運營系統，可明顯觀察到云網操作系統的閉環自動化保障功能可實現對用戶需求的高可靠性保障。

5 結束語

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