面向6G的新型可編程網絡架構研究

王旭亮，全碩，劉增義，章軍

面向6G的新型可編程網絡架構研究

王旭亮，全碩，劉增義，章軍

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

從業界對6G網絡的多種業務場景入手，深入分析了各種業務場景中對6G網絡設備所需要的動態網絡能力調整需求。提出了一種具備根據網絡狀態管理進行閉環自優化特點的可編程網絡平臺架構。通過該架構設計可以最大化利用與SDN、NFV以及網絡AI相關的已有技術體系，同時可以讓網絡管理者基于網絡狀態聲明的方式進行網絡的生命周期管理。該平臺設計在未來可以為數字孿生網絡以及隨愿網絡提供一種新的技術實現思路和方法。

6G；可編程網絡；軟件定義網絡

1 引言

6G網絡將構建橫跨天地的網絡連接，實現從人口覆蓋走向地理全覆蓋，進一步驅動產業技術和生產方式向跨界協同和智能互聯方向邁進。6G應用場景將比5G更為廣泛，將傳統的eMBB、mMTC、uRLLC場景進行融合[1]，將涵蓋極高吞吐量和極低時延需求的全息通信及擴展現實體驗；超高實時性及可靠性需求的人體數字孿生；超高移動性及全覆蓋需求的空中高速上網；智能超連通性、內生智能以及安全需求的新型智慧城市；基于AI自主運行需求的聯網無人駕駛；超高帶寬、超低時延和超可靠等需求的高精度智能工業；全覆蓋需求的全域應急通信搶險等。以上所有對6G網絡的指標要求都需要通過網絡設備具體實現，可編程網絡作為6G網絡的三大關鍵能力技術之一[2]，是滿足上述網絡指標的關鍵技術。通過網絡可編程技術可以把超大帶寬、超低時延以及超大并發與可靠性的具體指標組合技術要求，通過網絡可編程的技術[3]把上述指標組合通過逐層拆解和建模的方式下發到網絡的控制面與轉發面設備中，從而實現6G端到端網絡對上述應用的綜合承載。

6G可編程網絡最終是為數字孿生的網絡自治體系服務的[4]。數字孿生技術是指通過數字化手段將物理世界實體在數字世界建立一個虛擬實體，借此實現對物理世界實體實現動態觀察、分析、仿真、控制與優化。數字孿生網絡技術包括功能需求建模、網元建模、網絡建模、網絡仿真、參數與性能模型閉環優化、自動化測試、數據采集、大數據處理、數據分析、機器學習、故障預測以及拓撲與路由調優等，從而把網絡每個階段遇到的難題轉換到數字世界求解，通過監控、預測、優化、仿真實現網絡的自治能力。其中，在網絡建模、網元建模、參數與性能模型閉環優化以及拓撲與路由調優等環節都需要可編程網絡技術實現對相關模型與參數偏差的自我調整。例如，通過數字孿生建立一個虛擬的自優化網絡環境實現對未來網絡狀態的走勢提前預測，對可能發生的性能劣化提前干預，同時該數字孿生網絡持續地對物理網絡的最優狀態進行優化和仿真驗證，提前下發對應的運維操作自動地對物理網絡進行校正。自優化網絡首先基于人工智能對網絡功能的演進路徑進行分析和決策，包括既有網絡功能的優化增強和新功能的設計、實現、驗證和實施。

6G可編程網絡可以實現數字孿生網絡對網絡業務模型、網元模型、網絡狀態感知、網絡資源動態調整以及網絡故障快速處理，是連接數字孿生網絡與現實網絡的重要橋梁。6G可編程網絡包括網絡業務模型的可編程、各類網元設備的可編程、端到端網絡狀態精確感知、網絡資源的動態調整以及網絡故障的快速定位與處理。網絡業務模型的可編程是通過網絡功能虛擬化編排器（network function virtualization orchestrator，NFVO）承載和實現的。網元設備的可編程包括控制面的可編程以及轉發面的可編程。網元控制面可編程主要由軟件定義網絡（software defined network，SDN）控制器實現，SDN控制器接收到NFVO的業務編排指令后，會把相應的網絡配置、拓撲配置、路由配置、運維策略等參數下發到已注冊到該控制器的網元設備上。其中，虛擬網元的場景還需要NFVO配合虛擬網絡功能管理器（virtual network function manager，VNFM）和虛擬基礎設施管理器（virtual infrastructure manager，VIM）完成其創建和初始化過程[5]。網元設備轉發面的可編程分為兩種情況：第一，虛擬網元設備主要承載在x86芯片和ARM芯片平臺上，以開源設備FD.io里的矢量包處理機（vector packet processor，VPP）為例，主要是通過開發相應芯片的驅動程序實現對芯片SDK的調度，從而實現對數據包的各類轉發操作；第二，物理網絡設備，即白盒交換機，主要是通過設備廠商或第三方開發應用驅動程序調度可編程交換芯片[6]在硬件平臺實現數據包轉發流水線的定制化開發。端到端網絡狀態精確感知當前主要依賴Telemetry技術[7]對端到端的網絡設備進行逐個的狀態數據采集。虛擬網絡資源的動態調整依賴NFV MANO技術，物理網絡資源的調整依賴SDN控制器根據業務負載進行多設備間的流量調度。網絡故障定位與處理可以通過SDN控制器實現，更多的情況下仍需要大量依賴網元設備廠商提供的網關系統實現。

為了系統化地實現6G網絡的可編程網絡總體目標，本文提出一個對網絡全要素具備靈活感知、由真實網絡狀態模型驅動、可實現全自動閉環控制的可編程網絡整體架構。該架構包括三大部分內容：第一，目標網絡狀態聲明和當前網絡真實狀態。通過循環比較這兩個狀態的信息，實現可編程網絡的全自動閉環控制。目標網絡狀態由管理員手動填寫模板生成或由數字孿生模擬系統下發，當前網絡真實狀態由可編程網絡管控系統根據當前網絡的狀態數據動態生成。第二，可編程網絡的管控系統包括4個基本模塊，負責把當前網絡狀態調整到目標網絡狀態，分別為網絡業務編排器、網絡控制器、網絡狀態采集器以及網絡故障分析與處理器。第三，各類網元設備，主要包括虛擬網元設備和物理網元設備。

通過本文在網絡全要素感知、網絡狀態模型驅動以及全自動閉環控制的可編程網絡框架方面的研究探索，希望在6G網絡架構設計與關鍵技術探索等方面提供技術參考。

2 相關研究

本文提出的面向聲明式的目標網絡狀態，由可編程網絡框架中的多組件互相配合實現的思想借鑒了部分云原生技術中的聲明式應用程序接口（application programming interface，API）的理念，同時考慮到業界也有相關的研究成果，下面將通過舉例類比的方式，分析本研究與其他相關研究的區別。

NetEgg[8]是一種面向網絡管理員期望策略由SDN控制器自動化生成網絡控制策略的編程框架。該文重點介紹了在防火墻場景中，根據管理員提出的網絡訪問控制策略由控制器自動生成防火墻相應配置代碼并配置下發的全實現流程。這與本文提出的根據網絡目標狀態，通過可編程的方式實現網絡自治的目標是有一定關聯性的，但是NetEgg更側重于某個管理員期望的具體網絡行為如何轉化為網元的具體配置命令，且屬于一種不具備閉環自動化的代碼生成工具，相比本文提到的可編程網絡平臺在端到端網絡服務層面進行網絡自治存在較大的差異。

YANG認為，為了可編程開發無數個面向特定領域的網絡控制器[9]，不如在已有的各類控制器之上做統一的能力擴展。提出在多種控制器系統之上建立一個分布式的抽象文件系統，通過該文件系統把網絡的配置和狀態通過文件的形式提供給上層應用（用戶空間進程、cron作業、命令行實用程序等）讀寫調用。從而讓研究者投入更多的精力到上層的高價值應用開發上。本文提出的可編程框架中，為了進一步擺脫以Netconf/YANG等傳統網絡的束縛，最大化挖掘可編程網絡的維度和潛力，控制器與虛擬網元之間也采用基于數據庫文件方式的管理方式。通過在虛擬網元轉發面與控制器之間編寫NoSQL數據庫文件進一步提升控制器對集群化的虛擬網元并發管理能力以及管控指令的執行效率等。

本文提出的可編程網絡框架與平臺與業界的意圖網絡存在一定的聯系，但側重于不同的領域。根據最新的關于意圖網絡的調研[10]，在過去的十年時間內業界主要通過深度學習的相關技術試圖進一步推進意圖網絡在意圖定義、意圖分解、意圖建模以及意圖執行等方面的學術意義上的進展。本文提到的可編程網絡框架只需要網絡管理員通過模板人工填寫或由意圖網絡給出一個聲明式的意圖網絡目標描述。可編程網絡框架的總體控制器會協調不同控制模塊以及這些控制模塊間接控制的網元設備把網絡初始化，并持續調整真實網絡狀態到期望的目標網絡狀態，因此可編程網絡可以為意圖網絡服務，但不必然屬于意圖網絡自身的一部分。按照當前技術成熟度和產業關注度來看，6G是可編程網絡的一個重要應用領域，且可編程網絡的技術理論已經相對完備，目前比較缺乏整體性的原型試驗驗證可編程網絡的理論完備性和工業方面的可行性。

3 新型可編程網絡架構

本文提出的面向6G的新型可編程網絡架構借鑒了云原生領域關于聲明式API的設計思想。網絡管理員只需要一定的格式定義期望的網絡狀態聲明，由可編程網絡平臺自動化閉環迭代控制真實網絡系統實現上述狀態。通過該可編程網絡平臺，能夠快速實現網絡按需編排、部署、資源彈性伸縮、動態路由規劃與下發、網絡故障自動發現與修復，使能6G網絡滿足多種業務網絡承載需求。

可編程網絡平臺的整體架構如圖1所示，包括目標網絡狀態聲明、實際網絡狀態、網元編排器、網絡控制器、網絡監控器、故障分析處理器、網元設備等模塊。可編程網絡平臺接收到目標網絡狀態聲明通過閉環自優化機制協調網元編排器和網絡控制器管理網元設備、網絡鏈路的生命周期及配置，協調網絡監控器和故障分析處理器實時監控網絡運行狀態并進行故障處理和優化，協同網元設備完成數據的轉發，使網絡的真實狀態和目標網絡狀態聲明始終保持一致。

可編程網絡平臺最核心的部分來源于網絡服務的閉環自優化機制。網絡服務閉環自優化機制架構如圖2所示，該機制分為4個層級，分別是網絡服務狀態管理層、協調與控制服務抽象層、協調與控制服務執行層以及網元轉發設備層。網絡服務狀態管理層的目標是驅動實際網絡服務狀態不間斷地向目標網絡服務狀態過渡。協調與控制服務抽象層的目標是根據網絡服務狀態自優化控制器的指令，把一個網絡服務整體拆分為網絡資源、網絡資源關系以及網絡優化策略，分別由3類控制器負責具體的執行。協調與控制服務執行層的目標是根據抽象層的指令，由網元編排器實現物理網元和虛擬網元的生命周期管理，由網絡控制器實現網絡鏈路的生命周期管理，由網絡監控器實現對網元設備和網絡鏈路的實時監控、觸發并上報網絡故障告警以及對網絡調優結果進行反饋，由故障分析處理器根據抽象層事先定義的網絡故障與調優處理策略進行相關故障和調優處理。網元轉發設備層主要是指支持可編程交換芯片的白盒物理轉發設備以及基于虛擬機或容器的虛擬網絡轉發設備。

圖1 可編程網絡平臺的整體架構

3.1 網絡服務狀態管理層

可編程網絡平臺會根據網絡管理員聲明的網絡狀態自動化地指導并調整真實網絡狀態，即系統會周期性地對比網絡服務的實際狀態和預期狀態，自動調整網絡服務向預期狀態過渡，從而保證網絡服務狀態的最終一致性。在這一過程中，網絡服務狀態自優化控制器起到了管理網絡服務狀態和過渡過程的關鍵作用。

圖2 網絡服務閉環自優化機制架構

網絡服務狀態自優化控制器定義了一個框架，根據具體的功能可以再劃分為網絡資源控制器、網絡資源關系控制器、網絡優化策略控制器等，當需要增加新的控制器時，只需要按照網絡服務狀態自優化控制器定義的流程和規范實現對應的接口，即可將控制器納入框架。網絡服務狀態自優化控制器處理流程如圖3所示，主要包括以下幾個步驟。

圖3 網絡服務狀態自優化控制器處理流程

（1）網絡服務初始化時，控制器對服務配置進行校驗，并記錄網絡服務的配置和預期狀態。

（2）經過校驗后，網絡服務進行實際的部署操作，控制器對操作結果及狀態進行數據持久化。

（3）控制器啟動監聽服務，定時同步網絡服務的實時狀態。

（4）控制器將網絡服務的實時適配及狀態進行數據持久化，更新實時數據。

（5）當網絡服務數據持久化中的狀態發生變化時，控制器接收狀態變更的通知。

（6）控制器根據網絡服務當前狀態和預期狀態，判斷網絡服務部署的調整策略，使網絡服務逐漸達到預期狀態。

在以上各步驟中，網絡服務狀態自優化控制器僅定義各個階段的接口規范，而不定義具體的參數及實現，這種開放式的設計提高了控制器的可擴展性。

3.2 協調與控制服務抽象層

為了實現網絡的聲明式特性，關鍵的一環就是網絡資源的抽象化和模板化，將網絡資源的配置、關聯關系、運行狀態等通過統一、規范的語言描述，從而達到整體網絡可編程的效果。在本文提出的可編程網絡框架中，將網絡抽象為3種資源：節點、關系和策略。

“節點”是網絡資源實體的抽象，包含多種類型。它可以是一臺物理交換機、一個虛擬網元，甚至任何暴露操作接口的黑盒設備，可以通過更改“節點”的狀態部署和更改網絡業務。“節點”通過以下關鍵屬性描述和操作底層設備。

· 配置：每種類型的節點都有各自的配置，用于對節點進行操作。例如，交換機節點具有“管理IP地址”這樣的配置。

· 生命周期：節點從創建到銷毀的狀態變化過程，一般包括創建、實例化、更新、自愈、銷毀等，節點根據實際業務可以自定義生命周期及其實現方式。

· 控制器：節點在生命周期操作中會發生狀態的改變，控制器用于維護節點的狀態變化過程，保證節點狀態符合預期。

“關系”是網絡拓撲和業務邏輯的抽象，用于描述節點與節點之間的依賴關系、業務操作的先后順序等。網絡業務的下發通常涉及多個物理或虛擬網元及鏈路，僅通過節點難以定義這種稍微復雜的業務場景。引入“關系”后，可以實現節點拓撲的描述、節點依賴關系的維護、節點之間的參數傳遞。此外，還可以根據實際業務自定義關系，例如，自定義一個納管關系，在網絡設備實例化后將設備連接到對應的管理系統并提交設備信息。

“策略”是針對一組節點在滿足指定條件時執行的操作，用于節點控制的自動化。對于需要根據實際運行情況而調整的業務，通過節點和關系無法定義其調整邏輯，策略的引入可以解決這類問題。策略包含目標節點、觸發條件、執行動作3個要素，通過三要素的組合可以實現諸如網絡糾錯、網絡自動調優等自動化和智能化的業務。

基于以上3個基本元素，可以將任意網絡服務拆解成節點、關系、策略的組合，即服務模板。系統通過服務模板描述、操作和維護實際的網絡服務，從而實現網絡服務的可編程。

3.3 協調與控制服務執行層

網絡資源經過模板化定義后，在協調與控制服務執行層完成指令的具體執行操作，使網絡的實際狀態達到聲明狀態。協調與控制服務執行層主要分為4個模塊，分別是網元編排器、網絡控制器、網絡監控器和故障分析處理器。

（1）網元編排器

網元編排器實現了物理網元和虛擬網元設備的生命周期管理，包括網元資源的創建、分配、回收、銷毀等，根據協調與控制服務抽象層中網元資源以及網元資源關系的聲明情況，按照順序執行相應的操作。

網元資源的創建：對于物理網元主要是將其納管，可以分配給用戶使用；對于虛擬網元，需要根據資源需求、網元與虛擬機的親和性與反親和性關系、優先級等調度策略，選擇物理機/虛擬機節點創建。

網元資源的分配：如果是共享網元資源聲明，則根據聲明中網元資源的要求以及可編程網絡平臺各共享網元的負載情況，按照一定的編排策略分配資源；如果是獨享網元資源聲明，則按需創建后分配。

網元資源的回收：將運行在網元上的網絡業務刪除，釋放資源；如果是獨享網元資源，在終止業務后，還需要進行資源的銷毀。

網元資源的銷毀：對于物理網元將其從資源可用列表刪除；對于虛擬網元，刪除網元并將資源歸還給物理機/虛擬機。

（2）網絡控制器

網絡控制器實現網絡鏈路的生命周期管理。根據協調與控制服務抽象層定義的網絡鏈路資源以及相關連接依賴包含關系，依次給網元設備下發配置，完成網絡鏈路的創建、更新、優化、刪除等。網絡控制器架構如圖4所示，分為3個層級：北向API層、控制層和南向下發層。

圖4 網絡控制器架構

北向API接收業務編排器下發的業務請求；控制層包含內置應用、數據共享和邏輯抽象模塊，內置應用模塊負責將網絡業務請求分解成二層、三層網絡服務對象，并進行拓撲連接、路徑計算等基礎網絡管理。數據共享模塊通過定義標準化的數據結構、數據模型，使其在不同協議、不同網絡設備間實現數據共享。抽象邏輯模塊實現南向接口層和北向數據共享層之間的解耦，保證設備的適配和數據的建模可以獨立演進，互不影響；南向下發層主要將網元設備能理解的配置和表項下發到網元設備。

（3）網絡監控器

網絡監控器通過采集網元設備、網絡鏈路、網絡流量等關鍵指標、告警、日志數據，實時監控當前網絡的運行狀態，在出現故障時能及時觸發報警機制及事件響應，將其反饋到網絡故障分析處理器，保證故障的快速解決和網絡狀態的快速恢復，是實現可編程網絡平臺自愈自治能力的基礎。同時，網絡監控器把網元設備、網絡鏈路等資源的使用情況實時反饋給網絡編排控制器，為網絡編排器進行資源編排、網絡控制器實現配置下發提供依據。

（4）故障分析處理器

網絡故障分析處理器是實現網絡服務閉環自優化機制的關鍵模塊。根據協調與控制服務抽象層預先定義的網絡糾錯和調優策略，在發生網絡故障時，能夠快速進行故障處理和優化，使網絡服務逐漸回到預期狀態。

上述策略可以根據故障節點的配置迅速拉起一個新的節點替代故障節點工作，也可以利用AI大數據技術，通過自動化智能化運維的方式快速解決故障。

3.4 網元轉發設備層

網元轉發設備層主要指物理網元和虛擬網元設備。物理網元設備是指基于可編程交換芯片的白盒設備[11]，優點是能夠保證超高的吞吐量和網絡轉發速度，缺點是不夠靈活、過度依賴硬件廠商；虛擬網元設備是指在ARM或x86服務器平臺上用虛擬機或容器的形態部署的虛擬網絡功能[12]。通過虛擬化的方式把網元軟件功能與具體部署所需要的物理硬件平臺解耦，可以實現快速部署、彈性擴展、業務單元的可編程迭代以及多個功能單元的靈活編排等特性。

雖然虛擬網元網絡擁有上述諸多的優勢，但是相比傳統的硬件網絡設備在單個設備轉發性能、專業硬件級可靠性能力以及設備長時間穩定性等方面仍然存在較大的差距，這也是長期阻礙虛擬網元實現大規模商用部署的關鍵因素。針對虛擬網元設備在性能、可靠性、穩定性方面的劣勢，通過本文提出的可編程網絡平臺，利用統一的網元管控面高并發分布式數據庫、虛擬網元集群化部署以及按需預配置的不同業務單元的多副本機制不僅可以彌補一般虛擬網元的劣勢，還可以實現虛擬網元的高性能、高可靠以及高穩定的電信級指標要求。

網元轉發設備層的整體架構如圖5所示，由虛擬網元集群和分布式數據庫組成。虛擬網元集群根據虛擬網元和代理的承載方式可以分為虛機集群和容器集群，其中，虛擬網元負責數據包的轉發，代理負責編程數據平面網絡功能；分布式數據庫用于實現配置的持久化存儲。當控制器下發配置時不直接調用虛擬網元的北向API，而是寫入分布式數據庫中，代理通過實時監聽分布式數據庫發現配置的改動，將最新配置應用到虛擬網元，實現配置的下發。

上述架構通過引入分布式數據庫，進一步解耦控制面和數據的數據模型語言約束（如YANG模型），簡化了控制器管理虛擬網元的方式，提升了管控指令的執行效率和運維效率。當網元因故障、負載需要遷移、擴容時，可以根據數據庫中持久化存儲的配置內容快速拉起虛擬網元實例，提高轉發層的可用性和穩定性；同時，利用虛擬網元集群化部署帶來的彈性伸縮、靈活部署等特點，結合分布式數據庫高并發特性，通過多實例的方式提高轉發層的整體轉發性能，通過多副本的方式提高網元的可靠性。

圖5 網元轉發設備層的整體架構

4 結束語

本文從當前業界提出的6G網絡目標場景入手，根據上各種場景中對6G網絡多維度的動態實現需求出發，提出了一種面向網絡狀態管理具備閉環自優化能力的可編程網絡平臺架構整體設計方案，基于此平臺研發的網絡設備更容易滿足未來對6G網絡設備多維度網絡指標的要求。經過初步邏輯推理論證，該平臺除了有效地整合SDN、NFV以及網絡智能化運維的能力之外，基于云原生聲明式狀態管理的理念，使用面向網絡狀態的管理方式驅動網絡的閉環自優化處理，使能未來6G網絡的編排與實現具備復雜系統內多維度協調、自動化調整以及自我進化的能力。

未來筆者會根據這套可編程網絡平臺的設計理念，深入探索并實現相應的原型系統。結合運營商在邊緣計算、物聯網以及家庭云方面的場景化需求，驗證并補足可編程網絡的設計與方法。在可預計的未來希望這套可編程網絡平臺可以為隨愿網絡以及數字孿生網絡提供網絡可編程服務。

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Research on architecture of novel programmable networks for 6G

WANG Xuliang, QUAN Shuo, LIU Zengyi, ZHANG Jun

Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China

Starting from the industry’s various business scenarios for 6G networks, and the dynamic network capability adjustment requirements for 6G network equipment were deeply analyzed. A programmable network platform architecture with the characteristics of closed-loop self-optimization based on network state management was proposed. Through this architecture design, the existing technology systems related to SDN, NFV, and network AI can be maximized and network administrators can perform network lifecycle management based on network status statements. This platform can provide a new technical realization idea and method for the digital twin network and on-demand network in the future.

6G, programmable network, software defined network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021266

2021?10?20；

2021?12?10

王旭亮（1986?），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為云網融合、云數據中心網絡和邊緣計算等。

全碩（1991? ），男，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為云網融合、云計算與大數據和云網運營等。

劉增義（1992? ），男，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為邊緣計算、云網融合。

章軍（1973? ），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為云網融合技術、5G運營管理、5G無線控制器技術、邊緣計算。