基于大數據的自動生成擴容板卡方案研究與應用

班 瑞 華潤多 李 峙 王 鵬 耿書鵬

1.中訊郵電咨詢設計院有限公司

2.中國聯合網絡通信集團有限公司

3.北京航天航空大學

0 引言

隨著家庭寬帶和5G業務的快速發展，運營商數據網網絡設備承載的業務流量大大增加。為了保障業務的正常發展，需定期對網絡設備進行擴容，增加設備的處理能力，降低設備負荷。數據網網絡設備包括核心路由器和匯聚/接入路由器，其中匯聚/接入路由器雙上聯至核心路由器，擴容匯聚/接入路由器上聯鏈路時需保障對端核心路由器下聯端口滿足擴容需求或按需擴容。由于匯聚/接入路由器下聯網絡設備類型眾多，且下聯需求多為下聯網絡設備上報所得，不在本文討論范圍，即本文考慮匯聚/接入路由器上聯需求及核心路由器上聯、下聯需求。同時，網絡設備包含母卡、子卡和端口，因此擴容方案應包含以上內容的類型和數量。

1 現有板卡擴容方案存在的問題

現有板卡擴容方案是通過計算設備利用率，人工定義擴容閾值，當利用率高于閾值時，進行擴容；通過人工獲取板卡字典庫，根據專家經驗，確定板卡的類型和數量，擬定擴容方案。利用率計算公式：利用率=流量/網絡配置帶寬。

現有方案存在如下問題：（1）閾值通過人工方式定義，多為專家經驗判定，不夠精確；（2）選取板卡時需使用字典庫，字典庫需要個人通過人工方式定期維護和更新，易存在錯誤及版本老舊問題；（3）選取板卡類型和數量，強依賴專家經驗，各省市擴容時專家經驗不一致，部分經驗不夠準確。

2 自動生成擴容板卡方案設計思路

針對上述問題，提出通過如下方式解決：（1）基于網絡中全部設備歷史運行數據，通過大數據分析，計算設備利用率增長幅度，自動判定閾值，使其更精確；（2）基于網絡中全部設備和板卡，通過大數據分析其匹配關系，自動建立板卡字典庫，減少人工維護工作量，并解決因人工失誤導致的字典庫版本錯誤和老舊問題；（3）建立板卡推薦算法，統一全國各省市數據網網絡設備擴容算法和步驟，自動生成擴容方案，使其準確、通用。

3 數據網網絡結構介紹

數據網網絡設備包含兩個層級：匯聚/接入路由器層和核心路由器層，網路組織示意圖如下：一對核心路由器下聯多個匯聚/接入路由器，口字形上聯上層網絡（如圖1所示），或交叉型上聯上層網絡（如圖2所示）。匯聚/接入路由器下聯的多種設備，定義為下層網絡。上層網絡和下層網絡不在本文討論范疇內。

圖1 口字形上聯

圖2 交叉形上聯

圖2 基于復制的任務加速算法的體系結構

4 自動生成擴容板卡方案設計流程

4.1 總體流程

總體流程分為如下部分：（1）大數據分析擴容閾值；（2）板卡推薦算法實現；（3）篩選需要擴容的設備；（4）自動生成擴容板卡方案。

4.2 各環節詳細方案

4.2.1 大數據分析擴容閾值

本文目標是擴容“雙高”設備，即上聯帶寬利用率以及配置端口利用率均大于閾值的設備，因此需要確定帶寬利用率以及端口利用率的閾值。通過大數據分析全網設備歷史數據，逐臺設備分析其歷史帶寬和端口利用率的變化規律，最后選取能夠滿足全網設備的閾值，具體過程如下：

（1）為計算帶寬利用率閾值，對每一臺設備完成（2）～（4）步驟。

（2）因每個時間周期T都對全網設備生成擴容方案，可將該設備每周期T的數據作為一個分組，分別計算第i個周期Ti的流量峰值速率，記為MRmax-i。該峰值速率所對應時間的小時記為hi。

（3）提取該設備Ti-1且小時為hi的所有數據作為分組，計算該分組的平均流量值，記為MRavg-（i-1）。

（4）定義Ti的流量增長系數αi=MRmax-i/MRavg-（i-1），對歷史數據中所有月份計算完成后，定義該設備流量增長系數α=MAX（αi），i=0，1，2…n。

（5）對每臺設備計算α，取全網設備最大的α記為αmax。

（6）帶寬利用率閾值a=[100%/αmax*100]%。

上述步驟原理為帶寬利用率Br=最大流量速率Mr/配置帶寬B，即Br=Mr/B，假設不擴容，即B不變，Br與Mr成正比。因每周期T都會進行擴容，當預測下個周期的利用率低于100%，即可判定該設備本周期不需要擴容，因此計算歷史每個周期的流量增長系數，當歷史周期數量足夠，可假定本周期的流量增長系數不會超過歷史最大值。因Br與Mr成正比，利用率的增長系數也不會超過流量增長系數αmax，所以判定設備不需要擴容的閾值a*αmax應小于100%，可得出閾值a的計算公式。

同理，計算端口利用率閾值b，步驟如下：（1）對每一臺設備完成（2）、（3）步驟；（2）第i個月最后一天的使用端口數量，記為PUi；（3）定義第i個月的端口增長系數βi=PUi/PUi-1。定義該設備端口增長系數β= MAX（βi），i=0，1，2…n；（4）對每臺設備計算β，取全網設備最大的β記為βmax；（5）配置端口利用率閾值b=[100%/βmax*100]%。

4.2.2 板卡推薦算法實現

本文通過擴容板卡解決網絡設備利用率過高的問題。因現網板卡型號眾多，需要根據端口類型，推薦最優板卡（含母卡、子卡），生成擴容方案。

（1）建立設備、板卡關聯關系

基于大數據獲取網絡設備（核心路由器、匯聚/接入路由器）信息，分析每臺設備的設備、母卡包含關系，每個母卡的母卡、子卡包含關系，建立數據庫，數據庫中一條記錄代表一塊子卡或者母卡。其中設備對母卡是“一對多”關系，母卡對子卡是“一對多”關系。建立板卡關系時，只選擇實際處理業務的板卡，包含固定和靈活板卡。

（2）板卡評價體系實現

基于上述數據庫，統計出各型號板卡（子卡、母卡）的最新入網年份、板卡密度、板卡記錄條數、板卡類型，結合端口數據統計出板卡上端口的在線比例。根據專家經驗，評價各維度重要程度，對其打分和加權，計算每個型號的板卡得分。評價體系如表1所示。

表1 板卡評價體系表

總得分S=∑Si*Wi，Si為各維度的得分，Wi為對應權重。

（3）建立板卡推薦庫

對設備、板卡關聯關系表中的記錄進行評價打分，并按設備廠家、設備平臺能力、板卡承載端口類型進行分組，選出每組得分最高的子卡或母卡型號，建立板卡推薦數據庫，描述如表2所示。

表2 板卡推薦庫描述表

4.2.3 篩選需要擴容的設備

（1）“雙高”路由器定義

“雙高”路由器定義為上聯帶寬利用率＞閾值a，配置端口利用率＞閾值b的路由器設備。其中，上聯帶寬利用率記為Rb；上聯方向流量速率記為M；上聯配置端口帶寬記為B；配置端口利用率記為Rp；某類型已使用端口數量記為Ui，該類型配置的端口數量記為Mi，該類型端口能力記為Ai。

Rb=M/B；

Rp=∑（Ui*Ai）/∑（Mi*Ai），i∈該設備端口類型集合；

因此“雙高”路由器定義為Rb＞a & Rp＞b的路由器。

（2）篩選“雙高”設備流程

篩選雙高核心、匯聚/接入路由器，主要流程：（1）遍歷所有數據網網絡設備，對每一臺設備進行下述操作。（2）獲取該設備類型，如果是匯聚/接入路由器，則將同局址所有匯聚/接入路由器作為整體；如果是核心路由器，則將該核心路由器所在的一對核心路由器作為整體。（3）對該整體計算上聯帶寬利用率和端口配置利用率，與閾值a和b比較。（4）判斷是否是雙高設備，并加入雙高設備列表。

對下一個設備進行（2）～（4）步驟，直至所有設備判斷完畢。

4.2.4 自動生成擴容板卡方案

本文主要針對匯聚/接入路由器以及核心路由器進行擴容，其網絡組織關系見上文數據網組網結構。

匯聚/接入路由器擴容上聯鏈路后，需考慮其對端核心路由器能否滿足需求，因此擴容匯聚/接入路由器流程與擴容核心路由器流程不一致，且有先后順序，本文將分別闡述。

（1）匯聚/接入路由器擴容方案

①按照上文“雙高”路由器定義，篩選出“雙高”匯聚/接入路由器列表。

②遍歷該列表，對每一個設備進行下述流程。

③根據運維要求，匯聚/接入路由器設備鏈路不能捆綁，即所有上聯鏈路端口類型需一致。因此獲取當前設備現有上聯鏈路端口類型，作為需擴容的端口類型。可通過對端設備類型為核心路由器，判斷該端口為上聯端口。

④按照設備平臺能力、廠家、需擴容端口類型，從上文板卡推薦庫中獲取可擴容板卡序列，因端口可能由子卡承載也可能由母卡直接承載，序列中包含1塊子卡+1塊母卡或1塊直接承載端口的母卡。

⑤序列中只有母卡則擴母卡；序列中為子卡+母卡，則先擴一塊子卡后，根據該設備是否有可用空余子槽位，判斷是否需要擴母卡。

⑥根據不同容災方案要求，分為一次至少擴兩塊板卡和一次擴一塊板卡。

⑦擴容1或2個板卡序列后，重新判斷該設備是否為“雙高”設備，如是，則繼續擴容一個板卡序列，至該設備不是“雙高”設備。

⑧輸出該匯聚/接入路由器擴容方案。

⑨計算使上聯帶寬利用率＜閾值a和配置端口利用率＜閾值b所需擴容的實際端口數量，并向上取2的整數倍（因匯聚/接入路由器上聯一對核心路由器），將該匯聚/接入路由器擴容端口數量和類型平均加入到其上聯的一對核心路由器下聯擴容需求中。

⑩重復以上流程，直到所有雙高匯聚/接入路由器生成擴容方案。

（2）核心路由器擴容方案實現

核心路由器擴容分為因匯聚/接入路由器擴容上聯帶來的下聯擴容需求，以及“雙高”核心路由器的上聯擴容需求，因此核心路由器擴容流程分為兩步，且下聯需求必須滿足，滿足后端口配置變化，再計算是否是“雙高”核心路由器。

①首先獲取核心路由器下聯擴容需求，逐個核心路由器對需求匯總處理，則核心路由器的下聯需求可能包含多種端口類型。

②分別獲取該核心路由器下聯需求的每一種端口類型和數量，進行后續擴容操作。每次按一個端口考慮。

③判斷該核心路由器是否有該類型多余可用端口，數量是否滿足，計算數量時需要保證配置端口利用率不能超過閾值b。如不滿足，則需擴容。

④根據該核心路由器平臺能力、廠家、擴容端口類型，從上文板卡推薦庫中獲取可擴容板卡序列，同匯聚/接入路由器，該序列可能為子卡+母卡或只有母卡。

⑤按照運維要求，核心路由器不涉及容災問題，則每次只擴容1塊子卡或母卡。

⑥循環并依此處理該端口類型中所有端口的數量需求、該核心路由器所有端口類型的需求、所有核心路由器的需求，直到所有核心路由器下聯需求被滿足。

至此，匯聚/接入路由器擴容帶來的核心路由器下聯擴容需求處理完成。

擴容核心路由器上聯需求與擴容匯聚/接入路由器上聯需求方法類似，不再贅述。

5 結束語

本文提出的數據網自動生成擴容板卡方案，解決了網絡擴容需求，向網絡自動化邁進了一步。經驗證，本系統適用于現網所有設備。定期使用本系統，可以篩選現網高負荷網絡設備，自動生成板卡擴容方案，實現網絡的快速擴容，降低網絡負荷，提升業務保障。