意圖感知網絡助力物聯網發展

郄雅坤，李 源，丁 郁，張春天

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引 言

數字經濟的演變是不可阻擋的潮流，網絡在其中居于核心地位。隨著有線、無線、云化網絡和物聯網的快速發展，全數字化應用正在以前所未有的速度改變整個世界，網絡規模不斷擴大，網絡流量迅速增長，網絡管理變得復雜且易出錯。為了支持業務的敏捷性，網絡需從一個靜態資源系統演變成為一個能一如既往地滿足商業目標的動態系統，一種新興的網絡范式—意圖感知網絡（Intent-Based Networking,IBN）應運而生。

自2013年起，產業界和學術界先后制定了多項IBN相關標準，發表了多篇學術論文，推動了IBN相關研究的快速發展，使其逐漸成為近年來的研究熱點。目前國內外已有不少公司在IBN這一領域開展研究，包括華為、思科、中興等等，希望未來IBN的進一步發展將能夠檢測并自動解決各類網絡問題，實現更多的廠商集成，使所有用戶都能夠更輕松地進行網絡編程。

本文針對意圖感知網絡基礎概念、關鍵技術、產業進展等方面進行深入分析，借鑒其網絡自動化的理念，將其概念從網絡層面拓展至業務層面，以實現一種由業務意圖策略驅動且自運行的網絡，打破商業與網絡之間的鴻溝，將用戶的業務意圖轉換為網絡可執行操作的路徑。

1 基礎概念

網絡的發展總伴隨著新技術的應用，五年前數據中心為Ethernet Fabrics，后來演變為SDN（Software Defined Netrork），再后來是SD-WAN。隨著SD-WAN的不斷發展，基于意圖的網絡成為網絡領域最新的風向。

IBN和SDN有很多相似之處，從架構上看， IBN可以視為SDN概念的延伸，且可以進一步改善網絡自動化和復雜性等問題。IBN系統的自動化運行圍繞“意圖”進行，在意圖的驅動下，用戶不必直接輸入策略指令，只需輸入所需的業務意圖后，IBN即可自動翻譯意圖并實時監測網絡狀態是否與業務意圖預期的狀態匹配。而SDN的本質是使用集中式控制器來驅動整個網絡，意圖接口只是一個應用。因此，IBN可以看作是更高級、智能的SDN。

2013年，IFIP（International Federation for Information Processing）會議首次提到了意圖驅動網絡管理的概念。2015 年， ONF（Open Networking Foundation）北向接口工作組發布的一篇標準草案闡述了IBN的基本思想。隨后在2016年，ONF發布白皮書，描述了基于意圖的北向接口的范式以及基本實現結構。同年，一些硅谷創業公司推出了部分IBN產品，并獲得了超過1 000萬美元的啟動資金。2017年，思科發布的白皮書中也指出，通過IBN，網絡團隊可以用簡明的語言描述想要完成的工作（意圖），網絡能夠將此意圖轉化為眾多策略并自動下發執行。同年，Gartner發布的報告中，也定義了IBN應該具備的4種能力：轉譯和驗證、自動下發與執行策略、網絡狀態的察覺、精確診斷以及動態優化和補救，并預測 IBN 是網絡領域的下一件大事。

總的來說，IBN可以定義為：以“意圖”作為核心驅動網絡運行，為系統提供全生命周期的管理，是一種實現自動搭建和操作的閉環網絡架構。IBN可根據用戶意圖完成自動轉換、驗證、部署、配置和優化，以達到目標網絡狀態，并自動調整網絡策略，保證網絡狀態能夠始終與用戶意圖統一。

2 關鍵技術

IBN是可編程的、可定制的自動化網絡，需要使用意圖識別、網絡遙測和閉環優化等技術實現IBN網絡的全生命周期管理。

2.1 意圖識別

在IBN中，意圖發起者可以顯式或隱式地告訴網絡其意圖。無論使用哪種方法，網絡都需要理解意圖并將其轉化為特定的表達方式，在意圖尚未生效前都可以進行靈活修改。意圖識別的目標是將描述中的網絡需求或任務轉譯為可被網絡識別的語言，具體流程包括意圖描述、意圖轉譯等環節。

意圖的描述主要使用意圖原語的定義規則和自然語言處理算法等。意圖原語可被定義為：＜領域、屬性、對象、操作、結果＞。

領域：確定服務范圍，形式化屬性、操作、對象的功能領域。

屬性：描述字段的特定特征。

對象：面向客戶的節點、管理員的連接和服務流。

操作：描述用戶的預期行為，可以用條件、動作和約束的模式表達。

結果：描述用戶想要達到的狀態，可以用“期望達到某個狀態”或“避免達到某個狀態”等子句表達。

文獻[6]中提出，用戶的意圖請求可被定義為一種描述性語言，例如“Build a connection to a high performance computing center”。意圖描述會被長短時記憶（LSTM）分成幾個關鍵字。然后它將根據關鍵字提取的結果在知識庫中尋找匹配的配置參數，例如“Build”翻譯成用戶源地址“0.0.0.0.1”，“high-performance computing center”翻譯成服務器地址“0.0.0.0.2”，“connection”翻譯成相應的通信需求。之后將其呈現為OpenFlow規則，以生成配置策略。

文獻[7]中提出了一種網絡意圖識別的方法。通過智能語音機器人界面采集意圖，利用神經網絡學習模型提取自然語言表達的用戶意圖。在意圖重整的過程中，使用尼羅河語言將意圖轉化為網絡策略。意圖識別系統引入了反饋機制，有效提高了意圖識別的準確率。

文獻[8]中提出用戶意圖的轉譯目前主要使用自然語言處理、機器推理等方法。提取用戶意圖中的關鍵字，進行詞法分析、語義挖掘等操作，去掉無效信息，從而獲得用戶期望的網絡運行狀態，并使用智能化的方法生成網絡策略。

2.2 網絡遙測

完成意圖識別后得到網絡策略，在策略下發前對策略進行可執行性驗證，系統根據網絡控制并調整網絡配置以滿足意圖目標。因此，對網絡狀態的感知必不可少。通過遙測和機器學習，最終實現可視化運維和智能決策。

文獻[9]中主要考慮資源的可用性、策略的沖突以及策略的正確性，對當前網絡狀態進行感知，維護網絡狀態信息數據庫。在策略下發之前，查看當前策略所需的網絡資源是否可用、是否足夠，實現資源可用性的驗證。如果檢測到待下發策略與網絡當前策略存在沖突，可采用設置優先級的方法來消除一些優先級低的策略。

文獻[10]中提出創建一個統一的遙測數據平面，以可編程方式收集網絡中的遙測數據，并在數據包和網絡遙測數據之間建立鏈接。引入網絡遙測，使設備主動推送狀態信息，實現端到端的網絡流量實時可視化，以解決傳統網絡監控方法無法觀察到的問題，如時延、轉發路徑、緩存、丟包等。通過進一步的數據分析，建立數字化模型，為網絡運維提供整體解決方案和必要的技術支持。

2.3 閉環反饋優化

意圖下發后根據網絡反饋，推斷網絡配置與輸入意圖之間的差距，不斷進行閉環系統調整，增強學習模式，調整網絡配置，最終滿足業務意圖。

文獻[11]使用基于意圖的控制回路來保證視頻服務的QoS，使用IBN定義網絡行為，動態實時配置網絡以滿足服務需求。該方法基于網絡對視頻流量進行路由，并成功提高了QoS。閉環反饋控制可對比系統行為（輸出）與預期行為之間的偏差，并消除偏差以實現所需的系統性能，是IBN運行過程中必不可少的環節。

3 IBN產業進展

IBN可以為網絡管理與維護帶來極大方便，并降低各公司或者網絡運營商的運營成本。IBN將最先應用于具有大規模或超大規模數據中心網絡的客戶中，包括大型企業用戶、大型公有云/行業云服務提供商、電信運營商，金融、能源、制造等行業，多為具有大量行業數據和應用系統需求的企業用戶。全球已有很多公司開始進行意圖網絡的研究，如華為、思科、中興等國內外知名企業，并已有一些初步產品。

3.1 華為

華為推出了意圖驅動的智簡網絡（Intent-Driven Network,IDN）解決方案，旨在構筑一個全生命周期自動化、智能運維、面向商業邏輯和意圖閉環的新一代網絡，實現網絡自身的數字化轉型，最終走向自動駕駛網絡。

華為智簡網絡架構包括商業意圖、數字孿生的網絡平臺以及極簡超寬的云化網絡基礎設施，以用戶的商業邏輯和業務策略意圖為驅動，在物理網絡和商業意圖之間構建一個數字孿生世界，通過引入AI技術，實現從被動運維到主動運維，對網絡進行預測性分析，提前識別網絡故障，基于商業意圖主動優化閉環。

華為IDN現階段已在各商業場景進行了具體化體現，包括基于IDN的5G場景系列解決方案、企業園區解決方案、數據中心意圖驅動業務自動化部署、意圖閉環驗證等。

3.2 思科

思科認為IBN是影響未來30年的網絡，并于2019年6月份發行了基于意圖的網絡軟件。在SDN的基礎上，從以硬件為中心的手動方法到網絡的設計和運營，轉變為以軟件為中心的全自動方法，該方法增加了上下文，能夠學習和保證功能實現。這意味著要持續應用和確保應用程序性能要求，并在整個網絡中自動執行IT操作策略。

思科IBN架構包含以下功能構建塊的閉環系統：翻譯、激活和保證。獲取業務意圖后并將其轉換為網絡策略，該策略可以在整個網絡中自動化應用，同時進行分析。機器學習和自動化使網絡連續不斷地動態適應業務需求，使網絡連續監視和調整網絡性能，以確保獲得理想的業務成果。

思科擁有完整的架構和解決方案套件，可通過跨所有網絡域（數據中心，園區，分支機構，WAN和多云）使用基于意圖的網絡來實現從客戶端到應用程序的意圖并確保其意圖的愿景，具體用例包括自動駕駛網絡、網絡表現保證、檢測和緩解威脅、提供從邊緣到云的一致有線和無線策略等。

3.3 中興

基于對網絡發展的深刻把握和多年的ICT技術沉淀，中興通訊適應智能化網絡發展趨勢，推出面向意圖網絡的網絡全生命周期智能化產品ZENIC ONE。ZENIC ONE智能化解決方案覆蓋了網絡生命周期，通過提供網絡規劃、網絡快速構建、業務自動開通、業務自動恢復、故障快速診斷、網絡仿真、網絡預測、網絡優化等智能服務，全面提升網絡智能化水平，顯著提高網絡建設和運維的效率，降低網絡Capex和Opex。

ZENIC ONE包括意圖、自動化、感知三大引擎，其中意圖引擎是ZENIC ONE的核心，接收用戶意圖，驅動自動化引擎進行網絡編排和控制，并根據感知引擎的分析，進行用戶意圖的主動保障，從而形成用戶意圖全生命周期的智能化閉環。

中興現已有解決方案應用落地，ZENIC ONE系統適用于覆蓋SPN/IPRAN、OTN、IP+光、網絡切片、云網融合等4G/5G承載網全場景，包括基于意圖的業務開通、意圖管理等。

3.4 星網銳捷

銳捷認為企業的數字化轉型需要網絡的高業務連續性、高業務體驗、高可靠安全性作為保障，極簡XS智能網絡正是在這樣的需求下產生的，并為此提供了“意圖驅動”的強大特性。

極簡XS智能網絡包含由智能引擎、分析引擎、意圖引擎、策略引擎組成的強大AI計算能力，以及NTA分析器與ONC控制器。整套系統由網絡控制中心、網絡管控及大數據AI分析平臺、服務器、網絡基礎設施等構成。

銳捷網絡數據中心產品和解決方案已經在運營商、BAT等頂尖互聯網公司等數據中心進行網絡設計和部署，隨著企業數字化轉型和信息服務全面云化的進程推進，銳捷云數據中心戰略也將根據用戶實際應用場景的需求變化演進升級。具體場景包括25G/100G IDC場景、萬兆IDC場景、中小型私有云數據中心等。

業界對網絡的要求和目標是一致的，就是讓網絡更加智能化，雖然目標一致但實現方式往往不同。總的來看，各企業都已擁有一系列IBN場景及解決方案，見表1所列。各家的IBN方案都具有一套高效的網絡狀態采集和下發機制，并且擁有一個自動化的網絡管理平臺來穿點所需的狀態并執行策略，用戶只需表述目的即可，“翻譯成指令集”和“執行過程”都由網絡自動完成。

表1 各廠商IBN系統組成及解決方案

4 IBN助力物聯網發展

IBN能夠為網絡設備和管理團隊賦能，可以更好地協助網絡運營商和企業控制基礎網絡設施，讓網絡管理員能夠定義想要的網絡。未來可以將IBN意圖識別的概念延伸至業務層面，助力物聯網從“互聯”到“智聯”，再到“敏捷智聯”，打造端到端敏捷解決方案。綜合來看，IBN助力物聯網的優勢如下。

（1）提高敏捷性：基于業務意圖，對于網絡全息狀態的獲取和對設備細粒度的控制都給網絡帶來了巨大的敏捷性，同時也解決了異構網絡之間的協同管理問題，使得系統能夠實現以意圖為導向，以策略為介質的高集中度統一管控。

（2）降低復雜度：網絡自動化的提升降低了網絡的復雜性，大幅提高了運維效率，也很大程度上節省了人工。

（3）擴展物聯網和移動性：通過在網絡中自動創建基于身份的意圖，用戶可以保護工作組等。

（4）云的性能和安全性：如果用戶需要將工作負載遷移到云端，IBN可以確保云應用的安全和高質量的用戶體驗。

（5）保障、安全和優化：由于IBN是一種系統方式，因此所有部署最終都集中在一個集成系統上，該系統可采用整體閉環方式實現物聯網系統各部分的策略、保障和自動化。

未來物聯網除了實現人與人、人與物、物與物聯接，還要承載海量數據存儲、分析的任務，同時滿足應用靈活化需求，實現不同行業間的協同，成為不同對象建立聯接的橋梁。本文提出的業務意圖感知功能架構如圖1所示。

圖1 業務意圖感知功能架構

4.1 商業意圖層

以意圖為核心，實現意圖的全生命周期自動閉環，例如意圖的定義、意圖的理解及轉換、用戶意圖的事前檢查和事后驗證、意圖的下發、意圖的實時反饋，以及與服務層對接的策略制定及調度。

意圖識別模塊：商業意圖即用戶的商業邏輯/決策，根據當前不同企業、不同行業的組織分工和運營情況，意圖可歸納為商業/業務意圖和網絡意圖，滿足不同客戶的多樣化訴求。通過開放基于意圖的API，用戶可以利用業務/網絡模型、大數據分析、算法等模型自定義其意圖。接收商業意圖，理解商業意圖后，將商業意圖翻譯成服務編排策略，并模擬、驗證網絡的設計和規劃，實時感知網絡狀態，建立數字化網絡模型，以持續驗證網絡與意圖一致性，及進行預測性維護，從而形成完整的閉環系統。

服務編排模塊：將網絡設計和規劃變成具體的網絡命令，承接意圖識別模塊下發的意圖內容，形成服務部署策略，調度服務層的資源池，實現多種策略的靈活編排和調整。

4.2 服務層

向上對接上層業務層的資源需求，將該需求和服務層能力匹配，形成服務層的服務策略；向下對接資源層，通過資源編排模塊設計出需要支撐實現此次“臨時性服務能力”的資源簇，包括計算、存儲、傳輸、感知等。通過通用功能模塊的定義，將底層的網絡能力有機整合，同時通過不同功能模塊的組合，實現不同業務需求的服務。對上層業務屏蔽了底層復雜的網絡結構及邏輯關系，同時通過資源編排，實現底層資源的快速調用。

基于該架構的業務實現流程如下：

（1）收集意圖發起者期望達成的業務/網絡意圖，在意圖尚未生效前可以進行靈活修改。

（2）將意圖轉化為網絡能理解的語言/策略，并實時驗證該策略的有效性，如果驗證不通過將會返回步驟（1）。

（3）轉譯出的策略在通過驗證后自動下發到服務編排模塊，進行策略編排及調度。

（4）根據策略調度意見，實時監測資源池情況，探知資源是否可用/夠用，網絡的狀態時時變化，驗證執行時的狀態與期望的狀態是否不一致，系統主動根據期望的狀態對策略進行實時優化補救。

（5）通過驗證將編排策略下發至服務層執行，將結果返回至意圖的發起者處，該結果可以是意圖已經達成，或者是意圖需要被重新定義。

針對物聯網業務靈活化、隨機化產生的特性，物聯網系統需準確理解不同業務的差異化意圖，并適應跨多技術領域的復雜環境，從而快速完成業務意圖的準確發現與識別。同時，系統需具備快速且精準分析網絡資源的能力，以實現業務需求與網絡能力的精準匹配。其次，系統需實時監控業務需求的變化，提前識別網絡故障，及時調整網絡資源配置，保證業務和資源的高效動態匹配，從而形成集業務意圖感知、分析、決策下發、智能運維于一體的全生命周期閉環系統。IBN理念用于物聯網業務實現，可有效提升業務部署效率、降低運維成本，極大降低資源優化調整的時間及難度，滿足下一代物聯網高動態、高靈活化需求，打造端到端敏捷的物聯網系統。

5 結 語

IBN是當前網絡領域的熱門技術之一，針對未來新接入終端數量增多、業務復雜、運營花費成本高、未知安全威脅日益頻發等問題，IBN網絡可快速響應不同業務需求，保證業務連續性和穩定性。有研究表明，IBN系統的部署可減少50%～90%的網絡基礎設施交付時間，同時還可降低至少50%的宕機發生次數和時長，提高網絡的可用性與敏捷性，成為未來企業網絡應對數字化轉型的支撐。

鑒于IBN的發展潛力，學術界和產業界已經深入研究其關鍵技術，并已形成一系列解決方案。然而，IBN要想真正落地還存在諸多挑戰，主要體現在意圖轉換、標準化制定、跨域通信、商業落地等方面。因此，未來不僅要改進現有技術，還需開發新的技術，持續完善IBN的優化閉環，發揮IBN的優勢，使其更好地服務網絡智能管理，賦能業務全生命周期管理，最終實現系統的全面自治，助力物聯網向敏捷智聯發展。