多樣化業務需求與全維網絡能力的映射

　　摘要：提出一種通用的業務需求與網絡能力映射方法，通過網絡能力自組織和業務需求自映射靈活適配業務發展需求。構建全維可定義網絡能力模型，抽象和分解網絡各層能力，并從通信主體、網絡功能、網絡資源、網絡安全4個維度以及30多種具體元素實現網絡能力開放可定義和動態演進發展。針對復雜的綜合性業務需求，“動態地”選擇、組合網絡能力，對比業務需求與網絡能力間匹配度，采用最優能力組合重構復合型網絡服務，設計直觀的0-1映射矩陣形式，支撐映射實現。

　　關鍵詞：業務需求;全維可定義網絡能力;映射;網絡能力組合

　　近年來，電子、計算機和人工智能等技術的飛速發展催生了大量新型的網絡業務，遠程醫療、車聯網、全息通信、增強現實(AR)/虛擬現實(VR)、智慧家庭等業務不斷涌現。全新業務隨著技術的成熟和升級將逐漸普及，改變著社會形態與人們的生活方式。與傳統網絡業務大不相同，新型業務對未來網絡提出更高的要求，是網絡發展的一項重要挑戰。以遠程手術為例，醫師在遠程操作多個協同的醫療設備對患者進行治療時，需要與用戶的身體直接交互。

　　這對安全性提出極高的要求。治療過程需要手、眼、耳、鼻等多個器官同時參與控制與反饋。不同類型的信息傳輸及傳輸性能也要求精準同步。醫療影像視頻傳輸和手術現場畫面的實時觀察要求清晰度在4K以上，這對網絡的時延及可靠性要求也極高。未來業務包含的信息維度逐步增加，協同性逐漸增強，性能要求也越來越高。因此，只有實現多種網絡能力的編排組合才能夠有效支撐更精、更尖、更高的網絡業務，提升用戶體驗質量(QoE)。

　　與此同時，網絡的能力也隨著技術的進步和硬件的升級不斷完善。在傳統互聯網協議(IP)網絡的盡力而為轉發能力基礎上，源路由、多標識尋址、智能路由、確定性轉發、內生安全等全新網絡能力先后出現，打破已有網絡能力的單一架構，不斷擴展網絡的能力維度，豐富網絡能力的實現形式，提高網絡能力支撐業務的力度。

　　面向多樣化業務需求和差異化網絡的能力，如何實現兩者之間的匹配，并選擇合適的網絡能力通過組合優化為業務需求提供高效的支撐是一個關鍵的問題。運營商通過端到端服務質量(QoS)管理完成對業務關鍵質量指標(KQI)的監控和測量，將上層的用戶感受折射到業務質量模型，再映射到反映特定網絡能力屬性的網絡關鍵性能指標(KPI)，調整和優化各項指標，滿足業務需求，提升QoE[1]。

　　文獻[2]定義視頻流和長期演進(LTE)語音服務影響QoS和QoE的KPI與KQI，并分析QoS和QoE之間的數學關系，通過QoS和QoE的關聯關系預測達到規定QoE級別的概率，以衡量用戶的業務體驗。文獻[3]利用機器學習的方法分析KQI與KPI之間的關系，得到影響KQI的KPI，以及KPI劣化導致KQI劣化的概率，完成KPI劣化小區感知，實現問題定位，提升網絡優化的主動化、事先化、自動化。在大型網絡中構建業務需求與網絡能力映射關系時，我們可以采用數學建模的方式，即通過系統抽象和數學推導得出映射函數，解決實際問題。文獻[4]以網絡效用最大化為目標構建從服務到連接和從連接到路徑的多對多映射數學模型，將路徑帶寬合理分配給各個服務，使得所有服務的效用之和達到最優。

　　已有網絡映射的研究主要針對特定場景下局部業務需求與網絡能力映射，缺乏普遍適用的業務需求與網絡能力映射方法。局部業務需求與網絡能力映射的方式操作簡單，但適用性差，且只考慮單一的業務需求。隨著業務形態的豐富和多樣化，業務需求迅速增長且不斷復雜化。當前有限數量的網絡能力形式單一、動態性差、效能低、運維僵化，直接導致了業務需求與網絡能力之間的差距日益擴大，難以采用靈活的網絡能力組合匹配未來多元化業務的需求。因此，急需一種普遍適用的映射機制，以全面覆蓋單一化和復雜化業務需求的映射。

　　本文提出一種通用的業務需求與網絡能力映射模型，通過網絡能力自組織和業務需求自映射靈活適配業務發展需求，基于“以網絡為核心”的設計理念，抽象和分解網絡各層能力，從通信主體、網絡功能、網絡資源、網絡安全4個維度進行細粒度劃分，獲得30多種網絡能力元素，實現全維度網絡能力可定義。靈活地擴展網絡能力類型能夠支持全維度可定義網絡能力模型的動態加載和演進發展。根據不同的業務需求“動態地”選擇網絡能力，靈活地組合網絡能力，分析對比業務需求與網絡能力之間的匹配度，采用最優能力組合重構復合型網絡服務，可以有效支撐未來網絡專業化、多樣化業務需求，實現業務需求到網絡能力的映射。

　　1多樣化業務需求

　　隨著網絡規模的不斷擴張以及經濟、政治、教育、醫療等專業領域的發展，新型的業務場景開始涌現。新業務場景可以分為消費類業務場景和生產類業務場景。

　　消費類業務場景目標是為用戶提供極致的服務體驗，滿足人類社會智慧化需求，包括AR/VR、遠程醫療、智慧家庭、全息通信等;生產類業務場景是傳統產業與網絡基礎設施融合的產物，該場景的目標是促進生產力的大力發展，包括車聯網、工業互聯網、智能電網等。業務類型的豐富對網絡提出了多樣化功能性需求和性能性需求，具體反映為不同維度、類型的網絡能力。新型的業務需求推動技術發展，促進了網絡能力的動態演進。新型業務對網絡的功能性需求不斷增加，不僅體現在已有功能的全面增強，同時也體現在新的功能性需求。大量的人、手機、傳感器、醫療設備，甚至數據、計算作為通信主體接入網絡進行通信，網絡需要支持數目巨大且類型各異的連接。

　　不同的業務對網絡傳輸質量有不同的需求。例如，安全可靠的遠程醫療需要確定性的時延和傳輸抖動保證，全息通信要求網絡支持高通量傳輸。網絡需要根據業務的特性提供定制化、可預測的接入和傳輸服務，以保證服務質量的確定性和差異化。處于動態變化的業務場景，例如車聯網，對移動性支持有超高的要求。網絡的發展融入了存儲和計算，需要實時感知業務需求和網絡狀態，進行高效全局的資源管控和編排，優化網絡利用率，提升QoE。未來業務場景的復雜化導致更多的安全漏洞，無法通過IP網絡“補丁式”的安全方案保障，需要設計內生安全機制，使網絡具備內在自免疫、可進化的安全能力，提供高可靠性和隱私性服務。

　　業務的專業化、智能化使得業務的性能需求更加精準和高效。典型的性能需求包括帶寬、時延、抖動及丟包率等。業務超高通量傳輸需要超大帶寬的支持。4K視頻的傳輸需要12Gbit/s的帶寬。大規模科學實驗數據傳輸對帶寬的需求已達到100Gbit/s級。抖動是與時延密切相關的業務需求。降低時延、保證有界抖動有助于提供高準確性和高可靠性服務。遠程醫療、車聯網、工業互聯網等業務有明確的端到端時延、抖動的需求：遠程手術要求網絡傳輸的基礎時延控制在200ms以內;車聯網自動駕駛要求端到端時延需求小于5ms;工業互聯網的控制業務要求微秒級的時延抖動。精細化控制類業務，比如工業控制、智能電網繼電保護等，對丟包率敏感。關鍵指令的丟失將導致嚴重后果。

　　2全維可定義網絡能力

　　網絡技術的發展帶來豐富的網絡能力。網絡維度不斷擴展，能力逐步增強。然而，當前網絡能力結構僵化、提供方式單一、協調性差，這導致網絡對新型業務的支持能力低下。為此，本文打破傳統面向終端設計網絡能力的方式，以網絡為中心，構建全維可定義網絡能力模型，抽象分解網絡各層能力，細粒度劃分網絡能力的維度和類別，支持網絡能力的靈活擴展，實現多元化網絡能力的開放可定義和動態演進發展，為業務需求與網絡能力的映射奠定基礎[6]。

　　全維可定義網絡能力模型構建網絡能力空間。整體空間劃分通信主體、網絡功能、網絡資源、網絡安全個維度。每個維度包括不同網絡能力類型，一種能力類型支持多種實現形式的能力元素(共30多種)。每個維度的網絡能力可以隨時更新新型的網絡能力，并能及時刪除舊網絡能力，以保持網絡能力模型的動態可擴展性。下面我們對每個維度做具體說明。

　　(1)通信主體通信主體是指網絡中參與數據傳輸行為的主體，包括數據發送方、轉發方和接收方。不同的通信主體采用不同的身份標識(ID)進行數據傳輸。當前網絡采用IP地址作為尋址標識。隨著工業互聯網、衛星網絡、車聯網等多元化網絡融合與互聯需求的發展，通信主體的種類不斷豐富，支持人(身份)、位置(經緯度、速度、方向)、服務(應用)、物(物聯網標簽)、內容(視頻、文件、圖片)等多樣化標識并存，實現了大規模網絡設備和元素的互通。

　　(2)網絡功能網絡功能是指數據在通信主體間完成傳遞轉發設備所承載的功能，包括尋址(定長尋址、變長尋址)、路由(距離矢量路由、鏈路狀態路由)、轉發(盡力而為轉發、約束路徑轉發)、QoS隊列(先進先出、優先級隊列、加權公平隊列)擁塞控制(基于顯示擁塞反饋、量化擁塞通知)等能力。隨著技術的發展，網絡功能不斷優化和完善。面對海量的異構通信主體，網絡支持多模式接入和連接。為滿足專業化、精細化及差異化的業務需求，網絡提供可規劃、可預期和可定制的數據傳輸，以保障時延、吞吐量、抖動、丟包率等性能指標，提升用戶體驗。

　　(3)網絡資源網絡資源是指數據傳輸依賴的資源，包括鏈路(無線、光纖、電纜)、計算(邊緣計算、云計算)、存儲(內存、硬盤)、地址(互聯網協議第版、互聯網協議第版)等。報文中分配的地址占用地址空間資源，數據在通信主體間傳輸時占用帶寬形式的鏈路資源。轉發設備采用網絡處理器及片上內存的計算和存儲資源處理報文。硬件升級與軟件優化導致網絡資源發生了巨大的變化：資源類型不斷豐富，多種異構資源并存。資源在網絡中的部署位置比較靈活，適合協同調度。資源容量得到提升，體積變小，便于處理。

　　(4)網絡安全網絡安全維度的網絡能力能夠保障網絡設施、信息和傳輸的安全，包括可信性(源地址驗證、身份驗證)、隱私性(加密)、可靠性(完整性校驗)和可溯源性(概率包標記法、日志記錄)。可信性保證網絡信息能夠被授權實體訪問并合法使用;隱私性保護能夠防止信息泄露及非法利用;可靠性通過實時監測，解決網絡異常，保證高效正常運行;可溯源性在面對網絡攻擊時能夠快速定位和追蹤攻擊的源頭。隨著業務場景的復雜化，外掛式安全技術無法應對網絡協議不統一、終端多樣化帶來的安全隱患，亟須采用內生安全機制[7]。

　　3業務需求到網絡能力的映射

　　業務需求與網絡能力映射是映射概念在網絡服務業務中的具體化。在互聯網絡中，不同業務面臨差異化需求。單個業務實現需要滿足的所有條件形成業務需求集合，集合中的每個元素代表一項具體的業務需求。相應地，網絡的快速演進不斷豐富網絡能力，聚集網絡具備的全部能力并構成全維網絡能力集合。集合中的每個元素代表一項網絡支持能力。業務需求與網絡能力映射是為了利用特定網絡能力支持業務實現，需要在業務需求集合和網絡能力集合兩者的元素之間建立對應關系。這種對應關系體現在：一項業務需求需要通過一系列網絡能力才能得到滿足，同時一種網絡能力能夠支持多種業務需求。通過選擇和組合適當的網絡能力，依據合理的順序執行網絡能力，可滿足業務需求，實現業務需求到網絡能力的映射。從業務使用者(用戶)的角度看，多樣化業務需求需要選擇合適的網絡能力。

　　通過業務需求和網絡能力映射，用戶從網絡運營者提供的可選網絡能力方案中選擇一種，并為相應的網絡能力付費，支持業務實現。從網絡運營者的角度，網絡具備全維能力。不同的網絡能力對業務需求的支持度不同。通過業務需求和網絡能力映射，網絡運營商為用戶提供滿足業務需求的網絡能力方案和定價，以實現網絡能力商品化。

　　3.1映射要素業務需求與網絡能力映射的3個要素是原象、象和映射法則。其中，原象是業務實現應該滿足的需求元素，象是網絡具備的能力元素，映射法則是指原象和象之間對應關系的生成原則。映射法則的產生包括映射形式和映射機制兩部分。映射形式包括原象與象一對一、多對一、一對多和多對多4種映射關系。相較于原始的映射定義，映射形式擴展了一對多、多對多兩種。映射機制可解決如何將原象和象代表的業務需求元素與網絡能力元素進行合理對應的問題。

　　4結束語

　　本文提出一種普遍適用的業務需求與網絡能力的映射方法。該方法可構建全維可定義網絡能力模型，從通信主體、網絡功能、網絡資源、網絡安全等多個維度細粒度劃分和定義網絡能力，支持網絡能力的擴展演進;針對多樣化業務需求，通過動態網絡能力組合、業務需求與網絡能力匹配度計算和映射矩陣生成3個具體步驟形成業務需求到網絡能力的映射，以靈活適配業務發展需求。

　　參考文獻

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　　作者：范琮珊,周旭,任勇毛

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