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自動駕駛網(wǎng)絡(luò)

自動駕駛網(wǎng)絡(luò)(Self-Driving Network)由網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備廠商瞻博網(wǎng)絡(luò)(Juniper Networks)于2017年率先提出，與自動駕駛汽車L0-L5等級類似，瞻博網(wǎng)絡(luò)將自動駕駛網(wǎng)絡(luò)劃分為六個級別，如圖1-1所示。

圖1-1 自動駕駛網(wǎng)絡(luò)的等級劃分

• 級別0-手動網(wǎng)絡(luò)：需要人工完成網(wǎng)絡(luò)的基本配置并人工監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。
• 級別1-自動化網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)逐步接入自動化監(jiān)控部件，與管理員配合完成網(wǎng)絡(luò)控制。
• 級別2-細(xì)粒度監(jiān)控：網(wǎng)絡(luò)逐步接入自動化系統(tǒng)，并且自動化系統(tǒng)代替管理員完成網(wǎng)絡(luò)全生命周期的監(jiān)測，實(shí)時向管理員報(bào)告網(wǎng)絡(luò)異常狀況。
• 級別3-分析網(wǎng)絡(luò)：具備網(wǎng)絡(luò)故障的自我分析能力，并在數(shù)據(jù)分析功能的支持下給管理員提供最佳的故障修復(fù)建議。
• 級別4-自治過程：網(wǎng)絡(luò)初步具備自我修復(fù)功能，一旦網(wǎng)絡(luò)自我監(jiān)測到故障，可以完成簡單的自我修復(fù)，復(fù)雜情況下由管理員干預(yù)完成。
• 級別5-自動駕駛網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初步配置、監(jiān)控和故障排除的閉環(huán)運(yùn)行，無需管理員進(jìn)行操作。

通過對上述六個級別的自動駕駛網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析會發(fā)現(xiàn)，使網(wǎng)絡(luò)能夠“自動駕駛”，必須借助AI技術(shù)代替人工操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自主運(yùn)行的閉環(huán)操作。首先，網(wǎng)絡(luò)需要具備強(qiáng)大的性能支撐，所有網(wǎng)元的各個組件均能夠提供狀態(tài)信息;然后，使用AI平臺對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、分析和預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障或異常;最后，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障及異常情況，具備網(wǎng)絡(luò)配置策略的自我調(diào)整和修復(fù)能力。

基于上述研究思路，在實(shí)現(xiàn)自動駕駛網(wǎng)絡(luò)的過程中，還是存在一些棘手的問題，比如，如何獲取用戶的網(wǎng)絡(luò)配置方案并將方案轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)配置策略，如何驗(yàn)證用戶的網(wǎng)絡(luò)配置方案與配置策略的一致性，如何實(shí)時監(jiān)測并反饋全網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，都是在實(shí)現(xiàn)和構(gòu)造自動駕駛網(wǎng)絡(luò)過程中需要解決的問題。

為了解決上述問題，意圖網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，它可以靈活配置網(wǎng)絡(luò)策略并實(shí)時更新和優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自我配置、自我監(jiān)視和自我修復(fù)，真正實(shí)現(xiàn)“自動駕駛”。

意圖網(wǎng)絡(luò)

2017年IT研究與顧問咨詢公司Gartner對意圖網(wǎng)絡(luò)(intent-based networking,簡稱IBN)進(jìn)行了定義[1]，包括以下四個部分：

轉(zhuǎn)換和驗(yàn)證(Translation and Validation)：系統(tǒng)將用戶的業(yè)務(wù)策略轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)配置并對配置的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

自動化實(shí)施(Automated Implementation)：系統(tǒng)借助網(wǎng)絡(luò)自動化或網(wǎng)絡(luò)編排的方式更改網(wǎng)絡(luò)配置。

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知(Awareness of Network State)：系統(tǒng)實(shí)時獲取實(shí)時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

保障和自動化優(yōu)化/修復(fù)(Assurance and Dynamic Optimization/Remediation)：系統(tǒng)連續(xù)(實(shí)時)驗(yàn)證是否滿足用戶的原始業(yè)務(wù)需求，并且在未達(dá)到需求時可以采取糾正措施。

在意圖網(wǎng)絡(luò)中，意圖指的是用戶配置網(wǎng)絡(luò)的想法或方案，用于描述用戶想要網(wǎng)絡(luò)所達(dá)到的某種狀態(tài)，意圖網(wǎng)絡(luò)就是將這些方案轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)配置策略，策略驗(yàn)證無誤后就可以下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)，不斷調(diào)整和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置策略。依據(jù)Gartner有關(guān)意圖網(wǎng)絡(luò)的定義，可以將意圖網(wǎng)絡(luò)分為五個關(guān)鍵步驟：意圖捕獲、意圖轉(zhuǎn)換、策略驗(yàn)證、策略執(zhí)行、策略優(yōu)化，如圖2-1所示。

2-1 意圖網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵步驟

(1)意圖捕獲

意圖捕獲就是將用戶想要網(wǎng)絡(luò)達(dá)到的狀態(tài)捕獲到系統(tǒng)中，表達(dá)形式是多種多樣的，研究人員最常用的方式是自然語言，借助自然語言處理對用戶輸入的語音或文字等進(jìn)行處理，通常使用語義學(xué)⟨主語,謂語,賓語,修飾語⟩形式[2]對意圖進(jìn)行描述，比如，當(dāng)用戶表達(dá)的意圖為“我想讓主機(jī)A和主機(jī)B實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信”，則發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的信息就可以表示為

(2)意圖轉(zhuǎn)換

捕獲到用戶意圖之后，就需要借助關(guān)鍵字提取、詞法分析、語義挖掘等操作將用戶意圖轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)配置策略，具有指導(dǎo)性意義的方法是iNDIRA[3]系統(tǒng)提出的，該方法使用自然語言處理和本體論[4]將捕獲的用戶意圖

(3)策略驗(yàn)證

網(wǎng)絡(luò)配置策略轉(zhuǎn)換生成之后，暫時還不能下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，需要對配置策略進(jìn)行驗(yàn)證，判斷其是否與用戶意圖一致，研究人員基本都使用形式化驗(yàn)證[5]的方式來完成策略驗(yàn)證工作。

形式化驗(yàn)證的具體實(shí)現(xiàn)思路為：首先利用形式化建模將配置策略構(gòu)建形式化模型，然后利用求解器進(jìn)行計(jì)算，最后依據(jù)計(jì)算結(jié)果判定策略的一致性。形式化方法可以作用于數(shù)據(jù)平面和控制平面兩個層面，控制平面是基于策略的，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中是指分散于各處的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的配置文件，數(shù)據(jù)平面是網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)控制平面生成的轉(zhuǎn)發(fā)信息與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)發(fā)信息在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中是指轉(zhuǎn)發(fā)表[5]。

(4)策略執(zhí)行

借助數(shù)據(jù)平面驗(yàn)證或控制平面驗(yàn)證完成對網(wǎng)絡(luò)策略的形式化驗(yàn)證之后，若策略與用戶意圖一致，則意圖網(wǎng)絡(luò)需要將網(wǎng)絡(luò)配置策略下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，否則，意圖網(wǎng)絡(luò)需要將錯誤信息反饋到意圖捕獲環(huán)節(jié)進(jìn)行重新捕獲及轉(zhuǎn)換。

由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的獨(dú)特性，導(dǎo)致不同品牌之間甚至是相同品牌不同型號的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間均存在一定的差異，所以要使意圖網(wǎng)絡(luò)自主運(yùn)轉(zhuǎn)起來，需要適配意圖網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這個工作量是非常巨大的。在現(xiàn)階段，意圖下發(fā)工作主要利用P4編程語言和配置綜合兩種方式完成，比如，Riftadi等人[6]在可編程交換機(jī)的基礎(chǔ)上利用P4編程語言完成策略的執(zhí)行;Synet[7]將網(wǎng)絡(luò)配置問題描述為分層次的Datalog問題，并使用SMT求解器對用戶需求進(jìn)行配置綜合，從而生成相應(yīng)的配置文件。

意圖網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收到下發(fā)的配置策略之后，依次執(zhí)行相應(yīng)策略。

(5)策略優(yōu)化

借助P4編程語言或SMT求解器將網(wǎng)絡(luò)配置下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并順利執(zhí)行之后，意圖網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，一方面評估網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)送行為是否與用戶意圖一致，另一方面預(yù)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障及異常情況。

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，通常借助NetFlow[8]和SFlow[9]用于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測，但應(yīng)用于意圖網(wǎng)絡(luò)場景之后，出現(xiàn)準(zhǔn)確性較低及資源耗費(fèi)過大等問題。為應(yīng)對上述問題，Tian Pan等人[10]在全網(wǎng)范圍內(nèi)借助源路由方法發(fā)送INT數(shù)據(jù)包來獲取并感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài);Zhang P等人[11]使用數(shù)據(jù)平面驗(yàn)證與探針結(jié)合的方式獲取數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)信息以此判斷轉(zhuǎn)發(fā)行為與用戶意圖的一致性。

一旦監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)異常情況，意圖網(wǎng)絡(luò)需及時向意圖捕獲環(huán)節(jié)進(jìn)行反饋，重新對用戶意圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換、驗(yàn)證和下發(fā)執(zhí)行。

技術(shù)難點(diǎn)

(1)意圖轉(zhuǎn)換問題。雖然自然語言處理技術(shù)的發(fā)展極大的推動了意圖轉(zhuǎn)換的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的差異性使得意圖轉(zhuǎn)換的落地存在一定的難度，現(xiàn)在意圖轉(zhuǎn)換工作大多處于實(shí)驗(yàn)階段，要想真正把用戶意圖轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置策略，亟待進(jìn)一步研究和適配。

(2)策略驗(yàn)證問題。在策略驗(yàn)證領(lǐng)域，數(shù)據(jù)平面驗(yàn)證或控制平面驗(yàn)證的形式化驗(yàn)證方法能夠比較準(zhǔn)確的驗(yàn)證用戶意圖和配置策略之間的一致性，但在實(shí)際應(yīng)用場景中，上述兩種驗(yàn)證方法不足以保證網(wǎng)絡(luò)真實(shí)行為的正確性，這是因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)硬軟件實(shí)現(xiàn)錯誤，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障、鏈路故障、軟件錯誤等。

(3)網(wǎng)絡(luò)部署問題。意圖網(wǎng)絡(luò)需要將配置策略下發(fā)到全網(wǎng)內(nèi)所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并實(shí)時監(jiān)測這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這對網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性提出了較高的要求，同時，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向意圖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)和替代過程中，如何保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性也是需要解決的問題。

總結(jié)

意圖網(wǎng)絡(luò)作為未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域熱門技術(shù)之一，通過意圖捕獲、意圖轉(zhuǎn)換、策略驗(yàn)證、策略執(zhí)行以及策略優(yōu)化五個步驟，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動化運(yùn)行和管理，使網(wǎng)絡(luò)能夠“自動駕駛”。

但是作為新興技術(shù)，同時也對研究人員提出了新的挑戰(zhàn)，例如在意圖轉(zhuǎn)換工程中如何保證將用戶意圖正確且全面的轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)配置策略，在策略驗(yàn)證工作中如何解決狀態(tài)空間爆炸等問題，在IBN部署過程中如何實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有環(huán)境的兼容并保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，以上都是亟待解決的問題。

在意圖網(wǎng)絡(luò)面臨的問題依次解決之后，或許，網(wǎng)絡(luò)真的可以擺脫人類的輔助和操作，“自動駕駛”起來。

參考文獻(xiàn)

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