44、IP网络自配置和自优化的初步探索

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于 2025-10-17 02:00:51 发布

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分类专栏：多媒体网络管理前沿文章标签： IP网络自配置自优化

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IP网络自配置和自优化的初步探索

1. 引言

互联网技术、服务和应用的爆炸式增长以及它们的异质性，使得互联网管理的复杂性超出了人类的能力范围。传统的管理和控制技术已无法确保现有网络，更不用说未来网络的效率和成本效益。因此，一种名为“自我软件（selfware）”的新范式应运而生。

自我软件是一种执行网络控制、中间盒通信管理、服务创建和网络功能组合的新方法。它基于对众多策略、规则和事件的通用且细粒度的复用，以实现网络元素组的期望行为。自我管理涵盖了一系列能力，如自我配置、自我优化、自我修复、自我保护和自我感知等。

在网络领域，我们的目标是设计能够自主管理自身的自治网络，并通过它们的交互展现出全局“智能”。我们的研究旨在探索这一概念，并将其应用于简化运营商IP网络的控制和管理，使运营商只需通过高层目标来控制网络行为，网络将自动调整配置以实现这些目标。

2. 现有管理系统能力之外的复杂性

基于策略的管理（PBM）是使用策略规则来管理一个或多个实体的配置和行为。在PBM方法中，与网络资源分配和/或安全相关的决策由一个称为策略决策点（PDP）的中央控制实体做出。然而，随着网络变得更大、更异构，且所提供的服务具有不同的QoS要求，这些方法变得难以指定、设计和部署。

为了解决这一复杂性，我们认为需要将决策过程完全分散到分布式实体中。同时，我们需要一个通用的数据模型来建模网络设备提供的操作参数，以便网络管理员将业务规则映射到网络，网络设计师根据不同需求设计网络。

我们的方法旨在实现两个主要目标：一是避免决策过程的集中化；二是便于运营商目标的指定和执行。我们主张网络中的每个元素都应具有自治能力，能够自主决策并监督多个管理目标。这种自治能力的实现通过指定高层目标（基于有限状态机理论）和指定自治元素（AE）之间的交互模式来协调它们的行为并实现目标。

3. 基于目标的自治管理

当今通信系统的管理需要更多的自治和分散化。因此，我们提出了一种名为“基于目标的管理”的新方法。该方法的目标是设计一个网络，使其能够自我组织，使得每个自治元素的总体行为满足管理员定义的高层操作目标。

我们将目标定义为系统资源之间的语义关联。通过订阅目标，自治元素成为整个自治域的一部分。所有与单个目标相关联的元素被视为一个单一的自治实体，尽管一个元素可以与多个目标相关联。因此，自治元素的行为可以由一个或多个目标驱动。

我们的框架分为两层：
- 目标指定层 ：其目的是定义高层目标。该层在网络中引入了一些“目标规范”，允许根据目标自治元素在各种上下文中的明确行为来指定目标。在这种方法中，目标被指定为一个状态机，代表不同的网络元素行为以及这些状态之间的转换条件。这个实体被称为“目标服务器”。
- 目标执行层 ：下层包含一组自治网络元素（AE），它们在尝试实现高层目标时以自治方式运行。自治设备能够自我管理，并根据上下文调整其行为。AE能够相互交互以交换知识并更新其上下文。

4. 用于捕获目标描述的语言

为了促进自治管理中管理实体之间的互操作性，我们需要定义一个共享的信息模型和一种表达目标规范的语言。我们选择扩展现有的通用信息模型（CIM）来满足我们的需求。

目标概念是CIM类的一个特化。管理元素需要通过关联订阅特定目标，这个过程称为目标分发过程。目标结构聚合了对CIM模式的新扩展，每个扩展都是CIM命名元素的特化，并符合CIM - XML表示。

我们将目标结构化为“目标行为”和“目标设置”的聚合。目标设置根据特定上下文确定目标的行为，并描述AE的角色、位置和标识符。它还包括定位共享同一目标的其他对等AE的管理数据以及描述用户应用服务管理上下文的数据。

每个目标行为聚合了一组配置、监控和上下文规范。状态是目标行为的唯一标识符。行为配置对应于与预期行为相关的平台特定代码的执行，行为监控实现了监听特定上下文事件的机制，上下文事件定义了传感器收集的低级事件和来自目标服务器或其他AE的高级事件的发生。

当行为监控模块报告的来自不同目标实例的上下文事件不符合所有目标的应用设置时，AE会检测到冲突。此时，AE会收集行为上下文标识符并将其发送到目标服务器，问题可以通过根据自治域之间的预定义策略为目标分配优先级来临时解决。

5. 自治元素架构

自治元素（AE）的作用是在初始化时满足管理员通过目标服务器指定的目标，与同行交互以传播知识，并以合作方式为实现期望目标提供全局“智能”。

AE的推理能力分布在四个功能模块中，组成了其内部架构：
- 监控模块 ：提供不同的机制来收集、聚合、过滤和管理传感器收集的信息。
- 分析模块 ：对监控结果进行诊断，检测网络或系统资源中的任何中断，并将信息转换为事件。
- 规划模块 ：根据这些事件定义要执行的一组基本操作。
- 执行模块 ：执行规划模块定义的操作。

AE通过目标分发过程订阅自治域。该过程分为两个阶段：首先，每个AE通过目标服务器订阅目标，目标服务器完成目标设置，为每个AE分配唯一ID和角色；然后，AE下载目标规范并用于驱动其行为。

AE的控制模块允许其与其他AE以及内部和外部环境进行交互，它引入了传感器和执行器。传感器用于收集环境中的事件，执行器用于配置其管理的资源。在我们的工作中，控制模块主要影响IP路由器的底层流量工程机制，我们在测试床中使用了Linux流量控制（TC）工具。

下面是AE目标分发过程的mermaid流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(AE通过GS订阅目标):::process
    B --> C(GS完成目标设置):::process
    C --> D(为AE分配ID和角色):::process
    D --> E(AE下载目标规范):::process
    E --> F(AE使用规范驱动行为):::process
    F --> G([结束]):::startend

综上所述，我们通过引入基于目标的管理方法、设计目标语言和构建自治元素架构，为实现IP网络的自配置和自优化迈出了重要的一步。这些方法和架构有助于解决现有网络管理中的复杂性问题，提高网络的自治能力和管理效率。

IP网络自配置和自优化的初步探索

6. 系统原型与测试

为了验证我们提出的基于目标的管理方法以及自治元素架构的可行性和有效性，我们开发了一个实验室原型，并进行了一系列测试。

在原型开发过程中，我们重点关注了如何实现自治元素（AE）的各项功能，以及如何确保目标服务器与AE之间的有效通信。我们使用了Linux流量控制（TC）工具来模拟IP路由器的底层流量工程机制，通过控制模块对其进行配置。

测试的主要目的是验证系统是否能够满足不同多媒体和数据应用的异构QoS要求，以及在面对冲突时能否自动调整配置以实现目标。具体测试步骤如下：
1. 环境搭建 ：搭建一个包含多个AE和目标服务器的测试网络环境，确保各个设备之间能够正常通信。
2. 目标设置 ：通过目标服务器指定不同的高层目标，如特定应用的带宽保障、延迟要求等。
3. 数据注入 ：向网络中注入不同类型的流量，模拟多媒体和数据应用的实际使用情况。
4. 监控与分析 ：使用监控模块收集网络和系统资源的相关信息，分析模块对这些信息进行处理，检测是否满足目标要求以及是否存在冲突。
5. 冲突处理 ：当检测到冲突时，观察AE是否能够按照预定策略收集行为上下文标识符并发送到目标服务器，以及目标服务器是否能够根据预定义策略为目标分配优先级来解决冲突。

测试结果表明，我们的系统能够在一定程度上实现自配置和自优化的功能。当网络环境发生变化或出现冲突时，AE能够自动调整自身行为，以满足用户和业务的需求。然而，在某些复杂情况下，系统的响应速度和冲突解决能力仍有待提高。

7. 讨论与未来方向

通过本次研究和测试，我们发现基于目标的管理方法和自治元素架构在解决IP网络管理复杂性问题上具有一定的优势。这种方法能够将决策过程分散到各个自治元素中，使得网络能够根据不同的业务需求自动调整配置，提高了网络的灵活性和适应性。

然而，我们也意识到当前的研究还存在一些不足之处。例如，在目标语言的设计方面，虽然我们已经对通用信息模型（CIM）进行了扩展，但对于管理上下文的表示还不够通用，需要在未来的工作中提出更具通用性的表示方法。另外，在冲突解决机制上，目前的策略还比较简单，对于复杂的冲突情况可能无法提供最优解决方案。

未来，我们将从以下几个方面进行进一步的研究和改进：
1. 目标语言的完善 ：研究更通用的管理上下文表示方法，使得目标语言能够更好地适应不同的应用场景和业务需求。
2. 冲突解决策略的优化 ：引入更复杂的算法和策略，提高系统在面对复杂冲突时的解决能力和效率。
3. 系统性能的提升 ：通过优化自治元素的内部架构和通信机制，提高系统的响应速度和稳定性。
4. 实际应用的验证 ：将系统部署到实际网络环境中进行测试和验证，进一步评估系统在实际应用中的性能和效果。

下面是未来研究方向的mermaid流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(完善目标语言):::process
    A --> C(优化冲突解决策略):::process
    A --> D(提升系统性能):::process
    A --> E(验证实际应用):::process
    B --> F(评估效果):::process
    C --> F
    D --> F
    E --> F
    F --> G([结束]):::startend

总之，实现IP网络的自配置和自优化是一个具有挑战性但极具潜力的研究方向。我们相信，通过不断的研究和改进，我们的方法和架构将能够为未来网络的管理和发展提供有力的支持。