基于天地融合网络的服务管理与智能交付技术.pdf

智能与算法智能与算法智能与算法Aug.2023Journal of CAEIT2023年8 月Vol.18 No.8第8 期中国电子科学研院学doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2023.08.007基于天地融服智能交付技术赵晶，黄照祥，陆洲，田原（中国电子科学研究院，北京100041)摘要：基于天地融合网络管理需求，深入分析现有天基、地面网络管理突出问题以及未来网络管理技术发展趋势。针对用户需求精确感知、应用服务精准交付等能力要求，突破服务情景感知与预测、网络资源统筹管理、服务优选与集成、服务智能交付技术，构建服务管理与智能交付平台，实现天地融合网络的高效运行。关键词：融合网络；服务管理；智能交付中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：16 7 3-56 92(2 0 2 3)0 8-7 2 4-0 6Service Management and Intelligent Delivery in Space-groundIntegrated NetworkZHAO Jing,HUANG Zhao-xiang,LU Zhou,TIAN Yuan(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)Abstract:Based on space-ground integrated network management requirements,space-based,groundnetwork management problems and the future trends of network management technology are analyzed.Foraccurate perception requirements of user needs and accurate delivery requirements of application services,the service situation perception and prediction,network resource management,service optimization andintegration,and intelligent service delivery technologies are broken through.And the service managementand intelligent delivery platform is constructed to realize efficient operation in space-ground integrated net-work.Key words:space-ground integrated network;service management;intelligent delivery0引言以“互联网+”为代表的信息化应用井喷式蓬勃发展，加速推动信息网络技术持续创新并向全域空间拓展，陆、海、空、天多层次网络联合为各类用户提供泛在服务的格局正在形成1-2 ，但复杂异构的网络体系不仅带来扩展性、移动性、安全性、能源消耗等方面的突出问题，也使得网络管理面临巨大挑战。一方面，需要管理的网络实体和业务服务数量不断增加，管理对象进一步扩展到融入计算、存储等功能的非传统网络设备；另一方面，管理功能已不仅仅局收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0修订日期：2 0 2 3-0 7-0 5限于相对静态的网络监控，而是更加动态智能的资源调度，目标是提供更加有效的应用服务。未来融合网络是一个泛在、融合、高效、绿色的网络，正如ITU-TY.3001所描绘的具有业务意识、数据意识、环境意识、社会和经济意识能力，然而如此复杂异构的网系要实现上述目标，必然要将智能赋予网络。通过智能管理，可以实现更加灵活的资源调度，提高网络资源利用率，同时有助于改善网络节点能源消耗量；可以更加自主地感知网络状态和用户需求，更加自主地为应用调度、分配网络资源，更加智能地将服务交付给所需用户，提供更加便捷、友好的业务体验；通过智能管理，可使网络具备自主赵2023年第8 期725晶等：基于天地融与智能交付技术网络的服务管理规划配置、自动故障诊断、自主决策执行的能力，显著简化网络管理操作，进一步大幅降低网络运营维护成本。应该说，智能管理将显著提升或改善网络高效性、服务可用性、业务体验友好性、运维管理自动化等能力，必然是未来网络的发展方向。1研究现状近年来，国内积极开展互联网、移动通信网、空间信息网等领域技术创新研究3-4，为开展天地融合网络管理技术研究奠定一定基础5，主要包括以下三方面内容一是天基网络管理技术研究与应用，加强传统卫星通信系统运维管理设施建设6 。以军事卫星通信系统为例，其管理控制经历了由设备监控、通信网络管理、星地一体化管控的历程，初步形成三级分布式的运控体系架构，并建设了一批运控系统；在分析航天测控、航天任务管理、互联网网络管理体系的基础上，提出了一种适用于空间混合组网的管理体制7 ；针对星务管理、星座自主运行等管理需求，扩展了管理信息定义8 ；针对卫星网络的故障定位和诊断，提出了系统级的卫星网络故障定位和诊断算法9；针对天地异质异构网络资源统筹调度,提出了天地融合网络资源动态管理技术10 ；针对空间网络管理安全性，开展了空间综合信息网络的安全风险分析，提出了空间安全管理的概念和原型设计二是地面异构网络融合管理技术研究，国内科研院所重点针对异构无线网络资源管理技术开展了大量研究12 ，涉及移动通信网、无线局域网等不同体制无线网络，涵盖接人控制、移动切换13、负载均衡、分组调度、功率控制、拥塞控制等范畴,提出了多种集中式、分布式、分级式联合无线资源管理机制和算法14三是天地融合网络管理体系架构技术研究。面向天地融合网络建设，从不同层次开展空间组网、高速传输、信息融合处理、网络管理等领域的技术集成和验证151随着网络空间的不断拓展,应用需求的持续增长，以及人工智能等新技术广泛应用，加速推动天地融合网络管理朝融合化、智能化方向发展16-17 。面向应用的异构网络融合管理能力，保障网络的高效运行、互补增强，利用现有的网络资源为陆、海、空、天各类用户提供普适泛在的高质量服务是网络管理的发展趋势18 ，传统的基于网元的管理模式已经不能满足新时期管理需求，需要通过网络状态的准确感知和上层应用的预测分析19 实现用户服务质量的分级保障；通过应用服务情景感知与预测、服务智能选择和集成，实现服务的智能交付。2研究内容本文通过网络探针监测、行为日志分析、运行状态分析等技术手段获取网络当前状态；根据网络中注册的服务信息，建立包含服务质量的网络服务集合；从情景信息描述、感知与决策、控制与反馈等方式建立情景驱动的服务集成方法，并以动态适应用户任务需求、网络运行环境等变化为目标按照一定规则自主选择和控制服务，根据用户需求和网络状态为用户提供最佳的应用服务。2.1应用服务情景感知与预测分析技术情景感知是服务交付的前提。情景感知主要包含四个方面：一是网络设备状态的感知，包括设备是否在线、设备健康状态、设备负载状况等信息；二是网络状态，包括网络通联关系、链路的速率、链路可靠性、网络吞吐量等信息；三是网络能提供的网络服务及相应的服务质量，包括语音通话、短消息、文件传输、视频服务等；四是网络用户状态，包括用户的分布、在网情况、用网情况、行为习惯等。应用服务的情景感知功能通过网络探针监测、行为日志分析、运行状态分析等技术手段，可以获取天地融合网络上应用服务交付相关的基础信息，即，网络通断、流量、故障、安全状况等网络态势信息以及时空位置、任务需求、用户行为等用户情景信息这些信息对服务集成的影响主要体现在五个方面：一是在用户提出服务需求时，系统基于准确的网络信息状态和用户等级动态地为用户匹配相应的网络资源、选择优质的网络服务，为用户提供个性化的服务；二是当网络单元故障或网络发生毁坏时，触发管理系统启动抗毁接替、路由容错，通过系统的故障处置预案和协议的容错保障措施，在网络服务无感的情况下实现故障修复、网络信息无间断传输，以确保用户服务的连续性、可用性；三是当服务质量（Qual-ityof Service，Q o S)水平下降，难以满足原有应用需求时，基于情景感知对网络性能的实时监控、对网络服务的实时评估、对网络资源统筹调度，可以重新动态选择新的网络服务来保障用户需求，动态调整以适应网络变化；四是用户情景变化时，使网络重新捕2023年第8 期726中国电子学研完院学報获、分析需求，获得新的业务流程或数据、功能要求，添加、减少、替换网络服务或调整网络服务之间的关系，形成新的应用服务；五是在新用户需求提出时，系统不仅根据网络当前的性能状态和可用网络资源进行匹配判断，还要根据现有用户行为和网络态势信息预测应用服务发展趋势，通过前瞻性的预测为用户提供更优质的服务。情景感知与预测机制如图1所示。应用需求感知任务需求需求获取需求分解1用，时空信息定位授时行为日志需求模板集成规则转换1组合优化1交互行为行为记录偏好计算1规则转换组合引擎聚合分发网络系统网络监控故障分析网1接替服务络应用系统系统监控运行日志1应用服务服务监控质量评估网络态势感知图1服务情景感知与预测分析情景感知功能对用户的感知不仅基于当前信息，还涵盖用户服务的具体需求、时空信息、用户交互行为，刻画用户网络行为轮廓，标注合法网络行为的特征属性,形成网络行为向量；同时从控制层面和数据层面等不同角度对网络的关键行为进行提取，从而将当前网络用户的行为活动和网络行为日志进行比较，提高行为特征分析的效率；通过网络行为日志的不断更新学习，对网络用户的行为进行准确的感知预测，对用户行为的变化有相应的预判,对网络运行的趋势进行评估，调整网络资源调度和网络服务匹配策略，以便为用户提供更优质的服务，避免了僵化的网络资源调度策略造成网络服务质量的抖动，如图2 所示。用户行为感知预测的同时，对网络中应用服务质量的测量感知也很重要。通过高效运行的网络状态数据采集和服务质量监测，对用户服务使用情况实时监视、系统评价网络服务质量，当网络服务质量与服务等级规则比较确定网络是否满足服务需求，如果没有满足服务需求，则该次服务将被告警并进行处置，系统将重新评定涉及的网络服务的质量，预测用户服务质量是否能被满足。网络服务的监视、评价、处置、重新评定闭环为网络服务的升级优化提供保障，直到用户需求被满足，如图2所示。感知管理平台服务质量数据告警管理服务等级管理查询管理违规监测层告警器服务质量服务等级违规数据1规则引擎1比较规则QoS数据厂质量监测层测量数据时延可靠性通断率应用程序基础网络图2应用服务感知技术原理2.2天地网络传输资源和服务资源统筹管理技术基于统一的资源管理和统筹思想，系统将实体的网络资源通过虚拟化进行统一的标识和管理。以卫星通信系统为例，虚拟资源管理包括虚拟卫星资源管理、虚拟波束资源管理、虚拟转发器资源管理、虚拟地球站资源管理、虚拟射频资源管理、虚拟基带资源管理、虚拟地面链路资源管务等。系统可以根据资源的不同类型、不同功能、不同性能进行分类存储，便于资源的统一调度系统实现虚拟资源和网络服务的统筹管理，并727赵晶等：基于天地融合网络的服务管理与智能交付技术2023年第8 期提供灵活的、快速的、动态的多种资源服务，为用户提供合理的统一的资源管理基础构架。资源的自主调度技术能够自主地、动态快速地调整资源以满足应用的需求。系统可以动态地分配、回收和调度资源，自主地使资源升级或降级运行。所谓升级运行就是负载增大、服务质量下降时，系统可以为之增加资源或提高资源性能；降级运行就是负载降低、资源过剩提供时，系统回收资源或降低资源性能。资源的自主调度技术从资源的智能化的角度支持了按需服务。资源的统一管理将资源以集中和一致的方式进行管理或使用,屏蔽资源的物理异构性和地理异构性，它是由资源系统内部完成的。各个资源管理服务之间具有统一的管理接口，消除多种资源间的操作差异，提高系统集成度，从而减轻管理复杂度。资源的按需服务是指能够按需分配资源，能够动态、自主地提供资源服务，以满足应用对资源需求的变化。基于网络传输资源的动态性和不确定性，网络传输服务首先被服务化，网络服务提供方需在系统中注册可提供的服务，涵盖服务内容、服务质量向量、服务提供方等信息，由系统动态维护服务信息。服务信息一方面是由提供方注册时填报，一方面也在网络服务过程中不断被监控测量，实时更新信息数据。管理系统将网络服务通过语义化描述语言对网络服务进行统一描述，在服务选择时根据用户需求查询服务信息。服务的注册可以支持不同类型的服务，从而实现服务之间的区分；另一方面，网络的目的是为用户提供友好、可用的服务，从复杂的网络服务参数中提取最重要的接口参数。本文采用“用户感知QoS”和“网络服务QoS”来标识，如图3所示。网络服务统一注册，信息包括网络能力以及时延、差错率、带宽等复杂技术参数，用户在使用服务时可在服务目录中检索服务信息，并提出所需的服务需求，包括最大传输率、长时间平均传输率、可容忍最小传输率、误码率、数据丢失率、带宽变化率、延时变化率、拥塞率等，系统根据用户的服务需求以及付费、用户等级等匹配相应的服务用户感知的QoS用户感知的QoS(QoE、Q o P)(QoE、Q o P)应用服务应用服务QoSQoS网络网络子网1子网QoSQoS端到端QoS图3网络服务质量分层模型业务等级合约（Service LevelAgreement,SLA），为天基、空基、海基和地基等各类用户提供不同的QoS性能指标的网络服务，SLA包含一个或多个服务等级目标（ServiceLevelObject，SL O），如服务可用性、吞吐量或响应时间。每个SLO都是由一个或多个指标度量的，例如服务可用性SLO可能包含度量指标，如可用性百分比、每个月最大停机次数和每次中断的最大持续时间。SLA从用户角度出发，把服务质量以QoS指标集合的形式进行量化，按照面向的对象、属性特征和作用范围的不同，可分为业务QoS指标和网络QoS指标，即分别为衡量业务层QoS的KQI(KeyQualityIn-dex）及衡量网络层QoS的KPI（K e y Pe r f o r m a n c e In-dex）。K Q I包括业务支撑性、业务可操作性、业务接人性、业务可持续性、业务完整性和业务安全性。KPI包括连接性、丢包率、传送时延、时延抖动、带宽等参数。2.3天地应用服务智能优选与动态集成技术应用服务智能优选与动态集成是指网络按照一定规则自主选择和控制服务的过程，以动态适应用户任务需求、网络运行环境等变化。如图4所示，系统接受用户需求，并根据用户应用需求创建任务对象，在创建任务时需要导人或输人用户应用需求，进行用户需求分析、明确资源类型、相似度分析等工作；根据任务需求进行资源调度，获取面向任务的资源集合；根据用户需求匹配相应的网络服务保障符合用户需求的SLA服务，并映射相应的网络资源；依据服务保障需求和网络资源为任务分配端到端的资源，返回资源分配预案；在任务执行过程中，对任务使用的资源进行监控，包括：使用监视、通报纠察、干扰识别、干扰定位、违规处理等，其中关于干扰的识别与定位需要借助专用设施完成。当任务对资源的使用在时间轴上产生冲突时，需要依据任务优先级对任务进行调度；当任务约定的时间到、任务运行结束或强制任务结束时，命令停止任务运行，回收分配的资源，清除与资源相关的配置。考虑到网络的动态适应性，拟基于复杂适应性系统理念，采用智能代理（Agent）技术，实时获取更新网络服务信息集合。其次，建立基于Agent的应用服务动态集成演化框架，支持网络运行时根据环境和服务状态的实时信息，通过自我学习的自主决策机制，基于需求模型，做出服务优选集成逻辑设计，然后对服务质量满足度进行实时监控，通过自我学习不断调整集成逻辑算法2023年第8 期728中网电子学研究院学報用户需求变化应用集成控制引擎集成逻辑设计需求感知事件队列集成规则设计需求获取与建模变化网络事祥态势感知实例化事件解析集成规则库Agent运行管理集成规则分发Agent开发一Agent注册Agent监测集成规则Agent部署一运行环境变化Agent容器集成AgentAgentAgent逻辑Agent界面服务Agent应用系统AgentAgentAgentAgent功能Agent服务服务服务服务天地异构网络图4应用服务智能优选与动态集成技术最后，系统进行服务的匹配和集成决策，如图5所示，系统在分析用户需求特点后，根据自身的服务申请需求选择已注册的应用服务信息。在确立了可用服务之后，以这些应用服务作为服务匹配决策系统的对象。每个应用服务包含其属性和属性值。系统基于应用服务的属性集合以及服务匹配规则集匹配相应的应用服务，并基于服务匹配知识库根据历史匹配决策的服务质量对服务匹配的最终结果进行评估确认。用户特点服务需求服务注册服务匹配决策系统服务匹配结果个属性集合服务匹配知识库规则集图5服务匹配模型2.4情景驱动的天地应用服务智能交付流程针对应用服务智能交付，建立分布式集成演化控制机制，从情景（如应用需求、网络态势）信息描述、感知与决策、控制与反馈等角度，提出情景驱动的服务集成方法。首先，对应用需求、网络态势进行描述，提取形式化参数（如网络性能、信息需求），为网络动态自适应控制奠定基础；其次，建立控制中心，实现情景感知、运行监控、服务选择、集成交付等控制功能，并与嵌人到各应用服务中进行交互；然后，收集来自运行环境、任务环境的数据，形成集成规则，并在服务目录、业务规则的支持下，动态影响资源（服务）选择，选出最佳目标资源组合执行，最终实现服务在线集成演化。2.5天地协同应用服务管理与智能交付平台天地协同应用服务管理与智能交付技术平台采用面向服务架构，包括情景感知、交付决策、服务执行等功能模块。以智慧城市典型应用为例，网络资源层通过天地融合网络构建覆盖范围广、通信质量好的网络系统，感知、获取、整个城市运行核心系统的各项关键信息；服务执行层在此基础之上建立网络应用服务数据库，包涵融合网络能提供的网络服务及相应的服务质量；交付决策层根据城市应用的运行情况以及各种应急通信情况，编制科学合理的通信应急预案及现有网络应用服务的集合；当情景感知层通过对网络状态的监控和城市运行情况的需求触发交付决策层，根据调用既有的应急预案实现快速、准确地调度网络资源，保证智慧城市应用。其中，天地融合网络的智能管理系统对智慧城市的支持在于异构网络的叠加，系统通过对天地网络资源的统筹调度，同样的网络服务可以由不同的网络支持，例如移动通信服务，用户不仅可以通过地下转第7 38 页）赵2023年第8 期729晶等：基于天地融网络的服务管理与智能交付技术任务需求业务规则智能聚合?用户偏好规则驱动?智能推送应用需求感知需求表述服务智能目标资源服务集成状态表述选择交付网络态势感知可用服务服务查询服务调用故障状态服务质量服务目录应用应用服务服务管理服务应用应用服务1服务应用应用服务应用服务服务图6情景驱动的应用服务智能交付流程面基站接人网络获取语音数据服务，也可以接人卫星节点获取服务。基于异构网络的叠加使得网络服务可以从多个网络获得保障，获得更优质的服务质量。情景应用服务管理与智能交付技术平台感知层智能交付界面应用需求感知网络态势感知集成规则网络资源配置交付决策层集成控制服务组合服务执行层应用服务应用服务网络路由器交换机资源层图7天地协同应用服务管理与智能交付技术平台3结语本文针对天地融合网络特点，基于日益复杂的应用类型以及高质量服务需求，通过对用户行为的刻画、网络态势的感知、服务质量的监控，基于情景感知、服务优选、智能交付以及动态的服务质量保障等技术实现个性化的网络服务交付能力，实现天地网络资源的统筹调度、高效服务、差异化保障，根据用户需求和网络状态为用户提供最优的应用服务。参考文献：1吴曼青.关于天地一体化信息网络发展的考虑C】/天地一体化信息网络高峰论坛论文集北京：工业和信息化部电子科学技术委员会，2 0 13：7 2-7 9.2张乃通，赵康，刘功亮对建设我国天地一体化信息网络的思考J中国电子科学研究院学报，2 0 15,10(10):223-230.3杨力，潘成胜，孔相广，等.5G融合卫星网络研究综述J通信学报，2 0 2 2,43（4)：2 0 2-2 15.4罗洪斌，张珊，王志远异构网络融合共生的需求、挑战与架构J电信科学，2 0 2 2,38（6）：18-30.5庞立新，冯建元，李杰，等天基信息网络发展与应用J.无线电通信技术,2 0 2 1,47（1）：12-18.6闵士权我国天基综合信息网构想J航天器工程，2013,22(5):1-14.7陆洲，田建召，赵晶，等高低轨混合卫星网络管控架构设计J中国电子科学研究院学报，2 0 2 0,15（1)：15-19.8朱福祥，胡成浩，刘言，等天地异构网络链路状态监视技术J天地一体化信息网络，2 0 2 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