CN110855509B - 一种新型的云化软件定义分组传送网sptn网络架构的配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的云化SPTN网络架构，包括网络硬件层、硬件抽象层、容器引擎层、容器编排层、南向接口协议适配层、资源抽象层、网络层、策略层、业务层、北向接口协议适配层和应用层。本发明的底层硬件采用虚拟化的方式，通过硬件适配层实现了控制平面和底层硬件分离，将设备的控制平面安装在服务器的虚拟机上，大大的降低了专有芯片和硬件的依赖；同时增加容器引擎层，用来实现容器的部署、镜像的加载以及存储的备份，采用容器部署业务能大大的降低成本，实现更快捷的进行网络环境部署和维护，从而有利于构建一个隔离的、稳定的、安全的高性能的运行环境。

Description

一种新型的云化软件定义分组传送网SPTN网络架构的配置 方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，尤其是涉及一种新型的云化软件定义分组传送网SPTN网络架构的配置方法。

背景技术

软件定义网络SDN技术具有开放性、智能化、虚拟化等优势，同时分组传送网PTN转发与控制分离，管理控制集中化的架构也具有向SDN技术演进优越性，中国移动将SDN的先进理念与PTN电信级可靠性、业务高质量的优势融合，打造软件定义分组传送网(SPTN)，通过标准化的南北向接口、开放性的应用服务，进一步增强网络资源的智能调度能力、以及扁平化客户需求和网络架构的关系，将控制平面进行智能化控制，这种架构使得SDN控制器拥有全局视角的网络拓扑、动态转发表、资源信息、故障状态等信息，从而能实现基于全网的控制和优化.是网络演进的新方向。软件定义分组传送网将PTN与SDN融合形成新的技术体系，发挥PTN电信级优势的同时兼具SDN智能控制平面的优势，是PTN发展的新方向。

但是，现有技术中SPTN设备的转发平面没有摆脱对专有芯片和硬件的依赖。另外，现有的SPTN仍然采用传统的操作系统进行部署，操作系统体积大，并且业务隔离差，并且在进行版本升级时成本高，尤其对于大容量的业务，网络维护和部署的成本急剧上升。

发明内容

本发明实施例提供一种新型的云化软件定义分组传送网SPTN网络架构的配置方法，旨在解决现有技术的SPTN所采用操作系统体积较大且业务隔离较差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种新型的云化软件定义分组传送网SPTN网络架构的配置方法，包括网络硬件层、硬件抽象层、容器引擎层、容器编排层、南向接口协议适配层、资源抽象层、网络层、策略层、业务层、北向接口协议适配层和应用层；

所述网络硬件层为采用虚拟化的X86硬件设备，用于将SDN转发平面的功能进行抽象化以及用于对软硬件进行解耦；

所述硬件抽象层用于将与业务无关的抽象资源进行池化，并通过加载虚拟化和云计算功能，以对计算资源、存储资源和网络设备资源进行调度和管理；

所述容器引擎层用于将上层配置的业务资源整合为具体镜像，并对整合的镜像数据进行加载、存储及备份；

所述容器编排层用于根据网络环境和业务对容器进行编排、管理和调度；

所述南向接口协议适配层用于对下层控制器、传送平面网元进行接口适配和数据下发；

所述资源抽象层用于收集网元资源信息；其中，所述网元资源信息包括网络节点资源信息和网络端口资源信息；

所述网络层用于对网络拓扑进行管理以及对网络管理通道进行连接；

所述策略层用于为所述业务层提供业务策略，以使所述业务层完成业务的选路、业务保护恢复、以及进行服务质量Qos和操作维护管理OAM属性设置；

所述业务层用于对目标业务进行建立、拆除和修改；其中，所述目标业务包括L2VPN业务、L3VPN业务和时分复用TDM仿真业务；

所述北向接口协议适配层用于与所述业务层进行数据交互；

所述应用层用于对OAM告警数据进行读取和上报，以及用于对OAM性能数据进行统计。

进一步地，所述容器编排层为通过Kubernetes引擎以根据网络环境和业务对容器进行编排、管理和调度。

进一步地，所述容器编排层还用于对业务所属容器进行业务扩容、业务缩容、业务故障切换、业务故障自愈以及业务平滑升级。

进一步地，所述应用层为采用Prometheus系统以对OAM告警数据进行读取和上报，以及对OAM性能数据进行统计。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种新型的云化SPTN网络架构，包括网络硬件层、硬件抽象层、容器引擎层、容器编排层、南向接口协议适配层、资源抽象层、网络层、策略层、业务层、北向接口协议适配层和应用层。本发明的底层硬件采用虚拟化的方式，通过硬件适配层实现了控制平面和底层硬件分离，将设备的控制平面安装在服务器的虚拟机上，大大的降低了专有芯片和硬件的依赖；同时增加容器引擎层，用来实现容器的部署、镜像的加载以及存储的备份，采用容器部署业务能大大的降低成本，实现更快捷的进行网络环境部署和维护，从而有利于构建一个隔离的、稳定的、安全的高性能的运行环境。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的新型的云化SPTN网络架构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明实施例提供了一种新型的云化SPTN网络架构，包括网络硬件层、硬件抽象层、容器引擎层、容器编排层、南向接口协议适配层、资源抽象层、网络层、策略层、业务层、北向接口协议适配层和应用层；

所述网络硬件层为采用虚拟化的X86硬件设备，用于将SDN转发平面的功能进行抽象化以及用于对软硬件进行解耦；

所述硬件抽象层用于将与业务无关的抽象资源进行池化，并通过加载虚拟化和云计算功能，以对计算资源、存储资源和网络设备资源进行调度和管理；

所述容器引擎层用于将上层配置的业务资源整合为具体镜像，并对整合的镜像数据进行加载、存储及备份；

所述容器编排层用于根据网络环境和业务对容器进行编排、管理和调度；

所述南向接口协议适配层用于对下层控制器、传送平面网元进行接口适配和数据下发；

所述资源抽象层用于收集网元资源信息；其中，所述网元资源信息包括网络节点资源信息和网络端口资源信息；

所述网络层用于对网络拓扑进行管理以及对网络管理通道进行连接；

所述策略层用于为所述业务层提供业务策略，以使所述业务层完成业务的选路、业务保护恢复、以及进行Qos和OAM属性设置；

所述业务层用于对目标业务进行建立、拆除和修改；其中，所述目标业务包括L2VPN业务、L3VPN业务和TDM仿真业务；

所述北向接口协议适配层用于与所述业务层进行数据交互；

所述应用层用于对OAM告警数据进行读取和上报，以及用于对OAM性能数据进行统计。

在本发明实施例中，进一步地，所述容器编排层为通过Kubernetes引擎以根据网络环境和业务对容器进行编排、管理和调度。

在本发明实施例中，进一步地，所述容器编排层还用于对业务所属容器进行业务扩容、业务缩容、业务故障切换、业务故障自愈以及业务平滑升级。

在本发明实施例中，进一步地，所述应用层为采用Prometheus系统以对OAM告警数据进行读取和上报，以及对OAM性能数据进行统计。

需要说明的是，相对于现有技术，本发明在基于现有SPTN的实现基础上，实现底层硬件虚拟化，不需要传统的专有硬件或者芯片，只需要服务器或者虚拟机就能正常运行。由于虚拟机体积较大，不适用于在大容量的网络上进行部署，因此本发明采用容器部署，容器具有体积小，使用轻便的优点，直接将业务部署在容器中，可以随时进行版本的升级、扩容。另外本发明采用Kubernetes实现容器跨集群和跨主机的调度和部署，垂直和水平可扩缩，以及版本的快速升级。

以下对本发明技术方案进行详细描述：

本发明提供的新型的云化SPTN网络架构如图1所示，在原有的SDN的架构的基础上，采用了南北向接口，实现了资源的开放以及软硬件的分离，并且面向不同的业务的层次化网络的信息模型抽象。

与传统的SPTN网络架构相比，本发明的改进点主要包括：

1、底层硬件采用了虚拟化的方式，通过硬件适配层实现了控制平面和底层硬件分离，将设备的控制平面安装在服务器的虚拟机上，大大的降低了专有芯片和硬件的依赖，

2、增加容器引擎层，用来实现容器的部署、镜像的加载以及存储的备份，采用容器部署业务能大大的降低成本，实现更快捷的进行网络环境部署和维护，容器的优势在于可以构建一个隔离的、稳定的、安全的高性能的运行环境。

3、增加容器编排层，通过Kubernetes的容器编排技术根据业务的需求对不同业务的容器进行编排、管理和调度。

下面将详细描述新型SPTN网络架构。

底层硬件层(网络硬件层)采用虚拟化的X86硬件以及网络虚拟化技术，同时将SDN进行转发平面的功能抽象，以及软硬件解耦，将设备功能彻底摆脱传统硬件的限制，使得网络能够独立于转发芯片。

硬件抽象层实现与业务无关的抽象资源池化能力，并且加载虚拟化和云计算功能，对计算、存储和网络设备等资源进行调度和管理，为上层业务显示提供开放的运行环境。

容器引擎层(Docker)加载在硬件抽象层之上，用于将上层配置的业务资源整合成具体的镜像，包括镜像备份、镜像加载，以及镜像数据存储以及备份。

容器编排层(Kubernetes)通过容器管理编排功能根据网络环境和业务对容器进行编排、管理、跨集群调度、扩缩容，版本升级和回退，能够满足当前的大规模集群环境下对容器的调度和部署要求。

北向接口协议层采用Kubernetes集群的REST API接口与业务层进行数据交互。

业务层实现了L2VPN、L3VPN、TDM仿真等业务的建立、拆除、修改功能，业务层采用策略层提供的各种策略完成业务的选路和保护恢复、Qos、OAM的属性设置，

网络层的功能主要是实现对网络的抽象能力，屏蔽物理细节，实现网络的拓扑管理、管理通道连接。

资源抽象层用来收集网元资源信息，包括网络中节点、端口等资源信息。

南向接口协议适配层对下层控制器、传送平面网元的接口适配和下发。

应用层实现资源、业务、告警、性能等数据的处理，包括告警，性能数据的读取，通过开源的Kubernetes的promethous组件的配置定制的方式来进行告警数据的读取、上报以及统计性能数据的显示。

以下列举具体例子用以解释说明本发明的技术实现：

1、组网设备采用服务器+光纤端口的方式，底层硬件采用X86方式进行业务的转发。

2、采用镜像部署容器的方案，将业务部署在不同的容器中。

3、采用Kubernetes进行业务容器的编排，将对应的业务所属的容器进行统一进行管理、调度，包括业务的扩缩容、故障切换、故障自愈以及平滑升级等。

4、采用Kubernetes Controller组件的方式来实现业务的增加、删除、修改、以及业务的平滑升级、故障自愈等功能。

5、控制平面采用OpenFlow协议进行扩展，支持MPLS-TP的OAM、保护以及层次化的QOS等功能。

6、转发层面使用OVS来构造Overlay网络模型，采用建立MACVLAN隧道的方式实现二层业务的互通，采用一个端口虚拟成多个子接口来实现。

7、三层业务采用Calico+BGP进行部署。

8、在接口适配层中采用Restful接口实现上层应用和控制器之间的适配，Restful接口将继承Kubernetes的APIServer基础上进行CRD扩展，方便用户进行业务配置、业务查询以及性能数据的查询。

9、告警数据、性能监控采用Kubernetes的开源组件Prometheus+Grafana，通过接口适配层获取告警、性能数据，通过用户定制的方式，或者yaml文件加载方式，输出告警和性能数据。

以下列举具体例子用以解释说明本发明的方案实现：

业务配置：

1、部署镜像，然后启动容器，容器用来加载各种不同类型的业务。

2、用户通过网管界面配置端口，配置端口的时候可以指定将端口关联具体容器或者Pod，端口类型可以是整接口或者子接口。

3、然后用户通过网管界面配置业务，业务类型是L2VPN、L3VPN等，并且业务关联到绑定端口的Pod上。

4、网管界面基于开源的DashBoard界面，并且将Kubernetes的API-Server组件进行扩展，能在网管界面上显示端口关联的Pod或者业务关联的Pod。

5、经过扩展后的Kubernetes的API-Server组件与北向接口进行对接，将用户的配置信息下发到S-Controller控制器中。

6、S-Controller负责域间业务的控制，通过接口解析相关的业务配置信息，对业务进行配置和编排，完成路由计算请求，隧道和伪线PW的创建，OAM和PW创建到D-Controller中。

7、D-Controller通过南向接口实现对数据平面的转发控制，在控制器中完成网络资源的管理以及虚拟化的实现。

8、在容器化二层网络部署采用MACVLAN的方式进行二层网络部署，首先将端口直接插入到Pod中，部署方式使用Kubernetes+multicni的模式，在一个物理端口下多个VLAN子接口，并且MAC地址和IP地址既可以自动生成，也可以手动修改，防止MAC地址冲突。

9、容器化三层网络部署采用Calico进行部署，Calico部署采用边界网关协议BGP模式进行动态路由查找和路由计算，在每一个节点或者虚拟设备中实现vRouter进行数据的转发，通过BGP协议将路由协议广播到整个网络。

10、将管理网口加入Pod，配置yaml部署Serive,Servie部署采用对外暴露IP的方式，能够在集群所有的主机都能访问服务。

性能监控

采用基于开源的Prometheus来监控OAM告警、性能数据统计。

1、Prometheus Server组件通过北向接口采集到的OAM告警和实时性能数据，并且提供数据查询功能。

2、Prometheus Server可以设置规则来匹配抓取的数据，如果存在告警规则，则抓取到数据之后生成告警，并且发送到AlertManager完成告警的汇总和分发等操作。

3、AlertManager收到告警信息之后进行处理，包括去重、分组并路到告警接收端，需要检测的告警项可以通过配置ConfigMap来进行指定。

4、Prometheus通过PromQL和其他API可视化地展示收集的数据，Prometheus还提供HTTP API的查询方式，自定义所需要的输出。

5、PushGateway将Client主动推送metrics到PushGateway，而Prometheus只是定时去Gateway上抓取数据。

需要说明的是，本发明方案的关键点在于：

(1)、网络架构包括底层硬件层、Docker层、Kubernetes层、南北向接口协议适配层，业务层、策略层、网络结构层、资源抽象层，网络部署的硬件采用IT服务器的方式进行部署，将Kubernetes作为抽象适配层，实现软硬件解耦，能够更快的部署新的网络业务。

(2)、将端口或者业务部署在容器或者Pod中，由Kubernetes的Controller进行管理，包括垂直和水平扩缩，版本升级。

(3)、采用MACVLAN方式部署二层网络，采用Calico+BGP的方式部署三层网络。

(4)、网管连接采用Kubernetes+Dashboard的方式进行部署，将kube-apiserver的组件与SPTN的北向接口进行对接，用户在界面可以进行业务的配置和修改操作。

(5)、监控系统采用Kubernetes+Prometheus的方式进行实时监控，通过北向接口采集告警和性能监控数据，并且可以通过配置文件加载方式，读取相关的监控项以及告警项，生成告警和监控数据。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明利用了容器的体积小、方便可扩展性的特点，再加上Kubernetes来管理容器的方式，能够实现网络的快速升级、垂直和水平可扩缩容，由于容器具有可再生的特点，链路故障的时候可以进行快速自愈，大幅度的减少了业务恢复时间，在转发层面上采用了MACVLAN的转发方式，报文封装绕过了内核处理，大大的提高了网络转发的性能，在三层转发业务上，采用Calico的方式可以在每一个节点或者虚拟设备中实现一个高效的vRouter实现数据的转发，而且每个vRouter通过BGP协议将路由协议广播到整个网络，并且节点组网可以直接利用数据中心的网络结构，不需要额外的封包。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种新型的云化软件定义分组传送网SPTN网络架构的配置方法，其特征在于，包括网络硬件层、硬件抽象层、容器引擎层、容器编排层、南向接口协议适配层、资源抽象层、网络层、策略层、业务层、北向接口协议适配层和应用层，实现了控制平面和底层硬件分离，将设备的控制平面安装在服务器的虚拟机上，大大的降低了专有芯片和硬件的依赖；

所述网络硬件层为采用虚拟化的X86硬件设备以及网络虚拟化技术，用于将软件定义网络SDN转发平面的功能进行抽象化以及用于对软硬件进行解耦，将设备功能彻底摆脱传统硬件的限制，使得网络能够独立于转发芯片；

所述硬件抽象层用于将与业务无关的抽象资源进行池化，并通过加载虚拟化和云计算功能，以对计算资源、存储资源和网络设备资源进行调度和管理，为上层业务显示提供开放的运行环境；

所述容器引擎层加载在硬件抽象层之上，用于将上层配置的业务资源整合为具体镜像，并对整合的镜像数据进行加载、存储及备份；

所述容器编排层为通过Kubernetes引擎以根据网络环境和业务对容器进行编排、管理和调度；

所述南向接口协议适配层用于对下层控制器和传送平面网元进行接口适配和数据下发；

所述资源抽象层用于收集网元资源信息；其中，所述网元资源信息包括网络节点资源信息和网络端口资源信息；

所述网络层用于对网络拓扑进行管理以及对网络管理通道进行连接，实现对网络的抽象能力，屏蔽物理细节，实现网络的拓扑管理和管理通道连接；

所述策略层用于为所述业务层提供业务策略，以使所述业务层完成业务的选路、业务保护恢复、以及进行服务质量Qos和操作维护管理OAM属性设置；

所述业务层用于对目标业务进行建立、拆除和修改，业务层采用策略层提供的各种策略完成业务的选路和保护恢复、Qos和OAM的属性设置；其中，所述目标业务包括L2VPN业务、L3VPN业务和时分复用TDM仿真业务；

所述北向接口协议适配层用于采用Kubernetes集群的REST API接口与所述业务层进行数据交互；

所述应用层用于对OAM告警数据进行读取和上报，以及用于对OAM性能数据进行统计，实现资源、业务、告警和性能数据的处理，包括告警和性能数据的读取，通过开源的Kubernetes的promethous组件的配置定制的方式来进行告警数据的读取、上报以及统计性能数据的显示；

所述云化SPTN网络架构的业务配置方式如下：

（1）、部署镜像，然后启动容器，容器用来加载各种不同类型的业务；

（2）、用户通过网管界面配置端口，配置端口的时候可以指定将端口关联具体容器或者Pod，端口类型可以是整接口或者子接口；

（3）、然后用户通过网管界面配置业务，并且业务关联到绑定端口的Pod上；

（4）、网管界面基于开源的DashBoard界面，并且将Kubernetes的API-Server组件进行扩展，在网管界面上显示端口关联的Pod或者业务关联的Pod；

（5）、经过扩展后的Kubernetes的API-Server组件与北向接口进行对接，将用户的配置信息下发到S-Controller控制器中；

（6）、S-Controller负责域间业务的控制，通过接口解析相关的业务配置信息， 对业务进行配置和编排，完成路由计算请求，隧道和伪线PW的创建，OAM和PW创建到D-Controller中；

（7）、D-Controller通过南向接口实现对数据平面的转发控制，在控制器中完成网络资源的管理以及虚拟化的实现；

（8）、在容器化二层网络部署采用MACVLAN的方式进行二层网络部署，首先将端口直接插入到Pod中，部署方式使用Kubernetes+multicni的模式，在一个物理端口下多个VLAN子接口，并且MAC地址和IP地址既可以自动生成，也可以手动修改，防止MAC地址冲突；

（9）、容器化三层网络部署采用Calico进行部署，Calico部署采用边界网关协议BGP模式进行动态路由查找和路由计算，在每一个节点或者虚拟设备中实现vRouter进行数据的转发，通过BGP协议将路由协议广播到整个网络；

（10）、将管理网口加入Pod，配置yaml部署Serive,Servie部署采用对外暴露IP的方式，能够在集群所有的主机都能访问服务；

采用基于开源的Prometheus来监控OAM告警和性能数据统计的方式如下：

a、Prometheus Server组件通过北向接口采集到的OAM告警和实时性能数据， 并且提供数据查询功能;

b、Prometheus Server设置规则来匹配抓取的数据，如果存在告警规则，则抓取到数据之后生成告警,并且发送到AlertManager完成包括告警的汇总和分发的操作；

c、AlertManager收到告警信息之后进行处理，包括去重、分组并路到告警接收端，需要检测的告警项通过配置ConfigMap来进行指定；

d、Prometheus通过PromQL可视化地展示收集的数据，Prometheus 还提供HTTP API的查询方式，自定义所需要的输出；

e、Client主动推送metrics到PushGateway，Prometheus定时到Gateway上抓取数据。

2.根据权利要求1所述的新型的云化软件定义分组传送网SPTN网络架构的配置方法，其特征在于，所述容器编排层还用于对业务所属容器进行业务扩容、业务缩容、业务故障切换、业务故障自愈以及业务平滑升级。

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