CN111542064A - 一种用于无线接入网的容器编排管理系统及编排方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于容器的无线接入网编排方法及管理系统，编排过程包括：响应虚拟网络构建，将预定的模板规范下发到该虚拟网络对应的控制节点，其中所述模板规范定义一种网络服务描述符用于描述无线接入网编排时所需的信息；在控制节点基于模板规范创建待构建虚拟网络对应的基础资源编排模板，所述基础资源编排模板包含该虚拟网络中所有虚拟网元对应的配置信息；对基础资源模板进行解析，获取创建承载虚拟网元的容器对应的资源配置信息和监控配置信息，并封装容器资源配置消息以及监控配置消息；将封装好的容器配置消息和监控配置消息传输到虚拟网元对应的工作节点进行容器实例化操作，并将实例化后的容器按照满足无线接入网的需求进行网络配置。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体来说，涉及通信系统中的无线接入网领域，更具体地说，涉及一种用于无线接入网的容器编排管理系统及编排方法。
背景技术
网络编排是指无线接入网领域，以用户需求为目的，有效组织各个网络服务单元(简称“网元”)，使网络各个组成部分平衡协调，最终生成满足用户要求的网络服务。网络编排本质上是用网络抽象语言定义网络服务所需要的各种资源并自动化部署的过程。
编排后得到的网络服务具有快速自动化部署、动态调整、重复使用的能力。尤其是现在正在建设部署中的5G移动通信网络更加需要有对不同的业务场景按需动态组网和灵活部署的能力。比如eMBB(enhanced mobile broadband,移动增强带宽)场景需要高带宽、大吞吐量的网络，uRLLC(ultra-reliable and low-latency communication，超高可靠超低时延通信)场景需要严格QoS保障、低时延的网络。5G移动通信网络通过网络切片技术构建不同的虚拟网络提供网络服务，为了降低运营商的运营成本，网络切片基于虚拟化技术将多个虚拟网络以逻辑隔离的方式运行在同一个物理网络上，因此，利用网络编排技术对物理网络的计算资源和网络资源等进行协调从而实现5G多场景下虚拟网络的按需快速自动化部署，对于5G网络部署管理具有非常重要的意义。
在依托编排技术解决不同业务网络生成与管理方面，Tacker和kubernetes分别在虚拟机和容器领域实现了网络编排管理。
其中，Tacker是Openstack的官方项目，基于ETSI MANO体系结构框架构建了VNF管理器和NFVO，依托KVM虚拟化技术和Openstack为VIM实现不同业务网络的编排与生命周期管理。Tacker通过网络服务描述符(Network Service Description，NSD)、VNF描述符(VNFD)、VNF转发描述符(VNFFGD)，通过解析器将编排模板转译成被OpenStack Heat接受的模板，之后通过NFVO实现对网络服务(Network Service，NS)的编排，并利用mgmt_driver插件对不同网络的生命周期进行管理、利用monitordriver监控各个VNF的健康状态。Kubernetes是Google针对容器管理与编排的开源项目，依托容器技术和操作系统内核实现不同业务的编排与生命周期管理。Kubernetes根据编排模板在Master节点解析编排模板分解为不同的pod，调度分配资源后选择Node节点实际建立Pod并配置相关网络，最终将所有pod部署完毕组成容器集群，则完成网络的自动化部署。之后利用kubectl API对网络中pod的生命周期进行管理，利用metric-sever实时监控pod的健康状况。
无线接入网一般具有低时延、高计算、大带宽的需求。针对不同业务的网络需求，尤其是时延要求很高的uRLLC业务，需要更加轻量级的编排系统，保证各模块之间通信时延消耗小，加快业务部署速度。在底层依托的虚拟化技术来说，需要更轻量级的容器技术来降低处理时延，从而加快无线接入网内各网元的处理速度(越底层的协议栈对时间要求严苛，如mac、phy层)。
Tacker依托虚拟化实现，所有的业务都会增加虚拟化层处理，在面对无线接入网这种低时延、高计算、大带宽的需求时性能会相对于物理机差别过大，没有考虑电信业务严苛的时延要求，无法满足某些场景下严苛的时延要求。而Kubernetes底层依赖容器技术，针对无线接入网其性能与物理机具有细微差别，但其更多针对互联网业务设计，以微服务、无状态、对外暴露接口这种特性实现容器的编排与管理。Tacker是底层基于Hypervisor实现的编排系统，其组件复杂，与虚拟机管理平台交互共同完成编排和虚拟机管理。从启动速度考虑，虚拟机启动速度为分钟级，而容器的启动速度为秒级别，而Tacker实现无线接入网编排时虚拟机实例化时间较大；从处理业务速度上考虑，虚拟机相比容器将多一层操作系统的处理时延，而无线接入网对时延非常敏感，虚拟机无法实现非常苛刻的通信时延需求，如uRLLC场景业务；从资源粒度考虑，虚拟机的资源划分粒度大于容器，一定程度上无法将资源利用率提升到最大。以Docker为代表的新兴容器技术具有轻量级、快速启停、资源占用率低的特点，可以更好的实现快速自动化部署，因此应用容器技术可以更好的承载无线接入网的快速自动化部署与运维，这将是未来无线接入网主要依托的虚拟化技术。那么，如何将容器技术应用在无线接入网网络编排领域是当下急需解决的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种新的无线接入网编排方法及管理系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的第一方面，提供一种应用于无线接入网的容器网络配置方法，包括如下步骤：清空容器原始网络配置以获得空的网络命名空间；在物理机设置新的网桥并固定挂接物理机的网卡；创建虚拟设备对，将虚拟设备对中的一个虚拟设备连接到物理机的网桥，虚拟设备对中的一个虚拟设备连接到容器的网络名命空间；将容器的IP地址设置为与物理机的IP地址在相同的网段；将容器IP地址的默认路由转发规则设置为与物理机相同的网关地址。
根据本发明的第二方面，提供一种无线接入网编排方法，用于构建虚拟网络中承载网络服务的虚拟网元，其中，一个虚拟网元对应一个容器,所述编排方法包括如下步骤：
第一，响应虚拟网络构建，将预定的模板规范下发到该虚拟网络对应的控制节点，其中所述模板规范定义一种网络服务描述符用于描述无线接入网编排时所需的信息；其中，所述网络服务描述符包括：网络服务描述符标识、虚拟网元承载节点物理机IP、虚拟网元信息描述和监控描述，其中网络服务描述符的规范结构如下：
NsdId用于描述网络描述符的唯一标识，一个标识对应一个虚拟网元；
NodeIP用于描述虚拟网元承载节点物理机IP；
ContainerInfo用于描述虚拟网元信息描述，包括：
ContainerName/虚拟网元名称/
Image/虚拟网元对应的基础镜像名称/
ImageVersion/虚拟网元对应的基础镜像版本/
MemoryLimit/虚拟网元内存最大限制/
Privilege/虚拟网元是否具有物理机内核操作权限/
Volume/虚拟网元挂载物理机内存地址/；
Network用于描述虚拟网元网络信息描述，包括：
NetCounts/虚拟网元需要的网络IP个数/
NetworkType/虚拟网元的网络类型/
NetworkName/虚拟网元连接的物理机网络名称/
ContainerIP/虚拟网元对应的IP/
ContainerNetName/虚拟网元网络名称/
Gateway/局域网网关IP/；
MonitorDescription用于描述虚拟网元监控描述，包括：
MonitorName/虚拟网元监控名称/
MonitorIP/监控虚拟网元的IP/
MonitorCount/虚拟网元监控配置的请求次数/
MonitorPort/虚拟网元监控端口/。
第二，在控制节点基于模板规范创建待构建虚拟网络对应的基础资源编排模板，所述基础资源编排模板包含该虚拟网络中所有虚拟网元对应的配置信息；其中，根据当前待构建虚拟网络的要求，按照网络服务描述符的规范，创建包含虚拟网元对应的具体配置信息的基础资源编排模板，其中，所述基础资源编排模板中包含所有虚拟网元的具体配置信息，并用唯一标识区分不同的虚拟网元。
第三，对基础资源模板进行解析，获取创建承载虚拟网元的容器对应的资源配置信息和监控配置信息，并封装容器资源配置消息以及监控配置消息；
第四，将封装好的容器配置消息和监控配置消息传输到虚拟网元对应的工作节点进行容器实例化操作，并将实例化后的容器按照本发明第一方面所示的方法进行网络配置。
优选的，所述编排方法还包括在控制节点定义实例化接口、停止接口、查询接口、删除接口和重启接口，其中：实例化接口用于根据基础资源编排模板的信息触发工作节点实例化虚拟网元的容器；停止接口用于触发工作节点停止某个运行的虚拟网元的容器；查询接口用于查询工作节点上的某个虚拟网元的容器的监控信息；删除接口用于删除工作节点上某个停止运行的虚拟网元的容器；重启接口用于重启工作节点上某个损坏或停止的虚拟网元的容器。
优选的，在本发明的一些实施例中，在工作节点创建数据库用于存储该节点上运行的所有容器的信息，其中，在数据库中为运行在该工作节点上的每个容器构建容器信息存储表用于持久化数据，一个容器对应容器信息存储表中的一行，并根据该工作节点上所运行容器的变化实时更新数据库；其中，容器信息存储表每行包括如下信息：容器id、虚拟网元的容器名称、虚拟网元依托镜像名称、容器最大内存、容器权限、容器IP地址对应主机物理网卡名称、容器的IP地址、容器IP地址对应网卡名称、容器状态。对某个容器损坏的虚拟网元，根据损坏容器对应的容器信息存储表的信息重新封装对应的容器配置结构体并在原工作节点重启该虚拟网元的容器并对其进行网络配置。
根据本发明的第三方面，提供一种无线接入网编排管理系统，用于无线接入网中虚拟网络的资源编排，包括:
配置在控制节点的：
界面编排器，用于按照网络服务描述符描述的规范创建基础资源编排模板，所述基础资源编排模板包含虚拟网络中所有虚拟网元对应的配置信息；
编排模板翻译器，用于解析所述界面编排器创建的基础资源编排模板，获取创建承载虚拟网元的各个容器对应的资源配置信息和监控配置信息，并封装容器资源配置消息以及监控配置消息；
界面管理器，用于触发基础资源编排模板中指定的工作节点的虚拟网元以及虚拟网元的生命周期管理；以及
配置在工作节点的：
虚拟网元配置驱动，用于根据所述编排模板翻译器封装的容器资源配置消息拉取对应的容器镜像并在工作节点实例化为虚拟网元对应的容器，并按照权利要求1所述的方法进行网络配置；
虚拟网元管理驱动，用于基于界面管理器的触发管理虚拟网元，对虚拟网元进行停止、重启、删除、静态迁移操作；
虚拟网元监控驱动，用于基于界面管理器的触发监控虚拟网元的健康状态以及资源使用情况；
虚拟基础设施管理器，用于构建支持实时性内核、网络环境为Linux网的容器环境。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在综合考虑5G网络系统架构与无线接入网的网元对于实时性要求高的特点，为了有效的降低构建虚拟网络过程中动态按需组网的工作复杂度，基于Docker提出一种新的面向无线接入网的编排方法及管理系统，通过解决容器之间的网络问题，让容器实现基于固定IP的数据包交换后，基于Docker容器构建无线接入网编排管理系统用于支持无线接入网在不同场景下虚拟网络对应各虚拟网元的自动化部署与全生命周期管理。本发明充分利用容器的轻量级、快速启停、资源占用率低的特性，能够更好的满足5G网络中动态按需组网的需求。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明示例的MAC与PHY之间单向通信成功时PHY层协议运行的日志数据示意图；
图2为根据本发明示例的MAC与PHY之间单向通信成功时MAC层协议运行的日志数据示意图；
图3为根据本发明实施例的一种用于无线接入网的容器编排管理系统的系统框架示意图；
图4为根据本发明实施例的编排管理系统停止虚拟网元流程示意图；
图5为根据本发明实施例的系统性能测试对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
发明人经过研究发现，基于容器的轻量级、快速启停、资源占用率低的特性，将其应用于无线接入网网络编排可以很好的满足无线接入网的低时延和按需快速自动化部署需求。
基于容器技术实现无线接入网编排时，接入网的虚拟网元对于容器的IP地址的配置则具有特定的要求：一方面，不同的虚拟网元基于不同的容器建立，虚拟网元之间的信息交互需要固定所属容器的IP地址。另一方面，一些承载特殊业务的虚拟网元要绑定网卡进行固定速率的通信，如物理层协议采用DPDK(Data Plane Development Kit，数据平面开发套件)加速数据包转发功能时需要指定万兆网卡，则需要在固定容器IP地址的基础上绑定特定的物理网卡保证固定速率的信息交互；进一步，某些虚拟网元可能还需要指定多个IP地址并分别绑定不同的网卡分别进行固定速率的IP数据包交互，如物理层协议一方面需要与万兆网卡绑定的IP地址与FPGA完成高速数据交换，另一方面需要与千兆网卡绑定的IP地址与核心网或者网管平台进行控制信息交互。
现有技术下，容器领域应用编排标准工具Kubernetes、底层依托Docker来实现不同服务的编排与生命周期管理，Kubernetes封装容器是以Pod为基本单位承载不同的服务，集群内所有的Pod通常在Kubernetes中利用Flannel或者Calico构建的CNI网络模型进行通信。两种不同的网络模型在网络构建上有不同的方式：
Flannel通过创建覆盖网络(Overlay Network)实现集群中的不同节点主机创建的Pod都具有全集群唯一的虚拟IP地址，其虽然保证所有Pod的IP不会冲突，但存在以下两个问题：一是IP地址需要Flannel自行分配，无法分配固定IP给容器；二是虚拟的IP地址无法对集群外部暴露，更无法与集群外部的物理机处于相同网段并进行IP数据包交互。
Calico是基于BGP的纯三层网络协议，保证所有容器之间的数据流量通过IP数据包进行互联互通，通过关闭其默认的隧道(IPIP)模式，通过传统BGP模式并修改路由规则可在创建Pod时固定IP地址，但Calico网络固定的IP地址仍然是在集群内部可见，无法与集群外部物理机处于相同网段并进行IP数据包交换。
在固定网卡方面，Flannel和Calico都无法指定网络流量走向，即无法对Pod的IP地址绑定指定网卡。此外，如果对Pod具有多个网卡多个IP地址的需求，Flannel和Calico都无法对一个Pod分配多个与物理机处于相同网段的IP地址。针对容器集群与对外物理机之间的通信，Kubernetes利用Nodeport的方式对外暴露port并映射内部Service port进行通信、利用Ingress作为七层Load balancer通过URI映射内部Service进行集群内外的通信，但其对外暴露的集中通信方式更适合互联网微服务架构的网络设计，无法满足无线接入网的编排需求。Kubernetes虽然是容器领域最常用的编排系统，但无论是Kubernetes集群内Pod之间的网络通信还是集群外物理机与集群内Pod之间的网络通信都无法满足无线接入网基于固定网卡与IP地址的通信需求。
现有技术下，对于Docker容器本身而言，其自身以轻量级为核心设计理念，自身提供的host、container、none、birdge四种网络模式用于通信。其中，birdge模式相当于NAT模式，利用docker0网桥与外界进行通信，但对外不暴露IP；host模式与主机利用相同的网卡与IP地址；container模式与另一个容器共享网卡与IP地址；None模式代表不设置容器网络。上述网络都无法满足无线接入网的特殊需求，此外Docker自身也不具备编排功能。因此本发明利用Docker容器来实现无线接入网的编排与管理需要解决以下问题：
(1)现有的容器编排方式不适用于无线接入网的需求，需要设计新的用于无线接入网的编排方法来进行容器化编排。
(2)Docker容器自身存在的网络缺陷问题无法直接满足无线接入网的需求,需要对Docker构建单独的网络模式用于支持无线接入网的虚拟网元固定IP地址并绑定网卡控制流量走向的需求，从而满足无线接入网容器化编排时对网络资源的配置要求。
(3)Docker容器自身不支持编排管理，在解决问题(2)的基础上需要设计新的编排管理系统，为了增加管理粒度，对于多个场景下的虚拟网络对应的所有虚拟网元进行编排，并对运行的虚拟网元的资源使用情况进行监控、对其生命周期进行管理，用于保证不同场景下虚拟网络对应虚拟网元的快速自动化部署与运维。
为了解决上述问题，本发明基于Docker容器支持自定义网络的特性，设计单独的网络模式用于容器集群之间的通信，并设计支持无线接入网的编排方法及管理系统。
通过上述方法对容器网络进行配置，实现了完全自定义容器的networknamespace，改造后的容器网络可满足无线接入网的虚拟网元基于IP数据包的信息交互，设置容器挂接对应固定速率的主机网卡从而便于利用DPDK等技术加速数据包的转发处理满足接入网业务严苛的时延需求，两者共同满足接入网的特殊网络需求。然后，基于自定义网络的Docker容器实现无线接入网的编排，能够实现按需快速自动部署。
根据本发明的一个实施例，本发明提供一种基于自定义网络的Docker容器的无线接入网编排方法，包括如下步骤：
步骤1、响应虚拟网络构建，将预定的模板规范下发到该虚拟网络对应的控制节点，其中所述模板规范定义一种网络服务描述符(Network Service Description，NSD)用于描述无线接入网编排时所需的关键信息；网络服务描述符如表1所示。
表1
| 参数 | 对应含义 |
| NsdId | NSD唯一标识 |
| NodeIP | 虚拟网元承载节点物理机IP |
| ContainerInfo | 虚拟网元信息描述 |
| ContainerName | 虚拟网元名称 |
| Image | 虚拟网元对应的基础镜像名称 |
| ImageVersion | 虚拟网元对应的基础镜像版本 |
| MemoryLimit | 虚拟网元内存最大限制 |
| Privilege | 虚拟网元是否具有物理机内核操作权限 |
| Volume | 虚拟网元挂载物理机内存地址 |
| NetCounts | 虚拟网元需要网络IP个数 |
| NetworkType | 虚拟网元网络类型 |
| NetworkName | 虚拟网元连接的物理机网络名称 |
| ContainerIP | 虚拟网元对应的IP |
| ContainerNetName | 虚拟网元网络名称 |
| Gateway | 局域网网关IP |
| MonitorDescription | 虚拟网元监控描述 |
| MonitorName | 虚拟网元监控名称 |
| MonitorIP | 监控虚拟网元的IP |
| MonitorCount | 虚拟网元监控配置请求次数 |
| MonitorPort | 虚拟网元监控端口 |
步骤2、在控制节点基于模板规范创建待构建虚拟网络对应的基础资源编排模板，所述基础资源编排模板包含该虚拟网络中所有虚拟网元对应的配置信息；根据本发明的第一个示例，以超级基站Testmac业务的网络编排为例，假设Testmac业务只有一个网元，基于网络服务描述符定义的规范，构建的Testmac业务的基础资源编排模板信息如下所示：
其中，第1行表示的是XML编排模板即基础资源模板的版本和编码信息。
第2表示的是NSD标识。
第3行表示的是此次编排的虚拟网元工作节点的物理机IP，物理机IP为10.172.3.101。
第4行到24行表示的是虚拟网元对应容器的资源配置信息，其中，容器名称为4gphy，容器依托的镜像为4gphy_cetos,镜像版本为最新版，虚拟网元最大内存为20G，虚拟网元具有物理机内存操作权限，虚拟网元挂在物理机内存地址由sys/bus/pci/drivers、sys/kernel/mm/hugepage、sys/devices/system/node、dev、lib/modules、opt/dpdk-16.11限定，虚拟网元需要1个IP，虚拟网元的网络类型为桥接(birdge)，网桥名称为br1，虚拟网元对应IP为10.172.3.192(该IP与物理机IP在同一网段)，虚拟网元网络名称为eth0，网关为10.172.3.254.
第25行到30行表示的是容器的监控配置信息，其中，监控方式为ping，监控IP为10.172.3.101、监控IP为10.172.3.192，每次监控次数为3，监控端口为22。
根据本发明的第二个示例，以超级基站Testmac业务的网络编排为例，假设Testmac业务有两个网元，基于网络服务描述符定义的规范，构建的Testmac业务的基础资源编排模板信息如下所示：
具体每行信息与第一个示例类似，此处不再赘述。
无线接入网中，不同的虚拟网络包含的虚拟网元个数以及虚拟网元的配置均不同，根据待构建虚拟网络的不同，基础资源编排模板也不同。通过第二个示例可知，本发明的基础资源编排模板中包含了所有虚拟网元对应的配置信息，不同的虚拟网元之间用NSD标识符区分。
步骤4、对基础资源模板进行解析，获取创建承载虚拟网元的容器对应的资源配置信息和监控配置信息，并封装容器资源配置消息和监控配置消息形成容器资源配置结构体和监控配置结构体，发送封装好的消息至缓冲区以传输到消息指定的工作节点，根据解析到的基础资源编排模板中工作节点IP(基础资源编排模板中NodeIP指示的IP)并确认该工作节点资源是否足够，资源充足则利用Socket建立TCP连接将解析完成的容器配置结构体和监控配置结构体发送给工作节点。其中，一个虚拟网元对应一个容器资源配置结构体和监控配置结构体，如本发明第二个示例所述，对第二个示例的基础资源编排模板进行解析后，将获得两个虚拟网元对应的容器资源配置结构体和监控配置结构体。
步骤5、在工作节点拉取容器镜像并根据容器配置消息进行容器实例化操作，工作节点接收容器资源配置消息和监控配置消息，并根据接收到每个虚拟网元对应的容器配置结构体和监控配置结构体用于真正实例化承载网络服务对应的虚拟网元的容器，通过分别启动线程创建VNE(容器创建和网络配置)和启动线程配置监控信息完成工作节点容器的创建；其中，若承载节点资源不够则创建失败。将实例化后的容器按照如下方式进行网络配置：清空容器原始网络配置以获得空的网络名命空间，也就是针对Docker容器应用于无线接入网时自身网络的缺陷，摒弃Docker0网桥与一切Docker自身网络配置，此时的Docker容器只有一个空的networknamespace(网络命名空间)，其内部没有任何网络；在物理机设置新的网桥并固定挂接物理机的网卡，具体的，可根据网元速率要求选择挂接的网卡，如万兆网卡、千兆网卡等；创建虚拟设备对(veth-pair)，将虚拟设备对中的一个虚拟设备连接到物理机的网桥，虚拟设备对中的一个虚拟设备连接到容器的网络名命空间；将容器的IP地址设置为与物理机的IP地址在相同的网段；将容器IP地址的默认路由转发规则设置为与物理机相同的网关地址。然后根据监控配置消息进行容器监控配置以对容器的健康状态以及资源使用情况进行监控。例如，第一个示例中，将封装好的容器资源配置信息和监控配置信息传输到对应的工作节点，工作节点对应物理机IP为10.172.3.101，在该节点拉取容器镜像4gphy_cetos并实例化为容器4gphy，将容器4gphy的IP配置为10.172.3.192，同时对该节点按照监控配置信息进行监控配置。
步骤6、在工作节点创建数据库用于存储该节点上运行的所有容器的信息。其中，在工作节点的数据库中为运行在该工作节点上的每个容器构建容器信息存储表用于持久化数据，一个容器对应容器信息存储表的一行，并根据该工作节点上所运行容器的变化实时更新数据库；其中，容器信息存储表每行包括如下信息：容器id、虚拟网元的容器名称、虚拟网元依托镜像名称、容器最大内存、容器权限、容器IP地址对应主机物理网卡名称、容器的IP地址、容器IP地址对应网卡名称、容器状态。当某个容器损坏时，根据损坏容器对应的容器信息存储表的信息重新封装对应的容器配置结构体并在原工作节点重启该虚拟网元的容器并对其进行网络配置。根据本发的一个实施例，对容器损坏的虚拟网元执行重启操作包括如下步骤：获取数据库中该容器对应的网络配置信息；基于数据库中该容器对应的网络配置信息重新封装对应的容器配置结构体并将对应的重启命令和结构体发送给承载该容器对应虚拟网元的工作节点；工作节点重启容器，并根据接收到的容器配置结构体配置重启容器的网络。
优选的，本发明在控制节点定义实例化接口、停止接口、查询接口、删除接口和重启接口，其中：实例化接口用于根据基础资源编排模板的信息触发工作节点实例化虚拟网元的容器并完成虚拟网元的配置；停止接口用于触发工作节点停止某个运行的虚拟网元的容器；查询接口用于查询工作节点上的某个虚拟网元的容器的监控信息；删除接口用于删除工作节点上某个停止运行的虚拟网元的容器；重启接口用于重启工作节点上某个损坏或停止的虚拟网元的容器。其中，每个虚拟网元上承载的是网络服务(NS)。
基于本发明的无线接入网编排方法，用户一次请求就可以完成接入网对应的虚拟网元创建及计算能力配置(用于限制此容器承载网元可以使用的主机的CPU运算能力)、容器权限(用于限制容器是否用于主机的root权限)、挂载数据卷(用于限制容器可以和主机共享的文件)、配置网络(用于配置可以和其余同网段机器通信的容器网络设置)，实现快速自动部署。
为例更好的说明本发明的无线接入网编排方法的效果，以第一个示例为例，按照本发明所述方法实现超级基站Testmac业务的网络编排，在实例化的容器中Testmac业务，Testmac作为独立的应用程序能够像真实的MAC一样和PHY一起运行，模拟Testmac发消息的过程，可测试位准确性功能和PHY的实时运行，图1和图2分别展示了MAC与PHY之间单向通信成功的过程。其中，在按照上述过程对Testmac业务编排成功后，从编排模板可以看到容器名称为4gphy,工作节点IP地址为10.172.3.101，在此IP节点利用docker attach 4gphy(docker的一个API，可以进入容器内部)命令进入对应的容器(此容器就是承载Testmac业务的虚拟网元)找到对应的Testmac业务代码。运行phy层协议，第一会启动程序自身的日志信息，方便后续记录程序运行；第二进行相关配置，如图1所示，可以看到phy层选择timer模式进行工作，并且容器以最高权限(编排模板Privilege为ture,表示此容器具有跟物理机一样的最高权限)分配了大页内存供后序与mac根据共享内存来高速数据交换，最后是BBU处理池中各线程启动成功的信息。运行mac层协议，第一是读取一些配置文件的信息，第二是mac对phy发送上行IQ采样请求，第三是mac和phy进行api发送接收的过程，此后的NumTTIs则代表了当前运行成功的TTI子帧总个数，如图2所示，图中已成功运行20000个TTI子帧，则说明phy和mac正常通信，也就说明了此虚拟网元承载的Testmac业务在容器环境下工作正常，说明了本发明方法对应的编排过程可以正常工作，方法有效。
根据本发明的一个实施例，基于自定义网络的Docker容器实现无线接入网的编排，根据下发的RAN(Radio Access Network,无线接入网)端编排模板文件进行解析与翻译，根据解析结果创建TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)连接下发任务到承载节点即工作节点进行实际部署，每个虚拟网络对应的各个虚拟网元的实例化是独立的，可以在同一物理机上依次启动多个线程同时并行运行以加快部署速度，每个线程维护一个虚拟网元的容器实例化，包括资源配置、网络配置和监控配置。单个虚拟网元依托单个容器运行，这样既保证各个虚拟网元之间的独立性，又在满足虚拟网络对应虚拟网元实时性要求的情况下大大提高了硬件资源的利用率；
根据本发明的一个实施例，本发明提供一种能够实现无线接入网编排的容器编排管理系统，如图3所示,编排管理系统包括配置在控制节点的界面编排器、编排模板翻译器、界面管理器以及配置在工作节点的虚拟网元配置驱动、虚拟基础设施管理器、虚拟网元管理驱动和虚拟网元监控驱动。一个虚拟网络可以包括一个或多个虚拟网元，如图4所示，以三个虚拟网元为例，每个虚拟网元承载一个网络服务(NS)，示意性的表示为NS-1、NS-2、NS-3。
其中，界面编排器，用于按照网络服务描述符描述的规范创建基础资源编排模板，所述基础资源编排模板包含虚拟网络中所有虚拟网元对应的配置信息；基于基础资源编排模板，用户一次请求就可以完成接入网对应的虚拟网元创建及计算能力配置(用于限制此容器承载网元可以使用的主机的CPU运算能力)、容器权限(用于限制容器是否用于主机的root权限)、挂载数据卷(用于限制容器可以和主机共享的文件)、配置网络(用于配置可以和其余同网段机器通信的容器网络设置)。
编排模板翻译器，用于解析所述界面编排器创建的基础资源编排模板，获取创建承载虚拟网元的各个容器对应的资源配置信息和监控配置信息，并封装容器资源配置消息以及监控配置消息形成容器资源配置结构体和监控配置结构体。
界面管理器，用于触发基础资源编排模板中指定的工作节点的虚拟网元以及虚拟网元的生命周期管理，包括停止、重启、删除、静态迁移等，并可以对镜像进行管理、对所有虚拟网元进行监控。
虚拟网元配置驱动，用于根据所述遍布模板翻译器封装的容器资源配置消息拉取对应的容器镜像并在工作节点实例化为虚拟网元对应的容器并将容器网络按照无线接入网的需求进行配置，当工作节点的资源符合容器资源需求即可新建虚拟网元并触发以下线程：触发虚拟网元创建任务，其中容器要求的关键配置信息从基础资源编排模板解析结果中获取；触发虚拟网元监控驱动，根据基础资源编排模板解析结果触发容器监控。
虚拟网元管理驱动，用于基于界面管理器的触发管理虚拟网元，对虚拟网元进行停止、重启、删除、静态迁移操作，主要通过调用Docker容器的API实现虚拟网元的停止、重启、删除、静态迁移操作。
虚拟网元监控驱动，用于基于界面管理器的触发监控虚拟网元的健康状态以及资源使用情况，优选的，利用ping驱动来监控容器可达性以保证虚拟网元正常运行并在集群网络范围内，利用Docker容器API和Linux API来查看CPU、内存等信息。
虚拟基础设施管理器，用于构建支持实时性内核、网络环境为Linux网的容器环境。
根据本发明的一个实施例，如果虚拟网元监控驱动监控到某个网元无法ping通(例如IP地址不可达)则判断此网元不受界面管理器控制，虚拟网元承载的业务也运行异常，容器损坏，则在界面管理器触发网元生命周期管理，并按照如下方式重新启动该虚拟网元：根据数据库中存储的此虚拟网元承载容器的网络配置信息(无需资源配置信息用于减少数据传送量)，重新按照此标准封装对应的容器配置结构体并利用Socket发送重启命令与结构体信息给原来运行此虚拟网元的节点IP；原来运行该虚拟网元的此节点监听TCP连接并启动相应线程调用Docker容器API重启容器，若重启失败则向监控驱动返回重启错误信息，若重启成功则根据接收到的容器配置结构体配置网络，包括IP和网卡设置；回复重启成功信息给界面管理器，同时虚拟网元监控驱动重新监控此容器信息。
本发明在综合考虑5G网络系统架构与无线接入网的网元对于实时性要求高的特点，为了有效的降低构建虚拟网络过程中动态按需组网的工作复杂度，基于Docker提出一种新的面向无线接入网的编排方法及管理系统，通过解决容器之间的网络问题，让容器实现基于固定IP的数据包交换后，基于Docker容器构建无线接入网编排管理系统用于支持无线接入网在不同场景下虚拟网络对应各虚拟网元的自动化部署与全生命周期管理。
优选的，通过在控制节点定义如表2所示的实例化接口、停止接口、查询接口、删除接口和重启接口，本发明的编排管理系统能够实现对虚拟网元的全生命周期管理，包括根据网络服务的需求，对虚拟网元的容器进行停止、重启、删除、静态迁移等操作。
表2
以停止网络服务为例，如图4所示，包括如下步骤:
S1、由界面控制器通过停止接口下发停止网络服务的命令，停止承载该网络服务的虚拟网元对应的容器；
S2、停止接口控制消息封装，并发送消息至缓冲区以传输到指定节点，该指定节点是承载要停止的虚拟网元的工作节点；
S3、工作节点接收消息，启动线程停止对应的容器以停止网络服务，并根据执行结果更新该工作节点的数据库；
S4、更新监控信息展示给界面控制器。
本发明充分利用容器的轻量级、快速启停、资源占用率低的特性，能够更好的满足5G网络中动态按需组网的需求。本发明的网络编排技术对于动态按需组网的意义在于，动态按需组网相比传统网络提高了运维与部署的复杂度，在无线通信领域还没有有效的手段解决此问题，目前业界的共识是利用云计算领域的编排工具，所谓编排是指在用户提出个性化网络需求之后，首先需要利用编排器解析需求并将其转化为串行的工作流，之后自动化执行整个工作流创建并运行特定配置的容器。具体的讲，当每个工作流下发到具体的承载节点时，针对不同的网元，每个容器根据不同的资源需求自动化完成创建、内存与计算资源配置、挂载数据卷、网络路由配置等任务，当所有的容器实例化完成之后，编排任务所对应的网络部署完成并创建成功。利用编排技术快速依托虚拟化实现网络构建，即一键生成满足用户需求的个性化网络，大大加快网络部署速度。
为了更好的说明本发明的编排管理系统的性能，利用测试工具Cyclictest测试内核的延迟,分别测试物理机、虚拟机、Docker的实时性，其中，测试参数taskset–c2cyclictest–m–n–p 90-I 200-l100000000000–t 10，测试结果如图5所示，根据测试结果可知，Docker的实时性与物理机相当，内核延迟为5us左右，虚拟机相对较差，最高时延接近15us，则利用Docker技术可以更好满足无线接入网的时延要求。
本专利针对Docker容器实现的无线接入网编排之后的管理需求实现容器集群中所有虚拟网元的生命周期管理和实时监控。管理方面，界面管理器可以根据需求和监控信息下发命令，触发线程对指定虚拟网元进行管理，包括停止、重启、删除、静态迁移同时更新数据库内对应的容器信息存储表ContainerTable(容器信息表)用于持久化数据；监控方面，根据数据库ContainerTable利用Linux API(Linux Application ProgrammingInterface,Linux应用程序接口)实时对容器的健康状况进行监控、利用Docker API(Docker Application Programming Interface,Docker应用程序接口))对容器的资源使用情况进行监控，页面控制器可以实时查看监控信息并管理所有虚拟网元的生命周期。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种应用于无线接入网的容器网络配置方法，其特征在于，包括如下步骤：
清空容器原始网络配置以获得空的网络命名空间；
在物理机设置新的网桥并固定挂接物理机的网卡；
创建虚拟设备对，将虚拟设备对中的一个虚拟设备连接到物理机的网桥，虚拟设备对中的一个虚拟设备连接到容器的网络名命空间；
将容器的IP地址设置为与物理机的IP地址在相同的网段；
将容器IP地址的默认路由转发规则设置为与物理机相同的网关地址。
2.一种无线接入网编排方法，用于构建虚拟网络中承载网络服务的虚拟网元，其中，一个虚拟网元对应一个容器，其特征在于，所述编排方法包括如下步骤：
响应虚拟网络构建，将预定的模板规范下发到该虚拟网络对应的控制节点，其中所述模板规范定义一种网络服务描述符用于描述无线接入网编排时所需的信息；
在控制节点基于模板规范创建待构建虚拟网络对应的基础资源编排模板，所述基础资源编排模板包含该虚拟网络中所有虚拟网元对应的配置信息；
对基础资源模板进行解析，获取创建承载虚拟网元的容器对应的资源配置信息和监控配置信息，并封装容器资源配置消息以及监控配置消息；
将封装好的容器配置消息和监控配置消息传输到虚拟网元对应的工作节点进行容器实例化操作，并将实例化后的容器按照权利要求1所述的方法进行网络配置。
3.根据权利要求2所述的一种无线接入网编排方法，其特征在于，所述网络服务描述符包括：网络服务描述符标识、虚拟网元承载节点物理机IP、虚拟网元信息描述和监控描述，其中网络服务描述符的规范结构如下：
NsdId用于描述网络描述符的唯一标识，一个标识对应一个虚拟网元；
NodeIP用于描述虚拟网元承载节点物理机IP；
ContainerInfo用于描述虚拟网元信息描述，包括：
ContainerName/虚拟网元名称/
Image/虚拟网元对应的基础镜像名称/
ImageVersion/虚拟网元对应的基础镜像版本/
MemoryLimit/虚拟网元内存最大限制/
Privilege/虚拟网元是否具有物理机内核操作权限/
Volume/虚拟网元挂载物理机内存地址/；
Network用于描述虚拟网元网络信息描述，包括：
NetCounts/虚拟网元需要的网络IP个数/
NetworkType/虚拟网元的网络类型/
NetworkName/虚拟网元连接的物理机网络名称/
ContainerIP/虚拟网元对应的IP/
ContainerNetName/虚拟网元网络名称/
Gateway/局域网网关IP/；
MonitorDescription用于描述虚拟网元监控描述，包括：
MonitorName/虚拟网元监控名称/
MonitorIP/监控虚拟网元的IP/
MonitorCount/虚拟网元监控配置的请求次数/
MonitorPort/虚拟网元监控端口/。
4.根据权利要求3所述的一种无线接入网编排方法，其特征在于，所述编排方法包括：
根据当前待构建虚拟网络的要求，按照网络服务描述符的规范，创建包含虚拟网元对应的具体配置信息的基础资源编排模板，其中，所述基础资源编排模板中包含所有虚拟网元的具体配置信息，并用唯一标识区分不同的虚拟网元。
5.根据权利要求4所述的一种无线接入网编排方法，其特征在于，所述编排方法还包括在控制节点定义实例化接口、停止接口、查询接口、删除接口和重启接口，其中：
实例化接口用于根据基础资源编排模板的信息触发工作节点实例化虚拟网元的容器；
停止接口用于触发工作节点停止某个运行的虚拟网元的容器；
查询接口用于查询工作节点上的某个虚拟网元的容器的监控信息；
删除接口用于删除工作节点上某个停止运行的虚拟网元的容器；
重启接口用于重启工作节点上某个损坏或停止的虚拟网元的容器。
6.根据权利要求2所述的一种无线接入网编排方法，其特征在于，所述编排方法还包括：
在工作节点创建数据库用于存储该节点上运行的所有容器的信息，其中，在数据库中为运行在该工作节点上的每个容器构建容器信息存储表用于持久化数据，一个容器对应容器信息存储表中的一行，并根据该工作节点上所运行容器的变化实时更新数据库；其中，容器信息存储表每行包括如下信息：
容器id、虚拟网元的容器名称、虚拟网元依托镜像名称、容器最大内存、容器权限、容器IP地址对应主机物理网卡名称、容器的IP地址、容器IP地址对应网卡名称、容器状态。
7.根据权利要求6所述的一种无线接入网编排方法，其特征在于，所述编排方法还包括：对某个容器损坏的虚拟网元，根据损坏容器对应的容器信息存储表中的信息重新封装对应的容器配置结构体并在原工作节点重启该虚拟网元的容器并对其进行网络配置。
8.一种基于权利要求1至7任一所述的无线接入网编排方法的编排管理系统，用于无线接入网中虚拟网络的资源编排，其特征在于，包括:
配置在控制节点的：
界面编排器，用于按照网络服务描述符描述的规范创建基础资源编排模板，所述基础资源编排模板包含虚拟网络中所有虚拟网元对应的配置信息；
编排模板翻译器，用于解析所述界面编排器创建的基础资源编排模板，获取创建承载虚拟网元的各个容器对应的资源配置信息和监控配置信息，并封装容器资源配置消息以及监控配置消息；
界面管理器，用于触发基础资源编排模板中指定的工作节点的虚拟网元以及虚拟网元的生命周期管理；以及
配置在工作节点的：
虚拟网元配置驱动，用于根据所述编排模板翻译器封装的容器资源配置消息拉取对应的容器镜像并在工作节点实例化为虚拟网元对应的容器，并按照权利要求1所述的方法进行网络配置；
虚拟网元管理驱动，用于基于界面管理器的触发管理虚拟网元，对虚拟网元进行停止、重启、删除、静态迁移操作；
虚拟网元监控驱动，用于基于界面管理器的触发监控虚拟网元的健康状态以及资源使用情况；
虚拟基础设施管理器，用于构建支持实时性内核、网络环境为Linux网的容器环境。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上包含有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求2至7任一所述方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求2至7中任一项所述的方法。
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