使网络实现自动驾驶——意图网络

自动驾驶网络Self-DrivingNetwork（Self-DrivingNetwork）最早由网络通信设备厂商瞻博网络（JuniperNetworks）于2017年提出，目前在自动驾驶汽车的L0-L5级别同样，瞻博网络将自动驾驶网络划分为六个级别，如图1-1所示。图1-1自动驾驶网络分类0级-人工网络：需要人工完成网络基础配置，人工监控网络运行状态。Level1-自动化网络：网络逐步接入自动监控组件，配合管理员完成网络控制。Level2——细粒度监控：网络逐步接入自动化系统，自动化系统代替管理员完成对网络全生命周期的监控，实时向管理员报告网络异常情况。Level3-分析网络：具备网络故障自我分析能力，在数据分析功能的支持下，为管理员提供最佳的故障修复建议。Level4-自治过程：网络最初具有自愈功能。一旦网络自监测到故障，就可以完成简单的自愈。复杂情况下，可由管理员干预完成。5级-自动驾驶网络：无需管理员干预即可实现初始网络配置、监控和故障排除的闭环操作。通过以上六个层次的自动驾驶网络分析，会发现要让网络“自动驾驶”，必须用AI技术代替人工操作，实现网络自主运行的闭环运行。首先，网络需要有强大的性能支持，所有网元的每个组件都可以提供状态信息；然后，利用AI平台对网络状态进行实时监控、分析和预警，及时发现和预测网络设备故障或异常；最后，基于网络故障和异常情况，具有自我调整和修复网络配置策略的能力。基于以上研究思路，在实现自动驾驶网络的过程中还存在一些棘手的问题，如如何获取用户的网络配置方案并将该方案转化为网络配置策略，以及如何验证用户的网络配置等。配置计划和配置策略。一致性，如何实时监控和反馈全网所有设备的运行状态，都是自动驾驶网络实现和建设过程中需要解决的问题。为了解决以上问题，意向网应运而生。可灵活配置网络策略并实时更新优化，使网络实现自配置、自监控和自愈，真正实现“自动驾驶”。意图网络2017年，IT研究和咨询公司Gartner定义了基于意图的网络（IBN）[1]，它包括以下四个部分：验证的准确性。自动化实现：系统通过网络自动化或网络编排的方式改变网络配置。网络状态感知：系统实时获取实时网络状态。保证和动态优化/修复：系统持续（实时）验证是否满足用户原有的业务需求，不满足时可以采取纠正措施。在意向性网络中，意向是指用户对网络配置的想法或计划，用于描述用户希望网络达到的某种状态。有意组网就是将这些计划转化为网络配置策略。策略验证无误后，即可下载。发送至网络设备，实时监控网络设备状态，不断调整优化网络配置策略。根据Gartner对意图联网的定义，意图联网可以分为五个关键步骤：意图捕获、意图转换、策略验证、策略执行和策略优化，如图2-1所示。2-1意图网络的关键步骤(1)意图捕捉意图捕捉是将用户希望网络达到的状态捕捉到系统中。有多种表现形式。研究人员最常用的方法是自然语言。借助自然语言处理处理用户输入的语音或文本，通常使用语义形式[2]来描述意图，例如当用户将意图表达为“我要主机A和主机B实现互联通信”，向网络发送的信息可以表示为（2）意图转换捕获到用户意图后，需要借助于将用户意图转换为网络配置策略关键词提取、词法分析、语义挖掘等操作，iNDIRA[3]系统提出了具有指导意义的方法，该方法利用自然语言处理和本体[4]来捕获用户意图（3）经过策略验证和网络配置策略转换生成，暂时不能下发。在网络设备中，需要对配置策略进行验证，以确定其是否符合用户的意图。研究人员基本上使用形式验证[5]来完成策略验证工作。形式化验证的具体实现思路如下：首先使用形式化建模构建配置策略的形式化模型，然后使用求解器进行计算，最后根据计算结果判断策略的一致性。形式化方法可以作用于数据平面和控制平面两个层面。控制平面基于策略。在传统网络中，指的是分散在各处的网络设备中的配置文件。数据平面是基于网络中的控制平面生成的。转发信息和拓扑结构，其中转发信息是指传统网络中的转发表[5]。(4)策略执行通过数据平面验证或控制平面验证等方式完成网络策略的形式化验证后，如果策略与用户意图一致，意向网络需要将网络配置策略下发给网络设备;否则，意向网络需要将网络配置策略发送给网络设备，错误信息反馈到意向捕获链路进行重新捕获和转换。由于网络设备的独特性，不同品牌之间甚至同一品牌不同型号的网络设备之间都存在一定的差异。因此，为了让意图网络自主运行，需要适配意图网络中的所有网络设备，这个工作量是非常巨大的。现阶段主要使用P4编程语言和配置合成完成意图传递工作。例如，Riftadi等人。[6]使用P4编程语言完成基于可编程开关的策略执行；Synet[7]将网络配置问题描述为一个层次化的Datalog问题，使用SMT求解器对用户需求进行配置和综合，生成相应的配置文件。目标网络中的网络设备接收到下发的配置策略后，依次执行相应的策略。(5)策略优化网络配置借助P4编程语言或SMT求解器发送到网络设备并顺利执行后，意向网络需要实时监控网络的运行状态。一方面，评估网络流量发送行为是否符合用户意图。一方面，它预测网络设备故障和异常情况。在传统网络中，NetFlow[8]和SFlow[9]通常用于网络状态监测，但应用到有意的网络场景后，存在精度低、资源消耗过大等问题。为了解决上述问题，潘田等人。[10]采用源路由方式发送INT包，获取和感知全网网络状态；张P等。[11]采用数据平面验证和探测相结合的方式获取数据包的转发信息，用于判断转发行为与用户意图的一致性。一旦检测到网络异常，意图网络需要及时反馈到意图捕获环节，重新转换、验证、下发用户意图执行。技术难点（1）意图转换问题。虽然自然语言处理技术的发展极大地促进了意图转换的实时性和准确性，但是网络设备之间的差异使得意图转换的实现难度很大。目前，大部分意图转换工作都处于实验阶段。如果要真正将用户意图转化为网络设备的配置策略还需要进一步研究和适配。(2)策略验证问题。在策略验证领域，数据平面验证或控制平面验证等形式化验证方式可以更准确地验证用户意图与配置策略的一致性，但在实际应用场景中，上述两种验证方式不足以保证真实性的网络。由于网络设备故障、链路故障、软件错误等硬件和软件实现错误的可能性而导致的行为正确性。(3)网络部署问题。有意网络需要向全网所有网络设备下发配置策略，并实时监控这些设备的运行状态，这对网络性能和可靠性提出了更高的要求。在演进和更替的过程中，如何保证网络的可扩展性也是需要解决的问题。总结意图网络作为未来网络的发展方向，是当前网络领域的热点技术之一。通过意图捕捉、意图转换、策略验证、策略执行、策略优化五个步骤，实现网络的自动化运行和管理，让网络“自动驾驶”。但是，作为一项新兴技术，它也给研究人员提出了新的挑战，例如在意图转换工程中如何保证用户意图正确、全面地转换为网络配置策略，在策略验证中如何解决状态空间爆炸等问题。如何在IBN部署过程中实现与现有环境的兼容，保证网络的可扩展性，都是亟待解决的问题。有意网络面临的问题依次解决后，或许网络真的可以摆脱人的辅助和操作，开始“自动驾驶”。参考文档[1]https://blogs.gartner.com/andrew-lerner/2017/02/07/intent-based-networking/[2]ElkhatibY、CoulsonG、TysonG。绘制意图驱动的网络。在：过程。2017年第13届国际会议。关于网络和服务管理(CNSM)。IEEE计算机学会，2017.[3]KiranM、PouyoulE、MercianA等人。启用意图配置科学网络以满足高性能需求。下一代计算机系统,2018,79:205?214.[4]格鲁伯TR。一种可移植本体规范的翻译方法。知识获取,1993,5(2):199?220.[5]LiY,YinX,WangZ,etal.形式化方法网络验证与测试综述：途径与挑战[J]．IEEECommunicationsSurveysandTutorials,2019,21(1):940-969.[6]RiftadiM,KuipersF.P4I/O：基于意图的P4网络。在：过程。2019年IEEECon??f。关于网络软件化（NetSoft）。IEEE,2019.438?443.[7]El-HassanyA,TsankovP,VanbeverL，VechevMT。全网配置综合。在：过程。第29届国际会议。关于计算机辅助验证(CAV)。2017.[8]EstanC、KeysK、MooreD等人。构建更好的NetFlow。ACMSIGCOMM计算机通信评论,2004,34(4):245?256.[9]PhaalP、PanchenS、McKeeN.InMon公司的sFlow：一种用于监控交换和路由网络中流量的方法。2001.https://www.hjp.at/doc/rfc/rfc3176.html[10]PanT,SongE,BianZ,etal.INT路径：实现带内网络范围遥测的最佳路径规划。在：过程。IEEEINFOCOM2019-IEEECon??f。关于计算机通信。IEEE,2019.487?495.[11]ZhangP、ZhangC、HuC.使用RuleChecker对软件定义网络进行快速数据平面测试。IEEE/ACM翻译。关于网络，2018,27(1):173?186。