班 瑞 華潤多 李 峙 王 鵬 耿書鵬

1.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司

2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司

3.北京航天航空大學

0 引言

隨著家庭寬帶和5G業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，運營商數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備承載的業(yè)務(wù)流量大大增加。為了保障業(yè)務(wù)的正常發(fā)展，需定期對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行擴容，增加設(shè)備的處理能力，降低設(shè)備負荷。數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括核心路由器和匯聚/接入路由器，其中匯聚/接入路由器雙上聯(lián)至核心路由器，擴容匯聚/接入路由器上聯(lián)鏈路時需保障對端核心路由器下聯(lián)端口滿足擴容需求或按需擴容。由于匯聚/接入路由器下聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型眾多，且下聯(lián)需求多為下聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上報所得，不在本文討論范圍，即本文考慮匯聚/接入路由器上聯(lián)需求及核心路由器上聯(lián)、下聯(lián)需求。同時，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包含母卡、子卡和端口，因此擴容方案應(yīng)包含以上內(nèi)容的類型和數(shù)量。

1 現(xiàn)有板卡擴容方案存在的問題

現(xiàn)有板卡擴容方案是通過計算設(shè)備利用率，人工定義擴容閾值，當利用率高于閾值時，進行擴容；通過人工獲取板卡字典庫，根據(jù)專家經(jīng)驗，確定板卡的類型和數(shù)量，擬定擴容方案。利用率計算公式：利用率=流量/網(wǎng)絡(luò)配置帶寬。

現(xiàn)有方案存在如下問題：（1）閾值通過人工方式定義，多為專家經(jīng)驗判定，不夠精確；（2）選取板卡時需使用字典庫，字典庫需要個人通過人工方式定期維護和更新，易存在錯誤及版本老舊問題；（3）選取板卡類型和數(shù)量，強依賴專家經(jīng)驗，各省市擴容時專家經(jīng)驗不一致，部分經(jīng)驗不夠準確。

2 自動生成擴容板卡方案設(shè)計思路

針對上述問題，提出通過如下方式解決：（1）基于網(wǎng)絡(luò)中全部設(shè)備歷史運行數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，計算設(shè)備利用率增長幅度，自動判定閾值，使其更精確；（2）基于網(wǎng)絡(luò)中全部設(shè)備和板卡，通過大數(shù)據(jù)分析其匹配關(guān)系，自動建立板卡字典庫，減少人工維護工作量，并解決因人工失誤導致的字典庫版本錯誤和老舊問題；（3）建立板卡推薦算法，統(tǒng)一全國各省市數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擴容算法和步驟，自動生成擴容方案，使其準確、通用。

3 數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹

數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包含兩個層級：匯聚/接入路由器層和核心路由器層，網(wǎng)路組織示意圖如下：一對核心路由器下聯(lián)多個匯聚/接入路由器，口字形上聯(lián)上層網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示），或交叉型上聯(lián)上層網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示）。匯聚/接入路由器下聯(lián)的多種設(shè)備，定義為下層網(wǎng)絡(luò)。上層網(wǎng)絡(luò)和下層網(wǎng)絡(luò)不在本文討論范疇內(nèi)。

圖1 口字形上聯(lián)

圖2 交叉形上聯(lián)

圖2 基于復制的任務(wù)加速算法的體系結(jié)構(gòu)

4 自動生成擴容板卡方案設(shè)計流程

4.1 總體流程

總體流程分為如下部分：（1）大數(shù)據(jù)分析擴容閾值；（2）板卡推薦算法實現(xiàn)；（3）篩選需要擴容的設(shè)備；（4）自動生成擴容板卡方案。

4.2 各環(huán)節(jié)詳細方案

4.2.1 大數(shù)據(jù)分析擴容閾值

本文目標是擴容“雙高”設(shè)備，即上聯(lián)帶寬利用率以及配置端口利用率均大于閾值的設(shè)備，因此需要確定帶寬利用率以及端口利用率的閾值。通過大數(shù)據(jù)分析全網(wǎng)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，逐臺設(shè)備分析其歷史帶寬和端口利用率的變化規(guī)律，最后選取能夠滿足全網(wǎng)設(shè)備的閾值，具體過程如下：

（1）為計算帶寬利用率閾值，對每一臺設(shè)備完成（2）～（4）步驟。

（2）因每個時間周期T都對全網(wǎng)設(shè)備生成擴容方案，可將該設(shè)備每周期T的數(shù)據(jù)作為一個分組，分別計算第i個周期Ti的流量峰值速率，記為MRmax-i。該峰值速率所對應(yīng)時間的小時記為hi。

（3）提取該設(shè)備Ti-1且小時為hi的所有數(shù)據(jù)作為分組，計算該分組的平均流量值，記為MRavg-（i-1）。

（4）定義Ti的流量增長系數(shù)αi=MRmax-i/MRavg-（i-1），對歷史數(shù)據(jù)中所有月份計算完成后，定義該設(shè)備流量增長系數(shù)α=MAX（αi），i=0，1，2…n。

（5）對每臺設(shè)備計算α，取全網(wǎng)設(shè)備最大的α記為αmax。

（6）帶寬利用率閾值a=[100%/αmax*100]%。

上述步驟原理為帶寬利用率Br=最大流量速率Mr/配置帶寬B，即Br=Mr/B，假設(shè)不擴容，即B不變，Br與Mr成正比。因每周期T都會進行擴容，當預測下個周期的利用率低于100%，即可判定該設(shè)備本周期不需要擴容，因此計算歷史每個周期的流量增長系數(shù)，當歷史周期數(shù)量足夠，可假定本周期的流量增長系數(shù)不會超過歷史最大值。因Br與Mr成正比，利用率的增長系數(shù)也不會超過流量增長系數(shù)αmax，所以判定設(shè)備不需要擴容的閾值a*αmax應(yīng)小于100%，可得出閾值a的計算公式。

同理，計算端口利用率閾值b，步驟如下：（1）對每一臺設(shè)備完成（2）、（3）步驟；（2）第i個月最后一天的使用端口數(shù)量，記為PUi；（3）定義第i個月的端口增長系數(shù)βi=PUi/PUi-1。定義該設(shè)備端口增長系數(shù)β= MAX（βi），i=0，1，2…n；（4）對每臺設(shè)備計算β，取全網(wǎng)設(shè)備最大的β記為βmax；（5）配置端口利用率閾值b=[100%/βmax*100]%。

4.2.2 板卡推薦算法實現(xiàn)

本文通過擴容板卡解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用率過高的問題。因現(xiàn)網(wǎng)板卡型號眾多，需要根據(jù)端口類型，推薦最優(yōu)板卡（含母卡、子卡），生成擴容方案。

（1）建立設(shè)備、板卡關(guān)聯(lián)關(guān)系

基于大數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（核心路由器、匯聚/接入路由器）信息，分析每臺設(shè)備的設(shè)備、母卡包含關(guān)系，每個母卡的母卡、子卡包含關(guān)系，建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中一條記錄代表一塊子卡或者母卡。其中設(shè)備對母卡是“一對多”關(guān)系，母卡對子卡是“一對多”關(guān)系。建立板卡關(guān)系時，只選擇實際處理業(yè)務(wù)的板卡，包含固定和靈活板卡。

（2）板卡評價體系實現(xiàn)

基于上述數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計出各型號板卡（子卡、母卡）的最新入網(wǎng)年份、板卡密度、板卡記錄條數(shù)、板卡類型，結(jié)合端口數(shù)據(jù)統(tǒng)計出板卡上端口的在線比例。根據(jù)專家經(jīng)驗，評價各維度重要程度，對其打分和加權(quán)，計算每個型號的板卡得分。評價體系如表1所示。

表1 板卡評價體系表

總得分S=∑Si*Wi，Si為各維度的得分，Wi為對應(yīng)權(quán)重。

（3）建立板卡推薦庫

對設(shè)備、板卡關(guān)聯(lián)關(guān)系表中的記錄進行評價打分，并按設(shè)備廠家、設(shè)備平臺能力、板卡承載端口類型進行分組，選出每組得分最高的子卡或母卡型號，建立板卡推薦數(shù)據(jù)庫，描述如表2所示。

表2 板卡推薦庫描述表

4.2.3 篩選需要擴容的設(shè)備

（1）“雙高”路由器定義

“雙高”路由器定義為上聯(lián)帶寬利用率＞閾值a，配置端口利用率＞閾值b的路由器設(shè)備。其中，上聯(lián)帶寬利用率記為Rb；上聯(lián)方向流量速率記為M；上聯(lián)配置端口帶寬記為B；配置端口利用率記為Rp；某類型已使用端口數(shù)量記為Ui，該類型配置的端口數(shù)量記為Mi，該類型端口能力記為Ai。

Rb=M/B；

Rp=∑（Ui*Ai）/∑（Mi*Ai），i∈該設(shè)備端口類型集合；

因此“雙高”路由器定義為Rb＞a & Rp＞b的路由器。

（2）篩選“雙高”設(shè)備流程

篩選雙高核心、匯聚/接入路由器，主要流程：（1）遍歷所有數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對每一臺設(shè)備進行下述操作。（2）獲取該設(shè)備類型，如果是匯聚/接入路由器，則將同局址所有匯聚/接入路由器作為整體；如果是核心路由器，則將該核心路由器所在的一對核心路由器作為整體。（3）對該整體計算上聯(lián)帶寬利用率和端口配置利用率，與閾值a和b比較。（4）判斷是否是雙高設(shè)備，并加入雙高設(shè)備列表。

對下一個設(shè)備進行（2）～（4）步驟，直至所有設(shè)備判斷完畢。

4.2.4 自動生成擴容板卡方案

本文主要針對匯聚/接入路由器以及核心路由器進行擴容，其網(wǎng)絡(luò)組織關(guān)系見上文數(shù)據(jù)網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

匯聚/接入路由器擴容上聯(lián)鏈路后，需考慮其對端核心路由器能否滿足需求，因此擴容匯聚/接入路由器流程與擴容核心路由器流程不一致，且有先后順序，本文將分別闡述。

（1）匯聚/接入路由器擴容方案

①按照上文“雙高”路由器定義，篩選出“雙高”匯聚/接入路由器列表。

②遍歷該列表，對每一個設(shè)備進行下述流程。

③根據(jù)運維要求，匯聚/接入路由器設(shè)備鏈路不能捆綁，即所有上聯(lián)鏈路端口類型需一致。因此獲取當前設(shè)備現(xiàn)有上聯(lián)鏈路端口類型，作為需擴容的端口類型?？赏ㄟ^對端設(shè)備類型為核心路由器，判斷該端口為上聯(lián)端口。

④按照設(shè)備平臺能力、廠家、需擴容端口類型，從上文板卡推薦庫中獲取可擴容板卡序列，因端口可能由子卡承載也可能由母卡直接承載，序列中包含1塊子卡+1塊母卡或1塊直接承載端口的母卡。

⑤序列中只有母卡則擴母卡；序列中為子卡+母卡，則先擴一塊子卡后，根據(jù)該設(shè)備是否有可用空余子槽位，判斷是否需要擴母卡。

⑥根據(jù)不同容災(zāi)方案要求，分為一次至少擴兩塊板卡和一次擴一塊板卡。

⑦擴容1或2個板卡序列后，重新判斷該設(shè)備是否為“雙高”設(shè)備，如是，則繼續(xù)擴容一個板卡序列，至該設(shè)備不是“雙高”設(shè)備。

⑧輸出該匯聚/接入路由器擴容方案。

⑨計算使上聯(lián)帶寬利用率＜閾值a和配置端口利用率＜閾值b所需擴容的實際端口數(shù)量，并向上取2的整數(shù)倍（因匯聚/接入路由器上聯(lián)一對核心路由器），將該匯聚/接入路由器擴容端口數(shù)量和類型平均加入到其上聯(lián)的一對核心路由器下聯(lián)擴容需求中。

⑩重復以上流程，直到所有雙高匯聚/接入路由器生成擴容方案。

（2）核心路由器擴容方案實現(xiàn)

核心路由器擴容分為因匯聚/接入路由器擴容上聯(lián)帶來的下聯(lián)擴容需求，以及“雙高”核心路由器的上聯(lián)擴容需求，因此核心路由器擴容流程分為兩步，且下聯(lián)需求必須滿足，滿足后端口配置變化，再計算是否是“雙高”核心路由器。

①首先獲取核心路由器下聯(lián)擴容需求，逐個核心路由器對需求匯總處理，則核心路由器的下聯(lián)需求可能包含多種端口類型。

②分別獲取該核心路由器下聯(lián)需求的每一種端口類型和數(shù)量，進行后續(xù)擴容操作。每次按一個端口考慮。

③判斷該核心路由器是否有該類型多余可用端口，數(shù)量是否滿足，計算數(shù)量時需要保證配置端口利用率不能超過閾值b。如不滿足，則需擴容。

④根據(jù)該核心路由器平臺能力、廠家、擴容端口類型，從上文板卡推薦庫中獲取可擴容板卡序列，同匯聚/接入路由器，該序列可能為子卡+母卡或只有母卡。

⑤按照運維要求，核心路由器不涉及容災(zāi)問題，則每次只擴容1塊子卡或母卡。

⑥循環(huán)并依此處理該端口類型中所有端口的數(shù)量需求、該核心路由器所有端口類型的需求、所有核心路由器的需求，直到所有核心路由器下聯(lián)需求被滿足。

至此，匯聚/接入路由器擴容帶來的核心路由器下聯(lián)擴容需求處理完成。

擴容核心路由器上聯(lián)需求與擴容匯聚/接入路由器上聯(lián)需求方法類似，不再贅述。

5 結(jié)束語

本文提出的數(shù)據(jù)網(wǎng)自動生成擴容板卡方案，解決了網(wǎng)絡(luò)擴容需求，向網(wǎng)絡(luò)自動化邁進了一步。經(jīng)驗證，本系統(tǒng)適用于現(xiàn)網(wǎng)所有設(shè)備。定期使用本系統(tǒng)，可以篩選現(xiàn)網(wǎng)高負荷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，自動生成板卡擴容方案，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速擴容，降低網(wǎng)絡(luò)負荷，提升業(yè)務(wù)保障。