許曉偉，林 鋒，劉廣達(dá)，王 亮

（北京首信科技股份有限公司，北京 100015）

0 引言

隨著國家新基建戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，各行業(yè)對利用5G 技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的需求愈發(fā)迫切，但由于不同行業(yè)的信息化特征差異明顯，5G 公共網(wǎng)絡(luò)無法很好滿足行業(yè)內(nèi)不同應(yīng)用場景的差異化需求。移動通信運(yùn)營商針對政企客戶在安全隔離等級、低時延等不同層面的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，積極推動5G 行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)發(fā)展，為行業(yè)應(yīng)用提供更高質(zhì)量、更加靈活的信息基礎(chǔ)設(shè)施能力支撐[1]。

隨著當(dāng)前5G 行業(yè)專網(wǎng)建設(shè)的深入發(fā)展，政企客戶希望5G 行業(yè)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠和自己的業(yè)務(wù)更加緊密地結(jié)合起來，并解決網(wǎng)絡(luò)資源、終端設(shè)備業(yè)務(wù)狀態(tài)的“不可見、不掌握”問題，對5G 行業(yè)專網(wǎng)的自主管理的需求越來越強(qiáng)烈[2]。鑒于此，本文提出一種解決方案，設(shè)計開發(fā)5G 行業(yè)專網(wǎng)自管理系統(tǒng)，支持5G 行業(yè)專網(wǎng)政企客戶快速掌握行業(yè)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并通過該系統(tǒng)達(dá)到對行業(yè)專網(wǎng)中設(shè)備的自管理、自服務(wù)和自定制配置的能力。同時通過該系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等能力，達(dá)到對行業(yè)專網(wǎng)可視、可管、可控的目的，幫助政企客戶解決在使用5G 行業(yè)專網(wǎng)過程中遇到的各類痛點問題。

1 5G 行業(yè)專網(wǎng)自管理的需求分析

通過研究分析發(fā)現(xiàn)，5G 行業(yè)專網(wǎng)的客戶在使用過程中遇到的主要痛點問題為：首先是運(yùn)營保障能力不足，沒有統(tǒng)一的信息管理系統(tǒng)，5G 行業(yè)專網(wǎng)的業(yè)務(wù)操作需要在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中完成；其次是可視化能力不足，缺少5G 行業(yè)專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)等可視化的能力；最后存在故障預(yù)警不及時、自主管理維護(hù)手段缺乏等問題。因此不管是政企客戶還是運(yùn)營商，都亟需一個能夠自主管理5G 行業(yè)專網(wǎng)的系統(tǒng)。

對于政企客戶，系統(tǒng)需提供客戶業(yè)務(wù)配置、性能可視化監(jiān)控運(yùn)維等平臺能力，需求主要包括：可實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、切片的資源占用情況和設(shè)備的運(yùn)行情況；可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)情況，及時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，從而適應(yīng)業(yè)務(wù)需要的場景化網(wǎng)絡(luò)管理；可對終端設(shè)備和告警規(guī)則進(jìn)行配置，結(jié)合具體業(yè)務(wù)對設(shè)備進(jìn)行差異化管理；可對卡設(shè)備的連接實現(xiàn)控制和感知，并結(jié)合自動化規(guī)則、增值服務(wù)實現(xiàn)自助運(yùn)營；具有開放網(wǎng)絡(luò)能力，實現(xiàn)行業(yè)客戶系統(tǒng)對接，便于應(yīng)用和業(yè)務(wù)的深度結(jié)合和創(chuàng)新的能力開發(fā)。

對于運(yùn)營商，系統(tǒng)需滿足：通過統(tǒng)一門戶，對外展示行業(yè)專網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品和解決方案；支持5G 行業(yè)專網(wǎng)的日常運(yùn)營和不同客戶類型的差異化運(yùn)營；支持原散落在各個系統(tǒng)的包括切片、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（Data Network Name，DNN）、人聯(lián)網(wǎng)卡、物聯(lián)網(wǎng)卡等業(yè)務(wù)受理；既可以按要求提供給行業(yè)客戶自運(yùn)維的能力，又可以方便運(yùn)營商對于區(qū)域中的行業(yè)專網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)維。

2 5G 行業(yè)專網(wǎng)自管理系統(tǒng)的設(shè)計

考慮到5G 行業(yè)專網(wǎng)自管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠持續(xù)支撐業(yè)務(wù)需求，以先進(jìn)的軟件框架和技術(shù)，確保平臺穩(wěn)定且高性能，保證前端業(yè)務(wù)感知，達(dá)成敏捷和高效的目標(biāo)，本文設(shè)計了由視圖層、業(yè)務(wù)層、領(lǐng)域?qū)雍徒涌谶m配層組成的系統(tǒng)。視圖層分為客戶自管理平臺門戶和運(yùn)營商后臺配置門戶，構(gòu)成面向不同用戶的web 展示界面；業(yè)務(wù)層、領(lǐng)域?qū)雍徒涌谶m配層由多個功能模塊組成，構(gòu)成系統(tǒng)的核心后端微服務(wù)集，向上為web 展示界面提供數(shù)據(jù)和能力，向下實現(xiàn)與移動通信運(yùn)營商其他支撐平臺的互聯(lián)互通。系統(tǒng)組成、邏輯結(jié)構(gòu)及層次如圖1 所示。

圖1 5G 行業(yè)專網(wǎng)自管理系統(tǒng)的組成、邏輯結(jié)構(gòu)及層次

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1.1 前端展示界面

系統(tǒng)前端web 界面包括面向政企客戶的客戶自管理平臺門戶和面向運(yùn)營商的運(yùn)營商后臺配置門戶。

客戶自管理平臺門戶的大屏功能支持集中展示基站、用戶面功能（User Plane Function，UPF）、DNN 等概覽信息，號卡數(shù)量、套餐流量在內(nèi)的在線規(guī)模信息，無線資源控制協(xié)議（Radio Resource Control，RRC）連接成功率等多個指標(biāo)的行業(yè)專網(wǎng)質(zhì)量信息，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、UPF/協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）會話數(shù)趨勢等信息。物聯(lián)網(wǎng)卡[3]模塊包括號卡自服務(wù)、電子圍欄[4]等功能。網(wǎng)絡(luò)資源模塊展示5G 基站的UPF 和小區(qū)無線性能列表數(shù)據(jù)，以及5G-SA 核心網(wǎng)下接入和移動性管理功能（Access and Mobility management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）等網(wǎng)元信息、物理線路等信息[5]。行業(yè)專網(wǎng)監(jiān)控模塊包括對網(wǎng)元和電子圍欄的告警查詢和告警統(tǒng)計功能。系統(tǒng)還支持對業(yè)務(wù)感知和行業(yè)專網(wǎng)運(yùn)維進(jìn)行分析統(tǒng)計的功能。系統(tǒng)管理模塊展示企業(yè)的賬號信息、賬號綁定情況及web 資源權(quán)限分配管理等功能[6]。

運(yùn)營商后臺配置門戶是為運(yùn)營商服務(wù)的，提供企業(yè)客戶管理、5G 行業(yè)專網(wǎng)維度配置、系統(tǒng)公告管理、平臺全局配置等多個功能。通過客戶管理功能模塊完成企業(yè)管理員用戶的注冊、綁定南向接口賬號、綁定DNN 信息等流程操作。另外還包括對基站和小區(qū)進(jìn)行管理的跟蹤區(qū)域碼（Trace Area Code，TAC）配置、網(wǎng)元配置、基站小區(qū)編碼（gNodeB Cell ID，GCI）配置等多個5G 業(yè)務(wù)維度的管理功能。系統(tǒng)支持針對企業(yè)的系統(tǒng)公告內(nèi)容的生成、撤銷、狀態(tài)管理等多項操作。系統(tǒng)具備對平臺基礎(chǔ)信息、告警定時任務(wù)周期、郵件發(fā)送服務(wù)等多個基礎(chǔ)屬性值的全局配置能力。

2.1.2 后端微服務(wù)

系統(tǒng)的后端微服務(wù)設(shè)計為3 層邏輯架構(gòu)，自上而下依次為業(yè)務(wù)層、領(lǐng)域?qū)雍徒涌谶m配層。

業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)組合領(lǐng)域?qū)臃?wù)提供的數(shù)據(jù)并實現(xiàn)具體業(yè)務(wù)邏輯處理，系統(tǒng)中涉及卡管理、網(wǎng)絡(luò)資源、行業(yè)專網(wǎng)監(jiān)控、分析報表、系統(tǒng)管理等業(yè)務(wù)模塊?？ü苣K包括對物聯(lián)卡進(jìn)行機(jī)卡綁定、停復(fù)機(jī)操作、自動限速、達(dá)量斷網(wǎng)等操作，包含查看號卡的業(yè)務(wù)變更訂單數(shù)據(jù)，以及操作電子圍欄等業(yè)務(wù)處理邏輯，還包括對人聯(lián)卡[7]進(jìn)行行業(yè)專網(wǎng)號碼管理、IP 溯源查詢等業(yè)務(wù)處理[8]。網(wǎng)絡(luò)資源模塊包括對基站、UPF 等指標(biāo)統(tǒng)計概覽，對網(wǎng)絡(luò)資源拓?fù)涔?jié)點數(shù)據(jù)以及提供網(wǎng)絡(luò)異常告警和質(zhì)量分析等業(yè)務(wù)處理。行業(yè)專網(wǎng)監(jiān)控模塊包括對網(wǎng)元和電子圍欄等監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。分析報表模塊對業(yè)務(wù)感知分析、行業(yè)專網(wǎng)運(yùn)維報表等統(tǒng)計業(yè)務(wù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)管理模塊包括web 系統(tǒng)權(quán)限分級管控、數(shù)據(jù)域分組管理、操作日志審計、系統(tǒng)全局維度信息配置等業(yè)務(wù)處理。

領(lǐng)域?qū)迂?fù)責(zé)抽取、梳理和封裝第三方支撐平臺接口提供的核心數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)層中的各業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)支持。領(lǐng)域?qū)影ü芊?wù)、網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)、行業(yè)專網(wǎng)監(jiān)控服務(wù)、賬號服務(wù)等多種數(shù)據(jù)服務(wù)能力?？ü芊?wù)負(fù)責(zé)收集行業(yè)專網(wǎng)內(nèi)SIM 卡、訂單、DNN 等信息；網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)負(fù)責(zé)收集網(wǎng)元列表、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、基站數(shù)據(jù)等信息；行業(yè)專網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)維，針對獨享UPF 設(shè)備、數(shù)通設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，獲取其告警信息；賬號服務(wù)負(fù)責(zé)獲取5G 用戶的賬號信息以及賬號關(guān)聯(lián)套餐使用信息等。

接口適配層完成系統(tǒng)與外部第三方支撐平臺數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)接口打通的任務(wù)。

2.2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)分為前端展示層、網(wǎng)關(guān)層、后端微服務(wù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層等多層架構(gòu)[9]，具體如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

展示層整體設(shè)計采用Vue+Element 框架實現(xiàn)兩個門戶下的各功能組件，使用WebGL 引擎框架[10]實現(xiàn)3D 首頁效果，采用最新一代構(gòu)建工具Vite 完成前端項目的快速構(gòu)建打包等。網(wǎng)關(guān)層使用Nginx、Keepalived 保證服務(wù)的高可用。后端服務(wù)層使用Spring Cloud 技術(shù)棧，包括應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）網(wǎng)關(guān)、服務(wù)監(jiān)控、服務(wù)治理等相關(guān)框架。微服務(wù)具體實現(xiàn)采用了SpringBoot 快速開發(fā)框架，使用HikariCP 連接池技術(shù)管理數(shù)據(jù)庫連接緩存，基礎(chǔ)設(shè)施層設(shè)計采用MySQL、Redis、Kafka、Nacos 等中間件的集群化處理。系統(tǒng)使用Prometheus 完成各微服務(wù)的告警監(jiān)控信息的采集和視圖展示。

2.3 系統(tǒng)交互設(shè)計

系統(tǒng)支持運(yùn)營商和企業(yè)兩類用戶使用，運(yùn)營商管理員只能登錄運(yùn)營商管理后臺配置門戶，該賬號能夠創(chuàng)建企業(yè)管理員賬號。企業(yè)管理員只能登錄客戶自管理平臺門戶，擁有本企業(yè)自管理平臺的全部權(quán)限，并能夠創(chuàng)建企業(yè)子賬號。企業(yè)子賬號只能登錄客戶自管理平臺門戶，根據(jù)企業(yè)管理員分配的web 資源權(quán)限進(jìn)行系統(tǒng)操作。系統(tǒng)功能交互設(shè)計如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能交互設(shè)計

3 5G 行業(yè)專網(wǎng)自管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1.1 微服務(wù)治理

5G 行業(yè)專網(wǎng)客戶自管理系統(tǒng)使用Spring Cloud 2.0 微服務(wù)治理框架[11]，將其中的Nacos 組件作為微服務(wù)注冊中心和遠(yuǎn)程配置中心，業(yè)務(wù)層和領(lǐng)域?qū)痈魑⒎?wù)向其登記注冊，通過配置的服務(wù)名稱實現(xiàn)對具體服務(wù)實例的訪問。微服務(wù)集群部署時，內(nèi)部使用Ribbon 組件[12]完成進(jìn)程內(nèi)的客戶端負(fù)載均衡。系統(tǒng)采用的API 網(wǎng)關(guān)解決方案是Spring Cloud Gateway，其內(nèi)置了轉(zhuǎn)發(fā)、監(jiān)控、限流等強(qiáng)大功能。系統(tǒng)使用Sleuth 聯(lián)合Zipkin[13]實現(xiàn)了在微服務(wù)互相調(diào)用時，由于各種原因?qū)е驴邕M(jìn)程調(diào)用失敗的情況下，可通過查看詳細(xì)鏈路日志和服務(wù)之間的調(diào)用關(guān)系來快速定位問題，以及實現(xiàn)功能調(diào)優(yōu)。系統(tǒng)服務(wù)治理框架結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)服務(wù)治理框架結(jié)構(gòu)

3.1.2 數(shù)據(jù)治理

系統(tǒng)采用了高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)治理機(jī)制。首先在數(shù)據(jù)持久化方面，系統(tǒng)采用MyBatis+Java 持久層應(yīng)用接口（Java Persistence API，JPA）聯(lián)合作為微服務(wù)的持久層框架[14]，其中MyBatis 在系統(tǒng)中作為操作如電子圍欄管理、機(jī)卡綁定等復(fù)雜數(shù)據(jù)模型處理場景的持久化工具。而針對類似維度信息管理、報表查詢等常規(guī)的數(shù)據(jù)處理場景，使用封裝了增刪改查（Create、Read、Update、Delete，CRUD）操作的JPA，通過直接調(diào)用接口，極大提高了開發(fā)效率。同時系統(tǒng)采用分布式讀寫鎖機(jī)制，使用Sharding-Sphere實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫部分?jǐn)?shù)據(jù)模型分表和讀寫分離，保證了數(shù)據(jù)查詢和更新操作的雙向提速。此外，在分布式場景下，通過采用分布式緩存中間件中存儲，讓有狀態(tài)的業(yè)務(wù)服務(wù)數(shù)據(jù)變?yōu)闊o狀態(tài)，解決了在服務(wù)運(yùn)行時，動態(tài)增刪節(jié)點導(dǎo)致的緩存數(shù)據(jù)不同步的問題。

3.1.3 分布式任務(wù)調(diào)度

系統(tǒng)后臺領(lǐng)域?qū)臃?wù)采用分布式任務(wù)調(diào)度框架[15]，其基于xxl-job 實現(xiàn)，將任務(wù)觸發(fā)與任務(wù)本身分離開，通過HTTP/HTTPS 等方式調(diào)用第三方支撐平臺提供的接口，獲取并封裝數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)后續(xù)業(yè)務(wù)層接口應(yīng)用能力提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)及效果

通過對用戶進(jìn)行定位分析，系統(tǒng)最終采用B/S結(jié)構(gòu)，并且為了系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性和獨立性，采用前后端分離的方式進(jìn)行功能開發(fā)實現(xiàn)。

研發(fā)團(tuán)隊通過拆解和分析需求規(guī)格說明書，依次生成系統(tǒng)概要設(shè)計說明書、詳細(xì)設(shè)計說明書，結(jié)合系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計方案，將各業(yè)務(wù)模塊分解構(gòu)建成為多個微服務(wù)，并通過服務(wù)治理模塊完成各服務(wù)的通信。系統(tǒng)前置網(wǎng)關(guān)采用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)web 容器的高可用，同時使用Cloud API 網(wǎng)關(guān)，作為系統(tǒng)開放能力的統(tǒng)一入口；前端系統(tǒng)使用Vue 框架搭建前端項目，聯(lián)合UI 庫、可視化圖表庫、開源GIS API 等組件完成前端頁面功能開發(fā)。門戶效果如圖5 所示。

圖5 門戶效果

后端各微服務(wù)之間使用遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）方式完成通信[16]，最大化降低資源調(diào)用響應(yīng)延遲，同時以HTTPS 方式暴露RESTful API，向web 視圖及外部系統(tǒng)提供統(tǒng)一規(guī)范的接口。同時，微服務(wù)使用連接池技術(shù)緩存數(shù)據(jù)庫的訪問連接；業(yè)務(wù)層使用基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）模型的統(tǒng)一登錄認(rèn)證服務(wù)組件為系統(tǒng)提供健壯的權(quán)限管控能力；領(lǐng)域?qū)邮褂梅植际蕉〞r任務(wù)方案實現(xiàn)易擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集；基礎(chǔ)服務(wù)層還使用了眾多中間件技術(shù)，完成數(shù)據(jù)持久化存儲、熱數(shù)據(jù)緩存以及高吞吐的消息訂閱發(fā)布。系統(tǒng)的前端和后端項目使用標(biāo)準(zhǔn)JSon報文格式完成功能接口高效對接。

4 結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)提出的解決方案，設(shè)計并實現(xiàn)了針對5G 行業(yè)專網(wǎng)的客戶自管理系統(tǒng)，確保5G 行業(yè)專網(wǎng)政企客戶通過該系統(tǒng)能夠屏蔽復(fù)雜的組網(wǎng)、專業(yè)的設(shè)備，并且達(dá)到對5G 行業(yè)專網(wǎng)資源、性能、告警等網(wǎng)絡(luò)信息的可視、可管和可控，有助于政企客戶通過5G 行業(yè)專網(wǎng)更加及時、有效地支撐業(yè)務(wù)開展。