摘要：IP層的OAM技術(shù)中，雙向主動測量協(xié)議（TWAMP）通過主動向網(wǎng)絡注入測量報文，并根據(jù)對測量報文進行采集分析來實現(xiàn)任意2個具備IP可達性網(wǎng)絡節(jié)點之間的網(wǎng)絡層性能監(jiān)測。文章首先分析了TWAMP測量方案在實際運營部署時存在的主要問題和挑戰(zhàn)，然后針對網(wǎng)絡的運維管理日益智能化的網(wǎng)絡發(fā)展趨勢下，需要對網(wǎng)絡運行狀況進行連續(xù)實時主動監(jiān)測的新需求進行了相關(guān)分析。基于此，文章提出了一種面向互聯(lián)網(wǎng)遙測架構(gòu)的硬探針TWAMP網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，以此實現(xiàn)IP傳送網(wǎng)的性能監(jiān)測改進，為實現(xiàn)更實時可靠的智能運營提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：IP性能監(jiān)測；雙向主動測量協(xié)議；網(wǎng)絡遙測；模型驅(qū)動遙測；硬探針

中圖分類號：TN915" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著網(wǎng)絡和應用的演進，在網(wǎng)絡上進行多業(yè)務承載時，運營商希望能有更完善的運維管理 （Operation Administration and Management， OAM） 方法對網(wǎng)絡的性能進行監(jiān)測，以在業(yè)務開通前以及業(yè)務運行過程中對網(wǎng)絡的運行狀況及故障進行及時的評估和監(jiān)測。

隨著5G和數(shù)智化時代用戶業(yè)務類型的日益豐富，運營商傳送網(wǎng)絡的承載需求也在相應提高。網(wǎng)絡的OAM是一個分層分段的綜合管理架構(gòu)，在不同的傳輸技術(shù)中可以包含特定層次的相應OAM技術(shù)。IP層的OAM技術(shù)中，針對任意2個具備IP地址且路由可達的網(wǎng)絡節(jié)點之間的IP性能監(jiān)測（IP Performance Monitor， IPPM）方法需要能夠持續(xù)監(jiān)測IP層的端到端的報文傳輸時延、抖動及丟包率等網(wǎng)絡性能信息［1］。

1 雙向主動運維協(xié)議方案的問題和挑戰(zhàn)

雙向主動測量協(xié)議（Two-Way Active Measurement Protocol，TWAMP）是一種通過在指定的IP節(jié)點之間主動發(fā)送雙向IP探測報文來檢測網(wǎng)絡指定IP端點間IP層網(wǎng)絡性能的網(wǎng)絡運維管理方法［2］。雙向主動測量協(xié)議通過主動向網(wǎng)絡注入測量報文，并根據(jù)對測量報文進行采集分析來實現(xiàn)任意2個具備IP可達性網(wǎng)絡節(jié)點之間的網(wǎng)絡層性能監(jiān)測。運營商在部署IP層業(yè)務之前以及在網(wǎng)絡實際運營時都可以通過TWAMP方法，在需要監(jiān)測的任意2個IP節(jié)點上進行TWAMP測量。在通過定義測量端點的IP地址、傳輸層端口號、報文IP優(yōu)先級定義了測試會話（Test Session）之后，TWAMP通過其Session Sender模塊向網(wǎng)絡中注入帶時戳和序列號的IP測量報文發(fā)向測量對端端點。TWAMP的測量對端端點作為會話報文的反射器（Session Reflector）將報文打上相應接收時戳反射回Session Sender。根據(jù)測試會話報文中攜帶的信息，TWAMP能夠完成任意2個具備IP可達性的網(wǎng)絡節(jié)點之間的IPPM性能監(jiān)測，并將測量數(shù)據(jù)上報給服務器端的性能管理系統(tǒng)。

國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（The Internet Engineering Task Force， IETF）的RFC 5357標準中定義了TWAMP測量方法的架構(gòu)、流程和測量報文格式。然而，已有TWAMP標準沒有定義完成測量后形成的測量結(jié)果數(shù)據(jù)如何以合理的、標準化的方法傳輸給服務器端的性能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器（Collector）?，F(xiàn)有TWAMP測量結(jié)果采集方法仍然將TWAMP測量數(shù)據(jù)作為常規(guī)網(wǎng)絡設(shè)備的性能監(jiān)測（Performance Monitor，PM）對象進行采集。例如，通過類似對網(wǎng)絡設(shè)備端口15 min流量統(tǒng)計PM數(shù)據(jù)進行輪詢的類似方法，由Collector定期通過一問一答的方式輪詢網(wǎng)絡設(shè)備的TWAMP測量結(jié)果數(shù)據(jù)，或者在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障需要密集主動連續(xù)測量網(wǎng)絡IP層性能時通過各設(shè)備廠商私有的網(wǎng)管數(shù)據(jù)采集方法來實現(xiàn)秒級主動上報。

2 網(wǎng)絡遙測架構(gòu)

在IP網(wǎng)絡日益復雜、網(wǎng)絡的運維管理日益智能化的網(wǎng)絡發(fā)展趨勢下，需要對網(wǎng)絡運行狀況進行連續(xù)實時的主動監(jiān)測。網(wǎng)絡遙測（Telemetry）是一種通過服務器側(cè)Collector訂閱需要采集的網(wǎng)絡測量數(shù)據(jù)集（探針Probes或傳感器Sensors），網(wǎng)絡節(jié)點連續(xù)主動實時推送測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡監(jiān)測框架［3］。通過對網(wǎng)絡設(shè)備的可監(jiān)測測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)模型抽象和結(jié)構(gòu)化編碼，服務器側(cè)的智能運維系統(tǒng)能夠自動對測量數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析等人工智能處理，進而實現(xiàn)感知網(wǎng)絡。網(wǎng)絡遙測方法是一種面向網(wǎng)管智能化的網(wǎng)絡全方位性能監(jiān)測框架?；诰W(wǎng)絡遙測框架，將TWAMP測量以硬件探針的方式在數(shù)據(jù)平面進行亞秒級實時測量和秒級主動推送，可以有效提升IPPM的測量效率和數(shù)據(jù)分析效率，為網(wǎng)絡感知智能運維提供有力支撐。

2.1 IP承載網(wǎng)中的網(wǎng)絡遙測

網(wǎng)絡遙測為網(wǎng)絡的實時感知提供了新的框架。網(wǎng)絡遙測可以訂閱的網(wǎng)絡感知數(shù)據(jù)涵蓋了網(wǎng)絡的管理、控制和數(shù)據(jù)平面。新一代網(wǎng)絡遙測架構(gòu)涵蓋數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)訂閱、數(shù)據(jù)生成等多個組件。數(shù)據(jù)訂閱需要定義可以從原始數(shù)據(jù)源組合和派生的自定義數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)生成利用適度的網(wǎng)絡內(nèi)計算來產(chǎn)生所需的數(shù)據(jù)。

以基于L3 VPN的移動回傳IP城域網(wǎng)的南向接口（South Bound Interface， SBI）為例。如圖1所示，典型的IP承載網(wǎng)SBI可分為4種主要接口類型：控制接口、配置管理接口、告警/性能和維護管理接口。除用作性能管理接口之外，網(wǎng)絡遙測還可擴展實現(xiàn)OAM測量等功能。

2.2 網(wǎng)元網(wǎng)絡遙測

本文實現(xiàn)的IP網(wǎng)絡性能監(jiān)測系統(tǒng)中，運行在網(wǎng)元側(cè)的遙測代理軟件模塊可以配置為遙測協(xié)議的服務器或客戶端。本文實現(xiàn)的網(wǎng)元遙測方案如圖2所示。設(shè)備網(wǎng)元上的遙測代理（Telemetry Agent）系統(tǒng)負責收集網(wǎng)元的性能/統(tǒng)計數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)并將其推送到收集器。遙測Agent主要包括以下子模塊：

（1）Policy。

配置管理子模塊，可設(shè)置遙測參數(shù)，包括采集器的IP/端口、訂閱規(guī)則（決定推送哪些數(shù)據(jù)）、采樣周期、傳輸協(xié)議和編碼方式等。

（2）Encode and Transport。

Encode and Transport對采集到的數(shù)據(jù)進行編碼和發(fā)送。

（3）Data。

網(wǎng)元設(shè)備中的傳感器采集的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可能來自網(wǎng)元數(shù)據(jù)平面、控制平面或管理平面，可以實時反映網(wǎng)元設(shè)備的運行狀態(tài)。

（4）Sensor data buffer。

Sensor data buffer用于接收來自網(wǎng)元傳感器的遙測數(shù)據(jù)記錄。已上報給采集器的遙測數(shù)據(jù)記錄由遙測代理動態(tài)刪除。遙測傳感器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以通過內(nèi)存、文件或數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。

3 基于網(wǎng)絡遙測的雙向主動測量方案

3.1 TWAMP遙測系統(tǒng)架構(gòu)

針對傳統(tǒng)TWAMP測量方法在數(shù)據(jù)處理和采集上報等實踐應用中存在的問題，本文采用硬件TWAMP探針設(shè)計，基于網(wǎng)絡遙測架構(gòu)實現(xiàn)了一種模型驅(qū)動的硬件加速TWAMP遙測系統(tǒng)，如圖3所示。

模型驅(qū)動的硬件加速TWAMP遙測系統(tǒng)中，TWAMP數(shù)據(jù)探針模塊采集部署于TWAMP協(xié)議Session Sender從其測量對端TWAMP Session Reflector返回的攜帶了原始IPPM測量信息的原始數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)生成模塊對TWAMP數(shù)據(jù)探針模塊的TWAMP測量結(jié)果數(shù)據(jù)進行如下處理和編碼：

（1）利用TWAMP原始測量結(jié)果計算出IP OAM的IPPM測量參數(shù)，包括平均時延、最小時延、最大時延、平均抖動、最小抖動、最大抖動、平均丟包率、最小丟包率、最大丟包率等。對RFC 5357標準定義的原始測量數(shù)據(jù)進行IPPM參數(shù)計算并形成結(jié)構(gòu)化的TWAMP IPPM數(shù)據(jù)模型。TWAMP IPPM結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型形成一棵邏輯TWAMP探針采樣子樹，掛接在網(wǎng)絡設(shè)備Telemetry采樣樹設(shè)備探針采樣數(shù)據(jù)模型樹的OAM相關(guān)節(jié)點下。

（2）根據(jù)數(shù)據(jù)訂閱模塊的設(shè)置，數(shù)據(jù)生成模塊可以對TWAMP測量分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行取樣并只對取樣結(jié)果進行上報。

（3）將IPPM測量結(jié)果按照TWAMP IPPM YANG數(shù)據(jù)模型規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進行編碼，并按照數(shù)據(jù)采集模塊的訂閱要求，以利于大規(guī)模并發(fā)數(shù)據(jù)采集的占用最少量測試數(shù)據(jù)傳送帶寬和CPU處理能力的數(shù)據(jù)格式進行測量結(jié)果編碼。例如，采用二進制的序列化方法對TWAMP測量結(jié)果進行編碼。二進制編碼方法可以降低TWAMP測量結(jié)果傳輸對網(wǎng)絡帶寬和CPU處理性能的要求，同時維護對不同廠家數(shù)據(jù)采集模塊軟件的兼容性。

圖3中，數(shù)據(jù)訂閱模塊對需要采集的TWAMP測量信息、傳輸協(xié)議和傳輸通道進行設(shè)定。數(shù)據(jù)采集模塊可以通過數(shù)據(jù)訂閱模塊對TWAMP測量信息采集事件觸發(fā)標準進行設(shè)定。這一設(shè)定是基于TWAMP數(shù)據(jù)模型的。例如，數(shù)據(jù)采集模塊可以通過數(shù)據(jù)訂閱模塊指定訂閱平均丟包率大于10-5的TWAMP實時測量結(jié)果。數(shù)據(jù)訂閱模塊可以支持多種測量結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸通道。

數(shù)據(jù)發(fā)行模塊對數(shù)據(jù)生成模塊根據(jù)TWAMP IPPM YANG模型完成編碼后的測量結(jié)果數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)訂閱模塊指定的傳輸通道上向數(shù)據(jù)采集模塊進行連續(xù)、實時、主動的推送上傳。

本文系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊用于通過數(shù)據(jù)訂閱模塊發(fā)起對TWAMP測量結(jié)果的訂閱，同時用于接收數(shù)據(jù)發(fā)行模塊推送的TWAMP實時測量結(jié)果。數(shù)據(jù)采集模塊部署于云端，可以與OMC管控軟件同機部署，也可以獨立部署。數(shù)據(jù)采集模塊采集的TWAMP Telemetry數(shù)據(jù)可以供更上層運維支持系統(tǒng)（Operation and Support System，OSS）及OMC控制器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊進行智能分析。這一智能分析可以形成交互模型，即根據(jù)網(wǎng)絡智能分析結(jié)果，OSSamp;Controller的相關(guān)應用可以自動形成并下發(fā)網(wǎng)絡優(yōu)化配置方案，并通過數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)用數(shù)據(jù)訂閱模塊來調(diào)整訂閱的TWAMP測量數(shù)據(jù)并分析網(wǎng)絡調(diào)優(yōu)的效果，從而形成閉環(huán)控制。

3.2 基于硬探針的TWAMP測量

本文在基于ASIC架構(gòu)的IP城域路由器（IPRAN Router）上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面硬件加速的TWAMP硬探針，能夠以亞秒級的周期發(fā)起TWAMP測試。本文研究通過在硬件數(shù)據(jù)平面增加TWAMP硬件加速協(xié)處理器的方式，實現(xiàn)TWAMP測試數(shù)據(jù)的亞秒級發(fā)送和解析。

首先，在接收方向，在網(wǎng)元路由器（以下簡稱“網(wǎng)元”）的ASIC數(shù)據(jù)平面OAM模塊設(shè)置基于TCAM的流量識別功能，識別預定義的TWAMP報文并Trap到TWAMP硬件加速協(xié)處理器去做結(jié)果測量和上報處理。對于每個TWAMP流，TWAMP硬件加速協(xié)處理器根據(jù)配置的報文offset識別出報文中的序列號、時戳等信息，自動計算出收包總數(shù)、丟包總數(shù)、報文時延 （累計、最小、最大）、抖動。對每一個TWAMP流而言，TWAMP硬件加速協(xié)處理器定期計算、更新和向網(wǎng)元CPU上報TWAMP的測試結(jié)果。

同時，在發(fā)送方向，TWAMP硬件加速協(xié)處理器的發(fā)包子模塊可以構(gòu)造報文頭在報文的任意指定位置為特定流填寫序列號、時戳和計數(shù)器之后，向網(wǎng)元ASIC數(shù)據(jù)平面進行常規(guī)發(fā)送。

3.3 模型驅(qū)動的TWAMP遙測

網(wǎng)絡遙測架構(gòu)的一個重要組件是結(jié)構(gòu)化的探針數(shù)據(jù)集，模型驅(qū)動的遙測（Model-Driven Telemetry，MDT）。網(wǎng)絡設(shè)備上的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)模型進行描述，保證運維中心（OMC）管控系統(tǒng)與設(shè)備之間的正確交互。在MDT中，模型驅(qū)動是用戶或OMC可以指定模型路徑來訂閱設(shè)備需要推送的數(shù)據(jù)集。在網(wǎng)元上，數(shù)據(jù)也是按照這個模型描述發(fā)送的。

在MDT架構(gòu)中，采樣數(shù)據(jù)源來自網(wǎng)元的轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面和管理面。數(shù)據(jù)根據(jù)YANG模型中描述的結(jié)構(gòu)進行組織，以GPB、XML或JSON格式編碼，并發(fā)送到收集器和分析器使用gRPC、TCP或UDP進行處理。網(wǎng)元設(shè)備中的遙測代理可以抽象為3層：數(shù)據(jù)模型層、編碼層和傳輸層。

供應商和組織為網(wǎng)絡設(shè)備數(shù)據(jù)定義不同的 YANG 模型。為了實現(xiàn)來自不同供應商的網(wǎng)元和OMC的互操作，發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)應按照標準YANG模型進行組織。

Google 遠程過程調(diào)用（gRPC）協(xié)議是一個在傳輸層 HTTP/2 協(xié)議上運行的高性能通用 RPC 框架。使用相同.proto文件的網(wǎng)元和采集器可以建立gRPC連接。gRPC連接建立后，可以通過gRPC通道傳輸各種語言編碼的數(shù)據(jù)。

本文系統(tǒng)遙測的TWAMP數(shù)據(jù)根據(jù) YANG 模型中描述的結(jié)構(gòu)進行組織，以 Google Protocol Buffers （GPB）格式編碼，并使用 Google 遠程過程調(diào)用 （gRPC）發(fā)送到收集器。在采用GPB編碼方式的情況下，本文實現(xiàn)的TWAMP數(shù)據(jù)模型定義在twamp.proto中。

4 基于TWAMP的微突發(fā)檢測案例

網(wǎng)絡微突發(fā)（Micro Burst）故障是網(wǎng)絡中發(fā)生的小規(guī)模、短暫的故障，其持續(xù)時間通常在幾ms到幾s之間。網(wǎng)絡微突發(fā)故障可能導致網(wǎng)絡中斷、數(shù)據(jù)丟失或?qū)е戮W(wǎng)絡安全威脅，從而影響用戶的隱私和財產(chǎn)安全。通常，網(wǎng)絡微突發(fā)故障的規(guī)模很小，故障持續(xù)時間短，因此檢測難度很大［5］。

4.1 微突發(fā)TWAMP測試數(shù)據(jù)

為驗證硬探針TWAMP遙測系統(tǒng)的有效性，本研究工作使用10 ms級別的TWAMP測量報文發(fā)送周期和秒級的網(wǎng)絡遙測推送發(fā)行周期對潛在問題的IP連接進行微突發(fā)故障檢測，對系統(tǒng)識別的有效性和準確性進行測試。針對目標網(wǎng)絡，對IP報文丟包微突發(fā)故障進行TWAMP主動測量，基于網(wǎng)絡Telemetry的秒級實時監(jiān)控采集數(shù)據(jù)進行故障檢測、故障關(guān)聯(lián)、根因分析和網(wǎng)絡調(diào)優(yōu)。

首先，根據(jù)被監(jiān)控網(wǎng)絡的微突發(fā)故障涉及網(wǎng)絡范圍，安裝TWAMP硬件探針，啟動對指定IP網(wǎng)絡節(jié)點間的網(wǎng)絡主動監(jiān)測。根據(jù)故障檢測要求和TWAMP的Telemetry YANG數(shù)據(jù)模型，調(diào)整訂閱的TWAMP測量結(jié)果參數(shù)集、閾值及數(shù)據(jù)發(fā)行接口類型。TWAMP硬探針啟動后，本文系統(tǒng)的網(wǎng)絡設(shè)備TWAMP的Session Sender模塊處理來自遠端Session Reflector的TWAMP主動測量報文。設(shè)置數(shù)據(jù)訂閱，對TWAMP探針的原始測量數(shù)據(jù)進行IPPM分析計算和Telemetry的發(fā)行格式編碼。數(shù)據(jù)發(fā)行模塊對TWAMP丟包率測量結(jié)果進行實時主動的上報發(fā)行。

然后，通過在被測IP網(wǎng)絡使用儀表以burst方式注入持續(xù)時間很短的高優(yōu)先級背景流量，例如在GE接口上以線速注入50 000個報文的高優(yōu)先級burst報文，造成監(jiān)測IPPM的TWAMP test session由于GE接口擁塞而形成微突發(fā)。

4.2 微突發(fā)TWAMP測試結(jié)果

基于TWAMP測試數(shù)據(jù)集，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊對來自多個網(wǎng)絡設(shè)備的TWAMP訂閱數(shù)據(jù)進行采集匯總，完成數(shù)據(jù)解碼，提取需要的丟包率監(jiān)測信息，發(fā)送給數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊通過智能分析對來自多個網(wǎng)絡設(shè)備的實時TWAMP監(jiān)測數(shù)據(jù)進行故障關(guān)聯(lián)性及根因分析。OSS/Controller分析結(jié)果可以向網(wǎng)絡下發(fā)調(diào)優(yōu)配置命令。通過長期網(wǎng)絡監(jiān)測，云端模塊可以推理分析微突發(fā)故障是否已經(jīng)消除；若需要，則繼續(xù)進行下一輪網(wǎng)絡調(diào)優(yōu)和TWAMP網(wǎng)絡Telemetry監(jiān)測。

本文研究工作對TWAMP探針測量結(jié)果的主動Telemetry推送的發(fā)行時間間隔可以達到秒級。測試結(jié)果表明，這種實時主動的IPPM秒級上報監(jiān)控能夠有效檢測出IP網(wǎng)絡中的微突發(fā)故障，有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡的感知。

5 結(jié)語

綜上所述，本文監(jiān)測系統(tǒng)的IP網(wǎng)元TWAMP數(shù)據(jù)生成模塊將TWAMP測量得到的原始數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡設(shè)備節(jié)點本地的統(tǒng)計分析計算，并按照模型驅(qū)動遙測的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型進行測量結(jié)果組織，有利于智能運維的云端分析軟件進行智能的自動分析處理。

目前，本文IP網(wǎng)絡性能監(jiān)測系統(tǒng)的研究以TWAMP的網(wǎng)絡遙測架構(gòu)建立為主，為運營商提供了全面的網(wǎng)絡狀態(tài)和性能信息。隨著云端智能的逐漸加強，TWAMP遙測能夠為下一代數(shù)智化網(wǎng)絡提供智能決策支持?；贗P網(wǎng)絡性能監(jiān)測的實時遙測數(shù)據(jù)，運營商可以做出更加智能的決策，如容量升級、網(wǎng)絡配置調(diào)整、故障預測等。這有利于實現(xiàn)基于網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)分析的智能閉環(huán)感知網(wǎng)絡，有助于提高運營商的決策效率和網(wǎng)絡運營的整體質(zhì)量。

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Research on IP network telemetry system based on model-driven two-way active measurement protocol method

Abstract： "In the OAM technology at the IP layer， the Two-Way Active Measurement Protocol （TWAMP） implements network layer performance monitoring between any two network nodes with IP reachability by actively injecting measurement packets into the network and collecting and analyzing the measurement packets. The article first analyzes the main problems and challenges existing in the actual operation and deployment of TWAMP measurement， and then addresses the new demand for continuous and real-time active monitoring of network operating conditions under the increasingly intelligent network development trend of network operation and maintenance management. Based on this， this article proposes a hardware accelerated TWAMP network monitoring system oriented to the network telemetry architecture to achieve performance monitoring improvement of the IP transport network and provide solid support for achieving more real-time and reliable intelligent OAM.

Key words： IP performance monitoring; two-way active measurement protocol; network telemetry; model-driven telemetry; hardware accelerated probe