意图感知网络助力物联网发展

郄雅坤，李 源，丁 郁，张春天

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引 言

数字经济的演变是不可阻挡的潮流，网络在其中居于核心地位。随着有线、无线、云化网络和物联网的快速发展，全数字化应用正在以前所未有的速度改变整个世界，网络规模不断扩大，网络流量迅速增长，网络管理变得复杂且易出错。为了支持业务的敏捷性，网络需从一个静态资源系统演变成为一个能一如既往地满足商业目标的动态系统，一种新兴的网络范式—意图感知网络（Intent-Based Networking,IBN）应运而生。

自2013年起，产业界和学术界先后制定了多项IBN相关标准，发表了多篇学术论文，推动了IBN相关研究的快速发展，使其逐渐成为近年来的研究热点。目前国内外已有不少公司在IBN这一领域开展研究，包括华为、思科、中兴等等，希望未来IBN的进一步发展将能够检测并自动解决各类网络问题，实现更多的厂商集成，使所有用户都能够更轻松地进行网络编程。

本文针对意图感知网络基础概念、关键技术、产业进展等方面进行深入分析，借鉴其网络自动化的理念，将其概念从网络层面拓展至业务层面，以实现一种由业务意图策略驱动且自运行的网络，打破商业与网络之间的鸿沟，将用户的业务意图转换为网络可执行操作的路径。

1 基础概念

网络的发展总伴随着新技术的应用，五年前数据中心为Ethernet Fabrics，后来演变为SDN（Software Defined Netrork），再后来是SD-WAN。随着SD-WAN的不断发展，基于意图的网络成为网络领域最新的风向。

IBN和SDN有很多相似之处，从架构上看， IBN可以视为SDN概念的延伸，且可以进一步改善网络自动化和复杂性等问题。IBN系统的自动化运行围绕“意图”进行，在意图的驱动下，用户不必直接输入策略指令，只需输入所需的业务意图后，IBN即可自动翻译意图并实时监测网络状态是否与业务意图预期的状态匹配。而SDN的本质是使用集中式控制器来驱动整个网络，意图接口只是一个应用。因此，IBN可以看作是更高级、智能的SDN。

2013年，IFIP（International Federation for Information Processing）会议首次提到了意图驱动网络管理的概念。2015 年， ONF（Open Networking Foundation）北向接口工作组发布的一篇标准草案阐述了IBN的基本思想。随后在2016年，ONF发布白皮书，描述了基于意图的北向接口的范式以及基本实现结构。同年，一些硅谷创业公司推出了部分IBN产品，并获得了超过1 000万美元的启动资金。2017年，思科发布的白皮书中也指出，通过IBN，网络团队可以用简明的语言描述想要完成的工作（意图），网络能够将此意图转化为众多策略并自动下发执行。同年，Gartner发布的报告中，也定义了IBN应该具备的4种能力：转译和验证、自动下发与执行策略、网络状态的察觉、精确诊断以及动态优化和补救，并预测 IBN 是网络领域的下一件大事。

总的来说，IBN可以定义为：以“意图”作为核心驱动网络运行，为系统提供全生命周期的管理，是一种实现自动搭建和操作的闭环网络架构。IBN可根据用户意图完成自动转换、验证、部署、配置和优化，以达到目标网络状态，并自动调整网络策略，保证网络状态能够始终与用户意图统一。

2 关键技术

IBN是可编程的、可定制的自动化网络，需要使用意图识别、网络遥测和闭环优化等技术实现IBN网络的全生命周期管理。

2.1 意图识别

在IBN中，意图发起者可以显式或隐式地告诉网络其意图。无论使用哪种方法，网络都需要理解意图并将其转化为特定的表达方式，在意图尚未生效前都可以进行灵活修改。意图识别的目标是将描述中的网络需求或任务转译为可被网络识别的语言，具体流程包括意图描述、意图转译等环节。

意图的描述主要使用意图原语的定义规则和自然语言处理算法等。意图原语可被定义为：＜领域、属性、对象、操作、结果＞。

领域：确定服务范围，形式化属性、操作、对象的功能领域。

属性：描述字段的特定特征。

对象：面向客户的节点、管理员的连接和服务流。

操作：描述用户的预期行为，可以用条件、动作和约束的模式表达。

结果：描述用户想要达到的状态，可以用“期望达到某个状态”或“避免达到某个状态”等子句表达。

文献[6]中提出，用户的意图请求可被定义为一种描述性语言，例如“Build a connection to a high performance computing center”。意图描述会被长短时记忆（LSTM）分成几个关键字。然后它将根据关键字提取的结果在知识库中寻找匹配的配置参数，例如“Build”翻译成用户源地址“0.0.0.0.1”，“high-performance computing center”翻译成服务器地址“0.0.0.0.2”，“connection”翻译成相应的通信需求。之后将其呈现为OpenFlow规则，以生成配置策略。

文献[7]中提出了一种网络意图识别的方法。通过智能语音机器人界面采集意图，利用神经网络学习模型提取自然语言表达的用户意图。在意图重整的过程中，使用尼罗河语言将意图转化为网络策略。意图识别系统引入了反馈机制，有效提高了意图识别的准确率。

文献[8]中提出用户意图的转译目前主要使用自然语言处理、机器推理等方法。提取用户意图中的关键字，进行词法分析、语义挖掘等操作，去掉无效信息，从而获得用户期望的网络运行状态，并使用智能化的方法生成网络策略。

2.2 网络遥测

完成意图识别后得到网络策略，在策略下发前对策略进行可执行性验证，系统根据网络控制并调整网络配置以满足意图目标。因此，对网络状态的感知必不可少。通过遥测和机器学习，最终实现可视化运维和智能决策。

文献[9]中主要考虑资源的可用性、策略的冲突以及策略的正确性，对当前网络状态进行感知，维护网络状态信息数据库。在策略下发之前，查看当前策略所需的网络资源是否可用、是否足够，实现资源可用性的验证。如果检测到待下发策略与网络当前策略存在冲突，可采用设置优先级的方法来消除一些优先级低的策略。

文献[10]中提出创建一个统一的遥测数据平面，以可编程方式收集网络中的遥测数据，并在数据包和网络遥测数据之间建立链接。引入网络遥测，使设备主动推送状态信息，实现端到端的网络流量实时可视化，以解决传统网络监控方法无法观察到的问题，如时延、转发路径、缓存、丢包等。通过进一步的数据分析，建立数字化模型，为网络运维提供整体解决方案和必要的技术支持。

2.3 闭环反馈优化

意图下发后根据网络反馈，推断网络配置与输入意图之间的差距，不断进行闭环系统调整，增强学习模式，调整网络配置，最终满足业务意图。

文献[11]使用基于意图的控制回路来保证视频服务的QoS，使用IBN定义网络行为，动态实时配置网络以满足服务需求。该方法基于网络对视频流量进行路由，并成功提高了QoS。闭环反馈控制可对比系统行为（输出）与预期行为之间的偏差，并消除偏差以实现所需的系统性能，是IBN运行过程中必不可少的环节。

3 IBN产业进展

IBN可以为网络管理与维护带来极大方便，并降低各公司或者网络运营商的运营成本。IBN将最先应用于具有大规模或超大规模数据中心网络的客户中，包括大型企业用户、大型公有云/行业云服务提供商、电信运营商，金融、能源、制造等行业，多为具有大量行业数据和应用系统需求的企业用户。全球已有很多公司开始进行意图网络的研究，如华为、思科、中兴等国内外知名企业，并已有一些初步产品。

3.1 华为

华为推出了意图驱动的智简网络（Intent-Driven Network,IDN）解决方案，旨在构筑一个全生命周期自动化、智能运维、面向商业逻辑和意图闭环的新一代网络，实现网络自身的数字化转型，最终走向自动驾驶网络。

华为智简网络架构包括商业意图、数字孪生的网络平台以及极简超宽的云化网络基础设施，以用户的商业逻辑和业务策略意图为驱动，在物理网络和商业意图之间构建一个数字孪生世界，通过引入AI技术，实现从被动运维到主动运维，对网络进行预测性分析，提前识别网络故障，基于商业意图主动优化闭环。

华为IDN现阶段已在各商业场景进行了具体化体现，包括基于IDN的5G场景系列解决方案、企业园区解决方案、数据中心意图驱动业务自动化部署、意图闭环验证等。

3.2 思科

思科认为IBN是影响未来30年的网络，并于2019年6月份发行了基于意图的网络软件。在SDN的基础上，从以硬件为中心的手动方法到网络的设计和运营，转变为以软件为中心的全自动方法，该方法增加了上下文，能够学习和保证功能实现。这意味着要持续应用和确保应用程序性能要求，并在整个网络中自动执行IT操作策略。

思科IBN架构包含以下功能构建块的闭环系统：翻译、激活和保证。获取业务意图后并将其转换为网络策略，该策略可以在整个网络中自动化应用，同时进行分析。机器学习和自动化使网络连续不断地动态适应业务需求，使网络连续监视和调整网络性能，以确保获得理想的业务成果。

思科拥有完整的架构和解决方案套件，可通过跨所有网络域（数据中心，园区，分支机构，WAN和多云）使用基于意图的网络来实现从客户端到应用程序的意图并确保其意图的愿景，具体用例包括自动驾驶网络、网络表现保证、检测和缓解威胁、提供从边缘到云的一致有线和无线策略等。

3.3 中兴

基于对网络发展的深刻把握和多年的ICT技术沉淀，中兴通讯适应智能化网络发展趋势，推出面向意图网络的网络全生命周期智能化产品ZENIC ONE。ZENIC ONE智能化解决方案覆盖了网络生命周期，通过提供网络规划、网络快速构建、业务自动开通、业务自动恢复、故障快速诊断、网络仿真、网络预测、网络优化等智能服务，全面提升网络智能化水平，显著提高网络建设和运维的效率，降低网络Capex和Opex。

ZENIC ONE包括意图、自动化、感知三大引擎，其中意图引擎是ZENIC ONE的核心，接收用户意图，驱动自动化引擎进行网络编排和控制，并根据感知引擎的分析，进行用户意图的主动保障，从而形成用户意图全生命周期的智能化闭环。

中兴现已有解决方案应用落地，ZENIC ONE系统适用于覆盖SPN/IPRAN、OTN、IP+光、网络切片、云网融合等4G/5G承载网全场景，包括基于意图的业务开通、意图管理等。

3.4 星网锐捷

锐捷认为企业的数字化转型需要网络的高业务连续性、高业务体验、高可靠安全性作为保障，极简XS智能网络正是在这样的需求下产生的，并为此提供了“意图驱动”的强大特性。

极简XS智能网络包含由智能引擎、分析引擎、意图引擎、策略引擎组成的强大AI计算能力，以及NTA分析器与ONC控制器。整套系统由网络控制中心、网络管控及大数据AI分析平台、服务器、网络基础设施等构成。

锐捷网络数据中心产品和解决方案已经在运营商、BAT等顶尖互联网公司等数据中心进行网络设计和部署，随着企业数字化转型和信息服务全面云化的进程推进，锐捷云数据中心战略也将根据用户实际应用场景的需求变化演进升级。具体场景包括25G/100G IDC场景、万兆IDC场景、中小型私有云数据中心等。

业界对网络的要求和目标是一致的，就是让网络更加智能化，虽然目标一致但实现方式往往不同。总的来看，各企业都已拥有一系列IBN场景及解决方案，见表1所列。各家的IBN方案都具有一套高效的网络状态采集和下发机制，并且拥有一个自动化的网络管理平台来穿点所需的状态并执行策略，用户只需表述目的即可，“翻译成指令集”和“执行过程”都由网络自动完成。

表1 各厂商IBN系统组成及解决方案

4 IBN助力物联网发展

IBN能够为网络设备和管理团队赋能，可以更好地协助网络运营商和企业控制基础网络设施，让网络管理员能够定义想要的网络。未来可以将IBN意图识别的概念延伸至业务层面，助力物联网从“互联”到“智联”，再到“敏捷智联”，打造端到端敏捷解决方案。综合来看，IBN助力物联网的优势如下。

（1）提高敏捷性：基于业务意图，对于网络全息状态的获取和对设备细粒度的控制都给网络带来了巨大的敏捷性，同时也解决了异构网络之间的协同管理问题，使得系统能够实现以意图为导向，以策略为介质的高集中度统一管控。

（2）降低复杂度：网络自动化的提升降低了网络的复杂性，大幅提高了运维效率，也很大程度上节省了人工。

（3）扩展物联网和移动性：通过在网络中自动创建基于身份的意图，用户可以保护工作组等。

（4）云的性能和安全性：如果用户需要将工作负载迁移到云端，IBN可以确保云应用的安全和高质量的用户体验。

（5）保障、安全和优化：由于IBN是一种系统方式，因此所有部署最终都集中在一个集成系统上，该系统可采用整体闭环方式实现物联网系统各部分的策略、保障和自动化。

未来物联网除了实现人与人、人与物、物与物联接，还要承载海量数据存储、分析的任务，同时满足应用灵活化需求，实现不同行业间的协同，成为不同对象建立联接的桥梁。本文提出的业务意图感知功能架构如图1所示。

图1 业务意图感知功能架构

4.1 商业意图层

以意图为核心，实现意图的全生命周期自动闭环，例如意图的定义、意图的理解及转换、用户意图的事前检查和事后验证、意图的下发、意图的实时反馈，以及与服务层对接的策略制定及调度。

意图识别模块：商业意图即用户的商业逻辑/决策，根据当前不同企业、不同行业的组织分工和运营情况，意图可归纳为商业/业务意图和网络意图，满足不同客户的多样化诉求。通过开放基于意图的API，用户可以利用业务/网络模型、大数据分析、算法等模型自定义其意图。接收商业意图，理解商业意图后，将商业意图翻译成服务编排策略，并模拟、验证网络的设计和规划，实时感知网络状态，建立数字化网络模型，以持续验证网络与意图一致性，及进行预测性维护，从而形成完整的闭环系统。

服务编排模块：将网络设计和规划变成具体的网络命令，承接意图识别模块下发的意图内容，形成服务部署策略，调度服务层的资源池，实现多种策略的灵活编排和调整。

4.2 服务层

向上对接上层业务层的资源需求，将该需求和服务层能力匹配，形成服务层的服务策略；向下对接资源层，通过资源编排模块设计出需要支撑实现此次“临时性服务能力”的资源簇，包括计算、存储、传输、感知等。通过通用功能模块的定义，将底层的网络能力有机整合，同时通过不同功能模块的组合，实现不同业务需求的服务。对上层业务屏蔽了底层复杂的网络结构及逻辑关系，同时通过资源编排，实现底层资源的快速调用。

基于该架构的业务实现流程如下：

（1）收集意图发起者期望达成的业务/网络意图，在意图尚未生效前可以进行灵活修改。

（2）将意图转化为网络能理解的语言/策略，并实时验证该策略的有效性，如果验证不通过将会返回步骤（1）。

（3）转译出的策略在通过验证后自动下发到服务编排模块，进行策略编排及调度。

（4）根据策略调度意见，实时监测资源池情况，探知资源是否可用/够用，网络的状态时时变化，验证执行时的状态与期望的状态是否不一致，系统主动根据期望的状态对策略进行实时优化补救。

（5）通过验证将编排策略下发至服务层执行，将结果返回至意图的发起者处，该结果可以是意图已经达成，或者是意图需要被重新定义。

针对物联网业务灵活化、随机化产生的特性，物联网系统需准确理解不同业务的差异化意图，并适应跨多技术领域的复杂环境，从而快速完成业务意图的准确发现与识别。同时，系统需具备快速且精准分析网络资源的能力，以实现业务需求与网络能力的精准匹配。其次，系统需实时监控业务需求的变化，提前识别网络故障，及时调整网络资源配置，保证业务和资源的高效动态匹配，从而形成集业务意图感知、分析、决策下发、智能运维于一体的全生命周期闭环系统。IBN理念用于物联网业务实现，可有效提升业务部署效率、降低运维成本，极大降低资源优化调整的时间及难度，满足下一代物联网高动态、高灵活化需求，打造端到端敏捷的物联网系统。

5 结 语

IBN是当前网络领域的热门技术之一，针对未来新接入终端数量增多、业务复杂、运营花费成本高、未知安全威胁日益频发等问题，IBN网络可快速响应不同业务需求，保证业务连续性和稳定性。有研究表明，IBN系统的部署可减少50%～90%的网络基础设施交付时间，同时还可降低至少50%的宕机发生次数和时长，提高网络的可用性与敏捷性，成为未来企业网络应对数字化转型的支撑。

鉴于IBN的发展潜力，学术界和产业界已经深入研究其关键技术，并已形成一系列解决方案。然而，IBN要想真正落地还存在诸多挑战，主要体现在意图转换、标准化制定、跨域通信、商业落地等方面。因此，未来不仅要改进现有技术，还需开发新的技术，持续完善IBN的优化闭环，发挥IBN的优势，使其更好地服务网络智能管理，赋能业务全生命周期管理，最终实现系统的全面自治，助力物联网向敏捷智联发展。