數(shù)字孿生網(wǎng)絡接口設計及其協(xié)議分析

數(shù)字孿生網(wǎng)絡接口設計及其協(xié)議分析

陳丹陽陸璐孫滔Summary：探討了數(shù)字孿生網(wǎng)絡南北向接口和孿生層內(nèi)部接口應具備的不同特性，并給出了當前一些通用接口在數(shù)字孿生網(wǎng)絡中的適用性建議。同時，針對數(shù)字孿生網(wǎng)絡面臨的多協(xié)議問題，提出在孿生網(wǎng)絡層和物理網(wǎng)絡層間引入南向接口協(xié)議適配功能，在孿生網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層間引入北向接口協(xié)議適配功能。借助南向和北向的接口協(xié)議適配功能，分別提出南北向多協(xié)議的識別、解析、轉(zhuǎn)換方法，實現(xiàn)孿生層內(nèi)部接口的多協(xié)議協(xié)同，降低構(gòu)建數(shù)字孿生網(wǎng)絡的協(xié)議處理的復雜度。Key：數(shù)字孿生網(wǎng)絡;網(wǎng)絡孿生;多協(xié)議協(xié)同;閉環(huán)控制Abstract：Thedifferentcharacteristicsofthenorth-southinterfaceandtheinternalinterfaceofthetwinlayerinthedigitaltwinnetworkandtheapplicabilitysuggestionsofsomegeneralinterfacesforthedigitaltwinnetworkinthecurrentnetworkaregiven.Atthesametime，aim?ingatthemulti-protocolproblemofdigitaltwinnetwork，thesouthboundinterfaceprotocoladaptationbetweenthetwinnetworklayerandphysicalnetworklayer，andnorthboundinterfaceprotocoladaptationbetweenthetwinnetworklayerandnetworkapplicationlayerareintro?duced.Basedontheprotocoladaptationfunctionofsouthboundandnorthboundinterfaces，theidentification，parsing，andtransformationmethodsofsouthboundandnorthboundmulti-protocolareproposedtorealizethemulti-protocolcollaborationofinterfacesinthetwin-layerandreducethecomplexityofprotocolprocessinginconstructingdigitaltwinnetwork.Keywords：digitaltwinnetwork;networktwin;multi-protocolcollaboration;closed-loopcontrol1數(shù)字孿生網(wǎng)絡（DTN）發(fā)展概述2003年，美國密歇根大學的M.GRIEVES教授于產(chǎn)品全生命（00）周期（3年，）管理（美）課（國）程（密）上（歇）提（根）出（大）了（學）數(shù)（的）字（M.）孿（G）生（RI）的（EV）概念[1（ES教）授]，并（于）將（產(chǎn)）其（品）定（全）義（生）為包括實體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間聯(lián)系的三維模型。到2012年，美國空軍研究實驗室和美國國家航空航天局（NASA）合作并提出了構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生體，同時將數(shù)字孿生定義為高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，并且能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應的實體的功能、實時狀態(tài)以及演變趨勢等。近年來，隨著建模仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸開始應用在諸如衛(wèi)星、醫(yī)療、能源、交通等各行各業(yè)中[2]。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在各行各業(yè)的應用，如何在通信網(wǎng)絡領域中引入數(shù)字孿生技術(shù)并構(gòu)建DTN成為了新的研究熱點之一。同時，DTN也逐漸被認為是6G網(wǎng)絡的關鍵技術(shù)之一。文獻[3]中，DTN被定義為“一個具有物理網(wǎng)絡實體及虛擬孿生體，且二者可進行實時交互映射的網(wǎng)絡系統(tǒng)”，其應當具備4個核心要素：數(shù)據(jù)、模型、映射和交互，并相應設計了“三層三域雙閉環(huán)”架構(gòu)?；谌缟纤龅募軜?gòu)定義，數(shù)字孿生網(wǎng)絡的各層接口及所處位置如圖1所示。物理實體網(wǎng)絡中的網(wǎng)元通過孿生南向接口同孿生網(wǎng)絡層交互網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡控制信息。孿生網(wǎng)絡層中含有數(shù)據(jù)共享倉庫、服務映射模型和數(shù)字孿生體管理3個關鍵子系統(tǒng)，也通過相應的接口協(xié)議，滿足其構(gòu)建與交互需求，并通過孿生層內(nèi)部接口實現(xiàn)3個關鍵子系統(tǒng)之間以及與物理網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層間的交互。網(wǎng)絡應用通過孿生北向接口向?qū)\生網(wǎng)絡層輸入需求，并通過模型化實例在孿生網(wǎng)絡層進行業(yè)務部署。綜上所述，DTN不同層間，以及孿生層內(nèi)部的接口協(xié)議需求存在差異性。此外，物理網(wǎng)絡層中的不同設備所支持的協(xié)議也多有不同，因此DTN的構(gòu)建也需要考慮如何實現(xiàn)不同協(xié)議間的高效協(xié)同。2數(shù)字孿生網(wǎng)絡的接口及協(xié)議本章依據(jù)文獻[3]所提架構(gòu)，進一步提出了孿生北向接口、孿生層內(nèi)部接口和孿生南向接口需具備的能力，總結(jié)了各接口應具備的特性，并在此基礎上總結(jié)分析了一些現(xiàn)有通信協(xié)議在DTN構(gòu)建中的適用性。2.1孿生北向接口孿生北向接口是網(wǎng)絡應用層與孿生網(wǎng)絡層間的接口，網(wǎng)絡應用需求由孿生北向接口輸入到孿生網(wǎng)絡層。孿生北向接口能夠支持網(wǎng)絡運維和優(yōu)化、網(wǎng)絡可視化、意圖驗證、網(wǎng)絡自動駕駛等網(wǎng)絡應用以更低的成本、更高的效率和更小的現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務影響快速部署。因此，孿生北向接口應具備4個方面的特征。（1）開放性：孿生北向接口須讓不同網(wǎng)絡應用的業(yè)務需求輸入到孿生網(wǎng)絡層，因此它需要具備良好的開放性與兼容性。（2）可擴展：網(wǎng)絡應用層內(nèi)部存在著多種網(wǎng)絡應用，這必然會導致更新?lián)Q代的發(fā)生。同時，網(wǎng)絡的不斷發(fā)展勢必引入新的網(wǎng)絡應用。隨著網(wǎng)絡應用的升級和新應用的產(chǎn)生，孿生北向接口應能及時地擴展，以滿足新網(wǎng)絡的應用需求。（3）可移植：孿生網(wǎng)絡層中存在大小不一、功能不同的孿生體，網(wǎng)絡應用層中各類應用的相同或相似需求可能部署在不同的孿生體上，因此，孿生北向接口應能夠較方便地移植、部署到不同的孿生體上。（4）靈活易部署：為減少部署時間，降低部署成本，孿生北向接口須能靈活部署。2.2孿生層內(nèi)部接口孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部包含數(shù)據(jù)共享倉庫、服務映射模型和數(shù)字孿生體管理3個關鍵子系統(tǒng)，它們是數(shù)字孿生網(wǎng)絡最關鍵的部分。孿生層內(nèi)部接口指的是這3個子系統(tǒng)內(nèi)部及其之間的接口。為支持這3個子系統(tǒng)各自的功能及其交互，孿生層內(nèi)部接口應具備如下4個功能。（1）統(tǒng)一性：孿生網(wǎng)絡層中任一子系統(tǒng)應能通過孿生層內(nèi)部接口為其他子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)服務，即接口應具備統(tǒng)一性。（2）適配性：孿生網(wǎng)絡層須與網(wǎng)絡應用層和物理網(wǎng)絡層交互，應能很好地適應于各種網(wǎng)絡設備，并與多種接口適配，因此孿生層內(nèi)部接口也需要具備適配性。（3）可移植：服務映射模型子系統(tǒng)為不同應用提供的數(shù)據(jù)模型實例可能存在極高的相似度，為提高效率，數(shù)據(jù)模型實例須能通過不同的孿生層內(nèi)部接口提供及部署。（4）靈活可擴展：孿生網(wǎng)絡層須能對不同的網(wǎng)絡新業(yè)務進行驗證，為縮短功能實現(xiàn)時間，孿生層內(nèi)部的功能實現(xiàn)應盡可能簡化，因此孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部接口須做到靈活可擴展。2.3孿生南向接口孿生南向接口是孿生網(wǎng)絡層與物理實體網(wǎng)絡間的接口?？刂聘掠蓪\生南向接口下發(fā)至物理實體網(wǎng)絡，同時物理實體網(wǎng)絡中的各種網(wǎng)元通過孿生南向接口同孿生網(wǎng)絡層交互網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡控制信息。因此，孿生南向接口應具備3個功能。（1）信息交互能力：孿生南向接口應能收集不同物理網(wǎng)元或網(wǎng)絡設備的信息，同時將孿生網(wǎng)絡中的配置信息下發(fā)給物理網(wǎng)絡來執(zhí)行，即能實現(xiàn)孿生網(wǎng)絡層與物理實體網(wǎng)絡間的信息交互。（2）實時性：孿生網(wǎng)絡配置驗證等功能的實現(xiàn)須具備一定的實時性，因此從物理實體網(wǎng)絡中采集并上傳的信息以及從孿生網(wǎng)絡下發(fā)給物理網(wǎng)絡的配置信息均須具備一定的實時性，以滿足數(shù)字孿生網(wǎng)絡的實時性要求。（3）可兼容：不同廠商生產(chǎn)的網(wǎng)絡設備及網(wǎng)元所使用的接口及協(xié)議千差萬別，孿生南向接口應具備良好的兼容性，保證信息采集與配置下發(fā)的可靠性。2.4通用協(xié)議目前網(wǎng)絡中存在多種多樣的南北向及網(wǎng)絡內(nèi)部協(xié)議，如RESTCONF[4]、NETCONF[5]、

OpenFlow[6]、可擴展消息處理線程協(xié)議（XMPP）[7]、East-WestBridge[8]等。不同協(xié)議適用于不同的孿生網(wǎng)絡接口，如表1所示。表1給出了目前適合DTN的一些通用協(xié)議的適用性建議。3多協(xié)議協(xié)同的接口實現(xiàn)機制如上所述，DTN中的物理網(wǎng)絡涵蓋移動接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)等多種網(wǎng)絡類型，因此網(wǎng)元設備種類繁多，各廠家設備所支持的協(xié)議存在差異性。同時，DTN中的網(wǎng)絡應用層也須支持不同網(wǎng)絡應用的多樣化協(xié)議。因此，孿生層內(nèi)部接口須能實現(xiàn)多協(xié)議協(xié)同，以滿足不同廠家的網(wǎng)元或網(wǎng)絡設備所支持的多樣化協(xié)議，以及差異化的數(shù)據(jù)格式。此外，孿生層內(nèi)部接口也須支持不同應用、應用升級等帶來的需求改變和接口協(xié)議的適配變化。同時，由于孿生網(wǎng)絡層的構(gòu)建并非簡單的、1∶1的完全復制物理網(wǎng)絡，而是通過模型抽象的方式實現(xiàn)物理網(wǎng)絡的映射，因此在孿生層內(nèi)部通過多協(xié)議協(xié)同實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換等處理，既能實現(xiàn)孿生層內(nèi)部協(xié)議簡單化，又不會影響DTN原系統(tǒng)構(gòu)建。當前，針對網(wǎng)絡中存在的協(xié)議類別多的問題，業(yè)界也展開了相關研究。例如，文獻[10]對窄帶物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)關處不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換問題進行了探討;文獻[11]研究了基于OpenFlow協(xié)議實現(xiàn)的支持多業(yè)務融合和多協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡架構(gòu)設計;文獻[12]結(jié)合了簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）等多協(xié)議，用于網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn);文獻[13]提出了一種使用元數(shù)據(jù)以抽象方式指定變量和消息的多代理協(xié)議組合方法，實現(xiàn)相同協(xié)議配置的多次調(diào)用，提升了協(xié)議組合的效率。由此可見，多協(xié)議轉(zhuǎn)換、融合的研究已有一定基礎，但在DTN中如何實現(xiàn)多協(xié)議協(xié)同仍有待研究。另外，由于孿生北向接口與孿生南向接口所需處理的協(xié)議不同，南北向接口協(xié)議適配功能存在一定的差異性。3.1孿生南向接口協(xié)議適配功能基于上述相關協(xié)議融合與協(xié)議轉(zhuǎn)換的研究，為實現(xiàn)孿生網(wǎng)絡層與物理網(wǎng)絡層間協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證協(xié)議處理的高效性，配置信息分發(fā)的準確可執(zhí)行，并盡可能地降低協(xié)議處理的復雜度，本文在孿生網(wǎng)絡層與物理網(wǎng)絡層交互處引入了南向接口協(xié)議適配功能。如圖2所示，南向接口協(xié)議適配功能由協(xié)議配置管理、協(xié)議解析及轉(zhuǎn)換、協(xié)議識別及匹配和數(shù)據(jù)管理4個模塊組成。（1）協(xié)議配置管理模塊：對物理網(wǎng)絡層發(fā)給孿生網(wǎng)絡層的所有數(shù)據(jù)包進行處理并得到相應的配置信息，為協(xié)議識別及匹配模塊和協(xié)議解析及轉(zhuǎn)換模塊提供所需的配置信息。（2）協(xié)議識別及匹配模塊：通過孿生南向接口實現(xiàn)與物理網(wǎng)絡層的交互，根據(jù)網(wǎng)元設備標識、終端設備信息、接入控制攜帶的網(wǎng)元信息等，識別并記錄物理網(wǎng)絡層設備所支持的協(xié)議類別，形成相應的終端協(xié)議表，具體形式如表2所示。此外，協(xié)議識別及匹配模塊在孿生網(wǎng)絡層完成相應的功能驗證并生成相應的網(wǎng)絡配置，再將網(wǎng)絡配置信息下發(fā)至物理網(wǎng)絡的具體設備。這時協(xié)議識別及匹配模塊會根據(jù)終端協(xié)議表，確保命令傳輸協(xié)議為相應設備所支持的協(xié)議類型。（3）協(xié)議解析及轉(zhuǎn)換模塊：對從物理網(wǎng)絡上傳的信息等進行解析并轉(zhuǎn)換為孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部數(shù)據(jù)共享倉庫、服務映射模型和數(shù)字孿生體管理3個子系統(tǒng)支持的協(xié)議類型;或做逆處理，即將孿生層內(nèi)部3個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息、模型信息、配置信息等解析并轉(zhuǎn)換為外部應用和物理設備支持的協(xié)議類型。同時，孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部不同子系統(tǒng)功能各不相同，協(xié)議解析及轉(zhuǎn)換模塊須在孿生層內(nèi)部將協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的且孿生網(wǎng)絡層3個子系統(tǒng)均支持的協(xié)議格式，以簡化孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)及信息交互流程。（4）數(shù)據(jù)管理模塊：將物理網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層所用的不同協(xié)議的不同數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部所用協(xié)議適用的數(shù)據(jù)格式。孿生層內(nèi)部南向接口協(xié)議適配功能對物理網(wǎng)絡層中不同終端、設備用到的多種協(xié)議進行識別、解析和轉(zhuǎn)換等操作，簡化了孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部3個子系統(tǒng)間以及孿生網(wǎng)絡層與物理網(wǎng)絡層間的信息交互，實現(xiàn)了孿生層內(nèi)部協(xié)議無關的信息處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。南向接口協(xié)議適配功能簡化流程如圖3所示。通過引入南向接口協(xié)議適配單元，無須過多修改底層物理網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡設備，協(xié)議轉(zhuǎn)換、適配等工作就可以全部由南向多協(xié)議適配單元完成。這使得孿生網(wǎng)絡層的功能更容易實現(xiàn)，數(shù)字孿生網(wǎng)絡的構(gòu)建復雜度進一步降低。3.2孿生北向接口協(xié)議適配功能與物理層網(wǎng)元設備等支持的協(xié)議種類繁多相比，在當前網(wǎng)絡應用層中，應用所使用的協(xié)議種類數(shù)量較少，采用基于Rest應用程序編程接口（API）實現(xiàn)方式的應用占絕大多數(shù)。因此，相比于南向接口協(xié)議適配功能，孿生北向接口協(xié)議適配功能相對要簡單一些。類似于南向接口協(xié)議適配功能，北向接口協(xié)議適配功能同樣需要有協(xié)議解析及轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)將基于RestAPI接口的網(wǎng)絡應用的業(yè)務需求轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡孿生層可執(zhí)行的協(xié)議類型。此外，近年來隨著意圖網(wǎng)絡[14]的發(fā)展，意圖北向接口（IntentNBI）概念及部署逐漸興起。IntentNBI作為一種與具體網(wǎng)絡實現(xiàn)無關的北向接口，僅關注應用相關的內(nèi)容，而不關注具體的網(wǎng)絡協(xié)議及網(wǎng)絡技術(shù)。不同于RestAPI類接口的實現(xiàn)方式，IntentNBI采用聲明式的表達形式，僅關注實現(xiàn)結(jié)果而不指定具體的操作方式。獨特的設計理念使IntentNBI在一定程度上具備了協(xié)議處理功能，與北向接口協(xié)議適配功能高度吻合。目前業(yè)界已有關于IntentNBI的一些設計實現(xiàn)工作。因此，我們考慮將IntentNBI作為孿生北向接口協(xié)議適配功能的一部分，以簡化部分孿生北向接口多協(xié)議協(xié)同的實現(xiàn)。孿生北向接口協(xié)議適配功能的設計如圖4所示。如上所述，網(wǎng)絡應用層目前主流的北向接口為基于RestAPI的實現(xiàn)方式。該方式多采用RESTCONF協(xié)議，其他協(xié)議占比較少。同時，考慮到隨著意圖網(wǎng)絡的發(fā)展，以及IntentNBI設計理念的契合性，在北向接口協(xié)議適配功能中，設計引入IntentNBI，同時面向RestAPI等接口設置協(xié)議解析及轉(zhuǎn)換功能模塊和數(shù)據(jù)管理功能模塊，在降低協(xié)議處理的復雜度的同時，完成北向接口和孿生層內(nèi)部接口間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式等工作。4結(jié)束語數(shù)字孿生網(wǎng)絡作為網(wǎng)絡智能化、自治化、6G網(wǎng)絡演進的技術(shù)支撐，越來越多地受到專家學者的關注。但由于通信網(wǎng)絡與其他行業(yè)存在明顯不同，數(shù)字孿生網(wǎng)絡的構(gòu)建不能單純照搬其他行業(yè)中的應用方案，必須考慮通信網(wǎng)絡本身的各種特性。本文中，我們從數(shù)字孿生網(wǎng)絡構(gòu)建的不同接口應具備的特性出發(fā)，給出了當前一些協(xié)議在數(shù)字孿生網(wǎng)絡中的適用性建議。同時，針對孿生網(wǎng)絡層如何實現(xiàn)多協(xié)議共存和協(xié)調(diào)的問題，我們提出在孿生網(wǎng)絡層面向物理網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡應用層處分別引入南北向接口協(xié)議適配功能，以實現(xiàn)南北向多協(xié)議的識別、解析與轉(zhuǎn)換，簡化孿生網(wǎng)絡層內(nèi)部信息傳遞、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，并降低對網(wǎng)絡現(xiàn)有設備的影響和數(shù)字孿生網(wǎng)絡構(gòu)建的復雜度。多協(xié)議協(xié)調(diào)的接口實現(xiàn)只是構(gòu)建數(shù)字孿生網(wǎng)絡所面臨的諸多問題中的一個，未來我們將繼續(xù)探討并研究數(shù)字孿生網(wǎng)絡構(gòu)建中所面臨的其他問題與挑戰(zhàn)。Reference[1]GRIEVESM.Digitaltwin：manufacturingexcellencethroughvirtualfactoryreplication[EB/OL].[2021-12-12].https：///profile/Michael-Grieves/publication/275211047_Digital_Twin_Manufacturing_

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