クラウドベースのソフトウェア定義型ネットワークにおけるクローズドループの自動化について

はじめに

このドキュメントでは、5G導入シナリオにおけるクラウドベースのソフトウェア定義型ネットワークでのクローズループ自動化の仕組みについて説明します。

バックグラウンド情報

クラウドは、テクノロジーが従来の世界で機能する方法に革命をもたらしています。5Gの出現により、サービスプロバイダー環境におけるパラダイムは変化しました。ネットワークを運用する手動および従来の方法の多くは、完全な自動化に道を開こうとしています。これにより、ネットワークに予防的なエッジが提供され、ネットワークが自己修復ルートに移行します。このドキュメントでは、リアルタイムの分析、可視化、および修復を提供するために、シスコのエコシステムのさまざまな製品を組み合わせたSDNベースのクローズドループ自動化の構造について説明します。これらはすべて、クラウド上に導入されたソリューションと連動します。

5Gは、モバイルテクノロジーを変革するだけでなく、さまざまな業界に大きな機会を創出し、大規模な混乱の舞台を作っています。

5Gは、より高速、より広い帯域幅、超低遅延により、日々の業務とエクスペリエンスを大幅に向上させます。

5Gは、モバイルの世界だけでなく、あらゆる形態の通信サービスに対応するためにモバイル通信を超えて拡張します。実際、あらゆる種類のサービスを可能にし、あらゆる分野で経済変革を促進し、多様なテクノロジー（WIFI、4G、無線テクノロジー）を利用することで、デジタル世界の未来を真に支えています。

このドキュメントでは、導入フェーズについては詳しく説明しません。5Gの自動化とオーケストレーションアーキテクチャに重点を置き、エンドツーエンドの機能性と可観測性を実現します。

自動化の必要性

この段階では、5Gは主にテストと導入の初期段階にありますが、関連する課題を理解する必要があります。すべてのドメインで5Gネットワークを実行するために必要なネットワーク要素の数は膨大です。ほとんどの5Gネットワークの導入では、関連するすべてのコンポーネントをシームレスに運用し、コスト効率の高い効率的な実装を実現するための自動化が必要です。

自動導入シナリオでは、事前に計画を立てておく手間のかかる手作業の大半を排除できます。

機械学習(ML)に基づく人工知能(AI)システムは、通常および高負荷条件下でのネットワーク機能の動作をモデル化できます。

実行時のパフォーマンスデータを使用して、必要に応じて新しい要素を自動的に導入できます。継続的な最適化とサービス保証のために、システムはあらゆるタイプの機器フィードを収集して分析し、そのパフォーマンスを調査して、サービスプロバイダーが必要とし、期待するパラメータに一致するかどうかを判断できます。

自動化を成功させるには、3つの重要なコンポーネントがあります。

1. 可視性：パフォーマンスの低下を検出できず、サービス品質に影響を与えます。ネットワークの状況をリアルタイムで1秒おきに可視化できない場合は、パフォーマンスの低下を自動化することはできません。
2. Insight：ネットワーク分析と関連データの関連付けにより、異常の検出に役立つ洞察が生成されます。
3. アクション：このフェーズでは、実行された変更が適切な影響を与えていることを確認するために、ループを閉じるアクションを実行します。

基本となるのはアシュアランスです。次に、ネットワークが何を達成しようとしているかを予測できる機械学習です。これはクローズループ自動化の基盤につながります。

ソリューションの概要

提案するソリューションは、次のような業界をリードする自動化および保証機能を提供するソフトウェアソリューションです。

1. ゼロタッチプロビジョニング：新しいデバイスのアクティベーション、設定の生成、およびネットワークプロビジョニングを自動化します。
2. CI/CDワークフロー：構成管理、デバイスバックアップ、およびリストア監査履歴。
3. リアルタイムの可視性：パフォーマンス統計と主要業績評価指標(KPI)のダッシュボードとレポート。
4. 障害分析：イベントの重複除外、ノイズの削減、イベントの相関、障害管理、根本原因の分析を行います。
5. トレンド分析と予測 – AI/MLパターン認識、異常検出、統計的傾向、予測。

1. ソリューションの機能と利点

• ゼロタッチプロビジョニング：大規模な導入が可能
• ゼロタッチオンボーディング – 市場投入までの時間の短縮
• 自動ワークフロー(CICD) – 制御性の向上、エラーの減少
• 監視可能性（障害管理、パフォーマンス管理、トポロジ）：効果的な管理とキャパシティ・プランニング
• イベント相関とノイズリダクション：クローズドループ修復および自己修復ネットワーク

2. ソリューションコンポーネント

• マトリックス（パフォーマンス管理）
• ヴィトリア（故障管理・保証）
• CNC:Crosswork Network Controller（収集、保証、トポロジ）
• Kafka – メッセージバス
• ゼロタッチプロビジョニング(ZTP)サービス保証コンポーネント
• テスト自動化フレームワーク(TAF)
• 統合ポータル

Vitriaはパフォーマンス管理も可能ですが、最高のソリューションを提供するためにMatrixとVitriaの両方が提案されているソリューションの一部であり、Matrixはツールとしてのパフォーマンス管理に最適であり、Vitriaは障害管理機能に最適です。

3. ソリューションコンポーネントの詳細

3.1.マトリックス：パフォーマンス管理

Matrixは、シスコが開発した汎用分析フレームワークです。さまざまな種類のデータソースに簡単に適応でき、ソリューションにアプリケーション分析機能を組み込むことができます。Matrixには、要件に応じてユースケースを構築またはカスタマイズできる主な機能があります。

3.2.ヴィトリア：障害管理と保証

仮想および物理インフラストラクチャ、内部およびパブリックネットワーク、相互依存するアプリケーションで構成される、相互接続されたシステムが複雑に絡み合う状況では、障害管理が常に課題となります。

従来の障害管理は、サイロ化されたモニタリングツールに依存しており、それぞれのモニタリングツールがテクノロジースタック内の個別のレイヤに対応しています。各モニタリングシステムは、大量のアラームを生成します。サービス信頼性エンジニア(SRE)はアラームを確認し、チケットを開く必要があるかどうかを判断します。

システム間の相互に関連する問題により、複数のチケットがオープンされ、真の根本原因に対処できない可能性のあるアクションを別のチームが実行するため、時間とリソースが無駄になります。一見独立しているように見える問題が関連していると最終的に判断されると、真の根本原因を特定し、問題を解決するために適切な修正エージェントまたはタスクを関与させるために、部門の枠を超えたチームが結成されます。この従来の障害管理プロセスが効果を発揮する一方で、お客様の不満は高まります。この時間がかかり、多大な労力を要するプロセスは、もはや効果を発揮しません。時間とコストがかかりすぎる。

問題の検出に要する時間の短縮、解決の迅速化、コストの削減を実現するには、IT要素からネットワークやアプリケーションに至る運用環境全体の信号を取り込み、関連付け、分析する必要があります。効果的な障害管理には、サービスレイヤ全体にわたるノイズの削減、人間の介入レベルを低減するための自動化、および既存のプロセスと管理システムとの統合が必要です。

3.3. Crosswork Network Controller(CNC)：収集、保証、トポロジ

ネットワーキングの世界における新たな潮流は、セグメントルーティングの出現でした。これは、マルチプロトコルラベルスイッチング(MPLS)などの従来の方法を置き換えることで運用を簡素化しました。 セグメントルーティングは、プロトコルのホストを排除することで運用の複雑さを軽減し、全体的な運用コストを大幅に削減しました。

シスコの新しいソリューションであるCNCは、セグメントルーティングネットワーク用のSDNコントローラです。ネットワークでSRを有効にすると、CNCは、ネットワークの可視化、サービスとポリシーの導入、およびその他の機能のホストに役立つ一連のソリューションを使用して全体像を把握します。

Cisco CNCにより、お客様は共通のGUIとAPIを使用して、マルチベンダーネットワーク環境におけるインテントベースのネットワークサービスのプロビジョニング、監視、最適化を簡素化および自動化できます。

このソリューションは、インテント・ベースのネットワーク自動化を組み合わせることで、ネットワーク最適化、サービス・パスの計算、デバイスの導入と管理、異常検出と自動修復を含む、サービスのオーケストレーションとフルフィルメントのための重要な機能を提供します。

完全に統合されたソリューションは、Cisco Network Services Orchestrator(NSO)、Cisco Segment Routing Path Computation Element(SR-PCE)、Cisco Crosswork Data Gateway(CDG)、Cisco Crossworkのインフラストラクチャ、アプリケーションスイートなど、業界をリードする複数の革新的な製品のコア機能を組み合わせています。統合されたユーザインターフェイスにより、ネットワークトポロジとサービス、およびサービスとトランスポートのプロビジョニングを、1つの画面でリアルタイムに可視化できます。

Crossworkの原則は、自動化の3つの原則に要約できます。

• 可視性
• 考察
• アクション
  
  

CNCとその強力なソリューションスイートは、ネットワークの全体的な制御のための包括的なメカニズムを提供します。ソリューションはスペクトルによって異なり、前述の3つの原則を満たす幅広い機能を提供します。

1. アクティブなトポロジ

従来のネットワーキングには、導入後にネットワークを視覚化するコンポーネントがありませんでした。オペレータは、ルータに物理的にログインしてさまざまなチェックを行う必要がありました。オペレータは、Crossworkのアクティブトポロジを使用して、リンク、使用率、トラフィックレート、ノードおよびリンクのヘルスステータス、セグメントルーティング(SR)、RSVPポリシーステータス、およびパスの可視化とともに、ネットワーク全体のライブ/リアルタイムの可視化を取得します。オペレータは、直感的なGUIにログインして、ネットワークを手元に置くだけで済みます。

2. クロスワーク最適化エンジン(COE)

ネットワークをリアルタイムで最適化するソリューション。オペレータはネットワークの使用率を効率的に管理できます。COEの最終的な目標は、多くの手動による介入なしにネットワークの自己修復を可能にすることです。

3. Crosswork Data Gateway(CDG)

膨大なデータを生成する数千のデバイスを持つ巨大なネットワークを想像してみてください。CDGは新しいオイルであるデータを使用して、Crosswork自体が活用できるデバイスから、または分析やその他の変換のために他の多くのサードパーティアプリケーションに送信できるデバイスから、すべてのデータを収集するメカニズムを提供します。CDGは、SNMP、CLI、gRPCネットワーク管理インターフェイス(GNMI)、MDT、syslogなどの複数のプロトコルを介したデータ収集をサポートしています。

4. Crosswork Health Insights(HI)

ネットワークが稼働している状態では、特定のネットワークイベントが経過した後に、従来の方法で事後対応的にアクションを実行していました。これは多くの場合、お客様にとって大きなコストとなります。HIを使用すると、ライブKPIモニタリング、アラートの生成、およびトラブルシューティングを自動的に実行できます。ユーザは独自のロジックを定義でき、HIはそのモニタリングに基づいてアラートを生成します。これにより、ネットワークの状態を自動的に把握できます。

5. クロスワーク変更の自動化

構成変更の適用、新しいバージョンのソフトウェアのインストール、アップグレードなど、日常的に手動で行う操作は、変更の自動化を使用して自動化し、迅速化できます。これには、に組み込まれているAnsibleプレイブックが使用され、Cisco NSOを活用して設定の変更がデバイスにプッシュされます。

6. Crosswork Zero Touch Provisioning(ZTP)

お客様は常に、導入と運用のスケジュールを短縮することに賛成しています。ミスや時間のかかる作業に悩まされる通常の手動プロセスではなく、ネットワークに数万もの新しいデバイスを導入する必要がある場合、Crosswork ZTPは、プロビジョニングと新しいCisco IOS® XRデバイスのオンボーディングを完全に自動化したソリューションによって、プロセス全体を大幅に改善します。デバイスは0日目の構成で起動し、CNCデバイスインベントリにすばやく追加できます。その後、これらのデバイスの監視と管理が簡単になります。

目的を達成するためにCNCと連携して動作する製品の他のいくつかのスレッドがあります。その中で最も重要なのは、SRとRSVPの両方をサポートするCisco IOS XR PCEであるSegment Routing Path Computation Element(SR-PCE)です。実際に、BGP-LSプロトコルを使用してトポロジの収集を容易にし、CNCをコントローラとして機能させるためのパスを計算するのは、SR-PCEです。

また、CNCはNSOと連動できるため、ネットワークの意図をデバイス固有の設定に変換できます。CNCをNSOと組み合わせて使用すると、フォースマルチプライヤーになります。

3.4.カフカ：メッセージバス

Kafkaのモニタリングは、Burrowツールを使用して行います。 BurrowはApache Kafkaのモニタリングコンパニオンで、しきい値を指定する必要のないサービスとしてコンシューマのラグチェックを提供します。

すべてのコンシューマのコミットされたオフセットを監視し、それらのコンシューマのステータスをオンデマンドで計算します。オンデマンドでステータスを要求し、他のKafkaクラスタ情報を提供するために、HTTPエンドポイントが提供されます。これらのAPIはパフォーマンスモニタリング(PM)ツールによってポーリングされ、コンシューマラグモニタリングを生成してKafkaクラスタ情報を提供します。

Matrixでは、KafkaノードのCPU使用率、ストレージ使用率、およびメモリ使用率も確認できます。しきい値を超えた場合や異常が検出された場合は、アラームが送信されます。

3.5. ZTP：デバイスアクティベーションとネットワークプロビジョニング

これは、新しいデバイスの自動アクティベーション、設定の生成、およびネットワークプロビジョニングのプロセスです。

3.6.TAF:テスト自動化フレームワーク

Advanced Test Automation Framework(TAF)は、数千ものデバイスに対してテストスイートを同時に並行して実行する方法を提供するため、手動による検証の必要性がなくなります。大規模なネットワークの導入では、手動の検証だけでは拡張できません。このような自動化されたフレームワークは、デバイス構成やその他のチェックを最も効率的かつ期限付きの方法で検証するのに役立ちます。

オペレータは、ボタンを1回クリックするだけで、何千ものデバイスに対して何百ものテストを開始できます。テストスイートは、設定されたすべてのテストを実行してデータを検証し、すべての結果を合否基準とともに詳細なWebベースのレポートに表示します。このレポートに基づいて、オペレータは、他の自動化ソリューションを使用してデバイスのエラーを軽減するために、さらに踏み込んだ措置を講じることができます。

3.7.ユニファイドポータル：共通ダッシュボード

これは、アプリケーションやアイコンを開発せずに柔軟に追加、削除、変更できる、すべてのアプリケーション用のオープンUIです。

これにより、LDAP認証のサポートと製品ドキュメントへのアクセスが提供されます。

ソリューションの調整

5G自動化の目標を達成するためには、ネットワークを構成する異なるドメイン間の部分を接続するためのクロスドメインオーケストレーションが必要です。

トランスポートデバイスを設定してネットワークに接続すると、従来の方法でデバイスを手動で管理する代わりに、ドメイン間のオーケストレーションを利用して、シンプルさ、俊敏性、および効率性を高めることができます。

ネットワークアクティブデバイスは、CDGがデバイスからデータを収集できるプロトコルを指定してCNCにオンボーディングできます。デバイスがCNCにオンボーディングされると、L2およびL3ネットワーク全体のリアルタイム可視化が容易になります。デバイスのモニタリングは、デバイスの健全性の多くの側面に関連するGUIの表示によって容易になります。装置からのデータ収集は所定の間隔で開始され、このデータは豊富な分析値である。データは、前述したように、SNMP、SSH、MDT、テレメトリ、およびその他のさまざまなモードで収集されます。

このデータは、エコシステム内の他のアプリケーションに渡すことができます。CNCは、収集したデータをKafkaバスを介してマトリックスシステムに送信することを可能にします。コレクションはKafkaトピックにサブスクライブされ、CDGは収集したデータをこのトピック（エンドポイントはMatrix）に配信し続けます。

Matrixには、このデータを視覚化できる直観的なダッシュボードが複数あり、複数の分析操作を実行することもできます。このデータは、Cisco Vitria AIOpsソリューションによってクランチされ、障害モニタリングが行われます。障害や異常が検出されると、Vitriaツールは予防的にアラームを生成し、必要な修復を行って重大な障害を回避します。

Crossworkスイート内では、一部のアプリケーションがトランスポートネットワークのトラフィックを事前にオーケストレーションできるため、ピーク負荷時の大幅なダウンタイムが軽減されます。このようなシナリオでは、Local Congestion Mitigation(LCM)やBandwidth on Demand(BWoD)などのCOEの機能パックが役立ちます。

LCMは、ネットワーク内の輻輳を緩和し、代替パスを使用して過負荷のインターフェイスを解放するポリシーを推進するための非常に便利なツールです。これらはすべて、輻輳がすでに発生した後にユーザが輻輳を検出することなく、自動的に発生します。LCMは、この値を超えると輻輳していると見なされる設定可能なしきい値を使用します。

インターフェイスの使用率がこのしきい値を超えると、LCMはローカルインターフェイスレベルで輻輳を緩和するための推奨事項を提供します。このソリューションは、しきい値未満で輻輳が発生する程度の必要な量のトラフィックだけを扱うように注意を払っています。この利点は、インターフェイスのトラフィック全体が転送されないことです。ユーザは、一連の推奨事項を分析し、最適な推奨事項を選択できます。したがって、戦術的なトラフィック処理ポリシーは、リアルタイムでの輻輳の自動消去に役立つSR-PCEコンポーネントを利用してLCMによって開始されます。

BWoDソリューションは、LCMと連携して動作できます。音声またはビデオトラフィックを伝送する高優先度のインターフェイスがある場合、オペレータは、パスに常に指定された量の使用可能な帯域幅があることを確認する必要があります。COEを使用すると、ユーザはBWoDポリシーパスを作成できます。BWoDにしきい値も設定されている場合、モニタリングは1秒ごとに開始されます。インターフェイスのしきい値を超えるとすぐに、BWoDは新しいSRポリシーを作成したり、割り当てられた帯域幅の維持に努める既存のパスを再最適化したりするためにジャンプします。

これらは、トランスポートパスを最適化し、トランスポートの自動化を容易にするシナリオの一部です。CNCは、データを処理および分析するために他のソリューションと一緒に使用できますが、CNCの内部コンポーネントは、ネットワークの可用性と信頼性を拡大するハイエンドの自動化を備えた転送ネットワークの育成にも大きな役割を果たすことができます。

クローズドループ自動化(CLA)の使用例

CLAを使用する場合、基本的な手順は次のとおりです。

1. デバイスまたは送信元からのデータ収集とメッセージバスへの転送。
2. 特定のプロセスの異常を検出するために、取り込みロジック（パーサー）を実装し、処理パイプラインを強化し、KPIしきい値を定義するパフォーマンス管理システム。
3. Fault Management Systemsは、検出された異常を取り込み、API呼び出しを呼び出してアクションを実行するまで待機します。
4. 修復が完了すると、パフォーマンス管理システムの検出フローの異常により、clear状態の異常アラートが送信されます。
5. Fault Management Systemsを使用して、アラートを取り込み、異常をクリアし、インシデントを閉じます。

このシスコソリューションのフローを次に示します。

クロスドメインのシスココンポーネントを活用したクローズドループ自動化の仕組みの実例を、デバイスのメモリリークの事例に示します。show processes memory detailコマンドを実行すると、ルータ内のすべてのプロセスのメモリ消費の詳細が表示されます。

CDGがユーザ指定の期間にルータにログインしてshow processes memory detailコマンドを実行できるように、CNC内にCLI収集ジョブを作成できます。CDGはこのコマンドの出力を取得し、Kafkaバスにデータを転送します。MatrixはこのデータをKafkaバスから読み取り、解析して変換し、ダッシュボードにメモリ情報を表示します。

メモリ使用量がルータに設定されたしきい値を超えると、Matrixはアラームを生成し、異常をKafkaバスに転送します。その後、Vitria AIOpsはKafkaバスから異常を読み取ってダッシュボードにインシデントを生成します。これは、メモリ使用率が安全制限を超えたデバイスのホスト名を表示するAIOpsダッシュボードで視覚化できます。

AIOps GUIから、デバイスをリセットするNetwork Service Orchestrator(NSO)（構成管理システム）デバイスリセットAPIを統合して、このアラームに対するアクションを実行できます。 

ビトリアでもクーリングの時期があり、事件は長期にわたって続く。この期間内に、同じデバイス上でMatrixによる再びリークが報告されない場合、インシデントは自動的に終了します。そうでない場合は、同じプロセスでデバイスをリセットします。このプロセスでは、1つの手動による介入を必要とせず、全体の修復はクロスドメインコンポーネント自体によって処理されます。これは、ループ全体がどのように自動化され、最も一貫した方法でリアルタイムでプロアクティブに解決されるかを実証するものです。

課題

1. クラウドへの移行

クラウドでのアプリケーションのホスティングには、次のような課題があります。

• 新しい運用管理およびセキュリティソリューションが必要
• クラウドエッジの背後でユースケースとビジネスモデルを見つける
• クラウドは必要な高スループットをサポートする必要がある
• 運用、プロセス、セキュリティ、および可用性は、SPとその顧客の期待に応えるものでなければなりません
• クラウドプロバイダーは、適応が困難なサービスをクラウドに移行する設計を容易にするために、ソリューションを提供します

2. 自動化に向けた躊躇

• 自動化の必要性を予見できない
• プロバイダーネットワークの複雑さ

要約

5Gネットワークの自動化とオーケストレーションは、ネットワーク設計の初期から適切に計画および実装する必要がある複雑なタスクです。

5Gネットワークの複雑さは、タスクを簡素化し、計画、実装、運用時のエラーの可能性を最小限に抑えるために、自動化とオーケストレーションを必要とします。

関連情報

• https://www.cisco.com/c/dam/m/en_us/customer-experience/collateral/5G-automation-architecture-white-paper.pdf
• https://www.cisco.com/c/dam/en/us/td/docs/cloud-systems-management/crosswork-network-controller/3-0/Solution-Workflow-Guide/CNC-3-0-Solution-workflow-guide.pdf
• シスコのテクニカルサポートとダウンロード