面向騰訊開放光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時設(shè)備故障監(jiān)測

  騰訊開放光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多廠商設(shè)備開放組網(wǎng)。通過不同廠商設(shè)備的自由組合與靈活替換，降低了帶寬成本，提高了帶寬交付效率。然而，多廠商、多型號設(shè)備的混合組網(wǎng)模式，也為傳送網(wǎng)絡(luò)的運營帶來了新的挑戰(zhàn)。在不同廠商設(shè)備混合組網(wǎng)的開放網(wǎng)絡(luò)中，定位設(shè)備故障是一個復雜的問題。傳統(tǒng)依賴廠商工程師的模式難以為繼，需要系統(tǒng)具備快速診斷、定位設(shè)備故障的能力，能夠在開放網(wǎng)絡(luò)中，精確識別不同廠商設(shè)備的異常狀態(tài)，定位故障點，準確分析故障影響，為設(shè)備故障處理等相關(guān)運營流程提供技術(shù)支撐。騰訊開放光網(wǎng)絡(luò)基于多維度運行數(shù)據(jù)，利用智能算法，構(gòu)建實時故障監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)對設(shè)備故障全面覆蓋，故障定位準確率達到90%以上，故障查全率高達97%。

  1、設(shè)備故障定位的挑戰(zhàn)

圖一  傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)故障定位流程

  眾所周知，根據(jù)墨菲定律，只要硬件有故障的幾率，無論這個幾率再小故障都會發(fā)生。更不用提在開放光網(wǎng)絡(luò)中，各類業(yè)務(wù)板卡/光模塊的數(shù)量在幾k到數(shù)十k的級別，在這么大的設(shè)備基數(shù)面前，故障是很常見的。那么廠商工程師的排障邏輯是什么樣的呢？一個最重要的信息來源就是告警。當設(shè)備產(chǎn)生告警或者業(yè)務(wù)受到影響時，值班人員會去詢問廠商工程師進行確認故障具體點位，然后配合駐場來對故障設(shè)備進行更換。在這個處理流程中有幾大痛點：

  告警多：每月與波分電層相關(guān)的告警數(shù)量極為龐大，已遠遠超出人力資源所能承受的范圍。

  誤報多：與每月設(shè)備上報海量告警相對的是，但實際發(fā)生的設(shè)備故障數(shù)量大概只有二十幾例。

  信息指向不明確：板卡、模塊告警無法與業(yè)務(wù)相關(guān)聯(lián)，故障指示性差。

  2、自研實時故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

圖二  實時故障監(jiān)測系統(tǒng)流程

  為了解決上述痛點，我們構(gòu)建了實時故障監(jiān)測系統(tǒng)。它的核心部分是上圖中的智能故障出單。開放光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的精細化監(jiān)控能力帶來了秒級性能數(shù)據(jù)和告警的采集，這極大地將開放光網(wǎng)絡(luò)透明化可視化，開放光網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的各個維度的信息變得觸手可及。通過將這些信息輸入我們自研的數(shù)據(jù)挖掘和分析算法，故障事件單以及對應(yīng)的處理建議將會自動且快速輸出。這些故障事件單會以告警的形式接入運營監(jiān)控平臺，并自動觸發(fā)工單，通知值班人員關(guān)注。值班同學根據(jù)故障告警的分析建議，指導駐場直接對故障設(shè)備做出相應(yīng)的操作，如復位、拔插、更換等等。相對于傳統(tǒng)的商用系統(tǒng)排障方式，騰訊自研實時故障監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個方面：

  準確定位：故障定位的累積準確率在90%以上，出單的算法邏輯也一直針對具體的故障情況進行優(yōu)化，避免誤報。

  全面覆蓋：故障定位的累積查全率在97%左右，可覆蓋各種故障場景，避免絕大多數(shù)故障漏報。

  快速響應(yīng)：相較于依賴工程師定位故障需要半天到天級的響應(yīng)和溝通時間，實時故障監(jiān)測系統(tǒng)可以做到分鐘級告警上報，真正實現(xiàn)了全天候不間斷監(jiān)測。

  自適應(yīng)指導：自研的故障監(jiān)測系統(tǒng)通過回顧歷史故障數(shù)據(jù)庫，積累了大量的故障處理經(jīng)驗，可以根據(jù)故障點位和類型自適應(yīng)生成設(shè)備維護建議，不僅定位準確，還能合理維護。

  3、核心故障出單邏輯設(shè)計

圖三  智能故障出單層級結(jié)構(gòu)圖

  如上圖，在實時故障監(jiān)測系統(tǒng)中，一共有六種不同的設(shè)備/模塊被納入了監(jiān)測對象。不同硬件在系統(tǒng)中完成功能不同，性能指標種類存在明顯差異，運營過程中關(guān)注點也不同。因此需要根據(jù)每種板卡/模塊的運行特征，具體為其設(shè)計故障分析邏輯。

  但是不同的故障分析邏輯，其本源是對性能、告警、狀態(tài)等數(shù)據(jù)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)的分析。因此，針對單一數(shù)據(jù)源的特征分析和針對多數(shù)據(jù)源的聯(lián)合分析，作為基本分析方法，是故障檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)不同硬件故障分析邏輯的技術(shù)基礎(chǔ)。其中涉及的一些技術(shù)要點會在下文給出簡要介紹。

  技術(shù)要點一

  性能數(shù)據(jù)異常實時發(fā)現(xiàn)。上文提到，在開放光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，設(shè)備因秒級的性能數(shù)據(jù)采集和推送變得透明化和可視化。這也對實時性能處理和分析提出了更高的要求，采集窗口必須實時貼近故障事件的反應(yīng)時間，監(jiān)測算法必須保證低算法復雜度以配合實時故障發(fā)現(xiàn)的需求。為了應(yīng)對這些需求，我們引入了時間序列自適應(yīng)滑動窗口階躍監(jiān)測技術(shù)。

圖四  自適應(yīng)滑動窗口階躍監(jiān)測

  如圖所示，我們將設(shè)備推送的秒級數(shù)據(jù)（例如模塊發(fā)光頻率，發(fā)光頻偏，板卡溫度等）收集到控制器端，然后對歷史時間窗進行滑動監(jiān)測。監(jiān)測算法的思想是動態(tài)截取時間窗，并計算時間窗在當前時刻的統(tǒng)計值，這個統(tǒng)計值和數(shù)據(jù)的波動情況正相關(guān)。換言之，異常性能數(shù)據(jù)時間窗內(nèi)經(jīng)過統(tǒng)計分析會計算得到一個較高值。該值與統(tǒng)計所得閾值做比較，低于閾值則為正常范圍波動，高出閾值則被判定為故障態(tài)。算法中的各項具體數(shù)值（例如閾值、標準差）都是經(jīng)過對歷史故障數(shù)據(jù)的詳細分析后得出的，使故障態(tài)識別更加精確。另外，性能數(shù)據(jù)的偶然波動（單個采集窗口的數(shù)據(jù)異常，可能是設(shè)備誤報導致）導致的信號突變也會在該算法中進行排除。通過這種滑動窗口階躍監(jiān)測技術(shù)，20s內(nèi)的窗口異常波動都可以有效檢出，且占用資源低，可以實時對控制器管控的海量設(shè)備同時監(jiān)控。在性能監(jiān)測方面，除了自適應(yīng)滑動窗口階躍監(jiān)測之外，還有發(fā)光平坦度監(jiān)測、電源實時轉(zhuǎn)化率分析、風扇轉(zhuǎn)速與設(shè)備功耗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度分析等手段，可根據(jù)設(shè)備的特性進行應(yīng)用。

  技術(shù)要點二

  多維度信息綜合分析提升根因定位準確性。雖然上述的性能數(shù)據(jù)是可以通過數(shù)學建模來利用算法直接判斷異常態(tài)，但是某些設(shè)備的性能數(shù)據(jù)對于故障的指向性不是特別明確，甚至缺少關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)，此時就需要控制器采集設(shè)備其他維度的信息來進行綜合研判。例如設(shè)備自身上報的告警，設(shè)備關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的健康度，相關(guān)聯(lián)的交換機端口狀態(tài)等等。我們以波長轉(zhuǎn)換板卡（OTU板卡）為例簡要說明綜合分析過程。在之前的運營中，OTU板卡故障一般是在上層業(yè)務(wù)受損后被發(fā)現(xiàn)的。然后人工查詢并判斷是數(shù)通層面故障還是波分層面故障，定位到波分層面故障后再定位具體的故障點位。定位到具體故障設(shè)備后，再來通過相關(guān)的設(shè)備告警定位故障具體發(fā)生在客戶側(cè)模塊，線路側(cè)模塊還是OTU電卡。整個故障定位流程十分冗長且需要人工確認，并且在確認眾多告警和故障之間的關(guān)聯(lián)時需要豐富的經(jīng)驗，這對后續(xù)的排障工作也帶來了較很高的難度。

圖五  多維度信息綜合分析流程

  因此我們將告警、業(yè)務(wù)狀態(tài)、巡檢結(jié)果都融入自動化故障監(jiān)測體系中。從OTU板卡告警觸發(fā)，開始關(guān)聯(lián)分析業(yè)務(wù)的狀態(tài)。若業(yè)務(wù)狀態(tài)異常，則進一步分析這個告警的嚴重程度，根據(jù)其和故障的相關(guān)性分級處理，結(jié)合受影響業(yè)務(wù)的數(shù)量來判斷具體是OTU故障還是潛在的上插模塊的故障。另一方面，日常的巡檢收集對業(yè)務(wù)無影響的告警，從故障防控的角度提前知曉設(shè)備劣化的動態(tài)，并發(fā)出故障預(yù)測。總體而言，通過編排告警的優(yōu)先級以及對應(yīng)處理方式，可以為后續(xù)排障工作提供準確的指導建議，進一步提高故障處理的效率。

  總結(jié)

  騰訊開放光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實時設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)，依托于騰訊開放光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)秒級telemetry性能監(jiān)控能力的海量運營數(shù)據(jù)，引入先進數(shù)據(jù)分析算法，實時發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能異動；結(jié)合設(shè)備告警、業(yè)務(wù)狀態(tài)信息分析等手段，顯著提升了故障定位的準確性、查全度、時效性，有效解決了在不同廠商設(shè)備混合組網(wǎng)的開放網(wǎng)絡(luò)中，定位設(shè)備故障的難題，提升了光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障應(yīng)對效率。展望未來：一方面故障監(jiān)測系統(tǒng)將會不斷優(yōu)化算法，進一步提升故障定位準確率和排障效率，同時，更多新的故障類型將會納入實時監(jiān)測體系中。另一方面，將會探索故障監(jiān)測系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)聯(lián)動配合，實現(xiàn)故障、監(jiān)測，優(yōu)化的閉環(huán)。

  作者：懷健、王宇、明剛