網(wǎng)絡(luò)自智——網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的新時(shí)代

編者按

隨著海量數(shù)據(jù)、設(shè)備、新興應(yīng)用等不斷接入互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)營效率都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)?！熬W(wǎng)絡(luò)自智”為未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了一個(gè)很有前景的規(guī)劃圖，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、智能化，具有智慧協(xié)同能力，可以根據(jù)自動(dòng)靈活的標(biāo)識映射技術(shù)來滿足不斷涌現(xiàn)的新服務(wù)需求。展望未來，網(wǎng)絡(luò)自智開啟了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的新時(shí)代。

中國工程院張宏科院士研究團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《Engineering》2022年第10期發(fā)表《網(wǎng)絡(luò)自智——網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的新時(shí)代》一文。文章在概述目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)自智的概念，并介紹了構(gòu)建智能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過程中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，總結(jié)了智能網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的12項(xiàng)核心能力。最后，文章指出，為促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)自智，未來網(wǎng)絡(luò)需實(shí)行“三層兩域”的智融標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)，整合所有類型的先進(jìn)高級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的智能協(xié)作。

互聯(lián)網(wǎng)的起源可以追溯到20世紀(jì)60年代末。作為互聯(lián)網(wǎng)的前身，美國阿帕網(wǎng)（ARPANET）是世界第一個(gè)廣域分組交換網(wǎng)絡(luò)，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的訪問和在多個(gè)授權(quán)計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)。在最近數(shù)十年中，互聯(lián)網(wǎng)取得了巨大的發(fā)展，目前可以輕松連接數(shù)十億臺設(shè)備（包括移動(dòng)終端、計(jì)算機(jī)和傳感器）。據(jù)IHS Markit預(yù)測，連接到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的設(shè)備數(shù)量平均每年增長12%，2030年將升至1250億臺[圖1（a）]，此外，在未來15年內(nèi)，全球數(shù)據(jù)流量平均每年將增長50%。然而，這種網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢同樣增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)由于缺乏自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)營效率面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

圖1. （a）IoT設(shè)備數(shù)量的快速增長趨勢；（b）新興的HSR網(wǎng)絡(luò)場景。HSR：高速鐵路。

另一方面，新興應(yīng)用也對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提出了各種需求。例如，高速鐵路（HSR）網(wǎng)絡(luò)要求支持其峰值移動(dòng)性[如350 km?h-1，圖1（b）]，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要求低延遲性（如小于1 ms），軍事通信網(wǎng)要求高安全性和可靠性。上述要求往往同時(shí)存在，但這些要求似乎又是互相矛盾的。例如，為了提高安全性，網(wǎng)絡(luò)可以引入加密計(jì)算和復(fù)雜的身份認(rèn)證，但毫無疑問網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲也會(huì)提升。因此我們很難期望任何一個(gè)單一化的非智能網(wǎng)絡(luò)同時(shí)滿足可靠、靈活、可擴(kuò)展、安全和高收益等要求。這意味著網(wǎng)絡(luò)必須具備智能化，能夠自動(dòng)執(zhí)行一系列網(wǎng)絡(luò)自智的操作。

一、

網(wǎng)絡(luò)自智

“網(wǎng)絡(luò)自智”的提出為不斷增長的網(wǎng)絡(luò)需求和挑戰(zhàn)提供了一個(gè)很有前景的規(guī)劃圖。早在2003年便有人提出建立一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò)的想法，來自麻省理工學(xué)院（MIT）的David D. Clark教授提議為互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建一個(gè)“知識平面”，他分析了實(shí)現(xiàn)該平面面臨的主要挑戰(zhàn)。在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目的資助下，我們指出，未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有智慧協(xié)同能力，根據(jù)自動(dòng)靈活的標(biāo)識映射技術(shù)來滿足不斷涌現(xiàn)的新服務(wù)需求。來自國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心（NDSC）的中國工程院鄔江興院士提出了多模態(tài)智慧網(wǎng)絡(luò)（PINet）架構(gòu)，可以支持多個(gè)全維可定義的網(wǎng)絡(luò)模態(tài)，這一前瞻性研究在自智網(wǎng)絡(luò)的研究發(fā)展中起到了重要作用。

在過去幾年中，網(wǎng)絡(luò)自智已經(jīng)引起業(yè)界大量的研究興趣。思科提出了基于意圖的網(wǎng)絡(luò)（intent-based networking, IBN），將意圖抽象地表達(dá)為特定的管理規(guī)則，從而改變網(wǎng)絡(luò)的管理方式。華為推出自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)（ADN）和意圖驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（IDN），通過解耦網(wǎng)絡(luò)控制邏輯，使得網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶意圖自動(dòng)驗(yàn)證、部署和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功能。瞻博網(wǎng)絡(luò)還提出了一個(gè)自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)的愿景，它可以以自動(dòng)化的方式對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量和控制。此外，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）的零接觸網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)管理（ZSM）小組推廣的零接觸網(wǎng)絡(luò)（ZTN）被認(rèn)定具備自動(dòng)化能力，包括基于服務(wù)配置的功能升級、服務(wù)部署和服務(wù)遷移能力。研究人員還提出了知識定義網(wǎng)絡(luò)（KDN），并且得到很多主流公司的支持，如博通公司、思科公司、英特爾公司和日本電報(bào)電話公司。由此可見，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化是迄今為止網(wǎng)絡(luò)發(fā)展最重要、最有前途的方向。表1列出了該領(lǐng)域的部分主要研究成果。

表1網(wǎng)絡(luò)自智研究

SINET: smart identifier networking, SONIC: software for open networking in the cloud, NGIT: National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Technologies.

二、

挑戰(zhàn)和功能

在上述研究人員的共同努力下，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、智能化的創(chuàng)新工作取得了顯著進(jìn)展。然而，集成網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化能力是一個(gè)需要不斷迭代演進(jìn)的長期工作。首先，對于需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的新時(shí)代，我們需要一種創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)來支持網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和智能化。構(gòu)建該智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的過程存在諸多挑戰(zhàn)，下面我們列出了三個(gè)主要的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)也是我們提出的技術(shù)目標(biāo)。

（1）高級網(wǎng)絡(luò)感知：智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能理解用戶的意圖，自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)操作。智能網(wǎng)絡(luò)能夠不斷地自動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、運(yùn)行狀況和服務(wù)需求。

（2）高級網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化：網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化應(yīng)能自動(dòng)配置相應(yīng)的硬件或軟件參數(shù)，以滿足預(yù)定義的目標(biāo)狀態(tài)。它還應(yīng)能執(zhí)行自我修復(fù)操作，以解決網(wǎng)絡(luò)問題或使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到期望狀態(tài)。此外，它還應(yīng)自動(dòng)管理網(wǎng)絡(luò)用戶和更新服務(wù)功能。

（3）高級網(wǎng)絡(luò)診斷：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)不斷地與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境交互數(shù)據(jù)，報(bào)告和交換必要的診斷信息。它應(yīng)該分析和執(zhí)行自我診斷操作，抵御來自外部和內(nèi)部的安全威脅，通過一定的服務(wù)動(dòng)作反饋?zhàn)晕倚迯?fù)結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化過程中，網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)應(yīng)該具備多個(gè)核心能力，我們簡要總結(jié)了所需的12項(xiàng)核心功能。網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)必須能夠：

①自我識別和理解用戶意圖；

②將意圖自動(dòng)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)操作；

③對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和狀態(tài)進(jìn)行自我監(jiān)控；

④自動(dòng)檢測各種服務(wù)需求；

⑤自動(dòng)配置所需功能；

⑥當(dāng)檢測到?jīng)Q策錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行自動(dòng)校正；

⑦自動(dòng)監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)用戶，包括惡意用戶；

⑧自動(dòng)更新服務(wù)功能，優(yōu)化交付能力；

⑨使用機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)分析內(nèi)??；

⑩自動(dòng)抵御外部和內(nèi)部安全威脅；

?通過服務(wù)動(dòng)作反饋?zhàn)晕倚迯?fù)結(jié)果；

?意外情況發(fā)生時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)告。

技術(shù)挑戰(zhàn)與所需核心能力之間的關(guān)系如表2所示。

表2網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的技術(shù)挑戰(zhàn)和核心能力

三、

智融標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)

未來的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)融合所有類型的先進(jìn)高級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的智能協(xié)作?；谶@一期望，我們在先前工作的基礎(chǔ)上提出了智融標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)（SINET）。圖2為SINET的功能架構(gòu)。

圖2. SINET功能架構(gòu)。AI：人工智能。

為促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)自智，智融標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)分為三層兩域。三層包括智慧服務(wù)層、資源適配層與網(wǎng)絡(luò)組件層，兩個(gè)域分別為行為域和實(shí)體域。

? 智慧服務(wù)層主要負(fù)責(zé)翻譯用戶意圖和對服務(wù)注冊功能進(jìn)行管理。資源適配層動(dòng)態(tài)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，通過建立網(wǎng)絡(luò)功能族群來滿足智慧服務(wù)層的服務(wù)需求。網(wǎng)絡(luò)組件層主要用于協(xié)調(diào)各網(wǎng)絡(luò)組件，以執(zhí)行特定的網(wǎng)絡(luò)操作。

? 行為域是一種用于網(wǎng)絡(luò)感知和網(wǎng)絡(luò)診斷的特定功能域。它由三層數(shù)字信息（以行為描述標(biāo)記）組成，負(fù)責(zé)分析網(wǎng)絡(luò)行為和服務(wù)需求，它也負(fù)責(zé)為特定操作生成決策及規(guī)則，并完成命令的傳遞。實(shí)體域由實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體（以實(shí)體標(biāo)識符標(biāo)記）組成，并根據(jù)來自行為域的決策進(jìn)行相應(yīng)操作。

基于該創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)，我們進(jìn)一步引入了三層之間的垂直自主映射，使網(wǎng)絡(luò)能夠動(dòng)態(tài)地滿足各種服務(wù)需求、更新服務(wù)功能，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的智能交付。此外，兩個(gè)域之間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)感知和診斷的水平自主映射操作也促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化。圖3展示了SINET支持網(wǎng)絡(luò)智能化的范例。

圖3. SINET中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。HD：高清晰度。

?自上而下，SINET完成自動(dòng)服務(wù)感知和自動(dòng)功能部署。智慧服務(wù)層將用戶的意圖轉(zhuǎn)化為特定的網(wǎng)絡(luò)需求，如帶寬和延遲，這些需求被進(jìn)一步傳遞至資源適配層。資源適配層在接收到服務(wù)需求后協(xié)調(diào)功能組，網(wǎng)絡(luò)控制器將生成最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸方案。網(wǎng)絡(luò)組件層將合理協(xié)調(diào)組件，形成能夠執(zhí)行特定任務(wù)的功能組。

?自下而上，SINET完成自我反饋、自我診斷和優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)組件層中應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)遙測技術(shù)（如帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)遙測），以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和資源狀態(tài)，如帶寬、延遲和隊(duì)列占用率。資源適配層在進(jìn)一步分析這些遙測數(shù)據(jù)后，將協(xié)調(diào)功能和優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳輸方案。此外，服務(wù)執(zhí)行報(bào)告和通知都將被發(fā)送至智慧服務(wù)層，以便進(jìn)行服務(wù)動(dòng)作反饋和執(zhí)行自我修復(fù)。

以上分析簡要闡述了SINET實(shí)現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)自智的動(dòng)態(tài)操作過程。實(shí)體域中的自動(dòng)感知和獲取信息的操作可以為自動(dòng)分析等能力提供信息支撐，從而提高SINET的自動(dòng)化程度。行為域中的智能數(shù)據(jù)分析可以提高自我配置等能力，從而實(shí)現(xiàn)SINET的智能化。這種解耦設(shè)計(jì)在促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)自智的發(fā)展方面具備顯著優(yōu)勢，因此在安全性、移動(dòng)性、能耗和效率等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

四、

結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)自智開啟了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的新時(shí)代，同時(shí)也為網(wǎng)絡(luò)研究人員帶來了新的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化自智不再是一個(gè)理想主義性質(zhì)的愿景，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)行業(yè)正朝著這一目標(biāo)前進(jìn)。值得一提的是，網(wǎng)絡(luò)自智目前處于方興未艾的階段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)這一宏偉目標(biāo)需要更多同行科研人員參與、協(xié)作，共同為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)。