張宏科院士：網(wǎng)絡(luò)自智——網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的新時代

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)管理和運營效率都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。“網(wǎng)絡(luò)自智”為未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了一個很有前景的規(guī)劃圖，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化、智能化，具有智慧協(xié)同能力，可以根據(jù)自動靈活的標(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)新的新時代。

中國工程院張宏科院士研究團(tuán)隊在中國工程院院刊《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）是世界第一個廣域分組交換網(wǎng)絡(luò)，其主要目標(biāo)是實現(xiàn)對遠(yuǎn)程計算機(jī)的訪問和在多個授權(quán)計算機(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（包括移動終端、計算機(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)由于缺乏自動化，網(wǎng)絡(luò)管理和運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)傳輸延遲也會提升。因此我們很難期望任何一個單一化的非智能網(wǎng)絡(luò)同時滿足可靠、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)提供了一個很有前景的規(guī)劃圖。早在2003年便有人提出建立一個智能化網(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“知識平面”，他分析了實現(xiàn)該平面面臨的主要挑戰(zhàn)。在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目的資助下，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。華為推出自動駕駛網(wǎng)絡(luò)（ADN）和意圖驅(qū)動網(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)用戶意圖自動驗證、部署和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功能。瞻博網(wǎng)絡(luò)還提出了一個自動駕駛網(wǎng)絡(luò)的愿景，它可以以自動化的方式對網(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（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電話公司。由此可見，網(wǎng)絡(luò)自動化是迄今為止網(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，推動網(wǎng)絡(luò)自動化、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)的自動化能力是一個需要不斷迭代演進(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主要的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時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)能夠不斷地自動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、運行狀況和服務(wù)需求。

（2）高級網(wǎng)絡(luò)自動化：網(wǎng)絡(luò)自動化應(yīng)能自動配置相應(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)動作反饋自我修復(fù)結(jié)果。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化過程中，網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)應(yīng)該具備多個核心能力，我們簡要總結(jié)了所需的12項核心功能。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自動檢測各種服務(wù)需求；

⑤自動配置所需功能；

⑥當(dāng)檢測到?jīng)Q策錯誤時進(jìn)行自動校正；

⑦自動監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)用戶，包括惡意用戶；

⑧自動更新服務(wù)功能，優(yōu)化交付能力；

⑨使用機(jī)器學(xué)習(xí)自動分析內(nèi)?。?/p>

⑩自動抵御外部和內(nèi)部安全威脅；

?通過服務(wù)動作反饋自我修復(fù)結(jié)果；

?意外情況發(fā)生時進(jìn)行自動報告。

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，兩個域分別為行為域和實體域。

? 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。實體域由實際的網(wǎng)絡(luò)實體（以實體標(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)能夠動態(tài)地滿足各種服務(wù)需求、更新服務(wù)功能，從而實現(xiàn)優(yōu)化的智能交付。此外，兩個域之間根據(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中的一個應(yīng)用實例。HD：高清晰度。

?自上而下，SINET完成自動服務(wù)感知和自動功能部署。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)動作反饋和執(zhí)行自我修復(fù)。

以上分析簡要闡述了SINET實現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)自智的動態(tài)操作過程。實體域中的自動感知和獲取信息的操作可以為自動分析等能力提供信息支撐，從而提高SINET的自動化程度。行為域中的智能數(shù)據(jù)分析可以提高自我配置等能力，從而實現(xiàn)SINET的智能化。這種解耦設(shè)計在促進(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、移動性、能耗和效率等多個網(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)新的新時代，同時也為網(wǎng)絡(luò)研究人員帶來了新的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)自動化自智不再是一個理想主義性質(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)。