編者按

隨著海量數(shù)據(jù)、設備、新興應用等不斷接入互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡的復雜性、網(wǎng)絡管理和運營效率都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。“網(wǎng)絡自智”為未來網(wǎng)絡的發(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)自動靈活的標識映射技術來滿足不斷涌現(xiàn)的新服務需求。展望未來，網(wǎng)絡自智開啟了網(wǎng)絡創(chuàng)新的新時代。

中國工程院張宏科院士研究團隊在中國工程院院刊《Engineering》2022年第10期發(fā)表《網(wǎng)絡自智——網(wǎng)絡創(chuàng)新的新時代》一文。文章在概述目前網(wǎng)絡發(fā)展需求的基礎上，提出了網(wǎng)絡自智的概念，并介紹了構建智能網(wǎng)絡結構過程中面臨的技術挑戰(zhàn)，總結了智能網(wǎng)絡功能結構應具備的12項核心能力。最后，文章指出，為促進網(wǎng)絡自智，未來網(wǎng)絡需實行“三層兩域”的智融標識網(wǎng)絡，整合所有類型的先進高級網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的智能協(xié)作。

互聯(lián)網(wǎng)的起源可以追溯到20世紀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，其主要目標是實現(xiàn)對遠程計算機的訪問和在多個授權計算機之間交換數(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)十億臺設備（包括移動終端、計算機和傳感器）。據(jù)IHS Markit預測，連接到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的設備數(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)絡發(fā)展趨勢同樣增加了網(wǎng)絡的復雜性。當前網(wǎng)絡由于缺乏自動化，網(wǎng)絡管理和運營效率面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

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

另一方面，新興應用也對網(wǎng)絡基礎設施提出了各種需求。例如，高速鐵路（HSR）網(wǎng)絡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)絡可以引入加密計算和復雜的身份認證，但毫無疑問網(wǎng)絡傳輸延遲也會提升。因此我們很難期望任何一個單一化的非智能網(wǎng)絡同時滿足可靠、靈活、可擴展、安全和高收益等要求。這意味著網(wǎng)絡必須具備智能化，能夠自動執(zhí)行一系列網(wǎng)絡自智的操作。

一、

網(wǎng)絡自智

“網(wǎng)絡自智”的提出為不斷增長的網(wǎng)絡需求和挑戰(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)絡的想法，來自麻省理工學院（MIT）的David D. Clark教授提議為互聯(lián)網(wǎng)構建一個“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)絡應具有智慧協(xié)同能力，根據(jù)自動靈活的標識映射技術來滿足不斷涌現(xiàn)的新服務需求。來自國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術研究中心（NDSC）的中國工程院鄔江興院士提出了多模態(tài)智慧網(wǎng)絡（PINet）架構，可以支持多個全維可定義的網(wǎng)絡模態(tài)，這一前瞻性研究在自智網(wǎng)絡的研究發(fā)展中起到了重要作用。

在過去幾年中，網(wǎng)絡自智已經(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（intent-based networking, IBN），將意圖抽象地表達為特定的管理規(guī)則，從而改變網(wǎng)絡的管理方式。華為推出自動駕駛網(wǎng)絡（ADN）和意圖驅動網(wǎng)絡（IDN），通過解耦網(wǎng)絡控制邏輯，使得網(wǎng)絡能夠根據(jù)用戶意圖自動驗證、部署和優(yōu)化網(wǎng)絡功能。瞻博網(wǎng)絡還提出了一個自動駕駛網(wǎng)絡的愿景，它可以以自動化的方式對網(wǎng)絡進行測量和控制。此外，歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）的零接觸網(wǎng)絡和服務管理（ZSM）小組推廣的零接觸網(wǎng)絡（ZTN）被認定具備自動化能力，包括基于服務配置的功能升級、服務部署和服務遷移能力。研究人員還提出了知識定義網(wǎng)絡（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)絡自動化是迄今為止網(wǎng)絡發(fā)展最重要、最有前途的方向。表1列出了該領域的部分主要研究成果。

表1網(wǎng)絡自智研究

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)絡自動化、智能化的創(chuàng)新工作取得了顯著進展。然而，集成網(wǎng)絡的自動化能力是一個需要不斷迭代演進的長期工作。首先，對于需要進行網(wǎng)絡創(chuàng)新的新時代，我們需要一種創(chuàng)新的網(wǎng)絡功能架構來支持網(wǎng)絡自動化和智能化。構建該智能網(wǎng)絡架構的過程存在諸多挑戰(zhàn)，下面我們列出了三個主要的技術挑戰(zhàn)，同時也是我們提出的技術目標。

（1）高級網(wǎng)絡感知：智能網(wǎng)絡應能理解用戶的意圖，自動將其轉化為網(wǎng)絡操作。智能網(wǎng)絡能夠不斷地自動監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)、運行狀況和服務需求。

（2）高級網(wǎng)絡自動化：網(wǎng)絡自動化應能自動配置相應的硬件或軟件參數(shù)，以滿足預定義的目標狀態(tài)。它還應能執(zhí)行自我修復操作，以解決網(wǎng)絡問題或使網(wǎng)絡恢復到期望狀態(tài)。此外，它還應自動管理網(wǎng)絡用戶和更新服務功能。

（3）高級網(wǎng)絡診斷：網(wǎng)絡應不斷地與網(wǎng)絡環(huán)境交互數(shù)據(jù)，報告和交換必要的診斷信息。它應該分析和執(zhí)行自我診斷操作，抵御來自外部和內(nèi)部的安全威脅，通過一定的服務動作反饋自我修復結果。

為了實現(xiàn)上述目標，在實現(xiàn)網(wǎng)絡自動化過程中，網(wǎng)絡功能架構應該具備多個核心能力，我們簡要總結了所需的12項核心功能。網(wǎng)絡功能架構必須能夠：

①自我識別和理解用戶意圖；

②將意圖自動轉化為網(wǎng)絡操作；

③對網(wǎng)絡環(huán)境和狀態(tài)進行自我監(jiān)控；

④自動檢測各種服務需求；

⑤自動配置所需功能；

⑥當檢測到?jīng)Q策錯誤時進行自動校正；

⑦自動監(jiān)視和管理網(wǎng)絡用戶，包括惡意用戶；

⑧自動更新服務功能，優(yōu)化交付能力；

⑨使用機器學習自動分析內(nèi)??；

⑩自動抵御外部和內(nèi)部安全威脅；

?通過服務動作反饋自我修復結果；

?意外情況發(fā)生時進行自動報告。

技術挑戰(zhàn)與所需核心能力之間的關系如表2所示。

表2網(wǎng)絡自動化的技術挑戰(zhàn)和核心能力

三、

智融標識網(wǎng)絡

未來的網(wǎng)絡應融合所有類型的先進高級網(wǎng)絡技術，以實現(xiàn)網(wǎng)絡間的智能協(xié)作。基于這一期望，我們在先前工作的基礎上提出了智融標識網(wǎng)絡（SINET）。圖2為SINET的功能架構。

圖2. SINET功能架構。AI：人工智能。

為促進網(wǎng)絡自智，智融標識網(wǎng)絡整體架構分為三層兩域。三層包括智慧服務層、資源適配層與網(wǎng)絡組件層，兩個域分別為行為域和實體域。

? 智慧服務層主要負責翻譯用戶意圖和對服務注冊功能進行管理。資源適配層動態(tài)調度網(wǎng)絡資源，通過建立網(wǎng)絡功能族群來滿足智慧服務層的服務需求。網(wǎng)絡組件層主要用于協(xié)調各網(wǎng)絡組件，以執(zhí)行特定的網(wǎng)絡操作。

? 行為域是一種用于網(wǎng)絡感知和網(wǎng)絡診斷的特定功能域。它由三層數(shù)字信息（以行為描述標記）組成，負責分析網(wǎng)絡行為和服務需求，它也負責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)絡實體（以實體標識符標記）組成，并根據(jù)來自行為域的決策進行相應操作。

基于該創(chuàng)新網(wǎng)絡功能架構，我們進一步引入了三層之間的垂直自主映射，使網(wǎng)絡能夠動態(tài)地滿足各種服務需求、更新服務功能，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)絡感知和診斷的水平自主映射操作也促進了網(wǎng)絡的自動化。圖3展示了SINET支持網(wǎng)絡智能化的范例。

圖3. SINET中的一個應用實例。HD：高清晰度。

?自上而下，SINET完成自動服務感知和自動功能部署。智慧服務層將用戶的意圖轉化為特定的網(wǎng)絡需求，如帶寬和延遲，這些需求被進一步傳遞至資源適配層。資源適配層在接收到服務需求后協(xié)調功能組，網(wǎng)絡控制器將生成最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸方案。網(wǎng)絡組件層將合理協(xié)調組件，形成能夠執(zhí)行特定任務的功能組。

?自下而上，SINET完成自我反饋、自我診斷和優(yōu)化。網(wǎng)絡組件層中應用了網(wǎng)絡遙測技術（如帶內(nèi)網(wǎng)絡遙測），以監(jiān)控網(wǎng)絡和資源狀態(tài)，如帶寬、延遲和隊列占用率。資源適配層在進一步分析這些遙測數(shù)據(jù)后，將協(xié)調功能和優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳輸方案。此外，服務執(zhí)行報告和通知都將被發(fā)送至智慧服務層，以便進行服務動作反饋和執(zhí)行自我修復。

以上分析簡要闡述了SINET實現(xiàn)提高網(wǎng)絡自智的動態(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。這種解耦設計在促進網(wǎng)絡自智的發(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)絡性能方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

四、

結論

網(wǎng)絡自智開啟了網(wǎng)絡創(chuàng)新的新時代，同時也為網(wǎng)絡研究人員帶來了新的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡自動化自智不再是一個理想主義性質的愿景，當前網(wǎng)絡行業(yè)正朝著這一目標前進。值得一提的是，網(wǎng)絡自智目前處于方興未艾的階段，實現(xiàn)網(wǎng)絡行業(yè)這一宏偉目標需要更多同行科研人員參與、協(xié)作，共同為網(wǎng)絡基礎設施創(chuàng)新做出貢獻。