全維可定義的多模態智慧網絡體系研究

胡宇翔，伊鵬，孫鵬浩，鄔江興

（國家數字交換系統工程技術研究中心，河南 鄭州 450002）

1 引言

隨著網絡技術和應用的不斷發展，特別是大數據、云計算、人工智能等的出現和應用，互聯網迎來了加速裂變式的新一輪革命，促使社會各方面發生顛覆性變化，并深刻改變著人類世界的空間軸、時間軸和思想維度[1]。然而，面對互聯網與經濟社會深度融合發展帶來的專業化服務承載需求，互聯網技術內涵的發展卻未能充分支撐網絡應用外延的拓展，現有網絡基礎架構及由此構建的技術體系存在網絡結構僵化、IP 單一承載、未知威脅難以抑制等基礎性問題，對質量、安全、融合、擴展、可管可控、效能、移動等的支持能力低下，無法通過有限的資源動態靈活地滿足泛在場景下各類型、各層次用戶對智慧化、多元化、個性化、高頑健、高效能等高質量用網體驗的需求[2]。

近10 多年來，為打破上述網絡發展困境、創新網絡技術，世界各國均已在新型網絡領域開展基礎研究和關鍵技術攻研布局[3-4]，例如，美國不斷通過發布相關發展計劃或戰略來引導網絡技術發展方向，先后啟動了規模宏大的GENI、FIND、FIA 等計劃，并于2016 年啟動“網絡和信息技術研發計劃”，將高容量計算及基礎設施、大規模數據管理與分析、機器人與智能系統、網絡安全與信息保障、軟件設計與生產等作為研發重點。2018 年9 月20 日，美國發布《國家網絡戰略》，概述了美國網絡的4 項支柱、10 項目標與42 項優先行動。歐盟也將保持其在國際上科技和產業競爭優勢的發展重點之一聚焦在了信息網絡領域，并先后啟動了FIRE 和FIRE+計劃，資助相關研究累計超過400 余項。同時，歐盟發布“地平線 2020（Horizon 2020）”科研計劃。2018 年，國際電信聯盟成立Network 2030 焦點組（Focus Group on Technologies for Network 2030），旨在探索面向2030 年及以后的網絡架構新技術發展。日本先后啟動NWGN 和JGN2+計劃等，并提出泛在戰略U-Japan，即建設泛在的物聯網；日本發布的《科學技術創新綜合戰略2016》聚焦超智能社會建設，綜合部署人工智能技術、設備系統、應用的研發與產業化。我國也對新型網絡技術領域給予了高度的關注和重視，明確將“加快構建高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施”列為重要任務，先后啟動了國家“863”計劃、“973”計劃、重點研發計劃等項目，并啟動國家重大科技基礎設施“未來網絡試驗設施”項目，以加快推進新型網絡基礎設施研發和升級。

在此背景下，目前學術界和產業界也在不斷努力探索未來網絡架構。AT&T 運營商提出的Domain2.0 網絡轉型計劃和Vision 2020 計劃，通過SDN/NFV 技術將網絡基礎設施從“以硬件為中心”轉向“以軟件為中心”，實現了基于云架構的開放網絡，也驗證了軟件定義轉發、軟件定義互連、軟件定義硬件等理念和技術，可實現對基礎網絡的拓撲、協議、軟硬件、接口等進行全維度定義。文獻[5]提出了一種協議無關、目標設備無關和具備現場可重配置能力的數據平面編程語言P4，通過轉發與控制分離機制，對計算、存儲、網絡資源進行靈活調度和管理，基于功能可重構、可編程等方法實現了網絡開放、可擴展和自演化能力。近年來，以內容標識[6]、空間坐標標識[7]、身份標識[8]等為中心的新型尋址路由等技術發展迅速，已在部分行業網絡中初步應用并取得良好效果，顯示出了多樣化尋址與路由的強大生命力。Clark 等[9]提出的網絡“知識平面”概念，意圖基于人工智能與認知系統來實現網絡的自配置、自適應、自修復。Mestres 等[10]提出了知識定義網絡的概念，通過動態監測網絡狀態并基于機器學習算法進行分析決策，進而優化網絡配置和性能，一系列利用網絡以及人工智能（AI,artificial intelligence）和機器學習（ML,machine learning）等整合的認知技術，向自動化性能管理和功能維護的“零接觸”網絡發展。針對隨機故障或漏洞后門擾動時的靜態性、確定性和相似性問題，我國鄔江興院士團隊[11]提出了擬態構造技術并已在路由交換、域名服務等方面進行設備開發與試點應用，運用創新的系統構造技術為解決網絡廣義頑健控制問題開辟了一條新途徑。

本文從網絡構造的角度來提升網絡的功能、性能、效能、安全等性質，建立從底層到上層全維度可定義的靈活、通用“魔方”網絡結構，并以此為基礎提出了一種網絡各層功能多模態呈現的網絡架構——全維可定義的多模態智慧網絡（PINet,polymorphic smart network），支持尋址路由、交換模式、互連方式、網元形態、傳輸協議等的全維度定義和多模態呈現，支持互聯網的演進式發展，從根本上滿足網絡智慧化、多元化、個性化、高頑健、高效能的業務需求。

2 多模態智慧網絡愿景與目標

隨著互聯網與經濟社會深度融合發展，“互聯網+”“工業4.0”等成為國民經濟命脈領域的新支柱，互聯網在當前社會中扮演的角色日益增多，使用戶對網絡的專業化、個性化需求不斷提升；多元化終端類型、接入方式不斷發展，人-人、人-機、機-機、網-網通信等成為常態，要求網絡必須為海量業務提供多元、個性、智慧、高效、頑健的服務。以此為導向，多模態智慧網絡旨在打造一個具有多模態功能呈現、全方位覆蓋、全業務承載、智慧化管理控制和內生安全特性的新型網絡體系架構，如圖1 所示。

圖1 PINet 愿景與目標

1)多模態功能呈現

面向專業化、個性化服務承載需求，基于全維可定義的網絡結構進行網絡各層功能的多模態呈現，支持尋址路由、交換模式、互連方式、網元形態、傳輸協議等的全維度定義和多模態呈現。通過各種網絡模態間的互聯互通、協同組合、無縫切換，提高網絡服務的多元化能力和對于用戶需求的個性化適應能力。

在此，多模態體現為尋址路由、交換模式、互連方式、網元形態、傳輸協議等網絡要素的多種模態，其中，尋址路由體現為基于IP、內容、身份、地理空間等標識的多種尋址路由模態，交換模式體現為分組交換、新型電路交換等模態，互連方式體現為光纖、同軸等有線鏈路或Wi-Fi、LTE 等無線鏈路模態，網元形態體現為骨干級、匯聚級、接入級等的各種功能、性能、外形等不同的各種節點模態，傳輸協議體現為面向各種業務、場景、功能等需求的各種網絡協議。

2)全方位覆蓋

全方位覆蓋能力包含全方位空間覆蓋能力和全方位場景覆蓋能力。全方位空間覆蓋能力以多樣化通信手段為基礎，使網絡互聯范圍延伸到自海底至深空的寬廣空間范圍，形成覆蓋陸、海、空、天等的超廣域互聯網絡；全方位場景覆蓋能力能夠適應不同應用場景的需求，實現地域性高密度大容量覆蓋、混合接入速率覆蓋等，強化網絡的服務場景適應能力。

3)全業務承載

針對工業控制、遠程醫療、智能家居等新興產業發展需求，通過網絡功能要素的全方位解構，以網元設備、協議控制、承載方式、網絡接口等全要素開放和結構定義，極大增強網絡對于上層業務需求的適應能力，通過各種網絡元素的靈活組合最終實現對具有高可靠低時延、全息信息傳送、大容量巨連接等全業務承載。

4)智慧化管理控制

網絡功能的不斷豐富化、多樣化為網絡管理和網絡運維帶來巨大挑戰。通過引入網絡智慧化管理控制機制，一方面可以減少網絡對人工管理的依賴，靈活高效地實現全維可定義網絡的自動化功能定義及資源規劃，提高網絡運維效率；另一方面，網絡智慧化也可以基于人工智能等技術發現網絡的最優化資源配置和運維策略，突破傳統算法局限性，提高網絡資源利用率和服務效率。

5)內生安全

網絡的內生安全性能夠以內生防御的網絡構造機制應對網絡中軟硬件設計過程中不可避免的安全漏洞及后門等安全威脅，從網絡構造層面將傳統網絡的附加式安全模塊替代為網絡內生性安全能力，實現“高可信、高可用、高可靠”三位一體的網絡安全服務。

3 多模態智慧網絡體系架構

自然界中的種種現象啟示人們：結構決定功能，結構決定性能，結構決定效能，結構決定安全。以碳原子為例，圖2 所示4 種物質都是由碳原子以不同排列結構組成，其功能、性狀卻千差萬別：金剛石是自然界最硬的物質，而石墨卻可以作為潤滑材料；C60常態下不導電，石墨烯卻已被用于研發超級電池。1959 年，諾貝爾物理學獎獲得者費曼在美國物理學年會上做了一次重要演講，題為《在底部還有很大空間》。此次演講中，費曼指出，未來人類的技術目標可以采用“由下而上的方法”，通過一個原子一個原子的排列來制造物品，“當我們對單位尺寸的物體加以控制的話將極大擴充我們獲得物性的范圍”。類似地，若人們能夠對網絡中的功能元素以一種細粒度的組織方式進行動態重構，那么網絡功能和效用也將得到極大的擴展。

圖2 碳原子的不同排列方式形成性狀功能截然不同的材料

信息網絡服務過程的本質也是通過資源組合向上提供服務的過程，基于上述碳原子排列組合的啟發，本文從網絡構造的角度來提升網絡的功能、性能、效能、安全等性質，將“結構可定義”貫穿網絡的各個層面，采用軟硬件協同處理、資源動態組合、網絡重構等網絡功能元素的細粒度控制與靈活組合手段，建立從底層到上層全維度可定義的靈活、通用“魔方”網絡結構，實現網絡結構按照功能、性能、效能、安全等需求定義。進一步地，以網絡結構全維可定義為基礎，本文提出了一種網絡各層功能多模態呈現的網絡架構——全維可定義的多模態智慧網絡（PINet,full-dimensional defined polymorphic smart network），支持尋址路由、交換模式、互連方式、網元形態、傳輸協議等的全維度定義和多模態呈現，支持互聯網的演進式發展，從根本上滿足網絡智慧化、多元化、個性化、高頑健、高效能的業務需求。

基于上述研究思路，本文給出了PINet 的功能層次參考模型。它將傳統網絡的7 層參考模型整合為全維可定義功能平面的數據層、控制層和服務層，支持從底層到上層的數據轉發、異構互連、尋址路由、資源調度和功能編排等功能全維度可定義和功能多模態呈現，支持IP、身份、內容、地理空間等多模態標識的協同尋址路由；同時，該模型還新引入了2 個平面，其中，智慧平面實施“感知-決策-適配”一體的網絡智慧決策與擬合；內生安全平面以基于動態異構冗余的網絡構造技術為手段，實現網元頑健構造、網絡頑健控制和服務頑健提供。

圖3 所示模型中，多模態智慧網絡的數據層由多種異構的全維可定義功能基礎平臺組成，為整個網絡的全維可定義特性、多模態異構兼容性、智慧感知性和內生式安全性提供基礎功能支撐和保證；控制層主要實現多模態尋址與路由等功能，針對不同網絡需求靈活定制多樣化路由；服務層結合上層用戶需求和網絡服務能力提供網絡智慧化資源調度與業務承載。

圖4 給出了多模態智慧網絡的技術體系框架。它以基于全維可定義功能平臺的開放式網絡架構為基礎，以“多模態尋址路由、網絡智慧化、內生安全構造”為使能技術，實現網絡功能開放架構下核心技術的承載與聯動，建立網絡結構的自組織、功能的自調節和業務的自適配等機制，支持網絡內在功能結構對資源分配和業務適配的映射調度。

圖3 多模態智慧網絡的功能層次參考模型

多模態智慧網絡的系統形態如圖5 所示，它由多個網絡功能基礎平臺共同構成數據層，支持靜態/動態、有線/無線鏈路，支持多模態終端標識的混合接入，支持多模態異構接口協議接入；在控制層，它支持IP、內容、身份和地理空間位置等多模態異構標識的共存共管、協同路由、按需切換，實現面向多樣化服務的多模態尋址與路由；在服務層，它通過建立“感知-決策-執行”一體的網絡智慧化管理、傳輸與控制閉環，實現網絡智慧化的資源調度、功能編排、流量優化、運維管理等。

4 多模態智慧網絡建模

PINet 的本質是在全維可定義的網絡結構基礎上，由業務需求自頂向下逐層進行功能擬合直至實現資源細粒度劃分的過程。本文提出了PINet 的3 層擬合模型，分別實施由業務需求驅動的業務與服務擬合、服務與路由擬合、路由與資源擬合，如圖6所示，具體介紹如下。

1)PINet 服務層：業務與服務擬合。采用服務動態編排與業務自適應承載等機制，將多樣化、個性化的用戶業務需求擬合至多模態智慧網絡的服務模型S，形成網絡服務策略。

2)PINet 控制層：服務與路由擬合。采用多模態尋址路由的互聯互通和按需切換等機制，形成滿足具體業務服務質量和網絡動態行為特征等要求的路由。

圖4 多模態智慧網絡的技術體系框架

圖5 多模態智慧網絡的系統形態

3)PINet 數據層：路由與資源擬合。對基礎網絡的拓撲、協議、軟硬件、接口等進行全維度定義，將路由功能映射為精細化、可定義的網絡資源組合。

4.1 多模態智慧網絡的數據層機理

多模態智慧網絡的數據層對基礎網絡的拓撲、協議、軟硬件、接口等進行全維度定義，從而為多元化、個性化應用提供了精細化、可定義的網絡組件和服務，為實現未來網絡智慧化、高頑健、靈活性、多樣性等特性提供基礎支撐。

開放架構下的全維可定義構件及其運行平臺首先應具有良好的穩定性，即相關構件能夠在保持新的網絡協議或應用增量部署的同時也能夠保證原有應用的正常運行；其次，構件必須具有可變化的內在結構，即分組處理的方式以及網絡協議的運行方式可以動態改變；最后，在構件結構可變的基礎上，構件要能夠以某種“柔性”的方式對其結構進行調整，進一步地，柔性是構件針對應用要求對其內在結構、資源做出隱性調整，以實現網絡服務效果對應用需求的動態和緊密跟隨。

圖6 多模態智慧網絡的3 層擬合模型

具體來說，數據層功能可以由節點狀態信息、資源服務能力和功能實例定義。其中，N表示網絡中所有物理節點in的集合，則節點的狀態信息可表示為，包括節點位置、節點類型、節點可信度、節點故障率等，為節點ni在信息類型j的信息內容；資源服務能力可表示為C=(CC,CS,CT)，包括計算CC（邏輯運算、浮點運算等）、存儲SC（RAM 存儲、TCAM 存儲等）、傳輸TC（帶寬、時延、分組丟失率等），其中每一類服務能力的具體劃分以下標j表示，例如即節點in在傳輸資源CT的第j類能力上的提供能力；功能實例E=(EC,ES,ET)對應于節點的資源服務能力，即計算功能實例CE（邏輯運算、浮點運算等）、存儲功能SE（RAM 存儲、TCAM 存儲等）、傳輸功能ET（帶寬、時延、分組丟失率等），并且以即節點in在傳輸資源實例TE的第j類能力上的服務實例。

數據層的功能即可表示為以映射函數 ?(·)完成特定狀態下從服務路徑需求到數據平面服務實例向量組合的映射，即

4.2 多模態智慧網絡的控制層機理

多模態智慧網絡的控制層主要負責實現多模態尋址路由等功能，對上承載服務層，對下控制數據層。多模態智慧網絡的控制層融合了現實應用中多樣、多變的路由服務并進行抽象歸納，建立由IP 標識、內容標識、身份標識和地理空間標識等多模態異構標識空間尋址與路由模型，針對不同路由的服務特性靈活承載服務層需求，從而實現上層業務不同網絡狀態、用戶需求、服務類型和安全等需求的自主智能網絡標識空間模態切換方法。

為了對多模態智慧網絡的路由尋址方式進行表征，本文引入路由模態特征（RMF,routing mode feature）的概念。路由模態特征可由不同路由模態的尋址方式ad、路由算法ra、頑健特性rf 等區分，RMF 可表示為

多模態路由是基于多樣化應用的業務特征要求和網絡動態行為驅動構建的、具有多種RMF 承載能力的路由機制。從滿足業務要求的角度看，多模態路由要求網絡路由應當呈現出功能支持多樣化、安全功能支持多樣化、服務質量功能支持多樣化等的多模態特性。對于具體路由機制，具有同類要求的一組業務流，通過確保其性能要求的特定路由形態予以承載，這樣，控制層針對不同類別的業務流就需要實現多種模態的路由承載，從而形成多模態路由機制。服務路徑建立后，路徑的傳送能力繼續受認知功能的監測。若不能滿足應用需求或達到路由調整的約束條件，則執行新一輪的多模態路由計算。

基于上述定義，控制層的服務機理可以概括為將服務層的服務需求矩陣S結合控制層路由服務能力通過映射函數 ?(·)映射得到服務路徑的過程，即

4.3 多模態智慧網絡的服務層機理

多模態智慧網絡的服務層主要實施用戶業務需求與網絡服務能力之間的擬合，實現網絡運行、功能編排等自適應的承載。具體來說，服務層首先將用戶網絡業務需求進行抽象化建模，依據業務基本參數與效益期望等指標對用戶發起的業務進行詳細規劃，并依賴業務與服務之間的擬合關系實現業務需求到智慧化服務策略的映射，采用服務動態編排與業務自適應承載等機制，形成智慧化網絡服務策略。

業務需求模型I主要包括業務基本參數Bi與效益期望Ei。其中，業務基本參數Bi={si,oi,vi,…}，

si為源節點，oi為目的節點，vi為業務等級；效益期望Ei包括網絡效益期望、用戶效益期望和運維效益期望，定義為

其中，δ為時延約束，ε為最大分組丟失率，λ為最大抖動值，tzap為頻道轉換時間，tsync為業務同步誤差，K1為協調系數1，K2為協調系數2，為運營收益，為等級標準收益。綜上，業務需求模型I可表示為

服務模型S包括服務性能指標與必要的功能需求。性能指標，其中τ為吞吐率，δ為時延，ε為分組丟失率，λ為抖動，α為誤碼率；功能需求，其中為服務所需網絡功能，為網絡功能依賴關系，為網絡功能依賴資源類型。綜上，服務模型可表示為

基于上述定義，多模態智慧網絡服務層的總體工作機理可表述為量化業務描述指標，通過業務描述到網絡服務模型之間的映射關系實現業務需求的網絡服務定制，其中映射關系通過映射函數 ? (·)實現，業務指標到服務模型的擬合映射可表示為

5 多模態智慧網絡的關鍵技術

5.1 網絡全維可定義技術

隨著網絡業務形態的不斷豐富，業務對網絡的需求越來越多樣和多變。而傳統網絡基礎結構僵化、網元結構封閉、資源/功能配置僵化，網絡內在的能力與結構對業務需求的適應性差，導致網絡對融合、泛在、質量、安全、擴展、移動等的支持能力低下，業務需求與網絡基礎能力之間的差距越發顯著。

網絡全維可定義技術通過打破傳統網絡剛性架構，建立網絡各層功能全維度可定義的開放、靈活、通用架構，通過將“軟件定義”思想從服務層下沉到控制層、數據層，能夠對開放架構下基礎網絡的軟硬件、協議、接口、芯片等進行全維可定義，真正在各層面實現功能可定義，資源高效自動適配，支持各層功能在全維可定義功能平臺上的動態加載和演進發展，支持異構網絡的柔性互連，通過網絡結構自組織和業務自適配來動態靈活適配業務發展需求，從而為網絡的柔性化組織和功能多模態呈現提供平臺支撐。

如圖7 所示，網絡全維可定義技術包括軟件定義硬件（SDH,software-defined hardware）、軟件定義互聯（SDI,software-defined interconnection）、軟件定義計算（SDC,software-defined computation）、軟件定義功能編排（SDO,software-defined orchestration）、軟件定義轉發（SDF,software-defined forwarding）、軟件定義協議（SDP,software-defined protocol）、擬態計算（MSC,mimic computing）/領域專用架構（DSA,domain-specific architecture）等。它通過建立網絡連接、硬件、協議、轉發等全維可定義的基礎結構，實現基礎連接、節點、網絡等層面全鏈條可定義，從而使網絡的運行機理不再受制于單一功能或技術，并使網絡具備多維資源的柔性組織和適配能力，在服務靈活性和業務適應性上滿足多樣化業務需求，自然適應未來業務的復雜不確定演進。

圖7 網絡全維可定義的技術內涵

全維可定義技術可改變當前網絡固化的運行模式，由其作為“網絡功能構件市場”機制的提供者，允許多樣化應用動態裝配、構建與之匹配的定制化服務構件鏈，動態部署個性化應用，實現全網業務的靈動適配。此時，網絡的功能和工作機理將不再受制于具體的協議，其服務能力不再依賴節點的初始植入設計，其服務能力空間將超越已知協議和機制的限制，從而實現由已知協議定義的網絡到需求驅動的網絡形態和服務能力轉變，充分滿足新型網絡不斷演進的業務需求。

首先，為了保護現有業務和網絡設施能夠適應網絡的演進，開放架構下的全維可定義構件及其運行平臺必須具有良好的穩定性，即構件能夠在保持新的網絡協議或應用增量部署的同時也能夠保證原有應用的正常運行；其次，為了保證網絡能夠在多維評價指標上呈現良好的變化以滿足業務的變化以及新型應用的部署，構件必須具有可變化的內在結構，即分組處理的方式以及網絡協議的運行方式可以動態改變；最后，在構件結構可變的基礎上，構件要能夠以某種“柔性”的方式對其結構進行調整，進一步地，柔性是構件針對應用要求對其內在結構、資源做出的隱性調整，以實現網絡服務效果對應用需求的動態、緊密跟隨。

圖8 給出了PINet 的軟件定義數據層處理流程，它包括軟件定義幀解析、軟件定義數據分組處理、軟件定義交換調度與隊列管理。軟件定義幀解析可實現對數據分組多樣化的封裝模式，支持多模態的數據幀格式；軟件定義數據分組處理則基于協議無關轉發的數據層抽象處理模型，通過軟硬件協同實現協議無關數據分組處理，靈活支持標準協議以及各種自定義協議等。軟件定義交換結構與隊列管理可支持多種交換設備互通共存，可定義傳輸端口數、端口類型、端口流量控制等。

圖8 軟件定義的數據層處理流程

5.2 多模態尋址與路由技術

現有網絡的單一化IP 尋址路由機制存在能力簡單而薄弱、安全和移動性差等諸多弊端，而隨著網絡業務形態的不斷豐富，業務對網絡的需求越來越多樣和多變，基于IP 的尋址路由能力卻是有限的和確定的，與豐富多樣的上下層功能之間存在巨大的反差，無法滿足多元化和專業化的高效高質量服務需求。

多模態尋址與路由技術在網絡體系結構中內嵌新型的尋址與路由功能要素，支持IP、內容標識、身份標識、地理空間標識等多模態標識的共存與協同，采用計算和數據分離方法將基于上述標識的多種尋址與路由機制自然配合、聯合起效、融為一體，從而在根本上突破傳統網絡IP 單一承載的制約瓶頸，滿足多元化和專業化的高效服務需求。具體來說，多模態尋址與路由技術面向多模態標識空間靈活組網與高效擴展需求，支持跨模態的資源協同與資源分解，實現面向多樣化標識空間的協議定義與適配，實現對網絡狀態、用戶需求、服務類型、安全需求具有不同粒度要求的多模態尋址路由的按需切換和互聯互通。

多模態尋址與路由的基本邏輯示意如圖9 所示，支持終端以多模態標識混合接入，基于全維可定義網絡功能基礎平臺實施基于多模態標識的混合尋址與路由（如圖9 中基于IP、地理位置、內容、身份標識等多種路由方式的結合）。在路由建立階段，用戶終端可直接指定標識類型，或由網絡根據資源狀態、業務類型、安全需求等反饋標識類型選擇結果；在數據傳輸階段，網絡也可智能進行標識空間切換。例如，出于數據安全考慮，圖9 中用戶A 建立與用戶C 的通信時指定基于地理位置的路由方式，則網絡尋址過程按照地理位置進行尋址路由而非IP 等路由方式，保證了尋址過程中路由器位置在用戶可信管理區域內。

多模態尋址與路由互通技術通過多種標準尋址路由協議以及自定義協議的互聯互通，形成“領域專用、功能互補、多模共存、確定性能”的PINet尋址與路由機制，通過多樣化標識空間的協同技術創新和優勢互補，解決現有網絡存在的諸多弊端，綜合有效提升網絡服務能力、安全性、移動性、資源利用率等。

如圖9 所示，多模態尋址與路由系統可支持身份標識空間與現有網絡融合，提升多樣化終端接入的靈活性和服務一致性，從本質上解決終端移動性問題，有效提高網絡管控能力；支持內容標識空間與現有網絡融合，在網絡節點中融入計算、存儲和傳輸的能力，在感知數據的內容和預測用戶需求的基礎上，實現以“內容”為中心的網絡數據自適應流動和匯聚機制，使用戶獲得高效的內容獲取體驗；支持地理空間標識空間與現有網絡融合，建立地理空間標識與網絡編碼的轉換關系，通過基于地理空間標識的快速尋址與路由生成，實現不同地理空間位置的互聯互通，為跨平臺的多源空間數據高效交互提供支持；支持用戶自定義標識空間與現有網絡融合，在網絡基礎尋址與路由功能層面上體現出多元融合發展，并由此構建出基于基因信息表達的體系化網絡功能生成和按需演化機制，為新型網絡技術創新和功能的快速部署提供基礎環境支撐。

圖9 多模態尋址與路由邏輯示意

5.3 網絡智慧化管理控制技術

現有互聯網的數據傳輸、資源管理和運行維護等方式僵化，在網絡管理復雜性倍增、運行與維護開銷巨大的背景下，傳統基于靜態策略模式的網絡配置和運維等方式受限于對復雜網絡認知的局限性，在靈活性和實時性等方面已難以適應當前網絡業務的復雜性，已無法滿足復雜網絡環境下的網絡資源調度與適配需求。同時，現有用于刻畫網絡功能、性能等的模型和評價體系，及由此構建的資源提供和業務承載方法均面臨深刻變化，導致網絡效率低下，用戶體驗差。

網絡智慧化管理控制技術借助人工智能、大數據分析等技術的蓬勃發展以及網絡資源的廣泛普及性能提升，以網絡傳輸效能、節點運行效能、業務承載效能和服務提供效能等為約束，在結構優化、資源配置、功能管理與業務承載等方面進行智能控制并自我優化，使網絡具備面向泛在用網場景的“自動駕駛”能力，能夠智能動態適應用戶需求的變化，在數以億計的用戶、網元和業務之間進行適配協調，從而優化網絡功能/性能，提升用戶體驗，降低網絡運行和維護成本，從根本上為各種類型和各種層次的業務提供多元、個性、高效的服務。

網絡智慧化管理控制技術綜合采用信息融合、認知計算與協同計算等手段，在實時感知業務與資源狀態的基礎上構建“感知-決策-適配”一體的智慧化管理控制閉環，實現網絡資源與上層服務的高效自適應適配與擬合。其中，信息融合實時感知業務與資源狀態及其變化情況并將二者進行融合；認知計算結合網絡測量與機器學習技術擬合網絡狀態與服務性能需求；協同計算統籌異構計算方法實現智能控制與系統優化。

上述邏輯的本質是實現資源均衡組織、調節與適配的閉環擬合決策系統，如圖10 所示。該系統由需求感知、擬合決策、資源分配、網絡反饋共同構成，涉及網絡多維狀態感知技術、智慧化功能編排技術、智慧化流量調度技術和智慧化運維管理技術等。

圖10 PINet 的智慧化管理控制閉環建模

網絡多維狀態感知技術針對信息復雜多變現狀建立網絡基礎設施測量基準，針對網絡業務特性構建全維度統一的測量體系，針對網絡具有多協議層次的特性設計多協議層次的斷層掃描理論和方法，充分利用網絡中的異構可編程設備，以較低的額外開銷實現網絡全維度狀態的精確可定義感知。

網絡智慧化功能編排技術采用監督學習等方法來構建功能編排模型，實現由僵化執行算法向業務導向承載的轉化；基于實時更新的業務數據來訓練編排模型，進而建立一套在線自適應編排方案，增強網絡服務彈性，提升資源利用效率。

網絡智慧化流量調度技術根據當前網絡狀態，運用深度增強學習等方法獲得相應的流量調度策略，生成相應的流表規則下發到數據層來調整全網流量，通過不斷地學習和調整優化時延、跳數、吞吐量等多維參數，最終實現全局化、實時性、個性化的網絡流量調度。

網絡智慧化運維管理技術從設備故障風險、網絡運行風險等角度對網絡運維管理進行評估，基于嵌入式傳感和新型控制節點等手段，支持可定義的全流程運行監控導航、智能網絡運行自趨優化和自愈控制，實現基于人工智能和增強現實等技術的網絡智慧化運維管理。

5.4 網絡內生安全構造技術

網絡規模快速膨脹及各種網絡要素的復雜特性，使網絡經常會受到各類不確定的未知威脅或擾動，如鏈路/節點故障、系統后門/漏洞等，從而導致其性能降低甚至功能喪失。網絡安全直接受制于其內在功能和結構要素，必須在網絡體系結構中內嵌安全構造機制。

網絡內生安全構造技術依據“結構決定安全”“系統大于部分之和”的理念，在多模態智慧網絡中植入基于動態異構冗余的內生安全結構，采用基于“相對正確公理”的威脅感知機制動態改變網絡系統結構及運行環境，將隨機性失效和人為擾動轉化為概率可控的事件；在此基礎上，該技術采用基于多模裁決的策略調度和負反饋控制機制，使功能等價條件下的執行體結構表征具有不確定性，從根本上抑制隨機性失效和人為蓄意擾動，從而獲得網絡的內生安全效應。

圖11 基于動態異構冗余的內生安全結構

基于動態異構冗余的內生安全結構如圖11 所示，該結構由輸入代理、可重構的異構執行體集、負反饋控制器、裁決器組成。其中，輸入代理根據負反饋控制指令將輸入請求分發到相應的（多個）功能等價的異構執行體；功能等價異構執行體集合提供能正常工作且獨立處理輸入請求的可重構的異構執行體，并在大概率情況下應當能夠產生滿足給定語義和語法的輸出矢量；多模裁決器根據裁決參數或算法生成的裁決策略，研判多模輸出矢量內容的一致性情況并形成輸出響應序列。其中，異構元素池主要包含組成平臺、系統、部件或模塊、構件等不同層面的設備，如軟件、硬件、處理器等，系統按照反饋策略從異構資源池中選取異構構件作為一個執行體集。

上述結構中，多維動態重構的對象包括可重構的網元實體或虛體資源。網絡系統可依據重組方案從異構元素池中抽取與替換目標等效的元素生成新的功能等價對象，或者將等效算法加載到可編程、可定義模塊中改變系統的運行流程。

該結構在節點層面的應用體現為：節點采用深度可編程可重構、資源柔性調度等技術，依據網絡運行態勢的動態感知實現異構化、冗余化網絡功能的動態加載和資源的動態編排，采用面向異構冗余單元的表決邏輯或調度策略，對節點資源進行動態映射與編譯管理，動態改變系統的組成結構或運行機制，在有效抵御廣義不確定擾動的基礎上實現數據分組處理的流水線設計及優化。

該結構在網絡層面的應用體現為：在網絡地址、拓撲、路由等要中引入動態化、冗余化、異構化等機制，網絡采用可編程轉發、資源組合與重構、功能快速編排等手段，實現網絡數據傳輸或流量調度等系統視在結構的動態適配和可信裁決，擾亂攻擊者攻擊鏈，在保證原有系統網絡配置完整的前提下最小化操作管理，從而獲得網絡內生安全效應。

6 結束語

針對現有網絡架構存在的結構僵化、IP 單一承載、難以抑制未知威脅等問題，本文從網絡構造的角度出發，通過網絡結構的全維度可定義和多模態呈現來提升網絡的功能、性能、效能、安全等性質，提出了全維可定義的多模態智慧網絡體系架構。本文討論了多模態智慧網絡的愿景和目標、體系架構和模型、關鍵技術等，為新型網絡技術發展提供了一種可能的解決思路。

本文僅給出了全維可定義的多模態智慧網絡體系的初步構想和考慮，諸多新概念和新技術仍需繼續完善和探討，模型中的核心技術和關鍵技術也需要進一步深入研究并開展相關的實驗驗證，這也是作者下一步的工作。