智能融合新型網絡體系架構與關鍵技術研究

孫士勇

摘要：面向人機物泛在互連的新型智能網絡，具有廣域覆蓋、泛在超寬帶、智能彈性、云網協同等特性，是未來智能化社會信息網絡演進發展的一個重要方向。文章首先簡要介紹了人工智能引發民領域的發展變革狀況以及人工智能在通信網絡領域的發展現狀，其次詳細分析新應用驅動下新型智能網絡的主要特征需求，然后依據特征需求提出了新型智能網絡的設計思想、架構組成、協議結構，在此基礎上給出了網絡感知測量、智能路由算法、多維可編程交換轉發三項關鍵技術的基本實現思路，最后總結了新型智能網絡的主要應用方向。

關鍵詞：人工智能;軟件定義網絡;網絡功能虛擬化;云網協同

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）06-0066-03

Researchonnewnetworkarchitectureandkeytechnologiesofintelligentconvergence

SUNShiyong

（The54thResearchInstituteofChinaElectronicTechnologyCorporation，ShiJiaZhuang，050086，China）

Abstract：Thenewintelligentnetworkfortheubiquitousinterconnectionofman-machineandobjecthasthecharacteristicsofwideareacoverage，ubiquitousultrawideband，intelligentelasticity，cloudnetworkcoordinationandsoon.Itisanimportantdirectionfortheevolutionanddevelopmentofintelligentsocialinformationnetworkinthefuture.Thispaperfirstbrieflyintroducesthedevelopmentandtransformationofartificialintelligenceinthefieldofcivildomain，aswellasthedevelopmentstatusofartificialintelligenceinthefieldofcommunicationnetwork.Secondly，itanalyzesindetailthemaincharacteristicrequirementsofnewintelligentnetworkdrivenbynewapplication，andthenputsforwardthedesignidea，architecturecompositionandprotocolstructureofthenewintelligentnetwork.Onthisbasis，thenetworksensingmeasurementandintelligentroutingaregivenFinally，themainapplicationdirectionofthenewintelligentnetworkissummarized

Keywords：AI;SDN;NFV;Cloudnetworkcollaboration

1引言

隨著當前各類信息通信新技術得到加速突破發展和快速推廣應用，人類社會正快步走入智能社會。作為智能社會的重要支撐，人工智能為人類社會的持續創新提供了強大的驅動力，開辟了廣闊的發展空間。在民用領域，人工智能在持續催生5G、智能語音助手、AR/VR等新技術、新產品、新應用的同時，賦能生產制造、教育醫療、公共安全等社會領域，促進經濟結構的重大變革和社會生產力的整體躍升。信息網絡作為社會各領域信息通信的基礎設施，隨著無人駕駛、AR/VR/MR、工業“智造”等領域應用的深入發展，將具有發展和應用人工智能技術的巨大空間。如何將人工智能技術與通信網絡充分結合，利用人工智能算法提供的強大分析、判決、預測能力，賦能通信網絡系統的核心要素和關鍵過程，已成為當前通信網絡領域關注的焦點。

2發展現狀

目前，人工智能在機器翻譯、智能控制、專家系統、語言和圖像識別、大規模信息處理等領域得到了廣泛應用。同時，針對當前通信網絡存在架構僵化、組織形式固化、應用上線困難等諸多問題，以SDN、NFV為代表的新型網絡技術不斷涌現，人工智能的快速發展和逐步普及對通信網絡系統的發展產生了積極影響。

系統架構方面，Cisco提出了IBN的網絡智能拓撲結構方案，為智能化網絡系統提供了有益借鑒;路由選擇方面，出現了基于強化學習Q-learning算法指導路由選擇的Q-routing方案，為網絡路由選擇的智能化作了初步探索。諾亞方舟實驗室開發的NetworkMind系統，通過預測網絡流量變化從而做出數據流的路由決策，使任務完成的平均時間較以往縮短了50%;數據平面可編程方面，出現了PISA、P4、POF等技術方案，有效提升了數據層面的可編程重構能力;流量調度方面，谷歌和微軟分別開發了軟件化數據中心負載均衡系統Maglev和Ananta，極大增強了系統的靈活性和擴展性;網絡運維方面，著名IT研究與顧問咨詢公司Gartner于2016年提出了AIOps概念，通過人工智能方式來支撐日益復雜的網絡運維管理工作;網絡安全方面，Oracle運用機器學習改進云安全服務產品，提高了產品自動檢測威脅的能力;故障診斷方面，諾亞方舟實驗室開發了智能故障診斷系統，通過從已有網絡故障的歷史記錄數據里自動構建通信領域知識圖譜與基于知識圖譜的概率推理機制，輔助系統故障定位。

3特征需求

隨著5G技術及AR/VR、人機協同、群體協同等新應用發展，應用環境日益復雜、網絡構成要素快速增多、網絡規模極度擴大，支撐環境、用戶行為、系統性能變得更加動態和難以預測，傳統網絡核心功能與基礎設施緊密綁定的組織模式面臨諸多挑戰，主要包括：

（1）鏈接數和流量增長推動網絡規模快速膨脹。

未來萬物互連將引入海量用戶，連接無處不在，網絡規模和鏈接數量將極速膨脹。同時，VR/AR、無人駕駛、態勢共享等新業務廣泛應用，單個業務流量與網絡總體流量將急劇增加，業務對網絡的帶寬、時延、丟包率提出了更苛刻要求。另外，海量用戶入網用網也將帶來新的網絡安全防護需求。

（2）業務云化、終端虛擬化、應用扁平化顛覆網絡流量模型。

隨著云計算的發展和大規模移動網絡的建設，用戶對寬帶的需求已從基于覆蓋的連接，轉向基于內容和交互體驗的連接。傳統通信業務流量主要服務于網絡終端之間的通信，符合泊松分布模型，而高移動網絡流量隨熱點應用而動，難以準確預測。數據和計算服務中心網絡節點流量呈現無尺度分布特性，與現有網絡部署架構不匹配。同時，廣泛存在的智能型云終端和虛擬終端具有部署、遷移靈活特性，逐漸成為用戶接入主流，滿足業務靈活提供，同時帶來了網絡流量模型的根本變革。

（3）多樣化網絡和網絡設備極大增加網絡運維復雜性。

隨著通信網絡系統覆蓋范圍不斷擴大，網絡規模日趨龐大，網絡服務將由具有不同功能屬性的多個異構網絡組合提供。各型網絡在組織形態和業務能力方面差異較大，導致業務端到端部署和優化存在較多困難。同時，軟件化/云化網絡架構引發了多維度管控復雜性，尤其是物理網元與虛擬網元的協同交互、虛擬網元生命周期管理、大容量多層次網絡日志分析等，傳統基于人工或半自動化運維管理模式難以有效適應，致使維護管理和分析處理能力弱，精準度低。

（4）網絡業務向邊緣和末端擴展加快驅動網絡智能化轉型。

5G、IoT、邊緣計算的迅猛發展引發網絡業務快速向邊緣和末端延伸，移動大帶寬、高可靠低時延、海量機器類通信成為未來機動型網絡的三大業務形態，一方面要求邊緣和末端通信具有大寬帶無線傳輸、非正交多用戶接入等能力，另一方面要求網絡系統具有高可靠、強實時、確定時間的信息傳送能力。另外，網絡架構要具有靈活解耦與智能重構能力，實現異構網絡功能按需編排和自動化部署，提高資源利用率，為虛擬網絡、切片網絡提供服務。

面對上述挑戰，通過引入基于數據智能的人工智能技術，利用人工智能強大的數據分析、信息提取、任務決策能力，對內解決通信網絡當前存在的效率和能力問題，對外提供靈活智能的數字和信息服務，逐步構建形成自動化、智能化的通信網絡大腦，最終實現通信網絡的智能化轉型。

4總體方案

4.1總體設計思路。

（1）多維立體無縫覆蓋的超廣域智能網絡。新型智能網絡將在分布于全球的AI網絡云的統一管控和調度下，綜合利用天基、空基、陸基或海基多種通信網絡平臺，智能地融合光纖、衛星、短波、超短波、無線寬帶、微波等多種通信手段，，提供高效、廣域、立體覆蓋，支持陸基、海基、空基、天基各類用戶、子網或應用平臺的隨遇接入，實現全球可達的“廣域通”、天空地海水下立體拓展的“縱深通”。

（2）面向用戶多樣化需求的泛在超寬帶網絡。新型智能網絡將充分利用光纖通信、超寬帶無線通信等技術，構建可提供大容量、可擴充、智能化通信網絡服務的泛在超寬帶網絡，提供無縫超寬帶的業務體驗，滿多樣化用戶的個性化應用需求，實現陸、海、空、天、電、網多維空間的人機物泛在互連，支持VR/AR、無人駕駛、態勢共享等新業務應用。

（3）面向內容和資源服務的自主智能網絡環境。新型智能網絡將由連接型網絡轉變為基于計算的服務型網絡，網絡業務由語音、寬帶和專線的傳統模式，轉型為搭建支持靈活多樣服務的自主智能網絡平臺，按需靈活提供網絡資源調度和內容分發能力，成為服務平臺與最終用戶的紐帶，實現新型萬物互連網絡服務模式構建。

（4）自主智能、扁平簡約的彈性網絡體系架構。新型智能網絡將以信息和數據服務為中心，采用云網協同的扁平化、簡約型網絡體系架構。借助人工智能、SDN/NFV網絡技術，自主智能滿足云計算、邊緣計算、人機協作、群體協同等新應用服務對可靠、按需、實時、確定的多樣化業務承載需求，支撐自主智能的網絡運維管控，實現多樣化網絡服務“一點引入，全網覆蓋”的應用目標。

4.2系統架構組成。新型智能網絡系統架構如圖1所示，主要由基于AI的云化網絡服務、數據中心云網絡服務、互聯與交換云網絡服務、用戶中心云網絡服務等四部分組成。該架構中，物理上分布于骨干、接入、邊緣的AI網絡云是組成核心，所有網絡均在AI網絡云的自主智能管控下有效運行，網絡能力通過AI網絡云向用戶智能呈現，目標是實現用戶按需智能獲取網絡資源和服務，并自主管理地址、鏈路、帶寬、質量以及接入限制等專用虛擬網絡資源，集中體現了信息化、網云化、智能化的架構理念。

新型智能網絡體系架構中，首先，泛在超寬帶是基礎，一是無處不在的寬帶接入，為接入和邊緣等移動用戶提供更高速率、更大容量、更好覆蓋的網絡接入與自組網服務。二是實現寬帶衛星、寬帶移動、無線寬帶與光線的協同與融合，提供“無所不在、隨需而取、優化利用、高效創造”寬帶資源;其次，彈性智能是目標，一是網絡的智能快速重構，包括物理資源快速生成與快速擴展或調配、云服務所需虛擬網絡重構。二是智能彈性資源配置，實現資源的按需配置、靈活組合、彈性伸縮，達到最大化資源利用。三是自主智能運維管理，快速響應網絡需求，提高運維管理效率，提升網絡可靠性和自愈能力;另外，基于AI的云網協同是手段，一是部署協同，實現云數據中心、網絡節點、AI網絡云在物理部署上的協同。二是管控協同，實現感知探測資源、網絡資源、計算/存儲資源的協同控制。三是業務協同，實現用戶應用與網絡服務的協同感知與互動。

4.4網絡協議結構。新型智能網絡協議架構是一個兼容通用IP網絡交換協議、扁平化網絡協議以及AI云網絡控制組網協議的融合架構，包含網絡數據層和網絡控制層，如圖2所示。

（1）網絡控制層。

系統運行于AI云網絡組網模式時，網絡協議部署于網絡控制層，網絡節點設備多數以通用化智能平臺形式存在，包括鏈路發現協議、AI云控制器組網協議、南向接口協議集以及安全認證協議等。

（2）網絡數據層。

系統運行于通用IP網絡、扁平化網絡兩種組網模式時，網絡協議部署于網絡數據層，包含鏈路層路由協議、網路層路由協議。其中，網路層路由協議包括通用IP網絡路由交換協和二層/三層扁平化路由協議，而二層扁平化路由協議實現虛擬云終端越廣域二層網絡的動態遷移，三層扁平路由協議實現虛擬云終端跨三層子網的動態遷移。在物理層、鏈路層、網絡層，存在大量以物理或邏輯形態部署的網絡傳感器，構成了智能通信網絡的觸覺感知單元。

5關鍵技術

5.1網絡感知測量技術。

網絡感知測量系統是智能融合新型網絡的神經末梢和信息來源，決定著通信網絡系統的智能化能力水平。與通用人工智能系統采用光電、信號、紅外、雷達、氣象等物理傳感器載荷執行感知探測功能不同，通信網絡系統的探測感知單元是一系列層級化內嵌部署于物理層、鏈路層、網絡層的感知測量模塊，借助帶內或帶外資源，通過主動或被動測量手段實現網絡自主感知，如圖3所示。

物理層包括支持點對點、點對多點、多點對多點等物理傳輸形態的感知測量模塊，對象涉及比特同步、鏈路通斷、誤碼率、誤比特率等;鏈路層包括支持點對點、點對多點、多點對多點等形態的邏輯鏈路測量模塊，對象涉及鏈路幀同步、丟幀率、誤幀率、幀時延、丟幀鏈路等;網絡層包括符合網絡拓撲連接關系的網絡狀態測量模塊，對象涉及丟包率、包時延、時延抖動、網絡擁塞、業務服務質量等。感知測量數據需要通過AI網絡云提交給可用的智能計算處理單元進行融合處理、認知學習、語義表征和態勢預測，為網絡智能控制、路由策略生成提供支撐和依據。

5.2網絡智能路由算法技術。

網絡智能路由算法技術是實現未來新型網絡自主智能互聯的核心。未來人機物泛在互連的智能網絡的狀態瞬息萬變，采集信息與路由策略間的關系難以通過數學建模表達出來，目前選用強化學習協助路由策略生成是最符合實際場景的方法。如圖4所示的強化學習模型PPO算法是當前OpenAI推出的效率最高、訓練效果最明顯、最容易實現的算法。該算法在訓練過程中，環境（environment）為數據平面采集的數據，經過預處理后，采集數據作為actor網絡的輸入數據，actor網絡根據輸入數據（state）輸出一組鏈路權值（action）。Actor網絡的輸出結果好壞由critic網絡評判。根據下一周期的采集數據，critic網絡將對actor網絡在前一周期做出的動作給出評判（reward），指導actor網絡優化。

5.3多維可編程交換轉發技術。

多維可編程交換轉發技術是智能融合新型網絡數據平面智能化的關鍵技術。該技術吸收了SDN數據平面與控制平面分離的思想，促進了網絡節點基本組成要素與能力的開放性，實現了新協議與新應用的快速部署。與此同時，數據平面可編程技術具有可重配置、協議無關、平臺無關等特性，進一步抽象了網絡節點基本組成要素轉發模型，提升了數據平面靈活性并降低了運維成本。

多維可編程交換轉發系統架構主要包括動作集和協議配置兩個組成部分，如圖5所示。其中，動作集實現網絡分組交換轉發過程，主要包含解析器、多級流水線和緩沖區三部分，部署于CPU、FPGA、可編程交換芯片上;協議配置實現路由策略到轉發規則的解析、配置、控制、形成等，一般運行于網絡節點設備的控制CPU上。在智能融合新型通信網絡中，節點通過多層級自主測量感知，實現高效決策重構，形成功能和能力不同的節點集合，以匹配當前網絡的整體需求。控制層面根據拓撲、環境以及應用環境動態遷移，既可以構建基于域集中式控制，也可以構建分布式控制網絡。

6結語

新型智能網絡具有廣域覆蓋、泛在超寬帶、智能彈性、云網協同等特性，一方面可用于現役信息網絡的替補和延伸，快速形成自主智能、廣域覆蓋、超視距通信的通信網絡能力，支撐天臨空地各類用戶或平臺的超視距組網應用。另一方面，通過空地多種無人平臺，在全球熱點地區構建小規模智能物聯網，提供遂行緊急任務的應急通信網絡保障。另外，通過天空地多種無人平臺，構建廣域覆蓋、機動延伸、邊緣擴展的新型智能網絡，為各類用戶智能按需提供高效、可靠、實時的通信網絡服務保障。

參考文獻：

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