群集運動引發(fā)的智慧網(wǎng)絡(luò)發(fā)展思考：情景網(wǎng)絡(luò)

鄔江興，胡宇翔，李玉峰

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002）

1 網(wǎng)絡(luò)智慧化的背景、目標與面臨的問題

隨著信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已成為與國民經(jīng)濟和社會發(fā)展高度相關(guān)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對提高社會生產(chǎn)力、助推經(jīng)濟社會升級轉(zhuǎn)型、創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點與就業(yè)機會等具有深遠影響?；ヂ?lián)網(wǎng)在當(dāng)前社會中扮演的角色日益增多，多元化終端類型、接入方式不斷發(fā)展，人—人、人—機、機—機、網(wǎng)—網(wǎng)通信等成為常態(tài)，要求網(wǎng)絡(luò)必須為海量業(yè)務(wù)提供多元、個性、高效等服務(wù)。

然而，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、資源管理和運行維護方式僵化，其單一固定甚至基于人工的配置管理和調(diào)度等機制已無法滿足網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展帶來的泛在用網(wǎng)場景需求，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性倍增，運行與維護開銷巨大。同時，現(xiàn)有用于刻畫網(wǎng)絡(luò)功能、性能等的模型和評價體系及由此構(gòu)建的資源提供和業(yè)務(wù)承載方法均面臨深刻變化，使得網(wǎng)絡(luò)效率低下、用戶體驗差[1]。

如何使互聯(lián)網(wǎng)具備面向泛在用網(wǎng)場景的智慧化“無人駕駛”能力，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、資源配置、功能管理與業(yè)務(wù)承載等方面逐漸擺脫對人力或僵化運行機制的一味依賴，充分吸收和利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展成果，提升用戶體驗，降低網(wǎng)絡(luò)運行和維護成本，同時使得網(wǎng)絡(luò)具備自我優(yōu)化能力，改善因為人對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的認知局限造成的服務(wù)體驗差和運營效率低等不利局面，引導(dǎo)傳統(tǒng)簡單、粗放的網(wǎng)絡(luò)資源管理和運營模式升級，已成為當(dāng)前信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢[2,3]。

網(wǎng)絡(luò)智慧化的目標是借助人工智能等技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)資源的性能提升與廣泛普及，以網(wǎng)絡(luò)傳輸效能、節(jié)點運行效能、業(yè)務(wù)承載效能和服務(wù)提供效能等為約束，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、資源配置、功能管理與業(yè)務(wù)承載等方面進行智能控制并自我優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)具備面向泛在用網(wǎng)場景的智慧化“無人駕駛”能力[4,5]。此時，用戶將不再關(guān)注“用網(wǎng)過程”和“用網(wǎng)體驗”的問題，而是將其歸結(jié)為簡單的“用網(wǎng)目的”二元問題。網(wǎng)絡(luò)自主地根據(jù)用戶的“用網(wǎng)目的”決定網(wǎng)絡(luò)資源的配置方案和服務(wù)提供方式等，并智能動態(tài)適應(yīng)用戶需求的變化，在數(shù)以億計的用戶、網(wǎng)元和業(yè)務(wù)之間進行適配協(xié)調(diào)，使得網(wǎng)絡(luò)不僅使用便捷而且用戶無感，從而在根本上為各種類型和各種層次的業(yè)務(wù)提供多元、個性、高效的服務(wù)。

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)以分布式通信為理論基石，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了以傳輸協(xié)議、轉(zhuǎn)發(fā)方式和路由控制三大基線技術(shù)為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)體系[6]。基于分布式網(wǎng)絡(luò)獲得的高度可擴展性和頑健性優(yōu)勢是互聯(lián)網(wǎng)取得巨大成功的原因之一。然而，受限于廣域分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)計算、感知等能力，全局化的網(wǎng)絡(luò)視圖獲取以及優(yōu)化決策等一直無法實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)智慧化難以發(fā)揮預(yù)期效果。同時，廣域網(wǎng)絡(luò)知識的表示和利用、規(guī)模化組織、知識傳遞等問題依然未能得到有效解決。如何在分布式互聯(lián)網(wǎng)中引入智慧化機制設(shè)計，探尋面向用戶體驗的互聯(lián)網(wǎng)資源全局協(xié)調(diào)控制之道，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)智慧化發(fā)展亟待解決的難題。

2 來自生物界的啟迪：群集運動

群集運動是自然界中常見的現(xiàn)象，如編隊遷徙的鳥群、結(jié)隊巡游的魚群、協(xié)同工作的蟻群、聚集而生的細菌群落等[7,8]。群集運動的共同特征是一定數(shù)量的自主個體通過相互合作和自組織，在集體層面上呈現(xiàn)出有序的復(fù)雜協(xié)同運動和行為等“群體智能”，表現(xiàn)出確定的集體“意向”或“目的”。這種集體合作能夠使生物群體在覓食生存、逃避天敵等方面獲得單獨個體所難以實現(xiàn)的優(yōu)勢，完成復(fù)雜的運動任務(wù)。

圖1所示為沙丁魚的群集運動現(xiàn)象。沙丁魚通過感知水流、溫度等環(huán)境信息以及鄰居狀態(tài)的變化，個體自主變化并最終使得群體形態(tài)發(fā)生適應(yīng)性變化；在遭受威脅時，仍能形成大規(guī)模有序的群集運動。圖2所示為椋鳥的群集運動現(xiàn)象，成千上萬只椋鳥在空中集體行動，根據(jù)需要時而匯集時而散開，少數(shù)個體在發(fā)現(xiàn)覓食地或掌握歸巢遷徙路線時，可引導(dǎo)整個群集向指定方向行動。

圖1 沙丁魚群集運動現(xiàn)象

圖2 椋鳥群集運動現(xiàn)象

群集運動這種高度協(xié)調(diào)且有序的集體運動模式內(nèi)在機制如下。

首先，群體系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有“個體動態(tài)+通信拓撲”的特點。群體系統(tǒng)的整體運行動力由個體的動態(tài)和個體間的通信拓撲所決定，系統(tǒng)中個體之間通過局部信息交換相互作用，調(diào)整自身動態(tài)行為：組成群體系統(tǒng)的每個個體都具有一定的自主能力，包括一定程度的自我運動控制、局部范圍內(nèi)的信息傳感、處理和通信能力等；同時，由于個體的自主運動和局部信息傳感能力，當(dāng)個體間進入或離開彼此的傳感區(qū)域和通信范圍時，它們之間的關(guān)聯(lián)特性會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的通信拓撲結(jié)構(gòu)隨時間不斷變化。

其次，群體系統(tǒng)的運行動力是由簡單的個體行為規(guī)則和局部交互信息產(chǎn)生的。從自然界中的種種群體現(xiàn)象來看，群體行為完全可以在簡單個體行為的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)的自組織而實現(xiàn)全局有序收斂，不會出現(xiàn)“撞擊、踩踏”等現(xiàn)象。群體中的每個個體都遵循相同或相似的簡單運動規(guī)則，這些規(guī)則通常只規(guī)定個體如何根據(jù)所獲得的局部信息做出相應(yīng)的基本反應(yīng)，而與群體運動行為或目標一般并無直接的關(guān)系。群體行為是所有個體通過關(guān)聯(lián)合作而涌現(xiàn)出的自組織運動，不同的關(guān)聯(lián)方式會產(chǎn)生不同的群體行為。

最后，群體系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的基本任務(wù)是實現(xiàn)期望的系統(tǒng)構(gòu)形和整體運動方式，如以確定的隊形按照預(yù)期的速度和方向前進，進而完成躲避攻擊、尋找食物、長途遷徙等任務(wù)。實際群集中的個體是完全獨立和自主的，它們執(zhí)行運動決策和狀態(tài)更新時會受到視線遮蔽、自身信息處理能力局限等因素的影響，個體對于鄰居狀態(tài)的了解是不全面的，加之行為決策的隨機性或動作執(zhí)行誤差等不確定性因素的存在，必然導(dǎo)致個體的實際運動協(xié)同過程具有很強的隨機性。因此在特定任務(wù)（如躲避攻擊等）下，除了個體之間的相互作用規(guī)則外，有時需要賦予某些“需求”最強烈的個體以特殊的規(guī)則和信息，引導(dǎo)群體完成任務(wù)。

綜上所述，生物界的群集運動現(xiàn)象帶來的啟示可以總結(jié)為以下4個方面：

· 群集行為本質(zhì)上是群體內(nèi)相鄰個體間的信息交互并自主變化，從而實現(xiàn)群體形態(tài)變化的過程；

· 個體需具備基本的智能屬性，即感知、決策和執(zhí)行；

· 即便個體資源有限、智能有限，群體依然能夠?qū)崿F(xiàn)全局有序收斂，不會出現(xiàn)“撞擊、踩踏”等現(xiàn)象；

· 個體的調(diào)整結(jié)果向鄰域的傳遞效應(yīng)表現(xiàn)出幾何級傳遞規(guī)模、爆炸式傳遞速度特性，使整體快速收斂。

當(dāng)前，生物界群集運動已經(jīng)在人類社會中有了初步實踐和應(yīng)用，典型案例就是無人駕駛汽車技術(shù)：個體車輛通過感知周圍狀態(tài)、實時分析決策實現(xiàn)實際的加速、拐彎、剎車等動作調(diào)整，完成車輛個體的自動駕駛，而所有車輛完成感知、決策到調(diào)整3步過程后，將實現(xiàn)整體交通系統(tǒng)的高效、有序行駛。

生物界群集運動給智慧網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來了啟迪：能否在分布式網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)入群集運動模式，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間建立簡單的協(xié)作機制，使互聯(lián)網(wǎng)具備面向泛在用網(wǎng)場景的智慧化“無人駕駛”能力，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、資源配置、功能管理與業(yè)務(wù)承載等方面具備自我優(yōu)化能力，改善因為人對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的認知局限造成的服務(wù)體驗差和運營效率低等不利局面。

3 情景網(wǎng)絡(luò)的基本概念

將群集運動應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)需要滿足3個條件：第一，網(wǎng)絡(luò)個體間需要進行信息交互并根據(jù)交互信息自主決策；第二，網(wǎng)絡(luò)個體需要具備基本的智能屬性，即感知、決策和執(zhí)行；第三，網(wǎng)絡(luò)個體按照某種一致性規(guī)則相互作用，且節(jié)點狀態(tài)隨著時間演化而趨于一致。

本文從自然界群集運動獲得啟迪，提出一種基于節(jié)點自我感知、自主決策、自動調(diào)整的智慧網(wǎng)絡(luò)全域資源協(xié)調(diào)擬合方案——情景網(wǎng)絡(luò)（situational-section fitting network，SiFiNet），網(wǎng)絡(luò)節(jié)點感知鄰域節(jié)點及自身狀態(tài)（情景），采用數(shù)學(xué)擬合方法對感知的情景進行分析并依據(jù)給定的規(guī)則形成決策，驅(qū)動柔性網(wǎng)絡(luò)資源執(zhí)行相應(yīng)調(diào)整，并將這種機制向鄰域擴散，自動實現(xiàn)全網(wǎng)域范圍內(nèi)的群體目標一致性，在無業(yè)務(wù)模型條件下改善全網(wǎng)域用戶端到端體驗并提升資源利用率等。圖3和圖4表示群集運動中生物個體之間交互模式和情景網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)個體之間交互模式的類比關(guān)系，鳥類個體感知鄰居的位置為Xi,j，依據(jù)Xi,j和自身位置Xi進行自身位置調(diào)整，實現(xiàn)規(guī)模有序的群體移動；相似地，情景網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點感知鄰居節(jié)點的帶寬資源Xi,j，依據(jù)Xi,j和自身情況Xi進行流量調(diào)整，實現(xiàn)全網(wǎng)域流量均衡。

圖3 群集運動交互模式

圖4 情景網(wǎng)絡(luò)交互模式

情景網(wǎng)絡(luò)是一種由情景擬合驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)分配的智慧網(wǎng)絡(luò)，其在給定分布式網(wǎng)絡(luò)資源和拓撲關(guān)系條件下，使得網(wǎng)絡(luò)資源依據(jù)不同業(yè)務(wù)的暫態(tài)需求而自適應(yīng)分配，在時/空兩個維度上進行細粒度逼近式情景擬合，進而驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)以柔性變化的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和虛擬化的資源管理等手段實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力與業(yè)務(wù)客觀要求盡可能相匹配的效果，即使沒有精確的業(yè)務(wù)或服務(wù)分布模型，情景網(wǎng)絡(luò)也可以通過部署有限數(shù)量“情景擬合自動駕駛”網(wǎng)元節(jié)點達成“資源利用率和服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化”之目標。

結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)智慧化發(fā)展的需求和制約，情景網(wǎng)絡(luò)借用群集運動思想，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制、群體動力學(xué)、混沌運動與混沌控制等領(lǐng)域的豐富理論研究成果，提出分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)作解決之道，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智慧表達、感知—決策—執(zhí)行和端到端時延保障的一致性模式，改變Internet盡力而為的標準服務(wù)模式，實現(xiàn)全網(wǎng)域、端到端范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動優(yōu)化。情景網(wǎng)絡(luò)并不是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)“推倒重來”，而是通過增量式添加節(jié)點決策協(xié)議和節(jié)點間感知協(xié)議等“基因修補”方式，為互聯(lián)網(wǎng)引入分布式協(xié)調(diào)的新基因，實現(xiàn)基于服務(wù)體驗的網(wǎng)絡(luò)資源自動協(xié)調(diào)與優(yōu)化目標。

4 情景網(wǎng)絡(luò)核心機理

為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力與業(yè)務(wù)客觀要求相匹配的效果，對于分布式網(wǎng)絡(luò)中的每個智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，需要通過感知鄰域節(jié)點及自身的情景、分析情景形成決策并按照決策對網(wǎng)絡(luò)資源執(zhí)行相應(yīng)調(diào)整。在此以群集運動的一階連續(xù)一致性模型為例進行網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)整，如圖5所示，其中iρ表示節(jié)點i的帶寬資源，ρi,j表示周圍個體的帶寬資源，rij表示個體間的期望參數(shù)，ijα為權(quán)重參數(shù)。節(jié)點感知鄰居節(jié)點的帶寬資源，按圖5中所示決策函數(shù)進行運算，做出接近期望值的決策并執(zhí)行，以實現(xiàn)帶寬均衡的目的。

圖5 智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作流程

情景網(wǎng)絡(luò)的核心機理主要包括情景感知建模、情景擬合決策和業(yè)務(wù)自適應(yīng)承載3個方面，具體介紹如下。

4.1 情景感知建模

在情景網(wǎng)絡(luò)中，情景是復(fù)雜不確定的，感知對象是時變多樣的，要求各智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠根據(jù)相應(yīng)的感知對象來執(zhí)行感知動作。為了明確各類感知對象和感知動作在情景網(wǎng)絡(luò)中的物理意義，需要建立合理的模型來估計、刻畫網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和資源分布特征的變化規(guī)律。其中網(wǎng)絡(luò)資源模型表示網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前的資源使用情況，是建立在計算、存儲和傳輸資源基礎(chǔ)上的網(wǎng)元功能的資源描述，詳細說明每個節(jié)點所支持的功能和受到的約束；網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布模型則指根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中情景片段的流量特征所劃分的業(yè)務(wù)種類、業(yè)務(wù)的分布以及業(yè)務(wù)的資源需求，實時、準確和完備地描述業(yè)務(wù)向量特征。通過對網(wǎng)絡(luò)中的所有資源向量以及網(wǎng)絡(luò)支持的各種業(yè)務(wù)向量進行有效的建模和劃分，為情景擬合驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)傳送能力和智慧化管理能力提供支撐。

4.2 情景擬合決策

情景網(wǎng)絡(luò)通過情景擬合的方式在業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)之間形成決策閉環(huán)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的柔性組織，最大程度地彌合網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)需求之間的時變鴻溝。情景網(wǎng)絡(luò)的情景擬態(tài)決策過程本質(zhì)上就是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制決策，其擬合收斂能力僅與個體能力和個體間耦合強度有關(guān)。在協(xié)作完成共同任務(wù)的過程中，各個獨立的智能體要不斷地與局部環(huán)境、其他智能體進行交互作用，通過這種交互作用進行復(fù)雜協(xié)作行為的動態(tài)演化，最終實現(xiàn)共同的目標。這是一個包含局部的和全局的復(fù)雜交互作用、涌現(xiàn)群體智能的復(fù)雜過程?；ヂ?lián)網(wǎng)是一種典型的無標度網(wǎng)絡(luò)，因此情景網(wǎng)絡(luò)只需要在傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)中增量部署少量的網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點即可體現(xiàn)出基于用戶體驗的網(wǎng)絡(luò)資源全局協(xié)調(diào)控制和全網(wǎng)服務(wù)的整體優(yōu)化。

情景擬合決策具有3個重要性質(zhì)：漸變跟隨，動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的傳送要求并保證網(wǎng)絡(luò)資源效率之間的一種折中，屏蔽業(yè)務(wù)特性在小時間尺度上的天然隨機波動，基于服務(wù)效果對服務(wù)需求進行穩(wěn)定偏離的資源調(diào)整；自主驅(qū)動，情景網(wǎng)絡(luò)自主驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)資源管控，以符合應(yīng)用要求和服務(wù)效果之間固有動力學(xué)規(guī)律的自然方式，有效把握資源改變的時間、空間尺度，實現(xiàn)業(yè)務(wù)網(wǎng)隊暫態(tài)情景的最佳擬合，形成自主反饋、循環(huán)控制結(jié)構(gòu)；聚類擬合，情景網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)進行聚類擬合，使得網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)整只針對特定的目標業(yè)務(wù)類，而不影響其他任何非目標業(yè)務(wù)類的服務(wù)效果。

4.3 業(yè)務(wù)自適應(yīng)承載

情景網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)自適應(yīng)承載體現(xiàn)在節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)兩個層面。

在節(jié)點層面，情景網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)元結(jié)構(gòu)對業(yè)務(wù)需求的適應(yīng)性出發(fā)，建立基于統(tǒng)一資源描述的網(wǎng)元模型和網(wǎng)元功能集合，通過網(wǎng)元功能的組合和映射實現(xiàn)網(wǎng)元的高效靈活設(shè)計；同時，智能節(jié)點采用轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離機制、柔性重構(gòu)機制和功能組合機制，增強網(wǎng)元的業(yè)務(wù)適應(yīng)性和可擴展性，使其具有柔性組織能力和持續(xù)演進能力。情景網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)計可重構(gòu)的報文解析器和細粒度可組合的元處理單元，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)報文解析—匹配—執(zhí)行處理流程的全可編程；同時，情景網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)差異化定制的復(fù)雜情景擬合多模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，支持網(wǎng)絡(luò)資源安全隔離機制和高效分配，從而獲得對網(wǎng)元資源的穩(wěn)態(tài)分配和高效利用。

在網(wǎng)絡(luò)層面，情景網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)計可適配、可擴展、可優(yōu)化的自適應(yīng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)生成、路由優(yōu)化、流量調(diào)度、業(yè)務(wù)功能編排與新功能快速部署等機制，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。首先，在保證可擴展和網(wǎng)絡(luò)頑健性的基礎(chǔ)上，將承載業(yè)務(wù)屬性與動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)情景融合，制定節(jié)點間信息滲透的路由策略，通過個體路由選擇的自主變化實現(xiàn)全網(wǎng)路由的有序適應(yīng)性變化。其次，以提高業(yè)務(wù)質(zhì)量一致性為驅(qū)動，設(shè)計情景網(wǎng)絡(luò)功能動態(tài)編排與組合機制，通過群智感知實現(xiàn)預(yù)留資源節(jié)點的資源復(fù)用，在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的同時提高資源利用率。最后，根據(jù)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的多樣化情景，擬合生成可便捷部署的大規(guī)模服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)高效資源映射的統(tǒng)一。

5 結(jié)束語

本文從自然界群集運動中獲得啟迪，對互聯(lián)網(wǎng)資源全局協(xié)調(diào)控制機制進行了初步探索，提出一種基于節(jié)點自我感知、自主決策、自動調(diào)整的智慧網(wǎng)絡(luò)全域資源協(xié)調(diào)擬合方案——情景網(wǎng)絡(luò)，為智慧網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供了一種可能的解決思路。目前已完成了一階連續(xù)一致性模型在網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配中的應(yīng)用，下一步將圍繞高階多種群環(huán)境下的情景網(wǎng)絡(luò)建模和資源智慧擬合進行深入研究。

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