论文标题：Theoretical Framework for a Polymorphic Network Environment

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.018

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在数字化、智能化、网络化时代，网络技术正面临着前所未有的挑战与机遇。传统的单一网络体制在满足多样化应用场景和业务需求方面逐渐暴露出局限性，而新兴的网络应用场景和业务需求又在不断涌现。如何构建一个既能适配现有应用场景又能支撑未来业务发展的理想网络体制，成为网络领域亟待解决的关键问题。邬江兴院士团队在《Engineering》上的一篇题为“Theoretical Framework for a Polymorphic Network Environment”（多模态网络环境理论框架）的研究性论文为这一问题提供了新的思路和解决方案。邬江兴院士为论文第一作者。

邬江兴院士团队提出了一种全新的多模态网络环境（PNE）理论框架。该框架的核心在于将基础设施环境与应用网络体制分离或解耦，通过网络资源的元素化、资源动态聚合及软硬件协同编排等核心技术，在给定资源条件下生成“网络之网络”能力，从而在时空维度上构建一种可共生共存的理想网络体制。这一理论框架的提出，旨在化解全维可扩展性与统一网络基础设施之间的矛盾，为未来网络的发展提供了一种全新的范式。

研究指出，传统的网络体制发展范式面临着“不可能三角”困境，即在服务质量承诺（S）、资源复用性（M）和业务多样性（V）三个维度上无法同时满足全生命周期内的可扩展性需求。这一困境的存在，使得单一网络体制难以在满足现有应用场景的同时，还能适应未来不断丰富的业务需求。为突破这一困境，研究人员提出了多模态网络环境（PNE）的概念，通过引入时间维度（T），在SMVT时空维度上实现SMV的完全交集，从而突破三维空间上的SMV困境。

多模态网络环境（PNE）的实现依赖于网络资源的元素化和资源聚合的动态化。网络资源的元素化是将信息通信网络各层的功能重新抽象并分解为更细粒度的网络基本元素，这些元素类似于具有功能分子结构中的元素，可组合成更为高级形态的多样化网络模态。而资源聚合的动态化则保证了多样化应用网络模态能够主动适配承载业务的资源需求变化，使得网络能够在有限的业务种类下，随着不同业务量的动态变化灵活赋予不同网络模态的软硬件资源。

图 多模态网络发展范式的系统形态。SDI：软件定义的互连；CPU：中央处理器；GPU：图形处理单元；FPGA：现场可编程门阵列；ASIC：专用集成电路。

在实验验证方面，研究人员基于我国十三五重点研发计划项目“多模态智慧网络核心技术与原理平台”的研发成果，搭建了一个由1个核心域和6个接入域组成的多模态网络环境。实验结果表明，该环境能够支持多种应用网络体制的生成、共网承载和运行，并保障每种网络模态的基础服务性能。例如，在地理标识网络模态下，PNE能够支持基于地理标识信息直接进行报文的寻址路由，可在指定的地理区域内进行报文的精准推送和信息获取，相较于IP模态，在固定地理区域内消息广播的场景下具有更好的效率。在命名数据网络（NDN）网络模态下，PNE支持基于内容标识直接进行报文的寻址路由，支持内容文件的网络检索、消息传递、网络文件传输等功能，支持根据用户兴趣请求，将内容文件通过自定义报文推送到用户所在边缘网络，相较于IP模态，NDN能够减少用户的请求时延。

图 PNE的基础平台。PLC：可编程逻辑控制器；IO：输入/输出；AP：接入点；GEO：地理网络。

此外，实验还验证了多模态网络环境在多样化业务分类承载方面的优势。以视频通话和视频会议两类网络业务为例，选择适用于内容传输的IP、NDN两种网络模态来分别承载这两类业务。实验结果显示，PNE的分类承载使得两类业务的服务请求时延均取得最优，这是因为PNE根据必要多样性原理，在统一的网络基础环境上可灵活生成多样化的网络模态来分别承载多样化的网络业务，保证了用户业务、网络模态、物理资源三者之间的优化适配，提供了更优的服务质量。

在网络模态之间的隔离性方面，实验结果表明，PNE能够确保网络模态间的隔离性，使其获得等效于独占预留网络资源的运行效果。当IPv4模态的流量小于其预留带宽时，即使其余网络模态的流量超过了链路的剩余带宽，IPv4模态的丢包率趋于0、平均时延接近0.25ms。这说明PNE能够确保网络模态间的隔离性，使其获得等效于独占预留网络资源的运行效果。同时，PNE并不局限于预留带宽的设定，在有剩余物理带宽的情况下可以超额提供给某一网络模态使用，实现统一基础设施条件下的资源弹性共享。

图 网络模态的隔离性。（a）平均时延；（b）网络丢包率。

论文的发表为网络技术的发展提供了新的理论支持和实践指导。多模态网络环境（PNE）理论框架的提出，不仅从理论上突破了传统网络体制的“不可能三角”困境，而且在实验中也展示了其在支持多样化网络模态和业务方面的显著优势。这一研究成果有望推动网络技术从传统的单一网络架构向多维多元共生融合的网络环境转变，为未来网络的发展开辟新的道路。

论文信息：

Jiangxing Wu, Junfei Li, Penghao Sun, Yuxiang Hu, Ziyong Li. Theoretical Framework for a Polymorphic Network Environment. Engineering, 2024, 39(8): 222–234

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.018

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