中国工程院院士张宏科: 抓住机遇,下大力气研发新型网络技术

当今世界,信息网络技术发展日新月异,对国际政治、经济、文化、军事等领域的发展产生了深刻的影响。近30年来,我国信息网络技术虽已取得长足进步,但面对当前信息领域的新需求和新挑战,急需理论与技术创新,引领网络技术发展。那么,如何加强信息网络领域核心技术的自主创新和基础设施建设?

基于FPGA的SM4算法高效实现方案

针对SM4算法的FPGA实现方案存在数据处理速度不够高和逻辑资源占用过高的问题,提出了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高性能、低资源消耗的SM4算法实现方案。所提方案采用循环密钥扩展与32级流水线加解密相结合的架构,循环密钥扩展的方式降低了逻辑资源消耗,32级流水线加解密的方式提高了数据吞吐率。同时,所提方案采用代数式S盒并通过合并线性运算以及在不可约多项式的合并矩阵中筛选最优矩阵运算的方式进一步减少S盒变换的运算量,从而达到降低逻辑资源占用与提高工程数据吞吐率的目的。测试结果显示,该方案比现有最佳方案在数据吞吐率上提升了43%,且资源占用率降低了10%。

广义确定性标识网络

随着智能制造、智能交通等重大国家战略实施,确定性成为信息网络尤其是行业专网的新焦点.现有确定性网络技术始终关注网络传输要素(带宽、时隙等)来保障数据流的确定性传输.然而,仅靠保障传输要素无法支撑新兴行业应用的多样化需求.例如,在算网融合场景,智算任务要求同时保障传输与计算要素的确定性来实现高性能通信;在绿色通信场景,需要考虑节点能量要素的确定性以维持网络稳定运行.针对上述需求,本文基于前期提出的标识网络技术,研究面向传输、计算、存储、能量等多要素的广义确定性网络.首先提出广义确定性标识网络架构,包括差异化服务层、异构融合网络层和智慧化适配层.差异化服务层和异构融合网络层,分别实现差异化确定性应用需求和异构化确定性网络要素的统一标识和描述,并通过标识解析映射实现确定性信息向智慧化适配层的统一封装和传递;智慧化适配层完成差异化确定性应用需求和异构化确定性网络要素的适配.现有确定性资源适配方法,即使仅考虑单一网络内的基本确定性要素,仍面临计算时间长、求解复杂性高、灵活度低等问题,为了支持更加复杂的多确定性要素、多种异构网络的协同适配,设计了基于深度强化学习的端到端的确定性调度(End-to-end Deterministic resource scheduling,E2eDet)算法,该算法可统一化、端到端地为混合数据流协同分配多种确定性网络资源,满足不同应用的差异化确定性需求.实验表明,E2eDet比DeepCQF和Random算法分别提升了28.4%和6.38倍数据流调度数量,同时E2eDet可以较好地权衡计算时间和调度能力.

面向智算融合网络的自主防御范式研究

随着数字经济时代算力供给模式的变革,以算力为核心的新型网络基础设施已成为实现算力资源共享、支撑数字经济转型的重要动力.在算力网络中,多元异构用户终端通过多种方式高频接入网络以随时随地获取算力服务,网络的开放性和动态性增大,算力网络将面临更严峻的安全挑战.然而,基于传统网络的安全防御模式通常针对具体安全问题静态式增补安全防护组件,无法主动适配用户需求灵活调整防御策略,难以应对算力网络中的安全风险.因此,本文面向新型算力网络安全需求,将安全功能作为网络内部属性,基于智算融合网络提出一种多维协同自主防御范式.结合智算融合网络“三层”“三域”的设计思想,在“三层”中,以广义服务层定义安全固有服务,以映射适配层智慧适配安全功能,以融合组件层执行安全策略;在“三域”中,以实体域先导资源适配,以知识域驱动安全服务流程,以感控域实施具体安全技术,构建“检测”“溯源”“防御”三维一体的完整基础管控流程,其中安全策略与技术可根据场景扩展性与业务安全性进行灵活调整.最终,通过仿真实验对所提范式有效性进行了验证,为未来智算融合安全的进一步研究和应用提供参考.

面向立体化异构网络的智融协同传输方法

为应对空天地立体化异构网络中由于节点异构性及连通变化带来的复杂挑战,提出了具备有界无环无阻策略更新能力的传输控制方法HWCTC.该方法以跨层协同控制的方式将网络路由算法引入传输控制框架;在此基础上将路由更新节点的选择问题建模为节点搜索问题,使网络传输中需考虑被调用的资源限定在有界范围内.在此基础上,设计了一种基于广度优先的启发式递增搜索算法,该算法能够有效进行全局和局部的路由配置更新,同时确保新路径无环路且无网络黑洞.此外,为适应空天地立体化异构网络环境的波动性,还设计了一种多模式混合的拥塞控制机制,该机制能在接近网络带宽阈值时切换到更平缓的增窗模式,及时调整策略以应对网络中可能出现的多种情况.仿真实验的结果表明,HWCTC方法在动态且高丢包率的空天地立体化异构网络环境下,不仅提供了高质量的数据传输服务,且相比于经典的Cubic和Reno方法,实现了约61.5%的吞吐量提升,显著增强了数据传输的稳定性,有效减少了节点路由动态变化对传输性能的影响.

基于标识密码的双向认证的安全启动协议

传统安全启动方案的认证环节是基于PKI体制实现,在设备数量剧增的情况下,证书的管理会增加系统复杂性,认证过程仅实现了单向认证,安全性不足;此外,由于选择了链式信任链,导致了在启动过程中的信任传递损失较大;针对上述问题,文章提出了一种基于IBC的Secure boot方案,即IBCEB方案;该方案使用了IBC体制的国家标准SM9算法作为实现方法,实现了无证书的双向认证协议,并对信任链模型进行了优化,降低了信任传递的损失;在ZC706评估板上进行了测试,测试结果表明,设备在双向认证后成功启动,提高了系统的安全性。

新网络体系基础研究——一体化网络与普适服务

现有信息网络的原始设计思想基本上是一种网络支撑一种主要服务的解耦模式,难以满足网络和服务的多样性需求.本论文从现有多种信息网络存在的严重弊端出发,研究和探索新一代信息网络体系的基础理论,给出一体化网络与普适服务新体系结构模型;创造性地提出新网络体系下的网络一体化模型与理论,建立接入标识、广义交换路由标识及其映射理论;提出普适服务体系模型与理论,创建服务标识及其映射理论、连接标识及其映射理论;最后通过原型系统对上述机理、原理及理论进行验证,实验结果表明,这种新的网络体系在有效地解决现有网络安全、移动、异质异构等弊端的同时,可支持普适服务.

智慧协同网络体系基础研究

现有互联网具有"三重绑定"特征,即:服务的"资源和位置绑定"、网络的"控制和数据绑定"及"身份与位置绑定".这种网络体系与机制是相对"静态"和"僵化"的,在此基础上的演进与发展无法从根本上满足信息网络"高速"、"高效"、"海量"、"泛在"等通信需求,难以解决网络可扩展性、移动性、安全性等问题,更难以实现网络资源的高效利用、节能等.本文创造性提出了以"三层"、"两域"为典型特征的智慧协同网络体系结构模型."三层"即:智慧服务层、资源适配层和网络组件层;"两域"即实体域和行为域.在"三层"、"两域"体系模型的基础上,分别建立了智慧服务层、资源适配层和网络组件层的基本理论,以在有效解决网络可扩展性、移动性、安全性等问题的基础上,大幅度提高网络资源利用率,降低网络能耗等,显著提升用户体验.

IPv6无线传感器网络的研究及其应用

将IPv6与无线传感器网络技术结合起来的IPv6无线传感器网络引起了越来越多国内外研究机构与组织的重视。为了实现IPv6技术与无线传感器网络技术的完美融合,需要全面设计新型的无线传感器网络体系结构。文章充分考虑IPv6以及无线传感器网络的技术特点,提出IPv6无线传感器网络体系结构,并开发出一套适用于大规模无线传感器网络应用的嵌入式IPv6微型协议栈,在此基础上,根据实际应用需求,给出IPv6无线传感器网络与Internet互联的两种不同方式,并给出一个在精准农业生产中典型应用实例。

广义中值滤波理论及其性质的研究

本文以传统的中值滤波为背景，给出了一种广义中值滤波（ＧＭＦ）的定义，并在此基础上，研究了有关数学模型、性质和基本定理。其效果不仅完善了中值类非线性滤波理论，而且还展示出一些有实用价值的新结构和新应用。

智融标识网络基础研究

现有互联网因其原始设计不足已在服务质量、资源利用率、管控能力等诸多方面暴露出严重弊端,难以支撑起"互联网+"新业态高速发展对通信网络与服务日趋复杂化、多元化的需求.因此,如何设计全新的互联网已成为信息领域最为迫切与核心的研究内容之一,受到学术界与产业界的高度重视.本文基于前期"标识网络"与"智慧标识网络"研究,创造性提出"智融标识网络"体系及其关键机制,通过全网多空间、多维度资源的智慧融合,实现个性化服务的按需供给与灵活化组网的有效支撑,为不同行业与用户提供高效的差异化、定制化通信网络服务,以普遍适用于高铁网络、工业互联网、车联网等各类迥异应用情景.

新互联网体系理论及关键技术

互联网在可信(安全、可靠、可控、可管)等方面存在严重弊端。为解决这些问题,文章研究和探索新一代互联网体系的基础理论,给出了新网络的体系结构模型;创造性地提出新网络体系下的交换路由模型与理论,建立接入标识、广义交换路由标识及其映射理论;提出普适服务体系模型与理论,创建服务标识及其映射理论、连接标识及其映射理论;并对新互联网体系中的接入控制管理、可信路由及服务质量、多流传输、网络监测管理等关键技术进行了研究和探讨。

二维系统最小状态空间实现

本文采用Givone-Roesser状态空间模型,对任意二维线性时不变系统传输函数提出了一种最小状态空间描述法。

智慧标识网络的未来互联网体系

现有信息网络的原创模式是相对"静态"和"僵化"的,网络不能自动感知服务的需求变化,网络资源无法按照需求动态适配,无法满足未来网络"高速"、"海量"、"泛在"、"绿色"的通信需求。要从根本上解决现有信息网络原始设计的严重弊端,必须创建全新的智慧型未来网络体系与机制,建立相应的基础理论体系。为此,一体化标识网络提出了"4种标识,3类映射"体系模型,突破了传统的一种网络支撑一种主要服务的原创模式。在其成功经验和丰硕成果的基础上,结合服务的"资源和位置分离"、网络的"控制和数据分离"及"身份与位置分离"思想,进一步提出了未来智慧型网络体系结构,在有效解决网络可扩展性、移动性、安全性等问题的基础上,实现了智慧型网络更高效、更优化、更节能等目标。

环氧丙烷废气处理工艺

为使聚醚生产工艺产生的环氧丙烷(PO)废气排放达到环保标准,采用硫酸酸洗与活性炭纤维吸附工艺处理高浓度环氧丙烷废气。考察了酸洗工艺操作条件与活性炭纤维动态吸附对废气中PO去除效果的影响,并对两个工艺组合效果进行了评价。结果表明,在温度为25℃,PO废气进气量100 L/h,硫酸浓度(质量分数)为30%,酸量1.5 L,活性炭纤维装填量10 g时,酸洗与活性炭纤维吸附组合工艺对废气中的PO有很高的去除效果,初始浓度为800 g/Nm3的废气经处理后浓度降为4 mg/Nm3,达到了环保要求,说明组合工艺用于环氧丙烷废气处理的可行性。

移动互联网络技术的现状与未来

本文在介绍国内外移动互联网络技术研究领域发展现状的基础上,重点给出了该研究领域近期的研究热点、中长期的研究目标和战略发展方向,指出了有望取得突破性进展的研究领域。

融算网络体系基础研究

随着国家数字经济战略加快实施建设,算力基础设施成为数字经济发展的重要引擎.新一代网络技术从信息数据通信向信息数据智能化处理转变,泛在的计算、存储以及传输资源的融合逐步形成算力网络.算力网络作为我国率先提出的新型网络架构,是推动我国信息产业发展,支撑我国“十四五”发展规划中“网络强化、数字中国”发展战略的重要基础.在此背景下,算力网络被提出旨在推动网络体系与算力体系的深度融合:一方面通过算力提升网络服务质量,资源调度以及服务功能的编排能力,实现智能高效的网络算力服务;另一方面网络作为连接纽带将离散的数据中心、超算中心等泛在算力进行融合,实现以云为中心的算力资源运营,利用网络促进算力高效调度.然而,算力网络研究尚处于起步阶段,在架构、标准以及技术方面尚未达成共识,相关架构、标准的设计依赖传统网络技术,缺乏构建统一的算力网络标准体系,研究面临诸多新需求和新挑战,如“在哪算”“算什么”和“怎么算”等.本文基于前期“标识网络”与“智慧标识网络”研究,针对异构网络的深度融合与网络智慧化创新两大必然趋势,创造性提出“融算网络”体系及其关键机制,突破多网融合组网与高效兼容、多维统一标识及智能解析映射、按需组网及算网协同传输、算网融合的协同计算与优化等技术,构建算网深度融合的新型网络体系理论,旨在为不同行业和用户按需提供多元化算力服务支撑.“融算网络”突破网络专网发展视角,结合网络融合化、智慧化发展趋势,研究构建新型理论体系与突破关键核心技术,实现核心技术自主可控、可兼容替代现有网络、功能性能领先国际的原创性建设目标,满足国家与行业重大战略需求,促进国家数字经济的发展,为全国一体化算力整体布局奠定理论基础.

一体化可信网络与普适服务体系基础研究:目标、思路及进展

现有互联网自从问世以来,取得了巨大的成功。然而,它也在其高速发展过程中逐渐暴露了其原始设计的缺陷,包括安全性差,对移动性的支持不足等。为此,世界范围内掀起了研究未来互联网网络体系结构的热潮,意图从根本上重新设计一个新的互联网。顺应这一趋势,科技部于2007年5月正式启动了国家973项目"一体化可信网络与普适服务体系基础研究",试图以中国人的观点和视角设计一个全新的互联网。本文从设计目标、思路及进展几个方面对该项目的情况进行简要介绍。虽然这是一个基础研究项目,我们相信它的成功会为全中国人民乃至全世界人们带来巨大的好处。

用比特串实现的实时信号处理α-剪裁平均滤波

本文基于比特串实现原理,对传统的多电平α-剪裁平均摅波(TMF),提出了一种新的比特串α-TMF概念。要工作包括:(1)给出了比特串α-TMF的定义;(2)作为示例列出了演算α-TMF算法的具体过程;(3)讨论了比特串α-TMF的基本特性;(4)给出了用模拟和数字电路相结合实现的实时信号处理电路及实验结果。

智慧协同网络系统及应用

智慧协同网络(Smart collaboration NETwork,SINET)是一种我国自主研发的全新未来互联网体系,旨在有效解决网络可扩展性、移动性、安全性等问题的基础上,大幅提高网络资源利用率、降低网络能耗、提升用户体验等.本文重点研究了智慧协同网络在无线工业互联网、高铁移动网络等极度复杂受限环境下的关键应用技术,包括:智慧协同工业无线互联网关键技术和智慧协同高速移动互联网关键技术.相关系统设备的成功研制及应用充分验证了智慧协同网络的优越性.