人机物互联的智能服务系统架构研究

韩庆绵

(通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

人机物互联的智能服务系统架构研究

韩庆绵

(通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

近年来，随着物联网、无人化平台和智能系统的广泛应用，为满足有人/无人平台之间协同工作的信息保障要求，应对多样化、差异化服务的巨大挑战，提出一种人机物互联的弹性通信网络智能服务系统架构，将服务扩展到网络的边缘，构建灵活分布的服务体系。给出了智能服务系统的组成与能力和主要技术体制，论述了组织运用模式和涉及的关键技术，为人机物互联的弹性通信网络智能服务系统建设提供了参考。

智能服务系统；体系架构；分布式服务协作

AbstractIn recent years,with the Internet of Things,unmanned platform and intelligent systems are widely used,in order to meet the information security requirements between someone platforms and unmanned platforms of cooperative engagement,deal with the great challenge of diversification and differential service,this paper proposes a resilient communication network intelligent service system architecture for man-machine-object interconnection,which extends the service to the edge of the network and builds a flexible distribution service system.The paper describes the composition and the capabilities and main technical system,organization mode and key technologies of intelligent service system,which provides reference to the construction of intelligent communication system for man-machine-object interconnection of resilient communication network.

Keywordsintelligent service system;system architecture;distributed service collaboration

0 引言

随着人机物互联的弹性通信网络概念的提出，对其智能服务体系提出了新的需求。智能服务系统就是实现各种传感器、平台和人员等要素的按需网络接入和可信互联，提升人到物以及物到物互连能力，满足各要素间的信息保障要求。

针对现有网络中存在的灵活性、服务的智能提供等问题，学术界和企业界开展了大量的研究。针对弹性网络，文献[1-2]根据网络的特点定义了弹性网络的特性以及在面临故障和挑战的时候网络可以提供并保持可接受的服务水平的能力。随着网络技术的不断发展，文献[3]指出构建天地一体化网络正在成为未来网络的发展趋势。随着5G时代的到来，文献[4-5]论述了在欧盟公布的5G愿景中，明确提出将利用M2M/内容分发网络/云计算作为基础技术支撑未来5G网络的发展。对于云计算的核心技术虚拟化技术，ITU-T SG13已完成2项关于网络虚拟化的建议书另外，还开展了4个相关项目的研究，分别关注需求[6]、框架[7]、功能架构[8]和资源控制管理等。

为避免移动承载网络被管道化，电信标准组织和运营商正在研究在未来5G网络中，如何与移动互联网及战术网业务深度融合，进而提升移动网络带宽的价值。移动边缘计算和雾计算是将移动接入网与互联网业务深度融合的一种技术。文献[9]给出了边缘计算的参考架构和典型应用场景。文献[10-11]论述了雾计算的特点和体系架构及其应用。文献[12]给出了内容中心网络与物联网的结合方式来解决物联网面临的异构网络通信等问题。

对于网络中提供的信息服务，ITU-T给出了NGN服务层的架构和功能需求[13]，ITU-T在出台的建议[14-15]中提出了NGN开放业务环境，为NGN服务及其他第三方应用提供了服务管理、服务协作、服务注册、服务发现、服务开发支持和服务合成等功能。文献[16]对天地一体化网络中服务层的能力和组成、技术体制给出了参考设计。文献[17-18]对服务层提供的统一通信及其关键技术进行了研究。

为了在机动环境下为用户提供更好的服务，提高系统的容错和抗毁，需要服务的迁移，在基于虚拟化的服务迁移方面，研究者首先提出了基于虚拟机迁移的方法[19]，一些主流的虚拟化工具，如KVM[20]和XEN[21]等都支持虚拟机迁移。近年来，效率更高的容器迁移逐渐受到研究者的重视。

虽然学术界和企业界对新的网络结构及其服务提供相关技术进行了研究，但大都集中在相对固定的网络中，因此针对现有机动网络中服务系统存在的不够灵活和智能性缺乏的问题，本文对弹性网络下的智能服务系统进行了研究，解决机动环境下网络服务抗毁高可用、移动部署和就近智能提供服务的问题。

1 人机物互联的弹性通信网络智能服务系统原理

1.1 人机物互联的弹性通信网络的特点

人机物互联的弹性通信网络体系架构针对网络可用资源分布高度不均衡、资源短缺和浪费共存、使用方式不能根据需求和环境变化快速调整等问题，通过对地域环境、网络环境和用户环境进行多域认知，并在认知的基础上以一定的策略准则进行自主决策控制，并借助重构手段动态改变其自身行为，使网络从静态工作模式发展到动态自适应工作模式，以适应系统、设备、协议、应用程序、服务或内容等不断变化的需求。

弹性通信网络是未来机动通信系统发展的必然趋势，具有环境可感知、容量可伸缩、属性可变化、能力可调整、万物可互联和交换可控制等基本特征。

1.2 弹性通信网络对智能服务系统的需求

弹性通信网络具有较高的网络伸缩性，因此也对在弹性通信网络下智能服务系统的构建技术提出了新的需求，一方面需要智能服务系统的体系架构能够支持人到人、人到物以及物到物等多类信息交互方式，具备分布式动态部署和智能适变能力。同时需要智能服务系统能够有效协调和感知各类网络资源和运行状态，方便服务的调整和服务执行，并且要求智能服务系统具有动态加载和编排的能力，可以更有效地支撑上层应用，提升网络资源弹性扩展和信息按需共享能力。

1.3 智能服务系统的原理

机动环境下为改善用户体验，节省带宽资源，将通信网络服务计算能力下沉到移动边缘节点，提供第三方应用集成，为边缘入口的服务创新提供了无限可能。将通信服务和存储拉近到网络边缘后，可以创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的固定级的服务环境，加速网络中各项内容、服务及应用的分发和下载，让用户享有更高质量服务体验。

通过把通信网络功能和通信业务能力封装为服务并统一部署在智能服务系统平台上，可实现各种信息服务的一体化重用和共享协同，具有分布式、不依赖中心节点和抗毁自愈等特点，能够为机动环境下的任务提供统一、高效、可靠、可扩展的信息服务支撑。固定云计算中心的智能服务系统与边缘的智能服务系统互相协同，发挥各自优点，弥补各自不足，从而提升机动网络资源弹性扩展和信息按需共享等能力。

2 智能服务平台的框架研究

2.1 弹性通信网络智能服务体系架构

弹性通信网络智能服务体系架构与现有的通信网络在信息服务系统体系架构方面存在差别，主要体现在应用的网络场景不同。与采用高速、稳定和宽带的网络相比，弹性通信网络面向的网络具有带宽资源受限、网络拓扑结构复杂多变且呈现分布式的特点，并且信息的获取往往具备高实时性要求，因此为了适应弹性通信网络的以上特点，建立服务化的技术机制，需要设计机动环境弹性通信网络的智能服务体系架构。

弹性通信网络智能服务体系架构融合借鉴云服务、边缘计算、微服务和网络功能虚拟化等先进信息通信技术，以传输服务和融合通信服务等为核心，构建弹性通信网络智能信息服务平台，强化通信网络与信息服务的协同，在网络支撑下实现信息汇聚、信息增值、信息服务和信息共享，支持信息系统按需获取网络信息资源，为形成信息优势奠定基础。

为建立具备网络感知、实时分发和分布式协作等特点的网络服务体系，形成一体化分布式的网络服务平台，按需提供计算存储、融合通信和网络传输等服务，解决高机动环境下网络服务抗毁高可用与移动部署的问题，弹性通信网络智能服务技术体系架构如图1所示。

图1 弹性通信网络智能服务技术体系架构

2.2 弹性通信网络智能服务组成与能力

智能信息服务系统包括泛在化服务运行平台和泛在网络服务层，具体由计算设备、存储设备、服务协作与运行支撑环境及相应软件、数据资源等组成，能够提供计算存储服务、融合通信服务和网络增值服务等。

计算存储方面：支持网络化的计算存储资源统一管理与调度，提供可灵活扩展的弹性计算服务能力和海量数据存储服务能力。

资源虚拟化方面：提供基于“容器”的轻量级虚拟化，相比于传统的虚拟机技术，容器技术更轻量级，对底层资源的开销更小，因此更加适用于“资源受限环境”。

融合通信服务方面：提供语音、数据、视频、状态呈现、消息和群组等通信服务。

名录服务提供统一的信息管理功能，用于存储用户、名址和设备等信息，负责共用信息的集中存储、管理和维护。

数据分发服务直接面向应用系统和通用功能服务，将应用系统各异的业务QoS要求映射为统一的网络QoS要求，并完成业务流在网络中的确保传输。

信息编码服务完成多元数据的轻量级、紧凑化的编码，为智能化服务提供高效的信息表征和柔性适配支持，提升资源受限下信息服务的快速响应和无感迁移能力。

服务编排与服务提供方面：以服务接口或组件方式对部分功能进行服务化封装，为通用功能服务和应用系统提提供更专业、灵活和高效的网络功能和通信服务，按需聚合、优化配置网络资源。

2.3 弹性通信网络智能服务技术特点

弹性通信网络智能服务系统采用云计算、微服务、边缘计算、雾计算的技术体制，采用开放、分层的体系结构，分为泛在化服务运行平台层和泛在化网络服务层2层。各层均采用先进、合理的技术体制来确保达到弹性通信网络智能服务系统的使用效能。

1.研究视角需进一步多元化、专业化。目前的研究视角相对狭窄，大多从历史学、社会学角度出发，跨学科研究较少；研究方法较单一，重理论轻实践，重定性少定量；比较研究、实证研究及创新性研究较少。因此，还需进一步开阔研究视角和研究思路，如可从哲学、生态学、政治学、经济学、管理学等学科视角出发对党的生态文明思想进行研究；研究视角既需多元化，同时也需专业化。专家学者需根据自身的研究方向和擅长的研究方法，对党的生态文明思想进行细致而深入的研究，并做到理论联系实际，避免泛泛而谈，言之无物。

泛在化服务运行平台一方面基于软件定义网络技术实现机动通信网络中交换和传输资源的虚拟化，形成网络虚拟资源池；另一方面实现计算和存储资源的虚拟化，并在此基础上构建泛在化网络服务平台，基于轻量级服务协议，实现满足高可靠、窄带宽和高动态等要求的服务运行支撑环境，屏蔽弹性通信网络的广域分布、动态不稳定等特性。基于“云计算技术”，具备“云平台”所具有的普通资源被累积、系统抗毁和服务按需使用等特点，同时还具备为适应机动应用对平台所应具有的搭建灵活性、管理便易性、资源规模小和机动性强的特殊需求。

在泛在网络服务层，采用轻量级目录访问协议(t-LDAP)，实现用户、名址和设备等信息在网络中的分布存储和快速查询，具备带宽消耗小和网络动态性适应性强等特点；采用轻量级会话控制协议(t-SIP)，解决机动通信网络分布式会话控制问题，实现话音、视频和会议等融合通信业务；采用逐段传输和数据为中心的发布订阅机制，提升弱连接、高动态网络环境下的数据传输与分发效率，提供基于QoS的确保传输服务。服务编排与协作根据用户和业务的需求，把可用的基础服务通过图形化的方式配置成一个复杂的业务服务。

服务接口采用基于Web服务接口技术体制，通过服务接口访问和调用各类网络访问。

2.4 组织使用模式

弹性网络智能服务系统在网络的边缘就近提供服务，体积小的微服务内嵌在各网络节点中，以分布式协作方式提供服务；计算能力要求高的信息处理服务运行在专门的服务器上；在后端，由庞大的云计算中心提供各种信息服务，智能服务系统平台以分布式方式分散在网络边缘，事先把云计算中心的数据推送到网络边缘的智能服务系统平台，由智能服务系统直接在网络边缘向附近的用户提供信息服务，形成“固定云—雾计算”层次化服务协作体系其运作方式，如图2所示。

图2 弹性通信网络智能服务系统运作机理

3 弹性通信网络架构智能服务系统的关键技术

3.1 弹性通信网络智能服务系统架构技术

针对弹性通信网络高度的伸缩性和动态性所带来的智能服务部署与维护上的挑战，借鉴民用5G网络概念、5G网络的技术架构，边缘计算、雾计算的体系架构，充分考虑机动环境的特点，以轻型虚拟化技术和微服务技术为基础，建立一个面向弹性通信网络的战场智能化网络服务体系架构。首先通过容器等轻型虚拟化技术封装的微服务可以降低服务与支撑环境之间的耦合度，提升系统伸缩性。并在微服务中加入认知能力，通过自我感知服务环境与用户需求变化的情况并自主做出相应的适变决策，提升服务的智能化水平。其次给出智能服务系统服务实体之间的接口关系，针对机动环境的特点对实体之间的接口协议进行轻量化处理，解决民用技术对弹性通信网络智能服务的不适问题。同时对组织使用模式进行深入研究，在网络边缘向用户提供服务，形成“固定云—雾计算”层次化服务协作体系，为解决人机物互联的弹性通信网络下智能服务体系构建所面临的高动态性和高复杂性等突出问题提供参考方案。

3.2 机动环境下的轻型化服务交互技术

针对机动环境下的网络带宽有限、传输时延大、网络传输速率低、计算和存储能力有限等问题，采用基于语义的服务描述技术，可解决机动通信系统之间数据传输不兼容等问题，构建一种以容器技术为基础的轻量级网络服务虚拟化模型，通过基于语义的服务描述技术，突破服务接口的轻型化、轻量化的服务远程交互协议和高效可靠的信息共享与同步机制，适应机动环境网络结构的频繁变动，降低服务访问对网络资源占用。一方面是尽量减小每个服务消息(主要指XML消息)的长度，另一方面是减少用户和服务之间交互消息的数量，可综合使用多种方法以减少服务消息的数量，如在网络边缘使用缓冲机制，当用户与网络断开时缓冲用户的服务消息，当用户重新与网络连接时把服务消息发送给用户，以避免重新发送服务消息；使用发布/订阅模式，可把同一个服务消息以多播的方式发送给多个用户；采用内容过滤机制，把网络中重复的和过期无用的消息过滤掉。在减小服务消息(即XML消息)的大小方面，有2类方法可选：一是直接使用压缩算法(如GZIP)对XML消息进行压缩；二是把XML消息变成二进制XML。

3.3 网络与服务一体化耦合技术

网络与服务一体化耦合技术首先将通信网络资源按通信网络状态、传送控制能力、网络业务功能和用户状态等进行分类抽象，并按统一的规范进行描述，完成物理网络与资源的解耦，其次将统一描述的资源封装为可发布、调用的服务，完成服务能力与网络能力的耦合，并将这些服务进行动态的智能化组合与编排，实现网络能力的复杂化运用。

通信服务对下感知网络，对上感知业务，中间完成资源规划调度和应用，实现从面向设备和传输的网络向面向资源和服务的网络转变。通过服务的分布式注册和自动发现机制，由网络自动为用户选择最优服务，使服务可以灵活地满足用户的特定需求，实现“按需服务”。通过服务与网络的一体化耦合技术，实现网络服务的透明访问。

3.4 服务的动态迁移技术

随着网络模及复杂性的不断增长，系统运行中失效发生的可能性不断增加，有效的容错方法是保证服务及网络弹性的重要手段之一。在基于虚拟化的服务迁移基础上，增加基于环境上下文感知、决策和自主调整的思路和服务的动态迁移策略。首先将迁移请求从服务源节点分离出来，实现迁移请求与迁移响应的解耦。这意味着由特定的非源节点负责主动发起迁移请求，使迁移策略由被动变为主动，增强了灵活性和灵敏性，并在一定程度上体现了节点的智能性。其次考虑局部信息特征，即当某一局部区域满足一定条件时，服务迁移请求由该区域内特定非源节点主动向服务源节点发出迁移请求。通过与源节点交互共同参与迁移节点的选择，让迁移位置更有方向性。最后，基于局部域网络信息的计算。主动请求端与服务源节点交互阶段，将局部区域内的节点信息传送至服务源节点，然后对此信息按照代价模型和运用基于采用代价成本单调递减的最短路径树SPT的算法得出局部最优解，不需要定时维护全网拓扑，降低网络资源消耗，实现区域内服务的热迁移。

4 结束语

人机物互联的弹性通信网络是一种创新型的网络架构，也是未来网络的发展趋势，其网络属性的弹性变化同时也对其服务提供体系提出了新的要求。本文在参考国内外民用相关技术的基础上，对人机物互联的弹性通信网络智能服务体系进行了研究，给出了参考体系架构，论述了智能服务系统的组成与能力、主要技术体制、涉及的关键技术。本文的研究成果为下一代网络建设、为异构网络提供融合的信息服务具有重要的参考意义，并为相关领域的研究人员提供参考和帮助。

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ResearchonArchitectureofIntelligentServiceSystemaboutMan-Machine-ObjectInteractiveNetwork

HAN Qing-mian

(ScienceandTechnologyonInformationTransmissionandDisseminationinCommunicationNetworksLaboratory,ShijiazhuangHebei050081,China)

TP393

A

1003-3106(2017)11-0017-05

韩庆绵女，(1967—)，研究员。主要研究方向：信息服务和云计算技术。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.04

韩庆绵.人机物互联的智能服务系统架构研究[J].无线电工程,2017,47(11):17-21.[HAN Qingmian.Research on Architecture of Intelligent Service System about Man-Machine-Object Interactive Network[J].Radio Engineering,2017,47(11):17-21.]

2017-07-18

河北省科技计划基金资助项目(17210704D)。