计算机网络资源管理的随机模型与性能优化
| 项目名称： | 计算机网络资源管理的随机模型与性能优化 |
| 推荐单位： | 工业和信息化部 |
| 项目简介： | 以互联网为代表的计算机网络是人类信息社会的主要基础设施之一。带宽、缓存和处理器等有限的网络资源与日益增长的用户需求之间的矛盾一直是计算机网络发展过程中需要解决的根本问题。优化网络资源管理，实现资源分配与业务需求的最佳匹配，提高资源利用率是解决上述基本矛盾的有效途径。建立资源服务模型和业务需求模型，并基于此进行网络系统性能优化一直都是计算机网络领域倍受关注的基础性研究课题。 互联网发展初期，应用排队论等传统理论与方法，分析与优化网络系统性能，取得了显著成效。但经过半个多世纪的发展，互联网已经逐渐演变成为一个复杂的巨系统。规模和用户数量巨大，资源并发访问显著，使资源服务模型的刻画面临挑战；此外，种类繁多的业务形态访问异质异构资源时，服务质量要求差异甚大，使传统排队论中的单队列单服务器模型难以描述如此复杂的业务需求。还有，缺少模型支持的网络性能优化工程实践难以从根本性上解决问题。本项目围绕网络资源管理中上述三个关联性开放科学问题进行了长期的研究工作，取得了如下重要成果： (1)为解决长期困扰大规模网络资源服务模型中的"状态空间爆炸"和并发访问难以描述的问题，本项目开创性地提出了随机高级Petri网理论，建立并完善了包括建模、分析和求解的理论体系，增强了分布式网络系统并发行为的描述性，有效抑制了分析模型中的状态空间爆炸，为模型化描述大规模网络资源系统提供了一般性方法和通用求解技术。 (2)为刻画有不同服务质量要求的多种业务对异质异构资源的访问，本项目提出了通用多队列多服务器模型和分析框架，引入精化、分解、压缩和聚合等概念，为多样的业务需求描述提供了一种模型化方法。基于该模型，项目研究了无线网络切换、安全特性分析和Web服务质量保证等典型网络系统。研究实践证实：通用多队列多服务器模型是一种普适性的业务需求建模与分析方法。 (3)基于资源服务模型和业务需求模型，综合应用控制论和随机优化等基础理论，本项目以流媒体等互联网主流业务为主要研究对象，从覆盖网络和传输网络两个层面对若干典型的计算机网络应用进行了资源与需求最佳配置的研究工作。提出了代理服务器优化部署策略和鲁棒自适应的拥塞控制算法等资源配置与性能优化方案，分别从协议、机制、策略和算法等不同角度优化了网络性能，为解决网络资源的优化管理提供了一系列具有普遍意义的新思路和新方法。 本项目总计发表SCI收录论文169篇，SCI他引1068次。全部文献CNKI他引7281次。8篇代表性论著总计SCI他引206次，总他引950次。获得了性能模型与优化领域享有盛名的诸如R.R. Muntz和R. H. Katz等学者的积极评价。部分研究成果曾获教育部科学技术奖自然科学奖一等奖和中国电子学会电子信息科学技术一等奖等多项省部级科研奖励，并在国家经济信息系统、新华社多媒体数据库信息系统和内容分发网络运营实践中获得应用，显著改善了系统性能，获得了良好的社会和经济效益。 |
| 主要完成人： | 林闯 开创性地提出了随机高级Petri网(SHLPN)理论和分析技术，及基于SHLPN模型的精化、分解、压缩、聚合的近似性能评价理论,有效地描述了复杂的计算机网络资源并发访问和异构资源共享的系统行为,有效抑制了计算机网络系统性能分析与优化过程中的"状态空间爆炸"问题。提出了通用多队列多服务器模型及其精化理论与求解分析求解方法,作为计算机网络资源管理系统中应对业务需求多样性和异构资源共享的具有普遍性的模型化分析方法。应用该模型为多媒体网络通信设计了一种称为混合优先的切换机制，首次考虑了业务不同服务质量要求，优化了系统的综合性能。本人工作量超过90%。(对第1、2项科学发现做出贡献，见代表作[1,2,3,8]) 李波 第一个提出了求解万维网代理服务器放置问题的算法，发表了该领域的第一篇论文，得到广泛引用，对其他相关问题的建模和求解产生了深远的影响，ACM通信杂志（1999）称其为该重要领域当时唯一的研究工作，此研究成为内容分发系统最重要的技术环节。最早开展了无线蜂窝系统中多业务切换领域性能分析与优化设计的研究工作，为多业务提供服务保证。第一个成功研发了基于对等网络的网络视频系统，提出了分布式gossip协议和视频分流算法，被国际学术和工业界公认是对等网络(P2P))第一次在网络视频中成功应用，Coolstreaming核心技术在PPLive等多个商用网络视频平台得到应用。本人工作量超过80%。(对第2、3项科学发现做出贡献,见代表作[3,5,6]) 任丰原 应用流体流近似建模技术，将网络流量控制子系统等价为一般的非线性时变时滞闭环系统，应用随机、鲁棒和模糊控制等理论分析了计算机网络传输子系统的稳定性，并基于模型，应用控制理论的设计方法提出了流量控制和主动队列管理等网络流量管理的优化算法。滑模变结构的主动队列管理策略能够很好地适应参数变化和负载扰动，具有很强的抵抗噪声和干扰的能力，有效抑制固有传播延时引入的控制时滞给性能带来的负面影响。实践证明：滑模变结构的主动队列管理策略取得了较已有算法都优越的综合性能。本人工作量超过80%。(对第4项科学发现做出贡献,见代表作[7]) 尹浩 提出了在应用层覆盖网络中为了满足多媒体等新应用服务所面临的挑战和对策，从成员管理、数据调度、拓扑结构构造以及体系结构设计等方面提出了性能优化的方法，将相关理论研究成果推广应用在内容分发网络等工程实践中。研究表明：融合应用层覆盖网和内容分发网络（CDN）是克服大规模流媒体直播系统设计与实现中主要技术障碍的有效解决途径。在该理论的指导下设计实现了第一个采用该技术路线的流媒体直播系统Livesky，取得了好的社会与经济效益。本人工作量超过70%。(对第3项科学发现做出贡献,见代表作[6]) 蒋屹新 提出了基于随机模型的网络安全性评估方法，以及网络系统和用户行为的随机建模技术，并将相关技术运用于在无线移动通信环境下的安全性分析，量化地确定了被分析对象的安全等级和存在的安全漏洞，在系统“提供服务”和“保证安全”之间找到合理平衡，为无线通信、移动计算、电子商务、电子政务等关键网络中安全协议设计与协议的安全性评估分析提供科学的理论依据和指导。本人工作量60%。(对第2项科学发现做出贡献,见代表作[4]) |
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