互联网经过几十年的研究和发展已经成为当今世界促进经济发展和社会进步的重要信息基础设施。根据思科的白皮书显示，到 2023年互联网用户总数将达到 53 亿，联网设备将超过 293 亿。通过用户与机器之间的信息联网，互联网可以将信息即时传递给千里之外的各类用户，实现全球信息化。然而，用户与信息的快速膨胀也给后互联网时代的发展带来了一些新的挑战。
信息爆炸：互联网中不断接入的终端设备、边缘计算（MEC，Multi-access Edge Computing）站点、以及云计算数据中心等设备产生了爆炸式增长的信息，这会造成信息过载并导致网络决策困难和应用服务质量降低；
虚假信息：越来越多的虚假信息和劣质信息通过互联网迅速、广泛地传播，破坏了互联网的和谐环境，也危害了经济和社会的发展；
人在回路（Human-in-the-loop）：互联网爆发式的发展趋势，给当前“人在回路”的网络运营管理带来了在规模、复杂性、动态性和成本高等方面前所未有的挑战；
应用局限性：互联网在解决现有应用场景中的挑战方面表现出局限性。例如，互联网现有的运维管理能力难以支撑开发可靠且效益极高的自主系统（如智能制造系统及自动驾驶系统）。
随着具备通用性特征的 AI 技术获得学术界和产业界前所未有的关注，研究人员开始将 AI 应用于计算机/通信网络中以解决上述问题并推进各个领域应用的发展。例如：在智慧城市、智能电网、智慧教育等场景中使用了、AI 技术以驱动应用系统构建及相关技术研发。另外，通过智能组网可以实现分布式智能、智能存储、智能共享，以进一步模糊人工智能与人类智能的边界，显著提升训练效率，更有效地模拟真实世界环境。因此，从应用场景和技术发展角度来看，未来的网络的演进呈现出需要从基于信息的体系结构转向基于智能的体系结构的趋势。
智能互联网的产生
智能互联网就是一种基于上述思想来解决网络挑战的新兴网络范式，并引起了工业界和学术界的高度关注。为了使研究人员更直观、更深入地理解 IoI，并提供有洞察力的指导方案以充分发挥IoI 的深远效益，本白皮书从网络范式与人工智能的演进历史入手，从概念、架构、技术、场景、生态、挑战等多个方面对 IoI 进行了系统、全面的阐述。
（1）网络需要智能
首先，通过向网络中注入智能，可以有效地从海量互联网信息中提取有用信息；其次，智能也可以存储、传输和共享，从而减少网络中的信息冗余；再次，区块链技术的采用还可以有效增强网络安全和隐私问题，从而促进智能共享、智能分布、集中学习和决策信任；此外，“人在回路”的网络操作方式有望增强网络的健壮性，实现对网络动态事件的快速响应。最后，智能的广泛应用使得网络还将具备自主配置、自主组织、自主适应的能力，从而有效支持自主驾驶等可靠性强且经济效益高的自治系统的设计开发。
（2）智能需要网络
现有的大多数 AI 工作都以单代理训练为主，这在很大程度上依赖于本地环境中的大量预定义数据集。然而，随着互联网中数据的快速增长，这种集中式的 AI 方法受到本地计算能力和存储能力的限制， 训练出的模型泛化能力有待提高。为了解决这些问题，AI 算法需要高质量的数据源来更好地训练模型。另外，虽然 AI 的概念被定义为使计算机能够像人类一样智能地执行任务的科学。然而目前它与人类学习还相差甚远，人类学习需要的数据集要少得多，并且在适应新环境方面也更加灵活。
人类学习的一个决定性特征是集体学习，通过集体学习，智慧可 以被人类保存、分享和传承。也就是说，集体学习是一种有效分享智慧的能力，这样个人的想法就可以储存在社区的集体记忆中代代相传。集体学习的这种特点使人类能够通过分享以应对周围环境来适应新 环境，从而在生物圈中发挥主导作用，而目前的人工智能系统很难做 到这一点。因此，未来的智能发展也离不开网络，通过将智能联网， 可以实现分布式智能、智能存储和智能共享，以进一步模糊人工智能与人类智能之间的边界，显著提高训练效率，并更有效地模拟真实世界环境。
（3）智能互联网
前文论证了网络需要智能的同时智能也需要网络，即未来的网络范式离不开智能化来解决当前信息网络范式中存在的问题。在此背景下，IoI 是继交通运输网络、电力能源网络、信息互联网之后的新一代网络体系，是未来网络技术与 AI 技术深度融合的网络新范式。IoI 旨在将分布式的智能资源进行互联，充分利用和共享智能资源及智能服务，提升智能资源的利用率，同时提升设备和应用的智能化决策水平。
IoI 使智能如物质、能量和信息一样易于获取，这里的提到的智能并不等同于信息，而是对信息的更高层次的抽象和浓缩，它描述了通过分析信息集获得的一般模式和关系。智能可以是将信息聚合成智能的算法，即智能模型，也可以是通过应用模型而获得的抽象信息，即智能样本。例如，经过训练的机器学习（ML，Machine Learning） 模型是一种能够从输入信息中返回智能信息的技术。之后，提取的智能信息可以通过智能组合的方法被进一步运用，在该方法中，现有智能信息被进一步分析/组织以生成新的智能。
IoI 有望有效帮助解决当前社会经济系统中的挑战，并像前述三种网络范式一样显著影响人类的日常生活。研究探讨 IoI 对于突破当前互联网和人工智能存在的技术瓶颈、推动社会经济生活向智能化方向发展演进具有重要意义。
数据、信息和智能的关系
二、智能互联网参考架构及关键技术
智能互联网从逻辑上分为物理资源层、资源虚拟层、信息层、智能层和应用层五层，基于虚拟化技术、信息中心网络技术、人工智能技术、大数据分析技术、区块链技术，助力通信、计算、存储和智能资源的灵活调度与共享互联。
智能互联网体系架构采用分层思想设计，包括物理资源层、资源虚拟层、信息层、智能层和应用层五层，如图 2-1 所示。物理资源层涵盖智能互联网的各种底层物理资源，如通信资源、缓存资源、计算资源和感知资源，是系统架构的基础支撑。随着网络虚拟化、软件定义网络（SDN，Software Defined Network）等技术的不断发展，云化成为网络发展的重要趋势，在此背景下，资源的利用显得尤为重要。因此，物理资源层之上的资源虚拟层将基础设施资源通过虚拟化技术抽象为逻辑资源以灵活调度。信息层支持智能数据处理以提取有用的信息，并将其传输到智能层。然后，智能层合并信息，利用 AI、区块链和大数据分析等技术开发综合智能。应用层通过各种标准化接口实现应用程序的动态部署和管理。
智能互联网参考架构
物理资源层：物理资源层主要由 IoI 中的各种基础设施资源组成， 包括通信资源、缓存资源、计算资源、感知资源等。通信资源涵盖来自无线接入网（RAN，Radio Access Network）、传输网、核心网等的传输和网络资源。缓存资源和计算资源由支持内容存储和数据计算的各类型实体组成，如智能设备、边缘计算服务器、基站（BS，Base Station）和数据中心。感知资源由感知周围环境并实时收集数据的传感设备组成。由于物理资源存在于分布式且异构的基础设施中，需要通过虚拟化技术将物理基础设施资源抽象并形成共享资源池，为智能网络的差异化应用提供基础资源支持。
6G-使能智能互联网架构
资源虚拟层：异构泛在的通信、缓存、计算和感知资源在资源虚拟层被抽象和池化。资源虚拟化指使用合适的虚拟化技术对资源进行抽象，也即基于预先定义的标准表示资源，同时隐藏或忽略与标准无关的方面，从而简化资源的使用和管理。虚拟化的资源可以是物理层面或虚拟层面的，并且支持不同层的递归抽象。进一步的，通过引入池化管理程序，可以感知到各种物理资源，并将分散的资源聚合为通信资源池、缓存资源池、计算资源池和感知资源池。采用 SDN、网络功能虚拟化(NFV，Network Functions Virtualization)、容器化等先进技术，可实现资源虚拟化，为各种应用提供按需的虚拟资源。此外，虚拟化资源还可以通过分片技术按需定制服务，实现资源有效共享。
SDN 技术组件
智能互联网中的网络功能虚拟化
信息层：信息层的主要功能是处理和分析智能互联网中各种设备产生的大量原始数据，并从中推断出有用的信息，传递给智能层。由于信息层有利于服务的开发和整合，近年来引发多方关注。与此同时， 信息层中大量重复冗余的内容以及低效的传输给目前基于 TCP/IP 的网络架构带来巨大挑战。因此，在信息层采用信息中心网络（ICN， Information-Centric Networking）架构替代传统网络架构。其特点是基于名称的数据检索和网内数据缓存，允许用户从附近的缓存节点获取数据。ICN 将内容与位置分开，通过发布/订阅范式提供存储和多方通信等服务，支持用户快速获取信息，无需关注信息存储位置。信息层通过把原始数据转换为有用信息，将自我意识引入到智能互联网系统的物理组件中。
ICN 网络模型
智能层：智能化是未来网络范式的基本特征之一。智能互联网在智能的驱动下，可实现网络的自配置、自优化、自组织和自修复。因此，智能层需要将信息层的信息转化为智能，并通过智能决策在智能互联网上提供智能化和自适应地管理与控制。在服务层，利用大数据、人工智能等技术，实现智能探索、智能共享、智能存储、智能传递、智能服务应用编程接口（API，Application Programming Interface）等功能模块。在数据面，智能层对来自信息层的有效信息做进一步智能处理，实现网内智能计算。在控制面，智能层根据网络实时情况动态配置各种资源，为上层应用提供定制服务。此外，作为中间层，智能层可以基于区块链等技术，为订阅智能服务的用户提供认证、授权和计费服务，以确保其隐私。
基于区块链的智能互联网系统运行流程
智能互联网中的大数据分析
应用层：应用层旨在根据用户的不同需求为其提供特定的应用服务，并对所提供的服务进行评估，然后反馈评估结果。通过智能编程和智能管理，支持整体管控更高层次的智能应用，如智慧城市、智能制造、智慧交通、智能电网、智慧医疗等。应用层还通过智能相关技术，实现智能互联网中智能设备和基础设施的全生命周期监控，赋予网络自组织能力。此外，应用层负责评估服务性能，评估因素涉及到服务质量（QoS，Quality of Service）、体验质量（QoE，Quality of Experience）、收集的数据质量和获取的智能质量等；同时，还需要考虑资源的利用效率（成本维度），如计算效率、能源效率和存储效率，以完善智能资源管理及智能服务发放。
智能互联网中的数字孪生
三、智能互联网应用场景
IoI 将丰富和拓展智能资源的供给、应用和服务方式，提升服务的灵活性和高效性。IoI 聚焦于社会、工业的数字化转型，面向生活、应用中的新兴业务，提供新型优质的解决方案赋能各行各业。本章从社会生活和工业产业中的典型场景为例，简述了 IoI 如何赋能千行百业。不过，IoI 还在持续发展，时代也在不断进步，未来将会涌现更多的 IoI 业务和应用场景，这需要产学研各界协力合作、共同挖掘、深化探索。
1. 智慧交通
智慧交通将人、车辆和道路基础设施整合成一个庞大的智能系统，通过收集实时的车辆和道路信息来管理城市交通，并通过端到端联合决策来控制车辆的行驶模式。自动驾驶是一种集成 AI、视觉计算、雷达、监控设备和定位系统的技术，它不仅依赖于高效、实时的数据计算，还需要实时访问道路基础设施和互联网数据，当前网络中简单的信息处理和转发机制已经不能满足此服务需求。IoI 可以在自动驾驶中发挥至关重要的作用，例如通过对收集到的信息进行处理、分析和理解来获取智能。此外，车辆之间的智能共享可以提供更准确的位置感知和更高的通信效率。
自主驾驶中单车智能、集中式方法、分布式方法和 BCL 方法对比
2. 智能制造
智能制造将智能融入并赋能工业制造过程，是 IoI 在制造领域的应用。IoI 集成了智能制造中许多先进的通信和自动化技术，如 AI、机器对机器（M2M，Machine-to-Machine）通信和大数据分析，以提高其智能性。
3. 智慧城市
智慧城市由多个部分组成，它包括独特的智能设备、各种异构网络以及具有大规模存储和强大计算能力的数据中心。通过使用 AI、区块链、数字孪生等关键技术，IoI 可以成为赋能智慧城市服务的有力支撑。IoI 让智慧城市不再仅限于传递信息，而是还可以传递智能，从而提供更安全、更有效的服务。
智能互联网驱动的智慧城市
4. 智慧医疗
在智慧医疗方面，IoI 可以有效整合医生、患者、医院和监管机构，提供可靠的定制化精准健康管理服务。在满足隐私保护的前提下， IoI 可以存储、保护、检索、分析和共享来自患者、医生、医疗设备等的智能，医生和医院之间也可以共享医疗资源。医生或医疗设备可以远程检查患者，所有共享的智能都可以从本地或远程服务器检索，从而有效消除医院与医院、区域与区域之间的界限，实现医疗资源共享。
5. 元宇宙
元宇宙是一个与现实世界平行的虚拟空间，由于其还处于发展与完善中，不同群体有不同的定义。基于元宇宙涉及的关键技术，社交媒介公司GamerDNA 创始人乔恩·拉多夫（Jon Radoff）将其产业链划分为七个层次，分别为基础设施层、人机交互层、去中心化层、空间计算层、创作者经济层、发现层、体验层。可以从涉及的部关键技术的进展窥见元宇宙学术领域的发展情况，同时 IoI 也可对元宇宙各层的建设和应用提供有益的帮助。
基础设施层包括通信技术和芯片技术等。通信技术主要涉及蜂窝网、WiFi、蓝牙等多种通信技术，主要目标是提升速率与降低时延， 从而实现虚拟现实融合和万物互联。
人机交互层主要涉及移动设备、智能眼镜、可穿戴设备、触觉、手势、声音识别系统、脑机接口等，全身跟踪和全身传感等多维交互。人机交互设备是进入元宇宙世界的入口，负责提供完全真实、持久与顺畅的交互体验，是元宇宙与真实世界的桥梁。
去中心化层包括云计算、边缘计算、AI、区块链等。云计算主要为元宇宙的实现提供高规格的算力支撑，从而支持大量用户的同时在线与虚拟化操作，同时也能使 3D 图形在云端 GPU 上完成渲染，释放前端设备的压力等。边缘计算在提供算力支撑的同时，保证低时延。AI 主要为元宇宙带来持续的生命力，其相关的识别、推荐、创作、搜索等技术储备可以直接应用于元宇宙的各个层面，从而加速其所需的海量数据加工、分析与挖掘任务。数字李生对现实世界进行虚拟化，主要偏向行业应用。元宇宙不仅是现实世界的模拟，还可以创造现实世界没有的元素，而其运用以个人为主。区块链主要保证元宇宙的虚拟资产不受中心化机构的限制，从而有效保障数字资产的归属权，使其经济体系成为稳定、高效、透明、去中心化的独立系统。
空间计算层包括 3D 引擎、VR、AR、MR、地理信息映射等。创作者经济层包括设计工具、资本市场、工作流、商业等。
发现层包括广告网络、社交、内容分发、评级系统、应用商店、中介系统等。
体验层包括游戏、社交、电子竞技、剧院、购物等。
IoI 则可利用 AI 等技术能力为构建元宇宙各层次的关键技术以及用户在元宇宙中的应用服务提供线上化、智能化、无人化的支持，推动元宇宙形成有序的特殊社会经济结构，使得物质、能量、信息和智能迅速流动，有效缓解物质、能量、信息和智能的不平衡，从而促进元宇宙和现实世界宇宙的稳定。
近年来，随着 5G、边缘计算、人工智能的不断发展，智能资源越来越迫切的需要进行互联和共享，智能互联网的提出，为提升智能 资源的利用率、降低机器学习的成本提供了一个新的思路。同时，我们还必须清楚的认识到智能互联网还处于发展的初期，还存在许多问题和挑战亟需解决。例如智能的建模和度量、智能互联网架构和协议设计、安全和隐私等。白皮书通过介绍智能互联网的发展背景、参考架构、使能技术、应用场景、生态建设和未来发展方向，试图为大家详地的描绘智能互联网在未来发展中的美好愿景。期待在不远的将来，智能互联网能够进一步赋能各行各业，推动人类向智能化社会迈进。
本文摘自《智能互联网白皮书》，全文下载：
