计算机系林闯教授等完成的“计算机网络资源管理的随机模型与性能优化”项目

获2011年度国家自然科学奖二等奖

让信息高速公路更高效

学生记者 陈田桃

   每到春运高峰时期,有关“一票难求”的报道就会占据新闻半边的重要位置。网络订票虽然缓解了人民群众购票难的情况,但在订票高峰时期出现的网络“卡壳”,也让很多人眼看着到手的票“飞”了。

  网络系统崩溃背后的深层原因,是当有大量用户访问时,出现了资源竞争,并且资源没有被很好地管理和优化。

  这一问题经我校计算机系林闯教授科研小组20余年的探索,终于取得重大进展,由他领衔完成的“计算机网络资源管理的随机模型与性能优化”项目获得2011年度国家自然科学奖二等奖。

图为林闯与学生们分享科学研究的乐趣。 供图/计算机系

双突破:性能评价、优化大有进展

  2003年前后,新华社找到了我校计算机系林闯教授。

  随着网络时代的到来,国内各大传统媒体都开始积极寻求在新媒体领域的发展,而“技术不过关”成为禁锢很多传统媒体转型的一道门槛。新华社也不例外,由于多媒体数据库及信息服务系统的运行速度和响应时间过慢的问题,他们向技术顾问、计算机专家林闯求助。林闯在了解到新华社此前曾试图通过扩展硬件来解决问题但没有成功的情况后,根据多年的研究成果,果断指出:问题的瓶颈不在硬件,而是因为系统缺乏合理调度导致性能低下。林闯带领研究人员经过反复研究测试,对系统进行了全面的性能评价,为新华社提供了一套科学的性能优化方案,不仅一举解决了该问题,而且使用户访问的平均响应时间从 2.162秒减少到0.353秒。

  “性能评价,具体而言,就是指在众多的系统(方案)中选择一个最适合需要的系统 (方案),达到较高的性能/价格比;对已有系统的性能缺陷和瓶颈进行改进;对未来设计的系统进行性能预测,实现最佳设计或配置。”林闯介绍说,性能评价(performanceevaluation)是计算机网络和计算机系统研究与应用的重要理论基础和支撑技术,是通信和计算机科学领域的重要研究方向,也是该项目的重点研究方向之一。

  那么应采取何种方式评价和优化网络系统性能呢?在互联网发展初期,排队论等传统理论与方法在分析与优化网络系统性能上有显著成效。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。在大规模网络资源系统的描述、大规模业务需求的描述、网络系统性能优化的模型化三个方面,传统的排队理论都遇到了瓶颈。

  针对传统排队理论和方法的不足,林闯和他的研究团队进行了长期的研究工作,在性能评价和优化上取得了重大的“双突破”。

  针对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,林闯项目组开创性地提出了随机高级Petri网理论。Petri网是一种网络系统建模工具,可以比较详细地刻画计算机网络的运行方式,由德国科学家CarlA.Petri于1962年首次提出,随后M.K.Molly提出了随机Petri网。后来林闯针对随机Petri网的“状态空间爆炸”问题和复杂系统模型描述问题,提出了随机高级Petri网,不仅有效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,而且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。

  此外,林闯项目组还提出了通用多队列多服务器模型和分析框架,以及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,不仅提高了用户访问速度,而且使网络抗干扰能力更强,用户访问更加平滑,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。

二十载:不懈坚持结累累硕果

  从林闯20世纪80年代末首次提出随机高级Petri网,到“计算机网络资源管理的随机模型与性能优化”项目荣获国家自然科学奖二等奖,其间历时20余载。

  20余年来,林闯和他的研究团队在实验室里迎接了多少次日出和晚霞,经历了多少次失败和成功,已无从确切计数,但他们凭借辛勤耕耘和忘我付出所收获的“成绩单”,却是有目共睹: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。部分研究成果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,取得了良好的社会和经济效益。

  “评价和优化网络系统的问题一直困扰着互联网的发展,而且理论的发现和成功运用到实践会有一定的时间差,但林老师始终坚持该研究方向,因为他认准了这件事情对国家的信息化发展很重要。”林闯的博士研究生李寅说,这也是团队继续探索和研究的重要动力。

  该项目研究团队的主要成员还包括香港科技大学教授李波和我校教师任丰原、尹浩、蒋屹新。李波提出了 “求解万维网代理服务器放置问题的算法”和“无线蜂窝系统中多业务切换领域性能分析与优化设计”;任丰原提出了“滑模变结构的主动队列管理策略”;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”,实现了“采用应用层覆盖网和内容分发网络(CDN)的流媒体直播系统Livesky”;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”等。这些重要的研究成果不仅丰富了该项目的研究方向,也为项目的交叉式研究提供了可能。

  互联网就像公路交通一样,需要拓宽,也需要科学管理。在林闯的预想中,未来的互联网不再是一种无序的状态,而是实现“可控可管”。“我们要做的就是给网络运行定规矩,让信息高速公路更高效。”林闯和他的团队对未来秩序化的网络世界充满信心,并忘我地投入着……

七阶段:丰富阅历凝结朴实信条

  “除了专业上的指导,受益最多、感受最深的,还是林老师对学生道德修养的重视。”林闯的博士生孔祥震深有感触。在课堂或总结年会上,林闯经常用自身的亲身经历为学生们讲起做人、做事的道理。“老老实实做人,明明白白做事;扎扎实实做学问,平平淡淡做贡献;黄金非宝书为宝,万事皆空学不空;用最不平常的努力做好平常的事。”这是林闯经常挂在嘴边的话,朴实的话语透露出林闯关心学生成长的拳拳之心,也是他对自己大半生为学、为人的经验总结。

  林闯于1948年出生于辽宁沈阳,1961年上初中时正赶上国家经济最困难的时期,再加上家里负担重,经常吃不饱,带到学校吃的午饭往往在早晨上学的路上就已经被正长身体耐不住饥饿的他吃掉了。午饭时间,林闯就去书店读书,丰富的精神食粮让他暂时忘却了“空空如也”的肚子。高中时期,林闯的成绩总名列学校前三名,但文革的来临让他的大学梦化为了泡影。1968年,林闯参军入伍。1973年初,退伍当了一名工人。就在这年6月,第三批“工农兵”学员开始招生,始终未曾扔掉书本的林闯进入清华大学计算机系“工农兵”学员行列,成为全系同届同学中的 “老大哥”。1978年他又考入中科院计算机所第9研究室攻读研究生。

  1981年林闯研究生毕业后,到国家计委(现国家发改委)国家信息中心工作,其间曾四次赴海外留学,了解最新的科技进展。林闯曾先后收到美国南德克萨斯社区学院和澳大利亚阿德莱德大学的高薪工作邀请,但这丝毫没有动摇林闯的中国心,仍毅然返回了祖国。

  1993年林闯回到母校清华攻读博士学位。2000年,为了更加专心地从事研究工作,52岁的林闯接受了清华大学引进高端人才的邀请,成为计算机系的一名教授。起初家离学校很远,他每天骑自行车往返学校和住所间,风雨无阻,总是最早一个到实验室。后来搬到校内教工宿舍居住后,他更是以实验室为家,基本没有了周末。

  回首往事,林闯将自己过去的人生经历概括为七个阶段,从艰难中成长的初中生、充满求知欲的高中生、大学生、改革开放后第一批硕士生、怀着中国心的海外留学生、勤奋努力的博士生到清华教授,他的人生故事也感动着他的学生,“希望自己也能像老师一样,不仅具备严谨的科学研究态度,更有炽热的报国情怀和积极向上的人生态度。”孔祥震坚定地说。

  来源:新清华 第1898期 2012-11-02

 

2012年11月07日 10:06:06  清华新闻网

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