CCCF动态 | 系统工程思想引领的网络计算与系统研究者——CCF-IEEE CS青年科学家奖获得者郭得科教授访谈

2022 年 3 月 11 日 中国计算机学会

国防科技大学教授郭得科是2020年CCF-IEEE CS青年科学家奖获得者。CCCF动态栏目对他进行了采访，请他介绍了研究领域、科研规划和工作心得。

关键词：CCF-IEEE CS 青年科学家奖网络计算与系统学术研究

郭得科，国防科技大学教授、博士生导师，2020年CCF-IEEE CS青年科学家奖获得者，《中国计算机学会通讯》（CCCF）专栏主编、CCF分布式计算与系统专委会副主任，科技部科技创新2030 —“国家网络空间安全”重大项目专家。主要研究方向为网络计算与系统、大规模复杂信息系统、网络空间安全。主持国家自然科学基金（NSFC）优青项目、NSFC联合基金重点项目、973计划青年科学家项目课题、国家重点研发计划课题、军科委基础加强项目课题等20余项纵向课题。已在相关领域的国内外会议和期刊发表200余篇论文。曾获得2019年度湖南省自然科学一等奖（排名第一）、2021年度中国电子学会自然科学二等奖（排名第一）、军队科技进步二等奖和三等奖各一项、第三届中国青少年科技创新奖，以第一作者出版专著3部，以第一发明人授权发明专利62项（其中美国发明专利7项）。曾获得国家自然科学基金委优秀青年基金（2014年），入选军队高层次科技创新人才工程（2018年）、湖南省杰青（2016年）、教育部新世纪人才计划（2013年）。

问

感谢您接受CCCF动态栏目的采访。您的研究方向是网络计算与系统，能否简单介绍一下您的具体研究领域?

郭得科 ：感谢CCCF动态栏目的采访。我从2003年至今的主要研究方向是计算机网络，同时也研究计算机网络和分布式计算的融合方向，我把二者统称为网络计算与系统。那为什么要做这件事情呢？

首先，选择这个领域是出于学术研究的内在驱动。在我的研究生阶段，网络计算与系统蓬勃发展，出现了移动互联网、对等网络、物联网、数据中心网络为代表的诸多科研新领域，加速了很多行业的信息化过程。以云计算为代表的分布式计算模式，其实都是建立在互联网和数据中心这样的基础底座之上。在这个发展过程中，数据中心等计算设施与网络基础设施逐渐融合，目前已成为一个云网融合的复杂巨型系统，其上运行着很多行业的大量业务系统。从今天来看，我当时选择研究的网络计算与系统在过去十多年间始终是非常重要且有生命力的研究领域。

其次，同我所在单位的工作性质有关。我所在的信息系统工程国家级重点实验室承担指挥信息系统的研究工作，其前身是1978年钱学森同志在国防科技大学创建的系统工程与数学系。从国防建设的需求来看，信息技术的发展不断驱动着指挥信息系统的发展和变革。云计算和网络系统融合后，成为新一代的信息基础设施，可以同时承载面向多样化任务需求的柔性指挥信息系统。从所在单位的发展需求来看，网络计算与系统也非常值得长期关注，而且也具有长久的生命力。回顾过往，我并非一开始就看准了这两个方面的需求，这是在不断认识自己和科研使命的过程中看到的。

问

您是适应性网络系统设计优化方面的专家，请问您是如何找到相关突出成果的灵感的？

郭得科：首先需要界定一下什么是网络系统。我们谈的网络系统包含了互联网、数据中心网络、数据中心广域网、移动互联网等网络基础设施，以及在此基础上搭载的分布式业务系统。如此庞大、分散的网络系统，面临着很多的挑战。第一个是扩展性需求：随着网络节点的规模越来越大，业务系统的规模也日益剧增，应用类型也会越来越多。第二个是业务系统的动态演变需求：业务系统在交付之后，需求可能很快就变了，需求变化之后，我们要在网络系统的运行过程中对其功能进行升级换代。第三个是鲁棒性需求：一个网络系统规模越大，则出现各种不确定性故障的可能性就越大，失效会成为一个常态，尤其是指挥信息系统面临着各种各样被攻击的风险。因此，我认为构建具有内生适应能力的大规模网络系统至关重要。

要做这样一个大系统的适应性研究，我认为要解决的第一个问题是结构适应性的问题，无论是广域网络、数据中心的内部网络还是业务系统在应用层的内部互联，都要解决好拓扑结构本身的设计问题。我追求的渐进和持续可扩展拓扑结构，应能适应物理网络系统的规模扩展。第二个问题是大系统的高可用路由机制。可扩展结构解决好连接需求后，网络系统要实现端到端之间基本的信息交互。信息交互要解决的问题是路由，尤其是跨层的路由，因为其不仅仅是互联网中两点之间的路由，而是要穿透数据中心某个节点之上的虚拟机，抵达某个业务系统。这产生了跨越广域网络、数据中心网络和业务层网络三个层次的高可用路由问题。第三个问题是多维资源的复用，用于解决大量业务系统对计算、存储、带宽、网络功能等资源的协同使用问题，使网络系统的效用最大化。第四个问题是这样一张跨层大网络系统的控制平面设计问题，分布式控制平面是衔接物理网络的数据平面和应用平面业务系统的重要环节。最后，我要以这四个层面为基础考虑网络系统的整体适应性，因为即使各个层面的适应性都解决得很好，但是如果跨层之间没有衔接好，整体性能也不会很好。我大概从2003年开始做这个方向，2018年开展了系统性的整理工作，2019年作为第一完成人获得了湖南省自然科学一等奖。

具体而言，我开展了三个方面的代表性工作。第一是提出了大规模网络系统的适应性结构设计理论和方法，目标是使网络系统获得动态和鲁棒的互联能力。第二是提出了大规模网络系统的高可用数据驱动路由的理论与方法。这是比较有原创性的工作，业界对于做数据驱动路由有通行的做法，就是运用布隆过滤器（Bloom Filter）这种概要性数据结构来实现大网内的数据驱动路由。我们发现这里面有两个非常基础性的问题被大家长期忽略：（1）数据驱动路由的性能会退化，严重时甚至会退化为泛洪广播模式，这个潜在问题已经被公认，但是一直没有得到解决；（2）假阴性误判会导致错误的路由结果，以致按照构造的路由转发查询请求却偏离正确的目的地。我花了很长时间去探究这两个问题的根源，进行了详细的数学解析，最终给出了新的概要性数据结构来解决这两个问题。我们提出的高可用数据驱动路由理论和方法，同样适用于今天谈的信息中心网络、命名数据网络等未来网络架构。第三是提出了大规模网络系统的资源协同管理理论与方法，基本解决了数据中心内计算、存储、网络这三种资源的跨层协同分配和管理问题。

问

在今后的科研规划中，您更加关注哪些领域或方向？

郭得科 ：对于有网络背景的科研人员来讲，我认为有两个方向非常值得关注，也是网络计算与系统方向的自然延伸。

首先，我认为网络系统跟计算系统要做更深度的融合。具体来讲，我最近三年做的事情是以边缘计算为代表的云边融合分布式计算理论和方法。为什么要做这样一个研究？回顾过去20年，互联网的普及对计算产生了很大的影响，在客户端/服务器模式的基础上走出了两条完全不同的演变路径。第一条演变路径是不断加强互联网后端基础设施的能力，从原来以单个服务器或者小规模集群为代表的基础设施，演变到今天的以大规模分布式数据中心为载体的云计算模式。第二条路径与之相反，是充分挖掘整合网络终端的资源和能力，对等计算模式就是一个典型的探索。我判断这两条相反的演变路径在如今这个新技术爆发的时代出现了融合的机遇。我的基本出发点是这样的：终端的规模及终端产生数据的体量在呈指数级增长，而数据中后端的能力仅仅是线性增长，这中间存在重大的差距，导致把所有的终端数据或者业务都放到云上去做是不太现实的，因此就开始考虑把计算能力延伸到靠近用户终端的边缘侧，不同的边缘计算节点参考对等计算理念进行横向协同，孕育出了边缘计算的模式，所以边缘计算模式在某种程度上来讲是云计算和对等计算两种不同模式的一种融合。为什么说它还有对等计算的理念在内呢？在边缘计算发展的早期阶段会出现非常多分散且孤立的节点，比如三大电信运营商都会依托自己的5G或4G基站建设边缘计算节点。现在的实际情况是这些孤立节点之间彼此不协作，导致计算能力有限，商业模型也不成熟。最近两三年，我的一项重要工作是设计纵向融合横向协同的边缘计算新型架构，其中纵向融合指的是云和边缘这两套基础设施的融合，而横向协同则指无论是谁建设的边缘节点，建设在什么位置，都应该通过协同机制形成一个整体。任意终端上的数据和业务，如果本地无法处理，可以卸载到边缘侧，而不必关心卸载之后这些数据和业务是由哪个边缘节点甚至云节点进行响应。在提出这种边缘计算新型架构之后，为了推广和实践这个新理念，近年来我带领研究生团队又提出了多种具体的架构，比如边缘联盟的架构、移动节点辅助固定基础设施的边缘计算架构，公有/私有混合的边缘计算架构。在完成上述架构方面的研究之后，我们也开展了边缘侧的数据存储、任务调度、边缘智能计算方面的研究，我认为这些是边缘计算必须提供的共性和基础性的服务。目前我正在整理相关研究成果，预计在2022年初出版关于边缘计算模式的专著。

其次，网络系统的研究需要关注国家关于网络空间安全的迫切需求。具体而言，我选择网络空间的测量和认知作为切入方向，和我如下的工作经历有关。从2019年初开始，我有机会参加科技部网络空间安全领域“科技创新2030重大项目”和“十四五重点研发计划”论证方面的工作，参加了科技部相关业务处组织的全国性调研。在这个过程中，我从网络系统科研者的角度去看待和思考网络空间安全，发现各类网络公害、有组织的攻击行为在网络空间中时时刻刻都在发生，这给国家安全带来的极大的隐患。我后续参加了关于科技部在网络空间安全领域更多的服务性工作，促使我更加关注网络空间安全方面的研究。网络安全和信息化是一体两翼，我过往围绕网络系统的研究都属于信息化的范畴，为了在网络安全领域谋篇布局，我在2019年初成立了一个研究小组，重点关注网络空间安全的三个方向：网络系统的测量和抗测量、网络空间异常行为的分析和响应、网络空间安全知识图谱的构建和应用。当然，我未来的研究并不仅限于这三个方向，DNS安全增强、数据安全等也都是我感兴趣的方向。

问

由于您的出色工作，您的团队已经吸引了很多学生。请问您是如何指导这些学生的?

郭得科 ：指导学生最重要的是尽早促使每个学生和老师就研究生培养标准达成共识。如果老师希望以很高的标准培养学生而学生的真实想法并非如此，那么读研过程中师生配合起来会非常困难。我经常跟学生灌输意志品质培养的重要性。研究生首先要做好从大学生向社会人的转变，作为具有自主认知和理性的社会人，必须要学会做科研规划。我对组内博士生的要求是毕业时达到国内一流名校毕业生的平均水平，有足够的竞争力入职国内大学、科研院所或者大型互联网企业，这实际上是为学生学成后做了多样化的准备。在学生培养过程中，我要求师生要在科研选题和技术途径等方面先达成共识，希望学生在做任何研究之前一定要说服老师，确认研究的价值和可行性，对研究效果有预判。我和学生经常碰面开会，哪怕每次只说五分钟，也要通过板书或PPT沟通和推进研究进展。我最担心的是学生突然间传给我没有经过前期讨论的文章初稿，导致研究走偏了方向，白做太多无用功。这是科研和学术工作中最忌讳的事情，所以后来我一再告诫学生要学会甄别问题，要确定选题确实值得做，有能力做，并最终有不错的研究结果和学术影响。

第二，指导研究生的方式方法需要不断调整和优化。前些年我带的研究生人数不多，因此我每周都会现场开会进行详细研讨，很多科研细节都会讨论，学生更多时候是负责实施老师的构想，其实这在某种程度上局限了学生的思维。近年来，我的研究生逐渐增多，也有几位青年老师和我一起组成了团队，为此我按照细化的研究方向组建了三个科研小组，锻炼青年老师的研究生指导能力。此外，学生长期习惯于我的细致管理，我后来发现这样做并不能确保每一个学生都能够成长到我期望的水准。可能是我管得太细，盯得太紧，学生们对我太过依赖，一放手就无所适从，这反而制约了他们的多样性和个性化发展，导致有学生毕业后在科研界工作时走了不少弯路。后来我也常常琢磨这个事情，回想自己的成长经历，导师给了我很大的科研自由，并没有干涉太多的细节，但是会在关键点上提供支持。例如，导师支持我到当时在香港科技大学任教的刘云浩教授门下联合培养2年，这令我终生受益。为此，我调整了对研究生的培养方法，如果学生入门后的首个选题不顺利，我会和青年老师共同为其设定一个题目。有些学生在实际成长中会衍生出其他一些有趣的选题，也会很快找到科研的感觉。当然学生们确实有性格、悟性、能力、学识等方面的差异，这是无法避免的客观事实，我也会根据学生的特点灵活调整培养预期和模式，让每个学生做一些力所能及的选题，侧重不同方面的锻炼。

问

科研活动总有一些不确定性，在你的科研生涯当中，有没有一些让你印象深刻的挑战或挫折？您又是如何面对的？

郭得科 ：在很多青年老师的成长过程中，难免碰到一些比较大的挑战和挫折。我2008年底结束香港科技大学的访学后回到国防科大任教，遇到的首个重大挑战是如何处理好个人科研方向同单位赋予的工作职责之间的协调问题。这种情况一直持续了好几年，我精打细算自己的时间和精力，延续了自己初步成型的数据中心网络和软件定义网络的设计方向。在我坚持到2013年7月后，迎来了重大转机：我所在的学院成立基础交叉研究中心，我牵头聚集了一批青年才俊进行个性化培养，鼓励老师各展所长开展基础研究。我们花了五年时间，取得了显著成效，多位青年老师成长为国家四青人才和国家杰青。这是我科研生涯中至关重要的一段时光，关键在于自己长期坚守了网络系统这个方向，保持了优势科研方向，取得了厚积薄发的效果。

第二个挑战是不可避免的团队重组和方向调整。在2018年之后，我认为我带领团队在适应性网络系统方向已经做得比较深入和系统，而且也整理了过往的研究成果，这个时候就面临重新选择重点科研方向的问题。如果选错了方向，不仅是我一个人会走错，而且会带领一大批研究生和几个年轻老师都走错，后果将不堪设想。我选择继续保持适应性网络系统研究的主脉络，向网络和计算基础设施的融合方向发展，同时结合单位使命，理论联系实际开展轻量化指控系统的应用研究。在这一阶段的调整过程中，卢锡城院士、王怀民院士、廖湘科院士给了我至关重要的指导，他们都是我的带教导师，我从他们身上体会到对科研更高层次的追求。卢锡城院士对我说，研究适应性网络系统，将来要交付给用户单位，有什么实际约束条件你是没考虑过的？这个系统都是要有机动能力的，关于数据中心都固定部署的假设不符合实际情况。我为此思考如何提供一系列小型化的计算环境，使其可以伴随用户运动，彼此之间还可以组网协同，最终选定研究云边融合网络系统为新的重点研究方向。

我在上述经历中没有涉及某项具体科研工作中遇到的挫折。对于具体的科研挫折，我认为以各位青年老师的聪明才智总是有办法能克服的。但是遇到对自己的研究节奏有重大影响的挑战时，在调整科研步伐时可以多听一听资深老师的建议。

问

对未来从事学术研究的青年学者，您有什么建议或经验分享？

郭得科 ：我认为有几点比较重要。第一，尽量做一些比较成体系的系统性研究工作，研究对象明确且稳定，沿途产生的研究成果能够形成互为支撑的整体，并在合适的时机做阶段性的总结。我们需要静下心来总结自己的研究成果在宏观上该如何展现。从我的体会看，最有效的总结方式是静下心来写一本专著，或者在更长的时间跨度上形成系列性专著。我在2016年撰写了人生中首部专著《数据中心的网络互联结构与流量协同传输管理》，总结了自己在2009~2016年间在数据中心网络领域的科研成果，这是当时国内第一本关于数据中心网络的专著。受此启发，我于2018年总结自己在拓扑结构和高可用路由方向的研究成果，在科学出版社出版了专著《对等网络的拓扑结构及数据驱动路由方法》。最近三年，我带领课题组在云边融合网络系统方向开展了一系列新的工作，因此我正在整理准备出版关于边缘计算模式的专著。每本专著的公开面世都会耗费作者大量的心血，往往需要半年甚至更久的时间，工作量巨大。青年学者可能会有诸多顾虑，觉得出专著不太合算，耽误的时间太久会让自己的科研节奏滞后，甚至导致新成果的产出减少。我还是建议大家积极尝试，因为专著是体系性的研究成果，不是说几篇相关论文一摆就能形成一本专著，它需要深加工，将自己对这个研究主题的深刻认识贯穿其中，同时会启发自己产生更深的看法和认识。

第二，青年学者在科研一线待的时间尽量长久一些，要持之以恒地做自己欣赏的研究选题，并寻找机会把自己的工作向一些国家重大需求靠拢。要做发自内心喜欢做的科研选题，并且能够长期坚持做下去，哪怕这些科研问题暂时没有被关注。我在数据中心做网络领域的研究，直到十多年后才在国防领域出现迫切需求，这时把十多年的研究成果对接到国防需求，终于产生了真正的应用价值。

第三，建议青年学者多参与国内外学术共同体的服务性工作。这的确会占用大量时间，但正因为有很多人以志愿者的方式积极参与到中国计算机学会（CCF）等学术共同体的工作中，才使这些学术共同体有很好的发展，自己也从中学习和获益。在这个过程中，我们能从很多前辈和同行身上学到很多，包括他们的学识、做事的方法、学术组织和管理能力等。

问

最后，可否用几句话总结一下您最想和大家分享的感受？

郭得科 ：首先，科研是一项很幸福的工作，非常值得珍惜。为了做持续的科研工作，我认为科研规划的制定和优化至关重要，这有助于我们保持比较好的科研节奏。在平稳发展的同时，在一些关键时机到来时要大胆地争取和把握，持续参与重要的学术共同体，并在其中展示自己的各个方面。这几个环节是相辅相成的，这是我对做科研的初步认识。

第二，国家和社会对科研工作者群体的期望很大，科技工作者的责任和担子很重，鼓励一大批青年学者从事基础研究很重要。但是，青年学者也要有恰当的时机去总结和思考能否形成整体性的研究内容并对外输出。无论是通过知识产权转化输出给企业，还是输出给国家的一些重大需求，都是围绕国家科技自立自强目标应尽的贡献。