互聯網和其他網絡（包括電信網、移動網、物聯網等）的交匯融合 ， 進一步推動了人類社會、信息空間、物理世界的融合，形成新的人機物融合計算環境 。作為互聯網的延伸，人機物融合標志著我們從終端互聯、用戶互聯、應用互聯開始走向萬物互聯，信息技術及其應用更加無處不在，“大數據”現象隨之產生，信息化的第三波浪潮（信息化3.0） ， 即以數據的深度挖掘與融合應用為主要特征的智能化階段 ， 正在開啟 。人機物融合環境下 ， 信息基礎設施蘊含著覆蓋數據中心（云）、通信網絡（網和邊緣設備）和智能終端及物聯網設備（端）的海量異構資源 ， 而信息技術及其應用開始呈現出泛在化、社會化、情境化、智能化等新型應用形態與模式，需求多樣且多變 。人機物融合環境下的新型應用對軟件“基礎設施化”提出了新的要求：軟件平臺需要更好地凝練應用共性，更有效地管理資源，并根據頻繁變化的應用需求和動態多變的應用場景對各類資源作按需、深度、靈活的定制 。而現有軟件平臺主要面向傳統計算模式的應用需求，存在很大的局限：縱向上看，各類資源緊密耦合難以分割，很難根據應用特征進行性能優化和底層資源的彈性可伸縮地調度及分配；橫向上看，各類資源被鎖定在單個應用系統的內部，形成大量的“信息孤島”難以實現互連互通 。因此，現有軟件平臺的資源分配方式固定且有限，個性化定制能力嚴重不足，制約了人機物融合應用的發展 。為了應對這些挑戰 ， 就需要實現海量異構資源的深度“軟件定義” 。
1、軟件定義的興起
【學術界對新興行業的定義】“軟件定義”是近年來信息技術的熱點術語 。一般認為，軟件定義的說法始于“軟件定義的網絡”（-，SDN）[3] 。傳統的網絡體系結構 ， 網絡資源配置大多是對每個路由器/交換機進行獨立的配置，網絡設備制造商不允許第三方開發者對硬件進行重新編程，控制邏輯都是以硬編碼的方式直接寫入交換機或者路由器的，這種“硬件為中心”的網絡體系結構 ， 復雜性高、擴展性差、資源利用率低、管理維護工作量大，無法適應上層業務擴展演化的需要 。2023年前后，斯坦福大學提出“軟件定義網絡”并研制了交換機原型 。中，網絡設備的管理控制功能從硬件中被分離出來成為一個單獨的完全由軟件形成的控制層，抽象了底層網絡設備的具體細節 ， 為上層應用提供了一組統一的管理視圖和編程接口（，簡稱API），而用戶則可以通過API對網絡設備進行任意的編程從而實現新型的網絡協議、拓撲架構而不需改動網絡設備本身，滿足上層應用對網絡資源的不同需求 。2023年前后，SDN逐漸被廣泛應用于數據中心的網絡管理，并取得了巨大的成功，重新“定義”了傳統的網絡架構，甚至改變了傳統通信產業結構 。在SDN之后 ， 又陸續出現了軟件定義的存儲、軟件定義的環境、軟件定義的數據中心等 。可以說，針對泛在化資源的“軟件定義一切（- ， SDX）”正在重塑傳統的信息技術體系，成為信息技術產業發展的重要趨勢 。
2、軟件定義的本質
實現SDX的技術途徑，就是把過去的學術界對新興行業的定義一體化硬件設施打破，實現“硬件資源的虛擬化”和“管理任務的可編程”，即 ， 將傳統的“一體式（）”硬件設施分解為“基礎硬件虛擬化及其API 管控軟件”兩部分[4]：基礎硬件通過API提供標準化的基本功能，進而在其上新增一個軟件層替換“一體式”硬件中實現管控的“硬”邏輯，為用戶提供更開放、靈活的系統管控服務 。采取這種技術手段的直接原因，主要是互聯網環境下新型應用對計算資源的共享需求 ， 以云計算、大數據為代表的新型互聯網應用要求硬件基礎設施能夠以服務的方式靈活提供計算資源，而目前的計算資源管理、存儲管理、網絡管理在很大程度上是與應用業務脫離的 ， 幾乎都是手工管理、靜態配置、極少變動、分割運行，難以滿足上層應用對計算資源個性定制、靈活調度、開放共享的需求 。而要滿足上述需求，就必須改變目前應用軟件開發和資源管理各自分離的情況，使得計算資源能夠根據應用需求自動管理、動態配置，因此，“軟件定義”就成為一個自然選擇 。通過軟件定義，底層基礎設施架構在抽象層次上就能趨于一致 。換言之，對于上層應用而言不再有異構的計算設備、存儲設備、網絡設備、安全設備導致的區別，應用開發者能根據需求更加方便、靈活地來配置和使用這些資源，從而可以為云計算、大數據、移動計算、邊緣計算、泛在計算等信息應用按需“定義”出適用的基礎資源架構 。需要指出的是，盡管“軟件定義”是近期出現的熱點概念，但其基于的資源虛擬化和管理可編程這兩個核心原則，一直都是計算操作系統設計與實現的核心原則 。計算機操作系統作為一種系統軟件，向上為應用和用戶和提供各種公共服務控制程序運行、改善人機界面，向下管理各類硬件資源 。因此 ， 從計算機系統用戶的視角來看，操作系統就是一臺軟件定義的“計算機”；從軟件研究者的視角 ， 操作系統體現了“軟件定義”之集大成[4] 。就這個意義上而言，所有的SDX在本質上都沒有脫離操作系統的三層架構的范疇 ， 均符合“硬件資源虛擬化”與“管理任務可編程”的技術原理 。軟件定義和軟件化是兩個不同的概念 。“軟件化”僅僅描述了根據業務需求來開發具有相應功能的軟件應用系統的過程，關注的是行業知識、能力和流程等的軟件實現；而“軟件定義”則是一種方法學及其實現技術手段，其關注點在于將底層基礎設施資源進行虛擬化并開放API，通過可編程的方式實現靈活可定制的資源管理，同時，凝練和承載行業領域的共性 ， 以更好適應上層業務系統的需求和變化 。無論是軟件定義的網絡、軟件定義的存儲、軟件定義的數據中心還是其他“SDX”，就其技術本質而言，均意味著構造針對“X”的“操作系統” 。未來的面向人機物融合的軟件平臺，將是對海量異構基礎設施資源進行按需、深度軟件定義而形成的“泛在”操作系統（）[5] 。因此，軟件定義是實現人機物融合環境下軟件“基礎設施化”的重要技術途徑 。
3、軟件定義的機遇
人機物融合環境下，萬物皆可互聯，一切均可編程，正在成為信息化的主要發展脈絡 。隨著人機物融合環境下基礎設施資源發生了巨大變化，軟件定義正在逐漸走出信息世界的范疇，內涵和外延上均產生了新的發展，面臨著新的機遇 。軟件定義不再僅限于計算、存儲、網絡等傳統意義的基礎硬件資源，還覆蓋云網端的各類資源，包括電能、傳感、平臺、應用等軟硬件與數據和服務資源等 。軟件定義概念正在“泛化”，將實現從單一資源的按需管控到全網資源的互連互通的躍變，支持縱向全棧式、橫向一體化的多維資源按需可編程 ， 最終形成面向人機物融合應用的基礎設施架構 。另一方面，軟件定義正在向物理世界延伸 。在“工業互聯網”、“工業4.0”和我國“制造強國戰略”的發展藍圖中，軟件定義將成為核心競爭力和支撐技術 。例如，制造業需要實現“硬件”、知識和工藝流程的軟件化 ， 進而實現軟件的平臺化，為制造業賦予數字化、網絡化、定制化、智能化的新屬性 。伴隨著軟件定義的泛化與延伸，軟件將有望為任意物理實體定義新的功能、效能與邊界 。在IT的泛在化并不斷向物理世界延伸的基礎上，軟件定義將向人類社會延伸 。通過“軟件定義”的手段，可以為各領域的“虛擬組織”（如家庭、企業、政府等）打造更加高效、智能和便捷的基礎設施 。例如 ， “軟件定義的城市”不僅將城市中各類信息/物理基礎設施開放共享和互連互通，還需要為政務、交通、環境、衛生等社會公共服務部門構造出數據流通交換和業務功能組合的API，支持這些部門的智能聯動 ， 實現動態高效的精細化的城市治理 。
4、軟件定義的挑戰
要實現更加全面、靈活和深度的軟件定義，軟件研究者需要解決一系列的技術挑戰 。
體系結構設計決策問題 。
軟件定義本質上需要對其管控的資源進行抽象，因此需要在體系結構角度來合理地劃分和選擇受管元素的“粒度”和“層次” 。特別地，隨著軟件定義的泛化，如何界定軟、硬件的功能劃分并組裝、配置相應元素 ， 是值得探究的問題 。
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