算力網(wǎng)絡(luò)研究與探索

在國家數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略與“十四五”發(fā)展規(guī)劃的推動下，加快信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的協(xié)同化、服務(wù)化、智能化進程，深化國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（“新基建”），已成為中國進行大國博弈的重要基礎(chǔ)。在“新基建”中，5G、大數(shù)據(jù)中心以及人工智能等相關(guān)技術(shù)對新一代信息網(wǎng)絡(luò)提出了新的大算力、大模型處理等算力需求。這推動現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)從基本的信息數(shù)據(jù)通信向信息數(shù)據(jù)智能化處理轉(zhuǎn)變。2021 年5 月，國家發(fā)展和改革委員會、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部等四部委聯(lián)合印發(fā)了《全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實施方案》[1]，強調(diào)要推動中國數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)算網(wǎng)一體化、智能化的發(fā)展。“東數(shù)西算”工程同樣強調(diào)構(gòu)建以算力和網(wǎng)絡(luò)為核心的體系、優(yōu)化全國算力整體布局的重要性[2]。在此背景下，算力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。算力網(wǎng)絡(luò)旨在通過泛在算力與網(wǎng)絡(luò)的融合，突破數(shù)據(jù)中心、超算中心、云計算、邊緣計算等“孤島”狀態(tài)下的計算能力限制，構(gòu)建算網(wǎng)一體的新型智能、高效、按需的算力服務(wù)體系，滿足國家與行業(yè)急需，促進國家數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。

1 算力網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

算力網(wǎng)絡(luò)作為中國提出且主導的科研技術(shù)，已得到業(yè)界的廣泛認可。諸多產(chǎn)學研團隊包括中國科學院、北京交通大學、中國移動、中國聯(lián)通、中國電信等，已開展算力網(wǎng)絡(luò)的研究。各單位基于已有的設(shè)備、系統(tǒng)、平臺以及應(yīng)用場景，經(jīng)過長期的積累已取得諸多成果，例如《中國電信云網(wǎng)運營自智白皮書》《中國移動算力網(wǎng)絡(luò)白皮書》《中國聯(lián)通算力網(wǎng)絡(luò)白皮書》《中國通信學會算力網(wǎng)絡(luò)前言報告》的陸續(xù)發(fā)布[3-6]，算力感知網(wǎng)絡(luò)概念的提出等[7]。在國際上，互聯(lián)網(wǎng)研究工作組（IRTF）設(shè)立的在網(wǎng)計算研究組（COIN）致力于算網(wǎng)融合的新型傳輸架構(gòu)的研究，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提出分布式方案架構(gòu)，國際電信聯(lián)盟（ITU）開展算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和場景的研究。相較于中國算力網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，國際上的研究進展相對緩慢。

目前，算力網(wǎng)絡(luò)的研究呈現(xiàn)百花齊放的繁榮景象，但相關(guān)架構(gòu)、標準的設(shè)計依賴于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尚未形成統(tǒng)一的標準體系。目前，算力網(wǎng)絡(luò)的研究面臨著諸多新需求和新挑戰(zhàn)，例如：算力如何一體化？算網(wǎng)如何融合？數(shù)據(jù)與算力如何滿足應(yīng)用服務(wù)需求等。因此，算力網(wǎng)絡(luò)研究需要明確新需求與新挑戰(zhàn)所帶來的問題，例如：算力網(wǎng)絡(luò)中算力主要服務(wù)哪些主體？算力如何實現(xiàn)計算？算力依托哪些實體進行計算等。此外，算力網(wǎng)絡(luò)作為一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，更需要從根本上明確算力網(wǎng)絡(luò)研究與建設(shè)過程中基礎(chǔ)理論體系、架構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵核心技術(shù)等方面的問題與挑戰(zhàn)。

2 算力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與建議

從算力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目標與技術(shù)發(fā)展理念來看，算力網(wǎng)絡(luò)是通信、計算、存儲以及智能化調(diào)度的高度融合。算力網(wǎng)絡(luò)以泛在算力資源為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)通信為紐帶，智能化調(diào)度為核心，實現(xiàn)網(wǎng)、云、邊、端、業(yè)務(wù)的高效協(xié)同與適配，滿足行業(yè)高差異化算力服務(wù)需求。算力網(wǎng)絡(luò)在實際建設(shè)中通常存在兩種方向：“網(wǎng)中有算”和“算中有網(wǎng)”?！熬W(wǎng)中有算”是指以網(wǎng)絡(luò)為中心，算為網(wǎng)用，算力作為基礎(chǔ)資源嵌入網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)利用算力來提升網(wǎng)絡(luò)感知、資源調(diào)度以及服務(wù)功能的編排能力，實現(xiàn)智能高效的網(wǎng)絡(luò)算力服務(wù)?！八阒杏芯W(wǎng)”是指以云為中心，網(wǎng)為算用，網(wǎng)絡(luò)作為連接紐帶將離散的數(shù)據(jù)中心、超算中心等泛在算力進行融合，實現(xiàn)以云為中心的算力資源運營?；谝陨戏治?，面對算力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求與挑戰(zhàn)，我們從總體建設(shè)目標、理論體系架構(gòu)、關(guān)鍵核心技術(shù)3個方面提出研究建議。

2.1 總體建設(shè)目標

算力網(wǎng)絡(luò)作為中國率先提出的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相關(guān)研究應(yīng)以技術(shù)自主可控、功能性能國際領(lǐng)先為目標，實現(xiàn)智能、高效、靈活的算力資源融合調(diào)度，滿足行業(yè)的差異化算力服務(wù)需求，為國家算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與實施提供支撐。具體來講，在“算中有網(wǎng)”和“網(wǎng)中有算”兩個主要研究方向中，網(wǎng)絡(luò)是不可或缺的一部分，是算力網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)支撐與紐帶。算力作為一種高效的計算資源，可以提高網(wǎng)絡(luò)的資源管理、傳輸調(diào)度、路由規(guī)劃等性能。網(wǎng)絡(luò)可以連接、協(xié)同更多算力資源，提升算力的大數(shù)據(jù)、大模型處理效率?！熬W(wǎng)算”與“算網(wǎng)”相輔相成。因此，算力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)應(yīng)統(tǒng)一融合算力與網(wǎng)絡(luò)，同時突破算力與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)限制，構(gòu)建“統(tǒng)一調(diào)度、彈性適配”的算力網(wǎng)絡(luò)平臺（如圖1 所示），實現(xiàn)全國范圍內(nèi)算力的高效協(xié)同調(diào)度與應(yīng)用，為中國數(shù)字經(jīng)濟打下算力基礎(chǔ)。

▲圖1 算力網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計與技術(shù)標準體系

算力網(wǎng)絡(luò)平臺可分為應(yīng)用層面、適配層面和網(wǎng)絡(luò)層面。應(yīng)用層面利用算力來提升服務(wù)質(zhì)量，通過建立應(yīng)用層面的融合資源池，將超算中心、數(shù)據(jù)中心等云平臺算力進行融合。應(yīng)用層面的算力服務(wù)單元依據(jù)資源池進行劃分，并實現(xiàn)了統(tǒng)一的調(diào)度和彈性分配，滿足超算任務(wù)、人工智能（AI）任務(wù)等分布式與大模型的算力需求。網(wǎng)絡(luò)層面利用算力來支撐整個網(wǎng)絡(luò)的融合，強化節(jié)點的計算能力以及節(jié)點間的主動智能融合與協(xié)同能力。適配層面利用算力強化調(diào)度方法，實現(xiàn)應(yīng)用層服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)層資源的動態(tài)適配調(diào)度。此外，算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要建立完善的技術(shù)標準體系，包括算力建設(shè)標準、節(jié)點互聯(lián)標準、數(shù)據(jù)共享標準、應(yīng)用結(jié)構(gòu)標準等，為算力網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)與應(yīng)用提供支撐。

2.2 理論體系與架構(gòu)

“算中有網(wǎng)”與“網(wǎng)中有算”都表明網(wǎng)絡(luò)是泛在算力的紐帶，是算力網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。然而，當前網(wǎng)絡(luò)面臨架構(gòu)靜態(tài)僵化、異構(gòu)并存、智能受限的狀況，行業(yè)“高移動、高可靠、高安全、確定性”等差異化服務(wù)，成為算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的新需求與新挑戰(zhàn)。此外，新型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正處于謀求網(wǎng)絡(luò)深度融合、提升網(wǎng)絡(luò)智慧的新發(fā)展趨勢中。此趨勢與算力網(wǎng)絡(luò)研究與建設(shè)方向不謀而合。因此，算力網(wǎng)絡(luò)研究不僅要考慮算力，更要關(guān)注新型網(wǎng)絡(luò)，算力與網(wǎng)絡(luò)不能只是“算中有網(wǎng)”或“網(wǎng)中有算”的分離式協(xié)同，而是要實現(xiàn)“算力+網(wǎng)絡(luò)”的融合突破。目前來看，算力網(wǎng)絡(luò)研究剛好與新型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相呼應(yīng)：一方面網(wǎng)絡(luò)融合可以更好地實現(xiàn)異質(zhì)異構(gòu)、分布不均的泛在算力資源的互聯(lián)；另一方面，算力可以滿足大數(shù)據(jù)、大模型、AI 任務(wù)等高性能計算需求，實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)以及基礎(chǔ)算力之間更高效、更智能的適配調(diào)度。算力網(wǎng)絡(luò)與新型網(wǎng)絡(luò)研究相輔相成。針對以上需求與挑戰(zhàn)，我們提出“三層三域”算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖2所示）。

▲圖2 “三層三域”算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在“三層三域”算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，“三層”包括廣義服務(wù)層、映射適配層、融合網(wǎng)絡(luò)層。廣義服務(wù)層主要負責服務(wù)與功能的標識和描述，具體服務(wù)包括：虛擬計算平臺、虛擬存儲平臺、計算容器等虛擬服務(wù)以及傳輸服務(wù)功能單元、安全防護服務(wù)功能單元等功能服務(wù)；映射適配層主要負責服務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)適配，通過感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與服務(wù)需求實現(xiàn)服務(wù)與算力資源的動態(tài)適配；融合網(wǎng)絡(luò)層主要負責網(wǎng)絡(luò)與算力資源的協(xié)同自組管理，主要包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、超算中心以及泛在算力單元（計算、存儲）、通信設(shè)備等。此外，架構(gòu)在“三層”之間還設(shè)計了層間解析映射，以強化層間交互性。廣義服務(wù)層與映射適配層的解析映射，是將用戶的服務(wù)需求映射轉(zhuǎn)化為對算力資源的需求。映射適配層與融合網(wǎng)絡(luò)層的解析映射，是將用戶對網(wǎng)絡(luò)的資源需求映射轉(zhuǎn)化為對實體算力資源的調(diào)度，指導算力資源的協(xié)同與運行過程?！叭龑印迸c層間解析映射的設(shè)計既實現(xiàn)了用戶與網(wǎng)絡(luò)的解耦，服務(wù)與資源的解耦，又為算力服務(wù)與資源的高效適配奠定了基礎(chǔ)。

“三域”包括實體域、感控域、知識域。實體域用于格式化描述網(wǎng)絡(luò)實體組件以及服務(wù)功能虛擬實體，實現(xiàn)資源與虛擬服務(wù)功能的統(tǒng)一命名；知識域用于服務(wù)、策略、網(wǎng)絡(luò)對象三者的映射經(jīng)驗信息收集與量化，生成拓撲知識庫、狀態(tài)知識庫、功能知識庫等；感控域?qū)Ψ?wù)功能、執(zhí)行策略以及網(wǎng)絡(luò)對象進行數(shù)字抽象，以知識域的經(jīng)驗知識為基礎(chǔ)，利用算力對服務(wù)、執(zhí)行策略以及網(wǎng)絡(luò)對象的適配進行動態(tài)模擬，生成最優(yōu)適配策略并指導實體域完成服務(wù)。此外，架構(gòu)在“三域”之間設(shè)計域間解析映射，強化各域之間的交互性：知識域與感控域的解析映射是為了將知識域中各類知識庫與感控域中的各類策略進行映射連接，便于在感控域策略生成過程中對知識域中的知識進行提取與借鑒，提高感控域策略的準確性；感控域與實體域的解析映射是為了使感控域高效感知實體域資源狀態(tài)以及屬性變化，便于策略調(diào)整以及策略下發(fā)，實現(xiàn)對實體域資源的精確調(diào)度；知識域與實體域的解析映射是為了將知識域中的各類知識庫與實體域資源進行對應(yīng)，根據(jù)實體域中資源的屬性變化來調(diào)整、更新對應(yīng)知識庫?！叭颉迸c域間解析映射的設(shè)計既實現(xiàn)了知識、策略、資源的動態(tài)解耦，又為用戶服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)以及泛在算力資源的智能高效處理提供邏輯支撐。

2.3 關(guān)鍵核心技術(shù)

算力網(wǎng)絡(luò)研究與建設(shè)要實現(xiàn)“算力+網(wǎng)絡(luò)”的深入融合目標，建立智能、高效、按需的算力服務(wù)平臺，從而滿足用戶高差異化算力服務(wù)需求。針對當前網(wǎng)絡(luò)與泛在算力資源異質(zhì)異構(gòu)、分布不均、資源跨網(wǎng)調(diào)度困難、智能化程度不足等問題，算力網(wǎng)絡(luò)研究與建設(shè)應(yīng)從多維標識、智能映射、按需組網(wǎng)、協(xié)同傳輸、智能計算、系統(tǒng)安全6個方面進行關(guān)鍵核心技術(shù)突破。

1）多維標識關(guān)鍵技術(shù)。算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)集計算、存儲、傳輸資源為一體，關(guān)聯(lián)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、超算中心、云平臺等多種網(wǎng)絡(luò)資源及平臺。網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的異質(zhì)異構(gòu)，導致算力網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度困難，融合受限。因此，研究需要突破多維標識關(guān)鍵技術(shù)，建立算力網(wǎng)絡(luò)一體化標識體系，實現(xiàn)對泛在算力資源的計算、存儲、傳輸能力以及其他功能屬性的統(tǒng)一命名。

2）智能映射關(guān)鍵技術(shù)。算力網(wǎng)絡(luò)是多種平臺、網(wǎng)絡(luò)以及泛在算力資源的深度融合，但融合后的網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)量繁多、服務(wù)能力差異大，在進行統(tǒng)一的多維標識后需要實現(xiàn)用戶服務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)資源的高效動態(tài)適配。因此，研究需要突破智能映射關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計建立完備的解析映射體系，實現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)與資源的智能、高效映射。

3）按需組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是為了滿足國家與社會產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。高鐵、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及智能制造等行業(yè)的發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)提出“高移動、高可靠、高安全、確定性”的差異化算力需求。因此，算力網(wǎng)絡(luò)需要突破按需組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)差異化需求進行網(wǎng)絡(luò)資源的智能高效編排，將融合后的網(wǎng)絡(luò)資源進行動態(tài)組網(wǎng)調(diào)度與管理，滿足用戶服務(wù)需求。

4）協(xié)同傳輸關(guān)鍵技術(shù)。算力網(wǎng)絡(luò)是多種平臺、網(wǎng)絡(luò)以及泛在算力資源的融合，各平臺、網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)備存在配置差異大、分布不均衡等問題，面對大規(guī)模、大模型的計算需求，算力資源需要進行分布式跨平臺協(xié)作。因此，研究需要突破協(xié)同傳輸關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)計算服務(wù)需求對算力資源的數(shù)量、類型、位置以及互聯(lián)傳輸設(shè)備進行協(xié)同傳輸管理，保障數(shù)據(jù)在各算力平臺、網(wǎng)絡(luò)以及資源間的高效交互，為算力服務(wù)的計算執(zhí)行提供高效的傳輸通信支撐。

5）智能計算關(guān)鍵技術(shù)。算力網(wǎng)絡(luò)面對高差異化計算服務(wù)需求，不僅需要考慮計算、存儲、傳輸資源的選取問題，還要考慮資源費用、節(jié)能等問題。因此，研究需要突破智能計算關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)服務(wù)需求、資源配置、資源費用、節(jié)能等進行資源選取、任務(wù)分配、路由規(guī)劃的綜合考慮，提升算力網(wǎng)絡(luò)計算、存儲以及傳輸?shù)闹悄苄裕瑴p少服務(wù)資源消耗并保障算力服務(wù)的高效性。

6）系統(tǒng)安全關(guān)鍵技術(shù)。算力網(wǎng)絡(luò)作為多種平臺、網(wǎng)絡(luò)以及泛在算力資源的融合，多種異質(zhì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、資源、平臺的互聯(lián)，使得整體算力網(wǎng)絡(luò)的安全風險呈指數(shù)級增長。因此，研究需要突破系統(tǒng)安全關(guān)鍵技術(shù)，在滿足算力網(wǎng)絡(luò)大范圍、跨平臺、分布式協(xié)同計算需求的同時，解決算力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全防護問題，實現(xiàn)服務(wù)與安全的雙重保障。

3 結(jié)束語

算力網(wǎng)絡(luò)作為中國率先提出的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是推動信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展、支撐 “十四五”發(fā)展規(guī)劃中“網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國”發(fā)展戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)。當前算力網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出繁榮的景象，但在架構(gòu)、標準設(shè)計等方面尚未達成共識。未來算力網(wǎng)絡(luò)的研究與建設(shè)要立足中國算力基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀，著眼于算力與網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展趨勢，研究探索算力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論體系，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，建立算力網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，滿足國家與行業(yè)急需，促進國家數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。