确定性算力网络白皮书

1/51 -1- 目录 前言01 一、算力网络概述 1.1算力网络背景02 1.2算力网络概念03 1.3算力网络现状04 1.4算力网络发展趋势05 1.5确定性算力网络08 二、突破关键技术 2.1异构算力融合技术09 2.1.1统一标识09 2.1.1.1统一标识技术架构10 2.1.2统一调度10 2.1.3多云算力融合技术11 2.1.3.1算力度量11 2.1.3.2算力建模12 2.1.3.3算力调度编排13 2.1.3.3.1算力调度编排关键技术14 2.1.3.3.24A算力调度流程16 2.1.4算网一体确定性算力技术18 2.1.4.1算网一体背景18 2.1.4.2算网一体关键技术19 2.1.4.3算网一体化研究现状21 2.1.4.4SRv6通用可编程算力标识系统21 2.1.4.5确定性算力和雾计算24 2.1.4.5.1雾计算调度系统25 2.1.4.5.2分布式雾算力发布25 2.1.4.5.3分布式雾算力获取26 2.1.4.6确定性算网一体机28 2.1.4.6.1算网一体机28 2.1.4.6.2算网分布式管理平台29 2.2弹性可扩展的分布式架构和容器技术30 2.2.1多集群联邦技术31 2.2.2GPU、FPGA高性能异构计算技术32 2.2.3Serverless无服务计算技术33 2.2.4分布式容器批量调度技术34 2.3确定性网络技术35 2.3.1算力网络的确定性需求35 2.3.2确定性网络技术体系36 2.3.3时延确定性技术38 2.3.3.1CQF技术39 2.3.3.2DIP技术40 2.3.3.3CSQF技术41 三、典型应用场景 3.1工业互联网423.2科学研究433.3人工智能433.4能源物联网44 3.5车联网45 四、总结与展望 46 前言 随着5G/6G时代的到来，随着AR/VR、元宇宙、数字孪生、工业互联网等新型数字应用的发展，需要一个具备云网资源精确感知、全局实时智能调度控制、大带宽低时延低抖动高可靠传输能力的下一代云网融合体系架构，现在的ICT融合技术侧重于解决云网的自动化编排，采用软件定义和虚拟化技术，实现云网资源的灵活调度和统一管理，但是云和网仍然存在算力和网络不感知、算力和网络不均衡、算力分布不均衡，网络连接不确定等诸多问题，因此，如何解决算力网络关键技术痛点难点问题是算力网络应用落地的一个亟需突破的关键抓手，如何在算力网络体系架构上和关键技术上包括算力建模、算力发现、算力路由、算力调度、算力交易明确其技术规范和标准成为推动算力网络从创新概念到产业落地的关键推手。 本文聚焦于算力网络体系架构的综述分析，聚焦于算力网络关键技术的分析，着重阐述算网一体确定性网络架构和算网一体计算平台，首次在业界提出确定性算力概念场景。在上述体系架构和关键技术基础上，根据几个典型垂直行业应用场景归纳垂直行业对算力网络的需求为行业应用提供定制化服务参考。最后，总结算力网络在产业的成熟度并展望未来应用趋势。 一、算力网络概述 1.1算力网络背景 作为一种新兴网络技术理念，算力网络的提出是响应国家战略、推动经济发展、加速技术创新的必然趋势。从国家战略角度，近年来国家高度重视互联网发展，算力网络是建设网络强国的根本要求，是建设新型基础设施的重要举措，是实施“东数西算”工程的关键保障。从经济发展角度，5G、云计算、人工智能、区块链等技术的创新与应用加速了经济社会向数字化转型，我国数字经济体量再创历史新高。中国信息通信研究院报告显示，2020年我国数字经济规模达到39.2万亿元，GDP占比为38.6%，2021年我国数字经济规模超过45万亿元，GDP占比超过40%，数字经济已经成为国民经济高质量发展的新引擎[1]。数字经济的蓬勃发展伴随着多样化应用场景、百亿级联接、爆炸式数据增长的出现，带来了海量数据分析处理的需求。算力网络可为海量数据的分析处理提供泛在计算能力与优质网络服务，从而推动数字经济持续健康发展。从技术创新角度，随着单核硅基芯片的算力与多核堆叠带来的算力提升逐渐走向极限，算力从单核、多核向着网络化演进，计算与网络的边界逐渐被打破，计算与网络开始融合[2]。而在算力需求持续增长的背景下，受限于网络技术发展以及网络带宽成本，云数据中心与终端的两级计算架构已无法满足需求，算力正从云和端向网络边缘扩散。据IDC预测，2020-2025年，我国边缘计算服务器市场规模年复增长率为22.2%，到2025年，全球边缘计算服务器支出占总体服务器比重将从14.4%提升至24.9%[3]。未来算力将呈现云-边-端泛在分布的态势，计算与网络的融合将会更加紧密。算力网络是计算与网络两大技术体系深度融合的产物，算力网络的出现将引发大量跨领域融合技术的突破，为占领ICT技术的制高点提供新的机遇。 1.2算力网络概念 目前，算力网络在概念定义上尚未形成统一的认识。一种相对比较简单且全面的定义是：算力网络是指在算力不断泛在化的基础上，通过网络手段将计算、存储等基础资源在云-边-端之间进行有效调配的资源解决方案，以此来满足业务需求，提升业务服务质量[4-5]。算力网络以算为中心，以网为根基，其目标是联通散落在全网中的资源孤岛，避免被动资源扩容中的低效陷阱，构造云-边-端的泛在计算体系。正如网络的核心价值是提高效率，电话网提高了人类沟通的效率，互联网提高了人类协作的效率，算力网络将提高云、边、端的协作效率。在算力网络中，用户无需关心网络中的计算资源的位置和部署状态，只需关注自身获得的服务即可，用户的一致体验通过计算和网络的协同调度来保证。 算力网络是云网融合发展的新阶段，是对云网融合的深化和升级[6]。现阶段的云网融合一方面是网络为云计算提供联接服务，例如用于数据中心内部的虚拟网络与数据中心之间的专线网络以及用于联接用户与云的SD-WAN网络，主要体现为云网协同；另一方面是云计算为网络云化提供支持，例如对核心网网元进行云化改造、对承载网进行转控分离的改造、实现网络架构控制云化与转发极简，主要体现为云网一体。随着云网一体的继续演进，云网融合步入算力网络新阶段，算力网络将进一步深化和升级云网融合成果，实现算网协同与算网一体。具体地，在算网基础设施方面，算力泛在化使算网基础设施覆盖面更广，边侧算力成为重要算力分布形态，网络向边缘侧延伸，算力网络需屏蔽异构算力差异、异构网络差异，具备算力资源抽象与标识能力，提供高质量的网络联接服务；在算网控制与管理方面，算力网络上可根据算网需求完成算网编排，下可感知算网资源状况，灵活匹配算力需求与算网资源，实现高效算网运营与调度；在算网服务方面，算力网络能够承载泛在计算的各类应用，根据 应用需求，合理解构算力应用、抽象算网需求。 1.3算力网络现状 在政策制定方面，我国政府高度重视数字经济发展，强调要加大投入，加强信息基础设施建设，指出要建设全国一体化的国家大数据中心。2018年-2019年，国家发改委积极推动全国一体化大数据中心体系课题研究，形成了国家算力网络布局方案、“东数西算”实施路径等成果；2020年12月，国家发改委等四部委联合印发《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》，提出在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝等重点区域部署大数据中心国家枢纽节点，节点之间建立高速数据传输网络，支持开展全国性算力资源调度，形成全国算力枢纽体系；2021年5月，国家发改委等四部委联合印发《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，明确在国家枢纽节点之间进一步打通网络传输通道，提升跨区域算力调度水平；2022年2月，“东数西算”工程正式全面启动。国家枢纽节点的部署和“东数西算”工程的启动将推动算力网络体系的构建。 在标准推进方面，国内与国际标准化组织积极开展算力网络标准化工作。中国通信标准化协会（CCSA）TC3已设立算力网络总体技术要求、算力网络算网编排管理技术要求、算力网络交易平台技术要求、算力网络基于SRV6的算力路由技术要求、算力网络算力度量与算力建模技术要求等标准项目，目前算力网络总体技术要求项目送审稿已经通过审查。国际电联电信标准化部门（ITU-T）SG11组启动了Q.CPN标准（算力网络的信令要求）与Q.BNG-INC标准（算力网络边界网关智能控制信令要 求）的制定工作；ITU-TSG13组通过了Y.2501标准（算力网络框架与架构），启动 了Y.ASA-CPN（算力网络认证调度架构）、Y.CAN-req（算力感知网络的功能需求） 等标准的制定工作。互联网工程任务组（IETF）发布了COMPUTINGFIRSTNETWORK系列文稿，推动算力路由协议的标准化进程。宽带论坛（BBF）针对算力网络在城域网中的应用，启动了“METROCOMPUTINGNETWORK（SD-466）”项目。 在生态建设方面，国内三大运营商与各大云计算厂商积极参与算力网络建设，包括开展产业合作、升级云网融合产品、布局数据中心建设等。网络5.0产业和技术创新联盟成立了“算力网络特别工作组”，负责制定算力网络架构、明确算力网络技术规范。中国联通一方面成立了“中国联通算力网络产业技术联盟”，联合华为成立算力网络联合实验室，旨在联合产学研合作伙伴，促进算力网络的标准完善，开展算力网络核心技术攻关和产品研发；另一方面积极探索云网融合迈向算网一体，基于“1+N+X”打造算网一体服务，基于虚拟化+云原生的双引擎技术架构融合场景创新，升级联通云产品，打造物联感知云、数海存储云、5G边缘云等云产品。中国移动借助全面升级的5G专网，完善移动云“N+31+X”资源池布局，深化边缘服务能力，升级云网一体策略及行业应用能力，着力构建算力网络大生态。中国电信提出“网是基础、云为核心、网随云动、云网一体”的云网融合方向，充分发挥云网融合优势，按照国家一体化大数据中心枢纽节点的建设要求，进一步完善“2+4+31+X+O”的云和大数据中心布局。在云计算厂商方面，阿里云已在全球25个地域部署上百个云数据中心，包括规划建设了5座超级数据中心；腾讯云计划未来5年新增多个超大型数据中心集群，加码绿色数据中心建设；华为面向多样性计算，基于“鲲鹏+昇腾”算力底座，推出一体化集群计算解决方案。在试验验证方面，中国电信与中国移动均已完成算力网络领域的实验室原型验证，并在GSMA巴塞罗那展、ITU-T和GNTC相关展 会上发布成果。中国联通研究院开展了多方面的算力网络试验验证。例如，与广东联通、华为联合发布大湾区算力网络行动计划，研发的算力网络服务系统已在广东上线试验；与北京联通合作，首次在现网验证了算力网络CFN协议体系；与河北联通、华为合作，在雄安新区建设了基于SRV6+FLEXE技术的综合承载网并已投入运营；联合山东联通提出智慧光云十六城规划，以建设全光算力网络为目标，推进云光一体服务体系，目前已启动OTN点到多点创新试点；与中兴通讯携手，基于SDN+SRV6框架完成算力网络服务调度POC验证。 1.4算力网络发展趋势 由算力网络的概念与算力网络的现状可见，当前算力网络的发展尚且处于初期阶段，确定性算力网络将在算网资源、控制与管理、服务提供等方面持续演进，突破关键技术，最终实现低成本、高性能、高安全、可定制的算网一体化服务供给。 在算网资源方面，算力网络打破了原有的围绕数据中心内部算力资源实现共享的围墙，构建了基于异构网络连接、异构算力接入的分布式计算形态。确定性算力网络的算力规模将持续扩大、算力异构化程度将持续加深、网络环境将持续优化。当前，我国算力规模呈现蓬勃发展的态势，2020年算力规模达到135EFLOPS，同比增加48EFLOPS，增长率为55%。《2021-2022全球计算力指数报告》显示，算力与经济增长紧密相关，算力指数平均每提高1%，数字经济与GDP将分别增长3.5‰和1.8‰，保持经济稳定健康发展的目标必将反向推动算力规模的扩大[7]。现阶段的算力由基于CPU芯片的基础算力、基于GPU/FPGA/ASIC等芯片的智能算力、以及基