算网一体网络架构及技术体系展望白皮书

前言 为推动国家新基建战略的落实和“东数西算”工程走向纵深，中国移动系统打造以5G、算力网络、智慧中台为重点的新型信息基础设施，创新构建“连接+算力+能力”新型信息服务体系，制定了算力网络总体发展策略，明确了核心理念、场景展望、发展路径以及技术体系，提出了“泛在协同”、“融合统一”和“一体共生”的三个发展阶段。 算网一体是算力网络发展的目标阶段，是计算和网络两大学科深度融合形成的新型技术簇，是融合贯通多要素的一体化服务，是实现算力网络即取即用社会级服务愿景的重要途径。本白皮书旨在面向算网一体的演进，研判基于网络和计算深度融合的算网一体发展路径，从网络架构及技术创新发展的角度，提出算网一体的设计原则、定义、特征以及体系架构，并以此为基础阐述了算网一体的关键技术和发展前景。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 编写单位：中国移动研究院 目录 目录1 1算网一体的背景1 1.1驱动力1 1.2产业发展1 2算网一体发展研判及设计原则3 2.1趋势研判3 2.2路径研判3 2.3设计原则5 3算网一体的定义和架构6 3.1定义和特征6 3.2体系架构6 4算网一体演进的八大关键技术问题9 4.1网络和计算资源的统一度量9 4.2网络和计算的协同感知10 4.3算网一体的灵活按需调度11 4.4“转发即计算”的在网计算模式11 4.5高效公平的算网一体交易平台12 4.6算网一体的确定性服务12 4.7算网一体的自优化和自运维能力13 4.8算网一体与6G网络协同设计14 5算网一体的挑战和展望14 缩略语列表16 参考文献18 1算网一体的背景 1.1驱动力 政策驱动：2020年4月国家发改委发布“新基建”战略，明确包含信息基础设施、融合基础设施等。2021年5月多部委联合印发《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，提出建设全国一体化算力网络国家枢纽节点，加快实施“东数西算”工程，提升跨区域算力调度水平，构建国家算力网络体系。算力和网络作为信息基础设施的两大核心要素，通过相互促进、深度融合推动算力网络持续演进。 需求驱动：新型应用对网络和计算提出了更高品质要求，例如超高清AR/VR、智能驾驶、智慧医疗等要求极低时延、极低丢包、大带宽的网络资源以及高精度、低处理时延等计算资源。对网络和计算单方面性能优化已无法满足应用需求，且网、算资源隔离的形态不利于资源利用率的提升。业务需求驱动网、算不断融合，打破算网界限，通过算网一体提升整体性能。 技术驱动：传统网络面临单一学科理论难以突破的挑战，例如香农定理和摩尔定律已经触及极限、冯式架构出现存储墙功耗墙问题。多学科交叉融合是创新的重要途径，跨领域融合经常呈现出“1+1>2”的效果，正成为领域创新发展的新动力和源泉。随着技术的发展，DOICT融合趋势逐渐清晰，网络和计算一体化将助力突破单领域发展瓶颈，实现算网跨越式发展。 1.2产业发展 随着数字经济时代新技术的不断涌现，推动基础设施、算力和网络编排、业务运营管理向算网一体化方向演进和发展。中国移动在2018年启动了算力网络关键技术算力感知网络CAN[1][2]的研究、标准化和试点部署验证；2019年和2020年发布了算力感知网络系列白皮书；2021年联合华为、中兴等11家合作伙伴发布了《算力网络白皮书》[3]，确立了算力网络为全新发展计划；2022年发布了《算力网络技术白皮书》[4]，阐述了算力网络的十大技术发展方向和核心技术体系，包括面向算网一体的原创技术体系和技术路线。中国电信发布的《云网融合2030 技术白皮书》和中国联通发布的CUBE-Net3.0网络体系中，也都把“算力网络”作为公司未来网络演进的重要方向。 国内外组织已经逐步开展在算网融合方面的相关工作。在国际电信联盟 （InternationalTelecommunicationUnion，ITU）包含有5项标准的算力网络国际标准体系已初步建立，并形成统一术语——算网融合CNC（ComputingandNetworkConvergence），覆盖了IMT-2020及未来网络、NGNe（NextGenerationNetworkEvolution，下一代网络演进）、新型计算等技术领域，涉及需求、架构、服务保障、信令协议、管理编排等方向。在国际互联网工程任务组（InternetEngineeringTaskForce,IETF），2019年2月成立了在网计算研究组COINRG （ComputinginNetworkResearchGroup），主要面向数据中心，研究在网计算技术的需求和应用场景。2022年3月，算力感知网络（ComputingAwareNetwork,CAN）的工作组筹备会BoF（BirdsofaFeather）在IETF第113次会议中召开，引起IETF主席、IRTF主席、路由域工作组主席等专家的热烈关注。第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject,3GPP）面向R19也开始提出算力感知网络（CAN）等相关立项和讨论。 国内行业组织如CCSA（ChinaCommunicationsStandardsAssociation，中国通信标准化协会）、中国通信学会、网络5.0联盟、IMT-2030(6G)推进组纷纷启 动算网一体相关标准的制定。2020年9月，网络5.0产业联盟成立了“算力网络特设工作组”。2021年7月，中国通信学会成立算网融合标准工作组，开始算网融合领域的团标制定。2022年1月，CCSA正式成立了算网融合标准推进委员会（TC621），积极推动算网融合标准实施和产业化。IMT-2030(6G)网络技术工作组已正式启动6G网络中的算网一体需求和关键技术研究。2022年1月，中国移动牵头成立了多样性算力产业及标准推进委员会（TC622），致力于推动多样性算力软硬件生态繁荣、带动中国计算产业成熟。 2021年6月，在第五届未来网络大会上，中国移动主导的《算力感知架构 和技术体系创新》，成功入选中国通信学会2021年未来网络领先创新科技成果。同时在峰会上展示了业界首个算力感知网络概念原型系统。2021年9月，在网络5.0产业和技术创新联盟峰会上，中国移动主导的算力网络项目《算力感知技 术架构创新及标准化》和《算力路由技术创新》2项成果入选中国通信学会2021 年网络5.0领先创新科技成果。同月，中国移动联合高校自主研发的首个分布式算力路由原型和泛在调度原型在国际信息通信展览会上亮相，有力验证了算力网络可以使能新型算网联合调度，从而提供“连接+计算”的新型融合业务。 2算网一体发展研判及设计原则 2.1趋势研判 基于应用需求、技术发展、国家政策的多元驱动，对算网一体进行如下研判： （一）连接要素从单一互联向多元互联转变 当前网络的连接主体呈现多元化，包括用户、算力、终端、数据等多要素均需要网络互连，网络形态也进一步向空天地海协同演变，覆盖外太空、地球空间、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基、海基等各类用户的活动提供信息服务基础设施，其连接要素不断丰富。 （二）处理模式从“信息转发”向“信息处理”转变 随着算力从集中到分布再到立体泛在，信息处理逐渐从网络外围向网络中心演进，网络从单纯的通信网络向集通信、计算、存储为一体的信息通信网络转变。网络从连接算力，演变为感知、调度、编排算力，对内实现算力内生，对外提供一体服务。 （三）技术发展从“单领域自演进”到“跨领域多融合”转变 传统网络已面临单一学科理论难以突破的挑战，例如香农定理和摩尔定律已经触及极限、冯式架构出现存储墙功耗墙问题。解决这些问题需要科学突破，需要以网络为平台和纽带，进行跨域多融合创新。算网一体演进需要充分发挥网络领先优势，融合贯通网、云、数、智、安、边、端、链（ABCDNETS）多要素。 2.2路径研判 算网一体的发展路径由计算和网络两大元素共同决定。从宏观上讲，能够提供算力的组成单元包括计算单元、计算芯片、计算设备、计算系统；能够提供连接能力的组成单元可以细分为片上总线、板级总线、网络设备、网络系统。从能力维度看，计算指算力，网络指连接；从实体维度看，计算和网络都有各自 的组成部分，分别提供不同的算力和连接能力。 图1算网一体的发展路径 我们通常理解的“网”是指由多种网络设备组成，具有连接能力的基础设施。一般来讲，片上总线、板级总线都属于设备内部互联方式，不在“网”的范畴之内。因此，算网一体最基本的组成单元是计算设备和网络设备，最初开始从设备层面呈现技术要素的融合，并且随着技术要素、能力要素、资源要素的不断驱动，由设备一体向系统一体发展，最终实现服务一体。 从系统层次看，计算系统的主要代表为云数据中心，超算中心等，而网络系统的代表为互联网(Internet)以及5G移动通信网络。算网一体系统包含了设备级算网一体，除融合计算、网络、存储等技术要素外，还充分融合了数、智、安、链等能力要素，在表现形式方面更为丰富。目前看来，6G网络预计将成为算网一体系统，移动通信网络系统将和分布式云系统充分融合，云、边、端算力将借助网络实现高速泛在，一体融合。 从设备层次看，算网一体主要表现在设备既具备一定信息处理功能，同时具备信息转发能力。技术要素融合在设备级算网一体中发挥着主要作用。比如算力路由、在网计算就是典型的设备级算网一体关键技术。算力路由技术，基于网络、计算、存储、服务的状态感知，将算力信息注入路由表，生成“网络+计算”的新型路由表。算力路由技术基于用户的业务请求，通过网络、计算联合路径计算，按需、动态生成业务调度策略，并实现基于IPv6、SRv6等协议的可编程算力路由转发路径。在网计算技术将计算设备处理的任务卸载至网络设备，利用网络设备的闲散算力，边走边算，实现数据随转随算，开创应用、网络联合处理模式， 实现应用服务加速。 从服务层次看，算网一体服务也将逐步呈现一体化，可以实现算力如水、电一般即取即用的社会级服务。算网一体服务演进过程中，需要综合技术要素、能力要素以及能源、土地等资源要素。 从整体来看，算网一体以多要素融合、多层次服务形式从设备一体化到服务一体化演进；分开来看，呈现出以计算为主和以网络为主的两种发展路径和目标。前者演进目标是一体化超级计算机，提供强大的算力；后者演进目标是信息处理网络，通过网络实现算力原生和算力泛在。 本白皮书从网络的视角对算网一体进行思考和展望，系统梳理了算网一体的定义、架构及技术体系。 2.3设计原则 面向算网一体演进的未来网络设计原则需要顺应IP网络的发展历史和趋势，同时考虑自顶向下、演进与变革共存、融合创新等原则。 （一）自顶向下原则 以架构统一牵引算网的融合设计。算网一体的网络将不再是简单的连接媒体，计算元素的引入将带来设备、协议、调度、服务等不同层面的变化，需要自顶向下的从架构出发考虑整体设计。 （二）演进与变革共存原则 平滑分阶段演进与有限域技术变革相结合。算网一体的创新很大程度上依赖于未来IP技术创新，IP创新难度大、周期长，是创新中的塔尖。新技术的创新需要考虑后向兼容，在继承传统IP优势的基础上，实现IP在有限域的更灵活应用。 （三）融合创新原则 融合应用、资源多要素创新。面向算网一体演进的网络需要充分发挥基础连接的优势，通过网络感知和融合应用需求、计算资源等多要素，实现算网共生，提供一体化服务。 3算网一体的定义和架构 3.1定义和特征 算网一体的定义：算网一体是算力网络发展的目标阶段，是计算和网络两大学科深度融合形成的新型技术簇，是融合贯通多要素的一体化服务，是实现算力网络即取即用社会级服务愿景的重要途径。 算网一体的特征包括： 设备一体化：支持网络和计算相互感知、协同调度功能的新设备。通过外挂或者内嵌/内生的方式，形成支持“算力感知”、“网络感知”或“转发即计算”等的多种形态的设备硬件。 协议一体化：支持算力、网络、