算力感知网络（CAN）技术白皮书

算力感知网络（CAN）技术白皮书 （2021年版） 中国移动研究院 前言 面对万物互联的数字新时代，5G+边缘计算已经成为行业数字化转型的关键使能技术。随着5GC的云化部署，通过NFV技术的实践初步实现了IT技术在CT领域广泛应用。但目前IT与CT仍是两个分层解耦的系统，无法实现深层次的协同融合。但随着边缘计算在网络中的广泛部署，算力从集中走向分布，计算从“点”到“网”逐渐成为网络基础设施的重要组成部分，IT与CT需要进一步协同融合，为用户提供综合ICT服务。面向6G演进的网络中，算力与网络资源将共生，ICT融合将走入深水区，ICT融合的方式由NFV时代的“IT服务于CT”，向“IT与CT系统相互感知”演进。为了实现IT和CT的高度协同感知，中国移动主导提出一种基于分布式系统的计算网络融合技术方案—算力感知网络（CAN,Computing-awareNetworking），实现ICT系统的联合优化调度，提供端到端ICT系统的SLA体验保证。算力感知网络基于无处不在的网络连接，将动态分布的计算与存储资源互联，通过网络、存储、算力等多维度资源的统一协同调度，使海量的应用能够按需、实时调用泛在分布的计算资源，实现连接和算力在网络的全局优化，提供一致的用户体验。面对算网协同感知的核心网络需求，需要从架构、协议和度量等方面协同演进构建算力感知网络架构体系。 从架构层面上，面对边缘计算、异构计算、人工智能等新业务，需要从IaaS资源层编排基础上研究向PaaS/SaaS/NaaS等一系列上层算法/函数/能力的编排演进。并进一步探索实现编排系统与网络调度 系统的协作，实现XaaS能力按需灵活部署。 从协议层面，传统网络优化路径，实现信息在节点之间传输的SLA，但不考虑节点内部算力的负载。未来算网融合的网络需要感知内生算力的资源负载和XaaS能力和性能。选路的优化需考虑网络和算力两个维度的性能指标。同时考虑结合数据面可编程技术如利用SRV6可编程性实现算网信息协同，实现控制面和数据面的多维度创新。 从度量来看，网络体系的建模已经很成熟，但算力体系由于异构硬件、多样化算法，度量衡和建模还没有形成体系，属于业内研究热点。算力感知网络需要依托统一的算力度量衡体系以及能力模板，支撑“最优路径+最佳算力”的新型算力路由度量机制。 本白皮书主要研究算力感知网络的架构、关键技术以及所面临的挑战，希望通过在算力感知网络体系架构、算力度量、算力感知、算力路由、算力管理等方面的探索，为未来面向算网融合演进的新型网络构建提供参考。 本白皮书的版权归中国移动研究院所有，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明来源。 编写单位：中国移动通信集团研究院 编写组成员：姚惠娟、魏华、付月霞、刘鹏、杜宗鹏、孙滔、陆璐 目录 1.算网融合发展的背景1 1.1面向算网融合的演进驱动力1 1.2计算网络融合产业发展现状3 1.3算力感知网络的价值5 2.算力感知网络体系架构6 2.1算力感知网络的概念6 2.2算力感知网络体系架构7 3.算力感知网络的关键技术8 3.1算力度量与算力建模8 3.2算力路由层关键技术11 3.3算网管理层关键技术15 3.4算力服务层关键技术17 4.算力感知网络相关标准化工作18 4.1国际标准化工作18 4.2国内标准化工作19 5.总结20 缩略语列表21 参考文献23 1.算网融合发展的背景 1.1面向算网融合的演进驱动力 在当前5G网络发展建设的关键时期，边缘计算和NFV等技术都要求网络与计算的协同发展。同时，随着物理世界和数字世界的进一步融合，行业数字化转型获得了全方位地提升和改变，给运营商带来全新的市场和发展空间，也带来更多的需求挑战。 数字化转型需要泛在的连接和算力 网络作为物理世界和数字世界的连接桥梁实现数据流动，是支撑数字化转型的基础和关键技术之一，将面临带宽、时延和安全等方面的更高需求。数字化转型的持续推进促使数据规模的成倍增长，对传统网络和云计算提出了巨大挑战，驱动计算向边缘侧下移形成网络中分散的算力资源。因此网络在实现分散节点互联的同时，更需要协同调度算力；另外，产业智能化升级带来设备的多样性，IoT传感器、摄像头等设备的应用产生愈加多样化的数据，需要数字世界提供知识、智能和运算能力，实现数据价值化，并可反馈对数据的控制和策略。所以整个行业的产业化智能升级对网络和计算都提出了更高的需求，要求基础设施IT，CT逐渐走向融合，需要基础设施不仅提供泛在的连接，还需要提供算力的支持。 图1-1物理世界和智能世界融合 边缘计算驱动算力从中央走向边缘 边缘计算在靠近数据源或用户的地方提供计算、存储等基础设施，为边缘应用提供云服务和IT环境服务，可以满足业务的低时延需求，并有效缓解网络带宽压力。但是单个站点的算力资源有限，且无法保证在特定时间点为所有业务提 供所需的SLA保证。为了保障用户时延、带宽、计算等服务体验，运营商在现有网络基础上，打造面向全连接的算力平面，将计算任务调度至最优的边缘节点进行处理。现场侧边缘计算实现业务灵活接入，为用户提供智能化接入和实时数据处理；网络侧边缘负责承载人工智能和图像识别等新业务，就近为用户提供丰富算力[1]。边缘计算助力算力从中央走向边缘，促进基础资源层面网络与计算的融合，算力资源由端变网逐步实现智能化基础设施的全网覆盖。 图1-2计算从中央走向边缘 网络演进推动算力网络相互感知 5G引入NFV技术使网络开始逐步云化[2]，具备了向IT技术演进的路线和基础，使得算力开始服务于网络并可随着网络延伸，此时的IT资源还仅仅作为CT网络一种资源提供方式，不对外直接提供IT服务，此阶段的IT与CT融合可称为ICT纵向融合。同时，5G网络原生支持边缘计算，5G用户面下沉为边缘计算的实现创造了网络条件，使得计算资源离用户更近，进而推动网络中的计算从集中走向边缘，计算开始嵌入网络，计算资源逐渐成为网络基础设施的重要组成部分，ICT融合的方式由NFV时代的“IT服务于CT”，向“IT与CT系统相互感知”演进，与计算将实现资源能力两个层面全方位融合，算网协同感知成为网络演进的核心需求[3]。面向6G演进，算力与网络资源将共生，IT与CT系统需要具备相互感知的能力，实现网络和算力在全网的联合优化调度，提供端到端ICT系统的SLA体验保证。 1.2计算网络融合产业发展现状 为了满足未来IP网络中越来越多的业务种类和不断增强的业务SLA诉求，中国移动在下一代IP网络领域积极开展探索研究，并提出了“IDEAS”未来IP网络发展的创新思路，包括智能路由、确定性QoS、算力内生、无障碍连接和安全性保障五大技术方向。如图1-3所示，中国移动IDEAS网络遵从Internet“开放互联”的原则，通过在传统IP网络上增加新的能力，逐步构建下一代新型IP网络。其中，“E”即为算力感知网络，是算网融合趋势下中国移动提出的IP网络技术创新路线之一。 图1-3中国移动“IDEAS”未来IP网络发展思路 中国移动全面布局算网融合趋势下未来网络技术研究，并积极推动相关产业发展。2019年11月，中国移动发布了业界首个《算力感知网络技术白皮书》（2019年版）[4]，首次向业界介绍了算力感知网络（CAN,Computing-awareNetworking）的背景与需求、体系架构、关键技术、部署应用场景及关键技术验证等内容，白皮书中首次提出了算力感知网络体系架构v1.0，如图1-4所示。 图1-4算力感知网络功能架构（2019年版） 为了进一步推动算力感知网络的研究，中国移动开展了基于现网环境的算力感知网络实验网部署测试。2019年11月，中国移动联合华为在浙江移动MEC节点启动算力感知网络实验网测试，节点间平均距离约为30km，ping平均时延约4ms，平均通量接近1000Mbps。本次实验分别针对算力感知网络的MEC系统与传统MEC系统进行了性能测试，并对系统算力容量和端到端平均时延两大关键性能指标进行对比。测试结果表明，在较理想的网络负载情况下，部署算力感知网络的MEC系统的算力容量比传统MEC系统可提升33.17%，端到端平均时延可提升35.29%[4]。 面向计算网络融合的演进需求，业界也开展了许多研究与探索工作。2020年第8次网络5.0全会上，信通院联合三大运营商、华为、中兴、新华三成立了 网络5.0创新联盟算力网络特设组，就目前提出的算网融合趋势下不同技术路线展开研究和探索[5]，包括算力网络[6]和算力感知网络[7][8]等，旨在达成算力网络研究共识，推动产业发展[9]；此外，在IMT-20306G网络工作组也成立了算力网络研究组，研究在6G网络中计算、网络融合对于未来网络架构的影响和关键使能技术。此外，IRTF成立了在网计算研究组（COINRG），在网计算指网络设备的功能不再是简单的转发，而是“转发+计算”，计算服务不再处于网络边缘，而是嵌入网络设备中。该工作组主要面向可编程网络设备内生功能的场景、潜在有益点展开研究，其中内生功能包括在网计算、在网存储、在网管理和在网控制等，是计算、网络更深层次融合的下一发展阶段，也吸引了许多研究人员的关注。 算力感知网络有望成为运营商B5G/6GIP网络技术演进趋势的新型基础网络 架构之一。本白皮书将基于《算力感知网络技术白皮书》（2019年版），进一步介绍中国移动算力感知网络研究思路和最新研究进展，包括算力感知网络的功能架构、关键技术体系、标准化工作方案等，并分享中国移动对于算网融合趋势下未来IP网络演进的方向和关键技术体系的思考。 1.3算力感知网络的价值 综上所述，在网络和计算深度融合发展的大趋势下，网络演进的核心需求需要网络和计算相互感知，高度协同，算力感知网络基于无处不在的连接，将泛在计算互联，实现云、边、网高效协同，提高网络资源、计算资源利用效率，进而实现： 实时、快速业务调度：基于网络层实时感知业务需求和网络、计算状态，相 比于传统的集中式云计算调度，算力感知网络可以结合实时信息，实现快速的业务调度； 保证用户体验一致性：网络可以感知无处不在的计算和服务，用户无需关心 网络中的计算资源的位置和部署状态。网络和计算协同调度保证用户的一致体验；服务灵活动态调度：网络基于用户的SLA需求，综合考虑实时的网络资源状 况和计算资源状况，通过网络灵活匹配、动态调度，将业务流量动态调度至最优节点，让网络支持提供动态的服务来保证业务的用户体验。 2.算力感知网络体系架构 2.1算力感知网络的概念 算力感知网络是计算网络深度融合的新型网络架构，以现有的IPv6网络技术为基础，通过无所不在的网络连接分布式的计算节点，实现服务的自动化部署、最优路由和负载均衡，从而构建可以感知算力的全新网络基础设施，保证网络能够按需、实时调度不同位置的计算资源，提高网络和计算资源利用率，进一步提升用户体验，从而实现网络无所不达，算力无处不在，智能无所不及的愿景。 图2-1算网一体化演进思路 如图2-1所示，基于算力感知网络的概念，中国移动从新架构、新协议、新度量等方面协同演进，构建面向算网一体化演进的新型基础网络。其中新架构方面，主要从当前计算和网络单独管理和运维到网络计算融合演进的统一编排体系的架构上考虑。新协议方面主要从传统网络调度到网络和计算联合调度演进，即网络需要不仅做网络路径的优化，还需要考虑节点的算力资源状况，为业务通过最佳路径调度到最佳的服务节点。新度量主要考虑到算力资源作为网络基础设施的重要组成部分，基于统一的建模和感知构建算力度量体系实现异构算力资源的抽象表示和统一描述，这作为算力感知网络的研究基础，为算力感知和通告、算力OAM和算力运维管理等功能提供标准度量准则。 2.2算力感知网络体系架构 为了实现泛在计算和服务感知、互联和协同调度，算力感知网络架构体系从逻辑功能上可划分为算力服务层、算网管理层、算力资源层、算力路由层和网络资源层，其中，算力路由层包含控制面和转发面，如图2-2