算力网络技术研究（2024）

算力网络技术研究 （2024年） 牵头编写单位：中国移动通信有限公司研究院 工业互联网产业联盟（AII）2024年8月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 牵头编写单位： 中国移动通信有限公司研究院 参与编写单位： 华为技术有限公司重庆大学 电信上海研究院 中兴通讯股份有限公司北京邮电大学 北京科技大学 工业互联网产业联盟公众号 前言 以工业互联网、边缘计算为代表的新兴业务对DIOCT技术融合提出了更高的要求，算力网络进一步融合通信、计算、人工智能等学科领域，是对边缘计算技术的有效升级，是推动传统产业的数智化转型以及激发数字经济发展的新引擎。本白皮书针对工业互联网和算力网络的发展趋势，提出算力网络在工业互联网应用的场景和技术思考。 编写组成员（排名不分先后）： 刘鹏、王晶、李广鹏、党娟娜、蔡岳平、金嘉亮、李斌、楚俊生、许方敏、张晓琦 目录 目录5 一、前言1 二、算力网络发展的背景和趋势1 （一）算力网络的发展现状2 （二）算力网络的应用场景5 三、工业互联网和算力网络的协同发展8 四、算力网络在工业互联网的应用场景和部署方式10 （一）算力网络在工业互联网的应用场景11 （二）算力网络在工业互联网的部署方式12 五、算力网络在工业互联网应用的关键技术13 （一）算网度量13 （二）算网感知14 （三）算网调度15 （四）在网计算16 （五）算网确定性16 （六）算网数字孪生17 （七）算力标识18 六、愿景18 七、展望19 参考文献20 一、前言 工业互联网自首次提出以来发展已有10年。工业互联网产业联盟（AII）先后发布了《工业互联网体系架构》1.0版本和 2.0版本，定义了工业互联网的整体框架以及技术发展方向。工业互联网当前已经经过概念普及的阶段，形成了以网 络、平台和安全为核心的技术体系，进入到技术应用部署的沉淀期。算力网络作为网络和计算融合发展的全新方向，将进一步促进技术和产业融合，为工业互联网提供新型融合基础设施的支撑。 本报告主要研究面向工业互联网的算力网络技术，探索算力网络与工业的结合及应用方向，通过该研究报告可对算力网络应用于工业生产及管理的工作起到一定的指导作用。 二、算力网络发展的背景和趋势 数字经济、产业数字化转型需要更优质的网络连接和更强力的算力满足超大带宽、超低时延、超高安全等业务需求。工业互联网作为新一代通信技术（Communicationtechnology,CT）、控制技术（Operationtechnology,OT）和信息技术 （Informationtechnology，IT）的有机结合，日益成为产业数字化转型和发展的有力支撑，促进着社会、经济的进一步发展。随着新基建战略、东数西算工程的启动和部署，对建设集 约高效、经济适用、智能绿色、安全可靠的网络和计算基础设 施提出更高的要求。算力网络作为“算力+连接”的集合，正体现了新基建对5G、工业互联网等融合基础设施和AI、云/边缘计算、区块链等新技术服务的融合诉求，以及对东数西算工程的有效升级。 算力网络是随着5G、边缘计算的技术融合和分布式部署发展而来，是国内通信产业界首创的新型技术。5GNFV技术开创了网络和计算基础设施的融合路径，边缘计算作为计算和网络基础设施向客户侧的进一步延伸，对降低业务的时延、保障业务可靠性等有明显的优势。面向算力更加泛在化部署的趋势，算力网络可以有效促进中心云、边缘云、边缘网关等多样化算力节点的协同，一方面可以实现无差别的用户服务一致性，满足极致的业务体验；另一方面，通过对资源的高效利用，可以助力实现“双碳”绿色发展目标。 综上，算力网络是以算为中心、网为根基，网、云、数、智、安、边、端、链（ABCDNETS）等深度融合、提供一体化服务的新型信息基础设施。算力网络的目标是实现“算力泛在、算网共生、智能编排、一体服务”，逐步推动算力成为与水电一样，可“一点接入、即取即用”的社会级服务，达成“网络无所不达，算力无所不在，智能无所不及”的愿景。 （一）算力网络的发展现状 算力网络目前已经成为产业界发展的热点，运营商、设备商、科研院校等先后加入“算力网络”的研究，基本确立了算 力网络的发展路线和架构体系，并在算力建模、算力感知、算力路由、算力交易等核心技术方向取得初步成果，发表多篇论文并推进相应的标准化制定，同时开展了技术原型的验证和试点工作。中国移动从2021年起相继发布了《算力网络白皮书》 [3]、《算力网络技术白皮书》、《算网一体网络架构及技术体系 展望白皮书》，确立了算力网络为全新发展计划，阐述了算力网络的十大技术发展方向和核心技术体系，以及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6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，固移融合等技术领域，涉及需求、架构、服务保障、信令协议、管理编排、星算网络等方向。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（Birdsofa Feather）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。2023年3月，IETF成立算力路由工作组(CATS,Computing-AwareTrafficSteering)，中国移动担任主席。2023年7月，在IETF第117次全体会上，首个IETF算力网络标准——《算力路由问题陈述、应用场景和需求》完成立项。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。2022年3月，在TC3第37次全会上，首个算力网络行业标准《算力网络总体技术要求》完成报批。2023年11月，在TC3第41次全会上行业标准《算力网络算力路由协议技术要求》和《算力网络算网编排管理技术要求》完成送审。 （二）算力网络的应用场景 算力网络将改变算力的供给、应用和服务方式，能够大大提升算网服务的灵活性和高效性。算网一体的深度融合可以助力全行业数字化转型，提供网随算动、云网边端、可信共享等多种新服务方式，提升面向生活、行业和社会新兴业务的已有场景体验，同时构筑未来新型场景，赋能千行百业。 1.CloudVR视频业务 随着个人和家庭智能终端的逐渐普及，以终端设备和网络连接为基础，算力网络通过提供云边端多层次算力的协同供给和极致可靠的网络保障，可在连接量、数据量、计算量激增场景下，满足用户对智能化、沉浸式生活体验的需求。 在生活场景中，大量终端的服务已通过迁移至云端和边端的方式，来解决终端设备算力限制与高服务体验需求之间的矛盾，如云存储、云手机、云办公等应用，在保证业务服务质量的同时，释放了端侧存储、计算等资源的压力。未来随着虚拟现实、感知技术、图像处理等强交互技术的成熟，人们可在虚拟世界中获得社交、娱乐等丰富的沉浸式体验，可使用全息通讯、脑机或电子皮肤等实现超现实的人与人、人与物的交互，打破虚拟和现实边界，颠覆用户的生活方式。为了同时满足人们对终端“轻、薄”的要求以及高质量、高可靠的服务体验，需要将重计算任务将卸载到边缘计算或者云上。算力网络通过对云边协同服务升级，构建云边端多层次、一体化算力网络体 系，可满足上述场景中任务上云的要求，并根据业务中不同任务的差异化的需求智能化匹配到不同层级、不同内核的算力节点，让用户无需关心资源的需求和部署位置，如为视频渲染、低时延要求任务可自动匹配GPU算力和高质量网络能力的边侧算力节点，如下图所示。通过算力网络提供的算网一体服务，可以最大程度简化应用的部署过程，并保障最优服务体验。 图1一体化CloudVR场景 2.V2X车联网 人工智能、物联网、5G等信息通信新技术将逐渐在各行业高度普及，与行业作业各环节深度融合，助力行业的数字化转型。未来的生产方式将发生颠覆式变革，包括从观察生产信息到感知生产信息、从操作性工作到创造性工作，这种变革需要更强大的数据处理能力、更高效的数据传输能力，计算和网络将成为行业生产的关键要素。 在智慧交通场景中，通过摄像头、雷达等传感设备，获取交通环境中的多维数据，并通过对海量数据的分析学习，推理出相应策略指导车辆自动行驶、调节交通信号。当前自动驾驶 主要依赖车载传感器和算力，采集信息的局限性和算力的性能瓶颈限制了驾驶策略的及时性和准确性。因此为了实现全场景的准确感知和海量数据的高效处理，需要协同车内、车车、车路等多维度的通信场景，基于算网一体化能力，算力网络可将不同时延、算力需求的车内、车间、路侧协同等应用分发到云、边、端算力，并与车内的算网一体化终端协同，最终形成精准、实时的驾驶策略。 图2一体化自动驾驶场景 3.绿色低碳 随着数据中心的高速发展，“东数西算”工程的全面启动以及“双碳”目标的提出，能耗快速增长成为数据中心产业发展中不可忽略的问题。根据统计，截止到2020年我国数据中心年用电量已占全社会用电的2.7%左右，但数据中心利用率只有50%左右，说明利用并不充分。传统算力和网络分域优化的模式将导致能耗单域最优而不是全局最优的情况。随着双碳战略的提出，算网分治或运营层面的浅层次协同都将无法满足需求，需要算网一体实现算力域和网络域在调度层面、甚至是基础设 施层面的深度协同优化，生成跨域优化的调度策略。“算”和 “网”的一体化服务可以有效提升资源利用率，减少网络资源和计算资源的浪费，降低整体能耗，助力“双碳”战略。 图3一体化算网助力双碳 例如，传统模式下，AR/VR等对“网”和“算”有较高需求的新型应用，需要极致的网和云来保障用户的服务