算网基础设施研究报告

算网基础设施研究报告 （2022年） 版权声明 本白皮书版权属于算网融合产业及标准推进委员会，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：算网融合产业及标准推进委员会”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 参与编写单位 （排名不分先后） 中国信息通信研究院、浪潮通信技术有限公司、浙江省新型互联网交换中心有限责任公司、浪潮通信信息系统有限公司、广东省云桥通网络科技有限公司、中盈优创资讯科技有限公司、山东省计算中心（国家超级计算济南中心）、上海缔安科技股份有限公司、迈普通信技术股份有限公司、上海有孚网络股份有限公司、联智科技（北京）有限公司、中国科学院计算机网络信息中心、安徽省大数据中心、中国电信股份有限公司研究院、奇安信科技集团股份有限公司、中国科学院声学研究所 主要撰稿人 （排名不分先后） 韩淑君、穆琙博、张寒月、柴瑶琳、毕立波、王紫程、高娴、武帅、张士聪、顾晨辉、程鸿柳、初宇飞、李泉、肖红梅、王黎、宋刚、何峻、蔡旭晖、张玮、谭立状、刘国正、陈炬、田昊、尤佳莉、刘玉、董琴、王钦雅、臧云峰、谷峰、闫钢、付鸿雁、李俊、申罕骥、吴海博、刘扬、王巍、李华楠、李鑫、王茜、赵福辰 前言 近年来，随着云计算、高性能计算、人工智能等新型信息技术快速发展，传统产业与新型技术加速融合，“计算”+“网络”的融合型基础设施已经成为智能社会不可或缺的关键组成部分。 算网基础设施是推动国家数字化转型的重要力量。2022年，国家“东数西算”工程八大枢纽节点陆续进入建设实施阶段，提高了产业界对算网基础设施的关注。当前，算网基础设施成为信息通信产业发展的新锚点。 为规范算网基础设施建设和发展，本白皮书从算网基础设施的概念内涵、参考架构、关键技术、应用场景等层次逐一展开分析，提炼产业发展现状，归纳产业生态结构，最后给出发展算网基础设施的挑战与建议。 当然，白皮书仍然存在诸多不足，恳请各界批评指正。 目录 一、算网基础设施概述1 （一）定义与内涵1 （二）主要特征2 （三）顶层设计与政策布局4 二、算网基础设施体系架构6 （一）参考架构6 （二）关键技术体系11 （三）发展路径14 三、算网基础设施产业生态发展17 （一）产业生态参与方17 （二）典型应用场景17 四、挑战和建议22 （一）挑战22 （二）建议23 图目录 图1算网融合基础设施架构图1 图2算网基础设施建设地方政策6 图3算网基础设施关键技术体系12 图4算网基础设施发展路径15 一、算网基础设施概述 （一）定义与内涵 算网基础设施以云计算数据中心、智能计算中心、高性能计算园区等算力设施为支点，依托5G、物联网、工业互联网、卫星互联网等网络设施，融合人工智能、大数据、零信任等新技术，实现海量数据的安全流通、处理及存储，支撑政府、教育、医疗、交通及垂直行业新场景新应用，助力数字经济升级转型，是一种超融合的信息基础设施的典型实现。 来源：中国信息通信研究院 图1算网融合基础设施架构图 算网基础设施包含了计算基础设施、网络基础设施、安全基础设施、数据基础设施以及融合基础设施。其中，计算基础设施、网络基础设施以及安全基础设施是基础底座，数据基础设施和融合基础设施则是赋能智能场景和行业应用的能力引擎。 （二）主要特征 面向“大连接、高算力、强安全”的数字发展需求，算网基础设施继承了新型信息基础设施基础性、通用性、公共性的特征，同时赋能智慧制造、智慧金融、智慧交通等智能化应用场景新的服务模式，助力各行各业数字化升级。 算网基础设施具有以下四个典型特征： 融合 算网基础设施将计算、网络、数据等多种资源要素进行融合，包括硬件融合、网络融合、计算融合、应用数据融合。 硬件融合：网络传输数据时，利用网卡、交换机、路由器等网络传输设备实现数据处理和简单的切片计算，有效减少数据往返时延。以智能物流为例，物流公司实时采集监控货物的位置和状态、车辆的位置和状况，为了实现实时的监控和预警服务，可以使用硬件融合技术，如将网络交换机和路由器上集成DPU，可以实现数据处理和传输的并行，减少传输和处理时间。 网络融合：以光纤网络为基石，IP网络为底座，结合5G行业网络、卫星传送技术、云网络及网络切片等网络技术能力，构建融合统一的网络能力开放体系，为行业用户提供敏捷弹性的端到端的按需网络服务。计算融合：结合高性能计算、云计算、边缘计算及端计算等多种计 算范式，并通过对物理设备的差异性及异构性的抽象与屏蔽，为垂直行业用户提供统一的算力资源获取方式，实现以服务为中心的计算业务托管和计算结果交付的新算力供给模式。 应用数据融合：将多种数据资源整合起来，提供更多元化和高质量的数据资源，通过数据源融合、数据处理融合、数据服务融合及数据安全融合，实现数据资源的共享、优化和增值，提高数据的利用价值和效率，推动智慧金融、智慧交通、智慧医疗等行业数字化转型。 协同 算网基础设施需要实现计算、通信及应用多个层面的协同。在计算层面基于分布式计算、微服务、无服务器计算等新兴计算模式提供高可靠、高可用且易用的计算平台，使能云边端算力协同应用的开发、运营及维护，助力分布式计算应用生态的发展。在网络层面基于统一的网络能力开放体系，开放多种标准化的网络服务API，帮助应用开发方构建ICT融合业务应用。在计算与网络协同方面，则通过算力网络、IPv6+等新一代网络协议提供计算业务与网络业务的协同优化和统一供给。 算网协同代表着传统集中算力资源进一步下沉到分布式的边缘计算场景中，是一种面向泛在算力需求场景的算力服务解决方案。在算网协同体系下，网络不再是一种单纯的云计算联接服务，而是等同于一种算力资源服务。 智能 算网基础设施通过融合协同的控制及管理平面，实现对计算及网络要素的统一监控及调度管理，也为智能分析和智能决策提供了基础。通过引入大数据、人工智能、机器学习等技术，对算网各项配置参数及资源调度进行深度优化决策，可以进一步提高算网基础设施的业务性能及运行效率，提供高效、稳定、安全和绿色节能的算网服务，高效、稳定和安全，为行业数字化转型和智能化发展提供有力支撑。 算网基础设施建设是我国智能社会发展的重要方向，小到生活中的每一次人脸识别、视频播放，大到引力波发现、天气预测、高端制造、金融发展等，算网基础设施在国家治理、社会民生、传统产业升级改造、国内国际市场拓展等更多领域发挥重要力量。 安全 随着新兴应用的不断诞生，传统的安全技术已经不足以支撑新兴技术的安全威胁，算网基础设施结合零信任安全技术、区块链溯源特性、以及安全即服务等新型的安全技术，实现对环境、应用以及基础网络数据的安全保障，构建新型算网基础设施安全架构，打造算网基础设施一体化安全服务体系。 数据安全：采用以隐私计算为代表的安全技术，从底层硬件、基础层、算法应用层部署，在保证原始数据安全和隐私性的同时，完成对数据的计算和分析任务。 应用安全：算网应用安全采用以区块链为代表的安全技术，有效提高系统整体的安全防护能力，实现算力交易数据的安全和可信管理，保证算力交易数据管理和流通的安全性和可信性。 网络安全：网络设施安全采用以零信任为代表的安全技术，打破了网络位置和信任间的默认关系，构建身份与访问管理系统，隔离算网融合各安全段，提供网络节点隐身保护，能够最大限度保证资源被可信访问，提升系统的整体安全性。 （三）顶层设计与政策布局 数字经济明确“算网融合”发展新目标。2022年1月，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》的通知，通知中明确提出“推 进云网协同和算网融合发展、有序推进基础设施智能升级”。2022年6月，国务院《关于加强数字政府建设的指导意见》中指出，整合构建结构合理、智能集约的平台支撑体系，适度超前布局相关新型基础设施，全面夯实数字政府建设根基。2022年12月，国家发展改革委发布《“十四五”扩大内需战略实施方案》，明确指出加快构建全国一体化大数据中心体系，布局建设国家枢纽节点和数据中心集群，加快实施“东数西算”重大工程。 算网基础设施成为城乡及社区智能化发展新抓手。2022年1月，国务院办公厅关于印发《“十四五”城乡社区服务体系建设规划的通知》指出，深入组织开展智慧社区、现代社区服务体系试点建设，鼓励社会资本投资建设智慧社区，运用第五代移动通信(5G)、物联网等现代信息技术推进智慧社区信息基础设施建设。2022年2月，国务院办公厅转发国家发展改革委等部门《关于加快推进城镇环境基础设施建设指导意见》的通知，指出推进数字化融合，充分运用大数据、物联网、云计算等技术，推动城镇环境基础设施智能升级。 自顶向下，各级政府纷纷中长期规划建设。2022年4月，河北省人民政府办公厅转发省发展改革委等部门《关于加快推进城镇环境基础设施建设实施方案的通知》指出，推进数字化融合，充分运用大数据、物联网、云计算等技术，推动城镇环境基础设施智能升级，提升基础设施现代化水平。2022年6月，山东省人民政府《关于印发基础设施“七网”建设行动计划的通知》指出，依托数字孪生、建筑信息模型（BIM）、智能建造等技术，推动智慧公路、智慧港航、智慧铁路、智慧机场、智慧城市轨道交通建设，促进综合交通基础设施全要素、全周期数字化和网联化。 来源：中国信息通信研究院 图2算网基础设施建设地方政策 二、算网基础设施体系架构 （一）参考架构 算网基础设施为算网融合提供计算、网络、存储等资源的物理承载，实现网络、计算以及数据资源的池化，一体化管理调度资源池，提供网络传输能力、异构计算能力以及数据分析能力，赋能智能场景，加速千行百业数字化升级。 1计算基础设施 计算基础设施是应对当前数据时代下，算力需求持续增长、算力供需不平衡、全局利益效率低的重要手段。5G、工业互联网、物联网、大数据、人工智能等新型技术正在进一步与新型基础设施融合部署，算力需求的持续增长，使得对数据中心的需求不断加强。2022年，我国统筹 布局计算基础设施，推进一体化大数据中心体系建设，推动算力产业向高效、绿色方向发展，持续为数字经济赋能。工信部数据显示，截至2022年底，三家基础电信企业为公众提供服务的互联网数据中心机架数量达81.8万个，全年净增8.4万个，自用数据中心机架数比2021年末净增16万个，对外提供的公共基础算力规模超18EFLOPS1。 计算基础设施通过构建异构算力资源池，实现算力资源的统一管控。“异构”体现在多个层面，在应用部署层面，算力资源池的部署方式包括云计算数据中心、边缘计算数据中心、人工智能数据中心、高性能计算数据中心等，这些部署场景下的算力资源管控方式各不相同，调度模式多种多样，因此将这些分散异构的算力资源统一纳管、统一调度是构建算网基础设施的前提条件。在算力芯片层面，随着国产化架构的CPU、GPU、NPU、MLU等芯片的推广部署，算网基础设施还需要为这些异构算力芯片提供良好的支持。通过算力原生等新兴技术为上层业务提供统一的运行环境，丰富国产化芯片架构的软件生态，使能业务的灵活部署和迁移。 计算基础设施总算力约90%来自于各类数据中心设施提供的算力，包括人工智能算力、超算算力以及基础算力三种类型。人工智能算力方面，随着AI算力需求的增加和新基建政策的推动，AI算力进入需求加速期，而传统算力受效率、功耗和成本的限制提升缓慢，且用于AI专属计算性价比较低。按照AI基础架构规模增速来看，未来AI算力增速将达到60%以上。超算算力方面，随着产业升级和企业数字化转型加快，高性能算力需求不断旺盛，超算中心也将在“十四五”期间迎来新发展阶段。基 1工业和信息化部2022年通信业统计公报 础算力方面，未来随着5G、工业互联网建设推进，边缘算力需求将日益迫切，数据中心建设部署将进一步向边缘下沉。 2网络基础设施 网络基础设施是算网基础设施的传输底座，包含5G移动通信网络、PON全光网络、确定性承载网络，并引入以算力网络、SD-WAN、SRv6、IPv6+等为代表的网络计算化技术为行业用户提供统一的按