邊緣計(jì)算中的算網(wǎng)融合趨勢(shì)及研究進(jìn)展

1引言

隨著新一代信息通信基礎(chǔ)設(shè)施不斷建設(shè)與演進(jìn)，邊緣計(jì)算占比日益增加，統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，至2025年，在邊緣側(cè)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)量能夠達(dá)到50%~75%。但筆者在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)業(yè)界并沒有給邊緣計(jì)算進(jìn)行一個(gè)明確的定義，究竟什么才是邊緣，各方理解并不一致，因此又有了現(xiàn)場(chǎng)邊緣、園區(qū)邊緣等多種叫法，但尚無明確的可度量的標(biāo)準(zhǔn)。因此在很多時(shí)候，用戶的選擇處于模糊狀態(tài)，不能確定哪種資源組合是最優(yōu)方案。比如在存在多個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，或者是邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與中心云計(jì)算節(jié)點(diǎn)都可選的情況下，用戶更希望能夠得到明確的指標(biāo)，以便根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)，去選擇最佳的計(jì)算節(jié)點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接方式。因此業(yè)界提出算網(wǎng)融合的理念，將網(wǎng)絡(luò)資源、算力資源、存儲(chǔ)資源等多維度的資源整合起來提供一體化的服務(wù)，讓資源供給實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)。為了實(shí)現(xiàn)一體化的算網(wǎng)融合服務(wù)，從技術(shù)角度、商業(yè)角度來看有多種實(shí)現(xiàn)路徑，比如以云為基礎(chǔ)的泛在計(jì)算體系，以及以網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)的算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其中，算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)⒍嗉?jí)算力資源與網(wǎng)絡(luò)信息相結(jié)合，形成以用戶為中心的資源布局視圖，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與資源的最佳匹配，以提升整體的資源利用效率和服務(wù)質(zhì)量。本文首先介紹了邊緣計(jì)算所面臨的算網(wǎng)融合趨勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，以及由此驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，之后闡述了算力網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)以及當(dāng)前業(yè)界進(jìn)展情況。2邊緣計(jì)算中算網(wǎng)融合需求邊緣計(jì)算作為一種靠近用戶的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，既能像云計(jì)算那樣共享計(jì)算、存儲(chǔ)等資源，又具有低時(shí)延、數(shù)據(jù)本地化與高安全性等特性，尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景中能夠有效降低數(shù)據(jù)傳送時(shí)延，滿足高性能業(yè)務(wù)的各類要求。但對(duì)于用邊緣計(jì)算和云計(jì)算的時(shí)間和情況，并沒有一個(gè)嚴(yán)格的界定。比如采用一條低時(shí)延專線與部署在城域網(wǎng)范圍內(nèi)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)結(jié)合，也能提供低的時(shí)延指標(biāo)，這種情況是否也算邊緣計(jì)算。相反，如果邊緣計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)部署不匹配，即使物理位置接近，也會(huì)因?yàn)槁酚捎鼗?，?dǎo)致時(shí)延增加。一個(gè)典型的例子如圖1所示。圖1此問題可以從供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)兩個(gè)方面來分析。從供給側(cè)來看，邊緣計(jì)算的建設(shè)成本和維護(hù)成本都是高于集中式的云計(jì)算節(jié)點(diǎn)，必須保證邊緣計(jì)算在所覆蓋的區(qū)域能提供更好的端到端服務(wù)，需要以邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)為中心來梳理網(wǎng)絡(luò)布局，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求的多樣性，提供多種接入方式，比如極致性能、高性價(jià)比等不同類型網(wǎng)絡(luò)連接，從而保證端到端的最優(yōu)配置。從消費(fèi)側(cè)來看，用戶面對(duì)多方提供的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在選擇合適的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要以自己為中心，了解到各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)情況，再結(jié)合計(jì)算性能、價(jià)格因素來綜合選擇算力資源與網(wǎng)絡(luò)資源。綜上所述，算網(wǎng)融合下的一體化服務(wù)成為邊緣計(jì)算發(fā)展過程中的必然趨勢(shì)，需要結(jié)合各類資源的特點(diǎn)來提供綜合資源供給。3算網(wǎng)融合面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)為了實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)資源的融合供給，需要逐步解決度量、感知、路由、交易、編排等多方面的技術(shù)難題。值得指出一點(diǎn)，并不是這些難題都解決后才能提供算網(wǎng)融合服務(wù)，而是逐步演進(jìn)提升。

（1）算力度量問題算力資源并不像電力那樣，能夠用“度/千瓦時(shí)”這樣的單位簡(jiǎn)單地進(jìn)行量化，尤其考慮到CPU、GPU、FPGA、ASIC等不同芯片的類型，更是難以進(jìn)行統(tǒng)一的衡量。因此需要一種共識(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，量化異構(gòu)算力資源以及多樣化業(yè)務(wù)需求，建立統(tǒng)一的描述語言，給算力資源賦予可度量、可計(jì)費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)單位。目前業(yè)界研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、標(biāo)準(zhǔn)組織等已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題，紛紛從不同角度展開了研究工作，但尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論。在現(xiàn)有應(yīng)用案例中，還是以虛機(jī)、容器之類的粗粒度單元衡量方式為主。

（2）算力感知問題算力感知，也可以認(rèn)為是對(duì)所有類型的資源信息的感知，甚至包括對(duì)用戶需求的感知。有兩種技術(shù)路線，一種是由資源所有方主動(dòng)提供資源信息，并通過網(wǎng)絡(luò)或者云管、資源管理等集中系統(tǒng)告知用戶，另外一種則是由網(wǎng)絡(luò)或者集中系統(tǒng)主動(dòng)去探知資源信息。目前兩種技術(shù)路線都處在不斷發(fā)展的過程中。針對(duì)用戶需求的感知，初期可以采用用戶意圖驅(qū)動(dòng)的方式主動(dòng)提供資源需求信息，后期隨著人工智能算法的成熟，可以使用流量預(yù)測(cè)模型結(jié)合AI深度神經(jīng)算法，從資源需求、資源消耗等方面進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)資源預(yù)配，加快資源部署速度，提升資源整體利用率。

（3）算力路由問題算力路由將網(wǎng)絡(luò)資源信息與算力資源信息有機(jī)地整合，以用戶為中心來提供算力資源視圖，讓用戶能夠清楚地了解各類算力資源的分布情況與報(bào)價(jià)情況，從而確定最優(yōu)的資源組合，成為算網(wǎng)融合服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由方式一致，算力路由也可采用分布式、集中式以及混合式方案。分布式方案通過擴(kuò)展IP協(xié)議，在協(xié)議中增加資源信息和業(yè)務(wù)需求信息來實(shí)現(xiàn)信息泛洪與資源路由；集中式方案利用SDN控制器等集中管控單元來收集網(wǎng)絡(luò)信息與算力信息，再統(tǒng)一呈現(xiàn)給用戶；混合式方案結(jié)合上兩種方式的特點(diǎn)，利用分布式協(xié)議來分發(fā)資源信息，再通過集中管控單元來進(jìn)行統(tǒng)一處理。

（4）算力交易問題隨著智能業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)算力資源的使用出現(xiàn)了高頻、短時(shí)的新特點(diǎn)，比如人工智能算法中訓(xùn)練部分，需要在短時(shí)間內(nèi)完成大數(shù)據(jù)樣本下的模型訓(xùn)練，但在訓(xùn)練完成后，推理部分只需用相對(duì)少量的算力資源即可。因此傳統(tǒng)的按月、按天租賃資源的方式已經(jīng)不能滿足要求，需要結(jié)合高頻、短時(shí)的特點(diǎn)，來設(shè)計(jì)新的資源交易體系，將交易周期壓縮到小時(shí)，甚至分鐘級(jí)別。此外，受限于邊緣計(jì)算的建設(shè)特點(diǎn)，邊緣計(jì)算市場(chǎng)會(huì)存在很多的供給方，如何在多方參與下，實(shí)現(xiàn)高頻交易，成為一個(gè)新的研究點(diǎn)。從目前研究來看，采用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式賬本體系能夠滿足此類要求，但具體實(shí)現(xiàn)還有待進(jìn)一步研究與論證。

（5）算力編排問題在支持高頻、多方、異構(gòu)的資源交易下，需要根據(jù)交易內(nèi)容，快速提供資源，如快速分配算力資源、建立網(wǎng)絡(luò)連接，又能在使用完成后快速釋放資源，并更新資源信息。4邊緣計(jì)算原生的算網(wǎng)融合方案：算力網(wǎng)絡(luò)基于算網(wǎng)融合服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界提出了算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案。算力網(wǎng)絡(luò)作為一種邊緣原生的新興技術(shù)方案，其以網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，連接多維資源，從而為用戶提供最優(yōu)的資源供給，得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。算力網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵在于將算力資源的地址屬性轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延屬性，讓使用者從模糊的、大概的距離判斷，轉(zhuǎn)化成為精準(zhǔn)的時(shí)延指標(biāo)，以供各類智能業(yè)務(wù)按需調(diào)用資源，如圖2所示。圖2算力網(wǎng)絡(luò)視圖為了實(shí)現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)方案，ITU-TY.2501標(biāo)準(zhǔn)中提供了一種典型的系統(tǒng)框架來實(shí)現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此功能架構(gòu)從算力網(wǎng)絡(luò)需求出發(fā)，在編排管理層的協(xié)作下，通過算力網(wǎng)絡(luò)控制層收集資源層資源信息，提供給服務(wù)層進(jìn)行可編程處理，并根據(jù)返回結(jié)果實(shí)現(xiàn)資源占用，建立網(wǎng)絡(luò)連接。各層相互協(xié)作，為用戶提供多樣化的服務(wù)模式，保證資源的最優(yōu)化配置。如圖3所示。圖3系統(tǒng)架構(gòu)算力網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層以算網(wǎng)融合服務(wù)為主，實(shí)現(xiàn)如對(duì)用戶資源需求的處理、平臺(tái)與資源節(jié)點(diǎn)的交易等功能。算力網(wǎng)絡(luò)控制層從資源層收集信息，并將其發(fā)送到服務(wù)層進(jìn)一步處理。從服務(wù)層收到處理結(jié)果后，控制層將占用資源并建立網(wǎng)絡(luò)連接。算力網(wǎng)絡(luò)資源層包括算力網(wǎng)絡(luò)中的多種資源。通常為在資源節(jié)點(diǎn)（云計(jì)算節(jié)點(diǎn)、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)等）中使用的資源，如服務(wù)器、交換機(jī)、路由器、磁盤陣列、安全產(chǎn)品等。算力網(wǎng)絡(luò)編排和管理層包括算力網(wǎng)絡(luò)的編排、安全、建模、操作維護(hù)管理（OperationAdministrationandMaintenance，OAM）模塊。算力網(wǎng)絡(luò)編排模塊負(fù)責(zé)算力網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)的編排和管理。算力網(wǎng)絡(luò)安全模塊負(fù)責(zé)應(yīng)用與安全相關(guān)管理，以減輕算力網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的安全威脅。算力建模模塊可以根據(jù)服務(wù)類型進(jìn)行算力建模。算力OAM模塊實(shí)現(xiàn)了算力網(wǎng)絡(luò)的操作，管理和維護(hù)。5算力網(wǎng)絡(luò)相關(guān)產(chǎn)業(yè)組織與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展2019年，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商、華為等根據(jù)邊緣計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)，紛紛提出了各自的觀點(diǎn)，在互相碰撞中逐漸形成了算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本概念。2019年9月，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）與網(wǎng)絡(luò)5.0產(chǎn)業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟聯(lián)合成立邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施工作組（ECNI），同年年底發(fā)布《運(yùn)營(yíng)商邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)白皮書》，提出了以邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)為中心的ECA（邊緣接入網(wǎng)絡(luò)）、ECN（邊緣計(jì)算內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)）、ECI（邊緣計(jì)算互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）的理念。2020年6月，網(wǎng)絡(luò)5.0技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)CCSATC614成立了算力網(wǎng)絡(luò)特別工作組，匯集多方力量集中探討算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案與應(yīng)用場(chǎng)景。2020年11月，業(yè)界出版了第一本關(guān)于算力網(wǎng)絡(luò)專著《邊緣計(jì)算與算力網(wǎng)絡(luò)》，系統(tǒng)性闡述算力網(wǎng)絡(luò)的思路、技術(shù)以及對(duì)未來商業(yè)模式的探討。2020年11月，中國(guó)聯(lián)通成立了中國(guó)聯(lián)通算力網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，在“聯(lián)接+計(jì)算”領(lǐng)域和全產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴攜手并進(jìn)，希望共建算力網(wǎng)絡(luò)生態(tài)，推動(dòng)商業(yè)落地，共享轉(zhuǎn)型成果。2021年4月，CCSATC3統(tǒng)一以“算力網(wǎng)絡(luò)”為名開展了9項(xiàng)系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、2項(xiàng)研究報(bào)告的編制工作，涉及算力網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求、控制器、交易平臺(tái)、標(biāo)識(shí)解析、編排管理、度量與建模等多方面。2021年6月，在“第五屆未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展大會(huì)”的未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與變革論壇上，中國(guó)移動(dòng)正式發(fā)布了算力網(wǎng)絡(luò)合作伙伴計(jì)劃。2021年6月，IMT-2030（6G）推進(jìn)組發(fā)布《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)》白皮書中，將算力網(wǎng)絡(luò)被列為6G十大潛在關(guān)鍵技術(shù)之一。2021年7月，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）通過由中國(guó)電信牽頭的算力網(wǎng)絡(luò)框架與架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)Y.2501，該標(biāo)準(zhǔn)是首項(xiàng)獲得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織通過的算力網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。2021年7月，寬帶網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)機(jī)構(gòu)BroadbandForum（BBF）發(fā)布SD-466，描述了城域算網(wǎng)的用例與需求，并同步啟動(dòng)了WT-492項(xiàng)目來細(xì)