算力網絡研究與探索

在國家數字經濟發展戰略與“十四五”發展規劃的推動下，加快信息網絡基礎的協同化、服務化、智能化進程，深化國家新型基礎設施建設（“新基建”），已成為中國進行大國博弈的重要基礎。在“新基建”中，5G、大數據中心以及人工智能等相關技術對新一代信息網絡提出了新的大算力、大模型處理等算力需求。這推動現有網絡從基本的信息數據通信向信息數據智能化處理轉變。2021 年5 月，國家發展和改革委員會、中央網信辦、工業和信息化部等四部委聯合印發了《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》[1]，強調要推動中國數據中心網絡算網一體化、智能化的發展。“東數西算”工程同樣強調構建以算力和網絡為核心的體系、優化全國算力整體布局的重要性[2]。在此背景下，算力網絡應運而生。算力網絡旨在通過泛在算力與網絡的融合，突破數據中心、超算中心、云計算、邊緣計算等“孤島”狀態下的計算能力限制，構建算網一體的新型智能、高效、按需的算力服務體系，滿足國家與行業急需，促進國家數字經濟的發展。

1 算力網絡的現狀與挑戰

算力網絡作為中國提出且主導的科研技術，已得到業界的廣泛認可。諸多產學研團隊包括中國科學院、北京交通大學、中國移動、中國聯通、中國電信等，已開展算力網絡的研究。各單位基于已有的設備、系統、平臺以及應用場景，經過長期的積累已取得諸多成果，例如《中國電信云網運營自智白皮書》《中國移動算力網絡白皮書》《中國聯通算力網絡白皮書》《中國通信學會算力網絡前言報告》的陸續發布[3-6]，算力感知網絡概念的提出等[7]。在國際上，互聯網研究工作組（IRTF）設立的在網計算研究組（COIN）致力于算網融合的新型傳輸架構的研究，互聯網工程任務組（IETF）提出分布式方案架構，國際電信聯盟（ITU）開展算力網絡架構和場景的研究。相較于中國算力網絡的蓬勃發展，國際上的研究進展相對緩慢。

目前，算力網絡的研究呈現百花齊放的繁榮景象，但相關架構、標準的設計依賴于傳統網絡技術，尚未形成統一的標準體系。目前，算力網絡的研究面臨著諸多新需求和新挑戰，例如：算力如何一體化？算網如何融合？數據與算力如何滿足應用服務需求等。因此，算力網絡研究需要明確新需求與新挑戰所帶來的問題，例如：算力網絡中算力主要服務哪些主體？算力如何實現計算？算力依托哪些實體進行計算等。此外，算力網絡作為一種新的網絡架構，更需要從根本上明確算力網絡研究與建設過程中基礎理論體系、架構設計、關鍵核心技術等方面的問題與挑戰。

2 算力網絡的建設與建議

從算力網絡的建設目標與技術發展理念來看，算力網絡是通信、計算、存儲以及智能化調度的高度融合。算力網絡以泛在算力資源為基礎，網絡通信為紐帶，智能化調度為核心，實現網、云、邊、端、業務的高效協同與適配，滿足行業高差異化算力服務需求。算力網絡在實際建設中通常存在兩種方向：“網中有算”和“算中有網”。“網中有算”是指以網絡為中心，算為網用，算力作為基礎資源嵌入網中，網絡利用算力來提升網絡感知、資源調度以及服務功能的編排能力，實現智能高效的網絡算力服務。“算中有網”是指以云為中心，網為算用，網絡作為連接紐帶將離散的數據中心、超算中心等泛在算力進行融合，實現以云為中心的算力資源運營。基于以上分析，面對算力網絡的建設需求與挑戰，我們從總體建設目標、理論體系架構、關鍵核心技術3個方面提出研究建議。

2.1 總體建設目標

算力網絡作為中國率先提出的新型網絡架構，相關研究應以技術自主可控、功能性能國際領先為目標，實現智能、高效、靈活的算力資源融合調度，滿足行業的差異化算力服務需求，為國家算力網絡發展與實施提供支撐。具體來講，在“算中有網”和“網中有算”兩個主要研究方向中，網絡是不可或缺的一部分，是算力網絡的重要基礎支撐與紐帶。算力作為一種高效的計算資源，可以提高網絡的資源管理、傳輸調度、路由規劃等性能。網絡可以連接、協同更多算力資源，提升算力的大數據、大模型處理效率。“網算”與“算網”相輔相成。因此，算力網絡的建設應統一融合算力與網絡，同時突破算力與傳統網絡的技術限制，構建“統一調度、彈性適配”的算力網絡平臺（如圖1 所示），實現全國范圍內算力的高效協同調度與應用，為中國數字經濟打下算力基礎。

▲圖1 算力網絡平臺設計與技術標準體系

算力網絡平臺可分為應用層面、適配層面和網絡層面。應用層面利用算力來提升服務質量，通過建立應用層面的融合資源池，將超算中心、數據中心等云平臺算力進行融合。應用層面的算力服務單元依據資源池進行劃分，并實現了統一的調度和彈性分配，滿足超算任務、人工智能（AI）任務等分布式與大模型的算力需求。網絡層面利用算力來支撐整個網絡的融合，強化節點的計算能力以及節點間的主動智能融合與協同能力。適配層面利用算力強化調度方法，實現應用層服務與網絡層資源的動態適配調度。此外，算力網絡建設需要建立完善的技術標準體系，包括算力建設標準、節點互聯標準、數據共享標準、應用結構標準等，為算力網絡平臺建設與應用提供支撐。

2.2 理論體系與架構

“算中有網”與“網中有算”都表明網絡是泛在算力的紐帶，是算力網絡不可或缺的一部分。然而，當前網絡面臨架構靜態僵化、異構并存、智能受限的狀況，行業“高移動、高可靠、高安全、確定性”等差異化服務，成為算力網絡建設的新需求與新挑戰。此外，新型網絡建設正處于謀求網絡深度融合、提升網絡智慧的新發展趨勢中。此趨勢與算力網絡研究與建設方向不謀而合。因此，算力網絡研究不僅要考慮算力，更要關注新型網絡，算力與網絡不能只是“算中有網”或“網中有算”的分離式協同，而是要實現“算力+網絡”的融合突破。目前來看，算力網絡研究剛好與新型網絡建設相呼應：一方面網絡融合可以更好地實現異質異構、分布不均的泛在算力資源的互聯；另一方面，算力可以滿足大數據、大模型、AI 任務等高性能計算需求，實現應用服務、網絡以及基礎算力之間更高效、更智能的適配調度。算力網絡與新型網絡研究相輔相成。針對以上需求與挑戰，我們提出“三層三域”算力網絡架構（如圖2所示）。

▲圖2 “三層三域”算力網絡架構

在“三層三域”算力網絡架構中，“三層”包括廣義服務層、映射適配層、融合網絡層。廣義服務層主要負責服務與功能的標識和描述，具體服務包括：虛擬計算平臺、虛擬存儲平臺、計算容器等虛擬服務以及傳輸服務功能單元、安全防護服務功能單元等功能服務；映射適配層主要負責服務需求與網絡資源的動態適配，通過感知網絡狀態與服務需求實現服務與算力資源的動態適配；融合網絡層主要負責網絡與算力資源的協同自組管理，主要包括衛星網絡、數據中心網絡、超算中心以及泛在算力單元（計算、存儲）、通信設備等。此外，架構在“三層”之間還設計了層間解析映射，以強化層間交互性。廣義服務層與映射適配層的解析映射，是將用戶的服務需求映射轉化為對算力資源的需求。映射適配層與融合網絡層的解析映射，是將用戶對網絡的資源需求映射轉化為對實體算力資源的調度，指導算力資源的協同與運行過程。“三層”與層間解析映射的設計既實現了用戶與網絡的解耦，服務與資源的解耦，又為算力服務與資源的高效適配奠定了基礎。

“三域”包括實體域、感控域、知識域。實體域用于格式化描述網絡實體組件以及服務功能虛擬實體，實現資源與虛擬服務功能的統一命名；知識域用于服務、策略、網絡對象三者的映射經驗信息收集與量化，生成拓撲知識庫、狀態知識庫、功能知識庫等；感控域對服務功能、執行策略以及網絡對象進行數字抽象，以知識域的經驗知識為基礎，利用算力對服務、執行策略以及網絡對象的適配進行動態模擬，生成最優適配策略并指導實體域完成服務。此外，架構在“三域”之間設計域間解析映射，強化各域之間的交互性：知識域與感控域的解析映射是為了將知識域中各類知識庫與感控域中的各類策略進行映射連接，便于在感控域策略生成過程中對知識域中的知識進行提取與借鑒，提高感控域策略的準確性；感控域與實體域的解析映射是為了使感控域高效感知實體域資源狀態以及屬性變化，便于策略調整以及策略下發，實現對實體域資源的精確調度；知識域與實體域的解析映射是為了將知識域中的各類知識庫與實體域資源進行對應，根據實體域中資源的屬性變化來調整、更新對應知識庫。“三域”與域間解析映射的設計既實現了知識、策略、資源的動態解耦，又為用戶服務、網絡以及泛在算力資源的智能高效處理提供邏輯支撐。

2.3 關鍵核心技術

算力網絡研究與建設要實現“算力+網絡”的深入融合目標，建立智能、高效、按需的算力服務平臺，從而滿足用戶高差異化算力服務需求。針對當前網絡與泛在算力資源異質異構、分布不均、資源跨網調度困難、智能化程度不足等問題，算力網絡研究與建設應從多維標識、智能映射、按需組網、協同傳輸、智能計算、系統安全6個方面進行關鍵核心技術突破。

1）多維標識關鍵技術。算力網絡建設集計算、存儲、傳輸資源為一體，關聯衛星網絡、數據中心、超算中心、云平臺等多種網絡資源及平臺。網絡與設備的異質異構，導致算力網絡資源調度困難，融合受限。因此，研究需要突破多維標識關鍵技術，建立算力網絡一體化標識體系，實現對泛在算力資源的計算、存儲、傳輸能力以及其他功能屬性的統一命名。

2）智能映射關鍵技術。算力網絡是多種平臺、網絡以及泛在算力資源的深度融合，但融合后的網絡資源數量繁多、服務能力差異大，在進行統一的多維標識后需要實現用戶服務需求與網絡資源的高效動態適配。因此，研究需要突破智能映射關鍵技術，設計建立完備的解析映射體系，實現用戶與網絡、服務與資源的智能、高效映射。

3）按需組網關鍵技術。算力網絡建設是為了滿足國家與社會產業的發展需求。高鐵、工業互聯網以及智能制造等行業的發展對網絡提出“高移動、高可靠、高安全、確定性”的差異化算力需求。因此，算力網絡需要突破按需組網關鍵技術，根據差異化需求進行網絡資源的智能高效編排，將融合后的網絡資源進行動態組網調度與管理，滿足用戶服務需求。

4）協同傳輸關鍵技術。算力網絡是多種平臺、網絡以及泛在算力資源的融合，各平臺、網絡以及設備存在配置差異大、分布不均衡等問題，面對大規模、大模型的計算需求，算力資源需要進行分布式跨平臺協作。因此，研究需要突破協同傳輸關鍵技術，根據計算服務需求對算力資源的數量、類型、位置以及互聯傳輸設備進行協同傳輸管理，保障數據在各算力平臺、網絡以及資源間的高效交互，為算力服務的計算執行提供高效的傳輸通信支撐。

5）智能計算關鍵技術。算力網絡面對高差異化計算服務需求，不僅需要考慮計算、存儲、傳輸資源的選取問題，還要考慮資源費用、節能等問題。因此，研究需要突破智能計算關鍵技術，根據服務需求、資源配置、資源費用、節能等進行資源選取、任務分配、路由規劃的綜合考慮，提升算力網絡計算、存儲以及傳輸的智能性，減少服務資源消耗并保障算力服務的高效性。

6）系統安全關鍵技術。算力網絡作為多種平臺、網絡以及泛在算力資源的融合，多種異質異構網絡、資源、平臺的互聯，使得整體算力網絡的安全風險呈指數級增長。因此，研究需要突破系統安全關鍵技術，在滿足算力網絡大范圍、跨平臺、分布式協同計算需求的同時，解決算力網絡系統安全防護問題，實現服務與安全的雙重保障。

3 結束語

算力網絡作為中國率先提出的新型網絡架構，是推動信息產業發展、支撐 “十四五”發展規劃中“網絡強國、數字中國”發展戰略的重要基礎。當前算力網絡領域的研究呈現出繁榮的景象，但在架構、標準設計等方面尚未達成共識。未來算力網絡的研究與建設要立足中國算力基礎設施現狀，著眼于算力與網絡的融合發展趨勢，研究探索算力網絡基礎理論體系，突破關鍵核心技術，建立算力網絡服務平臺，滿足國家與行業急需，促進國家數字經濟的發展。