基于空天地一體化的海洋算力網(wǎng)絡研究與實踐

翟 銳 李壯志 王建偉 潘 峰

中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司山東省分公司 濟南 250002

引言

數(shù)字經(jīng)濟是把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新機遇的戰(zhàn)略選擇，在數(shù)字經(jīng)濟背景下，算力成為全新生產(chǎn)力，以通信網(wǎng)絡設施與異構計算設施融合發(fā)展為基石，將計算、傳輸和存儲等多種資源進行統(tǒng)一編排管控，實現(xiàn)網(wǎng)絡、算力、數(shù)據(jù)、服務多維融合的算網(wǎng)融合新生態(tài)也隨之應運而生[1]。大聯(lián)接、高算力、強安全是當前數(shù)字經(jīng)濟條件下服務升級和應用創(chuàng)新點主要要求，數(shù)字化社會亟需打造“聯(lián)接+感知+計算+智能”的深度融合的智能算網(wǎng)提供服務支撐。

長期以來推動信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的摩爾定律遇到瓶頸，網(wǎng)絡架構創(chuàng)新成為未來6G時代發(fā)展的關鍵，面向6G時代社會全域泛在連接和智能普惠的終極愿景，基于空基、天基、地基和海基融合感知、泛在互聯(lián)的通感算一體的算網(wǎng)融合發(fā)展成為工業(yè)界和學術界的共識[2]。

1 海洋算力網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀

算力網(wǎng)絡作為云網(wǎng)融合后的下一代運營服務模式，得到了國家戰(zhàn)略層面的大力支持并在數(shù)字化轉(zhuǎn)型時代取得了高速的發(fā)展[3]。2020年4月，國家發(fā)改委確定了大力發(fā)展新型基礎設施的國家戰(zhàn)略，將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、5G、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等一起納入了“新基建”范疇，與此同時中國通信標準化協(xié)會通過了算力網(wǎng)絡行業(yè)標準立項，初步建立了算力路由[4]、算力交易等行業(yè)標準體系。同年9月，國內(nèi)未來IP網(wǎng)絡研究組織網(wǎng)絡5.0產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立了算力網(wǎng)絡特設工作組，啟動算力網(wǎng)絡學習、場景和技術的研究工作。

2021年5月，國家發(fā)改委聯(lián)合多部門印發(fā)《全國一體化數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實施方案》，明確算力基礎設施持續(xù)優(yōu)化的總體布局戰(zhàn)略，推進建設全國一體化算力網(wǎng)絡國家樞紐節(jié)點、省內(nèi)數(shù)據(jù)中心和邊緣數(shù)據(jù)中心梯次算力網(wǎng)絡體系。2022年1月，國務院印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》通知，明確提出要大力推進云網(wǎng)協(xié)同和算網(wǎng)融合發(fā)展、有序推進數(shù)字基礎設施智能升級。

2022年4月，習近平總書記強調(diào)建設海洋強國是實現(xiàn)中華民族偉大復興的重大戰(zhàn)略任務。海洋強國戰(zhàn)略需要推動海洋科技實現(xiàn)高水平自立自強，加強原創(chuàng)性、引領性科技攻關。《山東省十四五海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》里指出要構建現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系、建設海洋科技創(chuàng)新高地、建設世界一流海洋港口、維護綠色可持續(xù)的海洋生態(tài)環(huán)境。山東省海洋功能區(qū)共劃分3個重點開發(fā)區(qū)域，重點開發(fā)區(qū)域功能定位是山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)建設的主戰(zhàn)場，“一帶一路”建設的重要節(jié)點，新亞歐大陸橋經(jīng)濟帶崛起的引航區(qū)，支撐我國海洋經(jīng)濟增長的重要增長極，促進區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的重要支撐點。

海洋算力網(wǎng)絡作為構建現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系的重要一環(huán)，推動海洋產(chǎn)業(yè)和數(shù)字經(jīng)濟融合發(fā)展。然而海洋網(wǎng)絡覆蓋基礎設施缺失，海洋算力匱乏，為了支撐數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展，實現(xiàn)全面泛在感知互聯(lián)，需要將衛(wèi)星網(wǎng)絡作為地面網(wǎng)絡的有效補充、延伸和拓展，打造天地一體化信息網(wǎng)絡和空天信息實時智能服務?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035遠景目標綱要》明確提出要建設“高速泛在、天地一體”的信息基礎設施，要求打造全球覆蓋、高效運行的通導遙空間基礎設施體系，在通信網(wǎng)絡和算力等技術的賦能下對差異化應用服務自適應匹配，實現(xiàn)信息通信基礎設施資源的高效利用。

2 海洋算力網(wǎng)絡關鍵技術研究

2.1 基于確定性時延的海洋運力網(wǎng)

海洋運力網(wǎng)作為新型數(shù)字信息基礎設施的底層架構，為算力資源的高效利用和算力服務按需提供進行支撐，是暢通數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展信息“大動脈”的關鍵技術?；贔5.5G的全光品質(zhì)運力網(wǎng)絡瞄準大帶寬、超低時延、超高可靠性構建確定性運力。圖1展示了山東聯(lián)通打造的海洋運力網(wǎng)架構圖，針對傳統(tǒng)承載網(wǎng)結構復雜、適應性差、智能化程度低等問題，打造從帶寬驅(qū)動的通道式網(wǎng)絡向體驗驅(qū)動、業(yè)務驅(qū)動的算力網(wǎng)絡。

圖1 智慧光立方海洋運力網(wǎng)架構圖

海洋運力網(wǎng)采用面向連接的全光網(wǎng)絡，基于分組增強型光傳送網(wǎng)(PeOTN)技術，支持多層間的層間適配和映射復用，實現(xiàn)對分組、OTN、SDH、波長等各類業(yè)務的統(tǒng)一靈活傳送功能。

海洋運力網(wǎng)包括全光錨點、全光終端、全光網(wǎng)關、全光調(diào)度、全光地圖等部分。通過海洋運力網(wǎng)將網(wǎng)絡從過去的“盡力而為”的不確定性發(fā)展轉(zhuǎn)而向確定性時延的算網(wǎng)深度融合方向演進[5]。

1)全光錨點：毫秒級入算，百米聯(lián)企，萬兆互聯(lián)。一方面，全光錨點通過OTN網(wǎng)絡向上聯(lián)接到算力節(jié)點，實現(xiàn)超低時延的毫秒級入算；另一方面，全光錨點向下增強覆蓋，將企業(yè)覆蓋范圍拉近到100米，并提供多業(yè)務綜合接入；再者，全光錨點以端到端的光業(yè)務單元(OSU)硬管道能力，帶寬從2M到100G無損可調(diào)，為海量用戶的入云入算提供支撐[6]。OSU技術定義靈活彈性新容器(OSUflex)，以2Mb/s為步長，擺脫ODU0的顆粒度限制，可以實現(xiàn)帶寬無損調(diào)整。同時OSU技術提供Nx2Mb/s靈活帶寬管道，單波100Gb/s可提供1 000條業(yè)務連接，單根光纖支持48萬個硬切片，可以實現(xiàn)泛在的10Gb/s萬兆互聯(lián)。

2)全光終端：讓算力觸手可及。面向大型企業(yè)、中小企業(yè)、小微企業(yè)和家庭用戶，通過OTN下沉到OLT站點，提供OTN點對點、OTN點對多點、FTTR等不同全光終端，實現(xiàn)獨享管道品質(zhì)體驗、業(yè)務快速開通天級TTM等網(wǎng)絡場景創(chuàng)新能力。

3)全光調(diào)度：“400G+OXC”超高速全光互聯(lián)，算力一跳直達。通過400G和Super C技術，打造了用戶到算力節(jié)點以及算力節(jié)點之間的超高速互聯(lián)。以OXC、OTN全光調(diào)度，實現(xiàn)用戶接入到城市算力中心的毫秒級連接，建設一張超大帶寬、四通八達的光互聯(lián)網(wǎng)絡。

4)全光網(wǎng)關：業(yè)務映射，靈活聯(lián)算。作為全光品質(zhì)運力網(wǎng)絡和算力之間的“關口”，全光網(wǎng)關關聯(lián)算力集群中的不同算力資源，配合全光錨點創(chuàng)建端到端的OSU管道，通過算網(wǎng)大腦，實現(xiàn)用戶到云、算力節(jié)點端到端的靈活聯(lián)接。

5)運力地圖：多因子選路，最優(yōu)解入算。如圖2所示，將帶寬、時延、可靠性、能耗、利用率等運力資源全面數(shù)字化，并通過多因子均衡算法，運力地圖一方面幫助運營商實現(xiàn)對網(wǎng)絡進行全面規(guī)劃、運維和管理，另一方面也將根據(jù)用戶配置偏好和業(yè)務SLA要求，比如最低時延、最大利用率、最高可靠性等，為用戶匹配最合適的算力節(jié)點，并在用戶和云、算力之間推薦最優(yōu)的運力路徑[6]。從而推動算力供需關系的平衡，實現(xiàn)算力的全局化最優(yōu)調(diào)度。

圖2 全光品質(zhì)運力地圖

2.2 基于“5G+北斗”的泛在接入算力網(wǎng)

海洋算力網(wǎng)絡在現(xiàn)有的網(wǎng)絡即服務的基礎上要升級打造算力即服務的統(tǒng)一化應用平臺，促進云邊端的泛在算力資源能夠以服務的形式被用戶隨時隨地地獲取和使用，而基于空天地一體化的泛在接入算力網(wǎng)是算力服務的抓手。圖3展示了泛在算力網(wǎng)絡的演進路徑：第一階段針對分散建設的多種自由云資源池，通過拉通多個資源池并進行跨域調(diào)度，支撐東數(shù)西算，拓展云邊協(xié)同新業(yè)務市場；第二階段通過對接或納管超算、智算、政府等第三方資源池，補齊差異化算力。第三階段充分吸納閑散邊緣算力和空天廣覆蓋算力，實現(xiàn)5G+北斗的泛在算力接入。

空天地一體化算力網(wǎng)融合了地面移動通信網(wǎng)絡、高軌的GEO和中低軌NGSO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡、高空浮空器和無人機空基網(wǎng)絡[7]，構成了高、中、低和地面網(wǎng)絡的分層網(wǎng)絡結構，如圖4所示。天基網(wǎng)絡基于北斗通信衛(wèi)星立體覆蓋能力，引入地面網(wǎng)絡的NFV/SDN技術、邊緣計算和云邊協(xié)同技術，搭建統(tǒng)一接口、自主路由、無縫組網(wǎng)的星云算力節(jié)點[8]。地面網(wǎng)絡負責大部分算力供給，具備高帶寬低延時和高可靠性等優(yōu)勢，能夠處理面向超大流量和海量數(shù)據(jù)的復雜計算。通過天基網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡的分布式協(xié)同可以實現(xiàn)將網(wǎng)絡服務和算力資源擴展到網(wǎng)絡邊緣，形成通感算一體化的天地協(xié)同的算力網(wǎng)絡體系。

圖4 空天地一體化算力網(wǎng)系統(tǒng)結構

基于“5G+北斗”融合的新型基礎設施建設，有助于實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡的全球覆蓋，幫助用戶隨時隨地訪問數(shù)據(jù)中心的澎湃算例，拓寬運營商服務和應用范圍，打造創(chuàng)新性場景應用。泛在接入算力網(wǎng)突出靈活、智能、高效、快速響應部署、高可靠的組網(wǎng)特性，側(cè)重關注全網(wǎng)的整合能力，加強企業(yè)局域網(wǎng)與各種云的跨域互通能力，提升溝通效率，激活“一核引領、三極支撐、兩帶提升、全省協(xié)同”經(jīng)濟帶企業(yè)創(chuàng)新和盈利能力。

2.3 基于算網(wǎng)編排引擎的多模態(tài)網(wǎng)絡

海洋算力網(wǎng)絡需要基于“空—天—地—?！住庇^測系統(tǒng)，構建面向海洋的遙感圖像、時空序列數(shù)值、仿真數(shù)據(jù)、文獻資料以及監(jiān)控音視頻等大規(guī)模多模態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，結合海洋領域差異化場景需求，提供海洋多模態(tài)智能計算服務。圖5展示了海洋多模態(tài)智能計算典型應用場景。

圖5 海洋多模態(tài)智能計算典型應用場景

為了提高云、邊、端三級算力的協(xié)同工作效率，海洋算力網(wǎng)絡服務編排和資源調(diào)度系統(tǒng)架構如圖6所示。在云網(wǎng)邊一體化的趨勢下，業(yè)務的分布式部署促使云內(nèi)、云間和入云網(wǎng)絡的網(wǎng)絡能力進行整合[9-10]。基于SDN的算力調(diào)度架構，海洋算力網(wǎng)絡通過控制器向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)策略和路由表等網(wǎng)絡信息，快速接入異構算力資源，實現(xiàn)算力節(jié)點的調(diào)度和容器承載。依托SDN/NVF技術可以將此類能力以服務形式封裝，底層光網(wǎng)等基礎設施對云計算保持充分的感知性，令算力的調(diào)度可以根據(jù)網(wǎng)絡的性能與業(yè)務的類型得到更好的保障，云網(wǎng)融合能夠為各級算力的調(diào)度管理提供更為便捷的方式。從平臺訂制、業(yè)務編排、指令下發(fā)等全生命周期實現(xiàn)端到端快速開通部署，給客戶確定性的分鐘級專網(wǎng)打通方案。

圖6 算力網(wǎng)絡智能編排引擎

3 海洋經(jīng)略專網(wǎng)實踐

山東聯(lián)通積極貫徹黨中央十八大提出的海洋強國戰(zhàn)略，堅持陸海統(tǒng)籌，向海圖強，深入實施海洋強省建設行動。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡無法支撐沿海科技的高質(zhì)量發(fā)展，海洋經(jīng)略數(shù)字方案的全面升級成為沿海地區(qū)網(wǎng)絡建設的重大課題。為了支持海洋產(chǎn)業(yè)應用對于網(wǎng)絡帶寬、時延和算力的需求，基于空天地海一體化算力網(wǎng)絡技術建設部署全面感知、泛在互聯(lián)、普適計算和融合應用到海洋經(jīng)略專網(wǎng)[11]。

圖7展示了山東聯(lián)通海洋算力網(wǎng)絡整體架構。整體方案使用OXC、ASON、OSU和云預聯(lián)結等技術融合部署，省際骨干網(wǎng)與本地核心共點采用一體化建設，通過省本一體方式完善城域PeOTN覆蓋，構建全光立體骨干網(wǎng)。支持EoO、EoS、OSU入云，中小顆粒業(yè)務采用EoS/OSU入云，大顆粒業(yè)務采用EoO入云。支持業(yè)務自動化發(fā)放以及SLA可視。一體化網(wǎng)絡全部納入集中智能管控，全程全光全網(wǎng)ROADM智能一體，路由更加豐富，可以實現(xiàn)資源互補和多路徑保護。

圖7 山東聯(lián)通算力網(wǎng)絡整體架構

山東聯(lián)通依托空天地一體化的海洋算力網(wǎng)絡打造黃/渤海一體化海洋經(jīng)略專網(wǎng)，基于5G+北斗多源融合感知技術構建高速泛在的算網(wǎng)底座，基于5G/F5G固移超寬帶融合接入技術實現(xiàn)前向鏈路信息和光模塊狀態(tài)的靈活回傳，并在云端對設備運行和環(huán)境數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析。在海上風電場等場景中，實現(xiàn)風機自動化控制、多維數(shù)據(jù)泛在感知、分級平臺互聯(lián)互通和智慧化運營管理決策，如圖8所示。

圖8 海洋算力網(wǎng)絡創(chuàng)新場景應用

圖9展示了黃/渤海一體化海洋經(jīng)略專網(wǎng)在新型現(xiàn)代化智慧漁港創(chuàng)新場景下的實踐部署案例。通過“5 G+北斗”的泛在互聯(lián)能力實現(xiàn)遠海區(qū)域的澎湃算力接入，通過確定性5G/F5G全光運力網(wǎng)實現(xiàn)超算中心算力的低時延高可靠的零感傳輸。與第三方業(yè)務管理平臺結合形成布局合理、結構優(yōu)化、功能互補、設施完備、服務完善、可持續(xù)發(fā)展的漁港綜合監(jiān)管體系，為實現(xiàn)“科技興?！薄翱萍寂d漁”奠定基礎。

圖9 黃/渤海一體化海洋經(jīng)略專網(wǎng)的創(chuàng)新場景實踐

4 總結與展望

在數(shù)字經(jīng)濟時代，算力發(fā)展和網(wǎng)絡演進相輔相成?；诳仗斓睾Ｒ惑w化的算力網(wǎng)絡通過云、網(wǎng)、邊、端一體化的可編程服務體系，實現(xiàn)了業(yè)務模式和服務能力的提升；基于服務編排和算力資源調(diào)度的算網(wǎng)大腦，實現(xiàn)了算力資源池的跨域服用和算力服務的觸手可及；空天地一體化的多層次算力體系，實現(xiàn)了算力即服務的自組織、自適應和泛在感知。

隨著各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展，未來的算力網(wǎng)絡技術必然向著不受空間限制、更大容量、更高質(zhì)量的方向發(fā)展。本文通過打造空天地海一體化的泛在互聯(lián)的算力網(wǎng)絡實現(xiàn)了算力資源的泛在分布、一點觸達和智能調(diào)度。未來可以通過與邊緣計算和AI等技術的融合，擴展算力網(wǎng)絡邊緣算力的服務能力，提升網(wǎng)絡邊緣側(cè)設備計算能力的瓶頸。為了積極踐行網(wǎng)絡強國戰(zhàn)略，算力網(wǎng)絡的演進和建設仍然任重而道遠。