面向算網(wǎng)的一體化能源算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

段俊娜 項(xiàng)朝君 郝雙洋 劉倩 崔靜 魏利朋 馬淼娜 羅望東

摘要：文章重點(diǎn)研究在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，加強(qiáng)算網(wǎng)深度耦合、提升能源網(wǎng)絡(luò)算力能力，對(duì)云、網(wǎng)、邊進(jìn)行一體化能源算力網(wǎng)絡(luò)部署。圍繞“東數(shù)西算”新型算力布局，通過算網(wǎng)融合，優(yōu)化算力布局、優(yōu)化國(guó)家/省級(jí)能源算網(wǎng)能力協(xié)同模型，融合算網(wǎng)能力，優(yōu)化算力區(qū)域間東西向、南北向流量模型，進(jìn)行算力端到端一體化高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)保障，打造算網(wǎng)一體的多云生態(tài)高品質(zhì)能源算力網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：算網(wǎng)融合；算網(wǎng)協(xié)同模型；一體化算力網(wǎng)；東數(shù)西算

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.002

中圖分類號(hào)：TP 915.43? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-04

0? ?引言

隨著“5G+AI+能源”的快速普及應(yīng)用，行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)度加快，全社會(huì)數(shù)據(jù)總量爆發(fā)式海量增長(zhǎng)，各行業(yè)IT系統(tǒng)上云的需求已轉(zhuǎn)向上云之后的數(shù)字化能力構(gòu)建。云邊端泛在計(jì)算模式興起，計(jì)算進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，計(jì)算的效率、可信度與網(wǎng)絡(luò)深度耦合，只有實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)融合發(fā)展才能滿足算網(wǎng)一體化業(yè)務(wù)發(fā)展需求，打造算網(wǎng)一體化高品質(zhì)算力網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。完善全國(guó)云資源池算力布局，進(jìn)行全國(guó)核心資源池集約共享、省級(jí)資源池、MEC分級(jí)部署，如何基于“東數(shù)西算”國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)新型算力布局，融合能源算網(wǎng)能力，打造一體化高品質(zhì)算力網(wǎng)絡(luò)，是本次研究的課題。

1? ?一體化算力網(wǎng)絡(luò)整體部署

1.1 算力概述

在“5G+AI+能源”產(chǎn)業(yè)背景下，算法、算力、數(shù)據(jù)是AI任務(wù)的三要素。算力是基于相同的算法、成本和時(shí)間處理用戶數(shù)據(jù)的能力。在圖像渲染，智能推薦等應(yīng)用的算力實(shí)踐中，AI訓(xùn)練算法的演進(jìn)對(duì)算力的需求增長(zhǎng)了30萬倍，可編程AI芯片的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了算力服務(wù)能力的提升，算力已經(jīng)成為一種通用的可量化服務(wù)。數(shù)據(jù)中心EDC（Enterprise Data Center）是算力的物理承載，是數(shù)字化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施[1]。國(guó)家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中明確提出要“加快構(gòu)建全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系，強(qiáng)化算力統(tǒng)籌智能調(diào)度”。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，算力正在成為一種新的生產(chǎn)力，廣泛融合到社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面[1]，為千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)動(dòng)力。

1.2 算力網(wǎng)絡(luò)概述

算力網(wǎng)絡(luò)是新型數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包含服務(wù)層、調(diào)度層、能力層。

（1）服務(wù)層：主要是一站式交付、按需供給、場(chǎng)景化輸出、自助配置、帶寬可調(diào)、網(wǎng)絡(luò)可視的云網(wǎng)邊一體化產(chǎn)品。

（2）調(diào)度層：主要是統(tǒng)一管控、協(xié)同編排、靈活調(diào)度的云網(wǎng)邊一體化算力網(wǎng)絡(luò)調(diào)度平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)編排和能力封裝。

（3）能力層：主要由云、網(wǎng)、邊組成。

1.3 一體化算力骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

全國(guó)有多張骨干網(wǎng)，IT云、CT云、業(yè)務(wù)云、邊緣云MEC分別承載在不同的骨干網(wǎng)上，多云算力割裂，需要跨網(wǎng)、跨多云復(fù)雜業(yè)務(wù)需求難以滿足。為了改變多云算力割裂狀況，算網(wǎng)融合下構(gòu)建一體化算力網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。

（1）算力融合：全國(guó)云資源池進(jìn)行新型算力布局，并實(shí)施算力整合，提升整體算力能力。

（2）算網(wǎng)融合下打造一體化能源算力骨干網(wǎng)：目前幾張骨干網(wǎng)同質(zhì)化嚴(yán)重，算力割裂，根據(jù)算網(wǎng)融合要求，計(jì)劃通過骨干網(wǎng)絡(luò)融合打造一張大容量、低時(shí)延、高性能、高可靠、自動(dòng)化的一體化算力網(wǎng)絡(luò)，可以提供云業(yè)務(wù)一體化保障。

2? ?算網(wǎng)融合多云協(xié)同的一體化算力網(wǎng)絡(luò)

過去10年云計(jì)算崛起，SDN/NFV使網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入云網(wǎng)融合階段，隨著AI和邊緣計(jì)算MEC的發(fā)展，需要高品質(zhì)的算力網(wǎng)絡(luò)來支撐“算網(wǎng)融合”時(shí)代。

根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略，計(jì)劃推動(dòng)算力技術(shù)演進(jìn)，構(gòu)建算力統(tǒng)一調(diào)度能力，形成云邊協(xié)同的算力資源布局，提供“隨時(shí)、隨地、隨心”的算力服務(wù)，密切關(guān)注實(shí)際算網(wǎng)能力和市場(chǎng)需求，加快推進(jìn)數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)的深度融合，構(gòu)建布局合理、網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)、數(shù)網(wǎng)、數(shù)云、云邊協(xié)同發(fā)展的能源算網(wǎng)一體化生態(tài)體系[2]。

3? ?高品質(zhì)算力網(wǎng)絡(luò)部署及優(yōu)化

“5G+AI+能源”的的快速普及應(yīng)用，全社會(huì)數(shù)據(jù)總量爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)、計(jì)算和應(yīng)用需求大幅提升，國(guó)家出臺(tái)了《關(guān)于加快構(gòu)建全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導(dǎo)意見》，迫切需要構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)一體化的新型算力網(wǎng)絡(luò)體系。結(jié)合國(guó)家EDC的定位，提出了帶寬、時(shí)延、繞轉(zhuǎn)、算力等確定性網(wǎng)絡(luò)的要求[3]。

（1）全國(guó)一體化算力網(wǎng)絡(luò)國(guó)家樞紐：國(guó)家在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、貴州、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等地建設(shè)了全國(guó)一體化算力網(wǎng)絡(luò)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)。京/長(zhǎng)/粵/成算力節(jié)點(diǎn)要擴(kuò)展算力增長(zhǎng)空間；貴/蒙/甘/寧算力節(jié)點(diǎn)優(yōu)先承接后臺(tái)加工、離線分析、存儲(chǔ)備份等面向全國(guó)的非實(shí)時(shí)算力需求。對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、金融、災(zāi)害預(yù)警、遠(yuǎn)程醫(yī)療、AI等高頻實(shí)時(shí)交互業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)中心端到端單向網(wǎng)絡(luò)時(shí)延原則上在20 ms范圍內(nèi)。

（2）城市內(nèi)算力邊緣MEC端：對(duì)金融、VR/AR、車/無人機(jī)聯(lián)網(wǎng)、智慧電力等高頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)中心端到端單向網(wǎng)絡(luò)時(shí)延原則上在10 ms范圍內(nèi)[4]。

3.1 EDC東西向、南北向流量調(diào)優(yōu)

隨著國(guó)家“東數(shù)西算”工程的開展，國(guó)家核心EDC的流量模型不均衡問題顯現(xiàn)了出來，因此能源算力骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了EDC東西向、南北向流量專項(xiàng)流量調(diào)優(yōu)工作。VPN按組網(wǎng)結(jié)構(gòu)劃分為Hub-Spoke和Full-Mesh兩類。在算力時(shí)代，需將EDC東西向、南北向流量分開：東西向流量，EDC之間做數(shù)據(jù)同步或備份；南北向流量，EDC和省網(wǎng)之間互訪。

3.1.1 EDC流量調(diào)優(yōu)規(guī)劃

（1）類型一：區(qū)分東西向、南北向流量。其中，東西向流量，EDC之間可以互訪，VPN為Full-Mesh結(jié)構(gòu)；南北向流量，EDC之間不可以互訪，全國(guó)中心點(diǎn)可以與各省分支點(diǎn)互訪，各省分支點(diǎn)之間不可以互訪。VPN為Hub-Spoke結(jié)構(gòu)。

（2）類型二：不區(qū)分東西向、南北向流量：全國(guó)中心點(diǎn)可以與各省分支點(diǎn)互訪，各省分支點(diǎn)之間不可以互訪。

3.1.2 流量調(diào)優(yōu)具體方案

通過EDC東西向流量調(diào)優(yōu)，全程端到端網(wǎng)絡(luò)帶寬擴(kuò)容，保障了國(guó)家“東數(shù)西算”工程，提升了跨區(qū)域算力調(diào)度水平，加強(qiáng)了云算力服務(wù)、數(shù)據(jù)流通。通過EDC內(nèi)北向流量模型調(diào)優(yōu)，保障了省內(nèi)數(shù)據(jù)中心與國(guó)家EDC之間算力級(jí)聯(lián)調(diào)度，加強(qiáng)了算力與算法、數(shù)據(jù)、應(yīng)用資源的能源一體化協(xié)同。

3.2 骨干網(wǎng)主備大區(qū)調(diào)整優(yōu)化

根據(jù)國(guó)家EDC的定位，跨省數(shù)據(jù)中心端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需要優(yōu)化。根據(jù)東西部、南北省分之間的時(shí)延仿真推算，進(jìn)行骨干網(wǎng)出省模型調(diào)整優(yōu)化。

（1）優(yōu)化方案：調(diào)整骨干網(wǎng)出省至東西部、南北部省分的cost值。

（2）優(yōu)化效果具體如下。

① 12個(gè)省跨省流向時(shí)延下降優(yōu)化達(dá)到10～30 ms，如圖1所示。

② 云資源出省時(shí)延余量變化，如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)策略優(yōu)化后，唯一導(dǎo)致時(shí)延劣化的流向雖然時(shí)延余量下降了，但仍大于0（約為15 ms），仍然滿足業(yè)務(wù)需求。

3.3 算力端到端一體化網(wǎng)絡(luò)保障

算力網(wǎng)絡(luò)要求數(shù)據(jù)中心集群之間，集群和主要城市之間要部署高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信帶寬，減少數(shù)據(jù)繞轉(zhuǎn)時(shí)延，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高效供給，與數(shù)據(jù)中心協(xié)同發(fā)展。

同一朵云其前后端分別部署全國(guó)不同的EDC，比如，某能源云前端部署在廊坊，需要來鄭州EDC取全國(guó)的數(shù)據(jù)，再去呼和浩特EDC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，最終才能形成公眾可以看到的云頁面。整個(gè)業(yè)務(wù)流跨多云、多網(wǎng)，實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)，如圖3所示。

能源云經(jīng)多云、多網(wǎng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)造成能源云打開不暢，嚴(yán)重影響能源相關(guān)工作，造成負(fù)面社會(huì)影響。因此，從廊坊EDC內(nèi)部到鄭州EDC、呼和浩特EDC，全程端到端都要保障網(wǎng)絡(luò)輕載、設(shè)備性能優(yōu)良、時(shí)延較小、路由繞轉(zhuǎn)少，才能完成算力端到端一體化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)保障。

4? ?下一步要解決的痛點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)深度融合、算網(wǎng)充分協(xié)同、中心能源EDC與邊緣MEC進(jìn)行算力一體化調(diào)度，下一步要解決的痛點(diǎn)如下。

（1）能源EDC之間算力資源分配不夠合理，存在前端、后端算力調(diào)度資源浪費(fèi)，增加了算力流轉(zhuǎn)時(shí)的故障點(diǎn)，降低業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。

（2）小能源EDC清退速度較慢，老能源EDC內(nèi)部分設(shè)備性能不佳，能源EDC的整合速度較慢，影響算力效能，需升級(jí)換代為性能更高、運(yùn)行更穩(wěn)定的設(shè)備。

（3）算力承載業(yè)務(wù)沒有隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整而同步優(yōu)化調(diào)整，存在算力繞轉(zhuǎn)現(xiàn)象，時(shí)延還不夠優(yōu)化，高品質(zhì)算力服務(wù)提供還有進(jìn)步空間。

（4）需加強(qiáng)多云協(xié)同管理，加強(qiáng)多云之間、云和網(wǎng)絡(luò)、核心與邊緣云MEC之間的算網(wǎng)協(xié)同，進(jìn)行跨行業(yè)、跨地區(qū)、跨層級(jí)的算力資源一體化調(diào)度。

5? ?結(jié)束語

在算網(wǎng)融合的背景下，致力于深化網(wǎng)絡(luò)算力一體化技術(shù)的融合，大幅降低全國(guó)核心算力云池的時(shí)延，保障能源數(shù)據(jù)中心端到端東西向、南北向能源互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量互訪，可大幅提升算力網(wǎng)確定性品質(zhì)，保障國(guó)家“東數(shù)西算”工程；深化東西部算力協(xié)同，可保障國(guó)家EDC與省內(nèi)EDC之間算力級(jí)聯(lián)調(diào)度，加強(qiáng)能源云算力服務(wù)、數(shù)據(jù)流通，提升算網(wǎng)資源利用效益，推動(dòng)算網(wǎng)融合數(shù)字技術(shù)進(jìn)步。

未來將立足5G展望6G，結(jié)合IPv6+、網(wǎng)絡(luò)切片、云原生技術(shù)、可編程芯片技術(shù)，在一體化算力服務(wù)中支持服務(wù)器芯片、云操作系統(tǒng)等關(guān)鍵軟硬件產(chǎn)品規(guī)模化應(yīng)用，更積極探索算力網(wǎng)絡(luò)與新型業(yè)務(wù)應(yīng)用的深度協(xié)同，滿足云游戲、千人千面直播、自動(dòng)駕駛、智能安防、能源與工業(yè)機(jī)器視覺等強(qiáng)算力與強(qiáng)交互的業(yè)務(wù)需求[5]，構(gòu)建全國(guó)一體化的互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新體系。

參考文獻(xiàn)

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