基于網絡5.0的重疊網形態算力網絡

聶秀英 金偉 張杰

(中國信息通信研究院技術與標準研究所,北京 100191)

0 引言

算力網絡是當前業界研究的熱點之一。算力網絡對承載網絡提出了新挑戰,我國自主研發的網絡5.0充分考慮了算力網絡對網絡的需求,可滿足算力網絡的需求。筆者認為,算力網絡隸屬于業務網絡范疇,以重疊網絡形態組建在網絡5.0之上的算力網絡是當前首選方案。

1 算力網絡成為業界研究熱點

1.1 算力資源需求和供給同步增長

算力時代,數據已經成為政府決策,人們生產、生活不可或缺的重要資源。智慧城市建設以及各行各業數字化使得數據量大大增加。IDC數據表明,2022年全球數據總量高達81 ZB。數據的生成、傳輸、處理、存儲和應用均需算力資源的支撐,使得社會對算力資源的需求不斷攀升,全球算力資源供給也同步增加。經中國信息通信研究院測算,2022 年全球計算設備算力總規模達到 906 EFlops,增速達到47%[1]。同時,算力正加速向政務、工業、交通、醫療等各行業各領域滲透。2023年10月,工業和信息化部、中央網信辦、教育部、國家衛生健康委、中國人民銀行、國務院國資委六部門聯合印發《算力基礎設施高質量發展行動計劃》[2](簡稱《計劃》)?！队媱潯返膶嵤⑦M一步推進算力資源的供給和應用。

1.2 算力資源供給和使用向遠程按需共享方向發展

1.2.1 算力資源

IEC 60050-171:2019《國際電工詞匯第171部分:數字技術基本概念》將計算系統(計算機系統)定義為:執行數據處理的一臺或多臺計算機、外圍設備和軟件的集合;將云計算定義為:通過網絡,典型地是通過互聯網交付的數據處理[3]。云計算提供按需的共享計算機資源。ITU-T將邊緣計算定義為:在網絡邊緣有效利用處理能力并執行數據處理的策略,網絡邊緣連接端設備,數據來源于端設備或注入到端設備。本文中算力資源指能夠提供計算系統能力的計算機系統資源,包括計算資源、存儲資源和軟件資源。

1.2.2 算力資源種類

算力資源可分為直接算力資源、間接算力資源以及算力資源平臺幾類。直接算力資源指可直接用于計算的計算資源及存儲資源;間接算力資源指在直接算力資源基礎上經過人的智能創建的具有特定數據處理功能的算法和軟件(如圖形處理器、現場可編程邏輯門陣列、專用集成電路等);算力資源平臺是指根據使用方需求集成多種間接算力資源(算法和軟件資源)組建的平臺,如針對個人使用方的包含使用方自有數據(如照片、視頻、作業、作品、體檢報告等)存儲管理功能,新映電影、書籍等推薦功能,個人日程安排提醒功能等的平臺。

1.2.3 多種算力資源供給方式并存

算力資源的供給和使用經歷了由最初供多人本地共享的大型主機,到個人計算機、通過本地網絡連接互操作的多臺個人計算機、通過互聯網連接的多臺計算機、網格計算以及利用便攜式計算機按需使用算力資源的云計算6個階段。當前,根據各自應用環境的不同,以上多種算力資源的供給方式并存。從演進方向來看,算力資源的供給一直遵循著向使用側使用簡單、方便、快捷,資源側分布式集中及網絡化的方向發展。虛擬化技術、并行計算等技術的不斷創新和發展,算力資源的可分割,可并行工作能力的提升,使遠程供給算力資源成為可能,基于網絡供給和使用算力資源成為當前一段時間的發展趨勢。

1.3 算力網絡成為業界研究熱點

算力網絡是由中國聯通、中國移動、中國電信在2019年前后提出的概念。中國電信主導完成的國際電信聯盟標準ITU-T Y.2501算力網絡框架與架構[4]將算力網絡定義為:一種在云、邊、端之間按需分配和靈活調度計算資源、存儲資源以及網絡資源的新型信息基礎設施。從定義來看,算力網絡是一個寬泛的概念,其核心含義是通過網絡實現計算資源、存儲資源和網絡資源的按需分配和靈活調度。算力網絡一經提出便成為業界的研究熱點,中國聯通于2019年11月發布《中國聯通算力網絡白皮書》[5], 中國移動研究院網絡與IT技術研究所于2019年12月發布《算力感知網絡技術白皮書》[6],中國移動于2022年1月發布《算力感知網絡(CAN)技術白皮書》(2021年版)[7]。ITU-T SG13、CCSA TC3和CCSA TC614 均針對算力網絡的相關標準進行立項研究,但到目前為止,并沒有以算力網絡的名義向用戶提供相應的服務,取而代之的是以具體信息處理服務的名義向用戶提供與算力資源相關的服務,如視頻處理、虛擬現實(Virtual Reality,VR)/增強現實(Augmented Reality,AR)渲染服務等。

2 網絡5.0滿足算力網絡對網絡的需求

2.1 算力網絡對網絡的需求

算力網絡對網絡的需求包括超高帶寬、低丟包率、低延遲、低抖動以及高服務質量保證[8]。具體包括轉發路徑的時延和時延抖動可控,時延抖動不隨轉發路徑節點跳數累加,即業務數據報文端到端轉發的時延有嚴格上限,抖動(即時延的變化)有嚴格上限,每條業務的時延、時延抖動有可以測量的確定性時延保證;因涉及數據的處理,企業對算力處理有可信性、價值可量化、可交易的需求,要求網絡具有安全可信保障措施;鑒于使用算力資源服務的終端所采用的接入方式的多樣性,需要網絡支持多種接入方式;由于在使用算力資源時,一些數據信息處理對算力資源的使用是連續的,不允許間斷,為此要求傳輸相應數據的網絡具有高可靠性。

2.2 網絡5.0能夠滿足算力網絡的需求

網絡5.0是2018年我國自主提出并研發的第5代數據網絡。網絡5.0基于“以網絡為中心、能力內生”的核心主旨,通過打造新型網絡協議體系,賦予網絡確定性、可信、安全等屬性,使網絡具備按需可達、按需服務、安全可信等內在能力,按質連通分散的計算、存儲及網絡等資源,構建一體化的信息與通信技術(Information and Communications Technology,ICT)基礎設施。特別是在確定性方面,網絡5.0提出多技術協同的多類型多級別確定性承載能力,支撐差異化應用場景(如大規模連接、有限域等)。網絡5.0支持確定性路由,通過管理面或控制面對網絡資源進行管理和控制。網絡管理設備(網絡5.0網管)管理網絡資源有兩個渠道:一種是通過管理面,由網管(網絡5.0采用分層分布形式的網管體系)根據源地址和目的地址(確定路由)確定該通信通過的網元設備;另一種是由網管對相應網元設備配置網絡資源(通過網管資源配置命令來實現,網元可以提供資源則確認,否則拒絕)。網絡5.0在設計之初就將支撐ICT融合網絡(算力網絡)作為能力之一,充分考慮了算力資源服務對網絡的各種需求。網絡5.0具有承載按需提供算力資源服務的算力網絡能力。

3 基于網絡5.0的重疊網形態算力網絡

3.1 重疊網形態算力網絡的優勢分析

互聯網的快速發展得益于業務和承載相分離的發展方式,當前基于IP的網絡業務的提供基本上采用重疊網形態進行。采用重疊網形態組建業務網,可以使業務網的建設和運營者在充分利用承載網絡信息傳輸能力的基礎上,更加關注用戶對業務的需求,從而促進業務網的發展。同時,業務網運營者通過分析網絡信息流量流向方面的變化,在網絡架構、技術和性能方面進行創新和優化,可以將業務網的承載工作做得更好。

算力網絡不僅關注信息數據的傳輸,同時利用網絡向用戶提供算力資源服務,隸屬于業務網絡范疇。算力網絡依賴于算力資源基礎設施和網絡基礎設施,是二者的融合,算力網絡在提供服務時需要算力資源與網絡資源的協調調度和配合。采用重疊網形態組建算力網絡,從市場上來看有需求,從技術上來看有基礎,是組建算力網絡的優選方式。

3.2 基于網絡5.0的重疊網形態算力網絡

基于網絡5.0的重疊網形態算力網絡類似于內容分發網絡,是部署于網絡5.0之上的重疊網絡,每個算力網絡運營方可以獨自建立各自管理的算力網絡域,可被稱為基于網絡5.0的多域重疊網形態算力網絡。若在網絡5.0之上建立一個統一的算力網絡,統一建設統一運營,此種方式可被稱為基于網絡5.0的單域重疊網形態算力網絡。

3.2.1 基于網絡5.0的多域重疊網形態算力網絡

圖1為基于網絡5.0的多域重疊網形態算力網絡架構示意圖。

圖1 基于網絡5.0的多域重疊網形態算力網絡架構示意圖

如圖1所示,分布式連接到網絡5.0的,由不同算力資源擁有方提供的算力資源組成的算力資源池分別由算力管理中心1和算力管理中心2進行管理和運營。由算力管理中心1及其管理運營的算力資源池1組成一個算力網絡域,由算力管理中心2及其管理運營的算力資源池2組成另一個算力網絡域。兩個域分別獨立向用戶終端提供算力資源服務,網絡管理中心配合算力管理中心為使用算力網絡服務的用戶終端分配相應的網絡5.0資源。兩個域的算力資源可以依據兩個算力網絡運營者之間的協議來相互借用并為用戶終端提供算力資源服務。

3.2.2 基于網絡5.0的單域重疊網形態算力網絡

圖2為基于網絡5.0的單域重疊網絡形態算力網絡架構示意圖。

圖2 基于網絡5.0的單域重疊網形態算力網絡架構示意圖

如圖2所示,算力資源1到算力資源4是不同算力資源提供方提供的算力資源,這些算力資源可以是直接算力資源,也可以是間接算力資源,這些算力資源在算力管理中心中通過算力資源在網絡中的位置(地址)和可度量的算力資源進行管理。

在基于網絡5.0的重疊網形態的算力網絡中,算力資源管理和網絡管理相對獨立,算力管理中心管理算力資源,網絡管理中心管理網絡資源。算力管理中心不具備對網絡5.0資源的管理能力,而是通過網絡5.0的網絡管理中心對網絡資源提出請求,由網絡5.0的網絡管理中心來實施調度。

用戶終端是算力服務的消費者,通過向算力管理中心提交終端在網絡中的位置(地址)、要使用的可度量的算力和要求的網絡能力(包括數據傳輸速率、最大時延、時延抖動)等相關信息來申請使用算力服務。

3.3 基于網絡5.0的算力網絡相關方

基于網絡5.0的算力網絡涉及算力資源擁有方、網絡5.0運營方、算力網絡運營方和算力網絡服務使用方。

3.3.1 算力資源擁有方

算力資源擁有方是算力網絡向使用方提供的算力資源的擁有者。算力資源擁有方將自身所擁有的算力資源注冊到所選擇的算力資源服務提供方所建的服務平臺,由算力網絡運營方將算力資源擁有方的算力資源提供給使用方使用。算力網絡運營方需根據算力資源擁有方和算力網絡運營方之間的協議向算力資源擁有方支付因使用其所申報的算力資源的費用。

3.3.2 網絡5.0運營方

算力網絡服務離不開網絡的支撐,網絡5.0是連接使用方與重疊網形態算力網絡所提供的算力資源的通道。在提供算力網絡服務的過程中,網絡5.0運營方一方面可以作為服務的網絡承載者,另一方面也可以通過自建算力資源管理中心聚合自己所擁有的算力資源以及其他算力資源擁有方所擁有的算力資源并向使用方提供算力網絡服務。此時,網絡5.0運營方既是網絡運營方也是算力網絡運營方。

3.3.3 算力網絡運營方

算力網絡運營方是算力網絡服務的提供方,負責搭建算力管理中心,聚集、管理、運營連接到網絡上的算力資源,向使用方提供算力網絡服務。算力網絡運營方可以是獨立的算力網絡運營方,也可以是算力資源擁有方或網絡5.0運營方。同時,在網絡5.0之上可以有一個或多個基于網絡5.0的重疊網絡形態算力網絡運營方向使用方提供服務。算力網絡運營方可依據自身所提供的算力網絡服務向算力資源使用方收取費用。根據算力網絡運營方與網絡5.0運營方之間的協議確定使用方在使用算力網絡服務時因使用網絡運營方的網絡所發生的網絡使用費用合并到算力網絡服務費用之中,由算力網絡服務使用方一并向算力網絡運營方支付還是由使用方分別向算力網絡運營方和網絡運營方單獨支付相應的費用。

3.3.4 算力網絡服務使用方

算力網絡服務使用方是算力網絡服務的使用方,在使用算力網絡服務時,使用方需要連接到網絡,向算力網絡提出算力資源服務請求,在算力網絡運營方為其配置了所需的算力資源后,將自身需要處理的數據通過網絡傳輸到算力資源所在地點,使用算力資源對所提交的數據進行相應的處理,最終通過網絡獲取經過處理的數據。算力網絡運營方需為使用服務提供方提供的服務向服務提供方支付相應的費用。

3.4 基于網絡5.0的重疊網形態算力網絡應用場景分析

根據使用方需求的不同,基于網絡5.0的重疊網形態算力網絡應用場景主要分為以下幾類。

(1)直接算力資源服務應用場景:該場景主要滿足使用方在特定的時間范圍內需要進行信息化服務平臺搭建、特定業務系統(如視頻會議系統)搭建、存儲或備份自身所擁有數據信息的需要,向使用方提供直接算力資源服務。

(2)間接算力資源服務應用場景:該場景主要滿足使用方對數據信息處理的特定需求,向使用方提供包含具有處理數據信息特定需求的軟件在內的間接算力資源服務,如向使用方提供VR/AR渲染服務、在線翻譯、車聯網信息處理服務、視頻/音頻信息處理服務等。

(3)使用方定制的間接算力資源平臺服務應用場景:該場景主要根據使用方需求為使用方構建具有多功能信息處理和服務功能的平臺,為使用方提供相對時間比較長的算力資源服務,如為企業使用方進行員工信息管理服務,為個人使用方進行學習資料的維護、管理和推薦服務等的算力資源服務。

3.5 重疊網形態算力網絡中統一算力資源標識

如圖3所示,在重疊網形態算力網絡中,統一資源定位符(Universal Resource Locator,USRI)用來標識抽象或物理算力資源的一個緊湊字符串,其中的I(Identifier)是統一算力資源標識符,可以唯一標識一個算力資源;統一資源定位符(Universal Resource Locator,URL)是一種定位資源的主要訪問機制的字符串,一個標準的URL必須包括protocol、host、port、path、parameter、anchor,URL 中的L(Locater)是統一資源定位符,提供找到該資源的確切路徑;USRI包括URL、統一算力IT資源名稱(Universal Suanli IT Resource Name,USIRN)和統一算力CT資源名稱(Universal Suanli CT Resource Name,USCRN)3個類別,URL是URI的子集,所以URL一定是URI,而URI不一定是URL。USIRN 通過特定命名空間中的唯一名稱、算力IT屬性或ID來標識資源。USCRN 通過特定命名空間中的唯一名稱、算力CT屬性或ID來標識資源。

圖3 算力網絡的統一算力資源標識

4 基于網絡5.0的算力網絡可信安全

基于網絡5.0的算力網絡可信安全由網絡5.0所具有的內生安全能力來保證[9]。圖4為網絡5.0內生安全網絡體系架構。

圖4 網絡5.0內生安全網絡體系架構

內生安全能力資源池負責產生和維護網絡安全能力,例如基于網絡5.0的溯源、抗DDoS攻擊、審計等。安全能力接收平臺完成內生安全能力的最終部署目標,例如網絡邊界、用戶層等?？尚沤尤胝J證服務端用于認證接入網絡的終端設備。邊界路由負責不同安全域之間需要實現信任的共識。在基于網絡5.0的算力網絡中,算力資源節點、算力資源用戶終端必須是網絡5.0的可信用戶才能承擔向算力資源使用方提供算力資源服務或接收算力網絡所提供的算力資源服務。

從網絡5.0的角度來看,基于網絡5.0的重疊網絡形態算力網絡中連接到網絡5.0上的設備(包括使用方終端、算力資源節點、算力管理中心節點等)均需是網絡5.0的可信終端。從而可利用網絡5.0所具有的安全可信保障能力實現基于網絡5.0的重疊網形態算力網絡的可信安全。

5 算力資源申報相關業務流程

對于重疊網形態算力網絡,供算力網絡提供服務的算力資源由算力資源擁有方采用申報的方式匯聚到算力資源管理中心。同時,在算力網絡正常提供服務期間,算力資源擁有方可以針對未處于使用狀態的已經申報到算力網絡的算力資源進行更新操作。與算力資源申報相關的業務流程包括算力資源申報業務流程和算力資源更新業務流程。

5.1 算力資源申報業務流程

圖5為算力資源申報業務流程。由算力資源擁有方向算力資源管理中心發起資源申報請求,算力資源管理中心收到申報請求消息后向算力資源擁有方發送算力資源申報響應消息。算力資源申報業務流程的具體說明如下。

圖5 算力資源申報業務流程

(1)算力資源申報請求:算力資源擁有方主動向算力資源管理中心申報可提供服務的算力資源及其位置(地址)。算力資源申報請求中攜帶的參數有:算力資源端口名(一個或多個地址段)、算力資源端口(一個/多個)速率、算力資源內網性能(時延和抖動)、算力資源類別(直接算力資源/間接算力資源/間接算力服務平臺)、算力資源量(可度量的單位數量)。

(2)算力資源申報響應:算力資源管理中心向算力資源擁有方發送申報請求響應,算力資源申報響應中包含確認受理或不接受申報的信息。

算力資源受限于目前的可度量性。算力資源度量方式如下。

(1)直接算力資源采用數學計算能力(MIPS、FMIPS)和CPU等效計算核數兩種度量單位。

(2)間接算力資源(如軟件算力和平臺算力資源)采用等效并發數/s。

5.2 算力資源更新業務流程

算力資源擁有者可對已經申報到算力資源管理中心的自有算力資源進行增、刪、改。其中,只能針對算力網絡未處于使用狀態的算力資源進行刪、改。算力資源更新業務流程如圖6所示,具體描述如下。

圖6 算力資源的增、刪、改流程

5.2.1 算力資源更新請求

算力資源擁有方向算力資源管理中心發送算力資源增、刪、改請求消息。算力資源增、刪、改請求消息中包含一個或多個參數,如算力資源端口名(一個/多個地址段),算力資源端口(一個/多個)速率,算力資源內網時延,增、刪、改算力資源類別(直接算力資源/間接算力資源)以及擬增、刪、改的算力資源量(可度量的單位數量)。

5.2.2 算力資源更新響應

算力資源管理中心向算力資源擁有方發送算力資源增、刪、改響應,算力資源增、刪、改響應中包含確認受理或不接受信息。

5.3 算力資源使用相關業務階段

算力資源使用相關業務階段包括算力資源申請階段、算力資源使用階段和算力資源釋放階段。

算力資源申請階段完成算力資源使用方申請算力資源,算力網絡為算力資源使用方分配算力資源,算力資源節點配置算力資源以及網絡5.0為算力資源使用方配置網絡資源,并將分配給算力資源使用方的算力資源節點地址發送給算力資源使用方的任務。在該階段只有當網絡5.0管理設備可以為算力資源管理中心為算力資源使用分配的算力資源配置滿足算力資源服務所需要的網絡資源時,算力資源管理中心才可以為算力資源使用方發送所分配的算力資源信息,若網絡5.0管理設備無法為算力資源管理中心擬分配的算力資源配置合適的網絡資源,算力資源管理中心需要重新為算力資源使用方分配算力資源。

算力資源使用階段是指算力資源使用方通過網絡5.0分配的網絡資源到算力資源節點使用算力資源的階段。該階段算力資源使用方根據自身需求使用算力資源節點的算力資源,算力資源可位于一個或多個算力資源節點,同時將使用算力資源需要提交的數據信息或使用算力資源后輸出的數據信息通過網絡5.0傳輸到算力資源使用方或算力資源使用方要求的相應位置,或者將相應的數據存儲到算力資源(算力資源中的存儲資源)中。

算力資源釋放階段是指算力資源使用方使用完算力資源后,算力網絡將其所使用的算力資源和網絡資源釋放,供其他使用方在需要時使用。

6 基于網絡5.0的算力網絡面臨的挑戰

經過多年技術和應用的不斷發展,算力資源基礎設施和網絡基礎設施無論在規模上還是在能力上均有很大的提升,但是將算力資源和網絡資源協同起來為使用方提供滿意的算力資源服務還面臨諸多挑戰,需要業界專業人員探索和研究。

6.1 異構算力資源統一管理和應用問題

本文所述算力資源服務場景中,算力資源可隸屬于不同的擁有者。鑒于目前提供算力資源設施的廠家比較多,不同廠家生產的算力資源設施架構各異,在獨立使用單廠家產品時對資源的管理和分配由廠家開發完成,使用起來方便可行,但對異構算力資源設施進行管理和使用可能會出現不兼容的問題,影響到具體服務提供。

6.2 算力資源和網絡資源協調調度問題

算力資源的使用實際上就是利用算力資源所具有的計算和存儲能力對使用方的數據進行處理或存儲。一些使用方需求如VR/AR 渲染服務需要實時地將使用方需要進行渲染的數據傳輸到算力資源,同時經過渲染后的數據需要實時地傳輸到使用方使用。在該過程中,除了算力資源服務方需要根據使用方請求的服務分配相應的算力資源外,網絡運營方也需要根據算力資源服務提供確定的帶寬和服務質量保證,為此支撐基于網絡的算力資源服務的網絡運營方需要與算力資源服務提供方協同調度算力資源和網絡資源。另一些使用方一次可能需要大量的算力資源(如基礎科學研究數據),這些算力資源可能分布在不同位置的算力資源節點上,一方面需要統籌協調分布式的算力資源,另一方面需要同時在這些分布式部署的算力資源節點之間協調滿足算力資源使用時所需要的網絡資源。還有一些算力資源應用(如多點實時視頻會議應用)需要多個算力節點之間同時處理不同的視頻數據,同時這些算力節點之間還需要實時交互式地傳遞實時處理后的視頻信息流,這樣一方面需要提供多點的算力資源,另一方面需要同時提供多點之間網狀的保證質量的網絡資源。

上述典型的算力資源使用場景均需算力資源和網絡資源統籌管理和協調調度。

6.3 服務質量評價問題

傳統的網絡服務主要是信息傳輸服務,評價服務質量主要可以從信息傳輸的完整性、安全性、時效性等幾個方面進行。信息傳輸強調的是信息的透明性(源端信息和宿端信息的一致性)。而對于基于網絡的算力資源服務,除了直接算力資源服務應用場景外,使用方接收到的數據信息是算力網絡所提供的經過算力資源處理過的數據信息,使用方輸入到算力網絡的數據與算力網絡返回給使用方的數據是不相同的。而對于直接算力資源服務來講,使用方使用服務的體驗好壞還與使用方對直接算力資源的熟悉程度和使用水平有關。如何評價算力資源服務的質量有待業界進一步研究。

6.4 算力網絡的度量計價問題

如在GB/T 34077.2-2021基于云計算的電子政務公共平臺管理規范第2部分:服務度量計價[10]中所規定的那樣,當前云計算服務的度量計價方式大多采用按月/年的時間段,根據使用云計算服務的內容進行度量計價,基本采用類似包月的方式進行。對于網絡的使用費用則完全由網絡運營商根據網絡使用的度量計費方式進行收費。沒有將計算資源和網絡資源的使用協調組合進行度量計價, 也沒有針對短時間使用云計算服務的度量計價方式。

7 結束語

算力網絡可為用戶提供基于網絡的算力資源服務,算力網絡的不斷建設和應用將為用戶提供更為便利的信息通信基礎設施?；诰W絡5.0的重疊網形態算力網絡目前還處在研究推進階段,挑戰和機會并存。但有理由相信,經過業界研究人員的不斷創新和努力,不久的將來,使用算力資源就如同使用電和水一樣按需便利。