面向6G需求的算力網(wǎng)絡技術

何濤　曹暢　唐雄燕　李銘軒　李建飛

【摘? 要】首先闡述了6G時代中算力網(wǎng)絡存在的意義，并簡要說明了算力網(wǎng)絡分層結構，然后，結合算力網(wǎng)絡（CPN）控制技術，詳細說明了分布式控制及集中式控制的工作原理，并對算力網(wǎng)絡中的異構計算資源納管進行了描述，最后詳細分析了整個算力網(wǎng)絡分層架構中各層的作用及構成，并對算力網(wǎng)絡未來的發(fā)展進行了總結與展望。

【關鍵詞】算力網(wǎng)絡;分布式控制;集中式控制;異構計算資源

0? ?引言

2019年是5G元年，雖然全球5G商用已經(jīng)起步，但是5G相比于4G的殺手級應用尚未脫穎而出，整個社會對于5G的應用有待挖掘。與此同時，世界上對于6G技術的研究也已起步，雖然5G的明天及6G世界的藍圖尚未明確，但可以預見，在未來社會，尤其是步入到6G社會時，數(shù)字化程度日益增強，終端連接數(shù)量日益增多，數(shù)據(jù)驅(qū)動全球化日益加快等，許多人們期盼的服務，比如可穿戴設備和自動駕駛等，都將非常依賴實時的數(shù)據(jù)處理及超大容量的設備連接。6G時代，通信及其相關技術的發(fā)展將遠遠超過5G時代，包括泛在連接、泛在計算、數(shù)字孿生網(wǎng)絡及區(qū)塊鏈網(wǎng)絡等，將使我們的日常生活更加便利和安全，也將顯著地提高商業(yè)的效率，這一切都將以6G時代強大的信息處理能力，即算力為基礎。

1? ? 算力網(wǎng)絡概述

由于工藝的約束，單芯片的算力在5 nm之后將接近頂峰，傳統(tǒng)集約化的數(shù)據(jù)中心算力和智能終端的算力可增長的空間也面臨極大挑戰(zhàn)，為了滿足未來6G時代整個社會對信息處理的巨大算力需求，需要將大量閑散算力進行統(tǒng)一管理和調(diào)度，通過網(wǎng)絡將閑散計算資源節(jié)點連接在一起，再通過網(wǎng)絡的方式將計算資源提供給需要的應用和服務，供用戶使用。這種基于網(wǎng)絡匯聚計算資源，對算力進行統(tǒng)一管理和調(diào)度，為上層業(yè)務提供算力服務，并最終為用戶提供應用的系統(tǒng)，我們稱之為算力網(wǎng)絡[1]。

如圖1所示，算力網(wǎng)絡自下而上，可分為基礎設施層、平臺資源層和業(yè)務應用層?；A設施層將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源等基礎設施進行整合，以虛擬機或者容器的方式為上層提供業(yè)務承載，并可將閑散資源以服務的形式提供給最終用戶;平臺資源層在基礎設施層支撐的基礎上進行能力構建，一方面對下層進行管理和調(diào)度，一方面以組件的方式為上層應用提供服務;業(yè)務應用層以應用軟件的方式為用戶提供最終服務，并通過對下層能力及資源的調(diào)用來實現(xiàn)其業(yè)務功能。

2? ?算力網(wǎng)絡控制技術

算力網(wǎng)絡最終的目的是以應用服務的形式為用戶提供計算資源，而計算資源位于基礎設施層，物理位置一般也與用戶不同，這就需要借助網(wǎng)絡功能將用戶需要處理的任務傳送到計算資源處。在初始的網(wǎng)絡中，計算資源的位置及其具備的資源量，對于用戶和整個算力網(wǎng)絡來說都是未知的，需要借助通信報文作為載體，按照特定的協(xié)議在網(wǎng)絡中進行交互，完成計算資源信息的共享。

在TCP/IP的體系架構中，只要授權的計算資源IP可達，我們就可以認為這些計算資源是可用的，所以承載計算資源信息的通信協(xié)議可以位于網(wǎng)絡層之上（包括網(wǎng)絡層）的任意層，它們以網(wǎng)絡層協(xié)議為基礎，將計算資源信息基于IP報文進行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1? CFN協(xié)議的設計思路

算力網(wǎng)絡中可基于CFN（Computing First Network，計算優(yōu)先網(wǎng)絡）協(xié)議進行計算資源信息的控制分發(fā)，CFN協(xié)議的設計初衷是為了解決MEC部署復雜、效率低、資源復用率不高等問題，它使網(wǎng)絡能夠具備內(nèi)建計算業(yè)務動態(tài)路由的能力。CFN協(xié)議通過將計算資源狀況和網(wǎng)絡狀況作為路由信息發(fā)布到網(wǎng)絡，并基于虛擬的服務ID將計算任務報文路由到最合適的計算節(jié)點，可以達到用戶體驗最優(yōu)、計算資源利用率最優(yōu)、網(wǎng)絡效率最優(yōu)的目的。

CFN協(xié)議繼承了傳統(tǒng)標簽轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的設計思路，承載在IP網(wǎng)絡之上，在相鄰的支持CFN協(xié)議的路由器之間建立會話，并借助路由協(xié)議將獲取的計算資源信息發(fā)布給相鄰的CFN路由器，實現(xiàn)計算資源信息的全網(wǎng)擴散[2]。同時，CFN路由器根據(jù)不同的服務構建服務路由信息表，引導業(yè)務報文以服務ID為目的地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，從而以服務的方式實現(xiàn)分散計算資源的利用，如圖2所示：

2.2? CFN協(xié)議的工作原理

在算力網(wǎng)絡中，要實現(xiàn)計算資源信息的整合以及隨時隨地的計算資源信息使用，就必須完成信息的全網(wǎng)同步。CFN路由器負責本地計算資源信息的搜集，通過IP報文或者路由協(xié)議報文將信息進行全網(wǎng)擴散，所有的CFN路由器根據(jù)獲得的完整計算資源信息并結合網(wǎng)絡的拓撲信息在本地生成服務路由信息表，用于指導業(yè)務報文轉(zhuǎn)發(fā)，具體的實現(xiàn)流程及詳細闡述如下文所述。

例如，在圖3中，CFN路由器A和D連接了本地的計算資源節(jié)點，CFN路由器B和C負責網(wǎng)絡中A和D的連通。①CFN路由器A和D完成本地計算資源信息的搜集，搜集過程可以采用本地計算資源節(jié)點將計算資源信息注冊給CFN路由器的方式，也可以采用CFN路由器周期性的進行信息采集的方式;②CFN路由器A和D將計算資源信息承載在IP協(xié)議或者路由協(xié)議中，發(fā)布給網(wǎng)絡中的其它CFN路由器，實現(xiàn)信息的全網(wǎng)共享;③CFN路由器根據(jù)獲取到的全網(wǎng)信息，并結合通過路由協(xié)議了解到的網(wǎng)絡拓撲，在本地生成服務路由信息表，以指導業(yè)務報文的轉(zhuǎn)發(fā)。

特別需要指出的是，在圖3中，路由器B和C作為中轉(zhuǎn)路由器，可以不必支持CFN協(xié)議，因為計算資源信息是承載在IP協(xié)議或路由協(xié)議中，B和C只需要將攜帶計算資源信息的IP報文或者路由協(xié)議報文進行轉(zhuǎn)發(fā)，而對于報文中的CFN相關信息不進行解析。

2.3? 集中式控制

隨著IT技術的發(fā)展，各類應用層出不窮，而不同應用對計算資源的需求側重點會有所不同，例如二維圖片的處理對CPU要求更高、視頻和AI的處理對GPU的要求更高、網(wǎng)絡報文的處理對NPU的要求更高等。根據(jù)不同的應用服務及所需計算資源的不同，在算力網(wǎng)絡路由器上會生成不同的服務路由信息條目，每臺算力網(wǎng)絡路由器上的每條服務路由信息條目都會根據(jù)計算資源需求的不同指導轉(zhuǎn)發(fā)。

當應用服務數(shù)量巨大，網(wǎng)絡規(guī)模龐大時，每臺路由器針對每個應用服務都需要獲取全網(wǎng)信息后再獨立進行路徑的計算，此時，整個網(wǎng)絡維護工作量是無法接受的，而且目前對于CFN協(xié)議關于匯聚、IGP與BGP之間的交互以及AS之間的交互細節(jié)研究尚未成熟，所以為了算力網(wǎng)絡運行的可行性，我們需要對算力網(wǎng)絡進行統(tǒng)一的管理，將信息的同步及路徑的計算集中化，將服務路由信息表項完成計算后再下發(fā)給路由器，路由器只負責數(shù)據(jù)層面的業(yè)務報文轉(zhuǎn)發(fā)，這與SDN的思想是一致的[3]。

前文所描述的CFN協(xié)議是基于分布式架構的，集中式架構與分布式架構的不同在于路由器之間不需要直接通信，也不需要通過本地計算生成服務路由信息表，只需要根據(jù)算力網(wǎng)絡控制器的下發(fā)表項，在本地生成表項指導轉(zhuǎn)發(fā)即可。在集中式架構的設計中，為了確定是將計算資源信息直接發(fā)送給算力網(wǎng)絡控制器，由算力網(wǎng)絡控制器統(tǒng)一進行計算，還是沿用在分布式架構中的思想，將計算資源信息發(fā)送給路由器，再由路由器發(fā)送給算力網(wǎng)絡控制器的方式，我們考慮到，相比路由器，計算資源節(jié)點數(shù)量龐大，如果每一個計算資源節(jié)點都需要與算力網(wǎng)絡控制器進行通信，那么對于算力網(wǎng)絡控制器來說壓力過大，所以，最終我們采用的是路由器繼續(xù)承擔計算資源信息搜集的責任，詳細的集中式控制架構下工作流程如圖4所示[4]。

①路由器A和D完成本地計算資源信息的搜集，搜集過程可以采用本地計算資源節(jié)點將計算資源信息注冊給路由器的方式，也可以采用路由器周期性的進行信息采集的方式;②路由器A和D將計算資源信息承載在IP協(xié)議或者路由協(xié)議中，發(fā)布給算力網(wǎng)絡控制器;③算力網(wǎng)絡控制器根據(jù)完整的計算資源信息，結合完成的網(wǎng)絡拓撲計算，生成服務信息流表;④算力網(wǎng)絡控制器將服務信息流表下發(fā)給路由器A和D;⑤路由器A和D根據(jù)接收到的算力網(wǎng)絡控制器信息，在本地生成服務信息流表用于指導業(yè)務報文的轉(zhuǎn)發(fā)。

3? ?異構計算資源的統(tǒng)一管理

在互聯(lián)網(wǎng)剛剛興起的時候，網(wǎng)頁訪問應用占據(jù)主導，訪問量也十分有限，一般一個網(wǎng)站租用幾臺服務器就可以滿足大部分時間的業(yè)務訪問，但隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在21世紀初期，越來越多網(wǎng)絡應用興起，各互聯(lián)網(wǎng)公司為了業(yè)務的發(fā)展，需要投入大量的成本采購硬件設備，同時也要求提高運營效率，節(jié)約能源，以降低經(jīng)濟成本和空間浪費，從而促使VMware和OpenStack為代表的虛擬化技術應運而生。移動互聯(lián)網(wǎng)以及電子商務的進一步飛速發(fā)展，對于云計算服務的要求進一步提升，容器技術則以其輕量化和靈活性，在大規(guī)模突發(fā)訪問量的場景下逐漸替代了高資源消耗的虛擬機技術。所以，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今，鑒于各自適用的場景，裸機（物理機）、虛擬機、容器則成為云計算中提供計算服務的三種主流形式[5]。

用戶獲取算力時，并不關心底層的硬件資源形態(tài)以及調(diào)用計算資源的操作系統(tǒng)，只關心能夠隨時隨地方便地使用算力，所以在算力網(wǎng)絡中，需要一個能夠承上啟下的中間層，對于下層，它能將各種形態(tài)的計算資源歸一化，能與各種操作系統(tǒng)及平臺對接，對于上層，它能將算力信息無差別的上報[6]。

網(wǎng)絡協(xié)議負責計算資源信息的傳播，其本身并無法直接承擔與計算資源進行通信的角色，所以我們考慮在網(wǎng)絡層之下構建一個組件來與底層計算資源進行交互，并由這個組件將計算資源信息編碼加載到網(wǎng)絡協(xié)議報文中，這個中間層被稱之為算力網(wǎng)絡代理層。如圖5所示，算力網(wǎng)絡代理層與目前主流的云平臺及操作系統(tǒng)進行信息交互，通過云平臺或操作系統(tǒng)獲取計算資源信息，然后進行信息編碼，交由上層網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)布，從而實現(xiàn)異構計算資源的統(tǒng)一管理[7]。

4? ?算力網(wǎng)絡架構

如圖6所示，算力網(wǎng)絡從底層硬件獲取計算資源，通過資源整合、網(wǎng)絡分發(fā)、算力提取，最終通過算力共享平臺為用戶提供應用服務，自下而上可分為基礎設施層、平臺資源層和業(yè)務應用層[8]。

基礎設施層是所有上層的基礎，包括服務器、存儲、網(wǎng)絡設備等硬件設備以及在硬件設備基礎上部署的主機操作系統(tǒng)、云操作系統(tǒng)及虛擬化網(wǎng)絡功能等。從物理位置上講，它不僅包括一個機柜、一個機房的物理設施，而且涵蓋了一個數(shù)據(jù)中心以及多個數(shù)據(jù)中心的跨地域資源整合，通過網(wǎng)絡提供通信確保分布式部署以及提供計算資源信息分發(fā)功能，為上層提供整體的計算能力。

平臺資源層為業(yè)務應用層算力網(wǎng)絡共享平臺提供能力整合，在這一層完成計算資源的能力化，直接提供給業(yè)務應用層的應用進行使用。在平臺資源層部署的控制器是為了實現(xiàn)路由器的集中控制，并通過算力網(wǎng)絡編排系統(tǒng)，完成算力網(wǎng)絡的資源編排以及資源調(diào)度，并通過在編排系統(tǒng)中進行策略設置，實現(xiàn)計算資源的優(yōu)選。

業(yè)務應用層是直接為用戶服務的一層，算力共享平臺完成從平臺資源層的算力獲取，無差別地為應用提供服務。各類業(yè)務應用可以采取應用商店的模式在算力共享平臺中部署，例如視頻、游戲、VR、大數(shù)據(jù)及AI等。業(yè)務因共用層實現(xiàn)了整個算力網(wǎng)絡的可視化，為用戶提供友好的UI界面，用戶基于應用對算力進行使用，并可在算力共享平臺上實現(xiàn)算力交易。

5? ?結束語

基于對6G時代泛在計算的構想，算力網(wǎng)絡旨在打造CPaaS（Computing Power as a Service，算力即服務）的統(tǒng)一化應用平臺，使用戶能夠便利地以服務的形式隨時隨地獲取所需的計算資源，而不需要關注計算資源實際的物理位置。

目前，在整個算力網(wǎng)絡體系中，還存在未完全標準化的細節(jié)，例如，計算資源涉及不同類型的算力，并且對于不同物理距離的計算資源，計算能力的大小與網(wǎng)絡資源的優(yōu)劣有著很大的關系，所以完善的計算資源度量還未形成統(tǒng)一的標準，從某種意義上來說還不是絕對的準確，這需要隨著應用與算力更為緊密的結合，實際應用的不斷增多才能逐步完善。

綜上所述，雖然算力網(wǎng)絡目前還在不斷發(fā)展完善中，但是可以預見，算力網(wǎng)絡是未來6G時代數(shù)字化信息社會不斷向前發(fā)展的要求，人們對于未來信息的述求不再是純粹的單向獲取，而是逐步演變?yōu)榻?jīng)過信息輸入、信息處理、信息返回過程形成的雙向信息交互。整個網(wǎng)絡的發(fā)展，也由目前的云網(wǎng)融合逐步演變?yōu)樗憔W(wǎng)融合，隨著通信、IT技術的不斷發(fā)展，算力網(wǎng)絡會不斷完善，在不遠的將來必定會成為數(shù)字化信息社會的重要基石。

參考文獻：

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[3]? ? ?唐雄燕，馬季春，曹暢，等. 中國聯(lián)通169網(wǎng)絡SDN化改造的成果與經(jīng)驗[J]. 移動通信， 2019（7）： 2-6.

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[8]? ? IETF. IETF RFC 7426： Software-Defined Networking （SDN）： Layers and Architecture Terminology[S]. 2015.

作者簡介

何濤（orcid.org/0000-0001-6993-0570）：

高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，主要從事云化網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡相關技術研究工作。

曹暢：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院未來網(wǎng)絡研究部高級專家、智能云網(wǎng)技術研究室主任，主要研究方向為IP網(wǎng)寬帶通信、SDN/NFV、新一代網(wǎng)絡編排技術等。

唐雄燕：教授級高級工程師，博士，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院首席科學家，中國聯(lián)通智能網(wǎng)絡中心總架構師，“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，兼任北京郵電大學兼職教授、博士生導師，工業(yè)和信息化部通信科技委委員，中國通信學會信息通信網(wǎng)絡技術委員會副主任，中國通信標準化協(xié)會物聯(lián)網(wǎng)技術委員會副主席，中國光學工程學會光通信與信息網(wǎng)絡專家委員會主任，中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會標準工作委員會副主任，主要研究方向為寬帶通信、互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)、新一代網(wǎng)絡等，主持了企業(yè)許多重大技術工作，擔任過多個國家級科研課題的負責人。