算力網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)探索應(yīng)用實(shí)踐

李梓萌，許耀順，陳迎春，潘 葉

（中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

算力網(wǎng)絡(luò)是以算為中心、網(wǎng)為根基，網(wǎng)、云、數(shù)、智、安、邊、端、鏈深度融合的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)“算力泛在、算網(wǎng)共生、智能編排、一體服務(wù)”的目標(biāo)，逐步推動算力成為與水電一樣，可“一點(diǎn)接入、即取即用”的社會級服務(wù)，達(dá)成“算力無所不在、網(wǎng)絡(luò)無所不達(dá)、智能無所不及”的愿景[1]。

隨著算力網(wǎng)絡(luò)的提出，通過打造智能網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)可編程特性和云原生輕量化計(jì)算特性，通過弱平臺+強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的方式，在平臺的集中控制之余，更多的嘗試通過網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)內(nèi)各種服務(wù)的合理調(diào)度和資源的有效配置。

1 算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 算力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

算力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)由上至下依次可劃分為三個層級：上層為運(yùn)營服務(wù)層，中間層為編排管理層，底層為基礎(chǔ)設(shè)施層。運(yùn)營服務(wù)層可提供統(tǒng)一運(yùn)營、能力封裝、能力開放和算力交易等功能，編排管理層可提供算網(wǎng)統(tǒng)一編排、算網(wǎng)智能化、數(shù)據(jù)湖、基礎(chǔ)算網(wǎng)管理以及人工智能引擎等功能，基礎(chǔ)設(shè)施層提供各種硬件，比如分布式算力設(shè)備、路由服務(wù)器、統(tǒng)一IP 的算網(wǎng)底座、全光底座等[2]。

1.1.1 運(yùn)營服務(wù)層

運(yùn)營服務(wù)層包含服務(wù)層、產(chǎn)品層、使能層，對外提供算網(wǎng)產(chǎn)品及服務(wù)，主要實(shí)現(xiàn)面向用戶的服務(wù)能力開放。

運(yùn)營服務(wù)層通過承載計(jì)算的各類服務(wù)及應(yīng)用，并可以將用戶對業(yè)務(wù)請求（包括算力請求等）參數(shù)傳遞給算力路由層。運(yùn)營服務(wù)層是算力網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)和能力提供平臺，通過將算網(wǎng)原子化能力封裝并融合多種要素，實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)產(chǎn)品的一體化服務(wù)供給，使客戶享受便捷的一站式服務(wù)和智能無感的體驗(yàn)。同時通過吸納社會多方算力，結(jié)合區(qū)塊鏈等技術(shù)構(gòu)建可信算網(wǎng)服務(wù)統(tǒng)一交易和售賣平臺，提供“算力電商等新模式，打造新型算網(wǎng)服務(wù)及業(yè)務(wù)能力體系。

1.1.2 編排管理層

編排管理層可理解為“算網(wǎng)大腦+手腳（控制器）”，算網(wǎng)大腦負(fù)責(zé)統(tǒng)一編排，“手腳”負(fù)責(zé)對算、網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度控制。編排管理層是算力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度中樞智慧內(nèi)生的算網(wǎng)大腦是編排管理層的核心。通過將算網(wǎng)原子能力靈活組合，結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)等技術(shù)，向下實(shí)現(xiàn)對算網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一編排、智能調(diào)度和全局優(yōu)化，提升算力網(wǎng)絡(luò)效能，向上提供算網(wǎng)調(diào)度能力接口，支撐算力網(wǎng)絡(luò)多元化服務(wù)。

1.1.3 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包括橫向入云、云間、云內(nèi)三段網(wǎng)，云、邊、端三級算等。基礎(chǔ)設(shè)施層通過解決包括算力度量、算力抽象、算力卸載等算力技術(shù)，G-SRv6、智享WAN、OXC、400G 等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，算力路由、在網(wǎng)計(jì)算等算網(wǎng)一體原創(chuàng)技術(shù)，打造靈活敏捷、算網(wǎng)融合、智能高效的算網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

算網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施層是算力網(wǎng)絡(luò)的堅(jiān)實(shí)底座，以高效能、集約化、綠色安全的新型一體化基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，形成云邊端多層次、立體泛在的分布式算力體系，滿足中心級、邊緣級和現(xiàn)場級的算力需求。網(wǎng)絡(luò)基于全光底座和統(tǒng)一IP 承載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云邊端算力高速互聯(lián)，滿足數(shù)據(jù)高效、無損傳輸需求。用戶可隨時、隨地、隨需地通過無所不在的網(wǎng)絡(luò)接入無處不在的算力，享受算力網(wǎng)絡(luò)的極致服務(wù)。

1.2 算力網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)

在功能架構(gòu)方面，算力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了3 層架構(gòu)：包含能力開放中心、智能編排中心以及算網(wǎng)接入能力底座。通過業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)、模型驅(qū)動、智能編排、泛在調(diào)度等技術(shù)，協(xié)同調(diào)度算網(wǎng)各域資源實(shí)現(xiàn)靈活高效的算網(wǎng)一體化編排。構(gòu)建算網(wǎng)能力開放中心，開放算網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)能力，為用戶提供社會算力并網(wǎng)、任務(wù)式訂購、全局負(fù)載均衡、算網(wǎng)解決方案、算網(wǎng)自助服務(wù)等能力。構(gòu)建算網(wǎng)智能編排中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源和算力資源的統(tǒng)一設(shè)計(jì)、編排，實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)融合類業(yè)務(wù)的一體化、智能化調(diào)度開通管理。算網(wǎng)接入底座實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)資源以及各應(yīng)用能力資源的統(tǒng)一接入與控制，并提供對算網(wǎng)服務(wù)容器化部署調(diào)度的支持。接入底座北向開放標(biāo)準(zhǔn)API 能力，智能編排中心通過算網(wǎng)接入底座對算網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行操作，包括接入、感知、度量、控制、可視各個環(huán)節(jié)中涉及的全部操作需求[3]。

2 算力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 模塊化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的應(yīng)用單一化、所有代碼混合在一起導(dǎo)致應(yīng)用包很大，使得運(yùn)維成本很高，應(yīng)用的升級也必須在半夜進(jìn)行，無法做到白天升級，無縫升級。而相對于傳統(tǒng)應(yīng)用，現(xiàn)行的應(yīng)用采用了微服務(wù)的思想，按照專業(yè)、模塊進(jìn)行了拆分。各個模塊單獨(dú)部署，單獨(dú)運(yùn)行，模塊之間通過服務(wù)接口進(jìn)行通信。模塊化拆分使得整體業(yè)務(wù)進(jìn)行了解耦，相對于業(yè)務(wù)流很大的應(yīng)用可以部署多個節(jié)點(diǎn)或者增加主機(jī)資源，極大程度的提高了業(yè)務(wù)的性能。由于各個模塊之間是單獨(dú)部署的，所以當(dāng)某個模塊需要升級代碼時只需要停止當(dāng)前應(yīng)用，其他模塊正常使用[4]。

2.2 應(yīng)用與服務(wù)解耦

系統(tǒng)應(yīng)用對前端、后端進(jìn)行了分離，使得開發(fā)過程中人員分工更加明確，提高了開發(fā)效率，也提高了代碼質(zhì)量。同時前端、后端單獨(dú)部署運(yùn)行，在有限的資源中提高了各自的性能，給業(yè)務(wù)進(jìn)行了再一次的解耦。

前后端通過服務(wù)接口進(jìn)行通信，前端框架的提升和后端框架的提升互不干擾，也提高了應(yīng)用的健壯性。在前后端徹底分離解耦這一時期，前端的范圍被擴(kuò)展，controller 層也被認(rèn)為屬于前端的一部分。在這一時期，前端：負(fù)責(zé)View 和Controller 層。服務(wù)端（后端）：只負(fù)責(zé)Model 層，業(yè)務(wù)/數(shù)據(jù)處理等[5]。一般服務(wù)端人員對前端HTML 結(jié)構(gòu)不熟悉，前端人員也不懂后臺代碼，controller 層采用node.js 的功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，node.js 適合運(yùn)用在高并發(fā)、I/O 密集、少量業(yè)務(wù)邏輯的場景。最重要的一點(diǎn)是，前端不用再了解其他的語言了，對前端來說，上手效率大大提高。

2.3 數(shù)據(jù)與應(yīng)用解耦

隨著用戶規(guī)模與使用量劇增，服務(wù)器的負(fù)載也跟隨急劇提高，此時通過優(yōu)化代碼提高系統(tǒng)的負(fù)載能力已經(jīng)無能為力。需要將應(yīng)用邏輯和數(shù)據(jù)存儲拆分開來，通過應(yīng)用與數(shù)據(jù)的分離解耦，使系統(tǒng)具備水平線性的低成本擴(kuò)展能力，這樣做不僅提高了單機(jī)的負(fù)載能力，也提高了整個系統(tǒng)的容災(zāi)能力。

通過引入Tomcat、MySQL、Cache 等技術(shù)組件實(shí)現(xiàn)可云化的應(yīng)用與數(shù)據(jù)分離的技術(shù)架構(gòu)。應(yīng)用與數(shù)據(jù)分離后將形成應(yīng)用服務(wù)層、分布式數(shù)據(jù)訪問層、分布式數(shù)據(jù)存儲層三層架構(gòu)。

3 算力網(wǎng)絡(luò)的軟件結(jié)構(gòu)層次

3.1 接入層

NGINX+Keepalive：利用NGINX 反向代理實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，并使用Keepalive 實(shí)現(xiàn)兩臺NGINX 間的主備切換。

SLB/F5：利用SLB/F5 實(shí)現(xiàn)應(yīng)用負(fù)載均衡。在具體部署時負(fù)載均衡也可考慮使用其他技術(shù)替代。

API Gateway：統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)主要基于SpringCloud Gateway 來實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)需要實(shí)現(xiàn)用戶瀏覽器訪問以及外系統(tǒng)的API 調(diào)用兩種方式。因此在開發(fā)里，需要基于SpringCloud Gateway 的Filter 技術(shù)實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)功能。同時需要開發(fā)頁面提供調(diào)用監(jiān)控功能。

3.2 表現(xiàn)層

React：React 是用于構(gòu)建用戶界面的JavaScript 庫，起源于Facebook 的內(nèi)部項(xiàng)目，起初用于架設(shè)Instagram的網(wǎng)站，目前已經(jīng)成為使用最廣泛的前端框架?；赗eact 框架開發(fā)前端頁面，并實(shí)現(xiàn)前后端分離部署。

Echarts：ECharts 基 于html5Canvas，是 一 個 純JavaScript 圖表庫，提供直觀，生動，可交互，可個性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表。創(chuàng)新的拖拽重計(jì)算、數(shù)據(jù)視圖、值域漫游等特性大大增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，賦予了用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、整合的能力。

ECharts 最初由百度團(tuán)隊(duì)開源，目前已由Apache 基金會管理。主要使用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖表（柱狀圖、餅圖、折線圖等）展示功能。

AntV：主流開源數(shù)據(jù)可視化技術(shù)生態(tài)，包含G2、G6、X6、F2、L7 以及一套完整的圖表使用和設(shè)計(jì)規(guī)范，豐富的生態(tài)系統(tǒng)+社區(qū)活躍度高+開箱即用。

3.3 應(yīng)用層

CaffeineCache：Caffeine 是基于Java8 的高性能緩存庫，接近最優(yōu)的緩存庫，Spring5 官方默認(rèn)采用，性能較其他高2 倍不止。

Spring：Spring 技術(shù)是當(dāng)前使用最廣泛的后端技術(shù)框架與組件，主要使用SpringMVC 實(shí)現(xiàn)Controller 層，SpringAOP 實(shí)現(xiàn)事務(wù)控制。應(yīng)用以SpringBoot 模式構(gòu)建，使用SpringCloud 作為微服務(wù)框架。

SFL4J+Logback：由于log4j 近期出現(xiàn)安全問題，因此采用SFL4J+Logback 作為日志框架。

GID：由于MySQL 本身不具備序列提供的能力，同時存在多個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要提供全局序列。由GID 負(fù)責(zé)提供全局序列服務(wù)。

3.4 平臺層

RocketMQ：是阿里開源技術(shù)，目前最流行的、能力強(qiáng)勁的開源消息總線，可內(nèi)嵌到Spring 系統(tǒng)中，同時支持多種傳送協(xié)議。

Nacos：阿里巴巴的一個開源的項(xiàng)目，通過一組簡單的特性集，Nacos 能夠幫助用戶實(shí)現(xiàn)服務(wù)動態(tài)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)配置、服務(wù)元數(shù)據(jù)及流量管理。Nacos 主要提供三種功能，分別是服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)、動態(tài)配置服務(wù)和動態(tài)DNS 服務(wù)。

ZooKeeper：一個分布式的、開放源碼的分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)，是Google 的Chubby 一個開源的實(shí)現(xiàn)，是Hadoop 和Hbase 的重要組件。它是一個為分布式應(yīng)用提供一致性服務(wù)的軟件，提供的功能包括：配置維護(hù)、域名服務(wù)、分布式同步、組服務(wù)等。

ELK：elastic 公司提供的一套完整的日志收集以及展示的解決方案，是三個產(chǎn)品的首字母縮寫，分別是ElasticSearch、Logstash 和Kibana。ElasticSearch 簡 稱ES，它是一個實(shí)時的分布式搜索和分析引擎，它可以用于全文搜索，結(jié)構(gòu)化搜索以及分析。它是一個建立在全文搜索引擎ApacheLucene 基礎(chǔ)上的搜索引擎，使用Java 語言編寫。Logstash 是一個具有實(shí)時傳輸能力的數(shù)據(jù)收集引擎，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、解析，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給ES。Kibana 為Elasticsearch 提供了分析和可視化的Web 平臺。它可以在Elasticsearch 的索引中查找，交互數(shù)據(jù)，并生成各種維度表格、圖形。

3.5 存儲層

MySQL：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，資源模塊、采集模塊以及運(yùn)營模塊使用MySQL 作為數(shù)據(jù)庫。

InfluxDB：InfluxDB 是一個由InfluxData 開發(fā)的開源時序型數(shù)據(jù)。它由Go 寫成，著力于高性能地查詢與存儲時序型數(shù)據(jù)。InfluxDB 被廣泛應(yīng)用于存儲系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，告警實(shí)時數(shù)據(jù)等場景。使用Influx 記錄性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，用于歷史指標(biāo)查詢、分析場景。

Kafka：是一種分布式隊(duì)列，相對于RocketMQ、ActiveMQ 等常見隊(duì)列技術(shù)，具備更高效的特點(diǎn)，在指標(biāo)數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)等大規(guī)模數(shù)據(jù)場景下更為適用。因此采用Kafka 作為分布式隊(duì)列技術(shù)作為消息中心。

Redis：Redis 是一款目前使用最廣泛的開源分布式緩存，使用ANSIC 語言編寫、遵守BSD 協(xié)議、支持網(wǎng)絡(luò)、可基于內(nèi)存、分布式、可選持久性的鍵值對（Key-Value）存儲數(shù)據(jù)庫，并提供多種語言的API。使用Redis作為分布式緩存，用于存儲共享Session、資源實(shí)例、工單過程數(shù)據(jù)等。

4 算力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

通過算力網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)在5G 時代通過“聯(lián)接+計(jì)算”的經(jīng)營模式擺脫以管道模式為代表的流量經(jīng)營，可在社會、行業(yè)和家庭等場景發(fā)揮重要作用[6]。

4.1 社會應(yīng)用

算力網(wǎng)絡(luò)可提供基于數(shù)據(jù)、計(jì)算、智能、綠色、網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的新型共享服務(wù)模式，廣泛服務(wù)于智能科學(xué)模擬、數(shù)字化政府治理、平臺型算力共享等場景，提供安全可信的服務(wù)保障。

4.2 行業(yè)應(yīng)用

算力網(wǎng)絡(luò)通過深度融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生等技術(shù)要素，全面助力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。如智慧交通、智慧醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等場景。

4.3 家庭應(yīng)用

算力網(wǎng)絡(luò)可以通過極致可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，協(xié)同調(diào)度云計(jì)算、邊緣計(jì)算、智能終端等多級算力，以更高的算力性能和更低的終端成本，實(shí)現(xiàn)算力對應(yīng)用的加持，為家庭提供智能化、沉浸式服務(wù)內(nèi)容和體驗(yàn)。如VR 互動、云游戲、新媒體直播、家庭安防等場景。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代的到來，我國需要將自己打造成為一個網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國，這樣才能夠更好地進(jìn)行戰(zhàn)略部署工作，有效利用信息技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的建設(shè)，這樣能夠在很大程度上提升我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平，更好地去進(jìn)行需求的創(chuàng)造，利用算力網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)字時代的開展。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢來創(chuàng)造數(shù)字經(jīng)濟(jì)的美好未來，實(shí)現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高效運(yùn)用。