一種面向計算的網絡模態——算力網絡模態探討

林睿，邢文娟，雷波

工程與應用

一種面向計算的網絡模態——算力網絡模態探討

林睿1，邢文娟2，雷波2

（1.中國電信集團有限公司，北京 100033；2.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

新型計算類應用對通信網絡提出新的挑戰，傳統的網絡無法滿足新型業務靈活部署、定制化服務、安全可信等需求。多模態網絡作為一種網絡技術與支撐環境分離的發展范式，為支撐各類新型應用的差異化需求提供了新的解決思路。針對多模態網絡中面向計算的業務需求，結合算力網絡發展態勢，探討了一種面向計算的網絡模態，即算力網絡模態。首先探討了算力網絡模態的設計，然后對算力網絡模態的關鍵技術進行了分析，最后對算力網絡模態的應用場景進行了展望。希望本文的探索能為面向計算的多模態網絡應用的未來研究和發展提供借鑒。

多模態網絡；算力網絡模態；關鍵技術

0 引言

現階段新型互聯網業務層出不窮，這對網絡服務能力提出了更高要求，如多元化、超低時延、超高帶寬、高可靠性等。然而，傳統的網絡模式存在IP地址單一承載、網絡結構僵化、未知威脅難以抑制等基礎性問題，這類“IP瘦腰”問題導致傳統網絡已經不能滿足日新月異的應用需求，發展新型網絡技術成為國家級發展戰略以及產學研業界的迫切需求[1-2]。為打破當前網絡發展困境，我國鄔江興院士團隊提出了一種新型網絡架構——全維可定義的多模態智慧網絡，其具備多模態功能呈現、全方位覆蓋、全業務承載、智慧化管理控制和內生安全等特性，支持互聯網的演進式發展，從根本上滿足網絡智慧化、多元化、個性化、高穩健、高效能的業務需求[3-4]。多模態網絡體系所具備的特質包括：通過全維可定義技術打破傳統網絡剛性架構，對開放網絡架構下的軟硬件、協議、接口、芯片全維可定義；通過多模態尋址路由技術可實時分析用戶需求、網絡狀態并在數據傳輸過程中智能按需進行標識空間切換，從根本上解決傳統網絡只能通過IP地址進行標識的瓶頸問題[5]；網絡智慧化管理控制技術能夠構建“感知?決策?適配”一體的智能管控閉環；基于動態異構冗余的內生安全結構，能夠從根本上抑制隨機失效和人為擾動，獲得網絡內生安全效應。

信息通信基礎設施向地球空間智聯網絡、云網算融合方向轉型已成為產業界廣泛共識[6-7]，這些新技術方向對多模態網絡提出了需求。6G支持面向多樣化應用場景的多元無線空口體制[8]，這與多元化的網絡體制生態具有相似性，多模態網絡環境加速構建6G網絡多元化技術體質新生態[9]。采用云網融合、算力網絡（computing power network）等技術高效調度算力已成為面向計算類應用場景的迫切需求，也是解決算力孤島、算力資源利用率低等難題，優化算力需求結構的有效手段[10]。然而，算力網絡中面向計算的不同業務場景對網絡的功能和性能存在差異化需求，需要多元化靈活自適應的網絡能力支撐，多模態網絡多元化的特性能夠滿足不同的算力業務需求。另外，基于多模態網絡的通用基礎底座實現算力網絡模態，能夠避免為搭建完全適配的專用網絡環境帶來的資源消耗。多模態網絡環境下的算力網絡模態研究具備一定的探討價值。

本文對多模態網絡中的一種面向計算的新型網絡模態，即算力網絡模態進行探討，認為算力網絡模態是多模態網絡環境中的一種網絡模態。針對面向計算的典型應用場景，探討算力網絡模態設計，包含算力網絡模態的需求、設計目標和功能框架，并探討算力網絡模態的關鍵技術。最后，對典型的算力網絡模態的應用場景進行了探討。

1 算力網絡模態設計

1.1 算力網絡模態需求

多模態網絡旨在支撐各類網絡技術體系以網絡模態的形式在物理環境上動態加載和運行，實現多種網絡模態在同一技術物理環境內的共生共存、獨立演進與變革、模態間隔離和內生安全功能[11]。各種網絡模態（網絡技術體制）以類似“應用插件”的形式快速部署（或撤收），按業務需求靈活選擇網絡模態，即插即用，在支持多元化業務方面存在獨特優勢[12]。凡是按照網絡技術體制、網絡所支持的行業應用、網絡的運維體系、網絡部署等方式定義的物理實體網絡，都可以抽象為一種能通過標準化軟/硬件接口運行的網絡模態[5]。移動網絡、身份標識網絡[13]、內容標識網絡[14]、地球剖分網絡[15]等各種網絡都可以用網絡模態的形式來描述，不同的網絡模態具有各自的協議體系、技術架構和適用范圍。例如，身份標識網絡模態面向接入（身份）標識通信，實現基于身份標識的尋址路由，可提升終端接入的靈活性，解決終端的移動性問題；內容標識網絡模態基于內容標識進行尋址路由，網絡設備中融入計算、存儲能力，使網絡數據靈活流動，為用戶提供高品質內容體驗。

另外，隨著元宇宙、虛擬現實類業務、ChatGPT等新型應用領域的發展，算力規模急速膨脹，對網絡的服務能力提出了全新的挑戰?，F有的網絡能力無法滿足算力資源池內部及外部的互聯需求，云網融合、算力成網成為兩者重要的演進趨勢。算力網絡技術將多級分布式算力依靠通信網絡無縫協同，為應用提供更便捷的算力調度方式[16]，實現算力供需結構優化，提高算力利用率，滿足各類算力協同調度需求，為用戶按需匹配所需算力資源[17]。

算力網絡模態是多模態網絡體系中的一種網絡模態，算力網絡模態與多模態網絡體系的關系[13]如圖1所示。算力網絡場景中的業務存在多樣化需求，如靈活部署需求、高通算力調度需求、超低時延需求等，僅以信息或數據的端到端傳送為目標的互聯網，已遠不能滿足其服務需求?；诙嗄B網絡的能力特性能夠為算力網絡中各類面向計算的應用提供差異化的服務，不同業務能夠靈活調用多模態網絡的各項軟/硬件能力，為用戶靈活提供最優算網服務。例如，多模態網絡中的全維可定義技術，能夠建立網絡功能全維度可定義的靈活、通用、開放架構，資源高效自動適配，通過網絡結構自組織靈活支撐各項算力業務需求；多模態尋址路由技術支持多樣化標識空間的定義與適配，而算力網絡模態以算力資源為網絡主體對象進行通信，其標識空間為算力資源標識（算力標識），在多模態網絡節點融入計算、存儲等算力能力，進行基于算力標識的尋址路由，實現以“算力”為中心的網絡能力流動，使用戶獲得高效的算力服務體驗。算力網絡模態與其他網絡模態共存時，應實現不同模態間、同一模態不同業務流量間按需高效隔離和高效傳輸，避免模態間資源依賴、競爭引起的性能下降。應考慮業務運行時端到端的隔離策略，研究通過相應的軟/硬件方式的隔離機制。值得說明的是，當前算力網絡技術的研究基本都基于IP的協議棧展開，本文認為基于IP協議棧的算力網絡模態與不基于IP協議棧的算力網絡模態，都屬于多模態網絡中算力網絡模態的研究范疇，兩種方式都具備有別于傳統互聯網的協議體系、適用范圍和尋址路由機制。

圖1 算力網絡模態與多模態網絡體系的關系[13]

1.2 算力網絡模態設計目標

在多模態網絡中，不同的網絡模態面向的網絡主體對象不同，例如IP標識模態面向身份和位置進行通信，地理空間標識模態面向地理區域進行通信，而算力網絡模態則面向算力資源進行通信?，F有算力網絡技術已有一些研究基礎，但在適配多模態網絡運行環境應有相應的升級、改造或補充。算力網絡模態主要考慮的設計目標如下。

（1）精細化算力服務

算力網絡模態應針對不同的計算類業務場景靈活提供相應的算力網絡服務切片，實現提供算力服務的精細化、多元化能力。通過多模態網絡環境，解耦原來業務側與資源側的綁定關系，精準解析用戶的業務需求，撮合用戶需求信息與算網資源信息，生成資源編排策略，精確地為用戶匹配最優的算網資源。

（2）智能化管控

算力網絡模態需要實現算網資源的智能化管理和協同調度?；谫Y源編排策略，智能執行資源調度，為用戶進行算力資源分配和網絡連接服務。另外，智能化管控還應包含智能運維管理，從而提高系統運維效率，降低網絡對人工運維管理的依賴。

（3）靈活算力路由

通過算力標識技術和基于算力標識的尋址路由技術，實現算力網絡模態下靈活的算力路由能力。算力標識用于在整個算力資源池中唯一地快速索引某個算力資源，滿足當前資源的唯一性和可溯源性?；谒懔俗R的尋址路由技術可靈活根據業務需求以及資源調度策略，為用戶建立到所需算力資源的網絡連接。

1.3 算力網絡模態的功能框架

將算力網絡模態的功能框架自上而下分為3層：服務層、管控層和資源層，算力網絡模態功能框架如圖2所示。具體如下。

圖2 算力網絡模態功能框架

（1）服務層

負責業務承載與資源編排。多模態網絡的服務層主要進行業務需求與算網資源的擬合。算力網絡的服務層面向差異化的計算類業務（如虛擬現實類、大科學計算類等），精準感知和解析業務需求，統籌算力資源和網絡資源，為業務按需生成資源編排策略。另外，算力網絡服務層還需實現安全策略等能力。傳統網絡中通過集中式管控平臺進行服務管理的方式[18]，其處理能力和可靠性需要依賴專有的平臺，且無法根據業務的類型以及業務需求進行差異化、精細化的資源適配。

（2）管控層

負責資源管理調度與尋址路由。算力網絡模態的管控層主要實現算網資源調度以及基于算力標識的尋址與路由。針對多元業務需求，算力標識體系可以有多種形式，如業務維度的算力標識、資源維度的算力標識等。管控層針對不同的業務特性，靈活承載其資源調度能力，基于算力標識體系進行算力資源的尋址路由。管控層還包含對算力資源以及網絡資源的注冊、更新、管理等，以及系統運維管理等能力。

（3）資源層

即多維融合資源等組成的基礎設施層。算力網絡模態的資源層包含多模態網絡設備的軟/硬件、拓撲、鏈路等網絡資源，以及云計算、邊緣計算等算力資源，支持多種終端接入、多種鏈路組網、異構接口協議接入，為多元化應用提供靈活、精細化的網絡組件和服務。其中，多模態網絡設備作為資源層的重要實體，提供標準化軟/硬件接口，支持算力網絡在內的多種網絡模態共生運行。通過通用的多模態網絡設備運行算力網絡模態能力，避免傳統算力網絡方案中專用算力網絡設備的新建或改造帶來的軟/硬件網絡資源消耗。

2 算力網絡模態關鍵技術

2.1 資源編排

資源編排技術屬于算力網絡模態功能框架中服務層的關鍵技術，是實現算力網絡模態精細化算力服務目標的重要技術之一。為滿足計算類業務差異化的服務請求，算力網絡模態服務層實現“業務感知—業務分析—資源編排”一體的服務能力。其中，資源編排技術以用戶業務需求為核心，基于對業務需求的實時感知和精確分析，以及算力能力、網絡能力、網絡路徑等的整合視圖，為業務制定適配的資源編排策略，以此來執行資源調度。

算力網絡模態實現資源編排需要實時感知業務需求和算網信息的變化，使用人工智能、大數據分析等技術快速分析當前的業務需求，結合全局算網資源融合視圖，生成業務適用的最佳算網資源編排策略，為算力網絡模態管控層執行資源調度提供能力基礎。資源編排技術能夠針對不同的計算類業務提供不同的算力服務切片，如AI類業務切片、視頻類業務切片等，為用戶提供極致的體驗。

2.2 資源調度

資源調度技術屬于算力網絡模態功能框架中管控層的關鍵技術，是實現算力網絡模態智能化管控目標的重要技術之一。資源調度技術以算力標識技術為基礎，根據資源編排策略進行算力資源和網絡資源調度，定位目標算力資源及網絡調度路徑，同時使用人工智能技術，解決人工預定的網絡路徑策略在復雜多變的網絡環境中不能靈活調整的問題。

資源調度技術主要執行算力資源調度和網絡連接調度：算力資源調度根據資源編排策略，基于算力標識定位目標算力資源，告知目標算力資源執行資源預留，更新算力資源信息數據，并根據業務需求變化進行彈性調整；網絡連接調度根據資源編排策略得到網絡連接需求，確認網絡路徑?；谫Y源調度能力，多模態網絡設備完成基于算力標識的路由轉發，建立用戶側到算力資源側的網絡連接，將業務流量路由到相應的資源節點供用戶使用。

2.3 尋址路由

尋址路由技術屬于算力網絡模態功能框架中管控層的關鍵技術，是實現算力網絡模態靈活算力路由目標的重要技術之一。多模態尋址路由技術通過實時需求分析靈活實現對網絡狀態、用戶需求、服務需求、安全需求的自動適配[5]。算力網絡模態根據資源調度策略，進行基于算力標識的尋址路由，最終為用戶提供高效、差異化的算力服務體驗。針對不同的多模態網絡域（單域、多域等）及算力網絡模態實現方案（集中式、分布式等），應考慮相應的尋址路由機制。

算力網絡模態下的多樣化算力資源都被分配了唯一的算力標識。在集中式尋址模式下，中心管控平臺整合了各類算力資源的標識信息，結合業務需求（如大規模通用算力、智能算力等）進行最優算力資源尋址。在分布式尋址模式下，接入側的多模態網絡設備可以根據業務需求進行基于算力標識的尋址流程?；谒懔俗R的尋址技術可以為業務精準定位到最佳算力資源?；谒懔俗R的尋址技術研究除考慮尋址流程外，還需要考慮尋址的報文格式和結構等?；谒懔俗R的路由機制根據不同的算力網絡模態實現方案，也可以有不同的實現方式。例如，可以基于集中的軟件定義網絡（software?defined?network，SDN）控制器進行路由策略下發與控制，也可以使用隨路或者分布式控制方式[11]。另外，基于算力標識的尋址路由技術還要考慮算力網絡模態架構下各元素（含多模態網絡設備）的功能要求及接口要求。

2.4 算力標識

算力標識技術屬于算力網絡模態功能框架中管控層的關鍵技術，是實現算力網絡模態靈活算力路由目標的重要技術之一。針對算力網絡模態下算力資源多級、異構、多樣性等特點，建立統一的算力標識方法，是實現異構計算資源協同管理、高效調度以及未來構建分層、分域管理的算力網絡模態的關鍵所在[19]。在算力網絡模態運行機制中，算力標識的主要作用是目標資源標識和尋址。當前業內還未形成對“算力標識”清晰明確的定義及技術要求。根據計算類業務的不同需求，算力標識可以有多種形式，如業務維度的算力標識、資源維度的算力標識等。業務維度的算力標識，可以由業務資源唯一標識符（或標識號）和業務資源屬性（如像素、幀率）等組成。資源維度的算力標識可以由算力資源節點的唯一標識符和資源節點的計算能力屬性（如算力類型、算力大小等）等組成。各種形式下的算力標識符都可用于唯一索引某個算力資源，滿足當前資源在整個異構算力資源池中的唯一性和可溯源性。

算力網絡模態下的算力標識體系，主要考慮算力標識的數據模型和算力標識的生成機制。算力數據模型定義了算力標識在網絡中傳遞的數據結構、數據格式等。在生成機制方面，由于目標資源往往根據算力資源使用方的算力資源需求來動態匹配，因此在算力網絡模態中，算力標識考慮動態生成。需要結合業務需求、算力網絡模態的運行機制及算力標識尋址機制設計適合的算力標識體系。

3 算力網絡模態應用場景

3.1 云化虛擬現實類場景

云化虛擬現實（virtual reality，VR）類業務是眾多信息技術相互融合的新型業務，將云計算、云渲染的理念及技術引入VR場景中，為用戶提供虛實結合的極致真實體驗。VR類業務往往對計算和網絡提出較高要求。例如，一些復雜的視頻或圖像實時處理類計算需要在云側完成，再將數據流傳送到終端，同時保證高質量畫面的傳輸交互，需要高帶寬、低時延、穩定的網絡來滿足業務需求。另外，VR業務需要進行實時圖像渲染、音頻處理等任務，為了滿足交互感、沉浸感的用戶體驗需求，需要大量的計算資源作為支撐，還需要使用高效的軟/硬件資源進行加速計算與渲染。

以VR弱交互類視頻場景為例，涉及的實體和系統主要包括VR終端、邊緣渲染系統、內容管理系統、算力資源等。算力網絡模態服務層負責解析VR業務需求，感知算網資源，并根據業務需求進行資源編排調度，為用戶選擇合適的內容源和目標算力資源。多模態網絡節點融入算力能力，根據任務流程進行基于算力標識的尋址路由和調度。服務層將內容源推送至目標算力資源，進行進一步的渲染及編碼推送流程。算力網絡模態能夠為用戶根據VR業務需求靈活選擇最優算力資源。

3.2 視聯網場景

視聯網業務是一種基于網絡技術實現的視頻監控系統，它使用視頻攝像機捕捉監控區域的實時圖像或視頻流，并將這些數據通過網絡傳輸到遠程監控中心或用戶的終端設備，以實現遠程監控、預警、管理等功能。視聯網業務對算力和網絡的需求主要體現在如下幾個方面：在視頻壓縮和編解碼階段，視頻監控需要將高清視頻流進行壓縮和編/解碼，以減少數據量，需要大量算力提供高效處理保障；在視頻傳輸和存儲階段，視頻監控需要將實時視頻流傳送到遠程平臺或者用戶設備，同時將視頻進行存儲，這都需要低時延、高速的網絡來提供保障；在視頻分析和處理階段，為了更好地管理與使用視頻數據，需要強大的算力支撐對視頻的分析。

視聯網業務通常包括視頻監控終端、網絡設備、存儲與計算資源、視頻管理平臺等組成部分。算力網絡模態中，服務層可根據視聯網不同的業務需求（如算力資源要求、數據溫冷熱類型等）制定相應的調度策略，匹配最優資源。當處理業務數據的算力資源出現不足時，通過服務層的整體編排和管控層、資源層的尋址路由能力，為視頻終端設備靈活選擇所需的算力資源。算力網絡模態可以為視聯網業務提供差異化的最優算力服務選擇，提升整體資源利用率，優化業務與資源的配置模式。

4 結束語

為解決多模態網絡支撐面向計算的業務應用問題，本文探討了一種面向計算的網絡模態（即算力網絡模態）的設計與應用構想，為多模態網絡中的算力網絡模態研究提供了一些初步的思路。但未來還有許多概念和技術需要繼續深入探討，例如，如何構建完善的算力網絡模態的協議體系、運行機制、標識體系等；如何考慮算力網絡模態的安全策略；算力網絡模態如何與其他網絡模態靈活切換等。諸多算力網絡模態研究問題仍需深入研究，這也是筆者接下來工作的主要方向。

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Discussion on a computation-orientednetwork modality——computing power network modality

LIN Rui1, XING Wenjuan2, LEI Bo2

1. China Telecom Group Co., Ltd., Beijing 100033, China 2. Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China

New computing applications present new challenges to communication networks, for example, traditional network cannot meet the demands of flexible deployment, customized services, security and trustworthiness of new services. As a development paradigm that separated network technology and supported environment, polymorphic network provided new solutions to support the differentiated demands of various new applications. A type of computation-oriented network modality namely computing power network modality was discussed, for the computation-oriented business requirements based on the development trend of computing power network. Firstly, the design of computing power network modality was investigated, then the key technologies of computing power network modality were analyzed. Finally, the application scenarios of computing power network were prospected. It is hoped that the discussion can provide a reference for the future research and development on application of computation-oriented polymorphic network.

polymorphic network, computing power network modality, key technology

The National Key Research and Development Program of China (No.2022YFB2901405)

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2023195

2023?04?18；

2023?09?30

國家重點研發計劃項目（No.2022YFB2901405）

林睿（1975? ），男，中國電信集團有限公司云網運營部副總經理、高級工程師，主要研究方向為云網融合、國際網絡規劃、區塊鏈、Web3技術等。

邢文娟（1989? ），女，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為未來網絡、云網融合、算力網絡等。

雷波（1980? ），男，中國電信股份有限公司研究院網絡技術研究所副所長、正高級工程師，主要研究方向為未來網絡、云網融合、算力網絡、新型IP網絡技術等。