算力感知网络技术白皮书

算力感知网络技术白皮书2019年11月中国移动China MobileHUAWEI 作者：中国移动研究院姚惠娟、耿亮、陆璐、段晓东华为技术有限公司杨小敏、庄冠华、顾叔衡 QNTENTS目录1.背景与需求.011.1数字化转型需要泛在的连接和算力011.2边绿计算助力算力从中心走向边缘.011.3功能原子化需要网络更加灵活的调度.021.4网络需要感知、互联和协同泛在的算力和服务.032.算力感知网络的体系概念与架构.042.1算力感知网络的概念.042.2算力感知网络的体系架构.042.3算力感知网络的意义与影均.063.算力感知网络的关键技术.073.1CFN减本架构073.2CFN路由协议.084.算力感知网络的部署与应用场景.114.1算力感知网络的部需场量114.2算力感知网络的典型应用场量.115.算力感知网络的关键技术验证.145.1集成测试.145.2功能测试..145.3性能测试..156.缩略语.167.参考文献.19 算力感知网络技术白皮书背量与需求01背景与需求1.1数学化转型需要泛在的连接和算力全球已经掀起行业数字化转型的浪潮，数字化是基础、网根据思科云指数[1]预测，截至2021年，接入网络的终络化是支撑、智能化是目标。智能化社会的一个典型特征端设备将大于500亿，每年产生数据达847ZB，其中超过即物理世界和数字世界的深度融合，未案数字世界通过50%的数据需要在网络边综侧分析、处理与存储。海量数IoT、AR等技术提供的传感器、执行器，与真实世界产生据的传输、分析和存储对传统网络和云计算提出了巨大挑互动。网络作为物理世界和数字世界连接的桥梁实现数据战，使云计算和网络面临“传不畅、算不动、存不下”的局面流动。网络连接的一侧是loT的传感器和执行器的IO，作驱动计算从云端下移到接近数据源的边综侧，形成网络中为物理世界和数字世界的接口产生海量数据，对网络提出分散的算力资源，在这样的趋势下，单个分散的站点资源更高带宽、更低时延、更强安全的需求；另一侧是人工智有限，难以保证服务质量，因此，网络在实现分散节点互能运算所需要的数据、算力、算法，实现数据价值化。联的同时，还需要具备网络和算力协同调度的能力，通过量优路径将业务动态地调度到量优的算力节点进行处理。1.2边缘计算助力算力从中心走向边缘从云计算、边缘计算的发展大趋势下，未来社会中会在靠算从中心走向边缘，如图1所示。面向未来工业互联网，近用户的不同距离遍布许多不同规模的算力，通过全球网人工智能等新兴业务，运营商需要端到端的网络平面的基络为用户提供各类个性化的服务。从百亿量级的智能终端，础上，借助边缘计算打造一张面向全连接的算力平面，形到全球十亿量级的家庭网关，再到每个城市中未来MEC成算力的全网覆盖，为垂直行业就近提供智能连接基础设带来的数干个具备计算能力的边缘云，以及每个国家数十施。在这个新的算力平面中，无处不在的现场级边缴计算个大型的云DC，形成海量的泛在算力从各处接入互联网，为用户提供驾能化接入和实时数据处理，实现业务的灵活形成计算和网络深度融合的发展趋势。接入，实现为数据生态的赋能：触手可及的网络边缴计算则就近为用户提供丰富的算力，承载人工智能、图像识边缘计算利用4G/5G、FTTx、企业专线等多种网络接入方别和规频染等新业务，实现为应用生态的赋能。丰富的式，在靠近数据源或用户的她方提供计算、存储等基础网络资源与算力资源将不断地融合互补，为垂直行业业务没施，并为边缴应用提供云服务和IT环境服务，助力计提供极致的用户体验。01 算力感知网络技术白皮书背量与需求集中云网络侧边缘计算现场边缘计算智能CPE用户届地..数据中心UPFUPFUPF企业CPE医士县城城网接入网能网关PTN产业互联网BRAS/BNG智微网关OLT省地市区县接入现场图1边缘计算部署示意图1.3功能原子化需要网络更加灵活的调度计算技术正在向着轻量化、动态化、应用解构成服务/功peering关系，而是需要考虑到距离的不同，以及网络状能的方向变化和发展，计算载体从虚拟机，发展到器以况的好坏。及unikernel，镜像大小由VM的GB级别，到容器的MB级别逐步降低到unikemel的KB级别，实例化时间由分钟级到秒级再到100ms级，变得更加轻量，启动更快，运行代价更小。此外随着微服务的发展，传统的client-server模式被解构，server侧的应用解构成功能组件布放在云平台上，由APIgateway统一调毫，可以做到按需动态实例化，服务器中的业务逻辑转移到cient侧，client只需要关心计算功能本身而无需关心server、虚拟机、容器等计算资源，从而实现functionasaservice。未来应用无需感知server，计算生命周期缩短、地点动态变化的趋势使得互联网架构的业务假设发生变化。其次，计算资源融入网络使得架构的拓扑慢设也要发生变化，传统互联网架构的基本拓扑抽象是端到端模型：网络在中间、计算在外围，主机通过网络实现逻辑虚拟的全连接。而边缴计算或者泛在计算的场景中，拓扑变成了计算嵌在网络中间从完成用户的计算任务的角度，嵌入的资源不再是对等的02 算力感知网络技术白皮书背量与需求1.4网络需要感知、互联和协同泛在的算力和服务目前边计算的部署中面临考各种排战，首先从网络角度上述问题的解决，并不能完全依巅于“计算”，由于缺少来看，计算与网络的协同，用户选择的即使是最近的资源，也不》边缘计算、乃至泛在计算的场景中，单个站点的算力一定是最好的。在网络和计算融合的大趋势下，需要网络资源有限，而边缘站点之间又互相不愿知，无法协同和计算高度协同，基于无处不在的连接，将泛在计算互联工作，计算任务不能被调度至最优边缴节点进行计算实现云、边、网高效协同，提高计算资源利用效率，进而"现有技术中计算任务一股通过集中式缩排层来管理，实现：但是集中式架构存在可扩展和调度性能问题保证用户体验一致性：网络可以感知无处不在的计管和服务，用户无需关心网络中的计算资源的位置和部其次，从业务需求角度来看，署状态，网络和计算协司调度保证用户的一致体验现有业务应用层和网络解揭，应用层无法精准、实时地服务灵活动态部署：网络基于用户的SLA需求，综合掌握网络的状态，以应用层为主的导址结果的综合性能考虑实时的网络资源状况和计算资源状况，通过网络可能不是最优，甚至比较差，造成网络负载不均衡，业灵活匹配、动态调度，将业务流量动态调度至最优节点，务不能被调度至最优达缘节点服务，导致业务体验差让网络支持提供动变的服务来保证业务的用户体验当前互联网的慢设是静态的Server加上移动的Client，业务基于DNS解析的IP导址，建立TCP/TLS会话的网因此，本白皮书提出一种墓于分布式系统的计算网络聪络模式，难以适应动态、微服务、泛在计算的无法保证合新架构—算力感知网络（CAN,Computing-aware边缘计算场景下用户体验的一致性，也难以发挥动态、Networking）以实现用户体验最优化、资源利用率最优化微服务、泛在计算的优势，不能保证计算效率最大化网络效率最优化。 算力感知网络技术白皮书算力感知同绪的体系抵念与架构02算力感知网络的体系概念与架构2.1算力感知网络的概念算力感知网络(CAN, Computing-aware Networking)是存储、算力等多维度资源的统一协同调度，使海量的应用应对算网融合发展趋势提出的新型网络架构，其基于无处能够按需、实时调用不同地方的计算资源，实现连接和算不在的网络连接将动态分布的计算资源互联，通过网络力在网络的全局优化，提供一致的用户体验。2.2算力感知网络的体系架构为了实现对泛在的计算和服务的感知、互联和协同调度，可管理和可控制。面对异构的计算资源，算力平台层算力感知网络架构体系从逻辑功能上可划分为算力服务首先通过算力建模对算力资源进行抽象描述和表示，层、算力平台层、算力资源层、算力路由层和网络资源层形成算力能力模版，并传递给相应的网络节点；另外，五大功能模块，如图2所示。基于网络无处不在的算力资还需要对算力资源进行性能监控，并将算力资源的性源，算力平台层完成对算力资源的抽象、建模、控制和兰理，能、故障等信息，通告给相应的网络节点。具体的，并通过算力通告模块酒知到算力路由层，由算力路由层综算力平台层包括：合考虑用户需求、网络资源状况和计算资源状况，将服务·算力建模子模块：面对异构的计算资源，首先需要应用调度到合适的节点，以实现资源利用率最优并保证极研究算力资源度量维度和度量衡体系，该子模块通致的用户体验。员体如下：过通用算法或者习惯用法的需求等信息，形成相应的算力能力模版。若干个算力能力模版组合成算力》算力服务层：基于分式式微服务架构，算力服务层支合约，用于满足业务的算力需求。持应用解构成原子化功能组件并组成算法库，由API：算力OAM子模块：该子模块包括对算力资源层的Gateway统一调度，实现原子化算法在泛在的算力资算力性能监控、算力计费管理，算力资源的故障管理。源中按需实例化。通过11接口，算力服务层将业务应，算力通告子模块快：该子模块负责将实际部署的算力用的SLA等信息传递给算力平台层。资源通过算力模版抽象表示后，和算力服务合约等信息一起，通告给相应的网络节点。该子模块包括算力平台层：需要完成对算力资源的感知、度量和了算力服务合约酒告，算力能力通告和算力状态酒OAM管理，以支持网络对算力资源的可感知、可度量、告等子子功能模块。算力服务合约通告指根据算力04 算力感知网络技术白皮书算力感知网绪的体系念与架构VRARV2XApp-算力服务层算法库掉法摩算力建膜算力通告算力OAM算力康劳合约算力服务合约通告算力性能监控算力平台层算力能力模板尊力能力语告禁力计装智理算力度量衡体系12算力状态语告13接口算力故障管理15晚口15抢口算力资源层CPUGFUNPU14 按口CPUGPUNPUStorageFPGAASICS.SturageFPGAASICS.算力路由层算力路丰标识算力路非控制中路典控算力状态网通告算力路由寻址力路电寻算力路由转发网络资源层骨干城域区接入图2算力感知网络的体系架构服务层SLA需求生成算力服务需求，并通知给相应算力路由层：基于抽象后的计算资源发现，综合考虑的网络节点。算力能力通告指实际部署算力资源酒网络状况和计算资源状况，将业务灵活按需调度到不过算力模版抽象表示后，告给相应的网络节点。同的计算资源节点中，具体功能主要包活算力路由标算力状态通告指将算力资源的实时状态，通过14识、算力路由控制、算力状态网络通告、算力路由导址、接口通告给相应的网络节点。算力通告子模块：逻算力路由转发等。子模块负责将实际部署的算力资源过算力模版抽象表示后，和算力服务合约等信息一起，通告给相网络资源层：提供信息传输的网络基础设施，包括接应的网络节点。该子损块包括了算力服务合约通告，入网、城域网和骨干网等。算力能力通告和算力状态通告等子子功能模块。算力服务合约通告指根据算力服务层SLA需求生成算力感知网络体系架构不仅定义了算力资源层、算力平台算力服务需求，并通知给相应的网络节点。算力能层和算力路由层等功能块，还给定义了部分功能模块之力通告指实际部署算力资源通过算力模版抽象表示间的接口。后，通告给相应的网络节点。算力状态通告指将算》11接口：定义在算力服务层与算力平台层之间的接口，力资源的实时状态，通过14接口告给相应的网用于传递SLA需求、算力服务部署配置信急思等；络节点。》12接口：用于算力建模模块向算力通告模块传递算力服务合约、算力能力模版等信息。算力资源层：为满足边缘计算领域多样性计算需求，13接口：用于算力OAM模块向算力通告模块传递算力产业界提出了多样性计算理念，面向不同应用，通资源性能监控、算力计费管理、算力资源故障等信息。过从单核CPU到多核CPU，到CPU+GPU+FPGA等》14接口：用于算力平台层向算力路由层传递算力服务多种算力组合，在系统级恢复摩尔定律，推动计算合约信息、算力资源的状态通告给算力路由层。创新。面对网络中分布的多种异构计算资源，算力15