算网一体：网络架构及技术体系

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中国电信发布的《云网融合2030技术白皮书》和中国联通发布的 CUBE-Net 3.0 网络体系中，也都把“算力网络” 作为公司未来网络演进的重要方向。

下载链接：算网一体网络架构及技术体系展望白皮书(2022)

国内外组织已经逐步开展在算网融合方面的相关工作。在国际电信联盟（ITU）包含有 5 项标准的算力网络国际标准体系已初步建立，并形成统一术语——算网融合 CNC，覆盖了 IMT-2020 及未来网络、NGNe（Next Generation Network Evolution，下一代网络演进）、新型计算等技术领域，涉及需求、架构、 服务保障、信令协议、管理编排等方向。在国际互联网工程任务组（ IETF），2019 年 2 月成立了在网计算研究组 COINRG，主要面向数据中心，研究在网计算技术的需求和应用场景。

2022 年 3 月，算力感知网络（Computing Aware Network,CAN）的工作组筹备会 BoF（Birds of a Feather）在 IETF 第 113 次会议中召开，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project, 3GPP）面向 R19 也开始提出算力感知网络（CAN）等相关立项和讨论。

算网一体的发展路径由计算和网络两大元素共同决定。从宏观上讲，能够提供算力的组成单元包括计算单元、计算芯片、计算设备、计算系统；能够提供 连接能力的组成单元可以细分为片上总线、板级总线、网络设备、网络系统。 

从能力维度看，计算指算力，网络指连接；从实体维度看，计算和网络都有各自的组成部分，分别提供不同的算力和连接能力。

我们通常理解的“网”是指由多种网络设备组成，具有连接能力的基础设施。一般来讲，片上总线、板级总线都属于设备内部互联方式，不在“网”的范畴之内。因此，算网一体最基本的组成单元是计算设备和网络设备，最初开始从设 备层面呈现技术要素的融合，并且随着技术要素、能力要素、资源要素的不断驱动，由设备一体向系统一体发展，最终实现服务一体。

从系统层次看，计算系统的主要代表为云数据中心，超算中心等，而网络系统的代表为互联网(Internet)以及 5G 移动通信网络。算网一体系统包含了设备级算网一体，除融合计算、网络、存储等技术要素外，还充分融合了数、智、安、链等能力要素，在表现形式方面更为丰富。目前看来，6G 网络预计将成为算网一体系统，移动通信网络系统将和分布式云系统充分融合，云、边、端算力将借助网络实现高速泛在，一体融合。

从设备层次看，算网一体主要表现在设备既具备一定信息处理功能，同时具备信息转发能力。技术要素融合在设备级算网一体中发挥着主要作用。比如算力路由、在网计算就是典型的设备级算网一体关键技术。算力路由技术，基于网络、 计算、存储、服务的状态感知，将算力信息注入路由表，生成“网络+计算”的新型路由表。算力路由技术基于用户的业务请求，通过网络、计算联合路径计算，按需、动态生成业务调度策略，并实现基于 IPv6 、SRv6 等协议的可编程算力路由转发路径。在网计算技术将计算设备处理的任务卸载至网络设备，利用网络设备的闲散算力，边走边算，实现数据随转随算，开创应用、网络联合处理模式，实现应用服务加速。

从服务层次看，算网一体服务也将逐步呈现一体化，可以实现算力如水、电一般即取即用的社会级服务。算网一体服务演进过程中，需要综合技术要素、能力要素以及能源、土地等资源要素。

从整体来看，算网一体以多要素融合、多层次服务形式从设备一体化到服务一体化演进；分开来看，呈现出以计算为主和以网络为主的两种发展路径和目标。前者演进目标是一体化超级计算机，提供强大的算力；后者演进目标是信息处理网络，通过网络实现算力原生和算力泛在。

算网一体的定义：算网一体是算力网络发展的目标阶段，是计算和网络两大学科深度融合形成的新型技术簇，是融合贯通多要素的一体化服务，是实现算力网络即取即用社会级服务愿景的重要途径。算网一体的特征包括：

设备一体化：支持网络和计算相互感知、协同调度功能的新设备。通过外挂或者内嵌/内生的方式，形成支持“算力感知”、“网络感知”或“转发即计算”等的多种形态的设备硬件。

协议一体化：支持算力、网络、服务等多维资源信息感知和调度的新协议，包括算力感知协议、算力路由协议、算力配置协议和算力 OAM 协议等，可通过网络协议扩展并携带计算信息，或者定义新型协议实现。

调度一体化：网络和计算在管理调度层面打通，提供统筹考虑的序列调度能力，或“转发即计算”的原子化功能细粒度并行调度能力。网络支持考虑计算维度的全局调度，或者保障局部最优的信息调度。

服务一体化：网络和计算服务统一入口，通过能力的相互补充和调用，面向用户提供一体的网络和计算服务。

基于算网一体的定义和特征，本章节进一步提出了算网一体的参考体系架构，其中，形态体系、技术体系、设备体系、协议体系共同打造算网一体基础设施，支撑新能力、新服务和新生态。

（一）形态体系

根据算网一体的演进路线研判，算网一体包括以网为主和以算为主两种路线。当前的网络主要包括域间的广域网连接和域内的局域网连接，广域网由于其连接范围广，计算要素相对稀疏，仍然主要保持“网”的特性；局域网由于其连接范围有限，计算要素相对密集，将更多呈现“算”的特性。所以，算网一体在面向域间和域内的演进中，将呈现“域内化网为算”和“域间化算为网”两种形态。

域内化网为算：域内因为归属同一运营主体，有望丢掉分层解耦的“包袱”，通过软硬深度融合，率先实现基础设施充分池化，变成一台超级计算机。

域间化算为网：域间网络承担着高效连通多运营主体算力和服务的任务，兼容互通是首要任务，分层模型的思想仍将沿用。

（二） 技术体系

算网一体核心技术以网络和计算的一体化服务为目标，研究算力度量、算力感知、算力路由、在网计算、算力交易、确定性服务、算网一体编排、通感算一体等技术。

（三） 设备体系

设备是技术的载体、是能力的底座、是服务的支撑。算网一体技术体系的发展，算网一体基础设施需要新型设备和系统承载，包括算力路由设备、算力网关设备、算网控制设备、算网编排器、算网调度器等以网为主的设备，以及包括云化 UPF（User Plane Function，用户面功能）、云化小站等以算为主的设备，共同构建算网一体的设备体系。

（四） 协议体系

设备的功能实现以及设备之间的通信需要新的算网一体协议。算网一体协议主要作用在域间的算网一体演进，从 OSI 七层协议模型演进而来，分层引入新信息、新能力，构建算网一体协议体系。

（五）能力体系

算网一体的新型能力体系，包括资源布局、编排、调度等能力。

（六）服务体系

算网一体的新型服务体系，包括交易、激励等服务，将催生新的商业模式。社会算力资源并网将推动实现“全局算力一盘棋”，结合新型激励机制可以提升各方参与积极性，共同促进算网新服务发展，呈现算网泛在分布、一体供给、协同编排、灵活取用、绿色设计等特点，同时通过多方参与博弈实现算力和网络的均衡优化。

（七）生态体系

算网一体的新型生态体系，包括产业链、价值链、供应链等。当前社会处在IT 与 CT 技术融合持续深入的时代，未来还将与 OT 等技术进一步融合。新型生态体系的构建将有助于整合多方的力量，共同推进算网一体走向成熟。

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