“端-邊-云”超融合背景下的算力網絡架構

祁昊穎

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

人工智能、虛擬現實、5G等前沿科技均需要充足的算力作為運行基礎，只有算力滿足系統運行要求，才能完全釋放前沿科學技術的應用性能，進而創造出實際的社會價值和經濟價值。若算力資源無法滿足科技運行需求，則無法實現從4G時代向5G時代的進化過程，也就是說算力是前沿科技的核心驅動力之一。由此如何提升數據處理性能、如何優化算法、如何釋放算力網絡、如何最優化配置算力網絡資源成為當前熱門的研究課題。根據目前各大數據中心的負載量和數據資源的蓬勃發展趨勢，可以預見5G時代會讓數據量再一次出現爆發式增長，因此需要將目前算力集中在單點設備的狀態改變為多點分配，由此衍生出邊云、端邊云、高性能云等多種計算架構。因此研究端邊云超融合背景下的算力網絡架構具有重要的現實意義，可以以此為抓手創建出適用于5G時代的全新算力網絡架構。

1 “端-邊-云”架構

1.1 “端-邊-云”架構綜述

“端-邊-云”架構的實質就是一種終端、邊緣、云協同的架構，能夠在應用過程中將云計算和邊緣計算2種計算方式進行有機融合、合理分配。云計算和邊緣計算2種計算方式各有優劣，其中云計算適用于數據分析、數據統計等對計算精要要求較高的任務，并且具有較強的服務穩定性，能夠讓用戶享受持續、穩定、優質的計算服務。相比于云計算，邊緣計算的計算精度、穩定性、持續性較差，但具有較高的響應速度和計算速度，能夠應對用戶緊急的計算任務，并且邊緣云具有較強的擴展能力，能夠同時應對多個任務。由此可以發現，云計算和邊緣計算呈互補狀態，那么建立一種協同架構，將2種計算方法進行結合，可以同時擁有云計算的準確性、持續性、穩定性和邊緣計算的響應速度、計算靈活性和超強的擴展能力，由此“端-邊-云”架構應運而生[1]。

除了上述說明的應用優勢，“端-邊-云”架構具有較強的設備協同能力，包括縱向協同和橫向協同兩種方式，主要協同功能如下文所述。

（1）縱向協同方面，“端-邊-云”架構能夠在邊緣設備和終端設備之間建立直接聯系，去除中間的冗余連接部分，由此可以提升邊緣設備的響應速度和終端設備的控制能力。因為終端和邊緣設備屬于直接聯系，所以終端設備能夠根據邊緣設備的運行特點下達針對性的指令，進而實現低延時訪問、邊緣設備節能等多項功能[2]。

（2）縱向協同方面，邊緣設備可以借助終端設備完成復雜、密集、總量大的計算任務，進而提升邊緣設備的運行能力和計算精度，當終端設備的計算任務堆積較多時，可以將計算任務上傳到云端進行云計算[3]。

（3）橫向協同方面，統一層面的邊緣設備可以直接進行數據傳輸，不必上傳到終端再進行下達，由此可以提升數據傳輸速度、滿足多方數據應用需求，實現統一層面的數據共享[4]。

1.2 基于應用實例的“端-邊-云”架構分析

為進一步體現“端-邊-云”架構的應用優勢，文章以江蘇省蘇州市某工業園區的綜合能源系統為例，對“端-邊-云”架構進行分析。該工業園區的綜合能源系統主要由產能部分、儲能部分、負載部分3部分構成，其中產能部分包括冷熱電三聯供機組（Combined Cooling, Heating and Power，CCHP）、可再生能源發電機組、協調控制系統（Coordination Control System，CCS）、電鍋爐、電制冷機組；儲能設備包括電儲能和熱儲能2種；負載部分主要通過電能、熱能、天然氣3種能源進行驅動。該工業園區在綜合能源系統引用“端-邊-云”架構的核心目的是為提高園區系統的運行經濟性，具體“端-邊-云”架構如圖1所示[5]。

圖1 工業園區綜合能源系統“端-邊-云”架構

根據圖1可以得知，“端-邊-云”架構由1個工業園區能量調控云平臺和若干個能源子系統構成，其中能量調控云平臺包括終端和云兩個部分，能量子系統中包括邊緣計算平臺、智能終端和邊緣設備。在運行過程中，邊緣計算平臺能夠應對絕大多數邊緣設備的計算需求，由此能夠極大程度緩解能量調控云平臺的計算壓力。當能源子系統中有高精度計算任務時，可以將計算任務通過云邊交互或光纖傳輸上傳至能量調控云平臺，進而使用云計算完成計算任務，由此可以實現“端-邊-云”架構的縱向協同功能。同時各能源子系統中能夠通過能量聯絡線進行能源信息數據交互，由此實現“端-邊-云”架構的橫向協同功能。在綜合能源系統中應用“端-邊-云”架構后能從兩個方面提升運行經濟性，一方面是能夠提升能源子系統的精細化控制能力，進而實現節能減排；另一方面是釋放能量調控云平臺的計算壓力后，使能量調控云平臺能夠將節省的算力應用在精細化管理中，提升工業園區整體的經濟效益[6]。

2 算力網絡架構分析

傳統算力網絡架構分為集中式、分布式和混合式3種。在“端-邊-云”超融合背景下算力網絡的總體架構不變，但內部算力的分配模式發生一定程度改變，從原來集中在“云”上，轉變為“端”“邊”“云”均具有算力資源。文章將分別對算力網絡架構的3種模式展開分析[7]。

2.1 算力網絡集中式架構分析

算力網絡集中式架構由算網編排中心、云管理平臺、邊緣云和邊緣設備構成。從整體結構來看，算力網絡集中式架構通過算網編排中心進行統一控制，具有絕對的算力資源配置權利。算網編排管理中心包括算力編排器和網絡管理器，其中算力編排中心負責收集下端云管理平臺上傳的網絡信息和計算請求，經過網絡管理器分析后下達指令。由此導致算力網絡集中式架構具有較強的穩定性和計算服務性能，計算主要以云計算為主。相比于傳統算力網絡集中式架構，“端-邊-云”背景下的算力網絡集中式架構將邊緣云下放到邊緣設備的上端，以此能夠讓邊緣云處理簡單的邊緣設備計算需求，具體“端-邊-云”背景下的算力網絡集中式架構如圖2所示[8]。

圖2 “端-邊-云”背景下的算力網絡集中式架構

2.2 算力網絡分布式架構分析

相比于算力網絡集中式架構，算力網絡分布式架構的不同主要體現在兩方面。一方面是算網編排管理中心使用算網統一編排器代替算力編排器和網絡管理器，進而能夠減少系統冗余、提升系統響應速度；另一方面是在邊緣設備部分增加算力信息感知設備，提升分布式控制能力，具體“端-邊-云”背景下的算力網絡分布式架構如圖3所示。

圖3 “端-邊-云”背景下的算力網絡分布式架構

2.3 算力網絡混合式架構分析

算力網絡混合式架構由集中式和分布式2種方式結合而來，在保證“端”“邊”“云”3者計算能力的前提下，將架構進行精簡化。相比于集中式架構，混合式架構具有較強的分散控制能力和響應速度；相比于分散式架構，混合式架構具有較強的計算精確度和系統安全性，具體“端-邊-云”背景下的算力網絡混合式架構如圖4所示。

圖4 “端-邊-云”背景下的算力網絡混合式架構

3 “端-邊-云”背景下算力網絡的未來發展

3.1 與區塊鏈展開結合

“端-邊-云”背景下的算力網絡能夠實現橫向、縱向協同，但縱向協同能力顯著強于橫向協同能力，因此可以與區塊鏈技術展開結合，實現對橫向協同能力的進一步開發。區塊鏈技術就是系統內的各環節以鏈條式的形態進行連接，屬于扁平化結構的一種，其協同能力主要側重于橫向協同。但區塊鏈的橫向協同是強制將系統內各環節轉換成同一層面的同級別內容，而“端-邊-云”算力網絡架構為分布式或集中式架構，其中必須包含縱向結構。二者的結構存在一定沖突，想要進行有機結合，需要在未來的發展過程中解決結構沖突的問題。

3.2 發展隱私保護策略

“端-邊-云”背景下的算力網絡能夠將算力資源進行合理化配置、降低云計算壓力、提升邊緣計算的應用性，實現算力網絡的分散式控制。但分散式控制方式不可避免會帶來系統安全問題，對用戶的隱私保護具有重大威脅。因此未來的算例網絡發展應當將隱私保護策略作為發展重點，可以是增設硬件保護，也可以是與其他安全性較高的前沿技術展開結合。例如上文提及的區塊鏈技術，目前主要應用在虛擬貨幣領域，具有極強的安全性。

3.3 探索邊緣節點資源受限狀態下的存儲和計算模式

“端-邊-云”背景下的算力網絡能夠大幅度地釋放算力資源，根據木桶效應，當一個短板實現補充后，另一個部分將會成為新的短板。當算力資源通過“端-邊-云”補充后，存儲和計算模式成為系統運行新的限制因素。邊緣節點資源受限時，連續、大量的邊緣計算會給存儲帶來巨大的壓力，因此需要重新設置存儲模式，將多余的計算數據存儲到其他位置，那么如何進行存儲位置的自適應判斷、如何降低更換存儲位置的系統延時等問題成為需要解決的問題。計算模式與存儲同理，當邊緣節點資源受限時，具有使用何種計算模式才能進行高效、精準的計算、如何進行計算策略的自適應切換等問題，都需要在未來的算力網絡發展過程中進行探索研究。

4 結 論

綜上所述，本文提出使用“端-邊-云”超融合承載算力網絡架構來提升算網的響應速度、計算服務能力、控制能力和計算穩定性，并以江蘇省蘇州市某工業園區的綜合能源系統為例進行分析。通過在綜合能源系統中應用“端-邊-云”架構，減少能量調控云平臺的壓力，將多余算力應用在精細化管理中，同時使用邊緣計算滿足能源子系統的計算需求，從2方面提升運行經濟性。另外文章對“端-邊-云”超融合背景下的3種算力網絡架構進行分析，提出“端-邊-云”背景下算力網絡應該向區塊鏈、安全性、儲存和計算模式等方向發展。