祁昊穎

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、5G等前沿科技均需要充足的算力作為運(yùn)行基礎(chǔ)，只有算力滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，才能完全釋放前沿科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用性能，進(jìn)而創(chuàng)造出實(shí)際的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。若算力資源無(wú)法滿足科技運(yùn)行需求，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)從4G時(shí)代向5G時(shí)代的進(jìn)化過(guò)程，也就是說(shuō)算力是前沿科技的核心驅(qū)動(dòng)力之一。由此如何提升數(shù)據(jù)處理性能、如何優(yōu)化算法、如何釋放算力網(wǎng)絡(luò)、如何最優(yōu)化配置算力網(wǎng)絡(luò)資源成為當(dāng)前熱門的研究課題。根據(jù)目前各大數(shù)據(jù)中心的負(fù)載量和數(shù)據(jù)資源的蓬勃發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)見5G時(shí)代會(huì)讓數(shù)據(jù)量再一次出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，因此需要將目前算力集中在單點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)改變?yōu)槎帱c(diǎn)分配，由此衍生出邊云、端邊云、高性能云等多種計(jì)算架構(gòu)。因此研究端邊云超融合背景下的算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以以此為抓手創(chuàng)建出適用于5G時(shí)代的全新算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 “端-邊-云”架構(gòu)

1.1 “端-邊-云”架構(gòu)綜述

“端-邊-云”架構(gòu)的實(shí)質(zhì)就是一種終端、邊緣、云協(xié)同的架構(gòu)，能夠在應(yīng)用過(guò)程中將云計(jì)算和邊緣計(jì)算2種計(jì)算方式進(jìn)行有機(jī)融合、合理分配。云計(jì)算和邊緣計(jì)算2種計(jì)算方式各有優(yōu)劣，其中云計(jì)算適用于數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等對(duì)計(jì)算精要要求較高的任務(wù)，并且具有較強(qiáng)的服務(wù)穩(wěn)定性，能夠讓用戶享受持續(xù)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的計(jì)算服務(wù)。相比于云計(jì)算，邊緣計(jì)算的計(jì)算精度、穩(wěn)定性、持續(xù)性較差，但具有較高的響應(yīng)速度和計(jì)算速度，能夠應(yīng)對(duì)用戶緊急的計(jì)算任務(wù)，并且邊緣云具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，能夠同時(shí)應(yīng)對(duì)多個(gè)任務(wù)。由此可以發(fā)現(xiàn)，云計(jì)算和邊緣計(jì)算呈互補(bǔ)狀態(tài)，那么建立一種協(xié)同架構(gòu)，將2種計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)合，可以同時(shí)擁有云計(jì)算的準(zhǔn)確性、持續(xù)性、穩(wěn)定性和邊緣計(jì)算的響應(yīng)速度、計(jì)算靈活性和超強(qiáng)的擴(kuò)展能力，由此“端-邊-云”架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

除了上述說(shuō)明的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，“端-邊-云”架構(gòu)具有較強(qiáng)的設(shè)備協(xié)同能力，包括縱向協(xié)同和橫向協(xié)同兩種方式，主要協(xié)同功能如下文所述。

（1）縱向協(xié)同方面，“端-邊-云”架構(gòu)能夠在邊緣設(shè)備和終端設(shè)備之間建立直接聯(lián)系，去除中間的冗余連接部分，由此可以提升邊緣設(shè)備的響應(yīng)速度和終端設(shè)備的控制能力。因?yàn)榻K端和邊緣設(shè)備屬于直接聯(lián)系，所以終端設(shè)備能夠根據(jù)邊緣設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)下達(dá)針對(duì)性的指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低延時(shí)訪問、邊緣設(shè)備節(jié)能等多項(xiàng)功能[2]。

（2）縱向協(xié)同方面，邊緣設(shè)備可以借助終端設(shè)備完成復(fù)雜、密集、總量大的計(jì)算任務(wù)，進(jìn)而提升邊緣設(shè)備的運(yùn)行能力和計(jì)算精度，當(dāng)終端設(shè)備的計(jì)算任務(wù)堆積較多時(shí)，可以將計(jì)算任務(wù)上傳到云端進(jìn)行云計(jì)算[3]。

（3）橫向協(xié)同方面，統(tǒng)一層面的邊緣設(shè)備可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不必上傳到終端再進(jìn)行下達(dá)，由此可以提升數(shù)據(jù)傳輸速度、滿足多方數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一層面的數(shù)據(jù)共享[4]。

1.2 基于應(yīng)用實(shí)例的“端-邊-云”架構(gòu)分析

為進(jìn)一步體現(xiàn)“端-邊-云”架構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，文章以江蘇省蘇州市某工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)為例，對(duì)“端-邊-云”架構(gòu)進(jìn)行分析。該工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)主要由產(chǎn)能部分、儲(chǔ)能部分、負(fù)載部分3部分構(gòu)成，其中產(chǎn)能部分包括冷熱電三聯(lián)供機(jī)組（Combined Cooling, Heating and Power，CCHP）、可再生能源發(fā)電機(jī)組、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordination Control System，CCS）、電鍋爐、電制冷機(jī)組；儲(chǔ)能設(shè)備包括電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能2種；負(fù)載部分主要通過(guò)電能、熱能、天然氣3種能源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該工業(yè)園區(qū)在綜合能源系統(tǒng)引用“端-邊-云”架構(gòu)的核心目的是為提高園區(qū)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，具體“端-邊-云”架構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1 工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)“端-邊-云”架構(gòu)

根據(jù)圖1可以得知，“端-邊-云”架構(gòu)由1個(gè)工業(yè)園區(qū)能量調(diào)控云平臺(tái)和若干個(gè)能源子系統(tǒng)構(gòu)成，其中能量調(diào)控云平臺(tái)包括終端和云兩個(gè)部分，能量子系統(tǒng)中包括邊緣計(jì)算平臺(tái)、智能終端和邊緣設(shè)備。在運(yùn)行過(guò)程中，邊緣計(jì)算平臺(tái)能夠應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)邊緣設(shè)備的計(jì)算需求，由此能夠極大程度緩解能量調(diào)控云平臺(tái)的計(jì)算壓力。當(dāng)能源子系統(tǒng)中有高精度計(jì)算任務(wù)時(shí)，可以將計(jì)算任務(wù)通過(guò)云邊交互或光纖傳輸上傳至能量調(diào)控云平臺(tái)，進(jìn)而使用云計(jì)算完成計(jì)算任務(wù)，由此可以實(shí)現(xiàn)“端-邊-云”架構(gòu)的縱向協(xié)同功能。同時(shí)各能源子系統(tǒng)中能夠通過(guò)能量聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行能源信息數(shù)據(jù)交互，由此實(shí)現(xiàn)“端-邊-云”架構(gòu)的橫向協(xié)同功能。在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用“端-邊-云”架構(gòu)后能從兩個(gè)方面提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，一方面是能夠提升能源子系統(tǒng)的精細(xì)化控制能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；另一方面是釋放能量調(diào)控云平臺(tái)的計(jì)算壓力后，使能量調(diào)控云平臺(tái)能夠?qū)⒐?jié)省的算力應(yīng)用在精細(xì)化管理中，提升工業(yè)園區(qū)整體的經(jīng)濟(jì)效益[6]。

2 算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

傳統(tǒng)算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)不變，但內(nèi)部算力的分配模式發(fā)生一定程度改變，從原來(lái)集中在“云”上，轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸恕薄斑叀薄霸啤本哂兴懔Y源。文章將分別對(duì)算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的3種模式展開分析[7]。

2.1 算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)分析

算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)由算網(wǎng)編排中心、云管理平臺(tái)、邊緣云和邊緣設(shè)備構(gòu)成。從整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)通過(guò)算網(wǎng)編排中心進(jìn)行統(tǒng)一控制，具有絕對(duì)的算力資源配置權(quán)利。算網(wǎng)編排管理中心包括算力編排器和網(wǎng)絡(luò)管理器，其中算力編排中心負(fù)責(zé)收集下端云管理平臺(tái)上傳的網(wǎng)絡(luò)信息和計(jì)算請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理器分析后下達(dá)指令。由此導(dǎo)致算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和計(jì)算服務(wù)性能，計(jì)算主要以云計(jì)算為主。相比于傳統(tǒng)算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)，“端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)將邊緣云下放到邊緣設(shè)備的上端，以此能夠讓邊緣云處理簡(jiǎn)單的邊緣設(shè)備計(jì)算需求，具體“端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)如圖2所示[8]。

圖2 “端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)

2.2 算力網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)分析

相比于算力網(wǎng)絡(luò)集中式架構(gòu)，算力網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)的不同主要體現(xiàn)在兩方面。一方面是算網(wǎng)編排管理中心使用算網(wǎng)統(tǒng)一編排器代替算力編排器和網(wǎng)絡(luò)管理器，進(jìn)而能夠減少系統(tǒng)冗余、提升系統(tǒng)響應(yīng)速度；另一方面是在邊緣設(shè)備部分增加算力信息感知設(shè)備，提升分布式控制能力，具體“端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)如圖3所示。

圖3 “端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)

2.3 算力網(wǎng)絡(luò)混合式架構(gòu)分析

算力網(wǎng)絡(luò)混合式架構(gòu)由集中式和分布式2種方式結(jié)合而來(lái)，在保證“端”“邊”“云”3者計(jì)算能力的前提下，將架構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)化。相比于集中式架構(gòu)，混合式架構(gòu)具有較強(qiáng)的分散控制能力和響應(yīng)速度；相比于分散式架構(gòu)，混合式架構(gòu)具有較強(qiáng)的計(jì)算精確度和系統(tǒng)安全性，具體“端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)混合式架構(gòu)如圖4所示。

圖4 “端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)混合式架構(gòu)

3 “端-邊-云”背景下算力網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展

3.1 與區(qū)塊鏈展開結(jié)合

“端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)橫向、縱向協(xié)同，但縱向協(xié)同能力顯著強(qiáng)于橫向協(xié)同能力，因此可以與區(qū)塊鏈技術(shù)展開結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向協(xié)同能力的進(jìn)一步開發(fā)。區(qū)塊鏈技術(shù)就是系統(tǒng)內(nèi)的各環(huán)節(jié)以鏈條式的形態(tài)進(jìn)行連接，屬于扁平化結(jié)構(gòu)的一種，其協(xié)同能力主要側(cè)重于橫向協(xié)同。但區(qū)塊鏈的橫向協(xié)同是強(qiáng)制將系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成同一層面的同級(jí)別內(nèi)容，而“端-邊-云”算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為分布式或集中式架構(gòu)，其中必須包含縱向結(jié)構(gòu)。二者的結(jié)構(gòu)存在一定沖突，想要進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，需要在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中解決結(jié)構(gòu)沖突的問題。

3.2 發(fā)展隱私保護(hù)策略

“端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑺懔Y源進(jìn)行合理化配置、降低云計(jì)算壓力、提升邊緣計(jì)算的應(yīng)用性，實(shí)現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)的分散式控制。但分散式控制方式不可避免會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)安全問題，對(duì)用戶的隱私保護(hù)具有重大威脅。因此未來(lái)的算例網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)當(dāng)將隱私保護(hù)策略作為發(fā)展重點(diǎn)，可以是增設(shè)硬件保護(hù)，也可以是與其他安全性較高的前沿技術(shù)展開結(jié)合。例如上文提及的區(qū)塊鏈技術(shù)，目前主要應(yīng)用在虛擬貨幣領(lǐng)域，具有極強(qiáng)的安全性。

3.3 探索邊緣節(jié)點(diǎn)資源受限狀態(tài)下的存儲(chǔ)和計(jì)算模式

“端-邊-云”背景下的算力網(wǎng)絡(luò)能夠大幅度地釋放算力資源，根據(jù)木桶效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)短板實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充后，另一個(gè)部分將會(huì)成為新的短板。當(dāng)算力資源通過(guò)“端-邊-云”補(bǔ)充后，存儲(chǔ)和計(jì)算模式成為系統(tǒng)運(yùn)行新的限制因素。邊緣節(jié)點(diǎn)資源受限時(shí)，連續(xù)、大量的邊緣計(jì)算會(huì)給存儲(chǔ)帶來(lái)巨大的壓力，因此需要重新設(shè)置存儲(chǔ)模式，將多余的計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到其他位置，那么如何進(jìn)行存儲(chǔ)位置的自適應(yīng)判斷、如何降低更換存儲(chǔ)位置的系統(tǒng)延時(shí)等問題成為需要解決的問題。計(jì)算模式與存儲(chǔ)同理，當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)資源受限時(shí)，具有使用何種計(jì)算模式才能進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的計(jì)算、如何進(jìn)行計(jì)算策略的自適應(yīng)切換等問題，都需要在未來(lái)的算力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過(guò)程中進(jìn)行探索研究。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文提出使用“端-邊-云”超融合承載算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)提升算網(wǎng)的響應(yīng)速度、計(jì)算服務(wù)能力、控制能力和計(jì)算穩(wěn)定性，并以江蘇省蘇州市某工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。通過(guò)在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用“端-邊-云”架構(gòu)，減少能量調(diào)控云平臺(tái)的壓力，將多余算力應(yīng)用在精細(xì)化管理中，同時(shí)使用邊緣計(jì)算滿足能源子系統(tǒng)的計(jì)算需求，從2方面提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。另外文章對(duì)“端-邊-云”超融合背景下的3種算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行分析，提出“端-邊-云”背景下算力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該向區(qū)塊鏈、安全性、儲(chǔ)存和計(jì)算模式等方向發(fā)展。