“端-边-云”超融合背景下的算力网络架构

祁昊颖

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

人工智能、虚拟现实、5G等前沿科技均需要充足的算力作为运行基础，只有算力满足系统运行要求，才能完全释放前沿科学技术的应用性能，进而创造出实际的社会价值和经济价值。若算力资源无法满足科技运行需求，则无法实现从4G时代向5G时代的进化过程，也就是说算力是前沿科技的核心驱动力之一。由此如何提升数据处理性能、如何优化算法、如何释放算力网络、如何最优化配置算力网络资源成为当前热门的研究课题。根据目前各大数据中心的负载量和数据资源的蓬勃发展趋势，可以预见5G时代会让数据量再一次出现爆发式增长，因此需要将目前算力集中在单点设备的状态改变为多点分配，由此衍生出边云、端边云、高性能云等多种计算架构。因此研究端边云超融合背景下的算力网络架构具有重要的现实意义，可以以此为抓手创建出适用于5G时代的全新算力网络架构。

1 “端-边-云”架构

1.1 “端-边-云”架构综述

“端-边-云”架构的实质就是一种终端、边缘、云协同的架构，能够在应用过程中将云计算和边缘计算2种计算方式进行有机融合、合理分配。云计算和边缘计算2种计算方式各有优劣，其中云计算适用于数据分析、数据统计等对计算精要要求较高的任务，并且具有较强的服务稳定性，能够让用户享受持续、稳定、优质的计算服务。相比于云计算，边缘计算的计算精度、稳定性、持续性较差，但具有较高的响应速度和计算速度，能够应对用户紧急的计算任务，并且边缘云具有较强的扩展能力，能够同时应对多个任务。由此可以发现，云计算和边缘计算呈互补状态，那么建立一种协同架构，将2种计算方法进行结合，可以同时拥有云计算的准确性、持续性、稳定性和边缘计算的响应速度、计算灵活性和超强的扩展能力，由此“端-边-云”架构应运而生[1]。

除了上述说明的应用优势，“端-边-云”架构具有较强的设备协同能力，包括纵向协同和横向协同两种方式，主要协同功能如下文所述。

（1）纵向协同方面，“端-边-云”架构能够在边缘设备和终端设备之间建立直接联系，去除中间的冗余连接部分，由此可以提升边缘设备的响应速度和终端设备的控制能力。因为终端和边缘设备属于直接联系，所以终端设备能够根据边缘设备的运行特点下达针对性的指令，进而实现低延时访问、边缘设备节能等多项功能[2]。

（2）纵向协同方面，边缘设备可以借助终端设备完成复杂、密集、总量大的计算任务，进而提升边缘设备的运行能力和计算精度，当终端设备的计算任务堆积较多时，可以将计算任务上传到云端进行云计算[3]。

（3）横向协同方面，统一层面的边缘设备可以直接进行数据传输，不必上传到终端再进行下达，由此可以提升数据传输速度、满足多方数据应用需求，实现统一层面的数据共享[4]。

1.2 基于应用实例的“端-边-云”架构分析

为进一步体现“端-边-云”架构的应用优势，文章以江苏省苏州市某工业园区的综合能源系统为例，对“端-边-云”架构进行分析。该工业园区的综合能源系统主要由产能部分、储能部分、负载部分3部分构成，其中产能部分包括冷热电三联供机组（Combined Cooling, Heating and Power，CCHP）、可再生能源发电机组、协调控制系统（Coordination Control System，CCS）、电锅炉、电制冷机组；储能设备包括电储能和热储能2种；负载部分主要通过电能、热能、天然气3种能源进行驱动。该工业园区在综合能源系统引用“端-边-云”架构的核心目的是为提高园区系统的运行经济性，具体“端-边-云”架构如图1所示[5]。

图1 工业园区综合能源系统“端-边-云”架构

根据图1可以得知，“端-边-云”架构由1个工业园区能量调控云平台和若干个能源子系统构成，其中能量调控云平台包括终端和云两个部分，能量子系统中包括边缘计算平台、智能终端和边缘设备。在运行过程中，边缘计算平台能够应对绝大多数边缘设备的计算需求，由此能够极大程度缓解能量调控云平台的计算压力。当能源子系统中有高精度计算任务时，可以将计算任务通过云边交互或光纤传输上传至能量调控云平台，进而使用云计算完成计算任务，由此可以实现“端-边-云”架构的纵向协同功能。同时各能源子系统中能够通过能量联络线进行能源信息数据交互，由此实现“端-边-云”架构的横向协同功能。在综合能源系统中应用“端-边-云”架构后能从两个方面提升运行经济性，一方面是能够提升能源子系统的精细化控制能力，进而实现节能减排；另一方面是释放能量调控云平台的计算压力后，使能量调控云平台能够将节省的算力应用在精细化管理中，提升工业园区整体的经济效益[6]。

2 算力网络架构分析

传统算力网络架构分为集中式、分布式和混合式3种。在“端-边-云”超融合背景下算力网络的总体架构不变，但内部算力的分配模式发生一定程度改变，从原来集中在“云”上，转变为“端”“边”“云”均具有算力资源。文章将分别对算力网络架构的3种模式展开分析[7]。

2.1 算力网络集中式架构分析

算力网络集中式架构由算网编排中心、云管理平台、边缘云和边缘设备构成。从整体结构来看，算力网络集中式架构通过算网编排中心进行统一控制，具有绝对的算力资源配置权利。算网编排管理中心包括算力编排器和网络管理器，其中算力编排中心负责收集下端云管理平台上传的网络信息和计算请求，经过网络管理器分析后下达指令。由此导致算力网络集中式架构具有较强的稳定性和计算服务性能，计算主要以云计算为主。相比于传统算力网络集中式架构，“端-边-云”背景下的算力网络集中式架构将边缘云下放到边缘设备的上端，以此能够让边缘云处理简单的边缘设备计算需求，具体“端-边-云”背景下的算力网络集中式架构如图2所示[8]。

图2 “端-边-云”背景下的算力网络集中式架构

2.2 算力网络分布式架构分析

相比于算力网络集中式架构，算力网络分布式架构的不同主要体现在两方面。一方面是算网编排管理中心使用算网统一编排器代替算力编排器和网络管理器，进而能够减少系统冗余、提升系统响应速度；另一方面是在边缘设备部分增加算力信息感知设备，提升分布式控制能力，具体“端-边-云”背景下的算力网络分布式架构如图3所示。

图3 “端-边-云”背景下的算力网络分布式架构

2.3 算力网络混合式架构分析

算力网络混合式架构由集中式和分布式2种方式结合而来，在保证“端”“边”“云”3者计算能力的前提下，将架构进行精简化。相比于集中式架构，混合式架构具有较强的分散控制能力和响应速度；相比于分散式架构，混合式架构具有较强的计算精确度和系统安全性，具体“端-边-云”背景下的算力网络混合式架构如图4所示。

图4 “端-边-云”背景下的算力网络混合式架构

3 “端-边-云”背景下算力网络的未来发展

3.1 与区块链展开结合

“端-边-云”背景下的算力网络能够实现横向、纵向协同，但纵向协同能力显著强于横向协同能力，因此可以与区块链技术展开结合，实现对横向协同能力的进一步开发。区块链技术就是系统内的各环节以链条式的形态进行连接，属于扁平化结构的一种，其协同能力主要侧重于横向协同。但区块链的横向协同是强制将系统内各环节转换成同一层面的同级别内容，而“端-边-云”算力网络架构为分布式或集中式架构，其中必须包含纵向结构。二者的结构存在一定冲突，想要进行有机结合，需要在未来的发展过程中解决结构冲突的问题。

3.2 发展隐私保护策略

“端-边-云”背景下的算力网络能够将算力资源进行合理化配置、降低云计算压力、提升边缘计算的应用性，实现算力网络的分散式控制。但分散式控制方式不可避免会带来系统安全问题，对用户的隐私保护具有重大威胁。因此未来的算例网络发展应当将隐私保护策略作为发展重点，可以是增设硬件保护，也可以是与其他安全性较高的前沿技术展开结合。例如上文提及的区块链技术，目前主要应用在虚拟货币领域，具有极强的安全性。

3.3 探索边缘节点资源受限状态下的存储和计算模式

“端-边-云”背景下的算力网络能够大幅度地释放算力资源，根据木桶效应，当一个短板实现补充后，另一个部分将会成为新的短板。当算力资源通过“端-边-云”补充后，存储和计算模式成为系统运行新的限制因素。边缘节点资源受限时，连续、大量的边缘计算会给存储带来巨大的压力，因此需要重新设置存储模式，将多余的计算数据存储到其他位置，那么如何进行存储位置的自适应判断、如何降低更换存储位置的系统延时等问题成为需要解决的问题。计算模式与存储同理，当边缘节点资源受限时，具有使用何种计算模式才能进行高效、精准的计算、如何进行计算策略的自适应切换等问题，都需要在未来的算力网络发展过程中进行探索研究。

4 结 论

综上所述，本文提出使用“端-边-云”超融合承载算力网络架构来提升算网的响应速度、计算服务能力、控制能力和计算稳定性，并以江苏省苏州市某工业园区的综合能源系统为例进行分析。通过在综合能源系统中应用“端-边-云”架构，减少能量调控云平台的压力，将多余算力应用在精细化管理中，同时使用边缘计算满足能源子系统的计算需求，从2方面提升运行经济性。另外文章对“端-边-云”超融合背景下的3种算力网络架构进行分析，提出“端-边-云”背景下算力网络应该向区块链、安全性、储存和计算模式等方向发展。