算网融合的现状和发展趋势

穆琙博 韩淑君 柴瑶琳 宋 平 毕立波

中国信息通信研究院 北京 100191

引言

近年来，千行百业陆续进入以数字化、网络化、智能化为主要特征的数字经济发展新时期。中国信息通信研究院的测算数据显示，2020年我国产业数字化规模达到31.7万亿，GDP占比达到31.2%[1]。为抓住数字经济的这一历史性发展机遇，打造融合感知、传输、存储、计算于一体的新型基础设施成为自顶向下的全局战略，其中，信息通信网络被视为打通经济社会发展的重要战略支点。如何充分发挥基础网络的基石效应，形成广泛而深刻的行业赋能效应，引发了对ICT产业的深度思考。

事实上，早在2015年，随着5G、云计算、大数据、人工智能等技术的逐步发展，国内ICT行业正式提出了“云网融合”的发展战略，旨在通过打破云网“两张皮”的刚性业务模式，打造云网融合一体化的新型基础设施。进入2020年以来，为做好“十四五”发展布局，ICT行业从以云为中心全面朝向以用户为中心全面升级，面向“计算+网络”融合发展的技术演进趋势，基于“云+网”注入更多合作内涵。2021年，中国电信、中国移动、中国联通先后提出“算力网络”的发展理念，要求综合“网、云、数、智、安、边、端、链”多维度内涵，建设支持数网协同、数云协同、云边协同、绿色智能的多层次算力设施体系；与此同时，国内的高性能计算、超级计算等先进计算领域陆续提出“超算互联网”的发展思路，聚焦超算中心、高性能计算中心等传统算力提供节点从以“资源服务为中心”朝向以“应用服务为中心”转变，实现计算资源之间的统一调度和服务。综合来看，助力“计算”+“网络”融合发展的算网融合已经成为当前ICT产业关注的焦点话题。

本文将聚焦“计算”+“网络”协同发展，从国家战略、行业发展、技术演进三个方面入手，梳理算网融合的发展背景，提炼算网融合的技术内涵和参考架构，围绕政策、技术和产业，概述算网融合的发展态势，分析存在问题，形成发展建议。

1 算网融合的提出背景

1.1 战略驱动：国家竞争的重要赛道

全球高度重视基础设施的信息化升级，“计算”+“网络”融合设施部署被各国视为布局新一轮国家竞赛的重点方向。随着ICT科技和产业变革的深入推进，世界主要国家纷纷加大投入，融合多维感知、异构计算、智能调度的算网设施成为重要抓手。

1)美国

依托在云计算领域的技术和产业优势，美国政府以提升“算”+“网”融合服务能力为目标，加速推进信息化“高速公路”的建设。2021年4月，美国提出2万亿美元“新基建计划”，其中，投入500亿美元资金用于提高芯片算力，1 000亿美元用于铺设覆盖美国全境的高速宽带网络；2021年6月8日，美国参议院通过《2021年美国创新与竞争法案》(S.1260)，旨在全球基础设施和信息通信技术领域，不断对抗中国日益增长的影响力。

2)欧洲

聚焦区域性算网设施，欧盟以抢占国际话语权为目标，逐步构建基于数据安全的ICT基础设施，以对抗中美的领先优势。2020年，由德国和法国联合倡议和牵头，欧盟27国参与，重点打造算力基础设施“欧洲云”项目[2]，旨在建立一个真正属于欧洲的数据基础设施，成为欧盟的“母云端”，并创立通用云标准、参考云架构和互操作性要求等。

3)中国

“十四五”期间，我国重点发力“新型基础设施”建设计划，率先提出“东数西算”战略布局，聚焦“计算”+“网络”，全面推动信息基础设施落地部署。2021年，多部委联合发布《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，明确指出“用3年时间，形成总体布局持续优化，全国一体化算力网络国家枢纽节点、省内数据中心、边缘数据中心梯次布局”。2022年1月，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》[3]，明确提出“推进云网协同和算网融合发展、有序推进基础设施智能升级”。

1.2 行业驱动：数字经济的重要支撑

大连接、高算力、强安全是当前数字经济条件下服务升级和应用创新的主要要求，亟需“计算”+“网络”融合应用提供服务支撑。进入5G+时代，生物识别、智能医疗、智能制造等智慧场景不断涌现，越来越多的个人、社会信息将进入数字化发展阶段，即将带来几何级数增长的连接终端、应用数据和安全压力。面向“万物智联”的新时代，行业亟需“计算”+“网络”融合发展，提供数字化服务底座。

1)CT行业

网络与应用相分离、管道商服务价值低是CT行业的重要挑战。现有网络的管道能力与智能场景的计算需求相对脱节，面对海量的连接需要，以连通性为目标的网络建设方案不仅带来巨大的投资压力，还降低了通信行业的服务价值。因此，建设智能化大连接的算力网络成为运营商的重要战略目标。

2)IT行业

算力供需不均衡，全局利用效率低是IT行业的重要瓶颈。全球范围内，局部算力过剩形成“算力孤岛”，全局算力相对不足，现有的算力供给侧，如超算中心、高性能计算中心、云数据中心集群等，算力资源的综合利用率普遍小于15%，总体处于亏损状态，而算力需求侧，如无人驾驶、区块链、物联网、AR/VR，预计到2030年，应用场景的算力需求将同比2018年提升300倍～2000倍。因此，建设高效的算力调度能力是IT行业的重要关注。

3)安全行业

传统安全模式无法满足数字化发展需要引起安全行业的极大关注。数字经济条件下，虚拟化、软件化、智能化的行业应用打破了传统网络安全边界，以“边界防御”+“纵深防御”为主要特征的安全防御机制面临失效风险，近几年来，各国的关键信息基础设施不断遭遇体系化安全挑战。因此，建设服务于“计算”+“网络”的数字化新型安全体系是安全行业的重要共识。

1.3 技术驱动：融合创新的重要锚点

当前，跨界、跨领域的能力融合是ICT技术创新的重要方向。考虑到数字化的智能应用场景对于泛在连接、实时计算等方面的共性要求，“计算”+“网络”全面融合业已成为ICT技术全面发展的重要锚点。一方面，多样性计算将朝着网络化的方向全面发展。边缘侧算力需求驱动了实时计算、分布式云等技术方案成为行业热点，产业边缘侧、5G边缘侧和云边缘侧均提出了高水平的网络服务能力要求，与此同时，综合云计算、边缘计算、AI计算、类脑计算、量子计算等异构计算技术难以在技术架构和服务方式方面实现能力统一，智能化算力连接是融合差异化计算能力的唯一方法。因此，充分发挥算力连接的使能效应，统筹“云、网、边、端”于一体的新一代计算技术得到了业界的高度认同。另一方面，计算化是信息通信网络演进的重要方向。当前，CT网络正步入云网深度协同发展的新阶段，以SD-WAN、SRv6为代表的Underlay /Overlay网络技术日益成熟，然而，计算服务无感知、算力应用不亲和导致现有网络能力无法发挥智能连接的作用，因此，聚焦基础网络设施，全面提升底层网络对于计算服务/应用的感知性和亲和性，不仅符合网络服务创新发展的根本需求，还可以带动网络技术朝向全面智能化的方向演进。

2 算网融合的理解

2.1 算网融合的定义

算网融合是以通信网络设施与异构计算设施融合发展为基石，将数据、计算与网络等多种资源进行统一编排管控，实现网络融合、算力融合、数据融合、运维融合、智能融合以及服务融合的一种新趋势和新业态。

算网融合的本质是一种融合技术、融合设施和融合服务。一是算网融合是一种ICT演进的融合技术。算网融合包含以分布式云、高性能计算云为代表的计算网络化技术以及以算力网络、SD-WAN、IPv6+、确定性网络等为代表的网络计算化技术。多种技术体系相互协同，实现对计算、传输、存储等各项资源的统一管控，支撑算网融合上层应用。二是算网融合是一种聚焦“计算”+“网络”的融合设施。算网融合基础设施的实施方案涵盖“算力网络”“分布式云”“超算互联网”等多种方式，以云计算数据中心、智能计算中心、高性能计算中心等算力设施为支点，依托5G、物联网、工业互联网、卫星互联网等网络设施打造能力底座，融合人工智能、大数据等新技术，是一种融合信息基础设施的典型实现。三是算网融合是集成弹性、敏捷、安全于一体的融合服务，具体包括连接即服务(NaaS)、算力即服务(CaaS)和安全即服务(SECaaS)。算网融合一体化的全感知网络针对应用不同的服务需求，实现“云”“网”“边”“端”的算力高效协同，并进一步抽象算网接口，解耦算力服务和算力资源位置，构建具备多种感知能力于一体的算力感知新平面，赋能经济社会数字化、智能化、开放化升级。

2.2 参考架构及主要内涵

聚焦算网融合这一领域，近三年来，电信、互联网、能源、超算等多个行业先后组织了一系列的前沿性技术研究，在参考架构、关键能力等方面正走向收敛，逐步形成了“四大层级、六大融合”参考架构(如图1所示)。

从层次结构上看，算网设施层、算网平台层、算网应用层以及算网安全层是算网融合的四个主要部分。

1)算网设施奠定能力底座。算网设施提供计算、网络、存储等基础资源的物理承载，对异构算力进行感知和管理，向算网平台提供池化资源能力。算网设施是实现算网融合的重要基础，也是打造资源聚合的重要底座。当前主要的技术创新聚焦于以SD-WAN/SRv6为代表的算力连接技术，以计算优先网络(CFN)/确定性网络为代表的算力路由技术和以泛在计算/边缘计算为代表的算力度量技术等方向。

2)算网平台构筑管控核心。算网平台负责全局化的资源管控和服务编排，通过解耦底层算网设施与上层业务逻辑，集中NFV 2.0、人工智能、大数据等ICT创新技术，为端到端的算网应用和去中心化的算力交易提供有效支撑。算网平台是算网融合的智慧中枢。当前主要的技术创新集中于以服务场景/智能管控为代表的算网管控技术，以云原生/服务网格/SDN 2.0为代表的算网调度技术和以微服务/智能运维为代表的算网编排技术等方向。

3)算网应用提供统一服务。算网应用面向垂直行业的用户需求，依托统一化的三大服务能力连接即服务、算力即服务和安全即服务，为行业用户形成数字化的服务视图，提供规范化的服务模型。算网应用是算网融合的服务接口，其中，NaaS关注个人办公设备、智能穿戴设备、车载设备、以及车路协同设备等海量终端，以“云网边端”一站式接入为目标，为用户提供泛在连接服务；CaaS屏蔽算网设施的位置和算力类型，根据用户需求和应用种类，调度算力资源类型和数量，提供一致性的高效算力服务；SECaaS通过内生的安全能力，为数据资源传输、计算过程处理和应用结果发布等环节提供安全保障，为用户提供统一安全服务。

4)算网安全重构安全架构。算网安全聚焦新架构、新平台和新服务，不依赖于软硬件“安全可信”、先验知识和外挂/内置防御手段，通过构造内生的安全机制和功能，有效对网络进行安全防御，围绕网络安全、应用安全和数据安全，设计了“高可靠、高信用、高可用”三位一体的安全体系。算网安全是算网融合的重要内涵。当前主要的技术创新集中于以零信任为代表的网络安全技术，以区块链为代表的应用安全技术，以隐私计算为代表的数据安全技术。

从能力要求上看，网络融合、算力融合、数据融合、运维融合、智能融合、服务融合是算网融合的六大内涵。

1)网络融合：以全光网络为底座，从网络协议、网络架构、网络模型等方面集约化发展，全面提升网络对计算的感知能力，实现云网边端的融合连接。

2)算力融合：汇聚云计算、边缘计算、AI计算、类脑计算、量子计算等多种计算方式，聚焦异构芯片的处理能力，实现基础算力方面的度量融合。

3)数据融合：集合算网设施范围内的网络数据、环境数据、应用数据和安全数据，从数据结构、数据存储、数据处理等方面形成统一范式，构建归一化的数据资源池。

4)运维融合：协同数据、网络、计算等各类资源实现统一管理、调度和编排，综合多种服务场景进行运维建模，形成典型场景化的运维模型。

5)智能融合：融合人工智能、大数据、区块链等技术，打造支持意图感知、数字孪生等自学习能力的智能中台，形成智能大脑。

6)服务融合：以行业用户需求为目标，形成统一化的三大服务能力连接即服务、算力即服务和安全即服务。

3 我国算网融合的现状、问题及建议

3.1 算网融合总体态势

作为“计算”+“网络”融合发展的新趋势和新业态，算网融合被视为加快数字经济升级转型的重要抓手，得到了各方的积极响应。聚焦算网融合，在全国范围内，政策布局初步成型、技术创新百花齐放、产业蓝海日益清晰。

1)政策布局：以服务数字经济为目标，自顶向下初步形成规范体系

为助力我国数字经济的全面发展，国家各级主管机关高度重视算网融合基础设施的重要赋能效应，自顶而下初步形成了规范管理体系。一是在顶层设计方面，国务院《“十四五”数字经济发展规划》明确提出“推进云网协同和算网融合发展、有序推进基础设施智能升级”。二是在总体实施方面，我国启动了继“南水北调”等跨区域大工程以来又一个新的战略性项目“东数西算”工程，2022年2月，国家发改委正式批复启动建设“全国一体化算力网络国家枢纽节点”[4]。三是在各省市规划方面，上海、北京、山东、张家口、山西等省市陆续出台未来3～5年的基础设施建设方案，明确打造融合“计算”与“网络”一体发展的新网络、新设施和新平台。

2)技术创新：解决方案不断丰富，技术标准成为新的发力点

围绕算网融合的两大技术内涵：计算网络化和网络计算化，行业形成了一系列的解决方案“算力网络”“分布式云”“超算互联网”等，以技术标准为主要方式，开展了一系列的针对性创新研究工作。一是电信运营商主导的算力网络成为标杆方案。截至2022年3月，国内三大运营商先后发布多本算力网络白皮书，明确提出 “异构算力”+“网络能力”融合，同时，将算力网络视为打造新型信息基础设施、塑造新型信息服务体系的战略支点。依托ITU-T、ETSI、IETF、CCSA、CIC等国内外标准化研究机构，国内三大运营商先后立项了一系列的标准文件，引领了ICT行业的标准研究。二是云厂商主导的分布式云方案逐步成熟。2019年8月，Gartner的研究报告中指出，“到2024年大部分CSP将提供分布式云服务”[5]。当前，百度、阿里、腾讯浪潮、华为等国内头部的云服务商聚焦“云算力”+“网络能力”融合，先后推出自己的分布式云解决方案，在标准研制方面投入了大量的资源，力争这一领域的行业话语权。三是研究机构主导筹备的超算互联网即将到来。2021年9月，济南超算中心率先启动国内首个“超算互联网”的建设项目，以“超算算力”+“网络能力”融合为中心，全面提升超算中心的服务能力。2021年底，国家科技部超级计算创新联盟联合中国通信学会算网融合标准工作组，聚焦超算互联网的主要能力共同发起一系列的标准研制工作，力图加速“超算互联网”的方案成熟。

3)产业发展：生态各方动作频频，努力打造产业合作新蓝海

面对算网融合这一重大发展机遇，国内产业生态供给侧、需求侧和第三方纷纷行动起来，努力抢占数字化升级的新高地。一是在供给侧方面，电信、互联网、能源、超算、工业等行业不断明确发展诉求。以电力行业为例，开展“电力+网络”与“计算”+“网络”的双融合和双创新已经被视为实现双碳目标、落实国家政策的必然要求。二是在需求侧方面，国内多家设备提供商、方案提供商和服务集成商纷纷加大投入，主流的头部企业，如华为、阿里、腾讯、百度等，先后计划投入数千亿元资金，用于全面打造集“芯片处理、网络互联、智能管控、算网一体”的基础网络/计算融合能力。三是在第三方机构，2021年中国信息通信研究院组织成立了专门研究算网融合的研究团队，依托中国通信标准化协会(CCSA)，牵头联合北航、三大运营商、华为、中兴、声学所、济南超算中心等11家单位，共同成立了“算网融合产业及标准推进委员会”(CCSA TC621)[6]。

3.2 存在问题及发展建议

作为一个新领域和新方向，算网融合的全面发展仍然需要正视以下四个方面的挑战。一是庞大复杂的产业生态亟需统一共识。算网融合领域涉及互联网、通信、高性能计算等多个领域和多个专业，产业规模庞大且链条繁杂交错。因此，在算网融合方向，行业亟需构建统一的“产、学、研、用”合作平台，加快凝聚产业共识。二是行业缺少算网融合标准体系的顶层设计。算网融合的技术能力覆盖多个方面，要做到六大融合，需要各领域、各专业打破原有壁垒，按照统一路线，实现计算与网络技术的融合创新。目前，算网融合在概念定义、应用场景、参考架构等方面尚未形成明确的行业共识，亟需自顶向下建设功能完善的标准体系。三是产品方案碎片化阻碍技术创新。算网融合的产品数量多、分布广、类型丰富，呈现多源、异地、异构等特征。多种能力全面融合的解决方案需要实现跨厂商、跨应用、跨地域的集成和交互。因此，行业亟需形成统一开放的应用创新平台，在架构、能力、协议等方面同步开展技术符合性验证工作。四是商业模式仍需进一步探索。算网融合的应用场景众多，场景需求差异巨大，服务来源多样，服务能力与服务质量各不相同。当前，行业亟需探索如何利用多样化的服务能力满足差异化的应用需求，平衡各方利益诉求，构建创新的商业模式与应用部署模式。

为积极应对这些挑战，当前迫切需要整合各方力量，形成合力，有针对性地做好能力储备工作，本文提出以下几条建议。

1)多方协作积极构建开放合作的产业平台。从政策法规、市场培育、产业引导、科技投入等方面加强政府引导，发挥第三方组织的平台效应，鼓励标准组织与产业联盟积极推进算网融合标准化进程，规范产业发展。

2)推进标准顶层设计，扩大国际影响。充分利用我国在网络基础设施规模部署方面的优势，立足国内经济发展实际需求，规范算网融合网络架构和关键技术标准的制定，组织产业链各方共同参与，建立健全相关技术标准和测试评估体系，积极参与国际标准活动，为国际标准制定工作做出大的贡献。

3)构建统一技术验证与应用创新平台。在建立健全算网融合技术标准体系基础上，着力打造集技术验证与应用创新为一体的统一开放平台，开展标准制定前期的复合性试验、测试评估，加速标准落地实施和产业应用推广，促进算网融合技术创新。