算力网络——云网融合2.0时代的网络架构与关键技术

序（一）

互联网是二十世纪伟大的发明之一，从其诞生到现在已有五十多年，依然是未来全球科技与经济发展的主要驱动力。当前互联网发展的主战场正在从消费型互联网转向产业型互联网，促进着产业间的融合、创新。在这个过程中，越来越多的传统服务业和垂直行业正在成为互联网和信息通信服务的新领域，网络操作系统、5G/B5G、云计算、大数据、人工智能、确定性网络等新一代信息技术正在推动全社会的数字化转型。作为数据在云、网、边、端流动过程中的关键环节，信息通信网络将从纯粹的管道角色，转变成承载更多价值可能性的数字经济中枢。

基于上述认识，我国信息通信产业积极思考云网融合时代的业务特征和网络特性，在全球率先提出了“算力网络”的概念。一般来说，算力网络的作用是将动态分布的计算与存储资源充分连接，通过网络、存储、算力等多维度资源的统一协同调度，使海量的应用能够按需、实时调用泛在分布的计算资源，实现连接和算力在网络的全局优化，提供一致的用户体验。从云网协同到算网一体，网络的作用和价值将发生变化。对于“云网协同”，网络以云为中心，从云的视角看“一云多网”，对网络的主要需求是连通性、开放性，服务质量要求是尽力而为，网络是支撑角色。对于“算网一体”，网络以用户为中心，从用户的视角看“一网多云”，网络需要支持低时延、安全可信的通信，服务质量要求是具有确定性，网络成为价值中心。

进入2021年后，算力网络的研究与应用在业界明显加速。5月24日，国家发改委正式印发了《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，明确提出要构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系，促进数据要素流通应用，实现数据中心绿色高质量发展。在同年6月举行的“第五届全球未来网络发展大会”上评选出的16项未来网络领先创新科技成果中有5项和算力网络直接相关，成果获奖单位覆盖了国内三大电信运营商。在国际标准领域，算力网络已经在包括ITU-T、IETF、ETSI和BBF在内的多个重要组织中完成了立项，研究工作从国内走向国际舞台。

在此背景下，为推动算力网络研究并形成特色解决方案，大量的学术研究及工程技术人员都期望能够快速学习和了解该领域的相关知识。然而，当前市面上并没有一本全面系统讲解算力网络的图书，本书很好地填补了这个空白，满足了当前相关科研人员与工程技术人员的实际需求。

本书由国内算力网络研究的主要发起单位之一、中国联通研究院组织相关专家撰写，对该领域研究思路和研究成果进行了系统总结。长期以来，中国联通公司高度重视算力网络研究工作，在标准研究、产业合作和应用落地领域均有颇多建树。通过阅读此书，读者既可以了解算力网络的背景与发展脉络，又可以根据书中提供的技术方案与应用场景开展实验，对其他从事该方向的研究人员也具有重要的参考借鉴意义。为此，推荐本书给相关有意愿和志向，努力进行开拓性研究的科技工作者、工程技术人员、高校师生。

中国工程院院士、网络通信与安全紫金山实验室主任   刘韵洁

序（二）

随着5G、大数据、人工智能、区块链等信息通信技术的推广应用，经济社会向数字化转型升级的趋势越发明显。自2020年以来，国家发布了以“新基建”为导向的一系列政策，旨在通过加快建设数字化基础设施，提升各行业的“连接 计算”能力，引领重大科技创新、重塑产业升级模式，为社会发展注入更强动力。“连接 计算”能力的提升，需要计算和网络两大产业的有机协同，相互配合、优势互补。

中国联通研究院（以下简称联通研究院）作为中国联通公司研究体系的主体单位，很早就注意到以云网融合为代表的计算、网络两大产业协同发展趋势。从2015年开始，联通研究院先后结合SDN/NFV、Segment Routing和AI等技术，支撑中国联通公司构建起包含产业互联网（CUII）与智能城域网的新一代承载网基础设施，实现了用户便捷入云、云间互联及弹性连接服务。2019年11月，联通研究院发布了业界《算力网络白皮书》，阐述了对未来算力业务形态、平台经营方式、网络使能技术等方面的观点，对算力网络的技术研究和产业推动产生了重要影响。2020年11月，联通研究院牵头发起成立了“中国联通算力网络产业技术联盟”，旨在联合产学研合作伙伴，促进算力网络的标准完善、应用创新和生态繁荣。从“云网融合”到“算网一体”，网络需要为云、边、端算力的高效协同提供更加智能的服务，网络基础设施和算力基础设施必须走向深度融合，联合构成数字经济的基石，赋能全社会的发展和进步。

2021年3月23日，中国联通公司正式对外发布了CUBE-Net 3.0网络创新体系和网络转型计划，其核心内涵是：打造连接数据与计算、提供智能服务的新一代数字基础设施，使能千行百业的数字化转型和智能化升级。以CUBE-Net 3.0网络创新体系为指引，联通研究院专门成立了算力网络核心攻关团队，目前已在算力网络的体系架构、关键技术、应用场景等方面取得了一系列重要成果，本书内容就是该团队对这些成果的详细论述。

希望本书通过总结产学研领域算力网络的研究成果和联通研究院的相关创新工作，为行业发展起到抛砖引玉的作用，推动网络与计算深度融合，助力构建面向未来的算网一体化服务新格局。

中国联通研究院党委书记、院长   李红五

前   言

当今世界正经历百年未有之大变局，在新冠肺炎疫情肆虐的大背景下，世界政治经济格局加速演进，国际形势的不稳定性、不确定性更加突出。为了应对上述深刻变化，推动经济社会的高质量发展，我国做出了大力发展数字经济的战略抉择。近年来，线上零售、线上教育、视频会议、远程办公等新业态、新模式是数字经济发展的成功体现，而这些业务的顺利开展都离不开云计算与网络通信两大核心技术所形成的数字基础设施的有力支撑。可以预见，未来随着数字经济发展的持续深入，以云和网为代表的数字基础设施建设将更加深刻地影响和改变经济社会的发展模式和人们的生产生活方式，将成为科技创新和经济增长的重要引擎。

在云、网两大数字基础设施中，信息通信网络的重要性正在凸显。新一代信息网络正在从以信息传递为核心的网络基础设施，向融合计算、存储、传送资源的智能化云网基础设施发生转变。算力网络正是为应对这种转变而提出的新型网络架构。算力网络基于无处不在的网络连接，将动态分布的计算与存储资源互联，通过网络、存储、算力等多维度资源的统一协同调度，使海量的应用能够按需、实时调用泛在分布的计算资源，实现连接和算力在网络的全局优化，提供一致的用户体验。

因此，从发展趋势来说，算网一体是云网融合的延续，算力网络是实现算网一体重要的技术手段。中国联通高度重视云网融合与算网一体工作的推进，2015年发布面向云端双中心的解耦集约型网络架构CUBE-Net 2.0，并在之后研发和建设了国内首个面向行业客户上云服务的产业互联网（CUII）。2019年，中国联通公司发布业界《算力网络白皮书》，提出算力网络的内涵、愿景和意义，倡导计算与网络深度融合。2020年，中国联通公司主导成立了国内首个算力网络产业技术联盟，并在国际、国内标准组织中主导了多项研究。为了让更多的读者了解算力网络的技术细节和产业发展脉络，中国联通研究院组织相关领域专家组织编写了本书，旨在结合“新基建”等政策导向与5G/B5G时代可能的商业模式创新，对算力网络的架构设计、功能模型、关键技术等进行详细分析和论述。

全书分为9章，第1章主要回顾了过去十年来云网融合技术的发展历程，第2章结合业务向云、边、端延伸的趋势，以及国家“新基建”的政策导向，论述算力网络的出现背景及算力网络何以支撑云网技术由1.0走向2.0。第3章从中国联通视角，结合以往云网融合项目实施的成功经验，分析了算力网络架构与技术体系。第4～7章结合该技术体系分别论述了算力网络的控制与转发技术、编排与调度技术、算力建模与交易技术及其他关键技术，并对中国联通和产业界的主要工作成果进行了说明。第8章对算力网络的主要应用场景进行了阐述。第9章面向未来演进，从机遇和挑战两方面对算力网络的产业发展进行了预测。

本书既适合通信、计算机、互联网领域的相关从业人员阅读和参考，还适合通信工程、电子信息和计算机科学等相关专业的高校师生阅读。在本书的编写过程中，中国工程院刘韵洁院士、中国联通研究院李红五院长给予了颇多指导，并欣然为本书作序。同时，本书的撰写也得到中国联通算力网络产业技术联盟相关单位的大力支持，在此一并深表感谢！

由于算力网络目前还处于产业发展的初期，相关技术仍在快速发展中，加之编著者的知识水平有限，书中难免存在疏漏，恳请各位读者批评指正。

编著者

在计算与网络发展紧密结合、技术相互促进、产业协同合作的背景下，我国率先提出了“算力网络”的概念，中国联通研究院作为国内算力网络研究开展较早的科研机构之一，专门组织多位专家撰写了本书。

全书分为9章，第1～2章回顾了云网融合的发展历程，算力网络提出的背景、技术内涵与业界研究进展。第3章论述了算力网络架构与技术体系。结合该技术体系，第 4～7章分别从算力网络的控制与转发、编排与调度，算力建模与交易及其他关联领域方面阐述了相应的关键技术。第8章对算力网络主要应用场景进行了阐述。第9章面向未来演进，从机遇和挑战两方面对算力网络的产业发展进行了预测。

全书条理清晰，针对性强，既适于对云网融合和算力网络技术感兴趣的科研人员阅读，也可作为高等院校计算机、通信、电子工程等专业研究生的专业课参考书。

在计算与网络发展紧密结合、技术相互促进、产业协同合作的背景下，我国率先提出了“算力网络”的概念，中国联通研究院作为国内算力网络研究开展较早的科研机构之一，专门组织多位专家撰写了本书。

全书分为9章，第1～2章回顾了云网融合的发展历程，算力网络提出的背景、技术内涵与业界研究进展。第3章论述了算力网络架构与技术体系。结合该技术体系，第 4～7章分别从算力网络的控制与转发、编排与调度，算力建模与交易及其他关联领域方面阐述了相应的关键技术。第8章对算力网络主要应用场景进行了阐述。第9章面向未来演进，从机遇和挑战两方面对算力网络的产业发展进行了预测。

全书条理清晰，针对性强，既适于对云网融合和算力网络技术感兴趣的科研人员阅读，也可作为高等院校计算机、通信、电子工程等专业研究生的专业课参考书。

曹畅，博士后，高级工程师，现任中国联通研究院未来网络研究中心高级专家，智能云网技术研究室主任，第七届中国通信学会信息通信网络技术委员会委员，中国通信标准化协会CCSA“网络5.0技术标准推进委员会”架构组副组长，主要专业领域为IP网络宽带通信、SDN/NFV、新一代网络编排技术等，已发表论文30余篇，获得专利授权10余项。

唐雄燕，中国联通研究院副院长，首席科学家，“新世纪百千万人才工程”人选，北京邮电大学兼职教授、博士生导师，工业和信息化部通信科技委委员兼传送与接入专家咨询组副组长，北京通信学会副理事长，中国通信学会理事兼信息通信网络技术委员会副主任，国际开放网络基金会ONF董事；主要专业领域为宽带通信、光纤传输、互联网／物联网、SDN/NFV与新一代网络等。

张帅，工学硕士，中国联通研究院未来网络研究中心工程师，主要从事新型IP网络技术、云网融合、未来网络架构等创新领域的研究工作，目前担任CCSA TC614网络5.0技术标准推进委员会需求组副组长。

 李建飞，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事算力网络、确定性网络、AI算法应用以及智能边缘计算等相关技术的研究，发表论文多篇，获授权专利10余项。

何涛，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事IP网络及算力网络研究工作，已发表论文6篇，授权专利5项。

李铭轩，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事云计算领域前沿技术和标准的研究工作，已发表论文20余篇，授权专利10余项，牵头发布国家及行业标准10余项。

刘莹，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事数据通信转发面研究工作，已发表论文2篇。

张传彪，工学博士，现就职于中国联合网络通信集团有限公司科技创新部，主要研究方向为下一代光网络、先进光纤光学器件等，已发论文10篇，参与多项国家自然基金和国家重点研发课题研究。

屠礼彪，工学硕士，高级工程师，现就职于中国联合网络通信集团有限公司网络部，集团数据网专业专家人才，长期从事IPv6/IPv6 、智能城域网、IP城域网专业领域的建设和管理工作。已发表论文8篇，曾获信产部科学技术进步奖二等奖、联通集团科技创新进步奖一等奖、第十七届通信行业企业管理现代化创新二等奖。

第1章 云网融合技术发展回顾 1 
1.1 云网融合发展的背景与趋势 1 
1.2 SDN技术的发展历程 4 
1.2.1 学术研究与互联网引入期 4 
1.2.2 技术推广与开源标准发展期 7 
1.2.3 运营商试点与规模应用期 11 
1.3 NFV技术的发展历程 18 
1.4 云网业务的发展趋势 22 
1.5 本书结构 25 
本章参考文献 26 
第2章 算力网络与云网融合2.0 29 
2.1 电信网络发展阶段分析 29 
2.2 算力网络的定义与内涵 33 
2.2.1 云、边、端算力资源多级分布 35 
2.2.2 算力网络的服务模式 37 
2.3 算力网络与云网融合的关系 39 
2.4 算力网络产业化进程 41 
本章参考文献 43 
第3章 算力网络架构与技术体系 45 
3.1 算力网络架构 45 
3.2 层间接口说明 53 
3.3 算力网络技术体系 55 
3.3.1 算网协议控制 55 
3.3.2 算网转发设备 57 
3.3.3 算力编排与调度 58 
3.3.4 算力资源建模 59 
3.3.5 算力服务与交易 60 
3.3.6 其他关键技术 61 
3.4 算网技术体系与现网技术的关系 62 
本章参考文献 63 
第4章 算力网络控制与转发关键技术 64 
4.1 SRv6技术 64 
4.2 APN6技术 72 
4.3 算力信息交互技术 77 
4.3.1 交互的必要性 77 
4.3.2 分布式交互技术 79 
4.3.3 集中式交互技术 81 
4.4 确定性网络技术 83 
4.5 数据中心网络技术 93 
4.6 可编程芯片技术 101 
4.7 网络操作系统技术 109 
本章参考文献 116 
第5章 算力网络编排与调度关键技术 118 
5.1 云原生技术概述 118 
5.2 资源调度和服务编排技术架构 123 
5.3 资源调度层协同机制 125 
5.4 服务编排层功能解析 132 
5.5 服务编排技术实现 133 
5.6 基于Serverless的服务编排机制 134 
5.7 面向FaaS的服务能力开放 137 
本章参考文献 138 
第6章 算力建模与交易关键技术 140 
6.1 算力资源建模技术 140 
6.1.1 算力度量 142 
6.1.2 算力分级 144 
6.1.3 面向业务体验的算力、存储、网络联合服务 145 
6.1.4 不同业务场景服务能力需求分析 146 
6.2 算力服务与交易技术 151 
6.2.1 可信算力交易平台 151 
6.2.2 可信算力交易流程 153 
本章参考文献 154 
第7章 其他关联技术 156 
7.1 云光协同 156 
7.2 超低时延与高可靠性 161 
7.3 网络安全 167 
7.3.1 网络信息安全的必要性 167 
7.3.2 网络信息安全防护体系 168 
7.3.3 安全技术 170 
7.3.4 鉴权及管理系统 173 
7.4 网络AI与智能运维 174 
7.4.1 自动驾驶网络技术 174 
7.4.2 智能运维技术 175 
7.5 IT支撑技术 179 
7.5.1 多云管理 179 
7.5.2 集群联邦 183 
7.5.3 Prometheus统一监控 186 
本章参考文献 187 
第8章 算力网络主要应用场景 189 
8.1 新媒体 189 
8.2 车联网 191 
8.3 智能安防 193 
8.4 CDN 194 
8.4.1 CDN简介 194 
8.4.2 CDN的应用场景 196 
8.4.3 CDN的发展趋势 197 
8.5 工业互联网 199 
8.5.1 发展背景 199 
8.5.2 算网融合分析 200 
8.5.3 应用场景 201 
8.6 智慧家庭 202 
8.6.1 发展概述 202 
8.6.2 应用场景 203 
本章参考文献 204 
第9章 算力网络发展展望 205 
9.1 算力网络在业界的发展展望 205 
9.2 电信运营商相关工作介绍 207 
9.3 算力网络的发展新机遇 208 
9.4 算力网络面临的挑战 209 
9.5 全国一体化算力网络发展规划 211 
本章参考文献 214 
缩略语 215

在计算与网络发展紧密结合、技术相互促进、产业协同合作的背景下，我国率先提出了“算力网络”的概念，中国联通研究院作为国内算力网络研究开展较早的科研机构之一，专门组织多位专家撰写了本书。

全书分为9章，第1～2章回顾了云网融合的发展历程，算力网络提出的背景、技术内涵与业界研究进展。第3章论述了算力网络架构与技术体系。结合该技术体系，第 4～7章分别从算力网络的控制与转发、编排与调度，算力建模与交易及其他关联领域方面阐述了相应的关键技术。第8章对算力网络主要应用场景进行了阐述。第9章面向未来演进，从机遇和挑战两方面对算力网络的产业发展进行了预测。

全书条理清晰，针对性强，既适于对云网融合和算力网络技术感兴趣的科研人员阅读，也可作为高等院校计算机、通信、电子工程等专业研究生的专业课参考书。

曹畅，博士后，高级工程师，现任中国联通研究院未来网络研究中心高级专家，智能云网技术研究室主任，第七届中国通信学会信息通信网络技术委员会委员，中国通信标准化协会CCSA“网络5.0技术标准推进委员会”架构组副组长，主要专业领域为IP网络宽带通信、SDN/NFV、新一代网络编排技术等，已发表论文30余篇，获得专利授权10余项。

唐雄燕，中国联通研究院副院长，首席科学家，“新世纪百千万人才工程”人选，北京邮电大学兼职教授、博士生导师，工业和信息化部通信科技委委员兼传送与接入专家咨询组副组长，北京通信学会副理事长，中国通信学会理事兼信息通信网络技术委员会副主任，国际开放网络基金会ONF董事；主要专业领域为宽带通信、光纤传输、互联网／物联网、SDN/NFV与新一代网络等。

张帅，工学硕士，中国联通研究院未来网络研究中心工程师，主要从事新型IP网络技术、云网融合、未来网络架构等创新领域的研究工作，目前担任CCSA TC614网络5.0技术标准推进委员会需求组副组长。

 李建飞，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事算力网络、确定性网络、AI算法应用以及智能边缘计算等相关技术的研究，发表论文多篇，获授权专利10余项。

何涛，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事IP网络及算力网络研究工作，已发表论文6篇，授权专利5项。

李铭轩，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事云计算领域前沿技术和标准的研究工作，已发表论文20余篇，授权专利10余项，牵头发布国家及行业标准10余项。

刘莹，工学硕士，现就职于中国联通研究院未来网络研究中心，长期从事数据通信转发面研究工作，已发表论文2篇。

张传彪，工学博士，现就职于中国联合网络通信集团有限公司科技创新部，主要研究方向为下一代光网络、先进光纤光学器件等，已发论文10篇，参与多项国家自然基金和国家重点研发课题研究。

屠礼彪，工学硕士，高级工程师，现就职于中国联合网络通信集团有限公司网络部，集团数据网专业专家人才，长期从事IPv6/IPv6 、智能城域网、IP城域网专业领域的建设和管理工作。已发表论文8篇，曾获信产部科学技术进步奖二等奖、联通集团科技创新进步奖一