導讀
隨著5G網絡、邊緣計算的規模建設，新興應用將加速驅動數據處理由雲端向邊側、端側的擴散，邊端計算能力持續增長，算力泛在化已成趨勢。可以說，泛在計算的出現，為雲計算、邊緣計算的發展指出了一個新的方向，其進步對未來科技和技術發展的影響不可估量。
張婷婷：中國移動通信研究院雲計算高級研究員，技術經理，騰訊雲TVP，《企業私有云建設指南》作者。在雲計算領域深耕近10年，熟悉企業級私有云，NFV電信雲和邊緣雲規劃建設方案制定，負責中國移動雲計算演進規劃、技術架構、方案設計等工作，近期從事雲效能評估評測、雲原生、泛在計算等方向研究。
王升：中國移動通信研究院NFV方案與技術研究員，項目經理。從事NFV架構與演進、邊緣雲、異構硬件加速、泛在計算等方向的研究。
1 計算技術的螺旋上升發展
在產業應用在不斷尋求著計算效率和計算成本平衡的驅動下，計算作為信息化處理的基礎，隨著其載體芯片單機算力的不斷提升，其發展的歷史也是合久必分，分久必合的螺旋式上升，推進著信息化調度系統的不斷變革和優化(如圖一所示）。
從1960年代起的集中式處理大型機，封閉網絡和巨型應用主導了10年純集中架構；到80年代在互聯網的促進下，個人電腦的形成為分佈式處理奠定了產業基礎；2000年後至今，雲計算蓬勃發展促進了算力的集中共享，釋放了個人終端側的算力要求。隨著近幾年邊緣計算的興起邊緣作為雲計算的外延發展，計算架構又開始結合數據安全和業務時延等需求進一步分層、分佈式化。在此過程中各類FPGA、GPU等新型計算芯片也結合各類網絡轉發、AI等加速場景繁榮興起。
總之，隨著計算密度越來越高，分佈越來越廣泛，未來集中與分佈式的界限將變得更模糊，更為泛在。因此未來也必將形成一個集中和分散的統一協同泛在計算能力框架。
圖一
在這個過程中除了計算調度架構的變化，計算硬件、軟件驅動平臺甚至應用的開發模式也在悄悄的發生變化。如傳統CAP原則限制的分佈式服務群集，隨著業務發展開始向BASE(Basically Available代表基本可用、S:Soft state代表軟軟狀態,E:Eventually consistent代表最終一致性)模式過渡。各類程序設計異步排序，傳統C/S架構的服務端越來越輕量化，微服務和函數級服務拆分出現，網絡帶寬提速降費，都為業務應用的廣域分佈式化打下了伏筆。
未來隨著物端的種類豐富，個人PC甚至家庭網關都將可能做為參與算力對外提供的節點，手機、智能汽車等智能終端的普及形成了一些數據就近處理和泛在計算處理場景，由此也將必然促進用戶周邊信息化空間內，不同距離、不同規模的算力相互凝聚和協同，呈現雲-邊-端三級計算架構。
隨著5G網絡、邊緣計算的規模建設，新興應用將加速驅動數據處理由雲端向邊側、端側的擴散；同時，芯片工藝製程持續由7nm向5nm演進，邊端計算能力持續增長，算力泛在化已成趨勢。
2 泛在計算促進數字化生態構建
泛在計算並不是一個新的概念，早在20世紀80年代泛在計算之父，Mark Weiser博士就提出了泛在計算的概念：
泛在計算（又叫普適計算）即建立一個充滿計算和通信能力的環境，同時使這個環境與人們逐漸的融合在一起。
---Dr Mark weiser 1988
他強調了計算和環境融為一體，而計算機甚至終端本身將從人們的視線裡消失。在泛在計算環境中，人們能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理，而這個過程是在計算設備的幫助下高度自動化完成的。
泛在計算是信息空間與物理空間的融合，在這個融合的空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數字化的服務。
---清華大學教授 徐光祐
徐教授的概念強調服務的隨時隨地和透明獲取。總結而言，泛在計算將成為人、環境和萬物互聯的數字化基礎設施，助力數字化新生態系統的形成。
總結而言，泛在計算其包含的主要特徵如下：
1. 計算和網絡融合的基礎設施環境：依賴廣域連接和網絡能力將計算能力拉通共享，形成算網融合的底層環境;
2. 物理空間和信息化融合的數字化服務：更加強調廣域的物理空間和的數字化建模和信息提供，構建類似數字孿生的新服務形態；
3. 人和信息的隨時可連接、獲取、處理：這就需要形成一套類似雲服務，但又更為靈活和廣泛的服務模式，讓任何一個節點可以隨時接入計算。
這正與Gartner 2019的新興技術預測（如圖二所示）中數字生態系統的幾個關鍵技術不謀而合。未來企業和應用將突破只關注自身產業鏈條的侷限，與更多的行業、人和物進行跨界共享和合作。而數字化生態系統正在分解這種傳統價值鏈，發展出更無縫、更靈活的連接和服務。在此過程中企業將在區塊鏈上尋找解決方案。應用包括數字運營（DigitalOps）、知識圖譜（knowledge graphs）、合成數據（synthetic data）、去中心化網絡（decentralized web）和分佈式自治組織（decentralized autonomous organization）等關鍵技術去構建如此龐大的數字化系統。這其中的泛在計算正是以其去中心化、自治和數字運營等特點成為新興技術發展的核心驅動能力。
圖二
泛在計算的應用場景既包括可穿戴設備和智能手機，也包括智能教室，可感知環境的家庭、辦公等。同時也將孵化一種新的計算服務提供商業創新，引入區塊鏈記賬為基礎的新型算力提供和交易形態，促進全社會算力的流動。當前，已有不少國內外高校、組織、公司針對泛在計算平臺提出了構想與實踐，主要應用領域有高性能分佈式計算、科學研究、雲渲染、雲遊戲、CDN、人工智能等方面。例如誕生於2003年美國加州大學伯克利分校BOINC(全名伯克利開放式網絡計算平臺）主要聚合、共享全球C端用戶算力資源的開放算力平臺，以眾包分發匹配的方式為世界各地科研機構提供強大運算能力。
3 泛在計算的核心價值
泛在計算作為數字化基礎設施的基石，筆者認為將會對未來科技和技術的發展產生如下核心價值：
1、作為廣泛算力滲透，促進算力作為生產力的充分流動，提升社會計算效率。
IDC數據顯示，截至到2022年，中心化算力總計不會超過12%，分佈式算力超過88%。當前，邊側的算力還未形成規模，而端側的海量算力卻未得到有效利用。例如根據IDC統計年化出貨量數據推算，2014-2017年全球PC保有量量為11.01億，服務器保有量4907臺。但這些個人和數據中心內的算力加上各類泛終端（例如移動終端、邊緣終端等）日常平均資源利用率能達到15%就不錯。那麼如果將這些空閒算力作為計算能力統一調度對外服務，充分將端側算力整合，作為邊側算力的補充，構建“無限節點”，與邊側協同提供差異化服務，賦能社會，必將極大促進社會生產力的提升。
2、泛在計算基於區塊鏈構建共識信用機制將促進個人用戶在數字化信息服務提供中的參與度和靈活度。
傳統雲計算模式下，只有雲服務商提供集中或邊緣的算力，屬於B2C或B2B商業模式應用場景。而在泛在計算構建的生態模型中，每個終端的擁有者可以通過安裝軟件客戶端等方式隨時接入泛在計算的平臺，參與算力的貢獻，並通過聯盟鏈等方式進行透明的交易計價，獲取相應的報酬。這種C2B2C的模式將提升個人算力提供者的積極性，同時也進一步盤活了算力資產。為一些更需要靠近端側用戶的應用提供了更低時延，貼近用戶入口的創新可能（例如人體健康數據採集等）。
3.泛在計算將推進數字孿生從理想向現實的逐步邁進。
數字孿生最早出現在航天和工控領域，可以看做一種基於數字化模型進行的各類仿真、分析、數據積累、挖掘、甚至人工智能的應用，主要目的是用信息化構建模型與現實物理系統保持適用和同步。但採集端和不同系統間的信息實時反饋同步，以及模型自動修正一直是實現數字孿生理想尚未完全攻克問題。應用泛在計算能力，業務分佈式調度可將端側及工業網關等設備納入計算調度平臺，以其廣連接性，屏蔽硬件差異，實現基於統一信息化基礎平臺的一套編程開發框架，進一步促進數據和信息在更廣物理範圍內流動。
4 泛在計算的實現路徑
隨著移動通信網絡的發展，當前已經到了5G規模商用的關鍵節點，由於3，4G時代運營商網絡逐漸脫離業務，導致被OTT廠商迅速管道化，低值化。在5G時代，運營商擁有高品質的網絡，與網絡緊密結合的海量接入終端，數量龐大的邊緣機房，各級雲化的基礎設施，具有實踐泛在計算的天然優勢。轉型信息化服務商售賣算力+確定性時延網絡的一體化能力，是運營商擺脫管道命運，從消費互聯網轉向產業互聯網的關鍵。不僅僅是運營商，產學研各界都在對如何實現泛在計算願景、提供算力+網絡一體式服務，進行著積極的研究與探索。當前，針對泛在計算的實現方案主要有集中式方案與分佈式方案兩種，兩種實現方案主要的區別在於算力的調度方式上，在算力的生成與交易環節，二者相差不大。
1. 分級調度的泛在計算架構
基於分級調度的泛在計算架構以NFV/SDN集中管理編排和雲計算的調度理念為基礎，通過集中化、分級化扁平平臺實現對泛在計算設備的算力和網絡信息收集、應用管理編排、部署分發，為用戶提供最優的算力分配及網絡連接方案。其主要具備以下主要特徵：
- ①對社會泛在計算設備，雲邊端三層多級算力的集中管理調度，實現控制與數據平面的分離。
- ②不改變當前底層網絡架構與IP協議實現，通過平臺自身的多級調度能力實現互聯協同。調度參數通過鬆耦合的平臺調度邏輯實現。
- ③一方面可以兼容當前單體業務、應用的架構設計的組資源調度，同時也能支撐各類輕量化微服務架構的細粒度調度。但均需要提供能屏蔽底層異構硬件的新型開發環境。
- ④由於採用集中調度架構，調度模塊將不佔用邊緣計算節點有限的空間、供電與算力資源。
分級調度的泛在計算的邏輯架構由算力+網絡基礎設施層，算網管理調度層，計費運營層組成，三層之間通過標準API互通，完成算力生成、調度、交易的閉環。其中網絡基礎設施包括各級SDNC，網管及相應的網絡設備，構建低時延大吞吐、敏捷、無損、確定性網絡傳輸管道。
- ①算力基礎設施包括核心DC與MEC節點，三方雲資源池以及泛在的端算力等，聚焦於異構算力的生成與抽象。
- ②管理編排調度層主要負責算力的註冊，算網資源的整合，根據需求進行算力路由調度；根據資源拓撲進行算力分解，合理拆分算力需求；預留資源，下發鏡像，部署應用，配置網絡等；同時，管理編排層還需要具備安全、策略、資源等管理功能。
- ③計費運營層可以分為三個模塊，分別是算力交易模塊，算力計費模塊，算力運營模塊，其中，算力交易模塊以聯盟鏈為基礎，完成智能合約的生成，交易數據的記錄與營帳；算力運營模塊包括算力分級，算力測量，運營門戶，應用商店，開發平臺等；算力計費模塊主要依據交易模塊產生的交易數據準確的生成賬單。集中調度式泛在計算架構（如圖三）所示：
圖三
2. 基於分佈式路由的算力網絡架構
算力網絡最先由華為提出，出發點是解決邊緣計算節點之間的協同問題，當前業界尚無確定性稱謂（CFN,CAN等）。其實現機制是通過增強或改造網絡底層的IP協議（如SRV6,BGP等），將算力與網絡能力作為路由信息發佈到網絡層之上的算力路由層，並由算力路由節點基於虛擬的服務ID將計算任務報文路由到最合適的計算節點，其架構（如圖四）所示。該方案的特徵包括：
- ①分佈式的算力路由節點負責算力節點的同步、算力的路由與尋址。
- ②算力節點通過擴展或改造的網絡協議、網絡設備進行算力通告與調度。
- ③上層應用與資源平臺通過新增的接口上報服務能力。
- ④應用基於服務ID而非傳統的DNS、IP尋址，擴展IP協議報頭。
- ⑤應用C/S架構必須重構，業務邏輯轉移到客戶端，承載在計算節點之上的服務端進行微服務化或函數化，成為一個個無狀態的服務或功能。
圖四
算力網絡方案的實現需要依賴底層IP協議擴展與網絡設備的改造，當前看難度較大，短時間內難以落地；應用的改造也比較大，服務接口通告功能，業務尋址機制與業務架構都需要重構，但產業界也正在標準和研究層面積極探索；同時，算力的流粘性保持、物聯網等泛在接入設備的海量流表，都對算力路由節點的能力提出了挑戰，另外，算力路由節點自身的資源消耗、空間佔用壓縮邊緣節點有限的空間與資源的問題，也需要進一步考慮。
當前兩種實現架構均存在各自的優劣勢，集中式調度框架未來會存在擴展性和平臺可靠性等問題，但和現在的雲計算調度架構保持一定的延續性，易於實現。分佈式路由的自治性更強，擴展性更高，但對各節點的調度開銷降低提出更高的要求。類似於社會主義和共產主義制度的演進，作為底層基礎設施的不同路徑方案，可以分階段促進泛在計算理想的實現。
5 泛在計算實現的技術挑戰
泛在計算的算力架構具備算力專業化、算力智能化、算力均衡化、算力貨幣化的特徵。當前，泛在計算整體架構與關鍵技術攻關才剛剛開始，仍然面臨不少的技術挑戰，在這四大特徵的關鍵技術方面，還有很多領域需要探索。從算力專業化特徵來看，算力生成如何屏蔽底層異構芯片的差異，實現算力的抽象，減少應用的重複開發；在算力發現方面，端側尤其是移動終端的算力與網絡狀態處在不斷的變化之中，如何準確的度量與註冊端側的算力，是後續算力調度的前提。從算力智能化、均衡化特徵來看，算力分解、算力調度算法是整體架構的關鍵，算力調度機制亟需明確，算力分解與合成邏輯尚待研究。從算力貨幣化特徵來看，算力交易如何高效運營，豐富生態，算力分級如何評測，聯盟鏈的實現方式、共識算法、智能合約體系等也需要構建。
泛在計算的願景是高效利用未來的雲邊端三級算力，以低時延確定性的5G基礎網絡為依託，實現雲邊管端四層協同，向全社會賦能算網一體化產品。泛在計算為雲計算、邊緣計算的發展指出了一個新的方向，雖然當前仍處於研究的初級階段，但路漫漫其修遠兮，相信在產學研各界的不斷求索下，泛在計算的架構會更加明晰，相關技術會愈發成熟，泥濘小徑變為康莊大道的那天也勢必會到來。
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