隨著5G網(wǎng)絡、邊緣計算的規(guī)模建設，新興應用將加速驅(qū)動數(shù)據(jù)處理由云端向邊側(cè)、端側(cè)的擴散，邊端計算能力持續(xù)增長，算力泛在化已成趨勢?？梢哉f，泛在計算的出現(xiàn)，為云計算、邊緣計算的發(fā)展指出了一個新的方向，其進步對未來科技和技術(shù)發(fā)展的影響不可估量。
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計算技術(shù)的螺旋上升發(fā)展
在產(chǎn)業(yè)應用在不斷尋求著計算效率和計算成本平衡的驅(qū)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(fā)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(diào)度系統(tǒng)的不斷變革和優(yōu)化(如圖一所示）。
從1960年代起的集中式處理大型機，封閉網(wǎng)絡和巨型應用主導了10年純集中架構(gòu)；到80年代在互聯(lián)網(wǎng)的促進下，個人電腦的形成為分布式處理奠定了產(chǎn)業(yè)基礎；2000年后至今，云計算蓬勃發(fā)展促進了算力的集中共享，釋放了個人終端側(cè)的算力要求。隨著近幾年邊緣計算的興起邊緣作為云計算的外延發(fā)展，計算架構(gòu)又開始結(jié)合數(shù)據(jù)安全和業(yè)務時延等需求進一步分層、分布式化。在此過程中各類FPGA、GPU等新型計算芯片也結(jié)合各類網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)、AI等加速場景繁榮興起。
總之，隨著計算密度越來越高，分布越來越廣泛，未來集中與分布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(tǒng)一協(xié)同泛在計算能力框架。
圖一
在這個過程中除了計算調(diào)度架構(gòu)的變化，計算硬件、軟件驅(qū)動平臺甚至應用的開發(fā)模式也在悄悄的發(fā)生變化。如傳統(tǒng)CAP原則限制的分布式服務群集，隨著業(yè)務發(fā)展開始向BASE(Basically Available代表基本可用、S:Soft state代表軟軟狀態(tài),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(tǒng)C/S架構(gòu)的服務端越來越輕量化，微服務和函數(shù)級服務拆分出現(xiàn)，網(wǎng)絡帶寬提速降費，都為業(yè)務應用的廣域分布式化打下了伏筆。
未來隨著物端的種類豐富，個人PC甚至家庭網(wǎng)關(guān)都將可能做為參與算力對外提供的節(jié)點，手機、智能汽車等智能終端的普及形成了一些數(shù)據(jù)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(nèi)，不同距離、不同規(guī)模的算力相互凝聚和協(xié)同，呈現(xiàn)云-邊-端三級計算架構(gòu)。
隨著5G網(wǎng)絡、邊緣計算的規(guī)模建設，新興應用將加速驅(qū)動數(shù)據(jù)處理由云端向邊側(cè)、端側(cè)的擴散；同時，芯片工藝制程持續(xù)由7nm向5nm演進，邊端計算能力持續(xù)增長，算力泛在化已成趨勢。
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泛在計算促進數(shù)字化生態(tài)構(gòu)建
泛在計算并不是一個新的概念，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(huán)境，同時使這個環(huán)境與人們逐漸的融合在一起。
---Dr Mark weiser 1988
他強調(diào)了計算和環(huán)境融為一體，而計算機甚至終端本身將從人們的視線里消失。在泛在計算環(huán)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(shù)字化的服務。
---清華大學教授 徐光佑
徐教授的概念強調(diào)服務的隨時隨地和透明獲取?？偨Y(jié)而言，泛在計算將成為人、環(huán)境和萬物互聯(lián)的數(shù)字化基礎設施，助力數(shù)字化新生態(tài)系統(tǒng)的形成。
總結(jié)而言，泛在計算其包含的主要特征如下：
1. 計算和網(wǎng)絡融合的基礎設施環(huán)境：依賴廣域連接和網(wǎng)絡能力將計算能力拉通共享，形成算網(wǎng)融合的底層環(huán)境;
2. 物理空間和信息化融合的數(shù)字化服務：更加強調(diào)廣域的物理空間和的數(shù)字化建模和信息提供，構(gòu)建類似數(shù)字孿生的新服務形態(tài)；
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云服務，但又更為靈活和廣泛的服務模式，讓任何一個節(jié)點可以隨時接入計算。
這正與Gartner 2019的新興技術(shù)預測（如圖二所示）中數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)不謀而合。未來企業(yè)和應用將突破只關(guān)注自身產(chǎn)業(yè)鏈條的局限，與更多的行業(yè)、人和物進行跨界共享和合作。而數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)正在分解這種傳統(tǒng)價值鏈，發(fā)展出更無縫、更靈活的連接和服務。在此過程中企業(yè)將在區(qū)塊鏈上尋找解決方案。應用包括數(shù)字運營（DigitalOps）、知識圖譜（knowledge graphs）、合成數(shù)據(jù)（synthetic data）、去中心化網(wǎng)絡（decentralized web）和分布式自治組織（decentralized autonomous organization）等關(guān)鍵技術(shù)去構(gòu)建如此龐大的數(shù)字化系統(tǒng)。這其中的泛在計算正是以其去中心化、自治和數(shù)字運營等特點成為新興技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)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(huán)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(yè)創(chuàng)新，引入?yún)^(qū)塊鏈記賬為基礎的新型算力提供和交易形態(tài)，促進全社會算力的流動。當前，已有不少國內(nèi)外高校、組織、公司針對泛在計算平臺提出了構(gòu)想與實踐，主要應用領(lǐng)域有高性能分布式計算、科學研究、云渲染、云游戲、CDN、人工智能等方面。例如誕生于2003年美國加州大學伯克利分校BOINC(全名伯克利開放式網(wǎng)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(fā)匹配的方式為世界各地科研機構(gòu)提供強大運算能力。
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泛在計算的核心價值
泛在計算作為數(shù)字化基礎設施的基石，筆者認為將會對未來科技和技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生如下核心價值：
1、作為廣泛算力滲透，促進算力作為生產(chǎn)力的充分流動，提升社會計算效率。
IDC數(shù)據(jù)顯示，截至到2022年，中心化算力總計不會超過12%，分布式算力超過88%。當前，邊側(cè)的算力還未形成規(guī)模，而端側(cè)的海量算力卻未得到有效利用。例如根據(jù)IDC統(tǒng)計年化出貨量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心內(nèi)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。那么如果將這些空閑算力作為計算能力統(tǒng)一調(diào)度對外服務，充分將端側(cè)算力整合，作為邊側(cè)算力的補充，構(gòu)建“無限節(jié)點”，與邊側(cè)協(xié)同提供差異化服務，賦能社會，必將極大促進社會生產(chǎn)力的提升。
2、泛在計算基于區(qū)塊鏈構(gòu)建共識信用機制將促進個人用戶在數(shù)字化信息服務提供中的參與度和靈活度。
傳統(tǒng)云計算模式下，只有云服務商提供集中或邊緣的算力，屬于B2C或B2B商業(yè)模式應用場景。而在泛在計算構(gòu)建的生態(tài)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，并通過聯(lián)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(chǎn)。為一些更需要靠近端側(cè)用戶的應用提供了更低時延，貼近用戶入口的創(chuàng)新可能（例如人體健康數(shù)據(jù)采集等）。
3.泛在計算將推進數(shù)字孿生從理想向現(xiàn)實的逐步邁進。
數(shù)字孿生最早出現(xiàn)在航天和工控領(lǐng)域，可以看做一種基于數(shù)字化模型進行的各類仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘、甚至人工智能的應用，主要目的是用信息化構(gòu)建模型與現(xiàn)實物理系統(tǒng)保持適用和同步。但采集端和不同系統(tǒng)間的信息實時反饋同步，以及模型自動修正一直是實現(xiàn)數(shù)字孿生理想尚未完全攻克問題。應用泛在計算能力，業(yè)務分布式調(diào)度可將端側(cè)及工業(yè)網(wǎng)關(guān)等設備納入計算調(diào)度平臺，以其廣連接性，屏蔽硬件差異，實現(xiàn)基于統(tǒng)一信息化基礎平臺的一套編程開發(fā)框架，進一步促進數(shù)據(jù)和信息在更廣物理范圍內(nèi)流動。
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泛在計算的實現(xiàn)路徑
隨著移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展，當前已經(jīng)到了5G規(guī)模商用的關(guān)鍵節(jié)點，由于3，4G時代運營商網(wǎng)絡逐漸脫離業(yè)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(zhì)的網(wǎng)絡，與網(wǎng)絡緊密結(jié)合的海量接入終端，數(shù)量龐大的邊緣機房，各級云化的基礎設施，具有實踐泛在計算的天然優(yōu)勢。轉(zhuǎn)型信息化服務商售賣算力+確定性時延網(wǎng)絡的一體化能力，是運營商擺脫管道命運，從消費互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。不僅僅是運營商，產(chǎn)學研各界都在對如何實現(xiàn)泛在計算愿景、提供算力+網(wǎng)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(xiàn)方案主要有集中式方案與分布式方案兩種，兩種實現(xiàn)方案主要的區(qū)別在于算力的調(diào)度方式上，在算力的生成與交易環(huán)節(jié)，二者相差不大。
1. 分級調(diào)度的泛在計算架構(gòu)
基于分級調(diào)度的泛在計算架構(gòu)以NFV/SDN集中管理編排和云計算的調(diào)度理念為基礎，通過集中化、分級化扁平平臺實現(xiàn)對泛在計算設備的算力和網(wǎng)絡信息收集、應用管理編排、部署分發(fā)，為用戶提供最優(yōu)的算力分配及網(wǎng)絡連接方案。其主要具備以下主要特征：
①對社會泛在計算設備，云邊端三層多級算力的集中管理調(diào)度，實現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)平面的分離。
②不改變當前底層網(wǎng)絡架構(gòu)與IP協(xié)議實現(xiàn)，通過平臺自身的多級調(diào)度能力實現(xiàn)互聯(lián)協(xié)同。調(diào)度參數(shù)通過松耦合的平臺調(diào)度邏輯實現(xiàn)。
③一方面可以兼容當前單體業(yè)務、應用的架構(gòu)設計的組資源調(diào)度，同時也能支撐各類輕量化微服務架構(gòu)的細粒度調(diào)度。但均需要提供能屏蔽底層異構(gòu)硬件的新型開發(fā)環(huán)境。
④由于采用集中調(diào)度架構(gòu)，調(diào)度模塊將不占用邊緣計算節(jié)點有限的空間、供電與算力資源。
分級調(diào)度的泛在計算的邏輯架構(gòu)由算力+網(wǎng)絡基礎設施層，算網(wǎng)管理調(diào)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(diào)度、交易的閉環(huán)。其中網(wǎng)絡基礎設施包括各級SDNC，網(wǎng)管及相應的網(wǎng)絡設備，構(gòu)建低時延大吞吐、敏捷、無損、確定性網(wǎng)絡傳輸管道。
①算力基礎設施包括核心DC與MEC節(jié)點，三方云資源池以及泛在的端算力等，聚焦于異構(gòu)算力的生成與抽象。
②管理編排調(diào)度層主要負責算力的注冊，算網(wǎng)資源的整合，根據(jù)需求進行算力路由調(diào)度；根據(jù)資源拓撲進行算力分解，合理拆分算力需求；預留資源，下發(fā)鏡像，部署應用，配置網(wǎng)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(lián)盟鏈為基礎，完成智能合約的生成，交易數(shù)據(jù)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(fā)平臺等；算力計費模塊主要依據(jù)交易模塊產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)準確的生成賬單。集中調(diào)度式泛在計算架構(gòu)（如圖三）所示：
圖三
2. 基于分布式路由的算力網(wǎng)絡架構(gòu)
算力網(wǎng)絡最先由華為提出，出發(fā)點是解決邊緣計算節(jié)點之間的協(xié)同問題，當前業(yè)界尚無確定性稱謂（CFN,CAN等）。其實現(xiàn)機制是通過增強或改造網(wǎng)絡底層的IP協(xié)議（如SRV6,BGP等），將算力與網(wǎng)絡能力作為路由信息發(fā)布到網(wǎng)絡層之上的算力路由層，并由算力路由節(jié)點基于虛擬的服務ID將計算任務報文路由到最合適的計算節(jié)點，其架構(gòu)（如圖四）所示。該方案的特征包括：
①分布式的算力路由節(jié)點負責算力節(jié)點的同步、算力的路由與尋址。
②算力節(jié)點通過擴展或改造的網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡設備進行算力通告與調(diào)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應用基于服務ID而非傳統(tǒng)的DNS、IP尋址，擴展IP協(xié)議報頭。
⑤應用C/S架構(gòu)必須重構(gòu)，業(yè)務邏輯轉(zhuǎn)移到客戶端，承載在計算節(jié)點之上的服務端進行微服務化或函數(shù)化，成為一個個無狀態(tài)的服務或功能。
圖四
算力網(wǎng)絡方案的實現(xiàn)需要依賴底層IP協(xié)議擴展與網(wǎng)絡設備的改造，當前看難度較大，短時間內(nèi)難以落地；應用的改造也比較大，服務接口通告功能，業(yè)務尋址機制與業(yè)務架構(gòu)都需要重構(gòu)，但產(chǎn)業(yè)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(lián)網(wǎng)等泛在接入設備的海量流表，都對算力路由節(jié)點的能力提出了挑戰(zhàn)，另外，算力路由節(jié)點自身的資源消耗、空間占用壓縮邊緣節(jié)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(xiàn)架構(gòu)均存在各自的優(yōu)劣勢，集中式調(diào)度框架未來會存在擴展性和平臺可靠性等問題，但和現(xiàn)在的云計算調(diào)度架構(gòu)保持一定的延續(xù)性，易于實現(xiàn)。分布式路由的自治性更強，擴展性更高，但對各節(jié)點的調(diào)度開銷降低提出更高的要求。類似于社會主義和共產(chǎn)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(xiàn)。
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泛在計算實現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)
泛在計算的算力架構(gòu)具備算力專業(yè)化、算力智能化、算力均衡化、算力貨幣化的特征。當前，泛在計算整體架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)才剛剛開始，仍然面臨不少的技術(shù)挑戰(zhàn)，在這四大特征的關(guān)鍵技術(shù)方面，還有很多領(lǐng)域需要探索。從算力專業(yè)化特征來看，算力生成如何屏蔽底層異構(gòu)芯片的差異，實現(xiàn)算力的抽象，減少應用的重復開發(fā)；在算力發(fā)現(xiàn)方面，端側(cè)尤其是移動終端的算力與網(wǎng)絡狀態(tài)處在不斷的變化之中，如何準確的度量與注冊端側(cè)的算力，是后續(xù)算力調(diào)度的前提。從算力智能化、均衡化特征來看，算力分解、算力調(diào)度算法是整體架構(gòu)的關(guān)鍵，算力調(diào)度機制亟需明確，算力分解與合成邏輯尚待研究。從算力貨幣化特征來看，算力交易如何高效運營，豐富生態(tài)，算力分級如何評測，聯(lián)盟鏈的實現(xiàn)方式、共識算法、智能合約體系等也需要構(gòu)建。
泛在計算的愿景是高效利用未來的云邊端三級算力，以低時延確定性的5G基礎網(wǎng)絡為依托，實現(xiàn)云邊管端四層協(xié)同，向全社會賦能算網(wǎng)一體化產(chǎn)品。泛在計算為云計算、邊緣計算的發(fā)展指出了一個新的方向，雖然當前仍處于研究的初級階段，但路漫漫其修遠兮，相信在產(chǎn)學研各界的不斷求索下，泛在計算的架構(gòu)會更加明晰，相關(guān)技術(shù)會愈發(fā)成熟，泥濘小徑變?yōu)榭登f大道的那天也勢必會到來。
作者簡介
張婷婷：中國移動通信研究院云計算高級研究員，技術(shù)經(jīng)理，騰訊云TVP，《企業(yè)私有云建設指南》作者。在云計算領(lǐng)域深耕近10年，熟悉企業(yè)級私有云，NFV電信云和邊緣云規(guī)劃建設方案制定，負責中國移動云計算演進規(guī)劃、技術(shù)架構(gòu)、方案設計等工作，近期從事云效能評估評測、云原生、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(shù)研究員，項目經(jīng)理。從事NFV架構(gòu)與演進、邊緣云、異構(gòu)硬件加速、泛在計算等方向的研究。
