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1  引言

數(shù)字經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)連接和更強力的算力以滿足超大帶寬、超低時延、超高安全等業(yè)務(wù)需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代通信技術(shù)（Communication technology，CT）、控制技術(shù)（Operation technology，OT）和信息技術(shù)（Information technology，IT）的有機結(jié)合，日益成為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和發(fā)展的有力支撐，促進著社會、經(jīng)濟的進一步發(fā)展。隨著新基建戰(zhàn)略、東數(shù)西算工程的啟動和部署，對建設(shè)集約高效、經(jīng)濟適用、智能綠色、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)和計算基礎(chǔ)設(shè)施提出更高的要求。算力網(wǎng)絡(luò)作為“算力+連接”的集合，  正體現(xiàn)了新基建對5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等融合基礎(chǔ)設(shè)施和AI、云/邊緣計算、區(qū)塊鏈等新技術(shù)服務(wù)的融合訴求，以及對東數(shù)西算工程的有效升級。

算力網(wǎng)絡(luò)是隨著5G、邊緣計算的技術(shù)融合和分布式部署發(fā)展而來，是國內(nèi)通信產(chǎn)業(yè)界首創(chuàng)的新型技術(shù)。5G NFV技術(shù)開創(chuàng)了網(wǎng)絡(luò)和計算基礎(chǔ)設(shè)施的融合路徑，邊緣計算作為計算和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施向客戶側(cè)的進一步延伸，對降低業(yè)務(wù)的時延、保障業(yè)務(wù)可靠性等有明顯的優(yōu)勢。面向算力更加泛在化部署的趨勢，算力網(wǎng)絡(luò)可以有效促進中心云、邊緣云、邊緣網(wǎng)關(guān)等多樣化算力節(jié)點的協(xié)同，一方面可以實現(xiàn)無差別的用戶服務(wù)一致性，滿足極致的業(yè)務(wù)體驗；另一方面，通過對資源的高效利用，可以助力實現(xiàn)“雙碳”綠色發(fā)展目標。算力網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的熱點，運營商、設(shè)備商、科研院校等先后加入“算力網(wǎng)絡(luò)”的研究，基本確立了算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線和架構(gòu)體系，并在算力建模、算力感知、算力路由、算力交易等核心技術(shù)方向取得初步成果，發(fā)表多篇論文并推進相應(yīng)的標準化制定，同時開展了技術(shù)原型的驗證和試點工作。

本文結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求和技術(shù)體系，提出了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，并對關(guān)鍵技術(shù)進行分析。面向互聯(lián)互通、柔性制造等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，算力網(wǎng)絡(luò)代表新型的基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)力，可以通過與工業(yè)SDN、邊緣計算等技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)云、網(wǎng)關(guān)、PLC等算力節(jié)點的編排管理，以及算力的實時感知和業(yè)務(wù)的實時調(diào)度，滿足高帶寬、低時延的新型工業(yè)視覺、AI等業(yè)務(wù)需求。

2  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的演進 發(fā)展 

2.1   工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建工業(yè)環(huán)境下人、機、物全面互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和數(shù)據(jù)流向，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)又可進一步劃分為工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)。工廠內(nèi)網(wǎng)指在工廠或園區(qū)內(nèi)部，滿足工廠內(nèi)部生產(chǎn)、辦公、管理、安防等連接需求，用于生產(chǎn)要素互聯(lián)以及企業(yè)IT管理系統(tǒng)之間連接的網(wǎng)絡(luò)。工廠外網(wǎng)指以支撐工業(yè)全生命周期各項活動為目的，滿足工廠數(shù)據(jù)、工業(yè)應(yīng)用、工廠業(yè)務(wù)需要出工廠與云平臺或者其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求，用于連接企業(yè)上下游之間、企業(yè)多分支機構(gòu)、企業(yè)與云應(yīng)用/云業(yè)務(wù)、企業(yè)與智能產(chǎn)品、企業(yè)與用戶之間的網(wǎng)絡(luò)[1]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的計算基礎(chǔ)設(shè)施包括部署在工業(yè)外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)中的中心云、邊緣云、網(wǎng)關(guān)、控制器等。中心云主要處理非實時的大規(guī)模數(shù)據(jù)，可以部署在企業(yè)外網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng)；邊緣云主要處理有一定實時性、安全性要求的業(yè)務(wù)，通常部署在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)或者企業(yè)內(nèi)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)主要處理協(xié)議轉(zhuǎn)換等業(yè)務(wù)，通常部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)；控制器主要以實時閉環(huán)控制業(yè)務(wù)為重點，通常部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的車間網(wǎng)絡(luò)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，云化網(wǎng)關(guān)、云化PLC的形態(tài)也漸漸出現(xiàn)，增加了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)算力節(jié)點的種類以及部署形式，不僅要求不同算力節(jié)點間多級的調(diào)度，同時對同類節(jié)點間的調(diào)度也提出了新的需求。

2.2   算力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

算力網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)和計算兩大學(xué)科的融合，如圖1所示，包括以SRv6/G-SRv6、確定性網(wǎng)絡(luò)、無損網(wǎng)絡(luò)為代表的IP網(wǎng)絡(luò)和以全光高速互聯(lián)、全光靈活調(diào)度為代表的光網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以及以多樣性算力、算力原生為代表的靈活敏捷的算力底座和以邊緣計算、端計算為代表的泛在算力基礎(chǔ)設(shè)施。

圖1 算網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施體系[2]

以網(wǎng)絡(luò)和計算基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，算力網(wǎng)絡(luò)的目標形態(tài)是實現(xiàn)算網(wǎng)一體。在算網(wǎng)一體階段，網(wǎng)絡(luò)和計算基礎(chǔ)設(shè)施從形態(tài)上走向深度融合甚至一體化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)及計算；業(yè)務(wù)請求將分解至異構(gòu)的分布式服務(wù)節(jié)點，利用集中式和分布式調(diào)度結(jié)合的方式實現(xiàn)極低時延的信息處理；網(wǎng)絡(luò)和計算資源從整體上實現(xiàn)一體化編排管理，充分考慮地域、時間、用戶等性質(zhì)進行統(tǒng)一編排。

2.3   工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同發(fā)展相互促進

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施，是將互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)引入工業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)展方向。算力網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)與計算基礎(chǔ)設(shè)施深度融合而產(chǎn)生的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以相互促進發(fā)展。一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以促進算力網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，另一方面，算力網(wǎng)絡(luò)可以激發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新的發(fā)展動力，實現(xiàn)靈活、高效、集約的工業(yè)再升級。

3  算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景和部 署方式

面向互聯(lián)互通、柔性制造等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)趨勢，算力網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)，對異構(gòu)的算力節(jié)點進行編排管理，并通過與工業(yè)SDN、IPv6協(xié)議的結(jié)合，實現(xiàn)算力的實時感知調(diào)度，滿足高帶寬、低時延的新型工業(yè)視覺、工業(yè)控制、工業(yè)智能等業(yè)務(wù)需求，如圖2所示。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同和應(yīng)用 

3.1   算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景

算力網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在工業(yè)內(nèi)網(wǎng)，對邊緣云、網(wǎng)關(guān)、PLC等異構(gòu)算力節(jié)點進行編排管理。不同形態(tài)的設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中所處的位置不同，所包含的芯片種類以及計算和存儲能力不同，相應(yīng)負責的業(yè)務(wù)也有所差異。同一類業(yè)務(wù)中的不同任務(wù)可以分別在所對應(yīng)的計算節(jié)點進行，例如邊緣智能場景中的云中心訓(xùn)練模型，邊緣節(jié)點可以通過算力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度更高效地進行推理決策。當前對應(yīng)最近的邊緣節(jié)點負載較高時，可以實時調(diào)度到附近負載較低的邊緣節(jié)點執(zhí)行業(yè)務(wù)請求。

算力網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在工業(yè)外網(wǎng)，對不同園區(qū)或不同工廠的云、邊緣云等節(jié)點進行協(xié)同調(diào)度。當前云化PLC、云化網(wǎng)關(guān)的趨勢促使計算節(jié)點和功能以虛擬化的形式部署，增加了節(jié)點之間的管理和調(diào)度需求。且由于虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提升，跨工廠、跨園區(qū)的遠程控制、多點協(xié)作場景也逐漸涌現(xiàn)，例如通過云化PLC來進行遠程控制作業(yè)，  或者跨園區(qū)的多點AR/VR來構(gòu)建虛擬工廠，可通過算力網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)和計算資源的精準調(diào)度。

3.2   算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署方式

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)促進工業(yè)網(wǎng)絡(luò)向靈活組網(wǎng)、IP化的趨勢發(fā)展，結(jié)合工業(yè)SDN、IPv6等技術(shù)，算力網(wǎng)絡(luò)可以通過集中式或者分布式的方式實現(xiàn)。

當前工業(yè)生產(chǎn)（主要指離散工業(yè)）基本上都是“剛性生產(chǎn)”模式[3]，  制造環(huán)節(jié)中機器、設(shè)備、輔助工具等需要按照預(yù)先的設(shè)定進行互聯(lián)。未來工業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模定制化的特點需要資源組織更加靈活和智能，工業(yè)SDN可以通過網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)調(diào)整，打破工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)剛性組織的局限，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的靈活組織及生產(chǎn)設(shè)備的“即插即用”，適應(yīng)智能機器自組織和生產(chǎn)線敏捷部署的要求。算力網(wǎng)絡(luò)可以與工業(yè)SDN相結(jié)合，進一步促進工業(yè)靈活化生產(chǎn)的需要。通過增強工業(yè)SDN控制器，對網(wǎng)絡(luò)中的計算節(jié)點算力信息進行感知和收集，同時結(jié)合網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)信息，選擇最合適的計算服務(wù)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，滿足新型的工業(yè)場景需求，且實現(xiàn)成本較低，易于部署。

工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)基本采用總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，具備很強的專用性和私有性，為互聯(lián)互通帶來較大困難，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換等方式也存在效率和可靠性問題。工業(yè)IP化是指將IP協(xié)議延伸至工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)、過程控制網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的端到端IP互聯(lián)，有利于整個工業(yè)系統(tǒng)的全面深層次交互。以Profinet、Ethernet/IP等為代表的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)支持為現(xiàn)場設(shè)備分配IP地址，  并可以實現(xiàn)IP流量與控制信息的共線傳送。新一代IPv6協(xié)議當前已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)界逐漸應(yīng)用，  算力網(wǎng)絡(luò)可以將IPv6協(xié)議作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平面，  利用IPv6協(xié)議的靈活可擴展特性，  通過增強邊緣網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機等設(shè)備，實現(xiàn)對算力節(jié)點信息的采集；并通過IPv6協(xié)議攜帶相應(yīng)信息至工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)分布式的算力感知和路由。相較于集中式的實現(xiàn)方式，分布式方案更高效更實時。

4  算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

算力網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的核心技術(shù)包括算力度量、算力感知和路由、在網(wǎng)計算、確定性網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)等。

算力度量是對算力需求和資源進行統(tǒng)一的抽象描述，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)性能指標形成算網(wǎng)能力模板，提供標準統(tǒng)一的度量規(guī)則[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)中的業(yè)務(wù)專用性要求相對較高，差異化需求相對明顯，對通信、計算、存儲等方面的側(cè)重各有不同，算力度量可以幫助衡量計算任務(wù)所對應(yīng)的硬件要求，為優(yōu)化整體的服務(wù)性能提供基礎(chǔ)。

算力感知和路由是網(wǎng)絡(luò)對算力資源和服務(wù)的部署位置、負載信息等的實時感知，為引入計算因素的算力路由提供信息參考，尋找最合適的計算服務(wù)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。工業(yè)視覺、AR/VR等業(yè)務(wù)逐漸展開應(yīng)用，  對網(wǎng)絡(luò)的時延和計算的性能同時提出了更高的要求，算力感知和路由將在面向未來演進的新型業(yè)務(wù)中發(fā)揮優(yōu)勢，保障用戶體驗。

在網(wǎng)計算面向網(wǎng)絡(luò)和計算逐步一體化階段，計算任務(wù)開始從網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)中心逐漸遷移至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，由交換機、路由器、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等設(shè)備共同完成計算任務(wù)。當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的計算節(jié)點種類、部署方式越來越多樣化，邊緣計算已經(jīng)促進了業(yè)務(wù)的分布式部署，在網(wǎng)計算可以進一步加速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的處理，提供無處不在的連接和計算服務(wù)。

確定性網(wǎng)絡(luò)自提出以來，首先在車載網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)得以應(yīng)用，   當前工業(yè)以太網(wǎng)、時間敏感網(wǎng)絡(luò)[5]等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，IP網(wǎng)絡(luò)的確定性技術(shù)和標準仍在制定中[6]。面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IP化等趨勢，可以預(yù)見確定性網(wǎng)絡(luò)將會應(yīng)用在更廣的范圍。確定性網(wǎng)絡(luò)提供更可靠、更精準的網(wǎng)絡(luò)連接，和算力網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供端到端的確定性服務(wù)。

數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)是將數(shù)字孿生技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個具有物理網(wǎng)絡(luò)實體及虛擬孿生體，且二者可進行實時交互映射的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[7]。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，  數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)可以通過算力網(wǎng)絡(luò)的計算能力以及實時調(diào)度能力更高效準確地采集數(shù)據(jù)和建模，同時可以與空間物理系統(tǒng)（Cyber physical system，CPS）  [8]相結(jié)合構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)虛擬孿生體，促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的自動化、智能化運維和升級。

5  結(jié)束語

算力網(wǎng)絡(luò)是國內(nèi)首創(chuàng)的融合網(wǎng)絡(luò)和計算兩大領(lǐng)域的新型技術(shù)，目標是構(gòu)建靈活高效、綠色低碳的新一代融合信息基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界的熱點。與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，算力網(wǎng)絡(luò)可以助力實現(xiàn)統(tǒng)一化、靈活化承載的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和計算平面，滿足新型的工業(yè)應(yīng)用需求。目前，算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展尚處于起步階段，演進路線和技術(shù)體系初具雛形，亟需產(chǎn)業(yè)界上下游聯(lián)合推進，在算力度量、算力感知和路由、在網(wǎng)計算等技術(shù)方向?qū)崿F(xiàn)突破。  

 作者簡介：

劉   鵬  （1991-），男，工程師，現(xiàn)就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向為下一代IP網(wǎng)絡(luò)、確定性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和應(yīng)用。

李志強  （1987- ），男，工程師，現(xiàn)就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向為算力網(wǎng)絡(luò)、可編程網(wǎng)絡(luò)等下一代IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

陸   璐  （1979-），女，高級工程師，現(xiàn)任中國移動通信有限公司研究院基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所副所長，主要研究方向6G網(wǎng)絡(luò)、算力網(wǎng)絡(luò)以及未來IP網(wǎng)絡(luò)等。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2022年2月刊