1  引言

數字經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)數字化轉型需要更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )連接和更強力的算力以滿(mǎn)足超大帶寬、超低時(shí)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）的有機結合，日益成為產(chǎn)業(yè)數字化轉型和發(fā)展的有力支撐，促進(jìn)著(zhù)社會(huì )、經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展。隨著(zhù)新基建戰略、東數西算工程的啟動(dòng)和部署，對建設集約高效、經(jīng)濟適用、智能綠色、安全可靠的網(wǎng)絡(luò )和計算基礎設施提出更高的要求。算力網(wǎng)絡(luò )作為“算力+連接”的集合，  正體現了新基建對5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等融合基礎設施和AI、云/邊緣計算、區塊鏈等新技術(shù)服務(wù)的融合訴求，以及對東數西算工程的有效升級。

算力網(wǎng)絡(luò )是隨著(zhù)5G、邊緣計算的技術(shù)融合和分布式部署發(fā)展而來(lái)，是國內通信產(chǎn)業(yè)界首創(chuàng )的新型技術(shù)。5G NFV技術(shù)開(kāi)創(chuàng )了網(wǎng)絡(luò )和計算基礎設施的融合路徑，邊緣計算作為計算和網(wǎng)絡(luò )基礎設施向客戶(hù)側的進(jìn)一步延伸，對降低業(yè)務(wù)的時(shí)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(jìn)中心云、邊緣云、邊緣網(wǎng)關(guān)等多樣化算力節點(diǎn)的協(xié)同，一方面可以實(shí)現無(wú)差別的用戶(hù)服務(wù)一致性，滿(mǎn)足極致的業(yè)務(wù)體驗；另一方面，通過(guò)對資源的高效利用，可以助力實(shí)現“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(diǎn)，運營(yíng)商、設備商、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(xiàn)和架構體系，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(jìn)相應的標準化制定，同時(shí)開(kāi)展了技術(shù)原型的驗證和試點(diǎn)工作。

本文結合工業(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 )架構體系，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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 )代表新型的基礎設施和生產(chǎn)力，可以通過(guò)與工業(yè)SDN、邊緣計算等技術(shù)的結合，實(shí)現云、網(wǎng)關(guān)、PLC等算力節點(diǎn)的編排管理，以及算力的實(shí)時(shí)感知和業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)調度，滿(mǎn)足高帶寬、低時(shí)延的新型工業(yè)視覺(jué)、AI等業(yè)務(wù)需求。

2  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò )基礎設施的演進(jìn) 發(fā)展 

2.1   工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎設施

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )是構建工業(yè)環(huán)境下人、機、物全面互聯(lián)的關(guān)鍵基礎設施，根據業(yè)務(wù)需求和數據流向，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )又可進(jìn)一步劃分為工廠(chǎng)內網(wǎng)和工廠(chǎng)外網(wǎng)。工廠(chǎng)內網(wǎng)指在工廠(chǎng)或園區內部，滿(mǎn)足工廠(chǎng)內部生產(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管理系統之間連接的網(wǎng)絡(luò )。工廠(chǎng)外網(wǎng)指以支撐工業(yè)全生命周期各項活動(dòng)為目的，滿(mǎn)足工廠(chǎng)數據、工業(yè)應用、工廠(chǎng)業(yè)務(wù)需要出工廠(chǎng)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、企業(yè)與云應用/云業(yè)務(wù)、企業(yè)與智能產(chǎn)品、企業(yè)與用戶(hù)之間的網(wǎng)絡(luò )[1]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的計算基礎設施包括部署在工業(yè)外網(wǎng)和內網(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(shí)時(shí)的大規模數據，可以部署在企業(yè)外網(wǎng)或內網(wǎng)；邊緣云主要處理有一定實(shí)時(shí)性、安全性要求的業(yè)務(wù)，通常部署在園區網(wǎng)絡(luò )或者企業(yè)內網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)主要處理協(xié)議轉換等業(yè)務(wù)，通常部署在企業(yè)內網(wǎng)；控制器主要以實(shí)時(shí)閉環(huán)控制業(yè)務(wù)為重點(diǎn)，通常部署在企業(yè)內網(wǎng)的車(chē)間網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)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，增加了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)算力節點(diǎn)的種類(lèi)以及部署形式，不僅要求不同算力節點(diǎn)間多級的調度，同時(shí)對同類(lèi)節點(diǎn)間的調度也提出了新的需求。

2.2   算力網(wǎng)絡(luò )基礎設施

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(wú)損網(wǎng)絡(luò )為代表的IP網(wǎng)絡(luò )和以全光高速互聯(lián)、全光靈活調度為代表的光網(wǎng)絡(luò )等網(wǎng)絡(luò )基礎設施，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設施。

圖1 算網(wǎng)基礎設施體系[2]

以網(wǎng)絡(luò )和計算基礎設施為基礎，算力網(wǎng)絡(luò )的目標形態(tài)是實(shí)現算網(wǎng)一體。在算網(wǎng)一體階段，網(wǎng)絡(luò )和計算基礎設施從形態(tài)上走向深度融合甚至一體化，實(shí)現轉發(fā)及計算；業(yè)務(wù)請求將分解至異構的分布式服務(wù)節點(diǎn)，利用集中式和分布式調度結合的方式實(shí)現極低時(shí)延的信息處理；網(wǎng)絡(luò )和計算資源從整體上實(shí)現一體化編排管理，充分考慮地域、時(shí)間、用戶(hù)等性質(zhì)進(jìn)行統一編排。

2.3   工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò )基礎設施協(xié)同發(fā)展相互促進(jìn)

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設施，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 )與計算基礎設施深度融合而產(chǎn)生的新一代信息基礎設施，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以相互促進(jìn)發(fā)展。一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以促進(jìn)算力網(wǎng)絡(luò )在垂直行業(yè)領(lǐng)域的應用，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(dòng)力，實(shí)現靈活、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)的應用場(chǎng)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 )可以應用在工業(yè)內網(wǎng)和外網(wǎng)，對異構的算力節點(diǎn)進(jìn)行編排管理，并通過(guò)與工業(yè)SDN、IPv6協(xié)議的結合，實(shí)現算力的實(shí)時(shí)感知調度，滿(mǎn)足高帶寬、低時(shí)延的新型工業(yè)視覺(jué)、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)同和應用 

3.1   算力網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用場(chǎng)景

算力網(wǎng)絡(luò )可以應用在工業(yè)內網(wǎng)，對邊緣云、網(wǎng)關(guān)、PLC等異構算力節點(diǎn)進(jìn)行編排管理。不同形態(tài)的設備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中所處的位置不同，所包含的芯片種類(lèi)以及計算和存儲能力不同，相應負責的業(yè)務(wù)也有所差異。同一類(lèi)業(yè)務(wù)中的不同任務(wù)可以分別在所對應的計算節點(diǎn)進(jìn)行，例如邊緣智能場(chǎng)景中的云中心訓練模型，邊緣節點(diǎn)可以通過(guò)算力網(wǎng)絡(luò )的調度更高效地進(jìn)行推理決策。當前對應最近的邊緣節點(diǎn)負載較高時(shí)，可以實(shí)時(shí)調度到附近負載較低的邊緣節點(diǎn)執行業(yè)務(wù)請求。

算力網(wǎng)絡(luò )可以應用在工業(yè)外網(wǎng)，對不同園區或不同工廠(chǎng)的云、邊緣云等節點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同調度。當前云化PLC、云化網(wǎng)關(guān)的趨勢促使計算節點(diǎn)和功能以虛擬化的形式部署，增加了節點(diǎn)之間的管理和調度需求。且由于虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的提升，跨工廠(chǎng)、跨園區的遠程控制、多點(diǎn)協(xié)作場(chǎng)景也逐漸涌現，例如通過(guò)云化PLC來(lái)進(jìn)行遠程控制作業(yè)，  或者跨園區的多點(diǎn)AR/VR來(lái)構建虛擬工廠(chǎng)，可通過(guò)算力網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )和計算資源的精準調度。

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(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )向靈活組網(wǎng)、IP化的趨勢發(fā)展，結合工業(yè)SDN、IPv6等技術(shù)，算力網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)集中式或者分布式的方式實(shí)現。

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)節中機器、設備、輔助工具等需要按照預先的設定進(jìn)行互聯(lián)。未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)大規模定制化的特點(diǎn)需要資源組織更加靈活和智能，工業(yè)SDN可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )資源的動(dòng)態(tài)調整，打破工廠(chǎng)內部網(wǎng)絡(luò )剛性組織的局限，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的靈活組織及生產(chǎn)設備的“即插即用”，適應智能機器自組織和生產(chǎn)線(xiàn)敏捷部署的要求。算力網(wǎng)絡(luò )可以與工業(yè)SDN相結合，進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)靈活化生產(chǎn)的需要。通過(guò)增強工業(yè)SDN控制器，對網(wǎng)絡(luò )中的計算節點(diǎn)算力信息進(jìn)行感知和收集，同時(shí)結合網(wǎng)絡(luò )鏈路的狀態(tài)信息，選擇最合適的計算服務(wù)節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)路徑，滿(mǎn)足新型的工業(yè)場(chǎng)景需求，且實(shí)現成本較低，易于部署。

工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )基本采用總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，具備很強的專(zhuān)用性和私有性，為互聯(lián)互通帶來(lái)較大困難，通過(guò)協(xié)議轉換等方式也存在效率和可靠性問(wèn)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(shí)現企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò )、生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò )、過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )以及現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的端到端IP互聯(lián)，有利于整個(gè)工業(yè)系統的全面深層次交互。以Profinet、Ethernet/IP等為代表的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)支持為現場(chǎng)設備分配IP地址，  并可以實(shí)現IP流量與控制信息的共線(xiàn)傳送。新一代IPv6協(xié)議當前已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)界逐漸應用，  算力網(wǎng)絡(luò )可以將IPv6協(xié)議作為統一的數據平面，  利用IPv6協(xié)議的靈活可擴展特性，  通過(guò)增強邊緣網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機等設備，實(shí)現對算力節點(diǎn)信息的采集；并通過(guò)IPv6協(xié)議攜帶相應信息至工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)現分布式的算力感知和路由。相較于集中式的實(shí)現方式，分布式方案更高效更實(shí)時(shí)。

4  算力網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的關(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 )、數字孿生網(wǎng)絡(luò )等。

算力度量是對算力需求和資源進(jìn)行統一的抽象描述，并結合網(wǎng)絡(luò )性能指標形成算網(wǎng)能力模板，提供標準統一的度量規則[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)中的業(yè)務(wù)專(zhuān)用性要求相對較高，差異化需求相對明顯，對通信、計算、存儲等方面的側重各有不同，算力度量可以幫助衡量計算任務(wù)所對應的硬件要求，為優(yōu)化整體的服務(wù)性能提供基礎。

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(shí)時(shí)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)節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)路徑。工業(yè)視覺(jué)、AR/VR等業(yè)務(wù)逐漸展開(kāi)應用，  對網(wǎng)絡(luò )的時(shí)延和計算的性能同時(shí)提出了更高的要求，算力感知和路由將在面向未來(lái)演進(jìn)的新型業(yè)務(wù)中發(fā)揮優(yōu)勢，保障用戶(hù)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(kāi)始從網(wǎng)絡(luò )邊緣的數據中心逐漸遷移至網(wǎng)絡(luò )內部，由交換機、路由器、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等設備共同完成計算任務(wù)。當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的計算節點(diǎn)種類(lèi)、部署方式越來(lái)越多樣化，邊緣計算已經(jīng)促進(jìn)了業(yè)務(wù)的分布式部署，在網(wǎng)計算可以進(jìn)一步加速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的處理，提供無(wú)處不在的連接和計算服務(wù)。

確定性網(wǎng)絡(luò )自提出以來(lái)，首先在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )得以應用，   當前工業(yè)以太網(wǎng)、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )[5]等技術(shù)已經(jīng)應用在工業(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，可以預見(jiàn)確定性網(wǎng)絡(luò )將會(huì )應用在更廣的范圍。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 )相結合，將為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供端到端的確定性服務(wù)。

數字孿生網(wǎng)絡(luò )是將數字孿生技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò )，構建一個(gè)具有物理網(wǎng)絡(luò )實(shí)體及虛擬孿生體，且二者可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互映射的網(wǎng)絡(luò )系統[7]。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，  數字孿生網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)算力網(wǎng)絡(luò )的計算能力以及實(shí)時(shí)調度能力更高效準確地采集數據和建模，同時(shí)可以與空間物理系統（Cyber physical system，CPS）  [8]相結合構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)虛擬孿生體，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化、智能化運維和升級。

5  結束語(yǔ)

算力網(wǎng)絡(luò )是國內首創(chuàng )的融合網(wǎng)絡(luò )和計算兩大領(lǐng)域的新型技術(shù)，目標是構建靈活高效、綠色低碳的新一代融合信息基礎設施，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)。與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結合，算力網(wǎng)絡(luò )可以助力實(shí)現統一化、靈活化承載的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )和計算平面，滿(mǎn)足新型的工業(yè)應用需求。目前，算力網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展尚處于起步階段，演進(jìn)路線(xiàn)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(jìn)，在算力度量、算力感知和路由、在網(wǎng)計算等技術(shù)方向實(shí)現突破。  

 作者簡(jiǎn)介：

劉   鵬  （1991-），男，工程師，現就職于中國移動(dòng)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)和應用。

李志強  （1987- ），男，工程師，現就職于中國移動(dòng)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，現任中國移動(dòng)通信有限公司研究院基礎網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究所副所長(cháng)，主要研究方向6G網(wǎng)絡(luò )、算力網(wǎng)絡(luò )以及未來(lái)IP網(wǎng)絡(luò )等。

參考文獻：

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[7] 孫滔, 周鋮, 段曉東, 等. 數字孿生網(wǎng)絡(luò )(DTN): 概念, 架構及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 自動(dòng)化學(xué)報, 2021, 47 (3) : 14.

[8] Negri E, Fumagalli L, Macchi M. A review of the roles of digital twin in CPS-based production systems[J]. Procedia Manufacturing, 2017, (11) : 939 ? 948.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊