中國移動(dòng)通信有限公司研究院基礎網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究所劉鵬，陸璐

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；算力路由

1　引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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，將穩定實(shí)操的OT系統與敏捷靈活的IT系統以及可靠可管的CT系統結合，構建了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，為計算、網(wǎng)絡(luò )、自動(dòng)化、智能化一體化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之初，以網(wǎng)絡(luò )、平臺、安全為三大核心技術(shù)，重點(diǎn)在于提升制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)和數據互通。經(jīng)過(guò)近十年的推進(jìn)，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規模超過(guò)13619.5億元，處于穩步增長(cháng)階段，近三年的年均增長(cháng)率超過(guò)10%。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的代表性技術(shù)，邊緣計算產(chǎn)業(yè)規模超過(guò)126億元，近三年增長(cháng)率高達24.5%。隨著(zhù)數字經(jīng)濟的不斷驅動(dòng)，以算力網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)為代表的新型融合技術(shù)繼續推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)走向縱深，進(jìn)入到新的融合技術(shù)發(fā)展階段。

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，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，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也可以促進(jìn)算力網(wǎng)絡(luò )在垂直行業(yè)領(lǐng)域的應用。算網(wǎng)一體是算力網(wǎng)絡(luò )的目標階段，它很大程度上是互聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)的創(chuàng )新，是以互聯(lián)網(wǎng)七層/五層協(xié)議模型為基礎，引入算力因子，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )和計算的一體化融合?！豆I(yè)網(wǎng)絡(luò )3.0白皮書(shū)》^[2]中指出算網(wǎng)一體已經(jīng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的潛在應用技術(shù)。目前，算網(wǎng)一體已經(jīng)形成以“算力路由”為核心的技術(shù)體系，可以協(xié)同云計算、邊緣計算等多級算力，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )和計算的高效聯(lián)合調度，提升算網(wǎng)系統整體的效能，有效支撐AR/VR、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、AI推理等新型業(yè)務(wù)需求。

算力路由提出于2018年，它是在網(wǎng)絡(luò )中引入算力因子，在傳統的BGP等核心路由技術(shù)上進(jìn)一步擴展算力向量，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )和計算的聯(lián)合路由。算力路由可以為用戶(hù)提供靈活的“入算”服務(wù)，在多個(gè)邊緣計算節點(diǎn)中選擇最合適的服務(wù)節點(diǎn)和相應的網(wǎng)絡(luò )路徑，解決邊緣計算的“性能反轉”問(wèn)題。當前，IETF已經(jīng)成立算力路由工作組，完成了需求、場(chǎng)景、架構、度量等立項。中國移動(dòng)在MWC發(fā)布了全球首臺算力路由器，并結合CDN、云渲染業(yè)務(wù)等開(kāi)展了5省20地市規模中試，有效驗證了算網(wǎng)資源利用率提升以及業(yè)務(wù)端到端平均時(shí)延降低，使我國在算力網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域取得重大原創(chuàng )性突破。本文結合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、算力網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展現狀，分析了路由技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用前景，以及算力路由的關(guān)鍵技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署方式。

2　工業(yè)網(wǎng)絡(luò )“IP化”為算力路由的應用提供基礎

路由是決定網(wǎng)絡(luò )報文轉發(fā)路徑的技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)得以發(fā)展至全球互聯(lián)的核心技術(shù)之一?！奥酚伞笨梢岳斫鉃椤皩ぢ贰?，通?？紤]的是空間距離，希望選取到達給定的目的地的“最優(yōu)路徑”。例如當從地點(diǎn)A到達地點(diǎn)B有多條路線(xiàn)時(shí)，從中選擇一條可以最快到達的路線(xiàn)。算力路由是指在“尋路”的基礎上，增加對計算因素的考慮，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )邊緣的設備，在若干個(gè)可選擇的云資源節點(diǎn)中以及對應的多條網(wǎng)絡(luò )路徑中選擇最合適的一組，從而滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的端到端低時(shí)延要求。

“工業(yè)網(wǎng)絡(luò )IP化”的發(fā)展趨勢促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)路由等技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用。傳統工業(yè)網(wǎng)絡(luò )主要由總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)等專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )組成，互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的應用通常僅涉及IP地址的配置。隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，軟件定義網(wǎng)絡(luò )（SDN）技術(shù)逐漸走入工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )中，主要構建扁平化的工業(yè)內網(wǎng)絡(luò )。而工業(yè)園區網(wǎng)絡(luò )以及園區互聯(lián)的需求將工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的范圍擴展至廣域網(wǎng)，SD-WAN等技術(shù)也逐漸開(kāi)始應用，為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用奠定了良好的基礎。CCSATC13已經(jīng)制定了工業(yè)SDN/SD-WAN系列標準。

主流的工業(yè)以太網(wǎng)/總線(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP體系兼容，為算力路由協(xié)議在工業(yè)的應用創(chuàng )造可能。例如，Profinet^[3]分為“實(shí)時(shí)”和“非實(shí)時(shí)”兩種模式，前者基于Profinet定義的實(shí)時(shí)信道，提供硬實(shí)時(shí)的工業(yè)運動(dòng)控制、過(guò)程控制類(lèi)服務(wù)；后者基于TCP/IP協(xié)議棧，可以與互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議互聯(lián)互通，提供工業(yè)更加普遍的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。同理，Modbus-TCP^[4]也支持TCP/IP協(xié)議，構建基于TCP的Modbus應用層協(xié)議，支持更廣泛的連接接入。

綜合來(lái)看，算力路由的本質(zhì)是基于互聯(lián)網(wǎng)IP及路由技術(shù)的創(chuàng )新，而工業(yè)網(wǎng)絡(luò )在組網(wǎng)和協(xié)議方面均已經(jīng)開(kāi)始支持IP技術(shù)和新型路由技術(shù)，同時(shí)工業(yè)體系的廣泛互聯(lián)提供了多節點(diǎn)間的算網(wǎng)綜合調度需求，兩者相向而行。具體而言，對于園區內組網(wǎng)，算力路由功能可以部署在支持IP網(wǎng)絡(luò )設備上，分別連接不同邊緣云或算力節點(diǎn)，提供異構算力節點(diǎn)間的靈活調度功能。對于園區間組網(wǎng)，算力路由功能可以部署在園區出口處的網(wǎng)絡(luò )的設備上，在多個(gè)園區之間進(jìn)行算力調度，如圖1所示。

圖1 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的算力路由框架

3　面向工業(yè)組網(wǎng)的算力路由關(guān)鍵技術(shù)應用分析

算力路由的核心技術(shù)包括算力度量、算力感知和通告以及算網(wǎng)聯(lián)合路由，各技術(shù)的介紹以及面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用方式如下。

3.1　算力度量在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用分析

網(wǎng)絡(luò )的性能指標通常是用“帶寬”和“時(shí)延”等表示，但是表示算力的性能指標非常廣泛，可以包括芯片類(lèi)型、計算類(lèi)型、算力規模、吞吐量等多個(gè)維度。算力度量是為了找到表示統一的算力性能指標的方法，進(jìn)一步用同一種“語(yǔ)言”表示網(wǎng)絡(luò )和計算性能指標。業(yè)界對于算力度量的研究成果也非常豐富，文獻^[5]很早提出了對計算分區的度量方法，文獻^[6]提出了“四面三級”算力度量技術(shù)體系，文獻^[7]對多種度量方法進(jìn)行了分析。

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。對于工廠(chǎng)內網(wǎng)，算力種類(lèi)的差異化更加明顯，可以針對每一種算力資源進(jìn)行建模，按照任務(wù)種類(lèi)區分調度；對于工廠(chǎng)外網(wǎng)，由于其所呈現的是整體節點(diǎn)效能，算力使用率的差異化更加明顯，可以參照已有的工作的標準進(jìn)行建模，按照算力使用率進(jìn)行調度。

3.2　算力感知和通告在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用分析

網(wǎng)絡(luò )對算力資源和服務(wù)的部署位置、負載信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，從而為引入計算因素的算力路由提供了信息參考，尋找最合適的計算服務(wù)節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)路徑。算力信息是時(shí)刻變化的，這就意味著(zhù)想要獲取更加實(shí)時(shí)可用的算力信息，信息分發(fā)的頻率就需要更高，會(huì )進(jìn)一步加重對網(wǎng)絡(luò )的負擔，因此需要基于更優(yōu)的分發(fā)頻率和更準確的分發(fā)范圍來(lái)調度算力。目前業(yè)界主要采用BGP擴展來(lái)通告算力信息^[8-11]。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，工廠(chǎng)內網(wǎng)通常不涉及復雜的BGP路由配置，可以采用集中式的算力感知方法，例如通過(guò)SDN統一收集網(wǎng)絡(luò )信息，并能擴展接口收集算力信息；工廠(chǎng)外網(wǎng)也可以結合SD-WAN技術(shù)對算力信息進(jìn)行收集。隨著(zhù)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，算力的感知將在面向未來(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。

3.3　算網(wǎng)聯(lián)合路由在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用分析

算網(wǎng)聯(lián)合路由是指在算力度量、算力感知和通告基礎上，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò )信息和算力信息進(jìn)行聯(lián)合路由。這里需要采取一定的算法，給網(wǎng)絡(luò )和算力分別賦予相應的權重參數，不同權重下會(huì )有不同的選擇結果。而如何設置參數需要結合業(yè)務(wù)的需求和流量特征，例如計算更敏感的業(yè)務(wù)就可以?xún)?yōu)選算力狀態(tài)好的服務(wù)節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )更敏感的業(yè)務(wù)就可以?xún)?yōu)選網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)好的路徑等。這其中比較常見(jiàn)的是基于CSPF的路由，文獻^[12-14]研究了基于OSPF擴展支持CSPF的算法。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景中，工廠(chǎng)內網(wǎng)通常不涉及OSPF等基礎路由，且內網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò )距離較短，對于時(shí)延等影響的比重相較于計算部分也較小，所以可以?xún)?yōu)先根據計算資源選擇服務(wù)節點(diǎn)；工廠(chǎng)外網(wǎng)通常為運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )或基于運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )構建的overlay網(wǎng)絡(luò )，對于時(shí)延等影響的比重較大，所以可以?xún)?yōu)先根據網(wǎng)絡(luò )資源或算網(wǎng)綜合資源情況選擇服務(wù)節點(diǎn)。

4　算力路由在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署方式

參照IETF算力路由（Computing-Aware Traffic Steering,CATS）工作組架構^[15]的定義，算力路由主要功能組件包括CATS-轉發(fā)、CATS-路徑選擇、CATS流量分類(lèi)、CATS-服務(wù)度量代理、CATS-網(wǎng)絡(luò )度量代理。根據實(shí)現機制和部署位置的不同，算力路由的部署方案分為集中式、分布式以及混合式等多種方式。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，考慮工廠(chǎng)內網(wǎng)和工廠(chǎng)外網(wǎng)的組網(wǎng)、協(xié)議以及技術(shù)實(shí)現方式，算力路由應用在兩者的各組件的部署方式也會(huì )有所差異，如圖2所示。

圖2 算力路由核心功能在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署方式

（1）CATS-流量分類(lèi)：負責確定哪些數據包屬于算力路由服務(wù)請求的業(yè)務(wù)流。

（2）CATS-路徑選擇：執行聯(lián)合路由功能，同時(shí)考慮服務(wù)和網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息。

（3）CATS-服務(wù)度量代理：執行算力度量功能，以及算力感知和通告功能。

（4）CATS-網(wǎng)絡(luò )度量代理：執行網(wǎng)絡(luò )度量功能，以及網(wǎng)絡(luò )感知和通告功能。

（5）CATS-轉發(fā)：位于路徑末端并連接到服務(wù)站點(diǎn)，用于轉發(fā)算力路由的流量，同時(shí)保持流粘性。

工廠(chǎng)內網(wǎng)：結合第3章各技術(shù)的分析，由于工廠(chǎng)內網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )資源情況在端到端業(yè)務(wù)中占比較小，CATS-服務(wù)度量代理起較為關(guān)鍵的作用，需要面向更加異構的算力信息進(jìn)行采集和維護。相應地，CATS-路徑選擇只需考慮算力信息即可。這兩者可以部署在SDN控制器中，實(shí)現集中式算力路由。對于CATS-流量分類(lèi)、CATS-網(wǎng)絡(luò )度量代理功能，可以弱化其功能。CATS-轉發(fā)仍然需要路由器的支持，以及SDN控制器的配置。

工廠(chǎng)外網(wǎng)：相較于工廠(chǎng)內網(wǎng)，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模增大，網(wǎng)絡(luò )資源情況在端到端業(yè)務(wù)中占比增大，所以CATS-網(wǎng)絡(luò )度量代理也會(huì )起較為關(guān)鍵的作用。相應地，CATS-路徑選擇需要同時(shí)考慮算力信息和網(wǎng)絡(luò )信息。這兩者可以部署在SD-WAN控制器中，實(shí)現集中式或混合式算力路由；也可以部署在路由器中，實(shí)現分布式算力路由。CATS-流量分類(lèi)、CATS-轉發(fā)需要部署在園區出口的網(wǎng)關(guān)或路由器上，用以識別流量以及維護流粘性。

5　結束語(yǔ)

算力路由是國內首創(chuàng )的融合網(wǎng)絡(luò )和計算的代表性技術(shù)，是對互聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)的創(chuàng )新，國內企業(yè)已經(jīng)推動(dòng)算力路由成為國際認可的技術(shù)方向，并成為算力網(wǎng)絡(luò )的“根技術(shù)”。與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結合，算力路由可以助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò )資源和算力資源的靈活調度，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供端到端的質(zhì)量保障，提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統的資源利用率。目前，算力路由已經(jīng)面向CDN、云渲染等業(yè)務(wù)開(kāi)展規模中試，亟需產(chǎn)業(yè)界上下游聯(lián)合推進(jìn)，共同助力我國原創(chuàng )技術(shù)的應用部署。

作者簡(jiǎn)介：

劉　鵬（1991-），男，高級工程師，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路由、算網(wǎng)一體、下一代IP網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)和應用。

陸　璐（1979-），女，高級工程師，現就職于中國移動(dòng)通信有限公司研究院基礎網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究所，主要研究方向為算網(wǎng)一體、6G移動(dòng)核心網(wǎng)標準和技術(shù)研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2025年2月刊