1  引言

近年來(lái)，  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)熱度有增無(wú)減，  31省“2021政府工作報告”都談及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標是將靈活的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和思想應用在工業(yè)環(huán)境中，整合工業(yè)生產(chǎn)中的各類(lèi)要素，從而提升效率、降低成本。工信部印發(fā)的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )新發(fā)展行動(dòng)計劃（2021-2023）》中提出，要加快工業(yè)設備網(wǎng)絡(luò )化改造；加快企業(yè)內網(wǎng)升級，提升企業(yè)內各環(huán)節網(wǎng)絡(luò )化水平；開(kāi)展企業(yè)外網(wǎng)建設，推動(dòng)基礎電信企業(yè)提供高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。在政策紅利的加持下，不論是傳統產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設和應用的熱潮方興未艾。

當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還處于發(fā)展初期階段，以工業(yè)制造行業(yè)為例，其主要特點(diǎn)是生產(chǎn)終端的類(lèi)型多、工藝流程復雜，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節會(huì )產(chǎn)生大量的數據（包括物料、加工設備、工裝、加工過(guò)程、質(zhì)量等），導致車(chē)間管理過(guò)程復雜，接入終端數量繁多。企業(yè)通過(guò)實(shí)施信息化系統對制造流程進(jìn)行精細化管理，實(shí)現企業(yè)的數字化、智能化轉型，不但需要相關(guān)生產(chǎn)設備產(chǎn)生的海量數據信息作為重要數據基礎，還需要處理海量數據的算力能力，高可靠網(wǎng)絡(luò )提供的實(shí)時(shí)、精準傳輸能力相輔相成。

邊緣計算因其算力節點(diǎn)下沉、實(shí)時(shí)處理能力強等特點(diǎn)，近年來(lái)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域被廣泛應用。傳統的云計算由于計算節點(diǎn)離終端較遠，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)現場(chǎng)對網(wǎng)絡(luò )的低時(shí)延、高可靠性等需求。邊緣計算的出現，將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )等資源節點(diǎn)下沉至靠近終端側的網(wǎng)絡(luò )邊緣，不僅可以滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下實(shí)時(shí)、可靠的響應需求，而且可以融合AI、大數據等新技術(shù)推動(dòng)企業(yè)數字化轉型。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的眾多場(chǎng)景，  都希望通過(guò)邊緣計算技術(shù)提供一體式服務(wù)，既可以擁有傳統云計算共享的計算、存儲等資源，又可以根據不同的業(yè)務(wù)需求提供差異化的實(shí)時(shí)處理、高可靠網(wǎng)絡(luò )傳輸服務(wù)能力。本文將討論如何利用邊緣計算助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。作為運營(yíng)商可以從以下三個(gè)角度切入：

（1）當大量的數據處理、計算等下沉至邊緣時(shí)，將云網(wǎng)邊端的算力資源進(jìn)行高效協(xié)同共享，實(shí)現算力資源和網(wǎng)絡(luò )資源的融合供給，提升邊緣計算的處理能力，滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中機器視覺(jué)、AI處理等高算力業(yè)務(wù)需求；

（2）為實(shí)現云邊協(xié)同，使用戶(hù)可根據業(yè)務(wù)需求靈活選擇就近邊緣計算節點(diǎn)或中心云計算節點(diǎn)，需要打通工業(yè)內、外網(wǎng)，解決園區內外網(wǎng)割裂問(wèn)題；

（3）邊緣計算需要滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低時(shí)延、高可靠等需要，應利用新技術(shù)構建高精準、差異化的網(wǎng)絡(luò )承載能力，消除大網(wǎng)微突發(fā)、排隊擁塞等帶來(lái)的時(shí)延抖動(dòng)，滿(mǎn)足包括設備數據智能采集、遠程控制管理等業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。

邊緣計算作為靠近用戶(hù)側的網(wǎng)絡(luò )計算節點(diǎn)，可以應對業(yè)務(wù)的高帶寬、低時(shí)延、本地管理等發(fā)展需求，本文將主要探討如何通過(guò)邊緣計算助力并滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景需求，從以上三個(gè)方面切入探討其中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

2  邊緣計算推動(dòng)算網(wǎng)融合趨勢發(fā)展，算力網(wǎng)絡(luò )應運而生

邊緣計算成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對網(wǎng)絡(luò )也產(chǎn)生了新需求：

（1）新業(yè)務(wù)承載需求：以智慧工廠(chǎng)機器視覺(jué)為例，需要對大量的視頻、圖片數據進(jìn)行分析處理，對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、檢測，對網(wǎng)絡(luò )承載能力提出了更高要求；

（2）云網(wǎng)一體到算網(wǎng)一體需求：僅云計算已無(wú)法滿(mǎn)足新業(yè)務(wù)催生的海量數據的計算需求，因此云邊協(xié)同組網(wǎng)、算網(wǎng)資源融合供給成了必然的選擇。

算力網(wǎng)絡(luò )作為邊緣計算的一種新興技術(shù)方案，其概念是邊緣計算逐步落地部署后出現新趨勢而提出的。

算力網(wǎng)絡(luò )是實(shí)現云網(wǎng)端統一管控的新型網(wǎng)絡(luò )架構，也是云網(wǎng)融合戰略體系中的一種關(guān)鍵技術(shù)，其以網(wǎng)絡(luò )為中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制面（包含集中式控制器、分布式路由協(xié)議等）分發(fā)服務(wù)節點(diǎn)的算力、存儲、算法等資源信息，并結合網(wǎng)絡(luò )信息和上層應用（如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）需求，提供最佳的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )等資源的分發(fā)、關(guān)聯(lián)、交易與調配，從而實(shí)現整網(wǎng)資源的最優(yōu)化配置和使用。算力網(wǎng)絡(luò )可以自下而上展開(kāi)資源融合，徹底打破云網(wǎng)邊界，真正實(shí)現云網(wǎng)一體。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，邊緣計算的引入會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )流量模型發(fā)生新的變化。當前總體上還是一種端到端模型，用戶(hù)在一端，算力資源（云平臺）在另一端，中間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接；而在邊緣計算場(chǎng)景中，變成了算力嵌在網(wǎng)絡(luò )中間，算力無(wú)處不在，使得連接的一端存在極大的不確定性和可變性。因此從用戶(hù)視角來(lái)看，不同位置的資源并不是平等關(guān)系，而是需要綜合考慮用戶(hù)到資源距離的不同（即時(shí)延不同）、網(wǎng)絡(luò )狀況的好壞、資源報價(jià)不同等多方面因素來(lái)選擇最優(yōu)資源組合。其次在于業(yè)務(wù)對資源的需求彈性變化趨勢，由于業(yè)務(wù)驅動(dòng)計算從云端下移到接近數據源的邊緣側，而邊緣計算作為分散的算力資源池，單個(gè)站點(diǎn)資源有限，當業(yè)務(wù)需求激增時(shí)需要能夠通過(guò)最優(yōu)路徑將業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)地調度到最優(yōu)的算力節點(diǎn)進(jìn)行處理，或者能夠靈活利用其它算力資源來(lái)彌補本地資源的不足。

算力網(wǎng)絡(luò )計劃通過(guò)基于無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò )連接，將多級算力資源進(jìn)行整合，實(shí)現云、邊、網(wǎng)高效協(xié)同，提高算力資源利用效率，進(jìn)而實(shí)現：

（1）用戶(hù)體驗的一致性：上層業(yè)務(wù)無(wú)需關(guān)心各類(lèi)基礎資源（算力、存儲等）的位置和部署狀態(tài)，由網(wǎng)絡(luò )協(xié)同調度各類(lèi)資源來(lái)保證用戶(hù)的一致體驗。

（2）  服務(wù)靈活動(dòng)態(tài)部署：基于業(yè)務(wù)的SLA需求，綜合考慮實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò )、算力、存儲等多維資源狀況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )靈活匹配與動(dòng)態(tài)調度，將業(yè)務(wù)流量動(dòng)態(tài)調度至最優(yōu)資源節點(diǎn)。

（3）為了實(shí)現算力網(wǎng)絡(luò )方案，2021年ITU-T發(fā)布了國際首個(gè)算力網(wǎng)絡(luò )標準（編號Y.2501），標準中提供了一種典型的系統框架來(lái)實(shí)現算力網(wǎng)絡(luò )系統，如圖1所示[2]。此功能架構從算力網(wǎng)絡(luò )需求出發(fā)，在編排管理層的協(xié)作下，通過(guò)算力網(wǎng)絡(luò )控制層收集資源層資源信息，提供給服務(wù)層進(jìn)行可編程處理，并根據返回結果實(shí)現資源占用建立網(wǎng)絡(luò )連接。各層相互協(xié)作，為用戶(hù)提供多樣化的服務(wù)模式，實(shí)現資源的最優(yōu)化配置。

圖1 ITU-T Y.2501提出的算力網(wǎng)絡(luò )架構圖

3  實(shí)現云邊協(xié)同算力共享，需打通工廠(chǎng)/企業(yè)內、外網(wǎng)

當前組網(wǎng)架構下，企業(yè)內外網(wǎng)往往割裂、能力單一?；ヂ?lián)網(wǎng)僅用于商業(yè)信息的交互，由互聯(lián)網(wǎng)和高性能專(zhuān)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)構成，實(shí)現企業(yè)、平臺、用戶(hù)、產(chǎn)品等鏈接；企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )（IT網(wǎng)絡(luò )）主要用于企業(yè)辦公、科研、生產(chǎn)管理等，以以太網(wǎng)和Wi-Fi鏈接為主；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )（OT網(wǎng)絡(luò )）需要鏈接工廠(chǎng)內各種要素，以現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)等專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò )為主，兩者難以協(xié)同，OT網(wǎng)絡(luò )中的大量數據無(wú)法上傳至企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )中，造成大量數據沉淀。如圖2所示。

圖2 當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現狀

為解決以上問(wèn)題，需要利用新技術(shù)構建高精準、差異化的企業(yè)/工廠(chǎng)外網(wǎng)，  打破IT、OT網(wǎng)界限，  實(shí)現對現場(chǎng)的充分信息采集、控制反饋與傳遞。

工業(yè)現場(chǎng)終端類(lèi)型多樣，具有體積小、低功耗和低成本的特點(diǎn)，對長(cháng)地址支持較差。因此在內網(wǎng)組網(wǎng)中，經(jīng)常會(huì )放棄TCP/IP協(xié)議，采用如藍牙、Zigbee等輕量級協(xié)議以減少開(kāi)銷(xiāo)，但這些協(xié)議在出企業(yè)內網(wǎng)時(shí)會(huì )存在與大網(wǎng)兼容性差的問(wèn)題，且在出外網(wǎng)時(shí)會(huì )存在協(xié)議轉換開(kāi)銷(xiāo)較大。

靈活編址技術(shù)可以解決企業(yè)/工廠(chǎng)內、外網(wǎng)兼容性問(wèn)題。通過(guò)采用可變長(cháng)多語(yǔ)義地址的設計，能夠實(shí)現域內短地址通信、域外長(cháng)地址通信，報文網(wǎng)關(guān)處實(shí)現長(cháng)短地址轉換，如圖3所示。該方案可以避免額外的協(xié)議轉化開(kāi)銷(xiāo)，提高可擴展性。

企業(yè)內外網(wǎng)組網(wǎng)互通，是實(shí)現云邊協(xié)同算力共享,構建高效、穩定、可靠網(wǎng)絡(luò )的重要基礎，也可為企業(yè)業(yè)務(wù)創(chuàng )新、運營(yíng)管理效率提升等提供堅實(shí)的基礎底座。

圖3 靈活編址技術(shù)

4  網(wǎng)絡(luò )高質(zhì)量傳輸通信保障：確定性網(wǎng)絡(luò ) 承載技術(shù)

確定性網(wǎng)絡(luò )承載技術(shù)可以支撐大規模機器通信、機器視覺(jué)、遠程操控、人工智能等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景需求，全面賦能產(chǎn)業(yè)升級，提供具備高可靠性、超低時(shí)延確定、帶寬保證、安全隔離等高品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)能力。新一代信息技術(shù)與工業(yè)現場(chǎng)級操作技術(shù)的融合促使通信網(wǎng)絡(luò )向“確定性網(wǎng)絡(luò )”演進(jìn)。確定性網(wǎng)絡(luò )承載技術(shù)是構建下一代網(wǎng)絡(luò )基礎設施體系、提升數據傳輸服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

不同于傳統“盡力而為”的轉發(fā)方式，確定性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以提供“準時(shí)、準確”的可靠性數據傳輸服務(wù)。確定性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是涵蓋了網(wǎng)絡(luò )切片、時(shí)鐘同步、資源預留、優(yōu)先級隊列調度、流量整形等一系列協(xié)議和機制的集合，從整體保證網(wǎng)絡(luò )帶寬可控、路徑/時(shí)延可控及抖動(dòng)可控的確定性需求。目前業(yè)界主要有三類(lèi)典型技術(shù)方案。

第一類(lèi)方案是IEEE 802.1時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )任務(wù)組提出的TSN，在二層以太網(wǎng)絡(luò )中提供確定性業(yè)務(wù)。

第二類(lèi)方案是IETF確定性網(wǎng)絡(luò )工作組提出的DetNet技術(shù)，專(zhuān)注于在第二層橋接和第三層路由層上實(shí)現確定傳輸路徑。

第三類(lèi)是大規模確定性IP技術(shù)，保證大規模IP網(wǎng)絡(luò )報文傳輸時(shí)延上限、時(shí)延抖動(dòng)上限、丟包率上限的確定性。

從另一個(gè)角度來(lái)看，確定性網(wǎng)絡(luò )承載技術(shù)可以從三個(gè)維度描述，三個(gè)維度的不同組合可以滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求：

一是帶寬確定性，一般以業(yè)務(wù)所需的最高帶寬為衡量標準，可通過(guò)入口帶寬限速、網(wǎng)絡(luò )優(yōu)先級服務(wù)等策略，粗粒度地預留資源，通過(guò)帶寬的預留概率性保證。

二是路徑確定性，  在傳統IP網(wǎng)絡(luò )中，流量路徑是根據路由協(xié)議實(shí)時(shí)計算得出，確定性網(wǎng)絡(luò )中可通過(guò)SRv6或MPLS等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，為業(yè)務(wù)提供不同類(lèi)型的路徑選擇，如低時(shí)延路徑、零丟包路徑、高可靠性路徑等。

三是網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)確定，IP網(wǎng)絡(luò )中，擁塞等原因會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )延遲，無(wú)法滿(mǎn)足對時(shí)延要求極高的工業(yè)控制等場(chǎng)景。因此可通過(guò)確定性轉發(fā)等技術(shù)手段，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)的確定性。

確定性網(wǎng)絡(luò )承載技術(shù)可以為工業(yè)控制提供毫秒級時(shí)延的遠程控制通道，保證鏈路微秒級的抖動(dòng)，滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高精度時(shí)延抖動(dòng)要求，保障工業(yè)生產(chǎn)安全可靠運行。

5  結束語(yǔ)

隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )邊緣接入的終端數量也會(huì )呈爆發(fā)性增長(cháng)趨勢，大量的新業(yè)務(wù)給現有網(wǎng)絡(luò )都帶來(lái)了巨大挑戰。邊緣計算技術(shù)將助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，成為我國傳統企業(yè)轉型升級的重要動(dòng)力。運營(yíng)商可以發(fā)揮大網(wǎng)優(yōu)勢，不斷從技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng )新，共同推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向前發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

唐   靜  （1993-），女，江蘇鹽城人，工程師，碩士，現任中國電信股份有限公司研究院網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究所項目經(jīng)理，研究方向為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、算力網(wǎng)絡(luò )與確定性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

解云鵬  （1974-），男，吉林敦化人，教授級高級工程師，碩士，現任中國電信股份有限公司研究院網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究所技術(shù)總監，主要研究領(lǐng)域為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )、算力網(wǎng)絡(luò )、IP城域網(wǎng)、數據中心網(wǎng)絡(luò )等。

雷   波  （1980-），男，重慶人，教授級高級工程師，碩士，現任中國電信股份有限公司研究院網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究所副所長(cháng)，研究方向為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、新型數據中心網(wǎng)絡(luò )、邊緣計算與算力網(wǎng)絡(luò )等。

趙倩穎  （1991-），女，河北秦皇島人，工程師，碩士，現任中國電信股份有限公司研究院網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究所項目經(jīng)理，研究方向為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、6G及算力網(wǎng)絡(luò )。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊