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1  引言

近年來，  工業互聯網熱度有增無減，  31省“2021政府工作報告”都談及工業互聯網。工業互聯網的目標是將靈活的網絡技術和思想應用在工業環境中，整合工業生產中的各類要素，從而提升效率、降低成本。工信部印發的《工業互聯網創新發展行動計劃（2021-2023）》中提出，要加快工業設備網絡化改造；加快企業內網升級，提升企業內各環節網絡化水平；開展企業外網建設，推動基礎電信企業提供高質量網絡服務。在政策紅利的加持下，不論是傳統產業，還是新興產業，工業互聯網建設和應用的熱潮方興未艾。

當前工業互聯網還處于發展初期階段，以工業制造行業為例，其主要特點是生產終端的類型多、工藝流程復雜，各個生產環節會產生大量的數據（包括物料、加工設備、工裝、加工過程、質量等），導致車間管理過程復雜，接入終端數量繁多。企業通過實施信息化系統對制造流程進行精細化管理，實現企業的數字化、智能化轉型，不但需要相關生產設備產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，高可靠網絡提供的實時、精準傳輸能力相輔相成。

邊緣計算因其算力節點下沉、實時處理能力強等特點，近年來在工業互聯網領域被廣泛應用。傳統的云計算由于計算節點離終端較遠，無法滿足工業企業現場對網絡的低時延、高可靠性等需求。邊緣計算的出現，將計算、存儲、網絡等資源節點下沉至靠近終端側的網絡邊緣，不僅可以滿足工業互聯網場景下實時、可靠的響應需求，而且可以融合AI、大數據等新技術推動企業數字化轉型。

工業互聯網的眾多場景，  都希望通過邊緣計算技術提供一體式服務，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務需求提供差異化的實時處理、高可靠網絡傳輸服務能力。本文將討論如何利用邊緣計算助力工業互聯網。作為運營商可以從以下三個角度切入：

（1）當大量的數據處理、計算等下沉至邊緣時，將云網邊端的算力資源進行高效協同共享，實現算力資源和網絡資源的融合供給，提升邊緣計算的處理能力，滿足工業互聯網中機器視覺、AI處理等高算力業務需求；

（2）為實現云邊協同，使用戶可根據業務需求靈活選擇就近邊緣計算節點或中心云計算節點，需要打通工業內、外網，解決園區內外網割裂問題；

（3）邊緣計算需要滿足工業互聯網業務的低時延、高可靠等需要，應利用新技術構建高精準、差異化的網絡承載能力，消除大網微突發、排隊擁塞等帶來的時延抖動，滿足包括設備數據智能采集、遠程控制管理等業務場景需求。

邊緣計算作為靠近用戶側的網絡計算節點，可以應對業務的高帶寬、低時延、本地管理等發展需求，本文將主要探討如何通過邊緣計算助力并滿足工業互聯網的場景需求，從以上三個方面切入探討其中的關鍵技術要點。

2  邊緣計算推動算網融合趨勢發展，算力網絡應運而生

邊緣計算成為工業互聯網的關鍵技術之一，對網絡也產生了新需求：

（1）新業務承載需求：以智慧工廠機器視覺為例，需要對大量的視頻、圖片數據進行分析處理，對生產過程進行實時監測、檢測，對網絡承載能力提出了更高要求；

（2）云網一體到算網一體需求：僅云計算已無法滿足新業務催生的海量數據的計算需求，因此云邊協同組網、算網資源融合供給成了必然的選擇。

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

算力網絡是實現云網端統一管控的新型網絡架構，也是云網融合戰略體系中的一種關鍵技術，其以網絡為中心，通過網絡控制面（包含集中式控制器、分布式路由協議等）分發服務節點的算力、存儲、算法等資源信息，并結合網絡信息和上層應用（如工業互聯網）需求，提供最佳的計算、存儲、網絡等資源的分發、關聯、交易與調配，從而實現整網資源的最優化配置和使用。算力網絡可以自下而上展開資源融合，徹底打破云網邊界，真正實現云網一體。

在工業互聯網場景下，邊緣計算的引入會導致網絡流量模型發生新的變化。當前總體上還是一種端到端模型，用戶在一端，算力資源（云平臺）在另一端，中間通過網絡進行連接；而在邊緣計算場景中，變成了算力嵌在網絡中間，算力無處不在，使得連接的一端存在極大的不確定性和可變性。因此從用戶視角來看，不同位置的資源并不是平等關系，而是需要綜合考慮用戶到資源距離的不同（即時延不同）、網絡狀況的好壞、資源報價不同等多方面因素來選擇最優資源組合。其次在于業務對資源的需求彈性變化趨勢，由于業務驅動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，單個站點資源有限，當業務需求激增時需要能夠通過最優路徑將業務動態地調度到最優的算力節點進行處理，或者能夠靈活利用其它算力資源來彌補本地資源的不足。

算力網絡計劃通過基于無處不在的網絡連接，將多級算力資源進行整合，實現云、邊、網高效協同，提高算力資源利用效率，進而實現：

（1）用戶體驗的一致性：上層業務無需關心各類基礎資源（算力、存儲等）的位置和部署狀態，由網絡協同調度各類資源來保證用戶的一致體驗。

（2）  服務靈活動態部署：基于業務的SLA需求，綜合考慮實時的網絡、算力、存儲等多維資源狀況，通過網絡靈活匹配與動態調度，將業務流量動態調度至最優資源節點。

（3）為了實現算力網絡方案，2021年ITU-T發布了國際首個算力網絡標準（編號Y.2501），標準中提供了一種典型的系統框架來實現算力網絡系統，如圖1所示[2]。此功能架構從算力網絡需求出發，在編排管理層的協作下，通過算力網絡控制層收集資源層資源信息，提供給服務層進行可編程處理，并根據返回結果實現資源占用建立網絡連接。各層相互協作，為用戶提供多樣化的服務模式，實現資源的最優化配置。

圖1 ITU-T Y.2501提出的算力網絡架構圖

3  實現云邊協同算力共享，需打通工廠/企業內、外網

當前組網架構下，企業內外網往往割裂、能力單一。互聯網僅用于商業信息的交互，由互聯網和高性能專線專網構成，實現企業、平臺、用戶、產品等鏈接；企業信息網絡（IT網絡）主要用于企業辦公、科研、生產管理等，以以太網和Wi-Fi鏈接為主；工業控制網絡（OT網絡）需要鏈接工廠內各種要素，以現場總線和工業以太網等專業網絡為主，兩者難以協同，OT網絡中的大量數據無法上傳至企業信息網絡中，造成大量數據沉淀。如圖2所示。

圖2 當前工業互聯網現狀

為解決以上問題，需要利用新技術構建高精準、差異化的企業/工廠外網，  打破IT、OT網界限，  實現對現場的充分信息采集、控制反饋與傳遞。

工業現場終端類型多樣，具有體積小、低功耗和低成本的特點，對長地址支持較差。因此在內網組網中，經常會放棄TCP/IP協議，采用如藍牙、Zigbee等輕量級協議以減少開銷，但這些協議在出企業內網時會存在與大網兼容性差的問題，且在出外網時會存在協議轉換開銷較大。

靈活編址技術可以解決企業/工廠內、外網兼容性問題。通過采用可變長多語義地址的設計，能夠實現域內短地址通信、域外長地址通信，報文網關處實現長短地址轉換，如圖3所示。該方案可以避免額外的協議轉化開銷，提高可擴展性。

企業內外網組網互通，是實現云邊協同算力共享,構建高效、穩定、可靠網絡的重要基礎，也可為企業業務創新、運營管理效率提升等提供堅實的基礎底座。

圖3 靈活編址技術

4  網絡高質量傳輸通信保障：確定性網絡 承載技術

確定性網絡承載技術可以支撐大規模機器通信、機器視覺、遠程操控、人工智能等工業互聯網場景需求，全面賦能產業升級，提供具備高可靠性、超低時延確定、帶寬保證、安全隔離等高品質的網絡服務能力。新一代信息技術與工業現場級操作技術的融合促使通信網絡向“確定性網絡”演進。確定性網絡承載技術是構建下一代網絡基礎設施體系、提升數據傳輸服務質量的關鍵技術之一。

不同于傳統“盡力而為”的轉發方式，確定性網絡技術可以提供“準時、準確”的可靠性數據傳輸服務。確定性網絡技術是涵蓋了網絡切片、時鐘同步、資源預留、優先級隊列調度、流量整形等一系列協議和機制的集合，從整體保證網絡帶寬可控、路徑/時延可控及抖動可控的確定性需求。目前業界主要有三類典型技術方案。

第一類方案是IEEE 802.1時間敏感網絡任務組提出的TSN，在二層以太網絡中提供確定性業務。

第二類方案是IETF確定性網絡工作組提出的DetNet技術，專注于在第二層橋接和第三層路由層上實現確定傳輸路徑。

第三類是大規模確定性IP技術，保證大規模IP網絡報文傳輸時延上限、時延抖動上限、丟包率上限的確定性。

從另一個角度來看，確定性網絡承載技術可以從三個維度描述，三個維度的不同組合可以滿足工業互聯網不同場景的業務需求：

一是帶寬確定性，一般以業務所需的最高帶寬為衡量標準，可通過入口帶寬限速、網絡優先級服務等策略，粗粒度地預留資源，通過帶寬的預留概率性保證。

二是路徑確定性，  在傳統IP網絡中，流量路徑是根據路由協議實時計算得出，確定性網絡中可通過SRv6或MPLS等網絡技術，為業務提供不同類型的路徑選擇，如低時延路徑、零丟包路徑、高可靠性路徑等。

三是網絡抖動確定，IP網絡中，擁塞等原因會造成網絡延遲，無法滿足對時延要求極高的工業控制等場景。因此可通過確定性轉發等技術手段，實現網絡抖動的確定性。

確定性網絡承載技術可以為工業控制提供毫秒級時延的遠程控制通道，保證鏈路微秒級的抖動，滿足工業互聯網的高精度時延抖動要求，保障工業生產安全可靠運行。

5  結束語

隨著工業互聯網的不斷發展，網絡邊緣接入的終端數量也會呈爆發性增長趨勢，大量的新業務給現有網絡都帶來了巨大挑戰。邊緣計算技術將助力工業互聯網的快速發展，成為我國傳統企業轉型升級的重要動力。運營商可以發揮大網優勢，不斷從技術上進行創新，共同推動工業互聯網向前發展。

作者簡介：

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絡技術研究所項目經理，研究方向為未來網絡技術、算力網絡與確定性網絡技術。

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絡技術研究所技術總監，主要研究領域為未來網絡、算力網絡、IP城域網、數據中心網絡等。

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絡技術研究所副所長，研究方向為未來網絡技術、新型數據中心網絡、邊緣計算與算力網絡等。

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絡技術研究所項目經理，研究方向為未來網絡技術、6G及算力網絡。

參考文獻：

[1] Gartner. Top 10 Strategic Technology Trends for 2019[0L]. [2018.10.15]. 

[2] ITU-T Y.2501, Computing Power Network-famework and Architecture[S]. 2021.

[3] IMT-2030. 6G網絡架構愿景與關鍵技術展望[Z]. 2021.

[4] 網絡通信與安全紫金山實驗室. 未來網絡白皮書—確定性網絡技術體系白皮書(2021版) [Z]. 2021.

摘自《自動化博覽》2022年2月刊