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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(jì)算等技術(shù)引入工業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)展方向，將穩(wěn)定實(shí)操的OT系統(tǒng)與敏捷靈活的IT系統(tǒng)以及可靠可管的CT系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建了新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施，為計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、自動化、智能化一體化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。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(shù)據(jù)互通。經(jīng)過近十年的推進(jìn)，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過13619.5億元，處于穩(wěn)步增長階段，近三年的年均增長率超過10%。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的代表性技術(shù)，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過126億元，近三年增長率高達(dá)24.5%。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的不斷驅(qū)動，以算力網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為代表的新型融合技術(shù)繼續(xù)推動工業(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(jì)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，可以激發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新的發(fā)展動力，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用。算網(wǎng)一體是算力網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)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(chǔ)，引入算力因子，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的一體化融合。《工業(yè)網(wǎng)絡(luò)3.0白皮書》^[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(yīng)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(jì)算、邊緣計(jì)算等多級算力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的高效聯(lián)合調(diào)度，提升算網(wǎng)系統(tǒng)整體的效能，有效支撐AR/VR、車聯(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(tǒng)的BGP等核心路由技術(shù)上進(jìn)一步擴(kuò)展算力向量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的聯(lián)合路由。算力路由可以為用戶提供靈活的“入算”服務(wù)，在多個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)中選擇最合適的服務(wù)節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)路徑，解決邊緣計(jì)算的“性能反轉(zhuǎn)”問題。當(dāng)前，IETF已經(jīng)成立算力路由工作組，完成了需求、場景、架構(gòu)、度量等立項(xiàng)。中國移動在MWC發(fā)布了全球首臺算力路由器，并結(jié)合CDN、云渲染業(yè)務(wù)等開展了5省20地市規(guī)模中試，有效驗(yàn)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(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了路由技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)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(yīng)用提供基礎(chǔ)

路由是決定網(wǎng)絡(luò)報(bào)文轉(zhuǎn)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。“路由”可以理解為“尋路”，通常考慮的是空間距離，希望選取到達(dá)給定的目的地的“最優(yōu)路徑”。例如當(dāng)從地點(diǎn)A到達(dá)地點(diǎn)B有多條路線時(shí)，從中選擇一條可以最快到達(dá)的路線。算力路由是指在“尋路”的基礎(chǔ)上，增加對計(jì)算因素的考慮，通過網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備，在若干個(gè)可選擇的云資源節(jié)點(diǎn)中以及對應(yīng)的多條網(wǎng)絡(luò)路徑中選擇最合適的一組，從而滿足業(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(yīng)用。傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要由總線和工業(yè)以太網(wǎng)等專用網(wǎng)絡(luò)組成，互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的應(yīng)用通常僅涉及IP地址的配置。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)逐漸走入工廠網(wǎng)絡(luò)中，主要構(gòu)建扁平化的工業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。而工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)以及園區(qū)互聯(lián)的需求將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的范圍擴(kuò)展至廣域網(wǎng)，SD-WAN等技術(shù)也逐漸開始應(yīng)用，為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。CCSATC13已經(jīng)制定了工業(yè)SDN/SD-WAN系列標(biāo)準(zhǔn)。

主流的工業(yè)以太網(wǎng)/總線與互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP體系兼容，為算力路由協(xié)議在工業(yè)的應(yīng)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(yùn)動控制、過程控制類服務(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(gòu)建基于TCP的Modbus應(yīng)用層協(xié)議，支持更廣泛的連接接入。

綜合來看，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(jié)點(diǎn)間的算網(wǎng)綜合調(diào)度需求，兩者相向而行。具體而言，對于園區(qū)內(nèi)組網(wǎng)，算力路由功能可以部署在支持IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，分別連接不同邊緣云或算力節(jié)點(diǎn)，提供異構(gòu)算力節(jié)點(diǎn)間的靈活調(diào)度功能。對于園區(qū)間組網(wǎng)，算力路由功能可以部署在園區(qū)出口處的網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備上，在多個(gè)園區(qū)之間進(jìn)行算力調(diào)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(yīng)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(yīng)用方式如下。

3.1　算力度量在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用分析

網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)通常是用“帶寬”和“時(shí)延”等表示，但是表示算力的性能指標(biāo)非常廣泛，可以包括芯片類型、計(jì)算類型、算力規(guī)模、吞吐量等多個(gè)維度。算力度量是為了找到表示統(tǒng)一的算力性能指標(biāo)的方法，進(jìn)一步用同一種“語言”表示網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算性能指標(biāo)。業(yè)界對于算力度量的研究成果也非常豐富，文獻(xiàn)^[5]很早提出了對計(jì)算分區(qū)的度量方法，文獻(xiàn)^[6]提出了“四面三級”算力度量技術(shù)體系，文獻(xiàn)^[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)專用性要求相對較高，差異化需求相對明顯，對通信、計(jì)算、存儲等方面的側(cè)重各有不同。對于工廠內(nèi)網(wǎng)，算力種類的差異化更加明顯，可以針對每一種算力資源進(jìn)行建模，按照任務(wù)種類區(qū)分調(diào)度；對于工廠外網(wǎng)，由于其所呈現(xiàn)的是整體節(jié)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模，按照算力使用率進(jìn)行調(diào)度。

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

網(wǎng)絡(luò)對算力資源和服務(wù)的部署位置、負(fù)載信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，從而為引入計(jì)算因素的算力路由提供了信息參考，尋找最合適的計(jì)算服務(wù)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。算力信息是時(shí)刻變化的，這就意味著想要獲取更加實(shí)時(shí)可用的算力信息，信息分發(fā)的頻率就需要更高，會進(jìn)一步加重對網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，因此需要基于更優(yōu)的分發(fā)頻率和更準(zhǔn)確的分發(fā)范圍來調(diào)度算力。目前業(yè)界主要采用BGP擴(kuò)展來通告算力信息^[8-11]。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，工廠內(nèi)網(wǎng)通常不涉及復(fù)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SDN統(tǒng)一收集網(wǎng)絡(luò)信息，并能擴(kuò)展接口收集算力信息；工廠外網(wǎng)也可以結(jié)合SD-WAN技術(shù)對算力信息進(jìn)行收集。隨著工業(yè)視覺、AR/VR等業(yè)務(wù)逐漸展開應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和計(jì)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演進(jìn)的新型業(yè)務(wù)中發(fā)揮優(yōu)勢，保障用戶體驗(yàn)。

3.3　算網(wǎng)聯(lián)合路由在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)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(chǔ)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(yīng)的權(quán)重參數(shù)，不同權(quán)重下會有不同的選擇結(jié)果。而如何設(shè)置參數(shù)需要結(jié)合業(yè)務(wù)的需求和流量特征，例如計(jì)算更敏感的業(yè)務(wù)就可以優(yōu)選算力狀態(tài)好的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)更敏感的業(yè)務(wù)就可以優(yōu)選網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)好的路徑等。這其中比較常見的是基于CSPF的路由，文獻(xiàn)^[12-14]研究了基于OSPF擴(kuò)展支持CSPF的算法。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的場景中，工廠內(nèi)網(wǎng)通常不涉及OSPF等基礎(chǔ)路由，且內(nèi)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(jì)算部分也較小，所以可以優(yōu)先根據(jù)計(jì)算資源選擇服務(wù)節(jié)點(diǎn)；工廠外網(wǎng)通常為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)或基于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的overlay網(wǎng)絡(luò)，對于時(shí)延等影響的比重較大，所以可以優(yōu)先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源或算網(wǎng)綜合資源情況選擇服務(wù)節(jié)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(gòu)^[15]的定義，算力路由主要功能組件包括CATS-轉(zhuǎn)發(fā)、CATS-路徑選擇、CATS流量分類、CATS-服務(wù)度量代理、CATS-網(wǎng)絡(luò)度量代理。根據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)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，考慮工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)的組網(wǎng)、協(xié)議以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，算力路由應(yīng)用在兩者的各組件的部署方式也會有所差異，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：負(fù)責(zé)確定哪些數(shù)據(jù)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(zhí)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(zhí)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(zhí)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(zhuǎn)發(fā)：位于路徑末端并連接到服務(wù)站點(diǎn)，用于轉(zhuǎn)發(fā)算力路由的流量，同時(shí)保持流粘性。

工廠內(nèi)網(wǎng)：結(jié)合第3章各技術(shù)的分析，由于工廠內(nèi)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(gòu)的算力信息進(jìn)行采集和維護(hù)。相應(yīng)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(xiàn)集中式算力路由。對于CATS-流量分類、CATS-網(wǎng)絡(luò)度量代理功能，可以弱化其功能。CATS-轉(zhuǎn)發(fā)仍然需要路由器的支持，以及SDN控制器的配置。

工廠外網(wǎng)：相較于工廠內(nèi)網(wǎng)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)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)度量代理也會起較為關(guān)鍵的作用。相應(yīng)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(xiàn)集中式或混合式算力路由；也可以部署在路由器中，實(shí)現(xiàn)分布式算力路由。CATS-流量分類、CATS-轉(zhuǎn)發(fā)需要部署在園區(qū)出口的網(wǎng)關(guān)或路由器上，用以識別流量以及維護(hù)流粘性。

5　結(jié)束語

算力路由是國內(nèi)首創(chuàng)的融合網(wǎng)絡(luò)和計(jì)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(nèi)企業(yè)已經(jīng)推動算力路由成為國際認(rèn)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(jié)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(diào)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(tǒng)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)開展規(guī)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(yīng)用部署。

作者簡介：

劉　鵬（1991-），男，高級工程師，現(xiàn)就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向?yàn)樗懔β酚伞⑺憔W(wǎng)一體、下一代IP網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和應(yīng)用。

陸　璐（1979-），女，高級工程師，現(xiàn)就職于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，主要研究方向?yàn)樗憔W(wǎng)一體、6G移動核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究。

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摘自《自動化博覽》2025年2月刊