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1  引言

近年來，  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)熱度有增無減，  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(biāo)是將靈活的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和思想應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境中，整合工業(yè)生產(chǎn)中的各類要素，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)展行動計劃（2021-2023）》中提出，要加快工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造；加快企業(yè)內(nèi)網(wǎng)升級，提升企業(yè)內(nèi)各環(huán)節(jié)網(wǎng)絡(luò)化水平；開展企業(yè)外網(wǎng)建設(shè)，推動基礎(chǔ)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(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和應(yīng)用的熱潮方興未艾。

當(dāng)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，其主要特點是生產(chǎn)終端的類型多、工藝流程復(fù)雜，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)（包括物料、加工設(shè)備、工裝、加工過程、質(zhì)量等），導(dǎo)致車間管理過程復(fù)雜，接入終端數(shù)量繁多。企業(yè)通過實施信息化系統(tǒng)對制造流程進(jìn)行精細(xì)化管理，實現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，不但需要相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)信息作為重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還需要處理海量數(shù)據(jù)的算力能力，高可靠網(wǎng)絡(luò)提供的實時、精準(zhǔn)傳輸能力相輔相成。

邊緣計算因其算力節(jié)點下沉、實時處理能力強(qiáng)等特點，近年來在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的云計算由于計算節(jié)點離終端較遠(yuǎn)，無法滿足工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)的低時延、高可靠性等需求。邊緣計算的出現(xiàn)，將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源節(jié)點下沉至靠近終端側(cè)的網(wǎng)絡(luò)邊緣，不僅可以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下實時、可靠的響應(yīng)需求，而且可以融合AI、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的眾多場景，  都希望通過邊緣計算技術(shù)提供一體式服務(wù)，既可以擁有傳統(tǒng)云計算共享的計算、存儲等資源，又可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求提供差異化的實時處理、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)。作為運營商可以從以下三個角度切入：

（1）當(dāng)大量的數(shù)據(jù)處理、計算等下沉至邊緣時，將云網(wǎng)邊端的算力資源進(jìn)行高效協(xié)同共享，實現(xiàn)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，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中機(jī)器視覺、AI處理等高算力業(yè)務(wù)需求；

（2）為實現(xiàn)云邊協(xié)同，使用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活選擇就近邊緣計算節(jié)點或中心云計算節(jié)點，需要打通工業(yè)內(nèi)、外網(wǎng)，解決園區(qū)內(nèi)外網(wǎng)割裂問題；

（3）邊緣計算需要滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低時延、高可靠等需要，應(yīng)利用新技術(shù)構(gòu)建高精準(zhǔn)、差異化的網(wǎng)絡(luò)承載能力，消除大網(wǎng)微突發(fā)、排隊擁塞等帶來的時延抖動，滿足包括設(shè)備數(shù)據(jù)智能采集、遠(yuǎn)程控制管理等業(yè)務(wù)場景需求。

邊緣計算作為靠近用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)計算節(jié)點，可以應(yīng)對業(yè)務(wù)的高帶寬、低時延、本地管理等發(fā)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)的場景需求，從以上三個方面切入探討其中的關(guān)鍵技術(shù)要點。

2  邊緣計算推動算網(wǎng)融合趨勢發(fā)展，算力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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：以智慧工廠機(jī)器視覺為例，需要對大量的視頻、圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)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：僅云計算已無法滿足新業(yè)務(wù)催生的海量數(shù)據(jù)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(xiàn)新趨勢而提出的。

算力網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)云網(wǎng)端統(tǒng)一管控的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也是云網(wǎng)融合戰(zhàn)略體系中的一種關(guān)鍵技術(shù)，其以網(wǎng)絡(luò)為中心，通過網(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(jié)點的算力、存儲、算法等資源信息，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息和上層應(yīng)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(diào)配，從而實現(xiàn)整網(wǎng)資源的最優(yōu)化配置和使用。算力網(wǎng)絡(luò)可以自下而上展開資源融合，徹底打破云網(wǎng)邊界，真正實現(xiàn)云網(wǎng)一體。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，邊緣計算的引入會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量模型發(fā)生新的變化。當(dāng)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接；而在邊緣計算場景中，變成了算力嵌在網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(wǎng)絡(luò)狀況的好壞、資源報價不同等多方面因素來選擇最優(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(qū)動計算從云端下移到接近數(shù)據(jù)源的邊緣側(cè)，而邊緣計算作為分散的算力資源池，單個站點資源有限，當(dāng)業(yè)務(wù)需求激增時需要能夠通過最優(yōu)路徑將業(yè)務(wù)動態(tài)地調(diào)度到最優(yōu)的算力節(jié)點進(jìn)行處理，或者能夠靈活利用其它算力資源來彌補(bǔ)本地資源的不足。

算力網(wǎng)絡(luò)計劃通過基于無處不在的網(wǎng)絡(luò)連接，將多級算力資源進(jìn)行整合，實現(xiàn)云、邊、網(wǎng)高效協(xié)同，提高算力資源利用效率，進(jìn)而實現(xiàn)：

（1）用戶體驗的一致性：上層業(yè)務(wù)無需關(guān)心各類基礎(chǔ)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(diào)度各類資源來保證用戶的一致體驗。

（2）  服務(wù)靈活動態(tài)部署：基于業(yè)務(wù)的SLA需求，綜合考慮實時的網(wǎng)絡(luò)、算力、存儲等多維資源狀況，通過網(wǎng)絡(luò)靈活匹配與動態(tài)調(diào)度，將業(yè)務(wù)流量動態(tài)調(diào)度至最優(yōu)資源節(jié)點。

（3）為了實現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)方案，2021年ITU-T發(fā)布了國際首個算力網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（編號Y.2501），標(biāo)準(zhǔn)中提供了一種典型的系統(tǒng)框架來實現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示[2]。此功能架構(gòu)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(jù)返回結(jié)果實現(xiàn)資源占用建立網(wǎng)絡(luò)連接。各層相互協(xié)作，為用戶提供多樣化的服務(wù)模式，實現(xiàn)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(gòu)圖

3  實現(xiàn)云邊協(xié)同算力共享，需打通工廠/企業(yè)內(nèi)、外網(wǎng)

當(dāng)前組網(wǎng)架構(gòu)下，企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)往往割裂、能力單一。互聯(lián)網(wǎng)僅用于商業(yè)信息的交互，由互聯(lián)網(wǎng)和高性能專線專網(wǎng)構(gòu)成，實現(xiàn)企業(yè)、平臺、用戶、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)）需要鏈接工廠內(nèi)各種要素，以現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等專業(yè)網(wǎng)絡(luò)為主，兩者難以協(xié)同，OT網(wǎng)絡(luò)中的大量數(shù)據(jù)無法上傳至企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中，造成大量數(shù)據(jù)沉淀。如圖2所示。

圖2 當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

為解決以上問題，需要利用新技術(shù)構(gòu)建高精準(zhǔn)、差異化的企業(yè)/工廠外網(wǎng)，  打破IT、OT網(wǎng)界限，  實現(xiàn)對現(xiàn)場的充分信息采集、控制反饋與傳遞。

工業(yè)現(xiàn)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(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)中，經(jīng)常會放棄TCP/IP協(xié)議，采用如藍(lán)牙、Zigbee等輕量級協(xié)議以減少開銷，但這些協(xié)議在出企業(yè)內(nèi)網(wǎng)時會存在與大網(wǎng)兼容性差的問題，且在出外網(wǎng)時會存在協(xié)議轉(zhuǎn)換開銷較大。

靈活編址技術(shù)可以解決企業(yè)/工廠內(nèi)、外網(wǎng)兼容性問題。通過采用可變長多語義地址的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)域內(nèi)短地址通信、域外長地址通信，報文網(wǎng)關(guān)處實現(xiàn)長短地址轉(zhuǎn)換，如圖3所示。該方案可以避免額外的協(xié)議轉(zhuǎn)化開銷，提高可擴(kuò)展性。

企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)組網(wǎng)互通，是實現(xiàn)云邊協(xié)同算力共享,構(gòu)建高效、穩(wěn)定、可靠網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，也可為企業(yè)業(yè)務(wù)創(chuàng)新、運營管理效率提升等提供堅實的基礎(chǔ)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(guī)模機(jī)器通信、機(jī)器視覺、遠(yuǎn)程操控、人工智能等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景需求，全面賦能產(chǎn)業(yè)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(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。新一代信息技術(shù)與工業(yè)現(xiàn)場級操作技術(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(gòu)建下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施體系、提升數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

不同于傳統(tǒng)“盡力而為”的轉(zhuǎn)發(fā)方式，確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供“準(zhǔn)時、準(zhǔn)確”的可靠性數(shù)據(jù)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、時鐘同步、資源預(yù)留、優(yōu)先級隊列調(diào)度、流量整形等一系列協(xié)議和機(jī)制的集合，從整體保證網(wǎng)絡(luò)帶寬可控、路徑/時延可控及抖動可控的確定性需求。目前業(yè)界主要有三類典型技術(shù)方案。

第一類方案是IEEE 802.1時間敏感網(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)。

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

第三類是大規(guī)模確定性IP技術(shù)，保證大規(guī)模IP網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)承載技術(shù)可以從三個維度描述，三個維度的不同組合可以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同場景的業(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(biāo)準(zhǔn)，可通過入口帶寬限速、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級服務(wù)等策略，粗粒度地預(yù)留資源，通過帶寬的預(yù)留概率性保證。

二是路徑確定性，  在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中，流量路徑是根據(jù)路由協(xié)議實時計算得出，確定性網(wǎng)絡(luò)中可通過SRv6或MPLS等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)抖動確定，IP網(wǎng)絡(luò)中，擁塞等原因會造成網(wǎng)絡(luò)延遲，無法滿足對時延要求極高的工業(yè)控制等場景。因此可通過確定性轉(zhuǎn)發(fā)等技術(shù)手段，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抖動的確定性。

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

5  結(jié)束語

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)邊緣接入的終端數(shù)量也會呈爆發(fā)性增長趨勢，大量的新業(yè)務(wù)給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)都帶來了巨大挑戰(zhàn)。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(tǒng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要動力。運營商可以發(fā)揮大網(wǎng)優(yōu)勢，不斷從技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，共同推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向前發(fā)展。

作者簡介：

唐   靜  （1993-），女，江蘇鹽城人，工程師，碩士，現(xiàn)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(xiàn)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(jiān)，主要研究領(lǐng)域為未來網(wǎng)絡(luò)、算力網(wǎng)絡(luò)、IP城域網(wǎng)、數(shù)據(jù)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(xiàn)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，研究方向為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新型數(shù)據(jù)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(xiàn)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，研究方向為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、6G及算力網(wǎng)絡(luò)。

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摘自《自動化博覽》2022年2月刊